Μελέτη επιπτώσεων κλιματικής μεταβολής σε βασικές υδρολογικές παραμέτρους και ο ρόλος του μεροληπτικού σφάλματος

Abstract

The study of the potential impacts of climate change in water resources aims to provide the required information needed for human adaptation. Adaptation measures aim to reduce the human and physical systems vulnerability to changes in climate. The basic tool for the climate research is the climate models. Climate models can simulate the past climate, while when they are forced with appropriate future emission scenarios they can provide a projection of the future climate. However climate projections cannot be used to impact studies in their native form, due to the systematic errors that they exhibit. Thus, it is a necessary process to correct those biases in order to make the climate model data appropriate for impact models that are calibrated against observations. In the presented dissertation, a new methodology of statistical bias adjustment of precipitation data was developed. The methodology was tested for its performance in the results of a GCM, while the results of the methodology were compared against another widely used, state of the art methodology. It was found that the developed methodology improved the precipitation bias correction in the mean but also in the upper percentiles, comparing to the other method.Moreover, the broader used, state of the art climate experiments CMIP3 and CMIP5, NARCCAP, EURO CORDEX 44, EURO CORDEX 11 and North America CORDEX, were assessed for their ability to represent the precipitation and temperature regime over Europe and North America. A comprehensive assessment of the different regional and global climate experiments using multiple performance indicators revealed the most skillful experiment to simulate the past climate, for each study area.The climate information was used to assess the effect of the projected climate change over four selected watersheds with and without adjusting the bias in precipitation and temperature. The comparison shown that the bias correction increased the performance of the hydrological simulations against the observed flow data, while it reduced the uncertainty among the different climate simulations. Then a trend analysis was performed in order to examine the degree that each bias adjustment methodology could affect the long term – annual trend in the precipitation and temperature. It was found that the developed precipitation bias adjustment methodology could affect in a limited degree the trend of change in the precipitation. The trend change in temperature was also small. Nonetheless, the combined change of the aforementioned variables, may affect the trend in the flow in a larger degree.Then, the change in seasonality was examined for the best-performing climate experiments for each case study area. Finally the change in extreme precipitation events was examined for its influence in extreme runoff events under the change in climate.

Η μελέτη των πιθανών επιπτώσεων της κλιματικής μεταβολής στους υδατικούς πόρους στοχεύει στην ανάπτυξη της απαραίτητης πληροφορίας για την προσαρμογή στις αλλαγές αυτές. Στόχος της προσαρμογής είναι η μείωση της ευπάθειας των φυσικών και ανθρωπίνων συστημάτων στις επιπτώσεις της αλλαγής του κλίματος. Το βασικό εργαλείο στην κλιματική έρευνα είναι τα κλιματικά μοντέλα, τα οποία μπορούν να προσομοιάσουν το παρελθών κλίμα, ενώ όταν τροφοδοτηθούν με τα κατάλληλα μελλοντικά σενάρια εκπομπών μπορούν να προβλέψουν το μελλοντικό κλίμα. Ωστόσο οι κλιματικές προσομοιώσεις δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως έχουν λόγω των συστηματικών σφαλμάτων που εμπεριέχουν. Έτσι, είναι αναγκαία η διαδικασία της διόρθωσης αυτών των σφαλμάτων μεροληψίας ώστε τα κλιματικά δεδομένα να γίνονται κατάλληλα σε μοντέλα επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής που είναι βαθμονομημένα με παρατηρημένα δεδομένα.Στην διατριβή που εκπονήθηκε, ιεραρχήθηκαν τα μεγαλύτερα και πιο σύγχρονα κλιματικά πειράματα που έχουν συσταθεί και διεξαχθεί στην περιοχή της Ευρώπης και της Βορείου Αμερικής, CMIP3 και CMIP5, NARCCAP, EURO CORDEX 44, EURO CORDEX 11 και North America CORDEX, με βάσει την ικανότητά τους να αναπαριστούν το παρελθόν καθεστώς κατακρήμνισης και θερμοκρασίας. Τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της επίδρασης της κλιματικής αλλαγής στην υδρολογία τεσσάρων λεκανών απορροής στις περιοχές αυτές.Αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος διόρθωσης των μεροληπτικών σφαλμάτων στα δεδομένα κατακρήμνισης, ώστε αυτά να καθίστανται χρήσιμα στη προβολή των επιπτώσεων της κλιματικής μεταβολής στην υδρολογία των περιοχών μελέτης. Η μεθοδολογία αξιολογήθηκε για την απόδοση της στα αποτελέσματα ενός GCM. Επίσης τα αποτελέσματα στης διόρθωσης σε τρία GCMs συγκρίθηκαν με αυτά μίας άλλης ευρέως χρησιμοποιούμενης μεθοδολογίας. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε δίνει βελτιωμένα αποτελέσματα διόρθωσης σε σχέση με άλλες μεθόδους. Επίσης, η διόρθωση στα σφάλματα μεροληψίας στα δεδομένα κατακρήμνισης και θερμοκρασίας αύξησε στην ικανότητα της υδρολογικής προσομοίωσης, και μείωσε την αβεβαιότητα μεταξύ των αποτελεσμάτων που προέρχονται από διαφορετικές κλιματικές προσομοιώσεις.Η κλιματική πληροφορία χρησιμοποιήθηκε έπειτα για την εκτίμηση της επίδρασης της προβλεπόμενης κλιματικής αλλαγής σε τέσσερις λεκάνες απορροής, με και χωρίς διόρθωση του σφάλματος μεροληψίας στα δεδομένα της βροχόπτωσης και θερμοκρασίας. Η σύγκριση κατέδειξε ότι η διόρθωση του σφάλματος βελτίωσε την απόδοση των υδρολογικών προσομοιώσεων, κατά τα παρατηρούμενα δεδομένα παροχής, ενώ επίσης μείωσε και την διακύμανση μεταξύ των αποτελεσμάτων όπως αυτά προήλθαν από διαφορετικές κλιματικές προσομοιώσεις. Στην συνέχεια έγινε ανάλυση των τάσεων, με σκοπό να εξεταστεί ο βαθμός όπου κάθε διαδικασία διόρθωσης του σφάλματος μεροληψίας, θα μπορούσε να επηρεάσει την μακροχρόνια τάση της κατακρήμνισης και της θερμοκρασίας. Παρατηρήθηκε ότι η μέθοδος που αναπτύχθηκε για την διόρθωση του σφάλματος μεροληψίας στην κατακρήμνιση μπορεί να επηρεάσει σε περιορισμένο βαθμό την τάση της μακροπρόθεσμης αλλαγής. Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα για την μακροπρόθεσμη τάση στην θερμοκρασία. Παρόλα αυτά, η συνδυασμένη αλλαγή στις τάσεις των προαναφερθέντων μεταβλητών δύναται να προκαλέσει μεγαλύτερη αλλαγή στην τάση της παροχής. Επιπλέον, εξετάστηκε η αλλαγή στην εποχικότητα, για την καλύτερη απόδοση του κλίματος σε κάθε περιοχή μελέτης. Τέλος μελετήθηκε η αλλαγή των ακραίων φαινομένων βροχόπτωσης για την επιρροή τους σε ακραία φαινόμενα απορροής υπό το πρίσμα της κλιματικής αλλαγής.