Published March 17, 2023 | Version v1
Publication Open

Translating seasonal climate forecasts into water balance forecasts for decision making

Creators

  • 1. Cardiff University
  • 2. University of Bristol
  • 3. University of California, Santa Barbara
  • 4. UNSW Sydney
  • 5. IGAD Climate Prediction and Applications Center
  • 6. Cardiff Metropolitan University

Description

Seasonal rainfall forecasts support early preparedness. These forecasts are typically disseminated at Regional Climate Outlook Forums (RCOFs), in the form of seasonal tercile probability categories—above normal, normal, below normal. However, these categories cannot be related directly to impacts on terrestrial water stores within catchments, since they are mediated by non-linear hydrological processes occurring on fine spatiotemporal scales, including rainfall partitioning into infiltration, evapotranspiration, runoff and groundwater recharge. Hydrological models are increasingly capable of capturing these processes, but there is no simple way to drive such models with a specific RCOF seasonal tercile rainfall forecast. Here we demonstrate a new method, "Quantile Bin Resampling" (QBR), for producing seasonal water forecasts for a drainage basin by integrating a tercile seasonal rainfall forecast with a hydrological model. QBR is based on mapping historical quantiles of basin-average rainfall to historical simulations of the water balance, and circumvents challenges associated with using climate model output to drive impact models directly. We evaluate QBR by generating 35 years of seasonal reforecasts for various water balance stores and fluxes for the Upper Ewaso Ng'iro basin in Kenya. Hindcasts indicate that when input tercile rainfall forecasts have skill, QBR provides accurate water forecasts at kilometre-scale resolution, which is relevant for anticipatory action down to village level. Pilot operational experimental water forecasts were produced for this basin using QBR for the 2022 March-May rainfall season, then disseminated to regional stakeholders at the Greater Horn of Africa Climate Outlook Forum (GHACOF). We discuss this initiative, along with limitations, plans and future potential of the method. Beyond the demonstrated application to water-related forecasts, QBR can be easily adapted to work with any rainfall-driven impact model. It can translate objective tercile climate probabilities into impact-relevant water balance forecasts at high spatial resolution in an efficient, transparent and flexible way.

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

Translated Description (Arabic)

تدعم توقعات هطول الأمطار الموسمية التأهب المبكر. عادة ما يتم نشر هذه التوقعات في المنتديات الإقليمية لتوقعات المناخ (RCOFs)، في شكل فئات الاحتمالات الموسمية - أعلى من المعتاد، طبيعي، أقل من المعتاد. ومع ذلك، لا يمكن ربط هذه الفئات مباشرة بالتأثيرات على مخازن المياه الأرضية داخل مستجمعات المياه، لأنها تتوسطها عمليات هيدرولوجية غير خطية تحدث على نطاقات مكانية وزمانية دقيقة، بما في ذلك تقسيم هطول الأمطار إلى ارتشاح وتبخر نتح وجريان وإعادة تغذية المياه الجوفية. أصبحت النماذج الهيدرولوجية قادرة بشكل متزايد على التقاط هذه العمليات، ولكن لا توجد طريقة بسيطة لدفع مثل هذه النماذج مع توقعات محددة لهطول الأمطار الموسمية من RCOF. هنا نعرض طريقة جديدة، "إعادة أخذ العينات الكمية" (QBR)، لإنتاج توقعات المياه الموسمية لحوض الصرف من خلال دمج توقعات هطول الأمطار الموسمية الثلاثية مع نموذج هيدرولوجي. يعتمد QBR على رسم خرائط الكميات التاريخية لمتوسط هطول الأمطار في الحوض إلى المحاكاة التاريخية لتوازن المياه، والتحايل على التحديات المرتبطة باستخدام مخرجات النموذج المناخي لدفع نماذج التأثير مباشرة. نقوم بتقييم QBR من خلال توليد 35 عامًا من إعادة التنبؤات الموسمية لمختلف مخازن توازن المياه والتدفقات لحوض Ewaso Ng'iro العلوي في كينيا. تشير التنبؤات الخلفية إلى أنه عندما تتمتع تنبؤات مدخلات هطول الأمطار بمهارة، يوفر QBR تنبؤات دقيقة للمياه بدقة على نطاق الكيلومتر، وهو أمر ذو صلة بالإجراءات الاستباقية وصولاً إلى مستوى القرية. تم إنتاج تنبؤات تجريبية تجريبية تجريبية للمياه لهذا الحوض باستخدام QBR لموسم هطول الأمطار من مارس إلى مايو 2022، ثم تم توزيعها على أصحاب المصلحة الإقليميين في منتدى توقعات المناخ في القرن الأفريقي (GHACOF). نناقش هذه المبادرة، إلى جانب القيود والخطط والإمكانات المستقبلية للطريقة. بالإضافة إلى التطبيق الواضح للتنبؤات المتعلقة بالمياه، يمكن تكييف QBR بسهولة للعمل مع أي نموذج تأثير يحركه هطول الأمطار. يمكن أن تترجم الاحتمالات المناخية الموضوعية إلى تنبؤات توازن المياه ذات الصلة بالتأثير بدقة مكانية عالية بطريقة فعالة وشفافة ومرنة.

Translated Description (French)

Les prévisions de précipitations saisonnières soutiennent la préparation précoce. Ces prévisions sont généralement diffusées lors des Forums régionaux sur les perspectives climatiques (RCOF), sous la forme de catégories de probabilité saisonnières tercile - supérieures à la normale, normales, inférieures à la normale. Cependant, ces catégories ne peuvent pas être directement liées aux impacts sur les réserves d'eau terrestre dans les bassins versants, car elles sont médiées par des processus hydrologiques non linéaires se produisant à des échelles spatio-temporelles fines, y compris la répartition des précipitations en infiltration, évapotranspiration, ruissellement et recharge des eaux souterraines. Les modèles hydrologiques sont de plus en plus capables de capturer ces processus, mais il n'y a pas de moyen simple de piloter de tels modèles avec une prévision spécifique des précipitations saisonnières du tercile RCOF. Ici, nous démontrons une nouvelle méthode, « Quantile Bin Resampling » (QBR), pour produire des prévisions d'eau saisonnières pour un bassin de drainage en intégrant une prévision de précipitations saisonnières tercile à un modèle hydrologique. Le QBR est basé sur la cartographie des quantiles historiques de précipitations moyennes du bassin à des simulations historiques du bilan hydrique, et contourne les défis associés à l'utilisation de la sortie du modèle climatique pour piloter directement les modèles d'impact. Nous évaluons QBR en générant 35 ans de prévisions saisonnières pour divers stocks et flux de bilan hydrique pour le bassin supérieur d'Ewaso Ng'iro au Kenya. Les prévisions rétrospectives indiquent que lorsque les prévisions de précipitations d'entrée ont des compétences, QBR fournit des prévisions d'eau précises à une résolution à l'échelle du kilomètre, ce qui est pertinent pour une action anticipative jusqu'au niveau du village. Des prévisions d'eau expérimentales opérationnelles pilotes ont été produites pour ce bassin en utilisant QBR pour la saison des pluies de mars-mai 2022, puis diffusées aux parties prenantes régionales lors du Forum sur les perspectives climatiques de la Grande Corne de l'Afrique (GHACOF). Nous discutons de cette initiative, ainsi que des limites, des plans et du potentiel futur de la méthode. Au-delà de l'application démontrée aux prévisions liées à l'eau, QBR peut être facilement adapté pour fonctionner avec n'importe quel modèle d'impact piloté par les précipitations. Il peut traduire les probabilités climatiques du tercile objectif en prévisions de bilan hydrique pertinentes pour l'impact à haute résolution spatiale de manière efficace, transparente et flexible.

Translated Description (Spanish)

Las previsiones de precipitaciones estacionales respaldan la preparación temprana. Estos pronósticos generalmente se difunden en los Foros Regionales de Perspectivas Climáticas (RCOF, por sus siglas en inglés), en forma de categorías de probabilidad estacional terciaria: por encima de lo normal, normal, por debajo de lo normal. Sin embargo, estas categorías no pueden relacionarse directamente con los impactos en las reservas de agua terrestre dentro de las cuencas, ya que están mediadas por procesos hidrológicos no lineales que ocurren en escalas espaciotemporales finas, incluida la partición de la lluvia en infiltración, evapotranspiración, escorrentía y recarga de agua subterránea. Los modelos hidrológicos son cada vez más capaces de capturar estos procesos, pero no existe una forma sencilla de impulsar dichos modelos con un pronóstico de precipitación terciaria estacional RCOF específico. Aquí demostramos un nuevo método, "Quantile Bin Resampling" (QBR), para producir pronósticos estacionales de agua para una cuenca de drenaje mediante la integración de un pronóstico terciario de precipitación estacional con un modelo hidrológico. QBR se basa en el mapeo de los cuantiles históricos de la precipitación media de la cuenca a las simulaciones históricas del balance hídrico, y evita los desafíos asociados con el uso de la salida del modelo climático para impulsar los modelos de impacto directamente. Evaluamos QBR generando 35 años de reforestaciones estacionales para varios almacenes de balance hídrico y flujos para la cuenca del Alto Ewaso Ng'iro en Kenia. Los Hindcasts indican que cuando los pronósticos terciarios de lluvia de entrada tienen habilidad, QBR proporciona pronósticos precisos de agua a una resolución a escala kilométrica, lo que es relevante para la acción anticipatoria hasta el nivel de la aldea. Se produjeron pronósticos experimentales piloto de agua para esta cuenca utilizando QBR para la temporada de lluvias de marzo-mayo de 2022, y luego se difundieron a las partes interesadas regionales en el Foro de Perspectivas Climáticas del Cuerno de África (GHACOF). Discutimos esta iniciativa, junto con las limitaciones, los planes y el potencial futuro del método. Más allá de la aplicación demostrada a los pronósticos relacionados con el agua, QBR se puede adaptar fácilmente para trabajar con cualquier modelo de impacto impulsado por la lluvia. Puede traducir las probabilidades climáticas terciarias objetivas en pronósticos de balance hídrico relevantes para el impacto a alta resolución espacial de una manera eficiente, transparente y flexible.

Files

journal.pclm.0000138&type=printable.pdf

Files (3.9 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:fb4f7c89581642ba3b95fd2fba32de1f
3.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
ترجمة التوقعات المناخية الموسمية إلى توقعات ميزان المياه لاتخاذ القرارات
Translated title (French)
Traduire les prévisions climatiques saisonnières en prévisions de bilan hydrique pour la prise de décision
Translated title (Spanish)
Traducir los pronósticos climáticos estacionales en pronósticos de balance hídrico para la toma de decisiones

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4327722767
DOI
10.1371/journal.pclm.0000138

Is supplement to
https://openalex.org/W431922122 (Other)
https://openalex.org/W4221031824 (Other)
https://openalex.org/W3209934440 (Other)
https://openalex.org/W2911481706 (Other)
https://openalex.org/W2363591843 (Other)
https://openalex.org/W2166618633 (Other)
https://openalex.org/W2152608230 (Other)
https://openalex.org/W2014961787 (Other)
https://openalex.org/W1979102964 (Other)
https://openalex.org/W176695133 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Kenya

References

  • https://openalex.org/W1997159233
  • https://openalex.org/W2060783806
  • https://openalex.org/W2105455466
  • https://openalex.org/W2175632032
  • https://openalex.org/W2397311736
  • https://openalex.org/W2608303895
  • https://openalex.org/W2626116453
  • https://openalex.org/W2786169490
  • https://openalex.org/W2799327149
  • https://openalex.org/W2895279794
  • https://openalex.org/W2902835587
  • https://openalex.org/W2948874411
  • https://openalex.org/W3008894482
  • https://openalex.org/W3046894305
  • https://openalex.org/W3081452296
  • https://openalex.org/W3093456283
  • https://openalex.org/W3177358782
  • https://openalex.org/W3195085957
  • https://openalex.org/W4213163999
  • https://openalex.org/W4231156878
  • https://openalex.org/W4233835048
  • https://openalex.org/W4281630036
  • https://openalex.org/W4293225372
  • https://openalex.org/W4306248486
  • https://openalex.org/W4317936050
  • https://openalex.org/W644446697