Elevation-dependent warming of streams in mountainous regions: implications for temperature modeling and headwater climate refugia

Abstract

Climate change is warming stream temperatures with significant implications for species that require cold temperatures to persist. These species often rely on headwater habitats in mountainous regions where elevation gradients in hydroclimatic conditions may induce differential patterns of long-term warming that affect the resistance of refugia. Forecasts from mechanistic and statistical stream temperature models diverge regarding whether this elevation dependence will cause above- or below-average warming in headwaters during warm summer periods, so we examined monitoring records for stream temperature (n = 271), air temperature (n = 690), and stream discharge (n = 131) across broad elevation gradients in a mountainous region of western North America to better understand potential future trends. Over a 40-year period characterized by rapid climate change from 1976–2015, air temperature stations exhibited below-average warming rates at high elevations while stream discharge declined at above average rates. Between climatically extreme years that involved summer air temperature increases >5 °C and discharge declines >70%, temperatures in high-elevation streams exhibited below average increases but otherwise showed negligible elevation dependence during intermediate climate years. In a subsequent example, it was demonstrated that elevation dependent stream warming has a minor effect on the amount of thermal habitat loss relative to the average water temperature increase within a mountain river network. We conclude that predictions of above average warming effects on headwater organisms for this region may be overly pessimistic and discuss reasons why different types of temperature models make divergent forecasts. Several research areas warrant greater attention, including descriptions of elevation-dependent patterns in other regions for comparative purposes, examination of long-term stream temperature records to understand how sensitivity to climate forcing may be evolving, use of new data sources to better represent key processes in temperature models across broad areas, and development of hybrid models that integrate the best attributes of mechanistic and statistical approaches.

RÉSUMÉ

Le changement climatique réchauffe les températures des cours d'eau avec des implications importantes pour les espèces qui ont besoin de températures froides pour persister. Ces espèces dépendent souvent des habitats d'amont dans les régions montagneuses où les gradients d'altitude dans des conditions hydroclimatiques peuvent induire des modèles différentiels de réchauffement à long terme qui affectent la résistance des refuges. Les prévisions des modèles mécanistes et statistiques de température des cours d'eau divergent quant à savoir si cette dépendance à l'altitude entraînera un réchauffement supérieur ou inférieur à la moyenne dans les eaux d'amont pendant les périodes estivales chaudes, nous avons donc examiné les dossiers de surveillance de la température des cours d'eau (n = 271), de la température de l'air (n = 690) et du débit des cours d'eau (n = 131) à travers de larges gradients d'altitude dans une région montagneuse de l'ouest de l'Amérique du Nord afin de mieux comprendre les tendances futures potentielles. Sur une période de 40 ans caractérisée par des changements climatiques rapides de 1976 à 2015, les stations de température de l'air ont affiché des taux de réchauffement inférieurs à la moyenne à haute altitude, tandis que le débit des cours d'eau a diminué à des taux supérieurs à la moyenne. Entre les années climatiquement extrêmes qui impliquaient des augmentations de la température de l'air en été >5 °C et des baisses de débit >70 %, les températures dans les cours d'eau en haute altitude ont montré des augmentations inférieures à la moyenne, mais ont autrement montré une dépendance négligeable à l'altitude au cours des années climatiques intermédiaires. Dans un exemple ultérieur, il a été démontré que le réchauffement des cours d'eau dépendant de l'altitude a un effet mineur sur la quantité de perte d'habitat thermique par rapport à l'augmentation moyenne de la température de l'eau dans un réseau de rivières de montagne. Nous concluons que les prévisions des effets du réchauffement supérieur à la moyenne sur les organismes d'amont pour cette région peuvent être trop pessimistes et discutons des raisons pour lesquelles différents types de modèles de température font des prévisions divergentes. Plusieurs domaines de recherche méritent une plus grande attention, y compris la description des modèles dépendant de l'altitude dans d'autres régions à des fins de comparaison, l'examen des enregistrements de température des cours d'eau à long terme pour comprendre comment la sensibilité au forçage climatique peut évoluer, l'utilisation de nouvelles sources de données pour mieux représenter les processus clés dans les modèles de température dans de vastes zones, et l'élaboration de modèles hybrides qui intègrent les meilleurs attributs des approches mécanistes et statistiques.

Keywords:

• Elevation-dependent warming
• temperature model forecasts
• stream temperature
• climate change
• climate refugia

Acknowledgements

The authors were supported by the Rocky Mountain Research Station of the U.S. Forest Service during preparation of this work. Dona Horan helped prepare the map figures. Data used in the examples are available at the NorWeST project website (https://www.fs.usda.gov/rm/boise/AWAE/projects/NorWeST.html) and the authors ResearchGate profiles (https://www.researchgate.net/).

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.