Intensity-Duration-Frequency of Rainfall in Catalunya. Maximum Expected Precipitation and IDF Relationships at High Temporal and Spatial Resolution

Abstract

[eng] Intensity - Duration - Frequency (IDF) relationships of extreme precipitation events are of high interest in hydrology. The building of infrastructure or designation of flood zone need, as groundwork, the recurrence intervals at which extreme episodes of rainfall can occur, i.e., the maximum intensities that can be expected for a given duration and return period.

In this project 2,142 series of daily rainfall data were analysed and quality controlled after the design of a new specific procedure. The newly proposed quality control is able to classify available rainfall series according to their quality and, using this information, performs a relative comparison with nearby measures to attain a quality category for each daily value (in this project 14,144,395 measures were checked and 74% of them were considered reliable). Afterwards, climatic homogeneity of a selection of series was checked and 163 daily rainfall data series of high quality data in the temporal period 1942-2016 and uniformly distributed over the territory of Catalonia were used in the obtainment of Intensity-Duration-Frequency relationships.

The obtainment of IDF was achieved by a temporal monofractal downscaling methodology implemented on a grid of high spatial resolution (1 km x 1 km) of maximum expected intensity in 24 hours. The spatial grid of maximum expected intensity in 24 hours at several return periods (2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 and 500 years) was obtained from annual maximum precipitation in one day after correcting daily measures with an empirical factor thoroughly analysed in the scope of the project. The monofractal downscaling methodology was implemented after the obtainment of a single scaling exponent at the 163 selected locations; the scaling exponent was studied in relation to geographical and climatic characteristics of the study area.

The final results of IDF relationships are provided as a set of maps that display the maximum expected intensity at a selection of durations (daily and subdaily, namely: 1h, 6h, 12h, 24h and 48h) and for a selection of return periods. The results are of high spatial resolution as they are obtained in a spatial grid of 1 km x 1 km. The results also have high temporal resolution as the intensity - frequency relationship can be calculated at any duration at the locations of the grid nodes using the provided empirical scaling exponent with validity as long as the duration ranges between 1 hour and 15 days.

[cat] Les relacions d’Intensitat-Duració-Freqüència (IDF) d’episodis de pluja extrems són de gran interès en hidrologia on es necessita, com a base, els intervals de recurrència en què es donen les precipitacions extremes, és a dir, la intensitat màxima que es pot esperar per una durada i període de retorn determinats.

En aquest projecte, es van analitzar 2.142 sèries de precipitació mitjançant un nou control de qualitat especialment dissenyat per a aquestes dades. El control de qualitat proposat és capaç de classificar les sèries de precipitació disponibles segons la qualitat de les dades i, utilitzant aquesta informació, fa una comparació relativa amb mesures properes per assignar una categoria a cada un dels valors diaris (es van analitzar 14.144.395 mesures i un 74% d’elles es consideren bones). També es va realitzar un control d’homogeneïtat climàtica d’una selecció de les sèries disponibles. Per obtenir la relació IDF es va fer una selecció de 163 sèries de precipitació diària de bona qualitat en el període 1942-2016 i uniformement distribuïdes pel territori de Catalunya.

Les relacions IDF es van obtenir amb un mètode monofractal de downscaling temporal implementat en un grid d’alta resolució espacial (1 km x 1 km) de la intensitat màxima esperada en 24 hores. Aquest grid espacial per diversos períodes de retorn (2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 i 500 anys) es va obtenir a partir de les sèries anuals de màxims de precipitació diària després de corregir les mesures amb un factor de correcció empíric detingudament analitzat dins del projecte. El downscaling temporal monofractal es va implementar havent obtingut un únic exponent d’escala per cada una de les 163 localitats seleccionades; l’exponent d’escala va ser àmpliament estudiat en relació amb les característiques geogràfiques i climàtiques de l’àrea d’estudi.

Els resultats finals de les relacions IDF es proporcionen en un conjunt de mapes que mostren la precipitació màxima esperada a una selecció de durades (diàries i subdiàries: 1h, 6h, 12h, 24h i 48h) i per una selecció de períodes de retorn. Els resultats són d’alta resolució espacial perquè s’obtenen en un grid de 1 km x 1 km. Els resultats també són d’alta resolució temporal perquè la relació entre intensitat i freqüència es pot calcular per qualsevol durada en els nodes del grid utilitzant l’exponent d’escala proporcionat (que té validesa entre 1 hora i 15 dies).

[spa] La relación de Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF) de episodios extremos de lluvia es de gran interés en hidrología, donde se necesitan, como base, los intervalos de recurrencia de precipitaciones extremas, por lo tanto, la intensidad máxima esperada en una duración y período de retorno determinados.

En este proyecto, se analizaron 2.142 series de precipitación por medio de un nuevo control de calidad especialmente diseñado para estos datos. El control de calidad propuesto es capaz de clasificar las series de precipitación disponibles según la calidad de los datos y, usando esta información, compara relativamente con medidas cercanas para asignar una categoría a cada valor diario (se analizaron 14.144.395 medidas y un 74% de ellas se consideraron buenas). También se realizó un control de homogeneidad climática de las series disponibles. Para obtener la relación IDF se seleccionaron 163 series de precipitación diaria de buena calidad en el período 1942-2016, uniformemente distribuidas por el territorio de Cataluña.

La relación IDF se obtuvo con un método monofractal de downscaling temporal implementado en un grid de alta resolución espacial (1 km x 1 km) de intensidad máxima esperada en 24 horas. Este grid espacial para diferentes períodos de retorno (2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 y 500 años) se construyó a partir de las series anuales de máxima precipitación diaria después de corregir las medidas con un factor de corrección empírico detenidamente analizado dentro del proyecto. El downscaling temporal monofractal se implementó tras la obtención de un único exponente de escala para cada una de las 163 localidades seleccionadas; el exponente de escala fue ampliamente estudiado en relación con las características geográficas y climáticas del área de estudio.

Los resultados finales de la relación IDF se proporcionan en un conjunto de mapas que muestran la precipitación máxima esperada en una selección de duraciones (diarias y subdiarias: 1h, 6h, 12h, 24h y 48h) y para una selección de períodos de retorno. Los resultados son de alta resolución espacial porque se obtienen en un grid de 1km x 1km. Los resultados también son de alta resolución temporal porque la relación entre intensidad y frecuencia se puede calcular para cualquier duración en los nodos del grid usando el exponente de escala proporcionado (valido entre 1 hora y 15 días).