Changes in hydrological extremes: advances in climate-induced extremes focusing on a small north Atlantic island

Luis Angel Espinosa Villalpando

Key information

Authors:

Luis Angel Espinosa Villalpando (Luis Angel Espinosa Villalpando)

Supervisors:

Maria Manuela Portela Correia dos Santos Ramos da Silva (Maria Manuela Portela Correia dos Santos Ramos da Silva); Rui José Raposo Rodrigues

Published in

09/23/2021

Abstract

Recentes projeções de modelos climáticos apontam o agravamento em várias regiões da frequência, magnitude e intensidade de alguns dos eventos hidrológicos extremos, como secas e cheias. A maior parte desses aspetos foi analisada nesta tese mediante a adoção de abordagens teóricas e conceituais, embora restringidas ao contexto de uma pequena ilha do Atlântico Norte, a Ilha da Madeira. A seleção da Ilha da Madeira como estudo de caso decorreu do reconhecimento da sua fragilidade a eventos hidrológicos extremos, associada a um relativo desconhecimento sobre o comportamento desses eventos e dos mecanismos a que podem ser associados, fatores estes agravados pela escassez de dados hidrológicos que suportem os estudos daqueles eventos. Tais restrições — aliás, bastante vulgares em pequenos ambientes insulares — tornaram a pesquisa mais desafiadora desde o início, reforçando, assim, a sua relevância. Os estudos incluíram, embora sem caráter limitativo, novas abordagens de preenchimento de lacunas em séries diárias de precipitação, a análise de tendência e a deteção de pontos de quebra em séries temporais, a regionalização climática, a análise regional de secas, a modelação multivariada de precipitações intensas e sua relação com padrões de teleconexão (índices) — em particular, o índice de Oscilação do Atlântico Norte (NAO). Os dados utilizados incluíram índices de teleconexão e, em resultado da implementação de um procedimento inovador de preenchimento de lacunas da precipitação, 80 anos de precipitação diária, de 1937/1938 a 2016/2017, em 41 postos udométricos da Ilha. A análise da regionalização permitiu identificar três regiões homogéneas, caraterizadas por diferente variabilidade temporal climática, zonas essas sobre as quais incidiram algumas das análises efetuadas: a encosta norte, a encosta sul e a região central da Ilha. Importa realçar a relevância desta última região para a segurança hídrica da ilha, uma vez que é aí que principalmente se processa a recarga dos aquíferos. Para atingir os objetivos definidos para a investigação, técnicas comumente utilizadas, como sejam, o teste de Mann-Kendall e o estimador de declive de Sen para reconhecimento e caraterização de tendências, o índice de precipitação estandardizada (SPI) para a caraterização das secas, ou ainda as técnicas de regionalização baseadas em análise de componentes principais, foram ajustadas às características da Ilha. Adicionalmente foram propostas novas abordagens, como seja o preenchimento de falhas diárias de registos de precipitação com base no algoritmo MICE (Multivariate Imputation by Chained Equations), nunca antes aplicado a séries temporais de variáveis hidrológicas àquele nível temporal, e a modelação multivariada com recurso a cópulas para caracterizar os eventos extremos de precipitação e sua dependência de padrões de teleconexão. Os resultados mostram que a magnitude e a frequência das secas e das precipitações intensas têm vindo a aumentar na encosta norte e na região central da Ilha da Madeira, provavelmente em consequência de mudanças nos padrões atmosféricos de grande escala. No geral, esta pesquisa fornece evidências crescentes de que na Ilha da Madeira: (i) algumas das precipitações sazonais, como sejam durante o inverno, mas também a nível anual, têm vindo a diminuir gradualmente, tendência essa que se acentuou desde o final da década de 1960, embora não seja possível concluir se tal tendência se manterá ou se se inverterá, neste caso, eventualmente contrabalançando a diminuição antes registada; (ii) a variabilidade da precipitação sazonal e anual está altamente correlacionada com o padrão de circulação atmosférica de grande escala da NAO; (iii) as secas na Ilha agravaram-se e tornaram-se mais frequentes; e que (iv) as precipitações intensas são claramente acentuadas por mudanças persistentes na NAO, principalmente durante as fases negativas do fenómeno. Tais conclusões destacam a importância da deteção e caracterização de tendências em extremos hidrológicos, bem como da modelação multivariada entre teleconexões e precipitações intensas em regiões do Atlântico Norte, especialmente em pequenas ilhas dada a sua maior vulnerabilidade aos efeitos das mudanças climáticas e à própria variabilidade climática. Recent climate model projections have pointed up increased frequency, magnitude, and intensity of some of the extreme hydrological events, such as droughts and floods, for many regions of the world. Most of those issues were addressed in this thesis by adopting theoretical and conceptual approaches, focusing on a small island of the North Atlantic, i.e., on Madeira Island. The criteria for selecting Madeira Island as case study was its fragility to extreme hydrological events, the lack of knowledge regarding the behaviour of those events and their drivers, aggravated by the scarcity of hydrological data to support the studies on the previous issues. These constraints — commonly present in small island environments — made the research even more challenging from the beginning, reinforcing its relevance. The studies in this work included, but were not limited to, novel approaches of filling daily rainfall data gaps, trend analysis and change point detection, climate regionalisation, regional drought analysis, multivariate modelling of heavy rainfall, and links related to teleconnection patterns (indices) — particularly the North Atlantic Oscillation (NAO) index. The data used in the studies referred to teleconnection indices and, resulting from the implemented innovative gap-filling procedure, to 80 years of daily rainfall, from 1937/1938 to 2016/2017, at 41 rain gauges in the island. Based on regionalisation analysis three homogeneous regions with different temporal climatic variability were identified and used in some of the studies: the northern slope, the southern slope, and the central region. Special attention was given to the latter region due to its relevance for the island’s water security, since it is the main region for the replenishment of the groundwater reservoirs. Furthermore, to achieve the objectives set in this thesis, commonly used techniques such as the MannKendall test and Sen’s slope estimator for trend detection, the Standardized Precipitation index (SPI) for drought characterisation, and the principal component analysis for climatic regionalisation, were adjusted for the characteristics of Madeira. Additionally, novel approaches were proposed, for instance, the Multivariate Imputation by Chained Equations (MICE) applied for the first time for gap-filling of daily rainfall series, and the multivariate modelling with copulas for characterisation of hydrological extremes and for teleconnection. Results show that in the northern slope and central region there is an increase in the magnitude and frequency of drought and heavy rainfall as the likely consequence of changes in large-scale atmospheric patterns. Overall, this research provides mounting evidence that in Madeira Island: (i) seasonal rainfall (e.g. winter and annual rainfall) has shown a gradual, yet marked, decrease since the end of 1960’s with the uncertainty regarding to whether rainfall will continue to decrease or it will counterbalance the already experienced rainfall deficits; (ii) the variability of seasonal and annual rainfall is highly correlated with the large-scale atmospheric circulation pattern of NAO; (iii) droughts in the island have become worse and more frequent than in the past; and that (iv) heavy rainfall is clearly intensified by the persistent changes in the NAO, mainly during its negative phases. These findings highlight the importance of the detection, and characterisation of changes in hydrological extremes, as well as the multivariate modelling for teleconnections to extreme rainfall in North Atlantic regions, especially in small islands which are highly vulnerable to the effects of climate change and abrupt climate variability