Advanced

Climate change impact on water balance and export of dissolved organic carbon : a sub-catchment modelling approach

Sandgren, Stina LU (2017) In Student thesis series INES NGEM01 20171
Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
Abstract
Climate change will alter the hydrological cycle in the 21st century with implications for the water balance and water quality. As characteristics of the landscape may vary significantly between nearby locations, hydrological models need to be able to delineate responses attributed to specific landscape characteristics, to estimate their responses to altered climatic drivers. Small streams are the main carriers of Dissolved Organic Carbon (DOC) originating from the terrestrial landscape, however the mechanisms controlling production and mobilisation are not yet fully scientifically understood.

The Skogaryd research catchment in Sweden was established in 2013 and includes characteristically different sub-catchments where discharge and... (More)
Climate change will alter the hydrological cycle in the 21st century with implications for the water balance and water quality. As characteristics of the landscape may vary significantly between nearby locations, hydrological models need to be able to delineate responses attributed to specific landscape characteristics, to estimate their responses to altered climatic drivers. Small streams are the main carriers of Dissolved Organic Carbon (DOC) originating from the terrestrial landscape, however the mechanisms controlling production and mobilisation are not yet fully scientifically understood.

The Skogaryd research catchment in Sweden was established in 2013 and includes characteristically different sub-catchments where discharge and other abiotic measurements take place at sub-catchment level and at the main catchment outlet. Covering the dynamics of the constituent sub-catchments would facilitate environmental assessments of the large catchments as the respective contribution of runoff and solutes are known.

This study’s aims were to 1) model and compare the water balance of two characteristically different sub-catchments; a forest on mineral soil-, and a mire in the Skogaryd research catchment, by means of the hydrological model HYPE, 2) investigate the impact of climate change on the water balance, especially discharge, and 3) quantify DOC export by studying the control on the temporal DOC aquatic-terrestrial connectivity in the two sub-catchments.

The model HYPE (HYdrological Predictions for the Environment) was set-up and calibrated for both catchments. Downscaled regional bias corrected climate data following the climate scenarios RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5 was then applied to the HYPE model. DOC was sampled and then modelled using catchment specific linear regression derived from an Automatic Linear Modelling regression analysis.

The model adequately captured seasonal dynamics in the hydrological regime in spring, winter and autumn but not in summer. The HYPE model simulated a decrease in discharge in the long-term future, which is inconsistent with other model studies. The running mean temperature 60 days prior to sampling could explain 57% and 65% of DOC concentrations for the mire and forest sub-catchment, respectively.

Likely, discharge will alter in the long-term future, there will be a shift towards autumn and winter discharge, whereas snowmelt driven discharge will diminish. Both catchments proved a very strong temperature control to DOC concentrations; however, the model likely captured the production of DOC rather than the mobilisation. Due to the complex interactions, governing DOC production and mobilisation, it was not possible to estimate the effect of climate change on DOC export. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Att förutsäga framtiden – modellering som ett verktyg för att förutsäga vattenkvantitet och vattenkvalitet

Inom 100 år så kommer klimatet förändrats avsevärt om utsläpp av växthusgaser fortsätter i samma takt som idag. Detta kommer påverka temperatur, nederbörd vilka i sin tur påverkar flödet av vatten i Sverige. Ett avrinningsområde består av olika jordtyper, vegetation och topografi, vilka alla kan variera mycket inom ett litet område. För att kunna göra estimeringar av vattenkvalitet och vattenkvantitet i framtiden när klimatet sannolikt kommer att vara förändrat jämfört med idag, så måste hänsyn tas till denna rumsliga variation. Dagens hydrologiska modeller har svårt att fånga dessa små men viktiga skillnader i till exempel... (More)
Att förutsäga framtiden – modellering som ett verktyg för att förutsäga vattenkvantitet och vattenkvalitet

Inom 100 år så kommer klimatet förändrats avsevärt om utsläpp av växthusgaser fortsätter i samma takt som idag. Detta kommer påverka temperatur, nederbörd vilka i sin tur påverkar flödet av vatten i Sverige. Ett avrinningsområde består av olika jordtyper, vegetation och topografi, vilka alla kan variera mycket inom ett litet område. För att kunna göra estimeringar av vattenkvalitet och vattenkvantitet i framtiden när klimatet sannolikt kommer att vara förändrat jämfört med idag, så måste hänsyn tas till denna rumsliga variation. Dagens hydrologiska modeller har svårt att fånga dessa små men viktiga skillnader i till exempel jordmån i ett avrinningsområde. Ur klimatperspektiv är det nämligen viktigt att täcka in små skillnader för att kunna göra så riktiga förutsägningar inför framtiden som möjligt.

Klimatförändringar kommer att förändra den hydrologiska cykeln under 2000-talet med konsekvenser både för vattenbalansen och vattenkvaliteten. Mindre bäckar och vattendrag är stora källor till löst organiskt kol (DOC), som i sin tur härrör från marken. De mekanismer som styr produktion och utlakning av DOC är inte helt förstådda rent vetenskapligt. Vattenbalansen och DOC är tätt sammankopplade. Miljöbedömningar skulle underlättas om orsak och verkan till avrinning och utlakning av DOC förstods för olika typer av naturområden.

Syftet med studien var att 1) ​​modellera och jämföra vattenbalansen mellan två karakteristiskt olika delområden; en skog på mineraljord, och en myr, med hjälp av den hydrologiska modellen HYPE, 2) undersöka klimatförändringarnas inverkan på vattenbalansen, särskilt vattenföring, och 3) kvantifiera DOC-export genom att studera utlakningen på DOC kopplat till vattenföringen.

För framtidens klimat användes redan framtagna klimatscenarier som motsvarade tre olika utsläppsscenarier, eftersom vi idag inte vet hur stora utsläpp av växthusgaser vi kommer ha framöver. DOC mättes och därefter skapades en matematisk modell som var specifik för de båda avrinningsområdena.

HYPE-modellen gav tillfredsställande resultat gällande säsongsdynamik i vattenföring på vår, vinter och höst men inte på sommaren. HYPE-modellen simulerade en minskning av vattenföring på lång sikt, vilket strider mot andra modellstudier. DOC-modellen kunde förklara 57% och 65% av DOC-koncentrationerna för respektive avrinningsområde, vilket är väldigt bra. Sannolikt kommer vattenföringen att förändras på lång sikt, och det kommer att ske ett skifte mot högre flöden under höst och vinter jämfört med idag, då störst flöden uppnås vid snösmältningen under tidig vår. Båda avrinningsområdena visade en mycket stark temperaturkontroll till DOC-koncentrationer i vattendragen. Dock så fångade modellen sannolikt produktionen av DOC snarare än utlakningen från jorden. På grund av de komplexa interaktionerna mellan produktion och utlakning av DOC var det inte möjligt att uppskatta effekterna av klimatförändringar på DOC-export för de här två olika områdena.


Nyckelord: naturgeografi, hydrologiskmodellering, vattenföring, DOC, klimatförändringar

Rådgivare: Stina Sandgren
Masterprojekt 30 poäng i naturgeografi och ekosystemanalys, 2017
Institutionen för naturgeografi och ekosystemanalys, Lunds universitet, studentuppsatsserie INES nr 440 (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Sandgren, Stina LU
supervisor
organization
course
NGEM01 20171
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
HYPE, hydrological modelling, DOC, climate change, water balance, specific discharge, hydrology, climate scenarios, carbon cycle, mire catchment, forest catchment
publication/series
Student thesis series INES
report number
440
language
English
additional info
External supervisor: Annemarie Gärdenäs, Department of Biological and Environment Sciences, University of Gothenburg
id
8934705
date added to LUP
2018-02-02 16:53:56
date last changed
2018-02-02 16:53:56
@misc{8934705,
  abstract     = {Climate change will alter the hydrological cycle in the 21st century with implications for the water balance and water quality. As characteristics of the landscape may vary significantly between nearby locations, hydrological models need to be able to delineate responses attributed to specific landscape characteristics, to estimate their responses to altered climatic drivers. Small streams are the main carriers of Dissolved Organic Carbon (DOC) originating from the terrestrial landscape, however the mechanisms controlling production and mobilisation are not yet fully scientifically understood. 

The Skogaryd research catchment in Sweden was established in 2013 and includes characteristically different sub-catchments where discharge and other abiotic measurements take place at sub-catchment level and at the main catchment outlet. Covering the dynamics of the constituent sub-catchments would facilitate environmental assessments of the large catchments as the respective contribution of runoff and solutes are known. 

This study’s aims were to 1) model and compare the water balance of two characteristically different sub-catchments; a forest on mineral soil-, and a mire in the Skogaryd research catchment, by means of the hydrological model HYPE, 2) investigate the impact of climate change on the water balance, especially discharge, and 3) quantify DOC export by studying the control on the temporal DOC aquatic-terrestrial connectivity in the two sub-catchments. 

The model HYPE (HYdrological Predictions for the Environment) was set-up and calibrated for both catchments. Downscaled regional bias corrected climate data following the climate scenarios RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5 was then applied to the HYPE model. DOC was sampled and then modelled using catchment specific linear regression derived from an Automatic Linear Modelling regression analysis. 

The model adequately captured seasonal dynamics in the hydrological regime in spring, winter and autumn but not in summer. The HYPE model simulated a decrease in discharge in the long-term future, which is inconsistent with other model studies. The running mean temperature 60 days prior to sampling could explain 57% and 65% of DOC concentrations for the mire and forest sub-catchment, respectively. 

Likely, discharge will alter in the long-term future, there will be a shift towards autumn and winter discharge, whereas snowmelt driven discharge will diminish. Both catchments proved a very strong temperature control to DOC concentrations; however, the model likely captured the production of DOC rather than the mobilisation. Due to the complex interactions, governing DOC production and mobilisation, it was not possible to estimate the effect of climate change on DOC export.},
  author       = {Sandgren, Stina},
  keyword      = {HYPE,hydrological modelling,DOC,climate change,water balance,specific discharge,hydrology,climate scenarios,carbon cycle,mire catchment,forest catchment},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  series       = {Student thesis series INES},
  title        = {Climate change impact on water balance and export of dissolved organic carbon : a sub-catchment modelling approach},
  year         = {2017},
}