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Assessment of climate change impact on discharge of the lakhmass catchment (Northwest Tunisia)
(2022)
The Mediterranean region is increasingly recognized as a climate change hotspot but is highly underrepresented in hydrological climate change studies. This study aims to investigate the climate change effects on the hydrology of Lakhmass catchment in Tunisia. Lakhmass catchment is a part of the Medium Valley of Medjerda in northwestern Tunisia that drains an area of 126 km(2). First, the Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning light (HBV-light) model was calibrated and validated successfully at a daily time step to simulate discharge during the 1981-1986 period. The Nash Sutcliffe Efficiency and Percent bias (NSE, PBIAS) were (0.80, +2.0%) and (0.53, -9.5%) for calibration (September 1982-August 1984) and validation (September 1984-August 1986) periods, respectively. Second, HBV-light model was considered as a predictive tool to simulate discharge in a baseline period (1981-2009) and future projections using data (precipitation and temperature) from thirteen combinations of General Circulation Models (GCMs) and Regional Climatic Models (RCMs). We used two trajectories of Representative Concentration Pathways, RCP4.5 and RCP8.5, suggested by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Each RCP is divided into three projection periods: near-term (2010-2039), mid-term (2040-2069) and long-term (2070-2099). For both scenarios, a decrease in precipitation and discharge will be expected with an increase in air temperature and a reduction in precipitation with almost 5% for every +1 degrees C of global warming. By long-term (2070-2099) projection period, results suggested an increase in temperature with about 2.7 degrees C and 4 degrees C, and a decrease in precipitation of approximately 7.5% and 15% under RCP4.5 and RCP8.5, respectively. This will likely result in a reduction of discharge of 12.5% and 36.6% under RCP4.5 and RCP8.5, respectively. This situation calls for early climate change adaptation measures under a participatory approach, including multiple stakeholders and water users.
Climate or land use?
(2017)
This study intends to contribute to the ongoing discussion on whether land use and land cover changes (LULC) or climate trends have the major influence on the observed increase of flood magnitudes in the Sahel. A simulation-based approach is used for attributing the observed trends to the postulated drivers. For this purpose, the ecohydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model) with a new, dynamic LULC module was set up for the Sahelian part of the Niger River until Niamey, including the main tributaries Sirba and Goroul. The model was driven with observed, reanalyzed climate and LULC data for the years 1950–2009. In order to quantify the shares of influence, one simulation was carried out with constant land cover as of 1950, and one including LULC. As quantitative measure, the gradients of the simulated trends were compared to the observed trend. The modeling studies showed that for the Sirba River only the simulation which included LULC was able to reproduce the observed trend. The simulation without LULC showed a positive trend for flood magnitudes, but underestimated the trend significantly. For the Goroul River and the local flood of the Niger River at Niamey, the simulations were only partly able to reproduce the observed trend. In conclusion, the new LULC module enabled some first quantitative insights into the relative influence of LULC and climatic changes. For the Sirba catchment, the results imply that LULC and climatic changes contribute in roughly equal shares to the observed increase in flooding. For the other parts of the subcatchment, the results are less clear but show, that climatic changes and LULC are drivers for the flood increase; however their shares cannot be quantified. Based on these modeling results, we argue for a two-pillar adaptation strategy to reduce current and future flood risk: Flood mitigation for reducing LULC-induced flood increase, and flood adaptation for a general reduction of flood vulnerability.
Observed streamflow of headwater catchments of the Tarim River (Central Asia) increased by about 30% over the period 1957-2004. This study aims at assessing to which extent these streamflow trends can be attributed to changes in air temperature or precipitation. The analysis includes a data-based approach using multiple linear regression and a simulation-based approach using a hydrological model. The hydrological model considers changes in both glacier area and surface elevation. It was calibrated using a multiobjective optimization algorithm with calibration criteria based on glacier mass balance and daily and interannual variations of discharge. The individual contributions to the overall streamflow trends from changes in glacier geometry, temperature, and precipitation were assessed using simulation experiments with a constant glacier geometry and with detrended temperature and precipitation time series. The results showed that the observed changes in streamflow were consistent with the changes in temperature and precipitation. In the Sari-Djaz catchment, increasing temperatures and related increase of glacier melt were identified as the dominant driver, while in the Kakshaal catchment, both increasing temperatures and increasing precipitation played a major role. Comparing the two approaches, an advantage of the simulation-based approach is the fact that it is based on process-based relationships implemented in the hydrological model instead of statistical links in the regression model. However, data-based approaches are less affected by model parameter and structural uncertainties and typically fast to apply. A complementary application of both approaches is recommended.
Water resources from Central Asia’s mountain regions have a high relevance for the water supply of the water scarce lowlands. A good understanding of the water cycle in these mountain regions is therefore needed to develop water management strategies. Hydrological modeling helps to improve our knowledge of the regional water cycle, and it can be used to gain a better understanding of past changes or estimate future hydrologic changes in view of projected changes in climate. However, due to the scarcity of hydrometeorological data, hydrological modeling for mountain regions in Central Asia involves large uncertainties.
Addressing this problem, the first aim of this thesis was to develop hydrological modeling approaches that can increase the credibility of hydrological models in data sparse mountain regions. This was achieved by using additional data from remote sensing and atmospheric modeling. It was investigated whether spatial patterns from downscaled reanalysis data can be used for the interpolation of station-based precipitation data. This approach was compared to other precipitation estimates using a hydrologic evaluation based on hydrological modeling and a comparison of simulated and observed discharge, which demonstrated a generally good performance of this method. The study further investigated the value of satellite-derived snow cover data for model calibration. Trade-offs of good model performance in terms of discharge and snow cover were explicitly evaluated using a multiobjective optimization algorithm, and the results were contrasted with single-objective calibration and Monte Carlo simulations. The study clearly shows that the additional use of snow cover data improved the internal consistency of the hydrological model. In this context, it was further investigated for the first time how many snow cover scenes were required for hydrological model calibration.
The second aim of this thesis was the application of the hydrological model in order to investigate the causes of observed streamflow increases in two headwater catchments of the Tarim River over the recent decades. This simulation-based approach for trend attribution was complemented by a data-based approach. The hydrological model was calibrated to discharge and glacier mass balance data and considered changes in glacier geometry over time. The results show that in the catchment with a lower glacierization, increasing precipitation and temperature both contributed to the streamflow increases, while in the catchment with a stronger glacierization, increasing temperatures were identified as the dominant driver.
Die vorliegende Arbeit 'Abflußentwicklung in Teileinzugsgebieten des Rheins - Simulationen für den Ist-Zustand und für Klimaszenarien' untersucht Auswirkungen möglicher zukünftiger Klimaänderungen auf das Abflußgeschehen in ausgewählten, durch Mittelgebirge geprägten Teileinzugsgebieten des Rheins: Mosel (bis Pegel Cochem); Sieg (bis Pegel Menden 1) und Main (bis Pegel Kemmern).In einem ersten Schritt werden unter Verwendung des hydrologischen Modells HBV-D wichtige Modellprozesse entsprechend der Einzugsgebietscharakteristik parametrisiert und ein Abbild der Gebietshydrologie erzeugt, das mit Zeitreihen gemessener Tageswerte (Temperatur, Niederschlag) eine Zeitreihe der Pegeldurchflüsse simulieren kann. Die Güte der Simulation des Ist-Zustandes (Standard-Meßzeitraum 1.1.1961-31.12.1999) ist für die Kalibrierungs- und Validierungszeiträume in allen Untersuchungsgebieten gut bis sehr gut.Zur Erleichterung der umfangreichen, zeitaufwendigen einzugsgebietsbezogenen Datenaufbereitung für das hydrologische Modell HBV-D wurde eine Arbeitsumgebung auf Basis von Programmerweiterungen des Geoinformationssystems ArcView und zusätzlichen Hilfsprogrammen entwickelt. Die Arbeitsumgebung HBV-Params enthält eine graphische Benutzeroberfläche und räumt sowohl erfahrenen Hydrologen als auch hydrologisch geschulten Anwendern, z.B. Studenten der Vertiefungsrichtung Hydrologie, Flexibilität und vollständige Kontrolle bei der Ableitung von Parameterwerten und der Editierung von Parameter- und Steuerdateien ein. Somit ist HBV-D im Gegensatz zu Vorläuferversionen mit rudimentären Arbeitsumgebungen auch außerhalb der Forschung für Lehr- und Übungszwecke einsetzbar.In einem zweiten Schritt werden Gebietsniederschlagssummen, Gebietstemperaturen und simulierte Mittelwerte des Durchflusses (MQ) des Ist-Zustandes mit den Zuständen zweier Klimaszenarien für den Szenarienzeitraum 100 Jahre später (2061-2099) verglichen. Die Klimaszenarien beruhen auf simulierten Zirkulationsmustern je eines Modellaufes zweier Globaler Zirkulationsmodelle (GCM), die mit einem statistischen Regionalisierungsverfahren in Tageswertszenarien (Temperatur, Niederschlag) an Meßstationen in den Untersuchungsgebieten überführt wurden und als Eingangsdaten des hydrologischen Modells verwendet werden.Für die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts weisen beide regionalisierten Klimaszenarien eine Zunahme der Jahresmittel der Gebietstemperatur sowie eine Zunahme der Jahressummen der Gebietsniederschläge auf, die mit einer hohen Variabilität einhergeht. Eine Betrachtung der saisonalen (monatlichen) Änderungsbeträge von Temperatur, Niederschlag und mittlerem Durchfluß zwischen Szenarienzeitraum (2061-2099) und Ist-Zustand ergibt in allen Untersuchungsgebieten eine Temperaturzunahme (höher im Sommer als im Winter) und eine generelle Zunahme der Niederschlagssummen (mit starken Schwankungen zwischen den Einzelmonaten), die bei der hydrologischen Simulation zu deutlich höheren mittleren Durchflüssen von November bis März und leicht erhöhten mittleren Durchflüssen in den restlichen Monaten führen. Die Stärke der Durchflußerhöhung ist nach den individuellen Klimaszenarien unterschiedlich und im Sommer- bzw. Winterhalbjahr gegenläufig ausgeprägt. Hauptursache für die simulierte starke Zunahme der mittleren Durchflüsse im Winterhalbjahr ist die trotz Temperaturerhöhung der Klimaszenarien winterlich niedrige Evapotranspiration, so daß erhöhte Niederschläge direkt in erhöhten Durchfluß transformiert werden können.Der Vergleich der Untersuchungsgebiete zeigt in Einzelmonaten von West nach Ost abnehmende Änderungsbeträge der Niederschlagssummen, die als Hinweis auf die Bedeutung der Kontinentalitätseinflüsse auch unter geänderten klimatischen Bedingungen in Südwestdeutschland aufgefaßt werden könnten.Aus den regionalisierten Klimaszenarien werden Änderungsbeträge für die Modulation gemessener Zeitreihen mittels synthetischer Szenarien abgeleitet, die mit einem geringen Rechenaufwand in hydrologische Modellantworten überführt werden können. Die direkte Ableitung synthetischer Szenarien aus GCM-Ergebniswerten (bodennahe Temperatur und Gesamtniederschlag) an einzelnen GCM-Gitterpunkten erbrachte unbefriedigende Ergebnisse.Ob, in welcher Höhe und zeitlichen Verteilung die in den (synthetischen) Szenarien verwendeten Niederschlags- und Temperaturänderungen eintreten werden, kann nur die Zukunft zeigen. Eine Abschätzung, wie sich die Abflußverhältnisse und insbesondere die mittleren Durchflüsse der Untersuchungsgebiete bei möglichen Änderungen entwickeln würden, kann jedoch heute schon vorgenommen werden. Simulationen auf Szenariogrundlagen sind ein Weg, unbekannte zukünftige Randbedingungen sowie regionale Auswirkungen möglicher Änderungen des Klimasystems ausschnittsweise abzuschätzen und entsprechende Risikominderungsstrategien zu entwickeln. Jegliche Modellierung und Simulation natürlicher Systeme ist jedoch mit beträchtlichen Unsicherheiten verknüpft. Vergleichsweise große Unsicherheiten sind mit der zukünftigen Entwicklung des sozioökonomischen Systems und der Komplexität des Klimasystems verbunden. Weiterhin haben Unsicherheiten der einzelnen Modellbausteine der Modellkette Emissionsszenarien/Gaszyklusmodelle - Globale Zirkulationsmodelle/Regionalisierung - hydrologisches Modell, die eine Kaskade der Unsicherheiten ergeben, neben Datenunsicherheiten bei der Erfassung hydrometeorologischer Meßgrößen einen erheblichen Einfluß auf die Vertrauenswürdigkeit der Simulationsergebnisse, die als ein dargestellter Wert eines Ergebnisbandes zu interpretieren sind.Der Einsatz (1) robuster hydrologischer Modelle, die insbesondere temperaturbeeinflußte Prozesse adäquat beschreiben,(2) die Verwendung langer Zeitreihen (wenigsten 30 Jahre) von Meßwerten und(3) die gleichzeitige vergleichende Betrachtung von Klimaszenarien, die auf unterschiedlichen GCMs beruhen (und wenn möglich, verschiedene Emissionsszenarien berücksichtigen),sollte aus Gründen der wissenschaftlichen Sorgfalt, aber auch der besseren Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Regionalstudien im noch jungen Forschungsfeld der Klimafolgenforschung beachtet werden.