High frequency rainfall data disaggregation with a random cascade model : Identifying regional differences in hyetographs in Sweden

The field of urban hydrology is in need of high temporal resolution data series in order to effectively model and analyse existing and future trends in extreme precipitation. When high resolution data sets are, for any number of reasons, not available for a given location, the technique of disaggregation using a random cascade model can be applied. Previous studies have demonstrated the relevance of random cascades in the context of rainfall data disaggregation with temporal resolutions usually down to 1 hour. In this study, an attempt at disaggregation to a resolution of 1 minute was made. Using newly disaggregated rainfall data for different regions in Sweden, the possibility of clustering rain events into separate regional hyetographs was investigated. The random cascade model was calibrated using existing municipal rainfall data with a temporal resolution of 1 minute, in order to disaggregate continuous 15 minutes data series provided by the Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI). The disaggregation process was then performed in multiple stochastic realisations, in order to correct the uncertainties inherent to the random cascade model. The disaggregation results were assessed by comparing them with calibration data: two main rainfall parameters, EV and ED, were analysed by determining their behaviours and distribution. The possibility of transfering calibration parameters from one station to another was also assessed in a similar manner, again by studying EV & ED for different scenarios. Finally, hyetographs were clustered, compared and contrasted, in order to ascertain previously theorized differences between regions. This research showed the feasibility of applying a random cascade model to very high temporal resolutions in Sweden, while replicating rainfall characteristics from the calibration data quite well. The analysis of the spatial transferability of calibration parameters yielded inconclusive results, as rainfall characteristics were preserved in some cases but failed in others. Lastly, distinct regional differences in hyetographs were noted, but no clear conclusions could be drawn owing to the delimitations of this study.

Inom småskalig hydrologisk modellering finns det idag ett behov av dataserier med hög tidsupplösning för att effektivt kunna modellera och analysera både aktuella och kommande trender hos extrema regnhändelser. När högupplösta dataserier är otillgängliga vid en önskad mätplats kan disaggregering med hjälp av en slumpmässig kaskadmodell tillämpas. Tidigare forskning har visat att kaskadmodeller är användbara för disaggregering av regndata med en tidsupplösning av 1 timme. I denna studie disaggregerades dataserier med syftet att uppnå en tidsupplösningav av 1 minut. För att kunna analysera eventuella skillnader mellan regioner klustrades även hyetografer med de framtagna dataserierna. Den slumpmässiga kaskadmodellen kalibrerades med befintlig kommunal data med en tidsupplösning på 1 minut, för att sedan kunna disaggregera 15 minuters data från SMHIs databaser. Disaggregeringen genomfördes i ett antal olika stokastiska realisationer för att kunna ta hänsyn till, och korrigera, de inneboende osäkerheterna i den slumpmässiga kaskadmodellen. Disaggregeringsresultaten bedömdes genom en jämförelse med kalibreringsdata: två regnegenskaper, regnvaraktighet (ED) och regnvolym (EV), analyserades för att kunna bestämma derasfördelningar och beteenden. Kalibreringsparametrarnas överförbarhet analyserades också med hjälp av ED & EV för olika scenarier. Slutligen klustrades hyetografer för att fastställa potentiella skillnader mellan regioner. Studien påvisade möjligheten att använda en slumpmässig kaskadmodell till höga tidsupplösningar i Sverige. Modellen lyckades återskapa regnegenskaper från kalibreringsdata vid disaggregeringen. Möjligheten att överföra kalibreringsparametrar från en station till en annan visade sig dock inte vara helt övertygande: regnegenskaper återskapades endast i vissa fall, men inte i samtliga. Slutligen konstaterades regionala skillnader i hyetografer, men tydliga slutsatser kunde inte dras på grund av underliggande begränsningar med studien.