OPERA Vesistömallien kehittäminen Vuoden 1999 tutkimusohjelman loppuraportti

OPERA Vesistömallien kehittäminen Vuoden 1999 tutkimusohjelman loppuraportti Markus Huttunen Sirpa Joukainen Bertel Vehviläinen SUOMEN YMPÄRISTÖKESKUS 1. helmikuuta 2001

ISBN 952-11-0840-1 ISSN 1455-0792 Painopaikka: Oy Edita Ab Helsinki 2001

Sisällys ALKUSANAT... 5 1 VESISTÖMALLIEN TARKKUUDEN PARANTAMINEN... 6 1.1 Lämpötilariippuva haihduntamalli... 6 1.2 Maa- ja pohjavesivaraston laskennan korjaus... 8 1.3 Ennusteiden tarkkuuden mittaus... 9 1.4 Ilmatieteen laitoksen ennusteissa käytettävät painotuskertoimet... 12 1.5 Mallin laskennan korjauksen ohjausparametrit... 13 1.6 Vanhojen säähavaintojen käyttö ennustelaskennassa... 16 2 KÄYTTÖLIITTYMÄ... 20 2.1 Vesistömallijärjestelmän käyttöliittymä... 20 3 KASVILLISUUSHAIHDUNTAMALLIN KEHITTÄMINEN... 30 3.1 Johdanto... 30 3.2 Malli... 30 3.3 Mallin testaus... 34 3.3.1 Kalibrointi... 34 3.3.2 Validointi... 34 3.3.3 Johtopäätökset... 35 4 INARIN TULOVIRTAAMAENNUSTEIDEN TARKKUUS... 36 Kirjallisuus... 46 Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...3

4... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

ALKUSANAT Suomen ympäristökeskuksessa on käynnistetty maa- ja metsätalousministeriön hallinnonalaan kuuluva ja ministeriön pääosin rahoittama säännösteltyjen vesistöjen operatiivisen käytön kehittämisprojekti. Projektille laaditun tutkimusohjelman tavoitteita toteutetaan yhteistyössä eri tutkimusorganisaatioiden ja voimayhtiöiden kanssa. Hanke koostuu useista erillisistä osaselvityksistä, joista laaditaan erilliset raportit. Tämä julkaisu on loppuraportti vuoden 1999 ja 2000 aikana toteutetusta vesistömallien ennustetarkkuuden parantamiseen tähdänneestä yhteistutkimus- ja kehityshankkeesta. Hanke koostui vesistömallin käyttäjäystävällisyyttä parantavan käyttöliittymän kehittämisestä, useasta erillisestä ennustelaskennan tarkkuutta parantavan laskentarutiinin toteuttamisesta ja uuden haihduntamallin kehittämisestä. Kehitettävät vesistömallit olivat Kemijoen ja Oulujoen vesistöalueilla käytössä olevat neljä erillistä mallia. Kehitystyössä Oulujoen vesistömallit muutettiin pc-pohjaisiksi ja erilliset mallit yhdistettiin yhdeksi malliksi. Tässä esiteltävät kehitystyöt, kasvillisuushaihduntamallia lukuun ottamatta, on toteutettu suoraan operatiivisessa käytössä olevaan ennustemalliin. Siten ne on otettu välittömästi käyttöön parantamaan ennusteiden tarkkuutta. Kasvillisuushaihduntamalli otetaan todennäköisesti operatiiviseen käyttöön vasta, kun malliin tuodaan tarkat, luultavammin 1 km hilakoossa olevat maankäyttötiedot koko vesistöalueelta. Nämä tiedot ovat jo olemassa SYKE:ssä ja niiden muokkaaminen malliin sopivaan muotoon ja käyttöönotto mallissa liittyvät toiseen projektiin. Lisäksi raportissa on esitetty selvitys Inarijärven pitkän ajanjakson tulovirtaamaennusteiden tarkkuudesta joinakin ennustevuosina 1990-luvulla. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...5

1 VESISTÖMALLIEN TARKKUUDEN PARANTAMINEN 1.1 Lämpötilariippuva haihduntamalli Kemijoen ja Oulujoen malleihin sovitettiin ja otettiin käyttöön lämpötilariippuva potentiaalisen haihdunnan malli. Tämä malli arvioi Class-A haihdunnan päivittäistä arvoa vuorokauden sademäärän, keskilämpötilan ja vuodenajan perusteella (kuva 2). Vesistömallissa Class-A haihduntaa käytetään arviona potentiaalisesta haihdunnasta, jonka perusteella maanpintahaihdunta ja järvihaihdunta lasketaan niiden laskentaan kehitetyillä malleilla. Malli Class-A haihdunnalle on kehitetty aikaisemmin SYKE:ssä. Malli sovitettiin seuraaville Oulujoen ja Kemijoen alueen Class-A havaintoasemille: = = 59011 Suomussalmi, Pesiö 65011 Sodankylä, Observatorio Lämpötilariippuvalla haihduntamallilla arvioituja haihdunta-arvoja käytetään vesistömallissa silloin kun Class-A havaintoja ei ole käytettävissä (kuva 1). Tällaisia tilanteita on mm. Keväällä sulantakautena kun havaintoja ei vielä tehdä. Lisäksi Class-A havainnot ovat käytettävissä 2 viikon - 1 kuukauden viiveellä, joten niitä ei ole käytettävissä tämän pituisella jaksolla ennen ennusteen alkua. Aikaisemmin vesistömallissa havaintojen puuttuessa käytettiin haihdunnan kuukausikeskiarvoja, jolloin lämpötilan ja sateen vaikutus haihduntaan jäi huomioimatta. Kuva 1. Esimerkki lämpötilariippuvan haihduntamallin vaikutuksesta vesistömallin laskentaan. Mallilla arvioituja haihdunta-arvoja käytetään kun Class-A havainnot puuttuvat (tässä toukokuun ja elokuun alku) ja ennustejaksolla. 6... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 2. Lämpötilariippuvassa haihduntamallissa etsitään Class-A haihduntahavainnon riippuvuus päivämäärästä, vuorokauden sademäärästä ja vuorokauden keskilämpötilasta. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...7

1.2 Maa- ja pohjavesivaraston laskennan korjaus Oulujoen mallin pohjavesivaraston laskentaan vaikuttavat parametrit on kalibroitu uudelleen. Nykyisillä parametrien arvoilla varaston arvot eivät muutu epärealistisesti (kuva 3). Kemijoen mallissa uudelleenkalibrointiin ei ollut tarvetta. Kuva 3. Oulujoen vesitasekuva. Pohjavesivaraston laskentaan vaikuttavat parametrit kalibroitiin uudelleen jotta varaston tilavuus ei kasvaisi epärealistisen suureksi. 8... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

1.3 Ennusteiden tarkkuuden mittaus Malleihin on toteutettu osa, jolla voidaan tehdä automaattisesti ennusteet useissa eri tilanteissa ja tarkkailla ennusteiden osuvuutta (kuvat 4 ja 5). Tätä ennusteiden tarkkuuden mittausosaa käytetään edelleen optimoitaessa sääennusteille käytettäviä painotuskertoimia (ks. 1.4). Tehtävistä ennusteista määritellään ennusteiden alkupäivämäärät ja se minkä vuoden säähavaintoja ennustejaksolla käytetään Ilmatieteen laitoksen 10 vrk sääennusteen lisäksi. Sääennusteita on talletettuna 1.6.1997 eteenpäin, eli ko. päivämäärästä eteenpäin voidaan tehdä todellisiin käytössä olleisiin sääennusteisiin perustuvia ennusteita. Ennusteita voidaan tehdä myös aikaisemmille ennusteen alku ajankohdille, mutta silloin ennustejaksolle ei ole käytettävissä todellista sääennustetta. Mallissa pystytään tarkkailemaan samanaikaisesti n. 500 kpl erilaista säähavaintoaikasarjaa ennustejaksolle. Yksi säähavaintoaikasarja koostuu sääennusteesta ja jonkin aikaisemman vuoden säähavainnoista. Kuvassa 4 on jokaista ennusteen alkupäivää kohti ennuste simuloitu 10 eri aikaisemman vuoden säähavainnoilla ja näin on saatu tulovirtaamaennusteen jakauma. Tällöin voidaan tarkkailla samanaikaisesti ennusteita n. 50 eri ennusteen alkupäivänä. Lukumäärää miten monta erilaista säähavaintoaikasarjaa pystytään simuloimaan samanaikaisesti rajoittaa laitteiston kapasiteetti, nykyisessä laitteistossa (512 MB muistia) tuo raja 2 kk ennustejaksolle on n. 500 kpl. Ennusteen hyvyyden mittaamiseen voidaan käyttää erilaisia kriteerejä. Kriteeri voi olla esimerkiksi havaitun arvon ero keskiennusteesta. Matemaattisesti oikea tapa mitata jakaumaennusteen hyvyyttä olisi laskea havaitun arvon todennäköisyys kyseisessä ennustejakaumassa. Tätä vaikeuttaa kuitenkin se että aina havaittu arvo ei osu ennusteviuhkan alueelle. Il:n ennusteen luotettavuuskertoimien optimoinnissa (ks. 1.4) käytetty kriteeri koostui havaitun arvon etäisyydestä keskiennusteesta ja havaitun arvon osumisesta ennusteviuhkan alueelle. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...9

Kuva 4: Malleihin toteutettiin osa, jolla voidaan tehdä ennusteita useissa eri tilanteissa ja tarkkailla ennusteiden osuvuutta. Tässä esimerkkinä ennusteet Kemijärven tulovirtaamasummalle, ennusteet alkavat 1.-19.5.2000 ja ennustejakso on 2 kk. 10...Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 5: Ennusteet Lokan ja Porttipahdan tulovirtaamasummalle, ennusteet alkavat 1.-19.5.2000 ja ennustejakso on 2 kk. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...11

1.4 Ilmatieteen laitoksen ennusteissa käytettävät painotuskertoimet Vesistömallissa on määritelty Ilmatieteen laitoksen 10 vrk sääennusteelle kunkin vuorokauden sade- ja lämpötilaennusteelle luotettavuuskerroin. Sääennusteen ensimmäiset vuorokaudet ovat luotettavimpia ja luotettavuus vähenee kohti kymmenettä vuorokautta. Lämpötilaennuste on tavallisesti luotettavampi kuin sade-ennuste. Vesistömallissa sääennusteen ensimmäisten vuorokausien arvot käytetään lähes sellaisenaan mutta viimeisten vuorokausien arvoihin lisätään vaihtelua. Käytetyt luotettavuuskertoimet määräävät miten paljon vaihtelua lisätään. Vesistömallissa ennuste tehdään simuloimalla ennustejakso (esim. 6 kk) vuosien 1961-96 havaituilla sateilla ja lämpötiloilla. Ennusteen ensimmäisille päiville käytetään IL:n sääennustetta ennusteen luotettavuuskertoimien mukaisesti. Jos esimerkiksi lämpötilaennusteen 5. vuorokauden painotuskerroin on 1.0 niin ko. vuorokaudelle käytetään jokaisessa em. 36 simuloinnissa suoraan sääennusteen määräämää lämpötilaa. Jos painotuskerroin olisi 0.0 niin jokaisessa simuloinnissa käytettäisiin suoraan ko. vuonna ko. päivänä havaittua lämpötilaa. Jos painotuskerroin olisi 0.5 niin käytettäisiin puoliksi molempia. Taulukko 1. Ilmatieteen laitoksen ennusteelle optimoimalla saadut luotettavuuskertoimet ja aikaisemmin käytössä olleet luotettavuuskertoimet. Optimoinnissa tarkkailtiin Kemijärven 2 kk tulovirtaamaennusteita ajalla 20.4.-31.5.2000. Kertoimien optimoinnissa tulovirtaamaennusteiden virhe pieneni 1.7 %. Vanhat kertoimet Uudet kertoimet Vrk Lämpötilan painotus Sateen painotus Lämpötilan painotus Sateen painotus +0 1.00 1.00 0.93 0.96 +1 0.90 0.90 0.88 0.92 +2 0.85 0.70 0.71 0.57 +3 0.80 0.50 0.68 0.37 +4 0.70 0.30 0.68 0.20 +5 0.60 0.10 0.68 0.00 +6 0.50 0.10 0.55 0.00 +7 0.40 0.10 0.55 0.00 +8 0.30 0.10 0.42 0.00 +9 0.20 0.10 0.34 0.00 Painotuskertoimet on aikaisemmin määritelty sen perusteella mitä on tiedetty ja oletettu sääennusteen luotettavuudesta. Nyt kertoimet määritettiin tekemällä vesistömallilla ennusteita useissa eri tilanteissa ja luotettavuuskertoimet optimoitiin ennusteen tarkkuuden perusteella. Uudet ja vanhat luotettavuuskertoimet ovat taulukossa 1. Optimoinnissa tarkkailtiin Kemijärven tulovirtaamaennusteita, joissa ennusteen alkuajankohdat olivat 20.4.-31.5.2000. Ennusteet valittiin tältä jaksolta, koska IL kehittää jatkuvasti omia ennusteitaan ja siksi vanhempien ennusteiden tarkkuus ei välttämättä kuvaa nykytilaa. Kuvassa 4 on esitetty ennusteen osuvuutta optimoiduilla luotettavuuskertoimilla. Optimoinnissa minimoitu virhefunktio on summa kahdesta komponentista: = = Havaitun tulovirtaamasumman ja keskiennusteen välinen ero Jos havaittu arvo ylittää tai alittaa ennusteviuhkan vaihteluvälin niin havaitun arvon etäisyys ennusteiden maksimista tai minimistä Näistä jälkimmäisen komponentin tarkoituksena on pienentää niiden ennustevuorokausien painotusta, joiden ennustearvoissa on enemmän satunnaista vaihtelua. 12... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Päämääränä on saada vesistömallin ennusteviuhka riittävän leveäksi jotta havaittu arvo osuu viuhkan alueelle. 1.5 Mallin laskennan korjauksen ohjausparametrit Mallin laskennan korjausrutiinia kehitettiin sellaiseksi, että kalibrointia tarvitsevien ohjausparametrien käyttö ei ole enää tarpeen. Tämä toteutettiin muuttamalla mallin virheen laskennassa eri osavirheet paremmin yhteismitallisiksi. Mallin aikaisemmassa versiossa jokaiselle korjattavalle pisteelle oli määritelty omat painotuskertoimet optimoidun virhefunktion eri komponenteille. Virhefunktion eri komponentit ovat: = = = = = = = Havaitun ja lasketun päivittäisen virtaaman tai tulovirtaaman ero Havaitun ja lasketun virtaamasumman tai altaan tilavuuden ero Havaitun lumilinjamittauksen ja lasketun lumen vesiarvon ero Tehdyn vesisadekorjauksen summa Tehdyn lumisadekorjauksen summa Tehdyn lämpötilakorjauksen summa Lisäksi jos korjataan useita pisteitä samanaikaisesti: o Vesisadekorjauksen ero eri alueilla o Lumisadekorjauksen ero eri alueilla o Lämpötilakorjauksen ero eri alueilla Minimoitava virhe on summa näistä eri komponenteista niin että kutakin komponenttia painotetaan omalla painotuskertoimella. Painotuskertoimia oli siten 5-10 kpl jokaista korjattavaa pistettä kohti. Virhefunktiota muutettiin siten, että eri komponentit lämpötilakorjausta lukuun ottamatta muunnettiin kuutiometreiksi vettä. Näin komponentit saatiin yhteismitallisiksi ja eri korjattavien pisteiden virheitä voitiin verrata keskenään. Näin eri korjattaville pisteille pystyttiin lisäksi käyttämään samoja painotuskertoimia. Virhefunktioon lisättiin yksi uusi termi, joka on tehdyn korjauksen vaikutus alueen vesitaseeseen (kuva 6). Tämä termi kuvaa aikaisempaa paremmin tehdyn korjauksen vaikutuksen mallin tilaan ennusteen alkuhetkellä. Korjauksen vaikutus vesitaseeseen saadaan simuloimalla malli ilman korjauksia ja korjausten kanssa ja laskemalla summa mallin lumi, maankosteus, pohjavesi ym. varastoista ja vertaamalla näiden summien arvoja korjatussa ja korjaamattomassa tilanteessa. Kehitystyössä malliin toteutettiin lisäksi osa, joka piirtää kuvat virhefunktion eri komponenttien osuuksista ja ajallisesta jakaumasta jokaisessa korjattavassa pisteessä jokaisen korjausajon jälkeen (kuva 7). Kuvat ovat katseltavissa käyttöliittymän kautta ja ne helpottavat korjausmallin toimivuuden tarkkailua ja virheiden löytymistä. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...13

Kuva 6. Mallin laskennan korjauksen vaikutus vesitaseeseen. Tätä termiä käytetään verrattaessa tehdyn korjauksen määrää saatuun parannukseen virtaaman tai vedenkorkeuden simuloinnissa. 14... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 7. Esimerkki virhefunktion eri komponenttien ajallisesta jakaumasta ja komponenttien osuuksista kokonaisvirheestä. Malliin toteutettiin osa, joka tekee nämä tulosteet jokaisesta korjattavasta pisteestä jokaisen korjausajon jälkeen. Tulosteet ovat katseltavissa käyttöliittymästä. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...15

1.6 Vanhojen säähavaintojen käyttö ennustelaskennassa Vesistömalliin toteutettiin osa, jossa ennustetta tehtäessä ennustejakso simuloidaan vuosien -61-96 säähavainnoilla. Simuloinnissa tehdään 36 erilaista ennustetta, ensimmäisessä käytetään ennusteen alusta eteenpäin vuoden 1961 säähavaintoja, toisessa v. 62 säähavaintoja, jne. Ennusteen ensimmäisille päiville käytetään kuitenkin sääennustetta, kuten luvussa 1.4 on kuvattu. Tuloksena simuloinnista saadaan esimerkiksi 36 erilaista Kemijärven tulovirtaamaennustetta (kuvat 8, 9 ja 10), joista voidaan edelleen laskea esimerkiksi tulovirtaamasumman keskiennuste ja joista voidaan arvioida ennusteen epävarmuutta. Koska vuosien -61-96 aikana esimerkiksi sadehavaintoasemaverkko on muuttunut ja tänä aikana on käytetty eri valmistajien sademittareita, jotka mittaavat hiukan eri tavalla, tehtiin mallin ennustelaskennalle lisäksi tarkistus, jolla poistettiin ko. tekijöistä aiheutuva systemaattinen virhe ennusteeseen. Tarkistus tehtiin simuloimalla pitkän jakson ennuste (5 kk) yhteensä 24 eri ajankohtana (kuvat 8, 9 ja 10) ja optimoimalla näiden ennusteiden perusteella ennustejakson säähavainnoille kuukausittaiset korjaustermit, joilla ennusteiden systemaattinen virhe saatiin poistettua. 16... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 8: Ennusteet Kemijärven tulovirtaamalle. Ennusteet alkavat 1.2.-97, 1.3., 1.4., 1.5., 1.6., 1.7., 1.8.-97, 1.2.- 98, 1.3. ja 1.4.-98. Ennustejakson pituus on 5 kk. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...17

Kuva 9: Ennusteet Kemijärven tulovirtaamalle. Ennusteet alkavat 1.5.-98, 1.6., 1.7., 1.8.-98, 1.2.-99, 1.3., 1.4., 1.5., 1.6. ja 1.7.-99. Ennustejakson pituus on 5 kk. 18...Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 10: Ennusteet Kemijärven tulovirtaamalle. Ennusteet alkavat 1.8.-99, 1.9.-99, 1.2.2000 ja 1.3.2000. Ennustejakson pituus on 5 kk. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...19

2 KÄYTTÖLIITTYMÄ 2.1 Vesistömallijärjestelmän käyttöliittymä Vesistömallijärjestelmälle toteutettiin käyttöliittymä KEJO:lle toteutetun tulvavaroitusjärjestelmän käyttöliittymän pohjalta. Käyttöliittymä on www-pohjainen, sen käyttämiseksi tarvitaan kone jossa on www-selain, esim. Netscape ja internet-liittymä. Käyttöliittymän kautta pääsee käyttämään kaikkia järjestelmässä nyt olevia vesistömalleja, eli Kemijoen, Oulujoen, Lapuanjoen ja Vuoksen malleja. Käyttöliittymä toimii samalla palvelinkoneella kuin vesistömallikin (tällä hetkellä kk625.vyh.fi), lisäksi käyttöliittymästä on kopio ympäristöhallinnon ulkopuolelle näkyvällä palvelinkoneella (wwwmalli1.vyh.fi), jonka kautta sitä pääsevät käyttämään kaikki määritellyt käyttäjät. Käyttöliittymä on suojattu siten, että sitä pääsee käyttämään vain ennalta määritellyistä osoitteista ja lisäksi osa käyttöliittymän toiminnoista on suojattu käyttäjätunnuksella ja salasanalla. Käyttöliittymän tärkeimmät osat ovat: = Käyttöliittymän pääsivu (kuva 11), jolla on tärkeimpien pisteiden ennusteet. Lisäksi sivun yläreunassa on palkki, joka kertoo mm. onko malli ajossa. Sivun vasemmassa reunassa on valikko käyttöliittymän toiminnoista. = 10 vuorokauden lämpötila- ja sade-ennustetta voi katsella ja muokata (kuva 12). Lisäksi ennusteen luotettavuuskertoimia voi katsella ja muokata (kuva 13). = Vedenkorkeus-, virtaama-, sade-, lämpötila-, haihdunta- ja lumilinjahavaintoja pystytään katselemaan ja tallettamaan (kuvat 14 ja 16). Käyttöliittymässä on kaikki SYKE:n rekisterissä olevat nykyisin käytössä olevat havaintoasemat (kuvat 15 ja 17). = Säännösteltyjen altaiden juoksutukset voidaan määritellä käyttöliittymässä. Juoksutusennuste on altaan juoksutus päivittäin kuutiometreinä sekunnissa. Säännöstelyohje on altaan juoksutus vedenkorkeudesta ja päivämäärästä riippuvana taulukkona (kuvat 18 ja 19). = Kun altaiden säännöstelyohjetta tai juoksutusennustetta muutetaan säännöstely voidaan simuloida uudelleen senhetkisillä tulovirtaamaennusteilla. Altaat simuloidaan kaikilla 36 eri tulovirtaamaennusteella (kuva 20). = Mallin ennusteista on katseltavissa vesistökohtaiset ennusteet, asiantuntijakuvat, kuvat korjausmallin toiminnasta, osa-aluekohtaiset lumet, karttapohjaisia ennusteita ja Kemijoelle animaatio lumen vesiarvon kehityksestä (kuva 21). Vesistökohtaisissa ennusteissa on ennustekuvat vesistön eri pisteille (kuva 22). Vesistön eri pisteille on kuvasarjat, joissa on mm. virtaama, vedenkorkeus, sade, lämpötila, haihdunta, lumen vesiarvo ja mallin eri varastojen kuvat (kuva 23). Asiantuntijakuvissa (tieteelliset kuvat) on runsaasti eri tietoja sisältäviä = pistekohtaisia kuvia PostScript-muodossa (kuva 24). PostScript kuvien katseluun on erillinen apuohjelma GhostView, jonka voi ladata kohdasta Manuals/käyttöohje. Kaikista käyttöliittymässä olevista ennustekuvista on linkki samaan kuvaan PostScript-muodossa. Tulostettaessa PostScript kuvat ovat muita selkeämpiä (kuva 25). = Useimmista mallin muuttujista on myös karttapohjainen esitys (kuva 26). Esimerkkinä valuntakartta (kuva 27). 20... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 11. Käyttöliittymän pääsivu. Ylhäällä on palkki joka kertoo onko malli ajossa. Vasemmassa reunassa on valikko eri toiminnoista ja keskellä on tärkeimpien pisteiden ennustekuvat. Kuva 12. 10 vuorokauden lämpötila- ja sade-ennustetta pystytään katselemaan ja muokkaamaan käyttöliittymässä. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...21

Kuva 13. Sääennusteen luotettavuuskertoimia pystytään katselemaan ja muokkaamaan käyttöliittymässä. Kuva 14. Vedenkorkeus-, virtaama-, sade-, lämpötila-, haihdunta- ja lumilinjahavaintoja pystytään katselemaan ja tallettamaan käyttöliittymässä. 22... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 15. Käyttöliittymässä on kaikki SYKE:n rekisterissä olevat nykyisin käytössä olevat havaintoasemat. Kuva 16. Havaintoarvoja voi katsella, tallettaa ja korjata virheellisiä arvoja. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...23

Kuva 17. Lämpötila ja sadehavainnot ovat kaikilta IL:lta SYKE:en tulevilta asemilta. Lisäksi havaintoja voi tallettaa mallin käyttöön mm. KEJO:n havaintoasemille. Kuva 18. Säännösteltyjen altaiden juoksutukset voidaan määritellä käyttöliittymässä. Juoksutusennuste on altaan juoksutus päivittäin kuutiometreinä sekunnissa. Säännöstelyohje on altaan juoksutus vedenkorkeudesta ja päivämäärästä riippuvana taulukkona. 24... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 19. Säännöstelyohjeessa altaan säännöstely määritellään vedenkorkeudesta ja päivämäärästä riippuvana taulukkona. Tässä esimerkiksi juoksutusta 250 m 3 /s käytetään 1.1. jos veden-korkeus on 147.01 ja 1.4. jos vedenkorkeus on 143.50, sarakkeiden ja rivien välit interpoloidaan lineaarisesti. Kuva 20. Kun altaiden säännöstelyohjetta tai juoksutusennustetta muutetaan säännöstely voidaan simuloida uudelleen senhetkisillä tulovirtaamaennusteilla. Altaat simuloidaan kaikilla 36 eri tulovirtaamaennusteella. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...25

Kuva 21. Mallin ennusteista on katseltavissa vesistökohtaiset ennusteet, asiantuntijakuvat, kuvat korjausmallin toiminnasta, osa-aluekohtaiset lumet, karttapohjaisia ennusteita ja Kemijoelle animaatio lumen vesiarvon kehityksestä. Kuva 22. Vesistökohtaisissa ennusteissa on ennustekuvat vesistön eri pisteille. 26... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 23. Vesistön eri pisteille on kuvasarjat, joissa on mm. virtaama, vedenkorkeus, sade, lämpötila, haihdunta, lumen vesiarvo ja mallin eri varastojen kuvat. Kuva 24. Asiantuntijakuvissa (tieteelliset kuvat) on runsaasti eri tietoja sisältäviä pistekohtaisia kuvia PostScript-muodossa. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...27

Kuva 25. PostScript kuvien katseluun on erillinen apuohjelma GhostView, jonka voi ladata kohdasta Manuals/käyttöohje. Kaikista käyttöliittymässä olevista ennustekuvista on linkki samaan kuvaan PostScript-muodossa. Tulostettaessa PostScript kuvat ovat muita selkeämpiä. Kuva 26. Useimmista mallin muuttujista on myös karttapohjainen esitys. 28... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 27. Valuntakartta. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...29

3 KASVILLISUUSHAIHDUN DUNTAMAL MALLIN LIN KEHITTÄMINEN 3.1 Johdanto Suomen ympäristökeskuksen vesistömalleissa ei ole aikaisemmin eroteltu metsäalueilta tapahtuvaa haihduntaa muilta maa-alueilta tapahtuvasta haihdunnasta. Tässä työssä haihdunnan laskentaa kehitettiin jakamalla maa-alueilta tapahtuva haihdunta metsäalueisiin ja muihin maa-alueisiin. Metsäalueilla haihdunta jaettiin lisäksi kesäaikana kahteen komponenttiin: interseptiohaihduntaan ja puiden transpiraatioon. Kesäajalla tarkoitetaan tässä ajanjaksoa, jolloin sadanta tulee vetenä. Talviaikana, jolloin haihdunta tapahtuu lumesta, lasketaan haihdunta kuten aikaisemminkin. Muilla maa-alueilla haihdunnanlaskentaa kehitettiin ottamalla huomioon kasvillisuushaihdunnan riippuvuus lämpötilan kehityksestä. Myös Pohjois-Suomessa sijaitsevissa vesistöissä on haihdunnalla kesäaikana suuri merkitys alueen vesitaseen laskennassa. Eri haihdunnanlaskentatapojen vaikutuksia vesistömallien laskentatarkkuuteen testattiin Ounasjoen vesistömallilla. Muutokset malliin tehtiin aliohjelmiin VALU ja INF16, jonka nimi muutettiin INF17:ksi. Tämän raportin kaavoissa on jatkotyön helpottamiseksi käytetty samoja muuttujien nimiä kuin ohjelmakoodissakin. 3.2 Malli Interseptioksi sanotaan sitä osaa sadannasta, joka jää kasvin pinnalle ja interseptiohaihdunnaksi tästä interseptiovarastosta kasvin pinnalta tapahtuvaa haihduntaa. Interseptiokapasiteetti on interseptiovaraston maksimikoko eli se määrä vettä, joka kasvin pinnalla voi maksimissaan olla. Metsän interseptiokapasiteetin kooksi on arvioitu n. 1-2 mm (Feddes et al., 1997). Lehti- ja sekametsässä interseptiokapasiteetti vaihtelee lehtialan kehityksen mukaan ja on keskikesällä huipussaan. Mallin interseptiohaihdunnan laskenta perustuu Rinden (1998) kehittämään malliin. Mallissa on määritelty interseptiokapasiteetin minimi- ja maksimiarvot XLAIMIN ja XLAIMAX. Interseptiokapasiteetti kullakin ajanhetkellä saadaan kertomalla XLAIMAX kertoimella SESCOR, joka ottaa huomioon lehtialan kasvun ja vähenemisen kasvukauden aluissa ja lopuissa. Interseptiokapasiteetti on kuitenkin aina vähintään minimiarvonsa XLAIMIN suuruinen. ( SESCOR XLAIMAX XLAIMIN) INTCAP = MAX, (1) Kerroin SESCOR saa arvonsa tietyn pohjalämpötilan TBASE ylittävien vuorokausien lämpösumman mukaan seuraavasti: Lehtien kehityskaudella: TKA TBASE SESCOR TSUM1 ( ) =, jos ( TBASE) TKA < TSUM1 (2) 30... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Lehtialan maksimikaudella: = 1 SESCOR, jos TSUM1 < ( TBASE) Lehtien lakastumisen aikana: TSUM 2 SESCOR = TKA TBASE ( ) missä TKA on vuorokauden keskilämpötila. TKA < TSUM2 (3), jos ( TKA TBASE) > TSUM2, (4) Päivän keskilämpötilan jäädessä alle pohjalämpötilan: SESCOR = SESCED, jos TKA < TBASE, (5) missä SESCED on edellisen vuorokauden SESCORin arvo. Lisäksi interseptiokapasiteetin oletetaan pienenevän minimiarvoonsa syksyllä vuorokauden keskilämpötilan laskettua alle 0 C. Kuvassa 28 on esimerkki mallin laskemasta interseptiokapasiteetin ja lämpösumman Σ(TKA-TBASE) kehityksestä. interseptiokapasiteetti (mm) 2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 1.60E+03 1.40E+03 1.20E+03 1.00E+03 8.00E+02 6.00E+02 4.00E+02 2.00E+02 lämpösumma (Cd) 0.9 1.4. 15.4. 29.4. 13.5. 27.5. 10.6. 24.6. 8.7. 22.7. päivämäärä 5.8. 19.8. 2.9. 16.9. 30.9. 14.10. 28.10. 0.00E+00 Kuva 28. Esimerkki mallin laskemasta interseptiokapasiteetin ja lämpösumman Σ(TKA-TBASE) kehityksestä metsäalueella (Ounasjoki, valuma-alue nro. 11, 1997). Sadantatapahtuman yhteydessä interseptiovarasto täyttyy ja se osa sadannasta, joka ei mahdu interseptiovarastoon, putoaa maahan. Lehtien lakastumisvaiheessa interseptiokapasiteetti pienenee päivittäin. Jos interseptiovarasto on täynnä interseptiokapasiteetin pienentyessä, ylimääräinen vesi putoaa maahan. Malli laskee interseptiovarastossa kullakin ajanhetkellä olevan vesimäärän HINT ja vapaan tilan HINT2. Interseptiovaraston täyttyminen kuvataan seuraavasti: HINT = HINT + PL, jos PL < HINT2 (7) YIEL2 = YIEL2 PL Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...31

HINT = INTCAP, jos PL HINT 2 (8) YIEL2 = YIEL2 HINT 2 missä HINT2: interseptiovarastossa vapaana olevan tilan määrä. HINT: interseptiovarastossa olevan veden määrä. PL: päivän sademäärä. YIEL2: maahan putoava osuus sadannasta. Lehtien lakastumisvaiheessa: YIEL2 = YIEL2 INTCAP + HINT HINT = INTCAP, jos HINT > INTCAP (9) HINT 2 = 0.0 Muulloin: HINT 2 = INTCAP HINT (10) Class-A -haihduntaa HPXX korjataan puuston korkeudesta riippuvalla kertoimella HGTCOR, jolloin saadaan potentiaaliseksi interseptiohaihdunnaksi: POTINT = HPXX HGTCOR (11) Todellista interseptiohaihduntaa INTER rajoittaa interseptiovarastossa olevan veden määrä HINT. Varastosta vähennetään potentiaalinen haihdunta POTINT, mikäli varastossa on riittävästi vettä. Muussa tapauksessa interseptiohaihdunta on varaston HINT suuruinen. ( POTINT HINT ) INTER = MIN, (12) Metsäalueilla potentiaalinen transpiraatio METHP lasketaan korjaamalla Class-A haihduntaa metsän haihduntakertoimella CHPM4. ja vähentämällä todellisen interseptiohaihdunnan määrä. METHP = HPXX CHPM 4 INTER (13) Kuvissa 29 ja 30 on esimerkki sadannan ja mallin laskeman interseptiohaihdunnan ja kokonaishaihdunnan suhteista. Kyseisessä tapauksessa interseptiohaihdunnan osuus sadannasta oli n. 27 % ja kokonaishaihdunnasta n. 17 %. Interseptiohaihdunnan osuus vaihtelee vuosittain ja riippuu mm. sademääristä ja sadannan jakautumisesta. Usein toistuvat pienet sateet lisäävät interseptiohaihdunnan osuutta sadannasta ja kokonaishaihdunnasta. 32... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

1.40E+01 1.20E+01 1.00E+01 8.00E+00 mm 6.00E+00 4.00E+00 2.00E+00 0.00E+00 26.3. 9.4. 23.4. 7.5. 21.5. 4.6. 18.6. 2.7. 16.7. 30.7. 13.8. 27.8. 10.9. 24.9. 8.10. 22.10. kokonaishaihdunta interseptiohaihdunta sadanta Kuva 29. Esimerkki havaituista sadannan ja mallin laskemista kokonaishaihdunnan ja interseptiohaihdunnan määristä metsäalueella (Ounasjoki valuma-alue nro.4 1994). 6.00E+02 5.00E+02 4.00E+02 mm 3.00E+02 2.00E+02 1.00E+02 0.00E+00 26.3. 9.4. 23.4. 7.5. 21.5. 4.6. 18.6. 2.7. 16.7. 30.7. 13.8. 27.8. 10.9. 24.9. 8.10. 22.10. kumulatiivinen kokonaishaihdunta kumulatiivinen sadanta kumulatiivinen interseptio Kuva 30. Esimerkki havaituista sadannan ja mallin laskemista kokonaishaihdunnan ja interseptiohaihdunnan kumulatiivisista määristä metsäalueella (Ounasjoki valuma-alue nro.4 1994). Matalan kasvillisuuden määrä ja korkeus vaihtelee voimakkaasti vuodenajan mukaan. Siksi potentiaalinen evapotranspiraatio matalan kasvuston peittämiltä alueilta HPK määritetään Class-A haihduntana, jota on korjattu vuodenaikaisvaihtelun huomioon ottavalla kertoimella SESCOR ja matalan kasvillisuuden haihduntakertoimella CHPM5. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...33

HPK = HPXX SESCOR *CHPM 5 (14) Haihduntamallista pyrittiin edelleen tekemään mahdollisimman yksinkertainen, jotta kalibroitavien parametrien lukumäärä ei kasvaisi liian suureksi. Haihduntamallin tarvitsemien kalibroitavien parametrien lukumäärä on 8 ja ne on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Uuden haihduntamallin kalibroitavat parametrit. Lyhenne Selitys Alaraja Yläraja Yksikkö XLAIMAX interseptiokapasiteetin maksimi 1.0 2.0 mm XLAIMIN interseptiokapasiteetin minimi 0.001 1.0 mm HGTCOR korjauskerroin puuston korkeuden mukaan 0.1 2.0 - CHPM4 korjauskerroin (metsän transpiraatio) 0.1 1.5 - CHPM5 korjauskerroin (haihdunta matalasta kasvustosta) 0.1 1.5 - TBASE pohjalämpötila 0 5 C TSUM1 lämpösumma täyteen lehtialaan 40 450 Cd TSUM2 lämpösumma lakastumisen alkamiseen 500 1200 Cd 3.3 Mallin testaus 3.3.1 Kalibrointi Mallin uudet haihduntaparametrit (taulukko 2) kalibroitiin kullekin 30:lle osavalumaalueelle erikseen. Muut parametrit säilytettiin ennallaan. Uuden ja vanhan mallin laskemia virtaamia ja vedenkorkeuksia verrattiin toisiinsa kuudessa eri mittauspisteessä (taulukko 3) ajanjaksolla 8/1976-8/1996. Vaikka kaikkien mittauspisteiden hyvyysluvut paranivatkin hieman vanhaan malliin verrattuna, ei virtaamia ja vedenkorkeuksia tarkemmin tarkasteltuna kuitenkaan löydetty erityisiä tilanteita, joissa uusi malli toimisi vanhaa paremmin. Vesistöalueen alimman mittauspisteen Marraskosken hyvyysluvussa ei tapahtunut juurikaan muutosta vanhaan malliin verrattuna. Taulukko 3. Hyvyysluvut (R) vanha / uusi malli kalibrointijaksolla 1976-1996. Mittauspiste Vanha malli Uusi malli Sinettajärvi W 0.88 0.89 Unarijärvi W 0.91 0.92 Ounasjärvi W 0.39 0.40 Marraskoski Q 0.93 0.94 Köngäs Q 0.91 0.92 Kaukonen Q 0.92 0.94 3.3.2 Validointi Haihduntamallin parametrien kalibroinnin jälkeen uutta ja vanhaa mallia verrattiin vielä toisiinsa kalibrointijaksosta pidennetyllä ajanjaksolla 1976-1998, jotta mallien erot tulisivat selkeämmin esiin. Mallin hyvyysluku Marraskosken virtaamaa vasten oli pidennetyllä aikajaksolla sekä uudelle että vanhalle mallille 0.90. Tästä voidaan vetää se johtopäätös, ettei mallien laskentatarkkuudessa juurikaan ole eroa. 34... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

3.3.3 Johtopäätökset Vaikka vanhan ja uuden mallin väliset erot virtaamia ja vedenkorkeuksia tarkasteltaessa ovatkin pieniä, ovat uudella mallilla aikaansaadut muutokset kuitenkin kaikilla alueilla oikean suuntaisia. Koska uusi malli kuvaa haihduntaa fysikaalisessa mielessä oikeammin, onkin suositeltavaa jatkossa käyttää uuden mallin mukaista haihdunnanlaskentaa. Jos uuden mallin kalibrointiin otettaisiin lisäksi mukaan muita kuin suoraan haihdunnan laskentaan vaikuttavia parametrejä, voitaisiin saada parempia tuloksia. Tässä työssä haluttiin kuitenkin verrata ainoastaan haihdunnan laskennassa tapahtuvien muutosten vaikutuksia ja oletettiin, että muiden parametrien arvot ovat oikeita. Mikäli uutta haihduntamallia testattaisiin jollain Etelä-Suomessa sijaitsevalla vesistöalueella, jossa haihdunta on suurempaa kuin Ounasjoella, tulokset voisivat myös olla erilaisia. Mikäli haihdunnan laskentaa halutaan edelleen kehittää, voitaisiin testata, millaisia vaikutuksia esimerkiksi yleisesti käytössä olevien Penman-Monteithin (Monteith, 1981) tai Priestley-Taylorin (Priestley and Taylor, 1976) yhtälöiden käytöllä olisi verrattuna nykyiseen Class-A mittausten käyttöön arvioitaessa potentiaalista haihduntaa. Molempien yhtälöiden käyttö asettaa kuitenkin käytettävälle säädatalle enemmän vaatimuksia: tarvitaan kokonaissäteily ja lisäksi Penman-Monteith-yhtälöä käytettäessä tuulennopeus- ja ilmankosteustiedot. Tarvittavat aliohjelmat kehitettiin tämän työn aikana, mutta niiden integrointi ohjelmaan, tarvittavan säädatan hankinta ja ohjelman testaus vaatisi vielä lisätyötä. Haihduntamallin kehitystyöhön lähdettäessä arveltiin, että haihdunnan jakamisesta eri komponentteihin saataisiin työpanokseen nähden suurempi hyöty kuin Class-A astiahaihdunta-arvojen korvaamisesta fysikaalisemmilla potentiaalisen haihdunnan laskentamalleilla. Esimerkiksi ruotsalaisten tekemien mallilaskelmien mukaan Priestley-Taylorin yhtälön käyttäminen HBV-mallissa astiahaihdunta-arvojen sijasta ei paranna mallin laskentatarkkuutta (Lindström et al., 1996). Penman-Monteithin yhtälö sen sijaan on monessa yhteydessä todettu tarkimmaksi haihdunnanlaskentamenetelmäksi ja sen käyttöä suositellaan yleisesti (esim. Smith, 1992). Menetelmää on onnistuneesti testattu myös Suomen oloissa (esim. Vakkilainen, 1982, Venäläinen, 1988), joten jatkossa testaus voisi tässä yhteydessä olla myös hyödyllistä, mikäli tarvittavaa säädataa on käytettävissä. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...35

4 INARIN TULOVIRTAAMAENNUSTEIDEN TARKKUUS Paatsjoen vesistömallilla on tehty Inarin tulovirtaamaennusteita 18 kappaletta takautuvasti vuodesta 1992 lokakuusta lähtien (kuvat 31-48). Ennusteet on tehty lähes samalla tavalla kuten Inarin todelliset tulovirtaamaennusteet. Ainoa poikkeus on, että takautuvissa ennusteissa ei ole käytössä 10 vrk sadanta- ja lämpötilaennustetta, koska niitä ei ole enää saatavilla. Näin ollen ennusteen tekemisen edellytykset eivät ole aivan yhtä hyvät kuin todellisessa ennustetilanteessa, jossa sääennuste on käytettävissä. Takautuvat ennusteet perustuvat siten ennustejaksolla vain keskimääräiseen (50), 25 ja 75 prosentin sadantaennusteisiin. Lämpötilana ja potentiaalisena haihduntana (Class-A haihdunnat) on ennustejaksolla käytetty keskimääräisiä arvoja. Vesistömalli laskee potentiaalisesta haihdunnasta todellisen maanpintahaihdunnan maavesivaraston täyttöasteen mukaan. Kun maanpintakerros eli maavesivarasto kuivuu pienenee maanpintahaihdunta. Haihdunta on sateen osalla eniten pitkän jakson ennusteiden osuvuuteen vaikuttava tekijä. Tulovirtaamaennusteita tarkastelemalla voidaan havaita, että syksyllä ja kesän alussa tehdyt pitkät ennusteet pitävät tulovirtaamavolyymin osalta yleensä hyvin paikkansa: 1.10.92 (kuva 31), 1.6.93 (Kuva 34), 1.10.93 (kuva 37), 15.5.94 (kuva 41), 1.10.94 (kuva 42), 1.7.95 (kuva 47), 1.10.95. Toisaalta vähävetisimpinä keväinä kuten 1994 (kuva 39) tai runsasvetisimpinä keväinä kuten 1995 (kuva 44) ennen tulvahuippua tehdyt ennusteet eivät osu kohdalleen, ennen kuin sääennusteet (tässä ei käytettävissä) tai viimeistään säähavainnot syöttävät oikeat säätiedot vesistömalliin: kuvat 40 ja 46. Taulukon 4. perusteella voidaan sanoa, että pitkän jakson tilastollista säätä käyttäen, Inarin tulovirtaamaennuste pysyy 25-75 % ennusteiden haarukassa hyvin talven ja kesän yli tehtävissä ennusteissa. Sen sijaan ennen kevättulvaa tehty ennuste ei yleensä anna tulosta pitkällä jaksolla. Kevättulva vastaa ennustejakson volyymistä suurta osaa ja jos sen ennustaminen epäonnistuu volyymin osalta niin sen aiheuttama virhe pitkän jakson tulovirtaamaennusteessa on suuri. Kesän alussa ja vielä talven alussakin tehtyihin ennusteisiin suuri kevätvolyymi ei pääse vaikuttamaan niin paljon ja pitkät tulovirtaamasummaennusteet pysyvät paremmin 25-75 % ennustehaarukassa. Taulukko 4. Ennustejakson pituus kuukausina, jolla toteutunut tulovirtaamasumma pysyy 25 % ja 75 % ennusteiden sisällä. Ennuste Jakso (kk) Ennuste Jakso (kk) 01.10.92 9 01.05.94 1 01.03.93 3 15.05.94 5 01.05.93 9 01.10.94 9 01.06.93 9 01.01.95 8 15.06.93 9 01.05.95 1 01.07.93 5 01.06.95 2 01.10.93 9 01.07.95 9 01.12.93 9 01.10.95 9 01.03.94 3 01.05.96 5 36... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 31. Ennuste 1.10.92. Osuvuus hyvä. Kuva 32. Tulovirtaamaennuste 01.03.93. Keväthuipun ennuste hyvä. Heinäkuun alun normaalia suurempien sateiden aiheuttama tulovirtaamahuippu menee yli ennustetuista arvoista. Syksyä kohti tilanne tasoittuu. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...37

Kuva 33. Tulovirtaamaennuste 01.05.93. Osuvuus hyvä. Kuva 34. Tulovirtaamaennuste 01.06.93. Osuvuus hyvä. Kesäkuun alun sateet nostavat havaitun tulovirtaaman yli ennustetusta. 38... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 35. Tulovirtaamaennuste 15.06.93. Ennuste tarkentuu, koska kesäkuun alun suurehkot sateet mukana. Kuva 36. Tulovirtaamaennuste 01.07.93. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...39

Kuva 37. Tulovirtaamaennuste 01.10.93. Keskiennuste menee yli toteutuman keväällä. Kevään 94 sulantajakso pitkä ja alkaa normaalia aikaisemmin. Kuva 38. Tulovirtaamaennuste 01.12.93. Keskiennuste menee yli. Kevään 94 sulantajakso pitkä ja alkaa normaalia aikaisemmin. 40... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 39. Tulovirtaamaennuste 01.03.94. Keskiennuste menee yli. Kevään 94 sulantajakso pitkä ja alkaa normaalia aikaisemmin. Kuva 40. Tulovirtaamaennuste 01.05.94. Keskiennuste tarkentuu, kevään aikaisuus osittain jo mukaan. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...41

Kuva 41. Tulovirtaamaennuste 15.05.94. Keskiennuste tarkentuu edelleen, kevään aikaisuus täysin mukana. Kuva 42. Tulovirtaamaennuste 01.10.94. Keskiennuste onnistuu hyvin. 42... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 43. Tulovirtaamaennuste 01.01.95. Keskiennuste jää alle toteutuman osittain kesän sateiden takia. Kuva 44. Tulovirtaamaennuste 01.05.95. Keskiennuste jää alle toteutuman osittain kesän suurten sateiden takia. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...43

Kuva 45. Tulovirtaamaennuste 01.06.95. Keskiennuste jää alle toteutuman kesän keskimääräistä suurempien sateiden takia. Kuva 46. Tulovirtaamaennuste 01.07.95. Keskiennuste onnistuu hyvin, koska kesäkuun suuri sadanta nyt mukana. 44... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuva 47. Tulovirtaamaennuste 01.10.95. Tulovirtaamasumman keskiennuste onnistuu hyvin talven yli aina kevääseen saakka. Kuva 48. Tulovirtaamaennuste 01.05.96. Keskiennuste onnistuu hyvin kevätvolyymin osalta. Tavallista myöhäisemmän kevään takia ennustettu tulovirtaamahuippu toteutunutta aikaisemmassa. Suomen ympäristökeskuksen moniste 211...45

Kirjallisuus Feddes, R.A., Koopmans, R.W.R. ja van Dam, J.C. 1997. Agrohydrology. Wageningen University, The Netherlands. Lindström, G., Gardelin, M., Johansson, B., Persson, M. and Bergström, S. 1996. HBV-96 En areellt fördelad modell för vattenkrafthydrologin. Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut, Sweden. 93 p. Monteith, J.L. 1981. Evaporation and surface temperature. Quartely Journal of the Royal Meteorological Society, 107:1-27. Priestley, C.H.B. and Taylor, R.J. 1972. On the assessment of surface heat flux and evaporation using large scale parameters. Monthly Weather Review 100:81-92. Rinde, T. 1998 A flexible hydrological modelling system developed using an object-oriented methodology. Norwegian University of Science and Technology, Norway. 185 p. Smith, M. 1992. Report on the Expert Consultation on Revision of FAO Methodologies for Crop Water Requirements. Food and Agriculture Organisation of the United nations. Rome, Italy. 60 p. Vakkilainen, P. 1982. Maa-alueilta tapahtuvan haihdunnan arvioinnista : On the estimation of evapotranspiration. Oulun yliopisto. 146 p. Venäläinen, A. 1986. Potentiaalisen haihdunnan ennustusmenetelmä. Ilmatieteen laitos. 45 p. 46... Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Kuvailulehti Julkaisija Suomen ympäristökeskus Julkaisuaika 29.12.2000 Tekijä(t) Markus Huttunen, Sirpa Joukainen ja Bertel Vehviläinen Julkaisun nimi Säännösteltyjen vesistöjen operatiivisen käytön kehittäminen (OPERA) Vesistömallien tarkkuuden, käyttöliittymän ja haihduntamallin kehittäminen sovelluskohteina Kemijoen ja Oulujoen vesistöt sekä Inarinjärven tulovirtaamaennusteiden tarkkuden arviointi. Julkaisun osat/ muut saman projektin tuottamat julkaisut Tiivistelmä Tämä julkaisu liittyy Suomen ympäristökeskuksessa käynnistetyn, maa- ja metsätalousministeriön hallinnonalaan kuuluvan ja ministeriön pääosin rahoittaman säännösteltyjen vesistöjen operatiivisen käytön kehittämisprojektin osahankkeeseen. Julkaisu on loppuraportti vuoden 1999 ja 2000 aikana toteutetusta vesistömallien ennustetarkkuuden parantamiseen tähdänneestä yhteistutkimus- ja kehityshankkeesta. Hanke koostui vesistömallin käyttäjäystävällisyyttä parantavan käyttöliittymän kehittämisestä, useasta erillisestä ennustelaskennan tarkkuutta parantavan laskentarutiinin toteuttamisesta ja uuden haihduntamallin kehittämisestä. Kehitettävät vesistömallit olivat Kemijoen ja Oulujoen vesistöalueilla käytössä olevat neljä erillistä mallia. Kehitystyössä Oulujoen vesistömallit muutettiin pc-pohjaisiksi ja erilliset mallit yhdistettiin yhdeksi malliksi. Malleissa käytettäville 10 vrk:n sadanta- ja lämpötilaennusteille määritettiin uudet painotuskertoimet. Sadannan osalta ennusteen luotettavuus heikkenee nopeasti jo neljän vrk:n kuluessa, lämpötilaennusteen luotettavuus pysyy vielä kohtuullisena kuuden vrk:n päässä. Vesistömalleihin toteutettiin osa, jossa tilastollisen sään asemesta käytetään vanhoja säähavaintoja. Uusi haihduntamalli kuvaa haihduntaa fysikaalisessa mielessä oikeammin ja saadut tulokset olivat hieman parempia vanhaan malliin nähden. Paatsjoen vesistömallilla on selvitetty takautuvasti Inarijärven tulovirtaamaennusteiden tarkkuutta 18 eri tilanteessa. Ennusteita on verrattu toteutuneisiin tilanteisiin. Asiasanat Tulvat, säännöstely, vesistöt, käyttö, vesitöjen operatiivinen käyttö, vesivoima, ennusteet, vesistömallit, HBV Julkaisusarjan nimi ja numero Suomen ympäristökeskuksen moniste 211 Julkaisun teema Projektihankkeen nimi ja projektinumero Rahoittaja/ toimeksiantaja Projektiryhmään kuuluvat organisaatiot Julkaisun myynti/ jakaja Julkaisun kustantaja Painopaikka ja -aika Säännösteltyjen vesistöjen operatiivisen käytön kehittäminen (OPERA) XF102 Suomen ympäristökeskus, alueelliset ympäristökeskukset, Teknillinen Korkeakoulu, voimayhtiöt ISSN ISBN 1455-0792 952-11-0840-1 Sivuja Kieli 49 Suomi Luottamuksellisuus Hinta Julkinen Suomen ympäristökeskus, asiakaspalvelu Sähköpostiosoite: neuvonta.syke@vyh.fi puh. (09) 4030 0100, telefax (09) 4030 0190 Suomen ympäristökeskus PL 140, 00251 Helsinki Oy Edita Ab, Helsinki 2001 Suomen ympäristökeskuksen moniste 211 47

Presentationsblad Utgivare Finlands miljöcentral Datum 29.12.2000 Författare Publikationens titel Markus Huttunen, Sirpa Joukainen och Bertel Vehviläinen Utveckling av operativ användning av regulerat vattendrags (OPERA) Utveckling av prognos precision, interface och vaporisering av vattendrags modeller i Kemijoki och Oulujoki älven och värderingen av nederbörd prognoser till Inari Sjön. Publikationens delar/ andra publikationer inom samma projekt Sammandrag Nyckelord Publikationsserie och nummer Utveckling av operativ användning av reglerade vattendrag (OPERA) Utveckling av prognosprecision, användarsnitt och avdunstning i vattendragsmodeller i älvarna Kemijoki och Oulujoki och bedömning av tillrinningsprognoser till Enare sjö. Denna rapport är resultat av ett delprojekt som hör till projektet Utveckling av operativ användning av reglerade vattendrag, som har påbörjats i Finlands miljöcentral och tillhör jord- och skogsbruksministeriets förvaltningsområde. Ministeriet finansierar också största delen. Publikationen är en slutrapport av ett gemensamt projekt vars syfte har varit att förbättra vattendragsmodellernas prognosnoggrannhet av och har genomförts mellan åren 1999 och 2000. Projektet bestod av utvecklingen av ett användarvänligt gränssnitt, av olika kalkylrutiner för förbättrad prognosnoggrannhet och av en ny avdunstningsmodell. De utvecklade fyra vattendragsmodellerna används i Kemijoki- och Oulujoki- älvarna i operativt bruk. Vattendragsmodellerna i Oulujoki konverterades till pc-baserade modeller och skilda modeller har sammankopplats till en modell. Nya viktkoefficienter har bestämts för tio dagars nederbörds- och temperaturprognoserna som används i vattendragsmodellerna. Pålitligheten hos nederbördsprognoserna minskar snabbt redan efter fyra dagar, pålitligheten hos temperaturprognosen hålls godtagbar ännu efter sex dygn. Till vattendragsmodellerna gjordes ett delprogram, som använder gamla meteorologiska observationer i stället för statistiskt väder. Den nya avdunstningsmodellen framställer avdunstningen i fysikalisk mening och resultaten har varit lite bättre jämfört med den gamla modellen. Paatsjoki-älvs vattendragsmodell har används retroaktivt för att utreda noggrannheten hos tillrinningsprognoser till Enare sjö i 18 olika situationer. Prognoserna har jämförts med observerade data. Översvämningar, reglering, vattendrag, användning, vattenkraft, prognoser, vattendragsmodeller, HBV Finlands miljöcentrals duplikat 211 Publikationens tema Projektets namn och nummer Finansiär/ uppdragsgivare Organisationer i projektgruppen Beställningar/ distribution Förläggare Tryckeri/ tryckningsort och -år Utveckling av operativ användning av reglerade vattendrag (OPERA) XF102 Finlands miljöcentral, de regionala miljöcentralerna, Tekniska Högskolan, vattenkraft sbolag ISSN ISBN 1455-0792 952-11-0840-1 Sidantal Språk 49 Finska Offentlighet Pris offentlig Finlands miljöcentral, kundservice E-mail: neuvonta.syke@vyh.fi tel. (09) 4030 0100, telefax (09) 4030 0190 Finlands miljöcentral PL 140, 00251 Helsingfors Edita Ab, Helsingfors 2001 48 Suomen ympäristökeskuksen moniste 211

Documentation page Publisher Finnish Environment Institute Date 29.12.2000 Author(s) Markus Huttunen, Sirpa Joukainen and Bertel Vehviläinen Title of publication Development of Operative Use of Regulated Watercourses (OPERA) Development of forecasting accuracy, user interface and evaporation of watershed models of Kemijoki and Oulujoki rivers and evaluation of forecasting accuracy of inflows to lake Inari. Parts of publication/ other project publications Abstract This publication is a report of a subproject of the Development of the Operative Use of Regulated Watercourses, which is project started in the Finnish Environment Institute under the administrative branch of the Ministry of Agriculture and Forestry. Ministry is also the main financier of the project. The publication is a final report of a co-research aiming for improvement of forecasting accuracy of watershed models. The project has been implemented during the years 1999 and 2000. The project was composed of developing a user-friendly interface for the models, several calculation routines improving the forecasting accuracy and a new evapotranspiration submodel. The four separate watershed models developed during the project are in operative use in Kemijoki and Oulujoki river basins. Watershed models of river Oulujoki were modified as PCbased programs and the two separate models were linked together into a single model. New weighting factors were defined for the 10 days precipitation and temperature forecasts used in watershed models. Precision of the precipitation forecast is decreasing fast already after four days, precision of the temperature forecast remains at moderate level still after six days. In watershed models a sub-program was developed to provide the use of observed weather conditions instead of statistical values. The developed evapotranspiration model represents the processes more physically and the calculation results were improved slightly compared to previous versions. The Paatsjoki watershed model has been used to define the forecasting accuracy of the inflow volume to Lake Inari in 18 different periods. The calculated forecasts have been compared to observed values. Keywords floods, regulation, operative use of watercourses, hydropower, forecasts, watershed models, HBV-model Publication series and number Suomen ympäristökeskuksen moniste 211 Theme of publication Project name and number, if any Financier/ commissioner Project organization For sale at/ distributor Financier of publication Printing place and year Development of Operativ Use of Regulated Watercourses (OPERA) XF102 Finnish Environment Institute, Regional Environment Centres, Helsinki University of Technology, Hydro Power Companies ISSN ISBN 1455-0792 952-11-0840-1 No. of pages Language 49 Finnish Restrictions Price Public Finnish Environment Institute, Customer service E-mail: neuvonta.syke@vyh.fi Tel. +458 9 4030 0100, telefax +358 9 40300190 Finnish Environment Institute P.O. Box 140, FIN-00251 Helsinki, Finland Edita Ltd, Helsinki 2001 Suomen ympäristökeskuksen moniste 211 49

ISBN 952-11-0840-1 ISSN 1455-0792