Universidad Aalto serie de publicaciones Tesis doctorales 55/2012

Estimacin de los impactos del cambio climtico sobre la hidrologa y las inundaciones en Finlandia Noora Veijalainen

Tesis doctoral para obtener el ttulo de Doctor en Ciencias en Tecnologa que se presentar con la debida autorizacin de la Escuela de Ingeniera para el examen y el debate pblico en el Auditorio R1 en la Escuela Universitaria de Ingeniera Aalto (Espoo, Finlandia) en el 01 de junio 2012 al medioda (a las 12 horas).

Universidad Aalto Escuela de Ingeniera Departamento de Ingeniera Civil y Ambiental

Supervisor Prof. Harri Koivusalo

Instructores Dr. Docente Bertel Vehvilinen Dr. Tuomo Karvonen

Examinadores preliminares Dr. Hege Hisdal, noruegos Recursos Hdricos y Energa Direccin, Noruega Dr. Christel Prudhomme, Centro de Ecologa e Hidrologa, Reino Unido

Adversario Dr. Jonas Olsson Reader, Sueco de Meteorologa e Hidrologa Institute, Suecia

Universidad Aalto serie de publicaciones Tesis doctorales 55/2012

Noora Veijalainen

ISBN 978-952-60-4613-6 (impreso) ISBN 978-952-60-4614-3 (pdf) ISSN-1799-4934 L ISSN 1799-4934 (impreso) ISSN 1799-4942 (pdf)

Unigrafia Oy Helsinki 2012

Finlandia

La tesis doctoral se puede leer en http://lib.tkk.fi/Diss/

Abstracto Universidad Aalto, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto www.aalto.fi

Autor Noora Veijalainen Nombre de la tesis doctoral Estimacin de los impactos del cambio climtico sobre la hidrologa y Floridainundaciones en Finlandia Editor Escuela de Ingeniera Unidad Departamento de Ingeniera Civil y Ambiental

Serie Universidad Aalto serie publicacin tesis doctorales 55/2012 El campo de la investigacin Recursos Hdricos Ingeniera

Manuscrito presentado 14 de octubre 2011 Fecha de la defensa 01 de junio 2012

Monografa

Manuscrito revisado 23 de enero 2012 Idioma Ingls

Artculo tesis (resumen + artculos originales)

Abstracto Escenarios climticos proyecto aumentos en la temperatura del aire y precipitacin en Finlandia durante el Siglo 21 y estos resultados en los cambios en la hidrologa. En este cambio climtico tesis impactos sobre la hidrologa y Floridainundaciones en Finlandia se estimaron con modelos hidrolgicos y varios escenarios climticos. Uno de los objetivos era entender el enFloridauencia de diferentes procesos y caractersticas de la cuenca en la respuesta hidrolgica al cambio climtico en condiciones boreales. La herramienta de la evaluacin del impacto del cambio climtico fue el modelo hidrolgico conceptual WSFS (Sistema de Pronstico de cuencas Simulacin y). Los estudios emplean y se compararon dos mtodos de transferencia de la seal de cambio climtico a partir de modelos climticos para la WSFS modelo hidrolgico (enfoque de cambio delta y sesgo directa corregidos regional Modelo Climtico Datos (RCM)). Datos RCM directa se utiliz para simular escenarios hidrolgicos transitorios para 1951- Se analizaron 2100 y los resultados de la simulacin para detectar cambios en los componentes del balance de agua y las tendencias en series de descarga. Los resultados revelaron que los cambios estacionales en las descargas en Finlandia fueron los impactos ms claros del cambio climtico. Aumento de la temperatura del aire afecta la acumulacin de nieve y se funden, aumentar descarga de invierno y de descarga del deshielo primaveral disminucin. Los impactos del cambio climtico sobre la Floridainundaciones en Finlandia 2070-2099 variado considerablemente dependiendo de la ubicacin, de captacin caractersticas, el momento de la Floridainundaciones y escenario climtico. Las inundaciones provocadas por el deshielo de primavera disminuido o se ha mantenido sin cambios, mientras que el otoo e invierno Floridainundaciones causadas por precipitacin incrementado especialmente en los grandes lagos y su salidaFloridaros ujo. Desde la estimacin del cambio climtico impactos incluyen las incertidumbres en cada paso del proceso de modelado largo, el acumulado incertidumbres para el final del proceso se hacen grandes. Las grandes diferencias entre los resultados de diferentes escenarios climticos resaltar la necesidad de utilizar varios escenarios climticos en el clima cambiar los estudios de impacto. Las posibilidades de adaptacin al cambio climtico a travs de cambios en la regulacin del lago eran tambin estimado. Cambio de la gestin y los permisos de muchos de los lagos regulados en Finlandia ser necesario durante el siglo 21, en respuesta a los cambios inducidos por el cambio climtico en rgimen hidrolgico.

Palabras clave Modelacin hidrolgica, el cambio climtico, los recursos hdricos, Floridainundaciones, impacto evaluacin, los escenarios climticos, la adaptacin ISBN (impreso) 978-952-60-4613-6ISBN (pdf) 978-952-60-4614-3 ISSN-L 1799-4934

Ubicacin de la editorial Espoo Pginas 211

ISSN (impreso) 1799-4934 ISSN (pdf) 1799-4942 Ubicacin de la impresin HelsinkiAo 2012 La tesis doctoral se puede leer en http: //lib.tkk.fi/ Diss /

Tiivistelm

Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 Aalto www.aalto.fi

Tekij Noora Veijalainen Vitskirjan Nombre del modelo Ilmastonmuutoksen vaikutukset hydrologiaan ja tulviin Suomessa Julkaisija Insinritieteiden korkeakoulu Yksikk Yhdyskunta- ja ympristtekniikan laitos

Sarja Universidad Aalto serie publicacin tesis doctorales 55/2012 Tutkimusala Tekninen vesitalous

Ksikirjoituksen PVM 10/14/2011 Vitspiv 06/01/2012

Monografia

Korjatun ksikirjoituksen PVM 23.01.2012 Kieli Espanja

Yhdistelmvitskirja (yhteenveto-osa + erillisartikkelit)

Tiivistelm Ilmastonmuutoksen myt ilman lmptilan ja sadannan ennakoidaan kasvavan Suomessa 2000-luvulla, Milla tulee olemaan Selvia vaikutuksia hydrologiaan. Tss vitskirjassa arvioidaan ilmastonmuutoksen vaikutuksia hydrologiaan ja tulviin Suomessa kytten hydrologista mallintamista ja useita ilmastoskenaarioita. Yhten tavoitteena en ymmrt miten eri prosessit ja valuma-alueiden ominaisuudet vaikuttavat ilmastonmuutoksen aiheuttamiin hydrologisiin muutoksiin boreaalisissa olosuhteissa. Ilmastonmuutoksen vaikutusten arviointiin kytettiin Vesistmallijrjestelmn (CMSA) Mallia hydrologista konseptuaalista. Arviointia varten ilmastonmuutossignaali siirrettiin ilmastomallista hydrologiseen malliin kytten kahta menetelm (delta cambio menetelm ja suorat korjatut alueellisen ilmastomallin tulokset) ja menetelmien tuloksia vertailtiin keskenn. Suoria alueellisten ilmastomallien tuloksia kytettiin simuloitaessa jatkuvia hydrologisia skenaarioita jaksolle 1951-2100 ja skenaarioista analysoitiin vesitaseen osatekijiden muuttumista ja trendej virtaama-aikasarjojen. Tutkimusten tulokset osoittavat, ett ilmastonmuutoksen selvimmt vaikutukset ovat muutokset eri vuodenaikojen virtaamissa. Ilmastonmuutoksen aiheuttama ilman lmptilan nousu vaikuttaa lumen kertymiseen ja sulamiseen, mik kasvattaa talviajan virtaamia sek pienent lumen kevtsulannan aiheuttamia virtaamia. Muutokset Kerran 100 vuodessa toistuvissa tulvissa jaksolla 2070-2099 vaihtelivat huomattavasti riippuen valuma-alueen sijainnista ja ominaisuuksista Seka tulvien ajoituksesta ja kytetyst ilmastoskenaariosta. Lumen Kevn tai pienenivt sulamistulvat pysyivt nykyisen suuruisina, kun taas Syksyn ja TALVEN vesisateesta aiheutuvat tulvat kasvoivat etenkin suurissa jrviss ja niiden laskujoissa. Pitkn mallinnusketjun jokaiseen vaiheeseen liittyy epvarmuuksia, joten mallinnusprosessin Aikana kertyvt epvarmuudet kasvavat suuriksi. Suuret erot eri ilmastoskenaarioiden tulosten vlill korostavat tarvetta kytt useita ilmastoskenaarioita arvioitaessa ilmastonmuutoksen vaikutuksia. Tutkimuksessa arvioitiin Myos mahdollisuuksia sopeutua ilmastonmuutoksen vaikutuksiin muuttamalla jrvien snnstely. Snnstelyn uudelleenarviointi tulee tarpeelliseksi 2000- luvun Aikana useilla Suomen snnstelyill jrvill, kun ilmastonmuutos aiheuttaa muutoksia tulovirtaamissa jrvien.

Avainsanat Hydrologinen mallintaminen, ilmastonmuutos, Suomen vesivarat, tulvat, vaikutusten arviointi, ilmastoskenaariot, sopeutuminen ISBN (painettu) 978-952-60-4613-6ISBN (pdf) 978-952-60-4614-3

ISSN-L 1799-4934 Julkaisupaikka Espoo

Sivumr 211

ISSN (painettu) 1799-4934 Painopaikka Helsinki

ISSN (pdf) 1799-4942 Vuosi 2012

Luettavissa verkossa osoitteessa http: //lib.tkk.fi/ Diss /

LISTA DE NOTAS ANEXAS

Esta tesis se basa en los siguientes documentos:

YO. Veijalainen, N., Vehvilinen, B. 2008. El efecto del cambio climtico

sobre las inundaciones de diseo de presas de alto riesgo en Finlandia, Hidrologa Re- Bsqueda 39 (5-6), 465-477.

II. Lotsari, E., Veijalainen, N., Alho, P., Kyhk, J. 2010. Impacto del clima

aparearse cambio en las descargas futuras y las caractersticas del flujo

Ro Tana, Sub-rtico norte Fennoscandia. Geografiska An-

nalier 92A (2), 263-284.

III. Veijalainen, N., Dubrovin, T., Marttunen, M., Vehvilinen, B. 2010.

Los impactos del cambio climtico sobre los recursos hdricos y la regulacin del lago en la cuenca Vuoksi en Finlandia. Gestin de Recursos Hdricos

24 (13), desde 3.437 hasta 3.459.

IV. Veijalainen, N., Lotsari, E., Alho, P., Vehvilinen, B., Kyhk, J.

2010. Evaluacin Nacional escala de los impactos del cambio climtico en las inundaciones ing en Finlandia. Diario de Hidrologa 391, 333-350.

V. Veijalainen, N., Korhonen, J., Vehvilinen, B., Koivusalo, H. 2012.

Modelado y anlisis estadstico de balance de agua de captacin y

descargar en Finlandia 1951-2099 usando escenarios climticos transitorios.

Diario de Agua y el Cambio Climtico 3 (1), 55-78.

Papeles, I-V, reimpreso con el permiso, son copyright como la siguiente:

Papel que los derechos de autor 2008 IWA Publishing; Libro II de autor 2010 John

Wiley and Sons; Libro III de autor 2010 Springer; Copyright Documento IV

2010 Elsevier; Libro V de autor 2012 IWA Publishing.

v

Contribucin del autor para los papeles I a V:

I: Noora Veijalainen era responsable de la aplicacin del modelo y sobre todo

responsable de la interpretacin de los resultados y redaccin del documento. Dr.

Vehvilinen particip en el desarrollo de la metodologa e internacional

pretacin de los resultados y comentarios proporcionados durante la redaccin de la

papel.

II: Noora Veijalainen fue responsable de las simulaciones hidrolgicas en

el papel y en parte (30%), responsable de la redaccin del documento. Lotsari era

responsable de las aplicaciones hidrulicas y modelo de sedimentos y para el

mayora de la redaccin del documento. Dr. Alho y el Prof. Kyhk participaron

en la redaccin del documento.

III: Noora Veijalainen fue responsable de las simulaciones hidrolgicas en

el papel. La evaluacin de impacto se realiz por Dubrovin, Dr. MART-

Tunen y Veijalainen. Veijalainen escribi el documento y Dubrovin, el Dr.

Vehvilinen y el Dr. Marttunen hicieron comentarios sobre el manuscrito.

IV: Noora Veijalainen fue responsable de la modelizacin hidrolgica y

anlisis de frecuencia del papel y era principalmente (60%) de forma responsable para escritura cin del papel. Lotsari fue responsable de la modelacin hidrulica persona

formado en cuatro cuencas de estudio y escribi partes del documento. Dr. Alho,

Prof. Kyhk y el Dr. Vehvilinen aportaron comentarios durante la redaccin de

el papel.

V: Noora Veijalainen fue responsable de la modelizacin hidrolgica en el

papel y tena la responsabilidad principal de la redaccin del documento. Korhonen persona

formado el anlisis estadstico y particip en la redaccin de la porcin

las relacionadas con el anlisis estadstico. Prof. Koivusalo y el Dr. Vehvilinen

formulado comentarios durante el anlisis de los resultados y redaccin del

papel.

vi

AGRADECIMIENTOS

Esta tesis se complet mientras trabajaba en el Finlands de Medio Ambiente In-

Instituto (SYKE) y estoy agradecido por la posibilidad de llevar a cabo estos BORNE

ies. Doy las gracias a mi instructor Dr. Docente Bertel Vehvilinen por la oportunidad

familiarizarme con este interesante tema y toda su ayuda y consejo

A travs de los aos. Tambin agradezco a mis antiguos y actuales superiores Markku

Puupponen y Timo Huttula de nimo y comentarios.

Los supervisores de esta tesis en la Universidad Aalto (antes Helsinki

Universidad de Tecnologa) eran profesores Harri Koivusalo y Tuomo

Karvonen y estoy agradecido por su orientacin y comentarios, que im-

probado el contenido de esta tesis considerablemente.

Se llevaron a cabo los estudios en el marco de varios proyectos en SYKE. Estos

proyectos incluyen "Futuro de Inundaciones en Finlandia (tulevat)", financiado por el

Academia de Finlandia, "los recursos hdricos de Finlandia y el clima Efectos cambio-

y la adaptacin (WaterAdapt) "y" Seguridad de Presas y el cambio climtico ", tanto

financiado por el Ministerio de Agricultura y Silvicultura y "Clima y En-

ener- (CE) "y" Clima y Sistemas de Energa (CES) ", financiado por los pases nrdicos

Investigacin de la Energa. La finalizacin de la tesis y la escritura y la impresin de

este panorama ha sido posible gracias al apoyo de Maa- ja vesitekniikan

Tuki ry y Sven Hallinin tutkimussti.

Me gustara agradecer a las siguientes personas por sus valiosos comentarios

y la cooperacin: el profesor Jukka Kyhk, Eliisa Lotsari y Petteri Alho

de la Universidad de Turku, Hanne Laine-Kaulio de la Aalto Uni-

dad y Esko Kuusisto, Tanja Dubrovin, Mika Marttunen, Johanna

Korhonen y Juho Jakkila de SYKE. Tambin estoy agradecido a Kalle Sippel

por su ayuda con los mapas y el Instituto Meteorolgico de Finlandia y

Sueco de Meteorologa y el Instituto Hidrolgico de su cooperacin,

que permiti el uso de las ltimas escenarios climticos en estos estudios. La

Conjuntos de datos utilizados en este trabajo fue financiado por el 6PM Integrada de la UE

ENSEMBLES Proyecto cuyo apoyo se agradece. Doy gracias a mi

pre-examinadores Dr. Hege Hisdal y el Dr. Christel Prudhomme por su amable

palabras y comentarios tiles, que ayudaron a mejorar este panorama y el Dr.

Docent Jonas Olsson por haber aceptado la invitacin para actuar como mi oponente en

mi defensa doctoral.

vii

Un gran agradecimiento va a todos los miembros actuales y anteriores de

Vesistmalliryhm para las risas y las conversaciones de las habitaciones de caf en los ltimos aos en SYKE.

Finalmente gracias a mi familia; mis padres y mi hermana y en especial a

Sammy, que nunca dud de que iba a obtener esta tesis terminada.

En Helsinki 09 de abril 2012

Noora Veijalainen

viii

Tabla de contenidos

Lista de documentos adjuntos .............................................. .................................... v

Agradecimientos ................................................. ....................................... vii

1. Introduccin ................................................ .................................................. 1

1.1 Antecedentes y motivacin .............................................. .................... 1

1.2 El cambio climtico ............................................... ....................................... 2

1.2.1 Los modelos climticos ............................................. .................................. 6

1.3 modelizacin hidrolgica de impactos del cambio climtico ............................ 8

1.3.1 Perspectiva histrica ............................................. ...................... 10

1.3.2 impactos del cambio climtico sobre la hidrologa ......................................... 13

1.3.3 Impactos del cambio climtico en las inundaciones .......................................... ..... 15

1.4 Objetivos ................................................ ............................................. 18

2 Los materiales y las cuencas de estudio ............................................. .................. 20

2.1 Clima e Hidrologa en Finlandia ............................................ ........ 20

2.2 Observaciones ................................................ ....................................... 23

2.3 cuencas de estudio ............................................... ................................ 23

2.3.1 presas alto riesgo (I) ......................................... .......................... 24

2.3.2 cuencas de estudio Flood (IV) ......................................... ............. 24

2.3.3 cuencas Estudio de caso (II, III V,) ..................................... ......... 25

2.4 Los escenarios climticos ............................................... ................................. 27

2.5 Diseo precipitacin ............................................... ............................ 29

2.5.1 Cambio en el diseo de las precipitaciones debido al cambio climtico .............. 30

3 Methods....................................................................................................... 31

3.1 Modelo Hidrolgico ............................................... ............................... 31

3.2 Modelado de los impactos del cambio climtico sobre la hidrologa ............................. 33

3.2.1 enfoque de cambio Delta ............................................ .................... 34

3.2.2 sesgo directa corrige datos RCM .......................................... ........ 36

3.3 Modelado de inundaciones extremas .............................................. .................... 37

3.4 Anlisis estadstico y frecuencia ............................................. ........ 39

ix

4 Resultados y Discusin .............................................. ................................ 41

Validacin 4.1 Modelo (I-V) .......................................... .............................. 41

4.1.1 Comparacin de las actuales inundaciones de diseo (I) ..................................... 42 4.1.2 Bias corregido RCM de datos (V) ........................................ ............... 43

4.2 Hidrologa y el cambio climtico (III, IV, V) ...................................... ..44

4.2.1 Comparacin de los mtodos de transferencia (IV, V) .................................... 47

4.2.2 Balance de agua ............................................. .................................. 49

4.3 Las inundaciones y el cambio climtico (I, II, IV) ...................................... ........... 51

4.3.1 Diseo inundaciones para las presas de alto riesgo ......................................... ... 56 4.3.2 Comparacin de los resultados de las inundaciones ........................................... ............. 58

4.4 Debate sobre mtodos de transferencia y sesgo de correccin (II-V) ............. 63

4.5 Lago regulacin y adaptacin al cambio climtico (III) ....................... 66

4.6 Las incertidumbres en la modelizacin hidrolgica de los impactos del cambio climtico

(I-V) ..............................................................................................................69

5 Conclusions................................................................................................. 76

6 Referencias ................................................ ................................................. 82

X

1. Introduccin

1.1 Antecedentes y motivacin

El cambio climtico es uno de los grandes desafos del siglo 21. El proyectado

cambios en el clima tendrn efectos directos e indirectos sobre el ambiente natural,

ronment, as como en las sociedades humanas. Hidrologa y recursos hdricos ser

verse afectados, ya que estn estrechamente relacionados con el clima. En Finlandia la corriente rgimen hidrolgico se caracteriza por nieve sensible a la temperatura

estacionalidad dominado. Incluso los aumentos relativamente modestos en la temperatura puede resultado de cambios sustanciales en los patrones de escorrenta estacionales en la nieve dominado- reas (Arnell 1999; Lettenmaier et al 1999;. Payne et al 2004;. Barnett

2005). Por lo tanto, el cambio climtico puede provocar cambios importantes en hidrolgico

condiciones en Finlandia. Estos cambios pueden ser estudiadas con el uso de clima

escenarios y modelos hidrolgicos.

La investigacin sobre los impactos del cambio climtico sobre la naturaleza y la sociedad en local y

escala nacional proporciona los conocimientos que necesitan los planificadores, gerentes y

los responsables polticos para evaluar las posibilidades de adaptacin y para la adaptacin directa esfuerzos a los ms vulnerables regiones geogrficas y sectores sociales. Una D-

aptacin es importante para reducir los impactos negativos y aprovechar

de posibles oportunidades del cambio climtico (Marttila et al. 2005). Un examen-

ple de un campo de aplicacin tpica para la informacin del cambio climtico es la inundacin Directiva de la Unin Europea (Comisin Europea 2007). Se requiere

que los pases miembros preparan evaluaciones de riesgo de inundacin, y aconseja que el

impactos del cambio climtico en la incidencia de inundaciones se deben tener en

cuenta cuando se evalan los riesgos de inundacin preliminares. Lago y regulacin del depsito se planifican permisos lacin y estructuras hidrulicas tales como aliviaderos de presas

para ser utilizado durante dcadas en el futuro; teniendo el cambio climtico en consi-

racin cuando los nuevos permisos o estructuras se construyen o los existentes son

rediseado puede guardar los cambios y modificaciones de estructuras hidrulicas y

otras infraestructuras ms adelante.

Estudios de escala globales o continentales relativas a los cambios en los recursos hdricos

y las inundaciones se han llevado a cabo utilizando a gran escala (global y continental)

modelos hidrolgicos (por ejemplo Lehner et al 2006;. Nohara et al 2006;. Dankers

y Feyen 2008; 2009), pero la precisin y la fiabilidad de estos resultados en

captacin de escala (es decir, la escala de la mayora de los ros y cuencas, por lo general ser-

1

entre 10 y 200 000 km2) no se han demostrado. La ubicacin de

Finlandia en la zona de transicin entre el clima martimo y continental

regiones, con diferentes tipos de suelo y diversa hidrologa caracterizado

muchas partes en un gran nmero de lagos conectados resultados naturales de excepcin

condiciones climticas e hidrolgicas cionales (Vakkilainen y Karvonen

1980). Impactos del cambio climtico pueden variar entre cuencas incluso dentro

reas relativamente pequeas debido al clima y las caractersticas locales de captacin

(Arnell y Reynard 1996). As estimaciones fiables del cambio climtico im-

pactos sobre la hidrologa en Finlandia son difciles de deducir de los resultados a gran escala

o por analoga con otras regiones. Modelizacin de los impactos del cambio climtico

por lo tanto, sobre la hidrologa a escala local y nacional que se necesita. Los estudios realizados en locales y la escala nacional puede hacer uso de los datos disponibles en los archivos nacionales (por ejemplo, la base de datos de observaciones y ubicaciones de nivel de agua y de descarga y

reas para los miles de lagos) y el conocimiento de las condiciones locales (tales como

conocimiento de las prcticas de regulacin lago).

1.2 El cambio climtico

El cambio climtico antropognico (en adelante "el cambio climtico") es de alta

confianza causada por la intensificacin del efecto invernadero debido a la in-

aumento de gases de efecto invernadero en la atmsfera (IPCC 2007a). Casa Verde

las concentraciones de gases han aumentado desde la era preindustrial, debido a

uso de combustibles fsiles, el cambio del uso del suelo y la agricultura (IPCC 2007a). Atmosfrico concentraciones de dixido de carbono (CO2), que es el invernadero ms importante

gas de casa, han aumentado desde un valor preindustrial de aproximadamente 280

ppm (partes por milln, la relacin entre el nmero de molculas de dixido de carbono

al nmero total de molculas de aire seco) en 1870 (Etheridge et al., 1996;

2007a IPCC) a 390 ppm en 2010 (NOAA 2011). Los aumentos en invernadero

las concentraciones de gases alteran el balance energtico del sistema climtico y en coche

influencias del calentamiento sobre el clima global (IPCC 2007a). La ltima climtico

cambio investigacin se reuni en los informes de evaluacin peridicas de

Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climtico (IPCC).

El calentamiento del clima est cada vez ms evidente a partir de observaciones que muestran

aumento de la temperatura media global, el derretimiento de la nieve y el hielo y el aumento

nivel medio global del mar (Holgate y Woodworth 2004; Brohan et al., 2006;

IPCC 2007a). El aumento de la temperatura media global desde 1850-1899

para 2001-2005 fue en promedio 0.76 C (IPCC 2007a). La mayor parte de la observada

aumento de la temperatura media mundial desde mediados del siglo 20 no puede ser

explicado por forzamiento natural como los cambios en la radiacin solar y volcnica

actividad, pero es muy probable debido al aumento observado en antropognico

2

las concentraciones de gases de efecto invernadero (Tett et al 2002;. Stott et al 2006;. IPCC

2007a). El cambio promedio mundial en la precipitacin observada durante ar- tierra

eas muestra un comportamiento no lineal (IPCC 2007a). No hay tendencias mundiales importantes hasta ahora se han detectado en la mayora de los conjuntos de datos de precipitacin, en parte porque los cambios en diferentes direcciones en diferentes regiones se anulan en parte

el uno al otro (IPCC 2007a;. Zhang et al 2007). Dentro de las bandas latitudinales

forzamiento antropognico ha tenido un efecto detectable sobre los cambios observados

en la precipitacin promedio (Zhang et al. 2007). Los patrones espaciales de precipi-

cambio tacin son variados, con el aumento de las tendencias en la mayor parte de alta lati-

tudes incluyendo el norte de Europa y las tendencias ms fuertes decrecientes en

el oeste de frica y el Sahel (IPCC 2007a).

En Finlandia, la temperatura media aument aproximadamente 0,7 C durante

ing del siglo 20 (Jylh et al. 2004), con los mayores incrementos teniendo

colocar en las ltimas dcadas (Fig. 1). El mayor calentamiento se produjo en

meses de primavera (marzo-mayo) (Tuomenvirta 2004). Sin nacin significativa

Se observaron tendencias de ancho en la precipitacin en Finlandia, aunque notable

Se observ variabilidad interdecadal durante el siglo 20 (Tuomenvirta

2004).

3

2

Anomala de temperatura ( C)

1

0

-1

-2

-3

-4 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

Ao

Figura 1. Se cumple diferencias de temperatura media anual del aire en 1847-2010

de la temperatura promedio de 1971-2000 en la observacin de cuatro esta- temperatura

ciones en Finlandia (Helsinki, Kuopio, Oulu y Kajaani) (Finlands de Meteorologa

Instituto 2011a). Las barras rojas muestran la anomala por encima de la temperatura media

y barras azules debajo de ella. La lnea de color negro muestra el valor de los 10 aos en movimiento promedio la edad.

3

Los cambios observados en la escorrenta y las inundaciones magnitudes han sido analizados en

muchos estudios en todo el mundo (por ejemplo Hodgkins et al 2003;. Pekrov et

al. 2003; McCabe y Clark 2005; Huntington 2006; Hisdal et al. 2007;

Wilson et al. 2010). En general, la evidencia observacional indica intensificacin

cin del ciclo del agua, a pesar de las variaciones regionales y espacial y tempo-

limitacin ral en los datos siguen siendo grandes (revisin por Huntington 2006). No se con-

pruebas concluyentes sobre el aumento de la frecuencia de ocurrencia de inundaciones fue

encontrado (Kundzewicz y Schellnhuber 2004; Huntington 2006). En gran

ros de Europa occidental y central no hay tendencias significativas en la media anual

escorrenta se encontraron, pero ocurrencia cclica de perodos secos y hmedos se observ

servido (Pekrov et al. 2003). Variabilidad multidecenal tambin se observ en

cuencas no perturbadas en el Reino Unido (Hannaford y Marsh 2008). En el norte

Amrica, observaciones mostraron aumentos estadsticamente significativos en la descarga

de los ros en la cuenca de los Grandes Lagos (McBean y Motiee 2008) y disminuciones

en la magnitud de las inundaciones inducidas deshielo-en Canad (y Cunderlik

Ouarda 2009). Varios estudios reportan la aparicin ms temprana de descarga mxima

causada por el deshielo de primavera y el aumento de la descarga de invierno en el norte de canos ica y el norte de Eurasia (Hodgkins et al 2003;. McCabe y Clark 2005;

Hisdal et al. 2007; Korhonen y Kuusisto 2010; Wilson et al. 2010). En el

Pases nrdicos la mayora de la serie observacin a largo no mostraron

tendencias significativas en la descarga anual, pero las tendencias a nivel regional positivas existan en el suroeste de Noruega y el norte de Suecia (Lindstrm y Bergstrm

2004; Hisdal et al. 2007; Wilson et al. 2010). Tendencias positivas tambin se observaron

servido en invierno y primavera de descarga en los pases nrdicos (Wilson et al.

2010). En Finlandia, no hay cambios estadsticamente significativos en dis- media anual

carga o descarga mxima anual se encontraron en general, pero haba

tendencias claras en la serie de temporada alta con aumentos en invierno y primavera

significa la descarga y el tiempo antes de la cumbre de primavera en muchas de la observacin estaciones vacin (Korhonen y Kuusisto 2010).

El calentamiento global futuro depender de las futuras emisiones de efecto invernadero

los gases, que se describen por diferentes escenarios de emisiones. El ms reciente

conjunto de escenarios de emisiones es el grupo de SRES (Informe Especial sobre emisiones

Escenarios, IPCC 2000) escenarios de emisiones (Fig. 2), que incluye un total de

40 escenarios diferentes de cuatro familias de escenarios basados en turo alternativa

vas tura y diferentes mtodos de modelizacin. Siete grupos - el narios

familias nario A2, B1, y B2 y los cuatro grupos en el escenario A1

familia - y cuatro emisiones acumulativas categoras se recomiendan como la

subconjunto de escenarios de emisiones SRES que captura la gama de incertidumbres

asociado con las fuerzas motrices y las emisiones (IPCC 2000). El ms comn

comnmente utilizado escenarios de emisiones SRES en los modelos climticos son actualmente el A2, B1 y A1B escenarios, de los cuales A2 produce la ms alta concentracin de CO2

4

ciones a finales del siglo 21, B1 CO2 intermedio bajo y A1B

concentraciones (Fig. 2).

un b1000

A2 A2 35

30 B1 A1B B2 IS92a

Concentracin de CO2 (ppm)

900

800

700

600

500

400

300 2000

B1 A1B B2 IS92a

Las emisiones de CO2 (PGC / a)

25

20

15

10

5

0 2000

2020 2040 2060 2080 2100 2050 2100 Ao Ao

Figura 2. escenarios de emisiones de a) el total de las emisiones antropognicas de CO2 y b) AT-

concentracin de CO2 atmosfrica (ppm, Bern-CC) hasta 2100. (IPCC 2000; IPCC 2001)

La mejor estimacin actual del Cuarto Informe de Evaluacin del IPCC para

el cambio promedio mundial proyectado de temperatura al final de la 21a cen-

siglo es 1,8-4,0 C 1980-1.999 con diferentes escenarios de emisiones (IPCC

2007a). El rango probable con seis escenarios de emisiones y varias climtico

modelos es 1.1 a 6.4 C (IPCC 2007a). Las proyecciones del cambio precipitacin durante

ing del siglo 21 indican aumentos en las latitudes altas, mientras que de-

pliegues es probable que en la mayora de las regiones terrestres subtropicales (IPCC 2007a).

De acuerdo con diferentes escenarios climticos de varios mo- climtico global

els y escenarios de emisiones SRES la temperatura media anual de

Se espera que Finlandia aumente en 2,0 a 6,5 C por la dcada de 2080 y la media

precipitacin por 7-26% (Jylh et al 2009;. Fig. 3). El ms grande proyectada

aumentos en la temperatura y la precipitacin durante el invierno son: pro-

los aumentos proyectados en las temperaturas invernales son 3-9 C y las precipitaciones 10-

40%, mientras que las cifras correspondientes para el verano son 1-5 C y 0-20%

(Jylh et al. 2009). Este estudio est motivado por la necesidad de estimar el con-

secuencias de estos cambios previstos para el rgimen hidrolgico en Finlandia

(Documentos I-V).

5

Figura 3. Proyeccin de cambios promedio durante el siglo 21 en a) temperatura media anual

ambiente (C) yb) suma precipitacin anual (%) en Finlandia con tres emisiones

escenarios (2011b Instituto Meteorolgico de Finlandia).

1.2.1 Los modelos climticos

Efectos de los aumentos en las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmsfera climtico se estudian con simulaciones de modelos climticos. Los modelos climticos son una representacin simplificada del sistema climtico se describe a travs de matem-

formulaciones matem- de las leyes fsicas. Hoy en da los modelos climticos avanzados

modelos de circulacin general estn acoplados atmsfera-ocano, que operar

a escala global y la pareja la circulacin atmosfrica en tres dimensiones mo-

els con los modelos de circulacin general del ocano, modelos del hielo marino y la superficie de la tierra modelos de procesos (Covey et al 2003;. IPCC 2007a). Estos modelos son por lo general

denominado General de Modelos de Circulacin o Modelos Climticos Globales (MCG)

y producen los mejores y ms completos de proyecciones disponibles

los impactos del cambio climtico a escala global (IPCC 2007a). La mayora de los centros principales para la investigacin atmosfrica en los pases ms grandes han desarrollado su propio

los modelos climticos, y el IPCC Cuarto Informe de Evaluacin (AR4, IPCC

2007a) incluye los resultados de 23 modelos de circulacin general, aunque no todos ellos son inde- pendiente desde algunos son diferentes versiones del mismo GCM.

Escenarios de emisiones de gases de efecto invernadero durante el siglo 20 (IPCC 2000)

se utilizan como forzamiento del MCG externo. Junto al escenario de emisiones

y el modelo climtico o la combinacin de los modelos climticos forman lo que est aqu

referido como un escenario climtico.

La evolucin de los modelos climticos ha sido rpido en los ltimos 20 aos. La

MCG en el informe del IPCC Primera Evaluacin (IPCC 1990) en su mayora incluidos

Slo un modelo atmosfrico, tena un tamao de malla de 500 km (~ 5 grados) y

equilibrio climtico simulado resultante de duplicacin de concentracin de CO2

cin (IPCC 2007a). En comparacin, el MCG incluido en el IE4 (IPCC

Circulacin general 2007a) fueron totalmente acoplada compleja atmsfera-ocano

modelos, a veces incluso incluyendo qumica interactiva o bioqumica

6

componentes, con 110 a 250 km (~ 1-2,5 grados) resolucin de la cuadrcula y tiempo-

escenarios dependientes. La ltima serie de MCG incluye nuevos procesos, as

como mejoras en la resolucin, los mtodos computacionales y parametrizacin

ciones en comparacin con versiones anteriores (2007a IPCC).

Adems de MCG que operan en escalas globales, los modelos climticos regionales

(MCR) se utilizan en muchas partes del mundo para reducir la escala dinmicamente GCM

resultados a escala ms pequea (~ 10 a 50 km) (Kotlarski et al 2005;. IPCC 2007a).

MCR son capaces de resolver importantes procesos a escala regional como oro-

levantamiento grfico de masas de aire (Kotlarski et al. 2005). Slo en Europa hay

son hasta 15 mensajes de Cruz Roja, que han sido comparados en el proyecto ENSEMBLES

(Hewitt 2005; van der Linden y Mitchell 2009). Dado que el MCR solamente

cubrir parte del mundo, que utilizan la salida de MCG para proporcionar condicin inicial

las condiciones de contorno y meteorolgicos dependientes del tiempo, as como

gases de efecto invernadero y aerosoles forzando (Mearns et al. 2003). Los resultados de la

Por lo tanto, RCM depende en gran medida de los modelos de circulacin general de conduccin, mientras que hay retroalimentacin desde el RCM a la GCM conduccin se utiliza. La ventaja de los MCR es su

capacidad de reproducir los patrones espaciales del clima en las sub-regiones del

mundo mejor que los modelos de circulacin general, y para reproducir las precipitaciones extremas en un escala no simulada por el MCG (Mearns et al 2003;. Frei et al., 2006;

Boberg et al. 2010).

A pesar de que los modelos climticos se han convertido en mucho ms avanzado, el

gama de resultados del modelo no ha disminuido (Covey et al 2003;. IPCC 2007a).

Las principales fuentes de incertidumbre en la prediccin del clima son el clima

incertidumbres del modelo y los errores procedentes de el hecho de que algunas de las

procesos fsicos modelados son o no completamente entendido o no puede

sin embargo, ser representados adecuadamente debido a la potencia de clculo limitado (Schnur 2002; Covey et al. 2003; IPCC 2007a). Incertidumbres notables estn asociados

en particular, con representacin de las nubes y evaluaciones de nubes en el clima

modelos (Stephens 2005; IPCC 2007a). Muchos procesos a pequea escala, tales como

la formacin de nubes tienes que estar descrito en una forma aproximada para simular

su interaccin con las caractersticas de gran escala (IPCC 2007a). Un nmero de di-

algoritmos rentes y una serie de mtodos de parametrizacin de la pequea

procesos de escala se han desarrollado en diferentes modelos climticos, y esto es

la principal razn de la amplia gama de los resultados producidos por la diferente

MCG (Covey et al 2003;. Prudhomme et al 2003;. IPCC 2007a).

La capacidad del MCG y MCR para simular correctamente la obstruccin actual

las condiciones climticas que se sirve es una condicin necesaria, aunque no suficiente,

condicin para un modelo para producir las proyecciones del cambio climtico fiables

(Mitchell et al., 2011). Las evaluaciones de desempeo GCM en escala global tienen

demostrado la capacidad de los MCG para reproducir relativamente bien el gnero

ral observ caractersticas de pasada y reciente del clima y los cambios en el clima

7

(Por ejemplo Covey et al 2003;. Collins et al 2006;. IPCC 2007a). Muchos estudios tienen

rendimiento GCM y RCM tambin evaluado en escalas regionales y nacionales

en Finlandia, Escandinavia y Europa (Jylh et al 2004;. IPCC 2007a; Jacob

et al. 2007; Lind y Kjellstrm 2009; Boberg et al. 2010). MCG incluido

en el AR4 simulado precipitacin anual en Finlandia relativamente bien, pero

eran a menudo incapaces de producir el ciclo estacional observada (Jylh et al., 2004;

IPCC 2007a). Estas MCG menudo producen demasiada precipitacin en invierno

y demasiado poco en verano (IPCC 2007a). El ciclo anual de temperatura del aire

en Finlandia se simul cualitativamente as por cinco MCG estudiados por Jylh et

al. (2004), pero algunos de los modelos tenan un sesgo fro y clima muy continental

aparearse para Finlandia.

El MCR generalmente reproducen los patrones de circulacin de la conduccin

GCM, pero en muchas regiones los resultados de la CRM tambin difieren de los MCG (Mearns et al. 2003; Jacob et al. 2007) y los sesgos en la GCM conduccin puede incluso

ser amplificada por el RCM (Kjellstrm y Lind 2009). Algunos eran MCR

encontr que el sesgo clido invierno sobre Escandinavia (Jacob et al. 2007) y

la cuenca hidrogrfica del Mar Bltico (Lind y Kjellstrm 2009). Una sistemtica hmeda

sesgo se inform en varios MCR en Escandinavia o el drenaje del Mar Bltico

Cuenca (Graham et al 2007b;. Jacob et al 2007;. Kjellstrm y Ruosteenoja

2007; Lind y Kjellstrm 2009). La variabilidad interanual de precipitacin y

No se encontraron funciones de densidad de probabilidad de precipitacin simulada de MCR

estar en relativamente buen acuerdo con las observaciones de la regin nrdica

(Jacob et al 2007;. Boberg et al 2010).. Se inform MCR tener demasiado

altas tasas de evaporacin en la cuenca de drenaje del Mar Bltico (Graham et al.

2007b). Las limitaciones de los modelos climticos en la simulacin climtica actual

las variables son importantes, sobre todo si estos valores diarios se utilizan en ms

evaluaciones del impacto del cambio climtico como de entrada a otros modelos, como el

modelo hidrolgico en papel (V).

1.3 modelizacin hidrolgica de los impactos del cambio climtico

Dado que los modelos climticos cuantificar el balance de agua y simular sus componentes

tales como la escorrenta, uno puede preguntarse por qu hay una necesidad de utilizar off separada lnea de modelos hidrolgicos. El uso de modelos hidrolgicos off-line como

herramienta para estudios de impacto del cambio climtico originado por necesidad en el

1980, debido a la escala y la calidad de los modelos de circulacin general en ese momento no per- mit el uso de sus componentes del balance hdrico de una manera significativa (Blyth

2009). La prioridad en el componente de la superficie de la tierra de los MCG era, y

todava es decir, para reproducir con precisin los flujos de evaporacin para los fines de

8

el modelo atmosfrico, y por lo tanto el nfasis dado a la escorrenta exacta

simulacin fue mucho menor (Blyth 2009).

Tanto el contenido fsico y resolucin de los MCG han evolucionado rpidamente en

las ltimas dcadas y los MCR anidados capaces de reducir la escala dinmicamente GCM re-

resultados a una escala ms fina sobre las reas seleccionadas han vuelto ms comunes

(Mearns et al 2003;. Kotlarski et al 2005;. IPCC 2007; van der Linden y

Mitchell 2009). Sin embargo, incluso con la resolucin espacial mejorada y

ms compleja la fsica, los resultados de la escorrenta simulados por MCG y

MCR son todava poco fiables y en general no presentan suficiente detalle como para satis-

factoriamente simular la hidrologa en las escalas necesarias para la captacin escala im-

evaluaciones pacto (Varis et al 2004;. Graham et al 2007b.). Incluso con el

la mejora de las escalas espaciales, el tamao de la cuadrcula del MCR (~ 10-50 km) sigue siendo lar- ger que en la mayora de los modelos off-line y la representacin de la superficie hidrolgicos

todava es necesario mejorar (Hagemann et al., 2009) heterogeneidades. Por ejem-

amplia el MCR desde el archivo de datos ENSEMBLES tener un tamao de malla de

25 kilometros 25 kilometros x = 625 km2 (Hewitt 2005; van der Linden y Mitchell 2009),

mientras que muchos modelos hidrolgicos tienen una resolucin menor de 100 km 2

(BOE et al. 2007).

Adems de escorrenta (flujo de agua por rea en mm / d), que el clima

modelos calculan para cada celda de la cuadrcula, las descargas (fluyen en el ro o arroyo en

m3 / s) tambin son necesarios en las evaluaciones de impacto. Para obtener las descargas, la escorrenta necesita ser temporal y espacialmente quedado integrada en una cuenca

. con un esquema de enrutamiento ro (Milly et al 2005; Cientfico Internacional del rtico

Comit 2010). Los componentes de la superficie terrestre de las ltimas versiones de

MCG suelen incluir esquemas de encaminamiento ro solamente simplificados para el mayor

cuencas fluviales (Varis et al 2004;. Comit Cientfico Internacional del rtico

2010). Esquemas adicionales y ms completos de enrutamiento ro, que

incluir simulaciones de transporte horizontal de la escorrenta en la cuenca,

por lo tanto se necesitan (Comit Cientfico Internacional del rtico 2010).

A pesar de los avances, an existen incertidumbres sustanciales en el GCM- y

Procesos de la superficie terrestre simuladas-RCM, incluyendo la simulacin de escorrenta (Xu et al. 2005; Graham et al. 2007b). Comparativa de diferente superficie de la tierra

esquemas utilizados en los modelos climticos y en la prediccin del tiempo hicieron en el noroeste ern Escandinavia (Nijssen et al., 2003) y en Francia (Boone et al. 2004)

mostraron grandes diferencias en la acumulacin de nieve y la ablacin, as como del suelo

humedad, y como resultado una amplia gama de escorrenta mensual y descargue es-

estima- fue producido por los diferentes modelos. Los problemas en la superficie terrestre

modelos siguen siendo sobre todo en la simulacin de la nieve del invierno y la sublimacin

detencin de escorrenta en los lagos, humedales y zonas de turberas (Nijssen et al.

2003). Hasta ahora la mayora de las evaluaciones utilizando GCM- o escorrenta RCM-simulado y la descarga se han limitado a muy grandes ros de todo el mundo

9

(Arora 2001; Milly et al 2002;.. Milly et al 2005) u otras grandes reas tales

como la cuenca de drenaje del Mar Bltico, con su gran nmero de sub-cuencas

(Graham et al. 2007b). Una versin anterior de GCM canadiense no pudo

producir incluso la descarga media anual dentro del 20% de las estimaciones observadas

en aproximadamente el 70% de los grandes ros estudiados (Arora 2001). Graham et

al. (2007b) compar las descargas basadas en la escorrenta simuladas por diferentes

MCR y enrutado con dos esquemas de encaminamiento ro en la cuenca del Mar Bltico

cuenca y encontr que estos producen resultados muy diferentes en tiempo y

magnitud de las descargas en una escala mensual. Incluso cuando dis- media anual

cargo se reproduce razonablemente bien, la escorrenta de temporada y descargas basa

el GCM o RCM resultados a menudo difieren significativamente de las observaciones (Lind

y Kjellstrm 2009; Comit Cientfico Internacional del rtico 2010).

Los modelos hidrolgicos fuera de lnea carecen de la interaccin de dos vas con el clima

modelos (Xu et al. 2005) y slo utilizar parte de las salidas del clima

modelos (Hurkmans et al. 2008). La fsica de los modelos hidrolgicos son

por lo general menos avanzada que en los modelos de la superficie terrestre, que resuelven el acoplador agua PLED y el balance energtico (Hurkmans et al. 2008). Especialmente concepcin

modelos hidrolgicos tuales se basan en las conceptualizaciones y sin un slido

base fsica. Sin embargo, la ventaja de los modelos hidrolgicos es su habilidad

dad para simular con precisin las descargas de los ros y dis- especialmente pico

cargos basados en la calibracin contra descargas observadas (Blyth 2009). Off-

modelos hidrolgicos de lnea son tambin considerablemente ms rpido de operar que el

modelos de superficie de la tierra de los MCG y MCR (Hurkmans et al. 2008). Por lo tanto

que pueden ser utilizados para simular un gran nmero de escenarios climticos, y para

examinar la influencia de las estrategias de adaptacin y los recursos hdricos tin

acciones gestin (por ejemplo, los lagos y regulacin del depsito, papel III) en dis- ro

cargo. La mejora continua en la resolucin y contenido fsico de

los modelos climticos pueden generar en un futuro a la escorrenta de los MCR siendo sufi-

suficientemente confiable para ser utilizado en las evaluaciones de impacto de captacin escala (Blyth 2009). Convergencia de modelos hidrolgicos y de la superficie de la tierra en un nuevo

generacin de modelos de hidrologa de la superficie terrestre que combina lo mejor de ambos tipos de modelo se estudia, por ejemplo, en el proyecto WATCH UE (Blyth 2009). Hasta

esto se convierte en la realidad, las limitaciones de GCM- y escorrenta RCM-simulado

significa que fuera de lnea modelizacin hidrolgica (documentos I-V) sigue siendo el

principal herramienta para las evaluaciones del impacto del cambio climtico hidrolgico.

1.3.1 Perspectiva histrica

Las primeras formulaciones matemticas, relativas a la escorrenta de lluvia se desa-

frmulas empricas OPED en el siglo 19 y estos eran como la ra-

mtodo cional para el pico de estimacin de inundaciones (por ejemplo Beven 2001; Kokkonen 2003).

10

Mtodos basados en procesos ms realistas para predecir los picos de inundacin fueron desa- desa- en la dcada de 1930 con el concepto hidrograma unitario (Sherman 1932), que

ms tarde lleg a ser ampliamente utilizado (Ward 1978; Kokkonen 2003). En su forma actual, modelizacin hidrolgica se inici en la dcada de 1960, cuando emerge ordenadores primero permitido el uso de modelos de simulacin para los anlisis hidrolgicos (por ejemplo, el

Standford modelo de cuenca por Linsley y Crawford 1960). Estos primera hi-

modelos Hidrolgico eran modelos conceptuales, que se desarrollaron en numerosos

variantes durante las siguientes dcadas (Beven 2001). A pesar de la desarrollo

cin de los modelos distribuidos basados ms detallados y fsicamente (Beven

2001), los modelos conceptuales son todava de uso comn tanto en los estudios de hidroelctrica impactos lgicos (por ejemplo Andrasson et al 2004;.. Van Pelt et al 2009), y en

prediccin operativa (por ejemplo, en Suecia, Noruega, Finlandia, Rohr y Huse-

Adis 2005; Vehvilinen et al. 2005; Arheimer et al. 2011). Hoy en da el nmero

de diferentes modelos hidrolgicos es considerable y que van desde la simple

agrupado modelos conceptuales a lo complejo distribuido totalmente basado fsicamente

modelos (Beven 2001).

Modelacin hidrolgica en Finlandia comenz en serio durante los aos 1970 y

1980 (Kuusisto 1977; Virtanen 1977; Virta 1978; Vakkilainen y Karvonen

1980; Vehvilinen 1982; Karvonen 1988). Actualmente modelado hidrolgico

se aplica, por ejemplo, en previsin de inundaciones (Vehvilinen et al. 2005), el modelado de procesos hidrolgicos (por ejemplo Koivusalo 2002; Kokkonen 2003; Laine-Kaulio

2011), el modelado de los ciclos de nutrientes (por ejemplo Huttunen et al. 2008; Rankinen et al. 2009; Ronkanen y Klve 2009) y el modelado de las aguas superficiales hi-

drodynamics y la calidad del agua (por ejemplo, Virtanen et al 1998;. Virtanen 2009;

Lepist et al. 2008; Huttula et al. 2010). Las patas delanteras hidrolgico nacional

sistema de fundicin de Prediccin de cuencas Simulacin y (CMSA,

Vehvilinen 1982) est desarrollado y operado en el finlands Ambiente

Instituto Ambiente (SYKE). Adems de prediccin y advertencias de inundacin del

WSFS tambin se utiliza para fines de investigacin (Vehvilinen y Huttunen 1997;

papeles (I-V))

El modelo hidrolgico CMSA es del VHB (hydrologiska Byrns IVA-

tenbalansavdelning) tipo de modelo. El modelo HBV es un modelo conceptual

desarrollado por primera vez en Suecia en la dcada de 1970 (Bergstrm 1976). Con su varios

versiones sigue siendo un tipo de modelo popular usado ms comnmente en la Noruega

pases DIC (Suecia, Noruega, Dinamarca, Finlandia e Islandia)

(Vehvilinen y Huttunen 1997; Andrasson et al 2004;. Beldring et al.

2008), pero tambin en muchas otras partes del mundo (Booij 2005; Akhtar et al.

2008; Steele-Dunne et al. 2008; van Pelt et al. 2009). Su campo de aplicacin

oscila entre la prediccin de crecidas operativa (Rohr y Husebye 2005;

Vehvilinen et al. 2005; Arheimer et al. 2011) a la investigacin incluyendo hidroelctrica

estudios sobre el cambio climtico lgica (Vehvilinen y Huttunen 1997; Andreas-

11

son et al. 2004; Booij 2005; Akhtar et al. 2008; Beldring et al. 2008; Steele-

Dunne et al. 2008; van Pelt et al. 2009).

El beneficio de modelos hidrolgicos conceptuales en comparacin con el ms

fsicamente modelos basados es la necesidad de relativamente poca informacin de entrada

y un funcionamiento rpido y fcil (Uhlenbrook et al. 1999). Esto es beneficioso es-

cialmente en prediccin operativa, donde se simulan grandes reas en

tiempo real. Sin embargo, los modelos hidrolgicos conceptuales son a menudo

overparameterized con un mayor nmero de parmetros que pueden ser deter-

minadas en funcin de las observaciones disponibles y con intercorrelacin BE-

parmetros Tween (Uhlenbrook et al. 1999). Esto conduce a equifinalidad en el

identificacin de los valores de los parmetros, es decir, muchos conjuntos diferentes de parmetro valores producen simulaciones razonables (Beven 1996; Beven 2001). Tiene

ha argumentado que los modelos basados en la fsica han basado fsicamente ms

valores de los parmetros que pueden estimarse con mayor fuerza desde la captacin

caractersticas que los valores de los parmetros de los modelos conceptuales (Beven

1996). Sin embargo, incluso los modelos ms fsicamente basado se basan en ag-

Congregacin de las teoras de pequea escala a escala de captacin y sufren de una falta

de los datos en escala espacial y temporal adecuada, y as tener la misma

problemas de tener que depender de la calibracin del modelo y equifinalidad del pa-

rmetros (Beven 1996; Beven 2001).

Los estudios de impactos del cambio climtico sobre la hidrologa con modelos hidrolgicos

comenz en serio en la dcada de 1980 (N mec y Schaake 1982; Gleick 1986; Ar-

nell y Reynard 1989; Kuchment et al. 1989), aunque las evaluaciones de

relaciones con el agua climtico haban llevado a cabo mucho antes (por ejemplo Lang-

Bein et al. 1949). Desde el principio, el modelado hidrolgico era la principal herramienta

en la estimacin de los impactos del cambio climtico sobre la hidrologa, aunque temporal y

analogas espaciales y relaciones de regresin entre el clima y la hidrologa

ga tambin se utilizaron en la dcada de 1980 (IPCC, 1990). Los primeros estudios se limitaron por la falta de escenarios climticos fiables a escala adecuada (IPCC 1990)

y se utiliza ya sea escenarios hipotticos basados en la opinin de expertos, sensibilidad

anlisis dad (N mec y Schaake 1982) o los pocos escenarios GCM para dou-

bling de dixido de carbono (CO2) concentraciones disponible de la dcada de 1980 situ

salas (IPCC 1990; BULTOT et al 1992;.. Varis et al 2004).

Durante la dcada de 1990 el nivel de confianza en las estimaciones del cambio climtico

mejorado con el aumento de los conocimientos cientficos acerca de los conductores y

evaluaciones del cambio climtico y mejores modelos del clima (IPCC 2001; IPCC

2007a). Como consecuencia de estudios de impacto del cambio climtico en la hidrologa BE-

lleg cada vez ms comn (por ejemplo, Arnell y Reynard 1996; Wood et al.

1997; Vehvilinen y Huttunen 1997; Arnell 1999). Con el aumento de

escenarios climticos disponibles para perodos de tiempo en el futuro (por ejemplo, para 2070- 2099), el uso de varios escenarios climticos se convirti en la forma ms comn

12

de la estimacin de los impactos del cambio climtico sobre la hidrologa durante la dcada de 1990 (Varis et al. 2004). Durante los ltimos 20 aos el nmero de estudios ha aumentado

y los mtodos utilizados en las evaluaciones de impacto hidrolgicos se han convertido en

ms y ms sofisticados (ver la siguiente seccin 1.3.2).

En Finlandia los primeros impactos del cambio climtico sobre los estudios de modelado hidrologa

ga se llevaron a cabo en los aos 1980 y 1990 (Vehvilinen y Lohvansuu

1991; Huttula et al. 1992; Vehvilinen y Huttunen 1997; S lthun et al.

1997). En la investigacin del siglo 21 en la modelizacin hidrolgica del clima

los impactos del cambio en Finlandia se ha expandido; varios estudios sobre el cambio climtico y los recursos hdricos se han llevado a cabo (por ejemplo Beldring et al 2006.;

Schneiderman et al. 2009; Perrels et al. 2010; papeles (I-V)). La investigacin

contribuciones en Finlandia se han centrado principalmente en las aplicaciones prcticas,

tales como cambios en la produccin de energa hidroelctrica (Fenger 2007) y diseo va-

ues de presas (papel I).

1.3.2 impactos del cambio climtico sobre la hidrologa

Los controladores climticos ms importantes de la hidrologa y la disponibilidad de agua son temperatura, las precipitaciones y la evaporacin (2007b IPCC). En el re- seca

regiones en las latitudes medias, donde disminuye la precipitacin se proyectan, significan

Se espera que la escorrenta anual a disminuir (Milly et al 2005;. 2007b IPCC). En

Por otro lado, el aumento de la escorrenta media anual se estima para las reas

con el aumento de las precipitaciones en las latitudes altas y en algunas tropical hmeda

reas (Milly et al 2005;. 2007b IPCC). Los cambios en la temperatura del aire puede

provocar cambios significativos en la estacionalidad de las zonas con hi- dominado por la nieve drology (por ejemplo Lettenmaier et al 1999;.. Bates et al 2008; Kundzewicz et al.

2008).

Los impactos del cambio climtico sobre la hidrologa se han cuantificado en numerosas

estudios que utilizan modelos hidrolgicos (Arnell 1999, 2003; Lettenmaier et al.

1999; Prudhomme et al. 2003; Bates et al. 2008; Dankers y Feyen 2008;

Wilby et al. 2008). El enfoque tradicional para estudiar el cambio climtico

impactos sobre la hidrologa es la comparacin de los resultados de modelo hidrolgico para el futuro perodos de tiempo en contra de los resultados para un perodo de control pasado (por ejemplo Arnell 1999; Prudhomme et al. 2003; Schneiderman et al. 2009). Los ms comunes

mtodo en los estudios de impacto del cambio climtico en el pasado ha sido el delta

enfoque de cambio (seccin 3.2.1), en el que observ variables meteorolgicas

para el perodo de control estn perturbados acuerdo con los cambios proyectados en

estas variables de escenarios climticos, por lo general como cambios medios mensuales

(Por ejemplo Arnell 1999;. Hay et al 2000;. Prudhomme et al 2003).

La resolucin espacial de los MCG (actualmente 110-250 km) se considera

ser demasiado grueso para las salidas directas para ser utilizados en AS impacto hidrolgico

13

sessments sobre captacin escala (Hay et al 2002;. Daz-Nieto y Wilby

2005; Fowler et al. 2007; Leander y Buishand 2007). Por lo tanto diferente

mtodos de hacer downscaling los resultados a escalas apropiadas han sido desa-

desa-. Los mtodos se pueden clasificar en dos grupos: abajo dinmico

de escala y la reduccin de escala estadstica (Fowler et al. 2007). En dinmica

reduccin de escala, un Modelo Climtico Regional (MCR) o rea Limited Modelo

(LAM) de mayor resolucin espacial est configurado para una regin (Hay et al. 2002).

MCR utilizar condiciones de contorno de los MCG, pero capturar geogrfica

detalles con mayor precisin que los MCG (Hay et al. 2002). Los mtodos de estadstica

reduccin de escala a establecer relaciones entre las variables climticas a gran escala

y las variables climticas de superficie locales y van desde simples met estadstica

SAO generadores climticas complejas y esquemas de tipificacin tiempo (revisin por

Fowler et al. 2007).

Hasta hace unos aos la escasa disponibilidad del clima a escala reducida de forma dinmica

escenarios y sesgos en estos escenarios condujeron al enfoque de cambio delta

(Seccin 3.2.1) es la opcin preferida en la mayora de los estudios de impacto (Mearns

2003; Fronzek y Carter 2008). En este enfoque el futuro (por ejemplo, 2070-2099)

y segmentos de tiempo del perodo de control, que tanto se supone que son estacionarios

dentro de los plazos, se comparan entre s. En los ltimos aos la disponibilidad

capacidad de los resultados de la CRM con diferentes modelos de circulacin general de conduccin ha mejorado. Cuencia consiguiente un nmero de estudios han aparecido describir mtodos para corregir

el sesgo RCM y utilizar los datos de la CRM directamente como entrada a la hidrolgica

modelo (Hay et al 2002;. deque 2007; Leander y Buishand 2007; Piani et

al. 2010; Yang et al. 2010). En Europa el proyecto ENSEMBLES (Hewitt

2005; van der Linden y Mitchell 2009) y su archivo de datos es vital en

haciendo conjuntos de escenarios RCM transitorios disposicin de los cientficos. Con

los datos disponibles de la CRM, largas simulaciones hidrolgicas transitorios hasta el

final del siglo 21 ahora puede llevarse a cabo (por ejemplo Minville et al. 2010).

Hasta ahora solamente unos pocos estudios (Minville et al 2010;. Kay y Jones 2012) tienen

examinado largos escenarios hidrolgicos transitorios continuas. En papel (V),

Resultados RCM diarias de temperatura y precipitacin estn sesgo corregidos y

utilizado como entrada para el modelo hidrolgico con el fin de simular y analizar

escenarios hidrolgicos transitorios, por primera vez en Finlandia.

Las razones detrs de los cambios en el escurrimiento pueden ser mejor entendidos por ex

amining los cambios en los componentes del balance hdrico. Los cambios en la precipitacin

cin, la evapotranspiracin potencial, la evapotranspiracin, la acumulacin de nieve

y derretir, as como la humedad del suelo contribuyen a los cambios de escorrenta. El im-

portancia de cada proceso para la formacin de escorrenta y su fu- la proyectada

cambios tura se pueden estudiar con modelos climticos y modelacin hidrolgica

ling (papel V). Kjellstrm y Lind (2009) informaron que la hidrolgica

ciclo en el sueco RCM RCAO se intensific y dio lugar a un 15-20%

14

aumentos en las precipitaciones, la evaporacin y la escorrenta para el drenaje del Mar Bltico cuenca edad a finales de siglo.

Adems de la necesidad directa de informacin sobre futuros cambios en la hidrologa

y las inundaciones, se necesitan escenarios hidrolgicos en un anlisis ms detallado de la posible impactos causados por el cambio climtico en las zonas de inundacin inundaciones (papel IV; Lane et al. 2007); el transporte de sedimentos (papel II; Lane et al., 2007), de nutrientes

el transporte y la calidad del agua (Wilby et al 2006;. Tu 2,009) y la ecologa

(Murray-Hudson et al., 2006). Los impactos indirectos del cambio climtico en los

la calidad del agua y los impactos posteriores sobre la ecologa pueden ser sustanciales (Euro- Agencia Ambiental Europea 2007) y puede ser an mayor y ms impor-

tante que los cambios en la cantidad.

La adaptacin al cambio climtico es otro tema que ha ganado recientemente

impulso, ya que se ha hecho ms evidente que, a pesar de los intentos de

mitigar los impactos a travs de reducciones previstas de emisin de gases de invernadero

siones, algunas calentamiento adicional tendr lugar inevitablemente (Ambiente Europea

Agencia cin 2007). Lago y la regulacin del depsito es un campo en el que ajus-

medidas aptacin se pueden implementar. El cambio climtico simulacin hidrolgica

ciones y la evaluacin del impacto en los lagos o embalses regulados han sido

realizado sobre todo en las cuencas muy modificadas, donde ya sea el agua

alimentacin o la energa hidroelctrica tiene un papel importante (Lettenmaier 1999; Christensen y Lettenmaier 2007; Hingray et al. 2007; Fowler et al. 2007; Minville et al.

2009; Pulido-Velzquez et al. 2011). Estudios de lagos naturales con hidro

las condiciones meteorolgicas relativamente similares a las de Finlandia han sido

llevado a cabo en los grandes lagos de Suecia (Bergstrm et al. 2006) y en el

Grandes Lagos de Amrica del Norte (Hartmann 1990; Lee et al., 1997). Sin embargo,

Condiciones hidrolgicas de Finlandia con su gran nmero de lagos, muchos de

ellos conectados a travs de complejos sistemas de cursos de agua, y el lago regulacin

permisos lacin y normas en Finlandia producen una situacin especial que tiene

antes no ha estudiado adecuadamente. Los estudios detallados sobre el impacto de

cambio climtico en la regulacin del lago estn, por tanto, muy necesario en

Finlandia (papel III).

1.3.3 impactos del cambio climtico en las inundaciones

Las inundaciones causan grandes prdidas econmicas en todo el mundo, y aunque Finlandia es entre las zonas vulnerables de mnimos para las inundaciones en Europa (Schmidt-Thom et

al. 2006), los daos econmicos de inundaciones extremas en Finlandia todava puede

ser considerable (Ollila et al. 2000). Los daos promedio de inundacin en Finlandia

son ms bien pequeas, de menos de un milln de euros al ao, pero en 2004 el dao

las edades de las inundaciones fluviales eran ocho millones de euros y en 2005 cinco millones Euros (Tulvariskityryhm 2009). Se estima que una inundacin extrema

15

con un perodo de retorno de 250 aos causara daos de 662 millones Eu-

ros (cambia a 2,011 valor), aunque esta inundacin no se producira a lo largo

el pas, al mismo tiempo (Ollila et al. 2000). Timonen et al. (2003)

enumerado 69 zonas de riesgo de inundacin en Finlandia, donde los daos considerables tienen ocu- ducido y 30 zonas de inundacin, donde el hielo y hielo presas frazil frecuencia causan

daos por inundacin.

El cambio climtico puede potencialmente llevar a aumentar o disminuir en

inundaciones en Finlandia. Las inundaciones pueden aumentar debido a los aumentos esperados en tanto precipitacin y sus intensidades extremas en el norte de Europa (Benis- significara

ton et al. 2007; IPCC 2007a), mientras que la disminucin de espesores de nieve puede conducir a la disminucin de las magnitudes de las inundaciones en las regiones dominadas por las inundaciones deshielo (Booij 2005; Dankers et al., 2007). La respuesta de captacin para el clima

cambio puede variar sustancialmente dependiendo del clima y de captacin de corriente

caractersticas fsicas (Arnell y Reynard 1996).

Los impactos del cambio climtico en las inundaciones se han estudiado en muchas regiones (Si-

monovic y Li 2004; Akhtar et al. 2008; Bates et al. 2008; Kiem et al.

2008), con la mayor proporcin de los estudios publicados en Europa y

Amrica del Norte (Andrasson et el 2004;.. Graham et al 2007a; Lenderink et

al. 2007; Minville et al. 2008; Kay et al. 2009). La mayora de los estudios se han centrado

en las cuencas de estudio de casos individuales o algunas cuencas con tamaos que varan

desde pequeos arroyos (~ rea de influencia de 10 km2, por ejemplo Cameron et al. 2000) a

las cuencas de importancia regional de los principales ros como el ro

Rin (185 000 km2, Lenderink et al. 2007) o el ro Colorado (630 000

km2, Christensen y Lettenmaier 2007). Los estudios llevados a cabo durante el

ltima dcada han proyectado aumenta en frecuencia por ejemplo inundaciones En el Reino Unido (. Reynard et al 2001; Prudhomme et al 2003;. Fowler y Kilsby 2007), en

Columbia Britnica en Canad (Loukas et al. 2002) y en Dinamarca (Thodsen

2007). Sin embargo, los estudios en otras regiones como Irlanda (Steele-Dunne et

al. 2008) y los ros Rin y Mosa (Menzel et al 2006;. Leander et

al. 2008) reportaron resultados variables dependiendo de escenario climtico y

captacin. Tanto el aumento y la disminucin de las inundaciones durante el prximo siglo

se han proyectado en los pases nrdicos (Andrasson et al 2004;. Gra-

jamn et al. 2007a; Beldring et al. 2008).

Estudios Continental escala sobre los impactos del cambio climtico en las inundaciones han sido

llevado a cabo para producir una visin general en Europa (Lehner et al., 2006;

Dankers y Feyen 2008; 2009). Dankers y Feyen (2008, 2009) encontr

sobre todo la disminucin de las inundaciones en Finlandia y sus alrededores antes de finales de siglo, mientras que Lehner et al. (2006) estimaron un aumento de las inundaciones

riesgo en Escandinavia y Finlandia. Los resultados contradictorios de Finlandia espectculo

que los resultados a gran escala no son necesariamente fiable en menor escala. Grande

modelado de escala incluye simplificaciones de los procesos y Propie- captacin

16

propie- ya menudo tiene menos datos disponibles de estudios en menor escala. La

falta de fiabilidad de las estimaciones a gran escala y las diferencias entre hidroelctrica

condiciones lgicas en Finlandia en comparacin con otras regiones proporcionan una fuerte

motivacin para estimar los impactos del cambio climtico sobre las inundaciones en el nacional y escala local en Finlandia (trabajos I, II, IV). Estimaciones hasta ahora en todo el pas

slo se han llevado a cabo en algunos pases (por ejemplo, en Noruega por Lawrence

y Hisdal 2011).

Mtodos especiales para modelar las magnitudes de inundaciones y el cambio climtico inducido

cambios en las inundaciones muy extremos se han desarrollado, ya que estos extrema

inundaciones son importantes para la seguridad de las presas y otras infraestructuras. La

los mtodos ms comunes para la estimacin de inundacin son los mtodos estadsticos, especial- anlisis de frecuencia de inundaciones cialmente (Ward 1978, Harlin 1992). Frecuencia de crecidas anlisis es fcil de aplicar, pero incluye grandes incertidumbres en la eleccin

de la distribucin de frecuencias, especialmente cuando se extrapolan a extremo

inundaciones (Harlin 1992). Adems, no puede producir los hidrogramas de crecida

necesaria para presas con reservorios, y es dependiente de la disponibilidad de

observaciones de buena calidad (Harlin 1992). Otro mtodo para la estimacin de

inundaciones extremas es simulacin continua (Cameron et al 2000;. Blakov

Beven y 2004), en la que largas secuencias de la precipitacin y la temperatura del aire

tura hasta miles de aos se generan con un generador de tiempo y

la secuencia de descarga correspondiente se simula. Un comnmente utilizado

mtodo es el enfoque determinista, en el que los factores generadores de inundaciones son

maximizados y un hidrograma unitario o modelo hidrolgico se utiliza para simular

la inundacin resultante (Harlin 1992). Uno de los mtodos ms comunes es

estimar la Precipitacin Mxima Probable (PMP) y convertir PMP

junto con otras condiciones de captacin crticos como el deshielo y

saturado los suelos a un hidrograma de crecida, es decir, la Avenida Mxima Probable

(PMF) (Ward et al 1978;. Harlin 1992). Un enfoque determinista, alguien

lo similar al procedimiento PMF y basado en combinacin crtica de

evento de diseo precipitacin y otros factores de generacin de inundacin, tambin se utiliza en diseo de la presa en Suecia (Fldeskommittn 1990; Andrasson et al., 2007;

Swedenergy et al. 2007). Esta metodologa tambin es apropiado para Finlandia

condiciones y, por tanto, una metodologa similar fue utilizado en Finlandia para ES-

impactos timate del cambio climtico en las inundaciones de diseo de presas de alto riesgo (pacientes por I).

Estimacin del cambio climtico inducido cambios en la hidrologa y sobre todo en

inundaciones incluye grandes incertidumbres de varias fuentes. Estos tidumbre

lazos y sus magnitudes relativas pueden ser cuantificados usando probabilstica

enfoques (Minville et al 2008;. Kay et al 2009;. Prudhomme y Davies

2009), pero en muchos estudios de estas incertidumbres se cuantificaron no en absoluto. En

menos algunas de las incertidumbres ms importantes deben ser considerados en la AS-

17

eva- la confianza unido a las proyecciones hidrolgicas y la posesin

ble variabilidad en los efectos del cambio climtico (seccin documentos de IV y V

4.6).

1.4 Objetivos

En esta tesis un modelo hidrolgico se utiliza para estimar el cambio climtico im-

pactos sobre la hidrologa y las inundaciones en Finlandia. El objetivo es evaluar el ceso

Esses, caractersticas y mtodos que el impacto hidrolgico de captacin

respuesta al cambio climtico, y para ganar la comprensin y perspectiva sobre

cambios de escala nacional y regional proyectadas en Finlandia.

Los objetivos especficos son:

1) Para cuantificar los cambios proyectados causados por el cambio climtico en hidroelctrica

procesos lgicos y balance de agua en un ambiente boreal, incluyendo

ing cuencas con las rutas del lago, y para comprender los conductores y

la importancia de los diferentes procesos (III, IV, V)

2) Para estimar los cambios en las inundaciones de diferentes perodos de retorno causadas por

cambio climtico (I, II, IV) con diferentes mtodos

3) Desarrollar y comparar los mtodos utilizados para transferir la seal climtica

desde el modelo climtico con el modelo hidrolgico (I, IV, V)

4) Evaluar las posibilidades de adaptacin al cambio climtico a travs de

cambios en la regulacin del lago (III)

5) Evaluar y cuantificar las incertidumbres involucradas en parte hidrolgica

cos estudios de impacto sobre el cambio climtico (IV, V)

La tesis ofrece una perspectiva nacional sobre el cambio climtico hidrolgico

impactos en Finlandia con los ltimos mtodos y escenarios climticos. Un off

lnea de modelo hidrolgico conceptual se utiliza para estas evaluaciones. Climtico

y las condiciones hidrolgicas en Finlandia son bastante singular debido a la ubicacin

de Finlandia en la zona de transicin entre el martimo y el clima continental

aparearse regiones, variando los tipos de suelo y miles de lagos naturales conectados

(Vakkilainen y Karvonen 1980). As, los impactos del cambio climtico sobre la hi-

drology y las inundaciones en Finlandia justifican estudios especficos que se pueden comparar contra estudios similares anteriores de otros pases (por ejemplo Andrasson et el.

2004; Beldring et al. 2008; Minville et al. 2009).

La tesis y los trabajos (I-V) incluyen varios temas que no tienen

previamente han estudiado en Finlandia, como la estimacin del cambio climtico

cambios inducidos en las magnitudes de inundacin (documentos I, II y IV) y el uso y

anlisis de escenarios hidrolgicos transitorios producidos a partir de sesgo directa correlacin rected RCM datos (papel V). Hasta la fecha, los escenarios climticos transitorios y el sesgo

18

correccin necesaria para reproducir la hidrologa observada en el control

perodo que no han sido ampliamente estudiado en condiciones boreales. Escala nacional

evaluacin de los impactos del cambio climtico en las inundaciones extremas utilizar como diseo de la presa inundaciones (papel I) es tambin un tema sobre el cual slo los estudios limitados han sido

publicado hasta el momento.

Los resultados aumentan nuestro conocimiento de las cuestiones regionales relativas boreal

condiciones y subrticas, como respuesta al cambio climtico de captacin

con respecto a las caractersticas de captacin y mecanismos de produccin de las inundaciones. La comparacin de los resultados de los cambios en las inundaciones (papel iv) durante la

prximo siglo con las estimaciones a escala continental para los cambios en las inundaciones (Lehner et al. 2006; Dankers y Feyen 2008; 2009) se puede utilizar para proporcionar una visin

a la fiabilidad de las estimaciones a gran escala en la escala ms pequea. Diferente met

SAO de tomar en cuenta el cambio climtico se utilizan y se comparan y su

Se discuten las ventajas y limitaciones.

Slo inundaciones fluviales causadas por el deshielo, la lluvia o la combinacin son

estudiado en esta tesis. Impactos del cambio climtico en las inundaciones causadas por el mar la elevacin del nivel, inundaciones urbanas en pequea escala y mermelada de hielo y las inundaciones son cristales de hielo ms all del alcance de esta tesis, a pesar de los cambios en estas inundaciones debido

al cambio climtico puede ser importante. Aunque la tesis incluye algunos

estimacin de las incertidumbres sobre todo de los modelos climticos, la sistemtica

cuantificacin de las principales incertidumbres involucradas en el clima hidrolgico

cambiar la evaluacin del impacto que requerira estudios enteras con por ejemplo, re-

toma de muestras y anlisis de Monte-Carlo (Minville et al. 2008; Steele-Dunne et

al. 2008; Prudhomme y Davies 2009), est fuera del alcance de esta tesis.

19

2 Materiales y cuencas de estudio

2.1 Clima e Hidrologa en Finlandia

La clasificacin climtica de Kppen-Geiger coloca Finlandia en la clase de fro

climtico sin estacin seca (DF) y la mayor parte del pas a la subclase

con veranos fros (DFC), mientras que la zona costera en el sur de Finlandia cae

dentro de los veranos clidos (DFB) sub-clase (por ejemplo, Peel et al. 2007). En 1971-

2000, la temperatura media anual del aire vara de 5 C en el sur-

costa occidental y land a -2 C en el norte de Laponia (Drebs et al., 2002;

Fig. 4a). El gradiente de temperatura desde el norte hasta el sur de Finlandia, o

70-60 grados de latitud, puede ser fuerte, especialmente en invierno. La

invierno trmica dura en promedio de 100 das en el suroeste de Finlandia,

mientras que en el norte de Finlandia tiene una duracin de 200 das (Vehvilinen y Huttunen 1997; Drebs et al. 2002).

La (sin corregir) promedio suma precipitacin anual observada en 1971-

2000 vari de 350 mm en el norte de Laponia a alrededor de 700 mm de

sur y centro de Finlandia (Fig. 4b, Drebs et al. 2002). Promedio anual

rangos mximos equivalentes agua de nieve de menos de 100 mm en el

costa sur a ms de 220 mm en el sur de Laponia (Fig. 5a). Evaporacin

racin es ms grande en el sur de Finlandia debido a la temporada de crecimiento ms larga (Fig. 5b), y por lo tanto la escorrenta media (Fig. 5c) vara menos que la precipitacin media,

200-450 mm por ao (Mustonen 1986; Korhonen y Kuusisto

2010). El gradiente latitudinal, el clima martimo del Atlntico

Ocano y el clima continental de Eurasia, el mon- escandinava

gama tain y el Mar Bltico toda impacto del clima en Finlandia (Atlas de

Finlandia 1987; Kyhk 2004).

Los principales tipos de uso del suelo en Finlandia son de bosques (68%), lagos (10%), abierta

reas tales como las turberas (10%), las tierras agrcolas (8%) y la tierra construida

y carreteras (4%) (Tilastokeskus 2002). Finlandia tiene abundantes recursos hdricos

con la quinta mayor cantidad de agua disponible per cpita en Europa, AP

madamente 19 000 m3 / hab / ao en 2001 (Europea de Medio Ambiente

Agencia de 2005). Finlandia se puede dividir en tres regiones hidrolgicas:

cuencas en la zona del lago en el centro de Finlandia, tamao pequeo y mediano

ros costeros y grandes y medianas ros tamao del norte de Finlandia (Fig.

20

6a) (Mustonen 1986; Korhonen y Kuusisto 2010). La misma divisin es

ampliamente seguido por la topografa, tipos de suelo y uso de la tierra, con boscosa, montaosa hasta cubiertas de zonas en el norte, las zonas planas de arcilla con una alta proporcin de la agricultura terrenos cultural cerca de la costa y bosques hasta las zonas de lagos en el centro

Finlandia. Las zonas de captacin en la zona del lago se caracterizan por numerosos

lagos. Finlandia tiene 187 888 lagos con una superficie de al menos 0,05 ha y 2606

lagos con un rea de ms 1,0 km2.

Figura 4. a) Temperatura media anual del aire (C) yb) promedio anual uncor-

suma rected precipitacin (mm) en 1971-2000. (Instituto Meteorolgico de Finlandia

2011c)

Figura 5. a) Promedio anual mxima equivalente en agua de la nieve, b) promedio anual

suma evaporacin y c) promedio suma escorrenta anual en Finlandia (Mustonen 1986).

21

El ciclo estacional en la hidrologa en Finlandia es generalmente fuerte (Figura 6b-d.);

nieve se acumula durante el invierno y se derrite en primavera, causando un aumento en

escorrenta. Las lluvias de otoo causan otro aumento en la escorrenta, que suele ser

sustancialmente menor que el pico de la primavera. Este ciclo estacional es especialmente

fuerte en el norte de Finlandia (Fig. 6b), pero tambin en los pequeos lagos de aguas arriba

y ros de la zona norte del lago y en los ros de la costa septentrional.

En estas reas la mayora, si no todas, de las inundaciones anuales mximas son causados por el deshielo de primavera. Ms al sur, en los ros costeros grandes inundaciones pueden ser

causada por cualquiera de deshielo o eventos de lluvia intensa (Fig. 6d). En el sur y

temperatura del aire suroeste de Finlandia en invierno es bastante frecuencia por encima de 0 C y por lo tanto el deshielo y las inundaciones durante el invierno no son infrecuentes (Fig.

6d). Dado que las zonas de captacin en la zona costera son pequeas con baja lago per-

porcentaje, las variaciones de descarga son grandes y rpidos, y las dos sequas

y las inundaciones son comunes (Fig. 6d, Korhonen y Kuusisto 2010). En el lago

zona, la gran capacidad de almacenamiento de los numerosos lagos suaviza el mar-

variaciones de descarga personales (Fig. 6c). En los grandes lagos centrales y su salida

corrern ros inundaciones son a largo duraderos altos flujos causados por cualquiera prolongada fuertes lluvias o deshielo de la capa de nieve profunda, o ambos (Mustonen 1986). Debido a

la gran almacenamiento Capacidades estas inundaciones se generan lentamente anfiteatro

cantidades de exceso de agua en contraste con picos de inundaciones a corto plazo en las zonas con volumen menor superficie de almacenamiento de agua (Mustonen 1986).

Figura 6. a) las regiones hidrolgicas y las principales cuencas en Finlandia y b-d)

ejemplo hidrogramas de las regiones hidrolgicas en Juutuanjoki (b, Norhern

ros), Nilakka (c, zona del lago) y Hypistenkoski (d, ros costeros). Los grficos muestran

la media (lnea continua) y mximo (lnea discontinua) observ descarga diaria

durante 1971-2000.

22

2.2 Observaciones

La temperatura del aire y precipitacin observaciones del finlands Mete-

orological Instituto se utiliza como entrada para el modelo hidrolgico WSFS

(Seccin 3.1). Esto incluy en 2010 aproximadamente 190 estaciones con el diario

observaciones de temperatura a 2 m de altura y 250 estaciones con precipitacin

observaciones. Observaciones adicionales de 11 de temperatura y 16 precipi-

estaciones de observacin tacin en Noruega, Suecia y Rusia fueron proporcionados por

Instituto Meteorolgico de Noruega, el Sueco de Meteorologa e

Instituto Hidrolgico y el Centro Hidrometeorolgico de Rusia y

fueron utilizados como entrada del modelo en las cuencas transfronterizas. Temperatura del aire Daily observaciones peratura y precipitacin fueron utilizados como entrada de la simulacin

ciones para 1961-2000 o 1971-2000 (documentos I-IV) y en la calibracin de

el modelo para 1986-2009 o 1981-2008.

Otros datos utilizados en este estudio fueron la observacin de descarga y nivel de agua

ciones, las observaciones de agua equivalente nieve de cursos nieve, Clase A

pan mediciones de evaporacin, y los datos de satlite sobre el alcance de la

nieve rea cubierta. Estos datos fueron utilizados en la calibracin de la hidro-

WSFS modelo lgico. En 2010 haba 295 estaciones de observacin de descarga

y 410 estaciones de observacin del nivel del agua en Finlandia con los datos continuos sobre

una escala diaria. El nmero de cursos para la nieve, donde la profundidad de la nieve y la nieve Se midieron equivalente en agua, fue de 150 y el nmero de la Clase A sartn

sitios de medicin fue de 10.

Las redes de medicin son ms densos en Finlandia meridional y central

que en el norte. Precipitacin medir los errores, que son especialmente grande

para la precipitacin slida (por ejemplo Frland et al., 1996), fueron tomadas en cuenta por

factores de correccin separadas para la precipitacin slida y lquido en la hidroelctrica

modelo lgico WSFS (Vehvilinen et al., 2005). Fuentes de incertidumbre en la

observaciones incluyen, por ejemplo el error de medir las precipitaciones, modificaciones

a la red de observacin y el cambio del medidor precipitacin escribir sobre

los aos (Mustonen 1986), las deficiencias de la cobertura espacial de la

red de observacin de precipitacin, la extrapolacin de curvas de gasto a

altos niveles y descargas de agua, posibles aumentos en los niveles de agua debido a la

la acumulacin de hielo y el impacto de los niveles de agua de hielo en invierno, que se ajusta

con una reduccin del hielo (Korhonen 2007).

2.3 cuencas de estudio

La modelizacin hidrolgica se llev a cabo en la cuenca escala con la

mayora de las cuencas de estudio con reas entre 80 y 25 000 km2.

23

La cuenca ms pequea era 0,7 km2 en papel (I), mientras que el segundo

pequea rea de captacin fue de 66 km2 y los mayores de 61 000 km2. Descarga

se simul en ros o salidas lago por completo durante 98 Catch diferente

mentos, aunque la serie de descarga no eran todos independientes porque

algunas cuencas se encuentran dentro de las reas de drenaje de los dems.

Se utilizaron dos enfoques: estudios de caso utilizando uno a cuatro estudio Catch

mentos (papeles II, III y V) y modelado de un gran nmero de estudio captaciones

mentos para producir una visin general sobre la totalidad de Finlandia (documentos I y

IV).

2.3.1 presas alto riesgo (I)

Presas de alta peligrosidad (llamada categora 1-represas, anteriormente P-presas) son presas que causa el riesgo para la vida humana o la salud o el riesgo considerable y obvio para

la propiedad y el medio ambiente en el caso de rotura de la presa (Ministerio de Agricul-

tura y Bosques 1997; Maijala 2010). Los impactos del cambio climtico en el diseo

inundaciones de presas de alta peligrosidad fueron estudiados en papel (I), que incluyen 34

presas de alto riesgo ubicados en diferentes partes de Finlandia (Fig. 7a). Esta in-

incluye todas aquellas presas de alta peligrosidad en Finlandia en 2006 para que el diseo de inundaciones es un criterio de diseo relevante para la seguridad de la presa. Presas de residuos, donde

ros no interactan con los embalses, fueron excluidos. El mayor Catch

rea cin de una presa de peligro es de 61 071 km2 en la presa Imatrankoski. Soy Un-

trankoski se encuentra en el ro Vuoksi y el rea de influencia es la Vuoksi

cuencas, la cuenca ms grande de Finlandia (Fig. 7a). El Catch ms pequeo

cin es de alrededor de un pequeo depsito de suministro de agua con un rea de captacin de 0,74 km2. La mayora de las presas (22 de 34) estn en conexin con un depsito o

lago que puede ser regulado por la presa, pero el 35% de las presas (12 de 34)

son la escorrenta de los ros-represas tipo con capacidades de