Climate change impacts on snow and streamflow drought regimes in four ecoregions of British Columbia

Abstract

In many regions with seasonal snow cover, summer streamflow is primarily sustained by groundwater that is recharged during the snowmelt period. Therefore, below-normal snowpack (snow drought) may lead to below-normal summer streamflow (streamflow drought). Summer streamflow is important for supplying human needs and sustaining ecosystems. Climate change impacts on snow have been widely studied, but the relationship between snow drought and streamflow drought is not well understood. In this study, a combined investigation of climate change impacts on snow drought and streamflow drought was completed using generic groundwater – surface water models for four headwater catchments in different ecoregions of British Columbia. Results show that, in response to increased precipitation and temperature, the snow drought regime changes substantially for all four catchments. Warm snow droughts, which are caused by above-normal winter temperatures, increase in frequency, and dry snow droughts, which are caused by below-normal winter precipitation, decrease in frequency. The shift toward more frequent and severe temperature-related snow droughts leads to decreased summer streamflow, decreased summer groundwater storage, and longer, more severe summer low flow periods. Moreover, snow droughts propagate into summer streamflow droughts more frequently in the future time periods (2050s, 2080s) as compared to the baseline 1980s period. Thus, warm snow droughts not only become more frequent and severe in the future but also more likely to result in summer streamflow drought conditions.

RÉSUMÉ

Dans de nombreuses régions à couverture neigeuse saisonnière, le débit estival est alimenté principalement par l’eau souterraine qui se recharge pendant la période de fonte des neiges. Par conséquent, une accumulation de neige inférieure à la moyenne (sécheresse de neige) peut entraîner un débit estival inférieur à la moyenne (sécheresse des cours d’eau). Le débit estival est important pour pourvoir aux besoins humains et soutenir les écosystèmes. Les impacts du changement climatique sur la neige ont été largement étudiés, mais la relation entre la sécheresse de neige et la sécheresse des cours d’eau n’est pas bien comprise. Dans cette étude, une analyse combinée des impacts du changement climatique sur la sécheresse de neige et la sécheresse des cours d’eau a été réalisée à partir de données de forçages climatiques statistiquement réduits (1950–2100) et de modèles eaux souterraines – eaux de surface génériques pour quatre bassins versants d’amont dans différentes écorégions de la Colombie-Britannique. Les résultats montrent qu’en réponse à l’augmentation des précipitations et de la température, le régime de sécheresse de neige change considérablement et de manière similaire dans les quatre bassins versants. La fréquence des sécheresses de neige chaudes, causées par des températures hivernales supérieures à la moyenne, augmente. La fréquence des sécheresses de neige sèches, causées par des précipitations hivernales inférieures à la moyenne, diminue. L’augmentation de la fréquence et sévérité des sécheresses de neige liées à la température entraîne une diminution du débit estival, une diminution des réserves d’eaux souterraines en été et des périodes d’étiage estivales plus longues et plus graves. De plus, les sécheresses de neige entraînent des sécheresses estivales des cours d’eau plus fréquemment dans les périodes futures (années 2050, années 2080) par rapport à la période de référence des années 1980. Ainsi, les sécheresses de neige chaudes deviennent non seulement plus fréquentes et plus graves à l’avenir, mais aussi plus susceptibles d’entraîner des conditions de sécheresse de cours d’eau en été.

Keywords:

• Drought
• snow water equivalent
• climate change
• streamflow
• groundwater

Acknowledgements

We thank Louise Arnal for assistance with French language translation of the abstract and the anonymous referees for their helpful suggestions for improving this manuscript.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Data availability statement

All data used is freely available and cited in the text. The 10-day interval leaf area index (LAI) from Gonsamo and Chen (2014) was downloaded from: https://goo.gl/CTqaN7. Daily climate time series for the climate change scenarios can be downloaded from PCIC’s data portal, using the latitude and longitude of the catchments provided in Table 1.