River flow regimes in a changing climate

Abstract

A river flow regime describes an average seasonal behaviour of flow and reflects the climatic and physiographic conditions in a basin. Differences in the regularity (stability) of the seasonal patterns reflect different dimensionality of the flow regimes, which can change subject to changes in climate conditions. The empirical orthogonal functions (EOF) approach can be used to describe the intrinsic dimension of river flow regimes and is also an adopted method for reducing the phase space in connection to climate change studies, especially in studies of nonlinear dynamic systems with preferred states. A large data set of monthly river flow for the Nordic countries has been investigated in the phase space reduced to the first few amplitude functions to trace a possible signature of climate change on the seasonal flow patterns. The probability density functions (PDF) of the weight coefficients and their possible change over time were used as an indicator of climate change. Two preferred states were identified connected to stable snowmelt-fed and rainfed flow regimes. The results indicate changes in the PDF patterns with time towards higher frequencies of rainfed regime types. The dynamics of seasonal patterns studied in terms of PDF renders it an adequate and convenient characterization, helping to avoid bias connected to flow regime classifications as well as uncertainties inferred by a modelling approach.

Résumé

Le régime hydrologique d'un cours d'eau décrit l'évolution saisonnière moyenne de son écoulement et reflète les conditions climatiques et physiographiques de son bassin versant. La variabilité interannuelle de cette évolution de l'écoulement reflète une dimension propre à chaque régime, liée à sa régularité (stabilité), et qui peut aussi évoluer en fonction de changements climatiques. Les fonctions orthogonales empiriques (FOE), qui peuvent être utilisées pour évaluer la dimension intrinsèque des régimes hydrologiques, sont également adaptées pour réduire l'espace des phases en relation avec des études sur le changement climatique, en particulier dans l'étude de systèmes chaotiques non-linéaires présentant des états préférentiels. Un vaste jeu de données de débit mensuel, couvrant les pays nordiques, a ainsi été examiné dans l'espace des phases correspondant aux premières fonctions d'amplitude afin d'y rechercher la trace d'un éventuel changement climatique dans les variations saisonnières d'écoulement. Les fonctions de densité de probabilité (FDP) des coefficients de pondération et leur évolution possible au fil du temps ont été considérées comme un indicateur de changement climatique. Deux états préférentiels ont été identifiés, correspondant l'un à un régime nival stable, l'autre à un régime pluvial. Les résultats montrent une évolution des FDP au cours du temps allant vers une plus grande proportion de régimes pluviaux. La dynamique des schémas saisonniers, étudiée à travers ces FDP, devient une caractérisation adaptée et pratique, utile pour éviter les biais des classifications de régimes ainsi que les incertitudes inhérentes aux modélisations.

Key words:

• river flow regime
• climate change
• attractor

Mots clefs:

• régime hydrologique
• changement climatique
• attracteur