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Ecohydrological Sensitivity to Climatic Variables: Dissecting the Water Tower of Europe

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Ecohydrological Sensitivity to Climatic Variables: Dissecting the Water Tower of Europe Research Collection Doctoral Thesis Ecohydrological sensitivity to climatic variables: dissecting the water tower of Europe Author(s): Mastrotheodoros, Theodoros Publication Date: 2019 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-b-000348653 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library Diss.- No. ETH 25949 Ecohydrological sensitivity to climatic variables: dissecting the water tower of Europe A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by THEODOROS MASTROTHEODOROS Diploma in Civil Engineering, National Technical University of Athens born on 14.06.1990 citizen of Greece accepted on the recommendation of Prof. Dr. Peter Molnar, examiner Prof. Dr. Paolo Burlando, co-examiner Prof. Dr. Christina (Naomi) Tague, co-examiner Prof. Dr. Valeriy Ivanov, co-examiner Dr. Simone Fatichi, co-examiner 2019 i ii Dedicated to my parents and grandparents and especially to my grandmother Eleni, who left us the very first day of my PhD studies iii iv Abstract The water balance in mountain regions describes the relations between precipitation, snow accumulation and melt, evapotranspiration and soil moisture and determines the availability of water for runoff in downstream areas. Climate change is affecting the water budget of mountains at a fast pace and it has thus become a priority for hydrologists to quantify the vulnerability of each hydrological component to climate change, in order to assess the availability of water in the near future. However, our incomplete understanding of mountain hydrology implies that our knowledge about the future water supply of billions of people worldwide is limited. In this thesis, I use the ecohydrological model Tethys-Chloris (T&C) to (1) explore the responses of forests to the increasing atmospheric CO2, (2) quantify the major drivers of ecohydrological processes and their vulnerability to climate change across the European Alpine environments, and (3) partition the water budget into blue (hydrological) and green (biological) water fluxes and quantify the sensitivity of each component to temperature and precipitation change at the pan-Alpine scale. The first part of the thesis focuses on vegetation parameterization in ecohydrological models. It is a common practice to apply static vegetation parameters, although recently several studies have questioned this approach, showing that vegetation may adjust to climate change at shorter timescales than previously thought. This implies that traditional model approaches using temporally constant parameters might be biased. Recent evidence suggests that one such example of vegetation plasticity may be related to the increasing atmospheric CO2 concentrations. Through numerical simulations with T&C, I show that plasticity in key vegetation parameters can explain the changes in water and carbon vegetation fluxes in 20 forest sites in the northern Hemisphere; changes that otherwise cannot be explained. In the second part of the thesis, I explore the key drivers of Alpine ecohydrology. Applying T&C on three case studies, I quantified the drivers of ecohydrological fluxes and explored the vulnerability of different Alpine ecosystems to climate change. By correlating the spatial distribution of ecohydrological responses with that of meteorological and topographic attributes, I computed spatially explicit sensitivities of net primary productivity, transpiration, and snow cover to air temperature, radiation, and water availability to evaluate their absolute and relative importance. The results demonstrate the sharp differences between different parts of the Alps, thus highlighting the need for a high-resolution assessment of the Alpine water budget. The third part of the thesis addresses the ecohydrological sensitivity to climatic variables across the Alps. I collected a dataset from meteorological and environmental agencies and universities from six countries and combined it with new distributed products of meteorological forcing, soil properties, vegetation and snow cover to perform and validate large-scale, high-resolution ecohydrological simulations of the entire Alpine region for a period of three years (2001-2003). The focus in these simulations is on the partitioning of the pan-Alpine water budget into runoff and evapotranspiration. These simulations allowed us to quantify the sensitivity of each component of the pan-Alpine water budget to climate change and show that even during major heatwaves, Alpine vegetation keeps high transpiration rates, thus amplifying the decrease in streamflow. These unique simulations permitted v for the first time a very detailed understanding of water sinks and sources at the scale of the Alps, and a correlation analysis revealed the potential “hot spots” of changes in the water cycle in space and time under climate change. This study also shows that recent advances in ecohydrological modeling, combined with large scale datasets and new computational capabilities, can bridge the gap between coarse-scale Earth system models and detailed catchment analyses, providing more reliable, high- resolution climate change impact assessments in the world’s mountain regions. vi Zusammenfassung Der Wasserhaushalt in Gebirgsregionen beschreibt die Zusammenhänge von Niederschlag, Schneefall und -schmelze, Evapotranspiration und Bodenfeuchte und bestimmt die Wasserverfügbarkeit in Gebieten im Unterlauf. Diese, für den Wasserhaushalt entscheidenden, Prozesse werden stark vom Klimawandel beeinflusst. Daher ist es für Hydrologen zur Priorität geworden, die Anfälligkeit von jeder hydrologischen Komponente in Bezug auf den Klimawandel zu quantifizieren, um die Verfügbarkeit von Wasser in naher Zukunft beurteilen zu können. Unser Verständnis der hydrologischen Prozesse im Gebirge ist jedoch begrenzt, gleichermassen sind dadurch auch unsere Möglichkeiten die zukünftige Wasserversorgung von Milliarden Menschen zu planen eingeschränkt. In dieser Arbeit verwende ich das öko-hydrologische Modell Tethys Chloris (T&C), um (1) die Reaktionen der Wälder auf das zunehmende atmosphärische CO2 zu untersuchen, (2) die wichtigsten Faktoren für ökohydrologische Prozesse und ihre Anfälligkeit in Bezug auf den Klimawandel in verschiedenen Regionen der europäischen Alpen zu quantifizieren und (3) den Wasserhaushalt in blaue (hydrologische) und grüne (biologische) Wasserflüsse aufzuteilen und die Empfindlichkeit jeder Komponente gegenüber Temperatur- und Niederschlagsänderungen in den gesamten Alpen zu quantifizieren. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Parametrisierung von Vegetation in ökohydrologischen Modellen. Es ist allgemein üblich, statische Vegetationsparameter zu verwenden, obwohl kürzlich mehrere Studien diesen Ansatz in Frage gestellt haben. Diese Studien haben gezeigt, dass sich die Vegetation - in kürzeren Zeitabständen als bisher angenommen - an den Klimawandel anpassen kann. Dies bedeutet, dass mit traditionellen Modellansätzen, die zeitlich konstante Parameter verwenden, möglicherweise voreingenommene Schlüsse gezogen werden. Jüngste Ergebnisse legen nahe, dass diese rasche Veränderung der Vegetation mit steigenden atmosphärischen CO2-Konzentrationen in Zusammenhang stehen könnte. Durch numerische Simulationen mit T&C zeige ich, dass wie die Veränderung von wesentlichen Vegetationsparametern die Veränderungen der Wasser- und Kohlenstoffvegetationsflüsse an 20 Waldstandorten in der nördlichen Hemisphäre erklären kann. Dabei handelt es sich um Veränderungen, die bisher nicht zu erklären waren. Im zweiten Teil der Arbeit untersuche ich die wichtigsten Einflussfaktoren auf die alpine Ökohydrologie. Anhand von T&C quantifizierte ich in drei Fallstudien die massgebenden Einflüsse ökologischer Flüsse und untersuche die Anfälligkeit verschiedener alpiner Ökosysteme auf den Klimawandel. Durch Korrelation von räumlicher Verteilung ökohydrologischer Reaktionen sowie meteorologischen und topographischen Gebietseigenschaften berechnete ich - räumlich aufgelöst – die Sensitivität der primären Nettoproduktivität, Transpiration, die Schneedecke im Bezug zur Lufttemperatur, Strahlung und Wasserverfügbarkeit, um deren absolute und relative Bedeutung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen die starken Unterschiede zwischen verschiedenen Teilen der Alpen und unterstreichen die Notwendigkeit einer hochaufgelösten Bewertung des alpinen Wasserhaushalts. vii Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit der ökohydrologischen Sensitivität auf klimatischen Variablen in den Alpen. Ich sammelte einen Datensatz von Meteorologie- und Umweltbehörden und Universitäten aus sechs Ländern und kombinierte ihn mit neuen flächendeckenden Produkten meteorologischer Variablen, Bodeneigenschaften, Vegetation und Schneebedeckung. Die Daten wurden verwendet um ökohydrologische Simulationen für gesamten Alpenraum mit hoher räumlicher Auflösung für einen Zeitraum von drei Jahren (2001-2003) durchzuführen und zu validieren. Der Fokus dieser Simulationen liegt auf der Aufteilung des alpinen Wasserhaushalts in Abfluss und Evapotranspiration. Diese Simulationen ermöglichten es, die Sensitivität jeder Komponente des alpinen Wasserbudgets für den Klimawandel zu quantifizieren, und zeigen, dass die alpine Vegetation auch bei großen Hitzewellen hohe Transpirationsraten beibehält, was eine verstärkte Abnahme des Abflusses während Trockenperioden bewirkt. Mit Hilfe dieser
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