A study of the effects of high - end climate change scenarios on the global hydrological regime

Abstract

In recent years, there has been a strong consensus on the changes in climate caused by increased concentrations of anthropogenic greenhouse gas emissions. Global CO2 emission rates have been following high-end climate change pathways leading to a future global temperature that is likely to surpass the target limits of +1.5oC and +2oC, and reach levels of +4oC and higher at the end of the 21st century. Freshwater availability under such conditions is a key issue of concern and thus, scientific research has focused on estimating the range of changes in the future climate and the effectiveness of different adaptation strategies. The main tool for the investigation of future climate is the utilization of global climate models (GCMs). GCMs are based on physical principles that describe the components of the climate system. The next step for hydrological impacts’ assessments is to force global hydrological models (GHMs) or land surface models (LSMs) with GCM outputs. Due to the systematic biases they feature, GCM outputs need some kind of bias correction prior to their application as forcing to impact models, especially for hydrological studies. Most bias correction techniques focus mainly on the variables of precipitation and temperature. However most state-of-art hydrological models require more forcing variables, additionally to precipitation and temperature, such as radiation, humidity, air pressure and wind speed. The biases in these additional variables can hinder hydrological simulations, but the effect of the bias of each variable is unexplored.In the present thesis, a methodological framework of a multi-faceted assessment of the effects of high-end climate change on the global hydrological regime is presented. The tool for the hydrological simulations in our study is the LSM JULES, a physically based model operating at the global scale. The first component of our methodological framework is the evaluation of the model for a historical period and the assessment of the model’s sensitivity to input forcing. A runoff routing algorithm is designed and implemented, to allow the comparison of the model output with discharge measurements. The second part of the methodological framework aims to assess the effect of the GCM biases on the performed runoff simulations, with the scope of deciding on the meteorological variables that should be included in bias correction. To this end, a methodology for the classification of the effect of biases in four effect categories (ECs), based on the magnitude and sensitivity of runoff changes, is developed and applied. The final part of the methodological framework of this thesis is the assessment of hydrological climate change impacts under high-end warming scenarios. Assessment of impacts focuses on water availability and droughts at the global, European, regional and basin scale, employing a number of different and complementary methods. Climate change impacts are examined for different levels of warming (+1.5, +2 and +4oC) and the uncertainty in the projected changes is assessed throughout this analysis.The results of this study could assist scientists make informed decisions on variables and methods that should be considered in future climate change impacts’ studies, focusing on the uncertainty component of the impact analysis, by examining a wide range of “hydrologically opposing” future climates. The results of the present study could also be useful for policy makers, who need information relevant to this thesis, in order to decide on planning and legislations regarding climate change adaptation and mitigation.

Τα τελευταία χρόνια έχει επιτευχθεί μια μεγάλη ομοφωνία της επιστημονικής κοινότητας ως προς τις αλλαγές του κλίματος που οφείλονται στην αυξημένη συγκέντρωση εκπομπών ανθρωπογενών αερίων του θερμοκηπίου. Οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα σε παγκόσμιο επίπεδο, ακολουθούν τα πιο ακραία σενάρια κλιματικής αλλαγής, οδηγώντας σε μελλοντικές παγκόσμιες θερμοκρασίες που πιθανώς να ξεπεράσουν τα όρια-στόχους των +1.5οC και +2οC, και να φτάσουν σε επίπεδα των +4οC ή και ακόμα μεγαλύτερης υπερθέρμανσης στα τέλη του 21ου αιώνα. Η διαθεσιμότητα υδατικών πόρων υπό αυτές τις συνθήκες, είναι ένα ζήτημα εξαιρετικής σημασίας, γεγονός που έχει στρέψει την επιστημονική έρευνα στην εκτίμηση του εύρους των αλλαγών υπό πιθανά μελλοντικά κλιματικά σενάρια και της αποτελεσματικότητας διαφόρων στρατηγικών προσαρμογής στην κλιματική αλλαγή. Το βασικό εργαλείο για την μελέτη του κλίματος είναι η χρήση των παγκόσμιων κλιματικών μοντέλων (GCMs). Τα GCMs βασίζονται σε φυσικούς νόμους που περιγράφουν τα συστατικά μέρη του κλιματικού συστήματος. Το επόμενο βήμα για την μελέτη επιπτώσεων στην υδρολογία είναι η εισαγωγή των δεδομένων από GCMs σε παγκόσμια υδρολογικά μοντέλα (GHMs) ή μοντέλα προσομοίωσης διεργασιών επιφανείας (LSMs). Εξαιτίας των μεροληπτικών σφαλμάτων που εμφανίζουν, τα δεδομένα των GCMs χρειάζονται κάποια είδους διόρθωση πριν χρησιμοποιηθούν ως δεδομένα εισόδου για τα μοντέλα εκτίμησης επιπτώσεων, ιδιαίτερα για μελέτες υδρολογικού χαρακτήρα. Οι περισσότερες τεχνικές διόρθωσης των μεροληπτικών αυτών σφαλμάτων, εστιάζουν στις παραμέτρους της βροχόπτωσης και της θερμοκρασίας. Τα περισσότερα όμως υδρολογικά μοντέλα προηγμένης τεχνολογίας, χρειάζονται πιο πολλές παραμέτρους εισόδου, επιπρόσθετα από την βροχόπτωση και την θερμοκρασία, όπως η ακτινοβολία, η υγρασία, η πίεση και η ταχύτητα του ανέμου. Αν και τα σφάλματα σε αυτές τις επιπρόσθετες παραμέτρους μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα στις υδρολογικές προσομοιώσεις, τα χαρακτηριστικά της επίδρασης του μεροληπτικού σφάλματος κάθε παραμέτρου, μεμονωμένα, δεν έχουν μελετηθεί.Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται ένα μεθοδολογικό πλαίσιο μια πολύπλευρης εκτίμησης των επιπτώσεων ακραίων σεναρίων κλιματικής αλλαγής στο παγκόσμιο υδρολογικό καθεστώς. Το εργαλείο που χρησιμοποιείται για τις υδρολογικές προσομοιώσεις είναι το μοντέλο επιφανειακών διεργασιών JULES, ένα μοντέλο βιοφυσικής βάσης που λειτουργεί σε παγκόσμια κλίμακα. Το πρώτο κομμάτι του μεθοδολογικού πλαισίου είναι η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του μοντέλου για μια πρόσφατη ιστορική περίοδο και η εκτίμηση της ευαισθησίας του στις παραμέτρους εισόδου. Για τη σύγκριση των προσομοιώσεων με μετρήσεις παροχής, σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε ένας αλγόριθμος διόδευσης της απορροής. Το δεύτερο κομμάτι του μεθοδολογικού πλαισίου στοχεύει στην εκτίμηση της επίδρασης των μεροληπτικών σφαλμάτων των GCMs στις προσομοιώσεις της απορροής, ούτως ώστε να ποσοτικοποιηθεί η ευαισθησία και να επιλεχθούν οι μετεωρολογικές παράμετροι που θα πρέπει να ενταχθούν στη διαδικασία διόρθωσης μεροληπτικού σφάλματος. Μια μεθοδολογία για την κατηγοριοποίηση των επιδράσεων των σφάλματων σε τέσσερις κατηγορίες, με βάση το μέγεθος και την ευαισθησία των αλλαγών στην απορροή, αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε για τους παραπάνω σκοπούς. Το τελευταίο κομμάτι του μεθοδολογικού πλαισίου της παρούσας διατριβής είναι η εκτίμηση υδρολογικής φύσεως επιπτώσεων ακραίων σεναρίων κλιματικής αλλαγής. Η εκτίμηση των επιπτώσεων εστιάζει στην διαθεσιμότητα υδατικών πόρων και στις συνθήκες ξηρασίας, σε παγκόσμια, Ευρωπαϊκή και τοπική κλίμακα καθώς και σε επίπεδο λεκάνης απορροής, χρησιμοποιώντας πληθώρα διαφορετικών και συμπληρωματικών μεθόδων. Οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής εξετάζονται για διάφορα επίπεδα θέρμανσης (+1.5oC, +2oC και +4oC) ενώ παράλληλα γίνεται και εκτίμηση της αβεβαιότητας στις προβαλλόμενες αλλαγές.Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας αποσκοπούν να βοηθήσουν την επιστημονική κοινότητα στην λήψη ενημερωμένων αποφάσεων σχετικά με παραμέτρους και μεθόδους που θα πρέπει να ληφθούν υπόψη σε μελλοντικές μελέτες επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής, εστιάζοντας στην αποφυγή της υπερβολικής βεβαιότητας εξετάζοντας μια πληθώρα «υδρολογικά αντιφατικών» κλιματικών προσομοιώσεων. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας είναι επίσης χρήσιμα στους φορείς χάραξης κεντρικής πολιτικής σε διακρατικό επίπεδο, καθώς οι τελευταίοι χρειάζονται σχετικές με την παρούσα εργασία πληροφορίες ώστε να αποφασίσουν σε σχέδια και νομοθεσίες σχετικά με την προσαρμογή και την μετρίαση της κλιματικής αλλαγής.