Extreme hydrological events, palaeo-information and climate change

Abstract

Extreme flood events have been and continue to be one of the most important natural hazards responsible for deaths and economic losses. Extreme floods result in direct destructive effects during the time of the event, and they also may be followed by a related chain of indirect calamities such as famines and epidemics that produce additional damages and suffering. Extreme hydrological events that have occurred in the historical past may also occur in the future. Knowledge about magnitudes and recurrence frequencies of past extreme hydrological events in most regions are too short to adequately evaluate potential magnitudes and recurrence frequencies of extreme hydrological events. Stationary climate in which the mean and variance do not change over time is a basic underlying assumption of standard methodological procedures for estimating recurrence probabilities of extreme hydrological events. Palaeo-archives contained in river and lake sediments, fossil plant and animal matter, ice layers, and other natural archives show that the assumption of stationary climate is not valid when the time scale is extended beyond centuries and millennia. Records of past extreme floods that occurred long before the period of instrumentation can be reconstructed from the distribution of slackwater flood deposits or from derivation of water depths competent to transport the largest rocks found in flood deposited sediment. Palaeoflood records reconstructed from the Upper Mississippi and Lower Colorado River systems in the United States confirm nonstationary behaviour of the mean and variance in hydrological time series. These stratigraphic records have shown that even very modest climatic changes have resulted in very important changes in the magnitudes and recurrence frequencies of extreme floods. A close relationship was found between the palaeo-flood record of extreme floods in the Upper Mississippi River system and a palaeo-record of stable isotopes of oxygen and carbon preserved in speleothem calcite from a local cave. The relationship suggests that isotopic records elsewhere might be calibrated to provide insight about how future potential climate changes might impact extreme flood magnitudes and recurrence frequencies there. Atmospheric global circulation models (GCMs) mainly simulate average climatic conditions and are presently inadequate sources of information about how future climate changes might be represented at the extreme event scale. Palaeo-flood archives, however, provide basic information about how magnitudes and recurrence frequencies of extreme hydrological events responded to past climate changes and they also provide a reference base against which GCM simulations can be calibrated regionally and be better interpreted to decipher hydrological information at the extreme event scale.

Résumé

Les débits extrêmes ont été et restent encore l'un des plus importants risques naturels responsable de la perte de vies humaines et de biens matériels. Les écoulements extrêmes causent des destructions immédiates et des pertes indirectes, comme des famines et des épidémies. Dans plusieurs régions, l'évaluation du risque potentiel n'est pas possible, parce que les séries chronologiques de débits enregistrées sont trop courtes. La paléoinformation enregistrée dans les sédiments des rivières et des lacs, les plantes et animaux fossilisés, les glaces et autres archives naturelles prouve que l'hypothèse de stationnante du climat n'est pas recevable à l'échelle des centaines ou de milliers d'années. On peut reconstituer les anciens débits extrêmes grâce à leur signature dans les sédiments déposés par les écoulements, en particulier en estimant les débits susceptibles de transporter les plus grosses pierres retrouvées dans les sédiments. La reconstitution de l'information sur les crues anciennes de fleuves tels que le Mississippi supérieur et le bas Colorado, confirme la nature instationaire des séries chronologiques hydrologiques. On a pu observer, en étudiant les enregistrements stratigraphiques, que même de petites variations climatiques avaient entraîné des modifications très importantes de l'intensité et de la fréquence des débits extrêmes. On a trouvé une relation significative entre les anciens écoulements du Mississipi supérieur et la composition isotopique de dépôts de calcite dans des grottes de la région. Il est donc possible d'interpréter des signaux isotopiques anciens afin de prévoir de quelle façon les futures modifications climatiques pourront influencer les intensités et les fréquences des débits de crue. Les modèles de circulation atmosphérique décrivent des conditions climatiques moyennes et ne sont donc pas des sources d'information suffisantes sur les relations entre les futures modifications climatiques et les débits extrêmes. Les archives de débits anciens contiennent l'information de base concernant l'impact des modifications climatiques sur les intensités et les fréquences des écoulements extrêmes. Ils constituent ainsi une base de référence pour le calage régional des modèles de circulation générale et leur interprétation en termes d'information sur les événements hydrologiques extrêmes.