Kalibrering och utvärdering av S-HYPE

Här följer en generell beskrivning av det arbete som utförs av SMHI när den hydrologiska modellen S-HYPE, som är en modelluppsättning av HYPE-modellen för hela Sverige, kalibreras och utvärderas mot mätdata.

Kalibrering av S-HYPE

Alla hydrologiska modeller måste anpassas till mätdata (kalibreras) för att ge användbara resultat. HYPE-modellen har ett stort antal parametrar som behöver anges och anpassas till lokala förhållanden. De flesta parametrarna är kopplade till antingen jordart eller markanvändning. De bestäms inte lokalt för varje mätpunkt, utan för grupper av små, homogena typområden av dominerande karaktär, t.ex. barrskog på moränjordar, eller jordbruk på lera.

Kalibreringen av S-HYPE görs iterativt i två steg. Först tas en generell grundmodell fram. Därefter ställs lokala avvikelser in för ett fåtal nyckelparametrar.
Den generella modellen tas fram enligt följande schema:

1. Hydrologiska parametrar för små, sjölösa typområden
2. Hydrologiska parametrar för vattendrag och sjöar
3. Vattenkvalitetsparametrar för små, sjölösa typområden
4. Vattenkvalitetsparametrar för sjöar och vattendrag

Den generella modellen är en kompromiss över ett stort antal stationer, och alltså inte lokalt kalibrerad mot enskilda stationer. Under kalibreringens gång görs hela tiden en rimlighetsbedömning av parametervärdena, och modellens uppförande, till exempel gällande grundvattenvariationer och mängden vatten som rinner av på markytan utan att infiltrera i marken. Vid denna bedömning används erfarenhetsvärden, litteraturvärden och lokala mätvärden av till exempel snödjup, grundvattendjup, avdunstning och spårämnen.

I den lokala anpassningen ställs sedan lokala avvikelser från grundmodellen in för ett fåtal nyckelparametrar, för olika parameterregioner. För viktigare sjöar kan lokala parametrar för magasinering, retention och internbelastning sättas. I den lokala inställningen vägs alla mätpunkterna inom området samman i en kompromiss, med fokus på stationerna långt nedströms. Mynningspunkter ges särskild vikt eftersom mängderna kväve och fosfor som belastar havet måste beskrivas väl för att resultaten från S-HYPE ska kunna användas som drivdata till kustzonsmodellen. Man kan se kalibreringsprocessen som en uppdatering av modellparametrarna vid varje mätstation, om det skiljer för mycket mellan grundmodellen och mätdata.

Vattenföringsdata från cirka 400 hydrologiska stationer, både SMHI:s egna och andra ägares, har använts vid uppsättningen av modellen, dels för kalibrering och dels för kontroll och utvärdering. Närmare 900 mätpunkter för kväve- och fosfor från SLU:s datavärdskap för miljöövervakning i sjöar och vattendrag har använts för motsvarande ändamål. Den rumsliga upplösningen i avrinningsområden stämmer inte alltid överens med de punkter där vattenproverna tas. Ett antal stationer har fallit bort på grund av detta, och en del av stationerna som ingår i modellen ligger mindre bra till i förhållande till modellens indelning och punktkällor.
 

Metod för modellutvärdering

Modellosäkerhet kännetecknar spridningen av modellberäknade värden i jämförelse med observerade värden. Detta innefattar dels själva modellens osäkerhet, dels osäkerheter hos indata och drivdata till modellen, och dessutom osäkerhet hos mätdata. Utvärderingen som beskrivs här ger endast en uppskattning av den totala osäkerheten.

Osäkerhet definieras som ett spridningsintervall kring mätvärdet. SMHI använder bland annat den genomsnittliga avvikelsen i procent för att beskriva skillnaden mellan modellberäknat värde och uppmätt värde. Den genomsnittliga avvikelsen beräknas som:

Formel för genomsnittlig avvikelse i vattenwebb
Formeln för beräkning av genomsnittlig avvikelse i vattenwebb
Formeln för flödesviktning i vattenwebb

Genomsnittliga koncentrationer beräknas här genom att flödesvikta enskilda beräknade och uppmätta koncentrationsvärden, för de dagar då det finns mätvärden. Flödesviktningen ger större vikt åt koncentrationer under höga flöden, och utvärderingen kan därför relateras till motsvarande avvikelse i den totala ämnestransporten:


Målet med anpassningen av modellens parametrar är att så väl som möjligt beskriva och förklara flödena av vatten och näringsämnen i tid och rum för hela landet, genom en kombination av modellen och tillgängliga mätdata. Att modellen stämmer så bra som möjligt är viktigt för statusklassning, betingsberäkning, källfördelning, transportberäkningar, indata till kustzonsmodellen, prognoser, etc. Man skulle kunna spara mätdata för oberoende utvärdering, men detta skulle då ge en sämre modell. Tills vidare har SMHI därför valt att studera detta i parallella metodstudier. Man kan sammanfattningsvis säga att alla mätpunkter i varierande grad är både kalibreringspunkter och oberoende punkter.