Simulating the Impacts of Projected Climate Change on Streamflow Hydrology for the Chesapeake Bay Watershed

Abstract

A gridded model was developed to simulate the hydrology of the Chesapeake Bay Watershed, the largest estuary in the United States. CMIP3 and CMIP5 climate projections were used to drive the model to assess changes in streamflow and watershed-wide hydrology. Index of agreement values indicated good model performance. Annual average temperature is projected to increase 1.9°C to 5.4°C by 2080 to 2099, with the greatest warming occurring in summer and fall in the northern part of the watershed. Annual total precipitation is projected to increase between 5.2 percent and 15.2 percent by 2080 to 2099, with the largest increases generally occurring in winter. Average evapotranspiration and rainfall are projected to increase while snowfall, snow water storage, and snowmelt decrease. Subsurface moisture is projected to decrease during the warmer months and the time to recharge increases and, in some cases, never actually occurs. Changes in annual runoff for all 346 climate projections averaged 0 percent (2020–2039), –1.5 percent (2050–2069), and –5.1 percent (2080–2099). There is a 48 percent, 52 percent, and 60 percent chance, respectively, for the future time periods that annual runoff will be less than baseline values (1950–1999). Extreme runoff projections are overwhelmingly associated with the negative end of the distribution. Runoff increases are confined to January through March and to higher elevations. This study is novel in its use of a large number of climate models, the gridded nature of the hydrologic model, and the simulation of several hydrologic variables, all of which allowed for the assessment of both uncertainty in the projections and variation across multiple spatial and temporal scales.

本文建立一个网格模型，用以模拟切萨皮克湾流域此一美国最大海口的水文。CMIP3与CMIP5的气候推测，用来驱动测量流量与全流域水文改变的模型。协定值的指标，显示出良好的模型表现。年平均气温，推测在2080年至2099年之间，会上升摄氏1.9度到5.4度，其中最大的徵兆，发生在夏秋两季的流域北边。年度总降水，预测会在2080年至2099年间，增加百分之五点二至百分之十五点二，其中最大的增加，一般而言发生在冬季。平均蒸散与降雨，预测将会增加，而降雪量、雪水储存以及融雪将会减少。地下水份，预测在较为温暖的月份中会下降，而再补充的时间会增加，且在部分的案例中从未真正发生。共三百四十六个气候推测中的年度径流平均改变，从零个百分比（2020–2039)、负一点五个百分比（2050–2069），到负五点一个百分比（2080–2099）。未来的时间内，分别会有百分之四十八、百分之五十二，以及百分之六十的机会，年度径流会比基准价值（1950–1999）来得少。极端的径流推测，压倒性地与分布的负面结果相关。径流的增加，仅限定于一月至三月，以及在更高的海拔。本研究在使用大量气候模型、水文模型的网格本质，以及对部分水文变项的模拟上非常新颖，而这些使用，同时让推测的不确定性与多重时空尺度间的变异得以纳入考量。

La hidrología de la Cuenca de la Bahía de Chesapeake, el más grande estuario de los Estados Unidos, fue simulada mediante un modelo de cuadrícula desarrollado para este efecto. Para aplicar el modelo en la evaluación de los cambios en el flujo del caudal y de la hidrología a escala de cuenca se utilizaron las proyecciones climáticas CMIP3 y CMIP5. El índice de concordancia de valores indicó un buen desempeño del modelo. Está proyectado un incremento del promedio anual de la temperatura de 1.9°C a 5.4°C entre 2080 y 2099, con máximos valores de calentamiento en verano y otoño en la parte norte de la cuenca. La precipitación total anual se proyectó con un incremento del 5.2 por ciento al 15.2 por ciento entre 2080 y 2099, con los incrementos mayores generalmente esperados en invierno. Se pronostica incremento en los promedios de evapotranspiración y pluviosidad, en tanto disminuyen la nevada, la acumulación de agua como nieve y la escorrentía de deshielo. Se proyecta una reducción de la humedad subterránea durante los meses más cálidos, en tanto que se incrementa el tiempo de recarga y en algunos casos ésta realmente nunca se presenta. Los cambios de escorrentía anual para todas las 346 proyecciones climáticas promediaron el 0 por ciento (2020–2039), –1.5 por ciento (2050–2069), y –5.1 por ciento (2080–2099). Hay un chance del 48 por ciento, 52 por ciento y 60 por ciento, respectivamente, para los futuros períodos de tiempo de que la escorrentía anual será menor que los valores de la línea de base (1950–1999). Las proyecciones de escorrentía extrema están grandemente asociadas con el final negativo de la distribución. Los incrementos de la escorrentía están confinados entre enero y marzo y en las elevaciones mayores. El presente estudio es novedoso en cuanto al uso de gran número de modelos climáticos, la naturaleza cuadricular del modelo hidrológico y la simulación de un número de variables hidrológicas, todas las cuales permitieron la evaluación tanto de la incertidumbre de las proyecciones como de la variación a través de múltiples escalas espaciales y temporales.

Key Words:

• Chesapeake Bay
• climate change
• hydrology
• streamflow

关键词：:

• 切萨皮克湾，气候变迁，水文学，流量。

Palabras clave:

• Bahía de Chesapeake
• cambio climático
• hidrología
• flujo de la corriente