An Overview of the Columbia Basin Climate Change Scenarios Project: Approach, Methods, and Summary of Key Results

Abstract

The Columbia Basin Climate Change Scenarios Project (CBCCSP) was conceived as a comprehensive hydrologic database to support climate change planning, impacts assessment, and adaptation in the Pacific Northwest (PNW) by a diverse user community with varying technical capacity over a wide range of spatial scales. The study has constructed a state-of-the-art, end-to-end data processing sequence from “raw” climate model output to a suite of hydrologic modelling products that are served to the user community from a web-accessible database. A calibrated 1/16 degree latitude-longitude resolution implementation of the VIC hydrologic model over the Columbia River basin was used to produce historical simulations and 77 future hydrologic projections associated with three different statistical downscaling methods and three future time periods (2020s, 2040s, and 2080s). Key products from the study include summary data for about 300 river locations in the PNW and monthly Geographic Information System products for 21 hydrologic variables over the entire study domain. Results from the study show profound changes in spring snowpack and fundamental shifts from snow and mixed-rain-and-snow to rain-dominant behaviour across most of the domain. Associated shifts in streamflow timing from spring and summer to winter are also evident in basins with significant snow accumulation in winter (for the current climate). Potential evapotranspiration increases over most of the PNW in summer because of rising temperatures; however, actual evapotranspiration is reduced in all but a few areas of the domain because evapotranspiration is mostly water limited in summer, and summer precipitation decreases in the simulations. Simulated widespread increases in soil moisture recharge in fall and winter in areas with significant snow accumulation in winter (for the current climate) support hypotheses of increased landslide risk and sediment transport in winter in the future. Simulations of floods and extreme low flows increase in intensity for most of the river sites included in the study. The largest increases in flooding are in mixed-rain-and-snow basins whose current mid-winter temperatures are within a few degrees of freezing. The CBCCSP database has been a valuable public resource that has dramatically reduced costs in a number of high-visibility studies in the PNW and western United States focused on technical coordination and planning.

RÉSUMÉ [Traduit par la rédaction] Le projet de scénarios de changement climatique du bassin du Columbia (CBCCSP) a été conçu comme une base de données hydrologiques complète pour appuyer les activités de planification, d’évaluation des répercussions et d'adaptation dans la région pacifique nord–ouest menées par une communauté d'utilisateurs diversifiée disposant de capacités techniques variées dans une large gamme d’échelles spatiales. L’étude a produit une séquence de traitements de données de bout en bout, à la fine pointe, partant d'une sortie « brute » de modèle climatique pour aboutir à une série de produits de modélisation hydrologique, qui sont offerts à la communauté d'utilisateurs via une base de données Web. Nous avons implémenté une résolution latitude–longitude calibrée à 1/16 de degré dans le modèle à capacité d'infiltration variable (VIC) et avons appliqué dans le modèle bassin du fleuve Columbia pour produire des simulations historiques et 77 projections hydrologiques futures correspondant à trois méthodes de réduction d’échelle statistique et trois périodes futures (les décennies 2020, 2040 et 2080). Les principaux produits de l’étude comprennent des données sommaires pour environ 300 sites fluviaux dans la région pacifique nord–ouest et des produits mensuels de Système d'information géographique pour 21 variables hydrologiques couvrant tout le domaine à l’étude. Les résultats de l’étude montrent de profonds changements dans l'accumulation de neige au printemps et des déplacements radicaux de « neige ou pluie et neige mêlées » vers « principalement pluie » dans presque tout le domaine. Des déplacements correspondants des caractéristiques d’écoulement fluvial du printemps et de l’été vers l'hiver sont également évidents dans les bassins où l'accumulation de neige est importante en hiver (sous le climat actuel). L’évapotranspiration potentielle augmente dans la majeure partie de la région du Pacifique et du Nord–Ouest en été à cause des températures plus élevées; cependant, l’évaporation réelle est réduite dans presque tous les secteurs du domaine parce que l’évapotranspiration est principalement limitée par l'eau en été et les précipitations estivales diminuent dans les simulations. Des accroissements généralisés simulés de la réhumidification du sol en automne et en hiver dans les secteurs où l'accumulation de neige en hiver est importante (sous le climat actuel) appuient les hypothèses de risque accru de glissement de terrain et de transport de sédiments durant l'hiver dans le futur. Les simulations d’écoulements de crue et d’étiage augmentent en intensité pour la plupart des sites fluviaux compris dans cette étude. Les plus fortes augmentations dans les crues sont dans les bassins de pluie et neige mêlées dont les températures actuelles au milieu de l'hiver sont à quelques degrés du point de congélation. La base de données du CBCCSP s'est avérée une ressource publique précieuse qui a permis de réduire énormément les coûts liés à un certain nombre d’études de haute visibilité dans la région pacifique nord–ouest et dans l'ouest des États–Unis axées sur la coordination technique et la planification.

Keywords:

• Columbia River basin
• climate change scenarios
• downscaling
• hydrologic modelling
• water resources impacts
• hydrologic extremes
• decision support

Acknowledgements

Primary support for the project was provided by WDOE, with additional major support provided by the BPA, NWPCC, BCME, OWRD, and CTED via the 2009 WACCIA (http://cses.washington.edu/cig/res/ia/waccia.shtml) (Miles et al., 2010).

Special thanks to Kurt Unger and Ken Slattery, who were the primary architects of the CBCCSP at WDOE. Thanks also to Nancy Stephan (BPA), John Fazio and Jim Ruff (NWPCC), Allan Chapman and Ben Kagasniemi (BCME), and Barry Norris (OWRD) for their contributions to the initial study design. Dave Rodenhuis, Markus Schnorbus, Arelia Werner, and Katrina Bennett at PCIC at the University of Victoria, British Columbia, also provided in-kind support and funding for collaborative research which contributed materially to this project. A number of regional partners provided recommendations for streamflow locations and other in-kind support including Jesse Abner (MDNR), Steve Running (University of Montana), Hal Anderson (IDWR) Levi Brekke, Pat McGrane and John Roache (USBR), Carolyn Fitzgerald (Seattle District USACE), Seshu Vaddey and Randy Wortman (Portland District USACE). Thanks to Shrad Shukla, at the UW for 1/16 degree VIC model calibration over the Yakima basin.

The authors would like to acknowledge the contributions of other members of the CBCCSP research team at the UW including Lara Whitely Binder, Pablo Carrasco, Jeffrey Deems, Carrie Lee, Dennis P. Lettenmaier, Tyler Kamstra, Jeremy Littell, Nathan Mantua, Edward Miles, Kristian Mickelson, Philip W. Mote, Erin Rogers, Eric Salathé, Amy Snover, and Andrew Wood.

Thanks to Sean Fleming (Environment Canada) for spearheading this contribution to Atmosphere-Ocean. The authors would like to acknowledge the contributions of two anonymous reviewers and the lead and associate editors for Atmosphere-Ocean, whose constructive suggestions substantially improved the paper during the review process.

Special thanks also to Dennis P. Lettenmaier, head of the Land Surface Hydrology Group at the UW, for providing access to computer resources and system administration support for the CBCCSP.