Modulation of linear and nonlinear hydroclimatic dynamics by mountain glaciers in Canada and Norway: Results from information-theoretic polynomial selection

Abstract

Historical streamflow and climate datasets were analyzed for low- and high-frequency hydroclimatic variability. Four glacial/non-glacial catchment pairs were considered, two from the southern Canadian Rocky Mountains and two from arctic coastal Norway. Analyses were performed using daily data, providing high seasonal resolution and facilitating the identification of possible nonlinear hydroclimatic processes. Spearman rank correlation, and an information theory-based polynomial selection method, were employed in parallel. The latter permits straightforward identification of highly nonlinear relationships, simultaneous consideration of multiple models and estimation of the probability of a given relationship, as distinct from conventional p-values. Highly nonlinear (parabolic) atmospheric teleconnections to the Arctic Oscillation and El Niño-Southern Oscillation were confirmed in Norway and Canada, respectively, and their corresponding hydrologic effects were detected; conversely, little evidence for deviation from linearity was found for long-term monotonic trends. Presence or absence of watershed glacial cover was found to fundamentally alter streamflow responses to climate variability and change. In particular, for ecologically highly relevant late-summer low flows, glaciers induced: (1) stronger negative long-term trends than observed for non-glacial basins, presumably reflecting net mass balance declines seen in nearby glaciers, and (2) parabolic teleconnections, largely absent in non-glacial basins, reflecting parabolic air temperature teleconnections and the presence or absence of glacial ice available for melting.

Des ensembles de données historiques sur les débits et sur le climat ont été analysés pour en dégager la variabilité hydroclimatique à basse et à haute fréquence. Quatre paires de bassins versants glaciaires/non glaciaires ont été étudiées, deux situées dans le sud des Rocheuses canadiennes et deux dans les régions arctiques des côtes de la Norvège. Des analyses ont été menées à l’aide de données quotidiennes. Elles ont fourni une résolution saisonnière élevée et ont facilité l’identification de processus hydroclimatiques non linéaires possibles. Le coefficient de corrélation de rang de Spearman et une méthode de sélection polynomiale fondée sur la théorie de l’information ont été employés en parallèle. Cette dernière permet la détermination directe de relations hautement non linéaires, la prise en considération simultanée de modèles multiples et l’estimation de la probabilité d’une relation donnée, le tout étant distinct des valeurs de p traditionnelles. Les téléconnexions atmosphériques (paraboliques) hautement non linéaires associées à l’oscillation arctique et à El Niño-oscillation australe ont été confirmées en Norvège et au Canada, respectivement, et leurs effets hydrologiques correspondants ont été détectés; inversement, peu de preuves de l’écart par rapport à la linéarité ont été recueillies pour les tendances monotones à long terme. Il a été constaté que la présence ou l’absence de couverture de dépôts glaciaires dans le bassin a fondamentalement altéré les réactions des cours d’eau à la variabilité et au changement climatiques. En particulier, pour les débits faibles de fin d’été hautement pertinents d’un point de vue écologique, les glaciers ont provoqué : (1) des tendances négatives à long terme plus fortes que celles observées pour les bassins non glaciaires, ce qui reflète probablement les diminutions nettes du bilan de masse observées dans les glaciers à proximité et (2) des téléconnexions paraboliques, largement absentes dans les bassins non glaciaires, ce qui reflète les téléconnexions paraboliques associées aux températures de l’air et la présence ou l’absence de glace glaciaire disponible pour la fonte.

View correction statement:

Erratum

Acknowledgements

The authors thank Alex Cannon (Pacific Climate Impacts Consortium) for bringing Anderson et al. (2000) and Wu et al. (2005) to their attention, Lucy Vincent and Éva Mekis (Environment Canada) for providing daily AHCCD time series, Tommy Diep and Judy Kwan (Environment Canada) for geographic information system (GIS) support and Trine Fjeldstad (Norwegian Water Resources and Energy Directorate) for providing Norwegian streamflow data. Dan Moore (University of British Columbia) and Gia Destouni (Stockholm University) provided useful suggestions on an earlier version of this manuscript, as did two anonymous reviewers, an anonymous CWRJ associate editor and the CWRJ co-editor, Paul Whitfield.