Ensemble flood forecasting based on operational forecasts of the regional Eta EPS in the Taquari-Antas basin

Abstract

Hydrological Ensemble Prediction Systems (HEPS) play an important role on operational flood forecasting. Unlike in deterministic approach, which relies on a single prediction of future river flows, these systems can represent the forecast uncertainty and provide a better detection of extreme hydro-meteorological events. In this context, the present study aimed to assess both the quality of ensemble flood forecasts on Taquari-Antas basin and its potential to provide additional information to a local Flood Alert System. The hydrological model MGB-IPH was coupled to the high-resolution meteorological EPS Eta model with five members of different parameterization schemes and boundary conditions, as well as to the deterministic version of Eta regional model. On a single event evaluation, the peak discharge was reasonable well predicted by at least one ensemble member, in nearly all forecasts, with a good prediction of the flood timing for the considered lead times. In a comparison with deterministic forecasts, the ensemble ones showed higher accuracy and higher probability of detection (POD) for the reference thresholds, preserving false alarm rates at reasonably low levels. An overall tendency of underestimation was also identified, with most observations falling between the higher ranks of the ensemble. Furthermore, the combination of previous forecasts (t-12h) with the recent ones leads to a slight increase of ensemble spread and POD, despite the performance reduction in terms of accuracy and bias for the ensemble mean. Results suggest that there is a benefit in having hydrological ensemble forecasts obtained from the high resolution EPS Eta model, which can be used as a complementary information to a local Flood Alert System supporting pre-alert issues and Civil Defense internal planning actions.

A previsão hidrológica por conjunto tem sido reconhecida como uma ferramenta essencial em diversos sistemas operacionais de previsão de cheias. Diferentemente da abordagem determinística, que disponibiliza apenas uma previsão pontual, a previsão por conjunto permite a representação das incertezas associadas e consequentemente a melhoria na detecção de eventos extremos de cheia. Neste contexto, o presente estudo teve como objetivo verificar a qualidade de previsões hidrológicas por conjunto, em curto prazo, na bacia do rio Taquari‑Antas/RS, e o seu potencial para fornecer informação adicional a um sistema de alerta. Para tanto, foi utilizado o modelo hidrológico MGB-IPH acoplado ao EPS Regional Eta de alta resolução, com 5 membros de diferentes parametrizações e condições de contorno, além da previsão determinística do Modelo Regional Eta. Durante a avaliação de eventos singulares recentemente ocorridos na bacia, a vazão máxima foi relativamente bem prevista por pelo menos 1 membro em quase todas as previsões realizadas, inclusive com instante de pico próximo ao observado para as antecedências consideradas. Em uma comparação com previsões determinísticas, as previsões por conjunto demonstraram maior acurácia e maior probabilidade de detecção (POD) para os limiares de referência utilizados, mantendo a razão de falso alarme a níveis razoavelmente baixos. Foi identificada também uma tendência geral de subestimativa nas previsões, com a maioria das observações situando-se entre os maiores ranks do conjunto. Além disso, a combinação de previsões defasadas (t-12h) com as mais recentes amplia o espalhamento do conjunto e aumenta a POD dos limiares de alerta, apesar da redução no desempenho em termos de acurácia e viés. Os resultados obtidos sugerem que existe um benefício no uso das previsões hidrológicas por conjunto obtidas com o EPS Eta de alta resolução, podendo dar suporte à emissão de pré-alertas e nortear ações de planejamento internas no escopo da Defesa Civil.