The Modeling of Hydrological Cycle and its Interaction with Vegetation in the Framework of Climate Change

Fatichi, Simone

There is a growing interest to extend climate change predictions to smaller, catchment-size scales and identify their implications on hydrological and ecological processes. This thesis presents a blueprint methodology for studying climate change impacts on eco-hydrological dynamics at the plot and catchment scales. A weather generator, AWE-GEN, is developed to produce input meteorological variables to eco-hydrological models. The weather generator is also used for the simulation of future climate scenarios, as inferred from climate models. Using a Bayesian technique, a stochastic downscaling procedure derives the distributions of factors of change for several climate statistics from a multi-model ensemble of outputs of General Circulation Models. The factors of change are subsequently applied to the statistics derived from observations to re-evaluate the parameters of the weather generator. The time series obtained for present and future climates serve as input to a newly developed eco-hydrological model Tethys-Chloris. The methodology is applied to simulate the present (1961-2000) and future (2081-2100) hydrological regimes for the area of Tucson (AZ, U.S.A.). A general reduction of precipitation and a significant increase of air temperature are inferred with the downscaling procedure. The eco-hydrological model is successively used to detect changes in the surface water partition and vegetation dynamics for a desert shrub ecosystem, typical of the semi-arid climate of southern Arizona. An appreciable effect of climate change can be observed in metrics of vegetation performance. The negative impact on vegetation due to amplification of water stress in a warmer and dryer climate is partially offset by the effect of the augment of carbon dioxide concentration. Additionally, an increase of runoff and a depletion of soil moisture with consequence in deep recharge are detected. Such an outcome might affect water availability and risk management in semi-arid systems.

Es besteht derzeit ein wachsendes wissenschaftliches Interesse daran, Vorhersagen zum Klimawandel auch auf eine kleinere Skala zu übertragen. Diese Arbeit präsentiert eine Vorgehensweise um Einflüsse des Klimawandels auf ökologisch-hydrologische Dynamiken auf der Einzugsgebietskala nachzuvollziehen. Dazu wurde ein Wettergenerator, AWEGEN, entwickelt, der meteorologische Variablen ausgibt. Der Wettergenerator wird darüber hinaus für die Simulation zukünftiger Klimaszenarien genutzt, die aus den Klimamodellen hervorgehen. Mittels einer Bayes-Technik werden stochastische Downscaling-Prozeduren zur Verteilung der Wechselfaktoren für verschiedene Klimastatistiken aus einem Multimodell-Ensemble ermittelt, die auf Daten des Globalen Klimamodells beruhen. Die Wechselfaktoren werden danach auf die aus Beobachtungen erhaltenen Statistiken angewendet, um die Parameter des Wettergenerators zu überprüfen. Die Zeitreihen dienen als Ausgangsdaten für das neu entwickelte öko-hydrologische Modell Tethys-Chloris. Diese Methode wird angewendet, um die momentanen (1961-2000) sowie zukünftigen (2081-2100) hydrologischen Regime im Gebiet von Tucson (Arizona, U.S.A.) zu simulieren. Dabei ließen sich eine generelle Reduzierung des Niederschlags und eine Zunahme der Lufttemperatur feststellen. Das öko-hydrologische Modell wurde im Anschluss genutzt, um Änderungen in der Verteilung der Oberflächengewässer und der Vegetationsdynamik für ein Wüsten-Buschland Ökosystems nachzuweisen, wie es für das semi-aride Klima typisch ist. Ein nennenswerter Effekt des Klimawandels kann in den Metriken der Vegetationsleistung beobachtet werden. Der negative Einfluss auf die Vegetation aufgrund von Wassermangel in einem wärmeren und trockeneren Klima wird teilweise ausgeglichen durch den Effekt einer verbesserten Kohlendioxidversorgung. Zusätzlich wird eine Erhöhung des (Oberflächen-)Abflusses beobachtet. Diese Ergebnisse beeinflussen die Wasserverfügbarkeit und das Risikomanagement im semi-ariden System.

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Fatichi, Simone: The Modeling of Hydrological Cycle and its Interaction with Vegetation in the Framework of Climate Change. 2010.

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