Parameter Estimation of a Distributed Hydrologic Model using Parallel PEST: Comparison of Impacts by Radar and Ground Rainfall Estimates

Abstract

In this study, we estimate parameters of a distributed hydrologic model, GRM (grid based rainfall-runoff model), using a model-independent parameter estimation tool, PEST. We implement auto calibration of model parameters such as initial soil moisture, multipliers of overland roughness and soil hydraulic conductivity in the Geumho River Catchment and the Gamcheon Catchment using radar rainfall estimates and groundobserved rainfall represented by Thiessen interpolation. Automatic calibration is performed by GRM-MP (multiple projects), a modified version of GRM without GUI (graphic user interface) implementation, and "Parallel PEST" to improve estimation efficiency. Although ground rainfall shows similar or higher cumulative amount compared to radar rainfall in the areal average, high spatial variation is found only in radar rainfall. In terms of accuracy of hydrologic simulations, radar rainfall is equivalent or superior to ground rainfall. In the case of radar rainfall, the estimated multiplier of soil hydraulic conductivity is lower than 1, which may be affected by high rainfall intensity of radar rainfall. Other parameters such as initial soil moisture and the multiplier of overland roughness do not show consistent trends in the calibration results. Overall, calibrated parameters show different patterns in radar and ground rainfall, which should be carefully considered in the rainfall-runoff modelling applications using radar rainfall.

Effects of Rainfall Spatial Distribution on the Relationship between Rainfall Spatiotemporal Resolution and Runoff Prediction Accuracy

“…For rainfall-runoff simulations, we utilized a grid-based rainfall-runoff model (GRM) based on a kinematic wave model [19]. The GRM can simulate surface runoff, infiltration, and subsurface flow, and consider control by hydraulic structures [20][21][22][23].…”

Comparison of Quantitative Precipitation Estimation Algorithms using Dual Polarization Radar Measurements in Korea

“…넓은 지역에 대해 고해상도의 시공간 분해능을 갖는 레 이더 추정 강수는 산악지역에 대한 돌발홍수 예측이나 홍수 예보의 정확도 향상에 큰 가능성을 지닌 것으로 평가되고 있 으며 (Bae et al, 2012), 그동안 많은 관련 연구가 진행되어 왔 다 (Collier et al, 1986;Seo, 1998;Bringi et al, 2001;Borga, 2002;Thorndahl et al, 2014). 특히 국내에서는 단일 편파 레이더의 오차 및 면적평균환산의 오차, 지상 강우자료 의 합성 및 보정 방법, 레이더 반사도의 수직분포에 대한 보 정 등 레이더 추정 강수의 정확도를 평가하고 향상시키기 위 한 연구 (Bae et al, 2012;Kim et al, , 2009Kim et al, , 2010Kim et al, , 2011Kim and Yoo, 2014;Lee et al, 2014;Yoo et al, 2008Yoo et al, , 2009Yoo et al, , 2011aYoo and Yoon, 2010;Yoon et al, 2014b)와 레이더 추정 강우를 활용한 수문학적 홍수 모의 및 산사태 등 재해 예측 기법을 중심으로 많은 연구 (Ham and Hwang, 2014;Noh et al, 2013Noh et al, , 2014Park and Hur, 2009;Yoon et al, 2014a)가 진행되었다. 한편, 최근 수평편파만을 사용하는 기존의 단일 편파 레이 더에 비해 수직 편파를 추가로 사용하여 여러 수문 기상 변수 를 관측하는 이중 편파 기술의 도입에 의해 레이더의 강수 추 정 성능이 향상되고 있다 (Jeon et al, 2012;Lee, 2013;Lim et al, 2013b (Jeon et al, 2012;Lee, 2013).…”

Impact Assessment of Spatial Resolution of Radar Rainfall and a Distributed Hydrologic Model on Parameter Estimation

“…PEST (model-independent parameter estimation)는 비선형함 수의 매개변수 최적화 및 불확실성 분석 모형으로 (Doherty, 2003(Doherty, , 2009), 지하수 흐름 해석 모형의 매개변수 추정에 주로 사용되어 왔으며, 최근 지표수 해석 모형에 대해서도 적용이 확대되고 있다 (Kim, 2007a;Noh et al, 2013) …”

“…또한 레이더 추정 강우는 산악지역에 대한 돌발홍수 예측이 나 홍수예보의 정확도 향상에 큰 가능성을 지닌 것으로 평가되며 (Bae et al, 2012), 그동안 많은 관련 연구가 진행되어 왔다 (Borga, 2002;Collier and Knowles, 1986;Yoo et al, 2011, Jeon et al, 2012Lee, 2013). 특히, 최근 보급이 확산되고 있는 이중편파 레이더는 수평편파만을 사용하는 기존의 단일편파 레이더에 비해 수직 편파를 추가로 사용함으로써 강우체 추정 및 강우량 정확도 개선을 위한 다양한 관측자료를 제공한다 (Lee, 2013) (Kwon et al, 2008;Chung et al, 2012;Kim et al, 2007b;Kwak et al, 2009), 대부분 많은 횟수의 순차적 반복 계산이 요구되어 분포형 수문모형에 효율적으로 적용되기 어려운 단점이 있으며, 최근 들어 비교적 적은 반복 계산으로 효과적인 매개변수 추정이 가능한 PEST 모형을 이용한 연구가 수행된 바 있다 (Kim et al, 2007a;Noh et al, 2013). …”