The Role of Large-Scale Climate Modes in Regional Streamflow Variability and Implications for Water Supply Forecasting: A Case Study of the Canadian Columbia River Basin

Abstract

The impacts of large-scale modes of climate variability on the annual cycle of terrestrial hydrometeorology in the Canadian Columbia River basin were assessed with the aim of updating our current understanding and identifying opportunities for climate-informed, early-season water supply forecasting. Composite analyses of streamflow from seven Water Survey of Canada gauging stations conditional on El Niño–Southern Oscillation (ENSO), Pacific Decadal Oscillation (PDO), Pacific/North American pattern (PNA), Arctic Oscillation (AO), and North Pacific Gyre Oscillation (NPGO) states revealed that hydrological impacts of a climate mode could be manifested through changes in the annual runoff volume and/or changes in seasonal runoff patterns. Responses were generally non-linear. Considering ENSO and the PDO, for instance, streamflow anomalies associated with their warm phases contrast with those associated with their cool phases; however, the warm phases tend to produce more consistent streamflow responses than the cool phases. More profoundly, the PNA and AO streamflow responses appear to be highly asymmetrical—only one phase (positive PNA and negative AO) is shown to significantly affect streamflow. Some North Pacific climate indices and ENSO show reasonably consistent and strong correlations with streamflow, which suggests that further refinement of climate-informed early season water supply forecasting is possible. It is shown that further improvement of forecast skills can be attained if North Pacific climate information is included in addition to ENSO in the current generation of operational statistical water supply forecast models.

RÉSUMÉ [Traduit par la rédaction] Nous avons estimé les répercussions des modes de variabilité climatique à grande échelle sur le cycle annuel de l'hydrométéorologie terrestre dans le bassin canadien du fleuve Columbia dans le but d'en actualiser notre compréhension et d'identifier des possibilités de prévisions d'apport d'eau fondées sur le climat faites en début de saison. Des analyses composites de l’écoulement fluvial faites à partir de sept stations hydrométriques de la Division des relevés hydrologiques du Canada en relation avec les états de l'oscillation australe El Niño (ENSO), de l'oscillation décennale du Pacifique (PDO), de la configuration Pacifique/Amérique du Nord (PNA), de l'oscillation arctique (AO) et de l'oscillation du gyre du Pacifique Nord (NPGO) ont révélé que les répercussions hydrologiques d'un mode climatique pouvaient se manifester comme des changements dans le volume d’écoulement annuel ou des changements dans les configurations d’écoulement saisonnier. Les réponses étaient en général non linéaires. Dans le cas de l'ENSO et de la PDO par exemple, les anomalies d’écoulement fluvial liées à leurs phases chaudes contrastent avec celles liées à leurs phases froides; les phases chaudes ont toutefois tendance à produire des réponses d’écoulement fluvial plus cohérentes que les phases froides. Plus en profondeur, les réponses de l’écoulement fluvial à la PNA et à l'AO apparaissent très asymétriques –une seule phase (la PNA positive et l'AO négative) semble modifier l’écoulement fluvial de façon appréciable. Certains indices climatiques du Pacifique Nord et l'ENSO affichent des corrélations raisonnablement régulières et fortes avec l’écoulement fluvial, ce qui donne à penser qu'il est possible d'améliorer les prévisions d'apport d'eau fondée sur le climat en début de saison. Nous montrons qu'il est possible d'améliorer l'habileté des prévisions si l'information climatique du Pacifique Nord est incluse en plus de l'ENSO dans la génération actuelle des modèles opérationnels statistiques de prévision d'apport d'eau.

Keywords:

• large-scale climate modes
• British Columbia
• hydroclimatic variability
• water supply forecasting
• Columbia River basin
• streamflow

Acknowledgements

The authors thank David Garen for supplying the principal components regression program and Scott Weston for providing geographical information system support. Stephen Déry and three anonymous reviewers provided constructive comments.