Carlos Antonio Fernandez Palomino

• Human-induced climate change is impacting the global water cycle by, e.g., causing changes in precipitation patterns, evapotranspiration dynamics, cryosphere shrinkage, and complex streamflow trends. These changes, coupled with the increased frequency and severity of extreme hydrometeorological events like floods, droughts, and heatwaves, contribute to hydroclimatic disasters, posing significant implications for local and global infrastructure, human health, and overall productivity. In the tropical Andes, climate change is evident through warming trends, glacier retreats, and shifts in precipitation patterns, leading to altered risks of floods and droughts, e.g., in the upper Amazon River basin. Projections for the region indicate rising temperatures, potential glacier disappearance or substantial shrinkage, and altered streamflow patterns, highlighting challenges in water availability due to these expected changes and growing human water demand. The evolving trends in hydroclimatic conditions in the tropical Andes presentHuman-induced climate change is impacting the global water cycle by, e.g., causing changes in precipitation patterns, evapotranspiration dynamics, cryosphere shrinkage, and complex streamflow trends. These changes, coupled with the increased frequency and severity of extreme hydrometeorological events like floods, droughts, and heatwaves, contribute to hydroclimatic disasters, posing significant implications for local and global infrastructure, human health, and overall productivity. In the tropical Andes, climate change is evident through warming trends, glacier retreats, and shifts in precipitation patterns, leading to altered risks of floods and droughts, e.g., in the upper Amazon River basin. Projections for the region indicate rising temperatures, potential glacier disappearance or substantial shrinkage, and altered streamflow patterns, highlighting challenges in water availability due to these expected changes and growing human water demand. The evolving trends in hydroclimatic conditions in the tropical Andes present significant challenges to socioeconomic and environmental systems, emphasizing the need for a comprehensive understanding to guide effective adaptation policies and strategies in response to the impacts of climate change in the region. The main objective of this thesis is to investigate current hydrological dynamics in the tropical Andes of Peru and Ecuador and their responses to climate change. Given the scarcity of hydrometeorological data in the region, this objective was accomplished through a comprehensive data preparation and analysis in combination with hydrological modeling using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) eco-hydrological model. In this context, the initial steps involved assessing, identifying, and/or generating more reliable climate input data to address data limitations. The thesis introduces RAIN4PE, a high-resolution precipitation dataset for Peru and Ecuador, developed by merging satellite, reanalysis, and ground-based data with surface elevation through the random forest method. Further adjustments of precipitation estimates were made for catchments influenced by fog/cloud water input on the eastern side of the Andes using streamflow data and applying the method of reverse hydrology. RAIN4PE surpasses other global and local precipitation datasets, showcasing superior reliability and accuracy in representing precipitation patterns and simulating hydrological processes across the tropical Andes. This establishes it as the optimal precipitation product for hydrometeorological applications in the region. Due to the significant biases and limitations of global climate models (GCMs) in representing key atmospheric variables over the tropical Andes, this study developed regionally adapted GCM simulations specifically tailored for Peru and Ecuador. These simulations are known as the BASD-CMIP6-PE dataset, and they were derived using reliable, high-resolution datasets like RAIN4PE as reference data. The BASD-CMIP6-PE dataset shows notable improvements over raw GCM simulations, reflecting enhanced representations of observed climate properties and accurate simulation of streamflow, including high and low flow indices. This renders it suitable for assessing regional climate change impacts on agriculture, water resources, and hydrological extremes. In addition to generating more accurate climatic input data, a reliable hydrological model is essential for simulating watershed hydrological processes. To tackle this challenge, the thesis presents an innovative multiobjective calibration framework integrating remote sensing vegetation data, baseflow index, discharge goodness-of-fit metrics, and flow duration curve signatures. In contrast to traditional calibration strategies relying solely on discharge goodness-of-fit metrics, this approach enhances the simulation of vegetation, streamflow, and the partitioning of flow into surface runoff and baseflow in a typical Andean catchment. The refined hydrological model calibration strategy was applied to conduct reliable simulations and understand current and future hydrological trajectories in the tropical Andes. By establishing a region-suitable and thoroughly tested hydrological model with high-resolution and reliable precipitation input data from RAIN4PE, this study provides new insights into the spatiotemporal distribution of water balance components in Peru and transboundary catchments. Key findings underscore the estimation of Peru's total renewable freshwater resource (total river runoff of 62,399 m3/s), with the Peruvian Amazon basin contributing 97.7%. Within this basin, the Amazon-Andes transition region emerges as a pivotal hotspot for water yield (precipitation minus evapotranspiration), characterized by abundant rainfall and lower atmospheric water demand/evapotranspiration. This finding underlines its paramount role in influencing the hydrological variability of the entire Amazon basin. Subsurface hydrological pathways, particularly baseflow from aquifers, strongly influence water yield in lowland and Andean catchments, sustaining streamflow, especially during the extended dry season. Water yield demonstrates an elevation- and latitude-dependent increase in the Pacific Basin (catchments draining into the Pacific Ocean), while it follows an unimodal curve in the Peruvian Amazon Basin, peaking in the Amazon-Andes transition region. This observation indicates an intricate relationship between water yield and elevation. In Amazon lowlands rivers, particularly in the Ucayali River, floodplains play a significant role in shaping streamflow seasonality by attenuating and delaying peak flows for up to two months during periods of high discharge. This observation underscores the critical importance of incorporating floodplain dynamics into hydrological simulations and river management strategies for accurate modeling and effective water resource management. Hydrological responses vary across different land use types in high Andean catchments. Pasture areas exhibit the highest water yield, while agricultural areas and mountain forests show lower yields, emphasizing the importance of puna (high-altitude) ecosystems, such as pastures, páramos, and bofedales, in regulating natural storage. Projected future hydrological trajectories were analyzed by driving the hydrological model with regionalized GCM simulations provided by the BASD-CMIP6-PE dataset. The analysis considered sustainable (low warming, SSP1-2.6) and fossil fuel-based development (high-end warming, SSP5-8.5) scenarios for the mid (2035-2065) and end (2065-2095) of the century. The projected changes in water yield and streamflow across the tropical Andes exhibit distinct regional and seasonal variations, particularly amplified under a high-end warming scenario towards the end of the century. Projections suggest year-round increases in water yield and streamflow in the Andean regions and decreases in the Amazon lowlands, with exceptions such as the northern Amazon expecting increases during wet seasons. Despite these regional differences, the upper Amazon River's streamflow is projected to remain relatively stable throughout the 21st century. Additionally, projections anticipate a decrease in low flows in the Amazon lowlands and an increased risk of high flows (floods) in the Andean and northern Amazon catchments. This thesis significantly contributes to enhancing climatic data generation, overcoming regional limitations that previously impeded hydrometeorological research, and creating new opportunities. It plays a crucial role in advancing hydrological model calibration, improving the representation of internal hydrological processes, and achieving accurate results for the right reasons. Novel insights into current hydrological dynamics in the tropical Andes are fundamental for improving water resource management. The anticipated intensified changes in water flows and hydrological extreme patterns under a high-end warming scenario highlight the urgency of implementing emissions mitigation and adaptation measures to address the heightened impacts on water resources. In fact, the new datasets (RAIN4PE and BASD-CMIP6-PE) have already been utilized by researchers and experts in regional and local-scale projects and catchments in Peru and Ecuador. For instance, they have been applied in river catchments such as Mantaro, Piura, and San Pedro to analyze local historical and future developments in climate and water resources.…
• Menschgemachter Klimawandel beeinflusst den globalen Wasserkreislauf durch Veränderungen in Niederschlagsmustern, Verdunstungsdynamiken, dem Rückgang der Gletscher und komplexen Trends in den Abflussraten in den Flüssen. Diese Veränderungen, gepaart mit der zunehmenden Häufigkeit und Schwere von extremen hydrometeorologischen Ereignissen wie Überschwemmungen, Dürren und Hitzewellen, tragen zu hydroklimatischen Katastrophen bei und haben erhebliche Auswirkungen auf lokale und globale Infrastruktur, die menschliche Gesundheit und die Gesamtproduktivität. In den tropischen Anden zeigt sich der Klimawandel durch Erwärmungstrends, Gletscherschmelzen und Verschiebungen in den Niederschlagsmustern, was zu erhöhten Risiken von Überschwemmungen und Dürren führt, beispielsweise im oberen Amazonas-Einzugsgebiet. Projektionen für die Region deuten auf steigende Temperaturen, potenzielles Verschwinden oder erhebliche Schrumpfung von Gletschern und veränderte Abflussmuster hin, was die Herausforderungen bei der Wasserverfügbarkeit aufgrundMenschgemachter Klimawandel beeinflusst den globalen Wasserkreislauf durch Veränderungen in Niederschlagsmustern, Verdunstungsdynamiken, dem Rückgang der Gletscher und komplexen Trends in den Abflussraten in den Flüssen. Diese Veränderungen, gepaart mit der zunehmenden Häufigkeit und Schwere von extremen hydrometeorologischen Ereignissen wie Überschwemmungen, Dürren und Hitzewellen, tragen zu hydroklimatischen Katastrophen bei und haben erhebliche Auswirkungen auf lokale und globale Infrastruktur, die menschliche Gesundheit und die Gesamtproduktivität. In den tropischen Anden zeigt sich der Klimawandel durch Erwärmungstrends, Gletscherschmelzen und Verschiebungen in den Niederschlagsmustern, was zu erhöhten Risiken von Überschwemmungen und Dürren führt, beispielsweise im oberen Amazonas-Einzugsgebiet. Projektionen für die Region deuten auf steigende Temperaturen, potenzielles Verschwinden oder erhebliche Schrumpfung von Gletschern und veränderte Abflussmuster hin, was die Herausforderungen bei der Wasserverfügbarkeit aufgrund dieser erwarteten Veränderungen und des wachsenden menschlichen Wasserbedarfs zeigt. Die Trends in den hydroklimatischen Bedingungen in den tropischen Anden stellen erhebliche Herausforderungen für sozioökonomische und Umweltsysteme dar und unterstreichen die Notwendigkeit eines umfassenden Verständnisses, um effektive Anpassungspolitiken und -strategien im Hinblick auf die Auswirkungen des Klimawandels in der Region zu steuern. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, die aktuellen hydrologischen Dynamiken in den tropischen Anden von Peru und Ecuador und ihre Reaktionen auf den Klimawandel zu untersuchen. Aufgrund der Knappheit von hydrometeorologischen Daten in der Region wurde dieses Ziel durch eine umfassende Datenvorbereitung und -analyse in Kombination mit hydrologische Modellierung mithilfe des ökohydrologischen Modells Soil and Water Assessment Tool (SWAT) erreicht. Die ersten Schritte umfassten die Bewertung, Identifizierung und/oder Generierung zuverlässigerer Klimadaten, um Datenbeschränkungen zu bewältigen. Die Arbeit beginnt mit der Vorstellung von RAIN4PE, einen hochauflösenden Niederschlagsdatensatz für Peru und Ecuador, der durch die Zusammenführung von Satelliten-, Reanalysen- und bodengestützten Daten mit der Geländeoberfläche durch die Methode des Random Forest entwickelt wurde. Weitere Anpassungen der Niederschlagsschätzungen erfolgen unter Verwendung von Abflussdaten für Einzugsgebiete, die durch den Einfluss von Nebel-/Wolkenwasser auf der östlichen Seite der Anden beeinflusst werden, und mit Hilfe der Methode der Reverse-Hydrologie. RAIN4PE übertrifft andere globale und lokale Niederschlagsdatensätze und zeigt eine überlegene Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Darstellung von Niederschlagsmustern und der Simulation hydrologischer Prozesse in den tropischen Anden. Dies etabliert ihn als das optimale Niederschlagsprodukt für hydrometeorologische Anwendungen in der Region. Aufgrund der signifikanten Ungenauigkeiten und Beschränkungen globaler Klimamodelle (GCMs) bei der Darstellung wichtiger atmosphärischer Variablen über den tropischen Anden entwickelte diese Studie regional angepasste GCM-Simulationen, die speziell für Peru und Ecuador maßgeschneidert wurden. Diese Simulationen sind als der BASD-CMIP6-PE-Datensatz bekannt und wurden unter Verwendung zuverlässiger, hochauflösender Datensätze wie RAIN4PE als Referenzdaten abgeleitet. Der BASD-CMIP6-PE-Datensatz weist gegenüber rohen GCM-Ergebnissen bedeutende Verbesserungen auf, zeigt eine verbesserte Darstellung beobachteter Klimaeigenschaften und eine genaue Simulation des Wasserabflusses einschließlich seiner Hoch- und Niedrigflussindizes. Dies macht ihn geeignet, regionale Auswirkungen des Klimawandels auf Landwirtschaft, Wasserressourcen und hydrologische Extremereignisse zu bewerten. Zusätzlich zur Generierung genauerer klimatischer Eingabedaten ist ein zuverlässiges hydrologisches Modell für die Simulation hydrologischer Dynamiken im Einzugsgebiet unerlässlich. Um diese Herausforderung zu bewältigen, stellt die Arbeit einen innovativen multiobjektiven Kalibrierungsrahmen vor, der fernerkundungsbasierte Vegetationsdaten, Basisabfluss-Index, Abflussgütemaße und Kennzeichen der Abflussdauerkurve integriert. Im Gegensatz zu traditionellen Kalibrierungsstrategien, die ausschließlich auf Abflussgütemaße beruhen, verbessert dieser Ansatz die Simulation von Vegetation, Wasserabfluss und Aufteilung des Abflusses in Oberflächen- und Basisabfluss in einem typischen Anden-Einzugsgebiet. Die verfeinerte Kalibrierungsstrategie des hydrologischen Modells wurde angewendet, um zuverlässigere Simulationen zu erzielen und aktuelle und zukünftige hydrologische Entwicklungen in den tropischen Anden zu verstehen. Aufbauend auf einer der Region angepassten hydrologischen Modell mit hochauflösenden und zuverlässigen Niederschlagsdaten von RAIN4PE liefert diese Studie neue Einblicke in die räumlich-zeitliche Verteilung von Wasserbilanzkomponenten in Peru und grenzüberschreitenden Einzugsgebieten. Die wichtigsten Erkenntnisse betonen die Schätzung der Gesamtmenge an erneuerbarem Süßwasser in Peru (Gesamtwasserabfluss von 62.399 m3/s), wobei das peruanische Amazonasbecken 97,7% dazu beiträgt. Innerhalb dieses Beckens wird die Übergangsregion Amazonas-Anden als zentraler Hotspot für Wasserertrag (Niederschlag minus Evapotranspiration) hervorgehoben, geprägt durch reichlichen Niederschlag und eine geringere atmosphärische Wassernachfrage/Evapotranspiration. Diese Erkenntnis unterstreicht ihre herausragende Rolle bei der Beeinflussung der hydrologischen Variabilität des gesamten Amazonasbeckens. Unterirdische hydrologische Komponenten, insbesondere der Grundwasserabfluss, beeinflussen deutlich die Abflussbildung in Tiefland- und Anden-Einzugsgebieten und unterstützen den Abfluss in den Flüssen, insbesondere während der verlängerten Trockenzeit. Wasserertrag zeigt einen höhen- und breitengradabhängigen Anstieg im Pazifikbecken (Einzugsgebiete, die in den Pazifik münden), während er im peruanischen Amazonasbecken einer unimodalen Kurve folgt und im Übergangsgebiet Amazonas-Anden seinen Höhepunkt erreicht. Dieses Ergebnis verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Abflussbildung und Geländehöhe. In Flüssen der Tiefebenen des Amazonas, insbesondere im Ucayali-Fluss, spielen Überschwemmungsgebiete eine bedeutende Rolle bei der saisonalen Wasserflussdynamik, indem sie Spitzenflüsse für bis zu zwei Monate während Perioden hoher Abflüsse abschwächen und verzögern. Dieses Ergebnis unterstreicht die Wichtigkeit der Einbeziehung von Überschwemmungsdynamiken in hydrologische Simulationen und Flussmanagementstrategien für eine präzise Modellierung und effektive Wasserressourcenbewirtschaftung. Hydrologische Reaktionen variieren je nach Landnutzungstypen in hohen Anden-Einzugsgebieten. Weideflächen zeigen den höchsten Wasserertrag, während landwirtschaftliche Flächen und Bergwälder geringere Wasserertrag aufweisen, was die Bedeutung von Puna (hochgelegenen) Ökosystemen wie Weiden, Páramos und Bofedales bei der Regulierung natürlicher Speicher betont. Projektierte zukünftige hydrologische Entwicklungen wurden analysiert, indem das hydrologische Modell mit regionalisierten GCM-Simulationen des BASD-CMIP6-PE-Datensatzes angetrieben wurde. Diese Analyse berücksichtigte nachhaltige (geringe Erwärmung, SSP1-2.6) und auf starker Nutzung fossiler Brennstoffe basierende (hochgradige Erwärmung, SSP5-8.5) Szenarien für die Mitte (2035-2065) und das Ende (2065-2095) des 21. Jahrhunderts. Die projektierten Veränderungen in Wasserertrag und Wasserabfluss in den tropischen Anden zeigen deutliche regionale und saisonale Variationen, insbesondere unter einem Szenario mit hoher Erwärmung gegen Ende des Jahrhunderts. Diese Projektionen deuten auf ganzjährige Zunahmen im Wasserertrag und Wasserabfluss in den Andenregionen und Rückgänge in den Tiefebenen des Amazonas hin, mit Ausnahmen wie im nördlichen Amazonasgebiet, wo Zunahmen während der Regenzeiten projektiert werden. Trotz dieser regionalen Unterschiede wird der jährliche Wasserabfluss des oberen Amazonas voraussichtlich im gesamten 21. Jahrhundert relativ stabil bleiben. Darüber hinaus deuten die Projektionen auf eine Abnahme der Niedrigabflüsse in den Tiefebenen des Amazonas und ein erhöhtes Risiko von Hochwasserabflüssen (Überschwemmungen) in den Anden- und nördlichen Amazonas-Einzugsgebieten hin. Diese Arbeit trägt erheblich zur Verbesserung der Datenlage bzgl. des Klimas in dieser Region bei, überwindet regionale Datenbegrenzungen, die zuvor hydrometeorologische Forschung behinderten, und schafft neue Möglichkeiten. Sie trägt zur Fortentwicklung der Kalibrierung hydrologischer Modelle bei, der Verbesserung der Darstellung interner hydrologischer Prozesse und damit der Erzielung hydrologisch konsistenter Simulationsergebnisse. Diese neuen Erkenntnisse zu den hydrologischen Dynamiken in den tropischen Anden sind grundlegend für eine verbesserte Bewirtschaftung der regionalen Wasserressourcen. Die erwartete Intensivierung des regionalen Wasserkreislaufs unter einem Szenario mit hoher Erwärmung unterstreichen die Dringlichkeit der Umsetzung von Maßnahmen zur Emissionsminderung und Anpassung, um den verstärkten Auswirkungen auf Wasserressourcen zu begegnen. Tatsächlich wurden die neuen Datensätze (RAIN4PE und BASD-CMIP6-PE) bereits von Forschern und Experten in regionalen und lokalen Projekten und Einzugsgebieten in Peru und Ecuador genutzt. Zum Beispiel wurden sie in Flusseinzugsgebieten wie Mantaro, Piura und San Pedro angewendet, um lokale historische und zukünftige Entwicklungen in Klima und Wasserressourcen zu analysieren.…