Published August 7, 2012 | Version v1
Publication Open

Applying simple water-energy balance frameworks to predict the climate sensitivity of streamflow over the continental United States

  • 1. TU Dresden
  • 2. National Institute of Meteorology
  • 3. Institute of Hydrology

Description

Abstract. The prediction of climate effects on terrestrial ecosystems and water resources is one of the major research questions in hydrology. Conceptual water-energy balance models can be used to gain a first order estimate of how long-term average streamflow is changing with a change in water and energy supply. A common framework for investigation of this question is based on the Budyko hypothesis, which links hydrological response to aridity. Recently, Renner et al. (2012) introduced the climate change impact hypothesis (CCUW), which is based on the assumption that the total efficiency of the catchment ecosystem to use the available water and energy for actual evapotranspiration remains constant even under climate changes. Here, we confront the climate sensitivity approaches (the Budyko approach of Roderick and Farquhar, 2011, and the CCUW) with data of more than 400 basins distributed over the continental United States. We first estimate the sensitivity of streamflow to changes in precipitation using long-term average data of the period 1949 to 2003. This provides a hydro-climatic status of the respective basins as well as their expected proportional effect to changes in climate. Next, we test the ability of both approaches to predict climate impacts on streamflow by splitting the data into two periods. We (i) analyse the long-term average changes in hydro-climatology and (ii) derive a statistical classification of potential climate and basin change impacts based on the significance of observed changes in runoff, precipitation and potential evapotranspiration. Then we (iii) use the different climate sensitivity methods to predict the change in streamflow given the observed changes in water and energy supply and (iv) evaluate the predictions by (v) using the statistical classification scheme and (vi) a conceptual approach to separate the impacts of changes in climate from basin characteristics change on streamflow. This allows us to evaluate the observed changes in streamflow as well as to assess the impact of basin changes on the validity of climate sensitivity approaches. The apparent increase of streamflow of the majority of basins in the US is dominated by an increase in precipitation. It is further evident that impacts of changes in basin characteristics appear simultaneously with climate changes. There are coherent spatial patterns with catchments where basin changes compensate for climatic changes being dominant in the western and central parts of the US. A hot spot of basin changes leading to excessive runoff is found within the US Midwest. The impact of basin changes on the prediction is large and can be twice as much as the observed change signal. Although the CCUW and the Budyko approach yield similar predictions for most basins, the data of water-limited basins support the Budyko framework rather than the CCUW approach, which is known to be invalid under limiting climatic conditions.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص. يعد التنبؤ بالتأثيرات المناخية على النظم الإيكولوجية الأرضية والموارد المائية أحد الأسئلة البحثية الرئيسية في الهيدرولوجيا. يمكن استخدام نماذج توازن المياه والطاقة المفاهيمية للحصول على تقدير من الدرجة الأولى لكيفية تغير متوسط تدفق التيار على المدى الطويل مع حدوث تغيير في إمدادات المياه والطاقة. يعتمد الإطار المشترك للتحقيق في هذا السؤال على فرضية بوديكو، التي تربط الاستجابة الهيدرولوجية بالجفاف. في الآونة الأخيرة، قدم رينر وآخرون. (2012) فرضية تأثير تغير المناخ (CCUW)، والتي تستند إلى افتراض أن الكفاءة الإجمالية للنظام البيئي لمستجمعات المياه لاستخدام المياه والطاقة المتاحة للتبخر والنتح الفعلي لا تزال ثابتة حتى في ظل التغيرات المناخية. هنا، نواجه مناهج الحساسية للمناخ (نهج بوديكو لرودريك وفاركوهار، 2011، واتفاقية الأسلحة التقليدية) ببيانات أكثر من 400 حوض موزعة على الولايات المتحدة القارية. نقدر أولاً حساسية تدفق التيار للتغيرات في هطول الأمطار باستخدام بيانات المتوسط على المدى الطويل للفترة من 1949 إلى 2003. وهذا يوفر حالة مناخية مائية للأحواض المعنية بالإضافة إلى تأثيرها النسبي المتوقع للتغيرات في المناخ. بعد ذلك، نختبر قدرة كلا النهجين على التنبؤ بالتأثيرات المناخية على تدفق التيار عن طريق تقسيم البيانات إلى فترتين. نحن (1) نحلل متوسط التغيرات طويلة الأجل في علم المناخ المائي و (2) نستمد تصنيفًا إحصائيًا للتأثيرات المحتملة للمناخ وتغير الأحواض بناءً على أهمية التغيرات الملحوظة في الجريان السطحي وهطول الأمطار والتبخر المحتمل. ثم (3) نستخدم طرق حساسية المناخ المختلفة للتنبؤ بالتغير في تدفق التيار نظرًا للتغيرات الملحوظة في إمدادات المياه والطاقة و (4) تقييم التنبؤات من خلال (5) استخدام مخطط التصنيف الإحصائي و (6) نهج مفاهيمي لفصل تأثيرات التغيرات في المناخ عن تغير خصائص الحوض على تدفق التيار. وهذا يسمح لنا بتقييم التغيرات الملحوظة في تدفق التيار وكذلك لتقييم تأثير تغيرات الأحواض على صحة مناهج الحساسية للمناخ. تهيمن الزيادة الواضحة في تدفق المياه لغالبية الأحواض في الولايات المتحدة على الزيادة في هطول الأمطار. ومن الواضح كذلك أن آثار التغيرات في خصائص الأحواض تظهر بالتزامن مع التغيرات المناخية. هناك أنماط مكانية متماسكة مع مستجمعات المياه حيث تعوض تغيرات الأحواض عن التغيرات المناخية السائدة في الأجزاء الغربية والوسطى من الولايات المتحدة. تم العثور على نقطة ساخنة من تغيرات الأحواض التي تؤدي إلى الجريان السطحي المفرط داخل الغرب الأوسط الأمريكي. تأثير تغيرات الأحواض على التنبؤ كبير ويمكن أن يكون ضعف إشارة التغيير المرصودة. على الرغم من أن نهج CCUW و Budyko يسفران عن تنبؤات مماثلة لمعظم الأحواض، فإن بيانات الأحواض المحدودة المياه تدعم إطار Budyko بدلاً من نهج CCUW، المعروف بأنه غير صالح في ظل ظروف مناخية محدودة.

Translated Description (French)

Résumé. La prédiction des effets du climat sur les écosystèmes terrestres et les ressources en eau est l'une des grandes questions de recherche en hydrologie. Les modèles conceptuels de bilan eau-énergie peuvent être utilisés pour obtenir une estimation de premier ordre de la façon dont le débit moyen à long terme évolue avec un changement dans l'approvisionnement en eau et en énergie. Un cadre commun pour l'investigation de cette question est basé sur l'hypothèse de Budyko, qui relie la réponse hydrologique à l'aridité. Récemment, Renner et al. (2012) ont introduit l'hypothèse de l'impact du changement climatique (CCUW), qui repose sur l'hypothèse que l'efficacité totale de l'écosystème du bassin versant à utiliser l'eau et l'énergie disponibles pour l'évapotranspiration réelle reste constante même sous les changements climatiques. Ici, nous confrontons les approches de sensibilité climatique (l'approche Budyko de Roderick et Farquhar, 2011, et la CCUW) avec des données de plus de 400 bassins répartis sur la partie continentale des États-Unis. Nous estimons d'abord la sensibilité de l'écoulement fluvial aux changements des précipitations à l'aide de données moyennes à long terme de la période 1949 à 2003. Cela fournit un état hydroclimatique des bassins respectifs ainsi que leur effet proportionnel attendu aux changements climatiques. Ensuite, nous testons la capacité des deux approches à prédire les impacts climatiques sur le débit des cours d'eau en divisant les données en deux périodes. Nous (i) analysons les changements moyens à long terme en hydroclimatologie et (ii) dérivons une classification statistique des impacts potentiels du changement climatique et du changement de bassin en fonction de l'importance des changements observés dans le ruissellement, les précipitations et l'évapotranspiration potentielle. Ensuite, nous (iii) utilisons les différentes méthodes de sensibilité climatique pour prédire le changement de débit compte tenu des changements observés dans l'approvisionnement en eau et en énergie et (iv) évaluons les prédictions en (v) utilisant le système de classification statistique et (vi) une approche conceptuelle pour séparer les impacts des changements climatiques des changements des caractéristiques du bassin sur le débit. Cela nous permet d'évaluer les changements observés dans l'écoulement des cours d'eau ainsi que d'évaluer l'impact des changements de bassin sur la validité des approches de sensibilité climatique. L'augmentation apparente du débit des cours d'eau de la majorité des bassins aux États-Unis est dominée par une augmentation des précipitations. Il est en outre évident que les impacts des changements dans les caractéristiques du bassin apparaissent simultanément aux changements climatiques. Il existe des modèles spatiaux cohérents avec les bassins versants où les changements de bassin compensent les changements climatiques dominants dans les parties occidentale et centrale des États-Unis. Un point chaud de changements de bassin conduisant à un ruissellement excessif se trouve dans le Midwest américain. L'impact des changements de bassin sur la prédiction est important et peut être deux fois plus important que le signal de changement observé. Bien que la CCUW et l'approche Budyko donnent des prévisions similaires pour la plupart des bassins, les données des bassins limités en eau soutiennent le cadre de Budyko plutôt que l'approche de la CCUW, qui est connue pour être invalide dans des conditions climatiques limitantes.

Translated Description (Spanish)

Resumen. La predicción de los efectos del clima sobre los ecosistemas terrestres y los recursos hídricos es una de las principales cuestiones de investigación en hidrología. Los modelos conceptuales de balance agua-energía se pueden utilizar para obtener una estimación de primer orden de cómo el flujo de corriente promedio a largo plazo está cambiando con un cambio en el suministro de agua y energía. Un marco común para la investigación de esta cuestión se basa en la hipótesis de Budyko, que vincula la respuesta hidrológica a la aridez. Recientemente, Renner et al. (2012) introdujeron la hipótesis del impacto del cambio climático (CCUW), que se basa en el supuesto de que la eficiencia total del ecosistema de captación para utilizar el agua y la energía disponibles para la evapotranspiración real permanece constante incluso bajo los cambios climáticos. Aquí, confrontamos los enfoques de sensibilidad climática (el enfoque Budyko de Roderick y Farquhar, 2011, y el CCUW) con datos de más de 400 cuencas distribuidas en el territorio continental de los Estados Unidos. Primero estimamos la sensibilidad del flujo de la corriente a los cambios en la precipitación utilizando datos promedio a largo plazo del período 1949 a 2003. Esto proporciona un estado hidroclimático de las respectivas cuencas, así como su efecto proporcional esperado a los cambios climáticos. A continuación, probamos la capacidad de ambos enfoques para predecir los impactos climáticos en el flujo de los arroyos dividiendo los datos en dos períodos. Nosotros (i) analizamos los cambios medios a largo plazo en la hidroclimatología y (ii) derivamos una clasificación estadística de los posibles impactos climáticos y de cambio de cuenca en función de la importancia de los cambios observados en la escorrentía, la precipitación y la posible evapotranspiración. Luego (iii) utilizamos los diferentes métodos de sensibilidad climática para predecir el cambio en el flujo del arroyo dados los cambios observados en el suministro de agua y energía y (iv) evaluamos las predicciones (v) utilizando el esquema de clasificación estadística y (vi) un enfoque conceptual para separar los impactos de los cambios en el clima del cambio de las características de la cuenca en el flujo del arroyo. Esto nos permite evaluar los cambios observados en el caudal de los arroyos, así como evaluar el impacto de los cambios en las cuencas sobre la validez de los enfoques de sensibilidad climática. El aparente aumento del caudal de la mayoría de las cuencas en los EE. UU. está dominado por un aumento de las precipitaciones. Además, es evidente que los impactos de los cambios en las características de la cuenca aparecen simultáneamente con los cambios climáticos. Hay patrones espaciales coherentes con cuencas donde los cambios en las cuencas compensan los cambios climáticos que son dominantes en las partes occidental y central de los EE. UU. Se encuentra un punto caliente de cambios en la cuenca que conducen a una escorrentía excesiva en el medio oeste de los EE. UU. El impacto de los cambios en la cuenca en la predicción es grande y puede ser el doble que la señal de cambio observada. Aunque el enfoque CCUW y el enfoque Budyko producen predicciones similares para la mayoría de las cuencas, los datos de las cuencas limitadas por el agua respaldan el marco Budyko en lugar del enfoque CCUW, que se sabe que no es válido en condiciones climáticas limitantes.

Files

hessd-8-10825-2011.pdf

Files (1.2 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:3ba6c5674f7dad21f568a8983022a6d2
1.2 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تطبيق أطر بسيطة لتوازن المياه والطاقة للتنبؤ بحساسية المناخ لتدفق التيار فوق الولايات المتحدة القارية
Translated title (French)
Appliquer des cadres simples d'équilibre eau-énergie pour prédire la sensibilité climatique du débit des cours d'eau sur la partie continentale des États-Unis
Translated title (Spanish)
Aplicación de marcos simples de equilibrio hídrico-energético para predecir la sensibilidad climática del caudal de los arroyos en el territorio continental de los Estados Unidos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2149336697
DOI
10.5194/hess-16-2531-2012

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Tunisia

References

  • https://openalex.org/W191783368
  • https://openalex.org/W1563754157
  • https://openalex.org/W1564079034
  • https://openalex.org/W1902962097
  • https://openalex.org/W1964267487
  • https://openalex.org/W1967054256
  • https://openalex.org/W1976329284
  • https://openalex.org/W1984909502
  • https://openalex.org/W1986969892
  • https://openalex.org/W1989703532
  • https://openalex.org/W1994181947
  • https://openalex.org/W2000618668
  • https://openalex.org/W2006910400
  • https://openalex.org/W2011398716
  • https://openalex.org/W2022835504
  • https://openalex.org/W2023729531
  • https://openalex.org/W2030886582
  • https://openalex.org/W2043015466
  • https://openalex.org/W2046960280
  • https://openalex.org/W2067973431
  • https://openalex.org/W2071436107
  • https://openalex.org/W2073194947
  • https://openalex.org/W2074197685
  • https://openalex.org/W2092552292
  • https://openalex.org/W2117779820
  • https://openalex.org/W2124141023
  • https://openalex.org/W2124310429
  • https://openalex.org/W2126800465
  • https://openalex.org/W2128870535
  • https://openalex.org/W2130359914
  • https://openalex.org/W2137191008
  • https://openalex.org/W2144746766
  • https://openalex.org/W2147663789
  • https://openalex.org/W2148888430
  • https://openalex.org/W2149144107
  • https://openalex.org/W2151036430
  • https://openalex.org/W2151382844
  • https://openalex.org/W2154331418
  • https://openalex.org/W2158047661
  • https://openalex.org/W2158952682
  • https://openalex.org/W2160275807
  • https://openalex.org/W2179337083
  • https://openalex.org/W2600418550
  • https://openalex.org/W4236504633