In our study we identify dominant hydroclimatic variables and large-scale patterns that lead to high streamflow events in the Santa Cruz, Salt, and Verde River in Arizona for the period 1979-2009 using Principal Component Analysis (PCA). We used winter (Nov - March) data from the USGS daily streamflow database and 11 variables from the North American Reanalysis (NARR) database, in addition to weather maps from the Hydrometeorological Prediction Center (HPC). Using streamflow data, we identify precipitation events that led to the highest 98th percentile of daily streamflow events and find dominant hydroclimatic variables associated with these events. We find that upper level winds and moisture fluxes are dominant variables that characterize events. The dominant mode for all three basins is associated with frontal systems, while the second mode is associated with cut-off upper level low pressure systems. Our goal is to provide forecasting agencies with tools to improve flood forecasting practices.

La variabilité climatique et les événements extrêmes associés comme le phénomène El Niño (ENSO) représentent les épisodes les plus difficiles à gérer dans le Versant Pacifique Péruvien. En outre, une préoccupation croissante sur la disponibilité en eau a lieu depuis les années 1970s. Une documentation approfondie des régimes de précipitations et des débits est un élément clé de tout plan de gestion de l'eau et notre recherche est la première étude sur la variabilité hydroclimatique à l'échelle mensuelle et annuelle dans la zone d'étude au cours des quatre dernières décennies (période 1970-2010). Tout d'abord, un traitement de base de données exhaustif a été effectué pour surmonter certaines limitations et notamment celles liées aux conditions géographiques des Andes. Deuxièmement, le régime des précipitations a été étudié avec une approche de régionalisation liée aux conditions de séries temporelles non stationnaires. Une méthode mixte associant la méthode des clusters k-means et la méthode du vecteur régional a été proposée. Neuf régions ont été identifiées avec des régimes homogènes de précipitation tenant compte d'un gradient latitudinal et altitudinal. Un bilan hydroclimatique a ensuite été fait à l'échelle de bassin versant, abordant la problématique du climat et de l'anthropisation et leurs influences potentielles sur les séries chronologiques hydroclimatiques. Le cadre théorique de Budyko-Zhang a été utilisé et a permis d'identifier 11 des 26 bassins versants à faible influence climatique et anthropique (i.e. des conditions quasi-naturelles). Le régime des débits a ensuite été étudié pour ces conditions et une extension pour l'ensemble des 49 bassins versants de la zone d'étude a été effectuée. Un modèle hydrologique régional est proposé via deux modèles conceptuels agrégés à l'échelle de temps annuelle et mensuelle (GR1A et GR2M respectivement). Un test d'échantillonnage différentiel (DSST) a été utilisé pour améliorer la robustesse de la modélisation par rapport aux conditions climatiques contrastées entre années sèches et humides dans les conditions semi-arides. Enfin, la portée de la thèse couvre (1) une revisite de la relation ENSO/précipitation en prenant en compte les neuf régions identifiées et de plusieurs indices ENSO afin de discriminer l'influence des deux types d'El Niño (El Niño du Pacifique Est EP et du Pacifique Central CP) ainsi que l'influence de la variabilité atmosphérique (i.e. l'oscillation Madden et Julian) et aux conditions océaniques régionales. La méthodologie proposée consiste en l'analyse des composantes principales, ondelettes et de cohérence, les corrélations glissantes et l'analyse de la covariance spatiale afin de mettre en évidence la modulation décennale significative du phénomène ENSO ainsi que sa croissance à partir des années 2000s où la relation ENSO/précipitations s'inverse par rapport à la décennie précédente. Les deux modes de co-variabilité dominants entre la température superficielle de la mer dans le Pacifique tropical et les neuf régions montrent des caractéristiques dominantes de l'influence de l'ENSO: une augmentation des précipitations sur les régions aval dans le nord pendant El Niño EP et une diminution des précipitations sur les régions amont le long des Andes lors des événements El Niño CP. (2) La sensibilité au changement hydroclimatique est explorée via l'analyse des tendances hydroclimatiques comme indicateurs de changement de l'hydroclimatologie régionale. Les résultats montrent un réchauffement important dans la zone d'étude avec une moyenne de 0,2°C par décennie. En outre, les changements dans les trajectoires dans l'espace de Budyko (i.e. direction et amplitude) ont révélé que six bassins versants étaient sensibles à la variabilité du climat (i.e. probablement avec une grande sensibilité au climat futur) et aux changements d'utilisation du sol et où les précipitations et la température sont les facteurs prépondérants du changement de ces environnements. / Climate variability and associated extreme events as El Niño phenomenon (ENSO) represent the most difficult episodes to deal with along the Peruvian Pacific slope and coast. In addition, a growing water concern takes place since seventies. In-depth documentation of precipitation and runoff regimes becomes a key part in any water management plan and this research offers the first hydroclimatic variability study at monthly and annual time step in the study area over the last four decades (1970?2010 period). First, an exhaustive database treatment was carried out overcoming some limitations due to Andean geographical conditions. Second, precipitation regime was studied with a regionalization approach under non-stationary time-series conditions. A combined process consisting in k-means clustering and regional vector methodology was proposed. Nine regions were identified with a homogeneous precipitation regime following a latitudinal and altitudinal gradient. Third, a hydroclimatic balance is done at catchment-scale addressing the issue of climate and anthropogenization and their potential influences over hydroclimatic time series. The theoretical Budyko-Zhang framework was used and allowed identifying 11 out of 26 catchments with both low climate and anthropogenization influence (i.e. unimpaired conditions). This hypothesis was verified with the use of land use and land cover remote sensing products as MODIS and LBA imagery. Then, runoff regime was studied under unimpaired conditions and an extension over 49 catchments of the Peruvian Pacific drainage was done. A regional runoff model is proposed via two conceptual lumped models at annual and monthly time scale (GR1A and GR2M respectively). A Differential Split-Sample Test (DSST) was used to cope with modelling robustness over contrasted climate conditions as dry and wet years according to the semi-arid conditions. These results also showed an increasing regional discharge from arid Peruvian Pacific coast towards the Pacific Ocean. Finally, the scope of the thesis covers (1) a revisitation of ENSO/precipitation relationship considering the regionalized precipitation and several ENSO indices in order to discriminate the influence of the two types of El Niño (the eastern Pacific (EP) El Niño and the central Pacific (CP) El Niño) as well as the influence of large-scale atmospheric variability associated with the Madden and Julian Oscillation, and of regional oceanic conditions. The proposed methodology consisting in principal component analysis, wavelets and coherence, running correlations and spatial covariance analysis, highlights the significant decadal modulation with the larger ENSO impact in particular in the 2000s, ENSO/precipitation relationship reverses compared to the previous decade. The two dominant co-variability modes between sea surface temperature in the tropical Atlantic and Pacific oceans and the nine regions show salient features of the ENSO influence: increased precipitation over downstream regions in northern Peru during EP El Niño and decreased precipitation over upstream regions along the Pacific slope during CP El Niño events. (2) The sensitivity to hydroclimatic change is explored by hydroclimatic trend analysis as changes indicators of regional hydroclimatology. According to significant upward trends in annual temperature found in all catchments, results showed a significant warming in the study area with a mean of 0.2°C per decade. Also, changes in trajectories in the Budyko space (i.e. direction and magnitude) over the 11 selected catchments revealed that six catchments were shown to be sensitive to climate variability (i.e. likely with high sensitivity to future climate) and land use changes, where precipitation and temperature are the main drivers of these environments changes.

Historical changes in hydroclimatic characteristics in four Lower Colorado River sub-basins are examined using the Mann-Kendall test for trends and Kendall's tau-b test for statistical association to better understand the processes taking place in these arid watersheds. During the historical record of 1906-2007, in general, temperatures have increased and streamflows have decreased while there has been no change in precipitation. Streamflow was found to have statistical association with annual maximum temperatures, El Nino/Southern Oscillation (ENSO) and the Pacific Decadal Oscillation (PDO). Using this knowledge, two-year and five-year streamflow predictions are made using climate data to force a statistical model. We find no predictive skill at the two-year range but significant (alpha =.05) predictive skill in two of the basins at the five-year range. The dominant climate predictor for the Paria River Basin is ENSO and for the Little Colorado River Basin it is temperature.

L’étude vise à caractériser les indicateurs relatifs aux évènements hydroclimatiques extrêmes dans le bassin-versant de l'Ouémé à l'exutoire de Bonou. Pour atteindre cet objectif, les données climatologiques (pluies journalières, températures journalières, évapotranspiration potentielle journalières), les données hydrométriques (débits journaliers), les données de réanalyses (pression atmosphériques, humidité relative, vitesse du vent, Indices de Mousson West Africain), la température de surface océanique sur la côte de Cotonou et les données cartographiques relatives aux occupations du sol des années 1986, 2000 et 2015 sont utilisées. L’analyse de la variabilité hydroclimatique a révélé que le secteur d’étude a connu sur la période de 1951-2015, deux ruptures de stationnarité (1968 et 1987) qui ont divisé la série en trois sous-périodes. La variabilité pluviométrique révèle qu’il une régression de 18 % (au sud), de 16 % (au centre) et de 15,8 % (au nord) entre la première sous-période (1951-1968) et la deuxième sous-période (1969-1987), alors que la dernière sous-période (1988-2015) est marquée par une reprise pluviométrique de 15 % (au sud), de 16,3 % (au centre) et de 15,7 % (au nord) par rapport à la sous-période d’avant. Ce qui n’est pas sans conséquences sur la dynamique hydrologique du secteur d’étude. Ainsi, il est observé une régression de 49,27 % des débits moyens annuels entre les sous-périodes 1951-1968 et 1969-1987 et une augmentation de 65 % entre les sous-périodes 1969-1987 et 1988-2015. Sur la dernière sous-période (1988-2015), les résultats révèlent aussi une augmentation des indicateurs des évènements hydroclimatiques extrêmes susceptibles d’occasionner les inondations à Bonou. Les pluies maximales journalières ont une occurrence de 2 ans, 5 ans, 10 ans pour les événements pluvieux forts ; 20 ans, pour les événements pluvieux très forts ; 50 ans et + pour les événements pluvieux extrêmement forts dans le secteur d’étude. Les débits maximaux en 24 heures augmentent en même temps que les périodes de retour. Les débits maximaux de 50ème quantile surviennent chaque deux ans, les débits maximaux correspondants aux évènements hydrologiquement forts, très forts, surviennent tous les 10 ans et les débits extrêmement forts ont une occurrence centennale. Les conditions atmosphériques, océaniques, de la surface continentale, la vitesse du vent, l’humidité relative, les facteurs géographiques sont autant de facteurs qui interagissent dans la répartition spatio-temporelle de la pluie du secteur d’étude. La pluviométrie du bassin est également influencée par le flux de mousson (nord secteur d’étude) auquel s’associent les lignes de grains de sud-est, responsables des pluies orageuses et d’averses qui génèrent des inondations dans le bassin. De même, le contexte climatique actuel et la dynamique de l’occupation des terres constituent des déterminants qui amplifient la manifestation des inondations dans le secteur d’étude. La recherche indique que le modèle conceptuel pluie-débit GR4J, surestime les débits observés en période de basse eau et les sous-estime en période de hautes eaux. Les critères d’efficacité et de performance NSE, RMSE et KGE, mis en évidence et calculés sur les débits de hautes eaux ont donné des résultats meilleurs en calage qu’en validation. Mieux les valeurs du KGE varient de 83 à 85 % en calage et de 56 à 68 % en validation, ce qui confère au modèle GR4J, l’efficacité, la performance à reproduire les débits extrêmes de crues dans le bassin. Le GR4J peut donc être servir comme outil d’aide à la décision pour l’actualisation des normes hydrologiques dans le secteur d’étude. Dans la perspective de mieux étudier les évènements climatiques extrêmes futurs, cette recherche a évalué des données de projection de sorties des modèles climatiques régionaux issues du Programme CORDEX africain et qui pourraient être utilisées pour les projections hydrologiques des travaux futurs dans le secteur d’étude. / This research aims to characterize the indicators relating to extreme hydroclimatic events in Ouémé Watershed at Bonou’s outlet. To achieve this objective, climatological data (daily rain, daily temperatures, potential daily evapotranspiration), hydrometric data (daily flows), reanalysis data (atmospheric pressure, relative humidity, wind speed, West African Monsoon Indices), the ocean surface temperature on the Cotonou coast and land use mapping data of 1986, 2000, 2015 are used. The analysis of the hydroclimatic variability revealed that during the 1951-2015 period, the study area is marked by two breaks stationarity (1968 and 1987) which divided the series into three sub-periods. The rainfall variability reveals a regression of 18 % (in the south), 16 % (in the center) and 15.8 % (in the north) between the first sub-period (1951-1968) and the second sub-period (1969-1987), while the last sub-period (1988-2015) is marked by a rainfall recovery of 15 % (in the south), 16.3 % (in the center) and 15.7 % (in north) relative to the previous sub-period (1969-1987). This is not without consequences on the hydrological dynamics of the study area. In this sense, it is noted that there is a regression of 49.27% of the average annual flows between the 1951-1968 and 1969-1987 sub-periods and a 65 % increase between the 1969-1987 and the 1969-1987 sub-periods. 1988-2015. In the last sub-period (1988-2015), the results also reveal an increase in the indicators of extreme hydroclimatic events likely to cause floods Ouémé Watershed at Bonou’s outlet. The results shows that daily maximum rainfall has an occurrence of 2 years, 5 years, 10 years for strong rainfall events; 20 years, for very heavy rain events, 50 years and over for extremely heavy rain events in the study area. The maximum flow rates in 24 hours at the sametime as the return periods. The maximum flow rates of 50th quantiles occur every two years (02 years), the maximum flows corresponding to the hydrologically strong events, very strong occur every 10 years and the extremely high flows have an occurrence centennial. The conditions of atmospheric, oceanic, continental surface, wind speed, relative humidity, and geographic factors are all elements that interact in the spatio-temporal distribution of rainfall in the study area. The Rainfall of the basin is also influenced by the monsoon flow (north of the study area), to which the southeastern grain lines are associated and are responsible for the stormy rains and showers that generate flooding in the area. In addition, the current climatic context and land-use dynamics are determinants that amplify the occurrence of floods in the study area. The reasearch indicates that the rain-flow conceptual model, of the Rural Engineering with four parameters and the daily time step (GR4J), overestimates the flows observed during the low water period and the sub-peaks. The efficiency and performance criteria NSE, RMSE and KGE, highlighted and calculated on high water flow rates, gave better results in calibration than in validation. Better KGE values range from 83 to 85 % calibration and from 56 to 68 % validation, which gives the GR4J model the efficiency and performance to reproduce extreme flows of floods in the study area. The GR4J can therefore be used as a decision to support tool for updating hydrological standards in the study area. In order to future study about extreme climatic events, this research assessed output projection data from regional climate models from the African CORDEX Program that could be used for hydrological projections in future work in Ouémé Watershed at Bonou’s outlet.

Dans un contexte de changement climatique, l'intégration des énergies renouvelables aux systèmes électriques est un enjeu majeur des décennies à venir. Les énergies liées au climat (photovoltaïque, éolien et hydro-électricité) peuvent contribuer à une réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cependant, elles sont fortement intermittentes et la production électrique associée peine à répondre à la demande.Cette étude vise à évaluer la faisabilité météorologique du développement d'un système de production électrique basé sur les sources d'énergie liées au climat (CRE - Climate-Related Energy). Nous considérons uniquement leurs variations spatiotemporelles et supposons un équilibre entre production et demande moyennes. Nous avons développé CRE-Mix, une chaîne de modèles permettant de convertir les variables météorologiques en chroniques énergétiques. Cet outil permet l'estimation des fluctuations spatiotemporelles de production et de demande énergétiques résultant de la variabilité hydro-climatique. Pour une sélection de régions en Europe, nous évaluons la facilité d'intégration des CRE en fonctions de leur cohérence temporelle avec la demande. Pour chaque source d'énergie et de multiples mix énergétiques nous estimons successivement (i) le taux de pénétration moyen (PE), qui quantifie la proportion de demande satisfaite sur une longue période et (ii) les caractéristiques des périodes de faible pénétration pour lesquelles le taux journalier de demande satisfaite reste bas pendant plusieurs jours consécutifs. Les résultats montrent que les systèmes basés sur une seule source ont du mal à répondre à la demande et souffrent de longues périodes de faible PE, en raison de leur variabilité temporelle. Cependant, une combinaison d'énergies, l'utilisation de systèmes de stockage ou l'échange d'énergie entre régions, permettent d'augmenter fortement la fiabilité des CRE (PE proche de 100% et rares/courtes périodes de faible pénétration). Cette étude, basée sur 30 ans, a été étendue à l'ensemble de XXème siècle afin d'évaluer les fluctuations basse fréquence des CRE résultant de la variabilité interne du climat. De longues chroniques régionales de production et de demande ont été générées grâce au développement d'une méthode de descente d'échelle statistique basée sur les analogues atmosphériques (SCAMP). Cet outil génère des scénarios météorologiques multivariés physiquement cohérents. Les résultats montrent que les variations basse fréquence des CRE sont influencées par les grandes oscillations océano-climatiques. De plus, on montre que les variations multi-décennales de l'hydro-électricité sont particulièrement importantes avec notamment une différence en PE supérieure à 15% d'une décade à l'autre et des périodes de faible pénétration aux caractéristiques très irrégulières.Enfin, nous évaluons la pertinence de systèmes électriques basés sur les CRE en climat futur. SCAMP permet de produire des scénarios régionaux de variables météorologiques à partir des modèles climatiques issus des simulations CMPI5. Pour les précipitations, les tendances simulées par SCAMP sont en désaccord avec de nombreuses études. L'application de SCAMP en "modèle parfait" semble indiquer que le lien entre les situations atmosphériques de grande échelle et les précipitations totales, mais également convectives et stratiformes, change en climat futur. / In the context of climate change, the integration of renewables in electric power systems is one of the main challenges of the coming decades. Climate-Related-Energy sources (CRE - solar, wind and hydro power) can contribute to reduce the greenhouse gas emissions. However, they exhibit large spatio-temporal fluctuations and the associated intermittent electricity generation often leads to an incomplete supply-demand balance. This study aims to evaluate the meteorological feasibility of developing an electric power system that would only rely on CRE sources. We focus on the multi-scale spatio-temporal fluctuations of these renewables by assuming a balance between mean electricity production and mean energy load. We develop and use CRE-mix, a suite of models able to convert meteorological conditions into CRE time series. It gives an assessment the spatio-temporal fluctuations of power production and energy demand, resulting from the multi-scale hydro-climatic variability. For a set of European regions, we assess the ease of integration of CRE sources, regarding their temporal consistency with energy demand. For each CRE source and multiple CRE mixes, we consider in turn (i) the mean penetration rate (PE), which quantifies the proportion of satisfied demand over a long period and (ii) the characteristics of low penetration periods, defined as sequences of days for which the penetration rate is lower than a given threshold. This study proves that single CRE sources have difficulty to meet the energy demand and suffer from long low penetration periods, due to their multi-scale temporal variations. However, using some integrating factors (multi-sources, storage systems, inter-regions electric power transmission), efficiently improves the reliability of CRE-based power systems with PE rates close to 100% and rare low penetration periods.These analyses, based on a 30-yr period, are extended to the entire 20th century in order to assess the low frequency fluctuations of CRE sources resulting from the internal variability of climate. Long regional series of production and demand, were generated thanks to the development of a statistical downscaling method based on atmospheric analogues (SCAMP). It simulates physically-consistent multivariate series of meteorological parameters. The results demonstrate that these fluctuations are related to some large scale oceano-climatic oscillations. Moreover, the multi-decennial variations of hydro power are particularly large: changes in PE rates exceeding 15% from one decade to the other and uneven energy droughts characteristics.Finally, we evaluate the relevance of the CRE sources under future climate conditions. SCAMP is used to produce downscaled projections of meteorological drivers of CRE sources for the 21st century from a selection of CMIP5 climate models. The resulting scenarios for precipitation are not consistent with other studies focusing of the future modifications of this variable in Europe. The application of SCAMP in a perfect-model approach seems to indicate that the large-scale-meteorology/local-precipitation relationship is changing in the course of the 21st century, for all total, convective and stratiform precipitation.

Freshwater is a vital resource that circulates between the atmosphere, the land and the sea. Understanding and quantifying changes to the partitioning of precipitation into evapotranspiration, runoff and water storage change in the landscape are required for assessing changes to freshwater availability. However, the partitioning processes and their changes are complex due to multiple change drivers and effects. This thesis investigates and aims to identify and separate the effects of atmospheric climate change and various landscape drivers on long-term freshwater change. This is done based on hydroclimatic, land-use and water-use data from the beginning of the twentieth century up to present times and across different regions and scales, from catchment to global. The analyzed landscape drivers include historic developments of irrigated and non-irrigated agriculture and flow regulation. The thesis uses and develops further a data-motivated approach to interpret available hydroclimatic and landscape data for identification of water change drivers and effects, expanding the approach application from local to continental and global scales. Based on this approach development, the thesis identifies hydroclimatic change signals of landscape drivers against the background of multiple coexisting drivers influencing worldwide freshwater change, within and among hydrological basins. Globally, landscape drivers are needed to explain more than 70% of the historic hydroclimatic changes, of which a considerable proportion may be directly human-driven. These landscape- and human-driven water changes need to be considered and accounted for also in modeling and projection of changes to the freshwater system on land. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Submitted.</p> / VR, project 2009-3221

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:03:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SergioCG_DISSERT.pdf: 3503031 bytes, checksum: b6760a8c224fd3c175ef2a6b372b70da (MD5) Previous issue date: 2009-02-13 / The state of Rio Grande do Norte, possessor of an extremely irregular regime of rains, has the necessity of enlarge and specify the researches about its own hydro-climatic conditions, to achieve trustworthy results that are able to minimize the adversities imposed by these conditions and make possible the implementation of a better planning in the economic activities and of subsistence that somehow utilize of the multiple uses of hydro resources of the State. This way, the daily values observed from the pluviometric series of 166 posts, with 45 years uninterrupted of historic data, were adjusted to the incomplete gamma function to the determination of the probability of rain in the 36 period of ten days in which the year was divided. To the attainment of the &#945; and &#946; parameters of this function it was applied the method of the maximum verisimilitude allowing, in the end, to analyze the temporal and spatial distribution of the rain in the level of 75% of probability. The values of potential evapo-transpiration were calculated by the Linacre method that, through the SURFER software, were confronted with the dependant rain, obtaining, in this way, the spatialization of the potential hydro availability, which the values can be known to any period of ten days of the year, city and/or region of the state of Rio Grande do Norte. With the identification of the main meteorological systems that act in the State, we sought to better comprehend how this systems interfere, in the irregular regime of rain, in the situations of several clime in the major part of Rio Grande do Norte and in the hydro regional balance. And, finally, with these data in hand and with the generated maps, we verified that space-temporal distribution of the rain and of the potential hydro availability were heterogeneous in the whole State, mainly in the West and Central regions, inserted in potiguar s semi-arid, which, after the period of the rains station, suffers with dry season and length drought during the rest of the year / O Rio Grande do Norte, Estado possuidor de um regime pluvial extremamente irregular, tem a necessidade de ampliar e detalhar os estudos sobre as suas condi??es hidroclim?ticas, para poder chegar a resultados confi?veis que minimizem as adversidades impostas por elas e viabilizem a implanta??o de um melhor planejamento nas atividades econ?micas e de subsist?ncia que se utilizam, de alguma forma, dos v?rios usos m?ltiplos dos recursos h?dricos do Estado. Dessa forma, os valores di?rios observados das s?ries pluviom?tricas de 166 postos, com 45 anos ininterruptos de dados hist?ricos, foram ajustados ? fun??o gama incompleta para a determina??o da probabilidade de precipita??o nos 36 dec?ndios que foi dividido o ano. Para a obten??o dos par?metros &#945; e &#946; dessa fun??o, foi aplicado o m?todo da m?xima verossimilhan?a, permitindo, ao final, analisar as distribui??es temporal e espacial de precipita??o no n?vel de 75% de probabilidade. Os valores da evapotranspira??o potencial foram calculados pelo m?todo de Linacre que, atrav?s do software SURFER, foram confrontados com a precipita??o dependente, obtendo-se a espacializa??o da disponibilidade h?drica potencial, cujos valores podem ser conhecidos para quaisquer dec?ndios do ano, munic?pio e/ou mesorregi?o do estado do Rio Grande do Norte. Com a identifica??o dos principais sistemas meteorol?gicos que atuam no Estado, buscou-se compreender melhor como esses sistemas interferem no regime pluvial irregular, nas situa??es de clima severo na maior parte do Rio Grande do Norte e no balan?o h?drico regional. E, finalmente, de posse dessas informa??es e dos mapas gerados, verifica-se que as distribui??es espa?o-temporal da precipita??o e da disponibilidade h?drica potencial s?o bastante heterog?neas em todo Estado, notadamente nas mesorregi?es Oeste e Central, inseridas no semi-?rido potiguar, que, ap?s o per?odo da esta??o chuvosa, sofrem com as secas ou estiagens prolongadas durante o restante do ano

Different magnitude, intensity and timing of precipitation can impact runoff, hillslope erosion and transport of sediment along river channels.  Human activities, such as dam construction and surface mining can also considerably influence transport of sediment and sediment-bound contaminants. Many river basins of the world are currently subject to changes in climate at the same time as pressures from other human activities increase. However, because there are often complex interactions between such multiple drivers of change, it is challenging to understand and quantify contributions of individual drivers, which is needed in predictive modelling of future sediment and contaminant flows. This thesis considers sediment transport in the Lake Baikal basin, which is hydrologically dominated by the transboundary Selenga River of Russia and Mongolia. The Selenga River basin is, for instance, subject to climate change and increasing pressures from mining, but process complexity is reduced by the fact that the river basin is one of few large basins in the world that still is essentially undammed and unregulated. A combination of field measurement campaigns and modelling methods are used in this thesis, with the aim to: (i) identify historical hydroclimatic trends and their possible causes, (ii) analyse the spatial variability of riverine sediment loading in the mining affected areas, and (iii) investigate sediment transport and storage processes within river channels and in river deltas. Results show that, during the period 1938-2009, the annual maximum daily flow in the Selenga River basin has decreased, as well as the annual number of high flow events, whereas the annual minimum daily flow has increased. These changes in discharge characteristics are consistent with expected impacts of basin-scale permafrost thaw. Both field observations and modelling results show that changes in magnitude and number of high-flow events can considerably influence the transport of bed sediment. In addition, the average discharge has decreased in the past 20 years due to an extended drought. Under conditions of low flow, metal-enriched sediment from mining areas was observed to dominate the river water. If discharge will continue to decrease in the Selenga River (or other mining-impacted rivers of the world), further increases in riverine metal concentrations may hence be one of the consequences. Furthermore, under current conditions of extended drought, less sediment may have been distributed over the floodplain wetlands in the Selenga River delta. Present estimates, however, show that sediment can still be transported to, and deposited within, the banks and water bodies located in the backwater zone of the Selenga River delta. This can aid bank and levee stabilization, support the development of wetlands and foster net sedimentation.​ / Nederbördens olika magnitud, intensitet och tidpunkt kan påverka ytavrinning, vattenerosion och transport av sediment längs flodkanaler. Mänskliga aktiviteter, som dammkonstruktion och gruvdrift i dagbrott kan också påtagligt påverka transport av sediment och sedimentbundna föroreningar. Många avrinningsområden i världen påverkas för närvarande av klimatförändringar samtidigt som trycket från andra mänskliga aktiviteter ökar. Men eftersom det ofta förekommer komplexa interaktioner mellan sådana multipla orsaker till förändring, är det utmanande att förstå och kvantifiera bidrag från enskilda orsaker, vilket behövs vid prediktiv modellering av framtida sediment- och föroreningsflöden. Denna avhandling behandlar sedimenttransport i Bajkalsjöns tillrinningsområde, som hydrologiskt domineras av den internationella Selengafloden i Ryssland och Mongoliet. Selengaflodens tillrinningsområde är exempelvis påverkat av klimatförändringar och ökat tryck från gruvdrift, men processkomplexiteten reduceras av det faktum att tillrinningsområdet är ett av världens få stora som fortfarande väsentligen saknar dammar och flödesreglering. I denna avhandling används en kombination av fältmätningskampanjer och modelleringsmetoder, i syfte att: (i) identifiera historiska hydroklimattrender och deras möjliga orsaker, (ii) analysera den rumsliga variationen i flodens sedimentbelastning inom de gruvpåverkade områdena, och (iii) undersöka sedimenttransport- och retentionsprocesser inom flodkanaler och i floddeltan. Resultaten visar att det årliga maximala dygnsflödet, liksom det årliga antalet högflödeshändelser, har minskat i Selengafloden under perioden 1938-2009, medan det årliga minimala dygnsflödet har ökat. Dessa förändringar i flödeskaraktäristika överensstämmer med förväntade effekter av storskaligt tinande permafrost. Både fältobservationer och modelleringsresultat visar att förändringar i högflödeshändelsers magnitud och årligt antal kan påverka transporten av bottensediment påtagligt. Dessutom har medelflödet minskat under de senaste 20 åren på grund av långvarig torka. Under lågflöden observerades metallberikat sediment från gruvområdena dominera flodvattnet. Om flödena fortsätter att minska i Selengafloden (eller andra gruvdriftspåverkade floder i världen), kan således ytterligare ökningar av flodvattnens metallkoncentrationer vara en av konsekvenserna. Under den långvariga torka som nu råder mängden sediment som fördelats över våtmarkerna i Selengaflodens delta ha minskat. Sediment beräknas dock fortfarande kunna transporteras till och deponeras inom flodbankar och vattenkroppar i Selengadeltats backwaterområden. Detta kan bidra till stabilisering av bankar och skyddsvallar, stödja våtmarkers utveckling och främja nettosedimentering. / Wielkość, czas trwania oraz intensywność opadów atmosferycznych oddziałuje na charakter odpływu, erozję oraz transport osadów rzecznych. Również ingerencja człowieka w środowisko – np. budowa zapór i zbiorników wodnych, czy górnictwo odkrywkowe – w różnym stopniu może wpływać na transport osadów oraz powiązanych z nimi zanieczyszczeń. Wiele dorzeczy na Ziemi, będących pod wpływem obecnych zmian klimatycznych, jest jednocześnie poddawanych narastającej antropopresji. W celu przewidywania przyszłych zmian w transporcie osadów i powiązanych z nimi zanieczyszczeń, potrzeba dogłębnego zrozumienia i oceny wpływu poszczególnych czynników powodujących te zmiany. Taka analiza jest jednak często utrudniona ze względu na złożone interakcje pomiędzy czynnikami powodującymi zmiany. Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia wyniki badań związanych z analizą transportu osadów rzecznych w zlewni jeziora Bajkał, zdominowanej hydrologicznie transgraniczną rzeką Selengą, przepływającą przez tereny Rosji i Mongolii. Zlewnia rzeki Selengi podlega współczesnym zmianom klimatycznym oraz wzrastającej presji związanej z górnictwem. Złożoność procesów hydrologicznych jest jednak w tym wypadku ograniczona, ponieważ zlewnia Selengi jest jednym z nielicznych, względnie dużych dorzeczy na świecie, którego przepływy są – jak dotychczas – naturalne, nieuregulowane przez żadne zapory lub zbiorniki wodne. Dla poszczególnych celów: (i) identyfikacji historycznych trendów hydroklimatycznych i ich przyczyn, (ii) analizy przestrzennych zmian w transporcie osadów rzecznych w części zlewni dotkniętej górnictwem odkrywkowym oraz (iii) badania procesów transportu i magazynowania osadów w korycie i delcie rzeki; zostały w pracy zastosowane hydrometryczne dane pomiarowe, dane pochodzące z badań terenowych oraz metody modelowania. Wyniki badań wskazują na to, że w latach 1938-2009 zmalały roczne przepływy maksymalne oraz liczba wezbrań, podczas gdy w tym samym czasie wzrosły roczne przepływy minimalne. Powyższe zmiany są zgodne z oczekiwanym wpływem rozmarzania wiecznej zmarzliny na ustrój przepływów rzecznych. Analiza danych pomiarowych oraz wyników modelowania wskazują na to, że obecne zmiany dotyczące liczby oraz wielkości wezbrań mogą znacznie wpłynąć na transport osadów dennych w korytach rzek. Dodatkowo, w ciągu ostatnich 20 lat (1995-2014), średnie roczne przepływy znacznie spadły ze względu na przedłużający się okres suszy na terenie zlewni. Analiza danych terenowych pochodzących z obszarów górniczych wykazała, że podczas obniżonych przepływów, w zanieczyszczonych znaczną ilością metali osadach rzecznych, dominuje materiał pochodzący z działalności człowieka (około 80\% transportowanych osadów). Należy zatem przewidywać, że jeśli obecne zmiany w ustroju przepływów w dorzeczu Selengi (lub w innych podobnych dorzeczach na świecie) będą postępować, to ich następstwem może być dalszy wzrost koncentracji zanieczyszczeń (metali pochodzących z obszarów górniczych) rzek. Ponadto, w obecnym okresie obniżonych przepływów, na terenach zalewowych i jeziorach delty rzeki Selengi zatrzymuje się prawdopodobnie mniej osadów. Wyniki badań wskazują jednak na to, że osady rzeczne mogą być wciąż transportowane do brzegów i obszarów wodnych znajdujących się w strefie, w której stany wodne cieków delty są pod wpływem stanów wodnych jeziora Bajkału. Akumulacja materiału w tych częściach delty Selengi może pozytywnie wpływać na stabilizację naturalnych wałów oraz mokradeł i zwiększać sedymentację netto. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript.</p>

Les effets du changement climatique sur la biodiversité à l’échelle du globe sont maintenant sans équivoque. Parmi les écosystèmes affectés, les cours d’eau sont particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat. Les modifications de structure et de composition des communautés aquatiques constituent alors un signal intégrateur des réponses écologiques à ces changements climatiques. Dans certaines circonstances, ce signal peut également être exacerbé, modéré ou potentiellement masqué par d’autres variations abiotiques.L’objectif de ce travail de thèse était donc d’évaluer l’effet relatif de différents facteurs de forçage sur les tendances d’évolution à long-terme des communautés de macroinvertébrés benthiques de grands cours d’eau, dans un contexte de changement climatique global. Nos investigations ont ciblé plus spécifiquement la Loire moyenne car, en tant que grande rivière de plaine, elle est particulièrement concernée par les problèmes liés aux stress multiples. En ce qui concerne le choix du compartiment biologique, la faune benthique a été sélectionnée pour son intérêt reconnu en bioévaluation des cours d’eau, notamment grâce à une grande diversité de réponses potentielles aux perturbations environnementales et à un certain nombre d’avantages méthodologiques.Dans un premier temps, nous nous sommes appliqués à caractériser les modifications temporelles de dix paramètres abiotiques majeurs sur trois décennies (1977-2008). Nous avons notamment mis en évidence le réchauffement graduel de la Loire (c. +1,2°C en moyenne annuelle sur les trois décades), couplé à une réduction significative du débit moyen (c. -25%), les deux tendances étant exacerbées en période chaude (mai-août). Dans le même temps, alors que ces modifications étaient susceptibles de provoquer une augmentation du niveau trophique du fleuve, nous avons souligné l’existence d’un effet confondant de l’amélioration des traitements d’épuration (i.e. réduction des apports en phosphore), se traduisant principalement par la baisse des concentrations en phosphates et la limitation des organismes phytoplanctoniques.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux réponses structurelles et fonctionnelles long-terme (i.e. 30 ans) des invertébrés de la Loire à ces deux évolutions concomitantes majeures. En premier lieu, nous avons constaté que le réchauffement et, dans une moindre mesure, la réduction du débit sont impliqués dans la disparition ou le déclin progressif de taxons rhéophiles et psychrophiles (e.g. Chloroperlidae). En parallèle, ces modifications hydroclimatiques expliquent une majeure partie de l’apparition et de la colonisation de taxons limnophiles et thermophiles, comprenant certaines espèces invasives (e.g. Corbicula sp.). En termes de réponses fonctionnelles, ces changements s’illustrent par une évolution adaptative des profils de traits biologiques cohérente avec les prédictions a priori qu’il est possible de faire dans un cadre théorique. Toutefois, cette dérive progressive vers un assemblage généraliste et polluotolérant est partiellement confondue par l’amélioration de la qualité d’eau, qui explique l’apparition de nouveaux taxons polluo-sensibles lors des dernières années (e.g. Philopotamidae). Bien qu’aucune résilience taxonomique ou fonctionnelle ne soit constatée, cette tendance se manifeste, via les traits biologiques, par un transfert probable des ressources trophiques depuis les organismes phytoplanctoniques vers des biofilms épibenthiques et des macrophytes.Pour finir, nous avons exploré la variabilité spatiale multi-sites de ces tendances biotiques et abiotiques et montré que l’ensemble de ces résultats, qui corrobore déjà un certain nombre d’observations en Europe, constitue également un patron homogène le long de la Loire moyenne (sur près de 300 km) et entre différents hydrosystèmes (e.g. Loire, Seine, Meuse). / Evidence for climate change effects on biodiversity at global scale is now unequivocal. Among impaired ecosystems, running waters are particularly vulnerable to climate fluctuations. Changes in aquatic community structure and composition are then considered as integrative signals of the ecological responses to these climate changes. Under certain circumstances, these signals can be also exacerbated, confounded or potentially obscured by other abiotic variations.Therefore, the aim of this PhD was to assess the relative effect of different drivers on longterm trends in benthic macroinvertebrate communities, in the context of global climate change. Our investigations were focused more precisely on the Middle Loire River since, as lowland large river, it is particularly concerned by the potential impact of multiple stressors. Regarding the choice of the biological model, benthic fauna has been selected according to its acknowledged interest in bioassessment of running waters, especially thanks to a great diversity of potential responses to environmental disturbances and a number of methodological advantages.First, we investigated the temporal changes of ten major abiotic parameters over three decades (1977-2008). We highlighted the gradual warming of the Loire River (c. +1.2°C in the mean annual temperature over the three decades), coupled with a significant drop in mean discharge (c. -25%), both trends being exacerbated during the warm period (May-August). In the same time, although these changes were expected to induce a rise in the trophic level of the river, we emphasized a confounding effect of the wastewater treatment improvement (i.e. phosphorus input reduction), leading mainly to a drop in phosphate concentrations and a phytoplankton limitation.Second, we assessed the long-term structural and functional responses (i.e. over a 30-year period) of invertebrates of the Loire River to both major concomitant trends. On the one hand, we highlighted that water warming and to a lesser extent discharge reduction were significantly involved in the disappearance or decrease in rheophilic and psychrophilic taxa (e.g. Chloroperlidae). On the other hand, they explained also a major part of the appearance and increase of limnophilic and thermophilic taxa, including invasive species (e.g. Corbicula sp.). In terms of functional responses, these changes were illustrated by an adaptive evolution of the biological trait profiles in agreement with a priori predictions that is possible to make in a theoretical framework. However, this shift towards a generalist and pollution tolerant assemblage was partially confounded by improvement in water quality, explaining the settlement of new pollution-sensitive taxa during the last years (e.g. Philopotamidae). Although no taxonomic or functional resilience was observed, this trend was translated, via biological traits, into a probable transfer of trophic resources from phytoplankton to periphytic biofilms and macrophytes.Finally, we explored the multi-site spatial variability of these biotic and abiotic trends and we showed that our results as a whole, which supported already a number of observations in Europe, exhibited also a strong homogeneous pattern along the Middle Loire River (on nearly 300 km) and among different hydrosystems (e.g. Loire, Seine, Meuse).

In the recent scenario of climate change, the natural variability and uncertainty associated with the hydrologic variables is of great concern to the community. This thesis opens up a new area of multi-disciplinary research. It is a promising field of research in hydrology and water resources that uses the information from the field of atmospheric science. A new way to identify and capture the variability and uncertainty associated with the hydrologic variables is established through this thesis. Assessment of hydroclimatic teleconnection for Indian subcontinent and its use in basin-scale hydrologic time series analysis and forecasting is the broad aim of this PhD thesis. The initial part of the thesis is devoted to investigate and establish the dependence of Indian summer monsoon rainfall (ISMR) on large-scale Oceanic-atmospheric circulation phenomena from tropical Pacific Ocean and Indian Ocean regions. El Niño-Southern Oscillation (ENSO) is the well established coupled Ocean-atmosphere mode of tropical Pacific Ocean whereas Indian Ocean Dipole (IOD) mode is the recently identified coupled Ocean-atmosphere mode of tropical Indian Ocean. Equatorial Indian Ocean Oscillation (EQUINOO) is known as the atmospheric component of IOD mode. The potential of ENSO and EQUINOO for predicting ISMR is investigated by Bayesian dynamic linear model (BDLM). A major advantage of this method is that, it is able to capture the dynamic nature of the cause-effect relationship between large-scale circulation information and hydrologic variables, which is quite expected in the climate change scenario. Another new method, proposed to capture the dependence between the teleconnected hydroclimatic variables is based on the theory of copula, which itself is quite new to the field of hydrology. The dependence of ISMR on ENSO and EQUINOO is captured and investigated for its potential use to predict the monthly variation of ISMR using the proposed method. The association of monthly variation of ISMR with the combined information of ENSO and EQUINOO, denoted by monthly composite index (MCI), is also investigated and established. The spatial variability of such association is also investigated. It is observed that MCI is significantly associated with monthly rainfall variation all over India, except over North-East (NE) India, where it is poor. Having established the hydroclimatic teleconnection at a comparatively larger scale, the hydroclimatic teleconnection for basin-scale hydrologic variables is then investigated and established. The association of large-scale atmospheric circulation with inflow during monsoon season into Hirakud reservoir, located in the state of Orissa in India, has been investigated. The strong predictive potential of the composite index of ENSO and EQUINOO is established for extreme inflow conditions. So the methodology of inflow prediction using the information of hydroclimatic teleconnection would be very suitable even for ungauged or poorly gauged watersheds as this approach does not use any information about the rainfall in the catchment. Recognizing the basin-scale hydroclimatic association with both ENSO and EQUINOO at seasonal scale, the information of hydroclimatic teleconnection is used for streamflow forecasting for the Mahanadi River basin in the state of Orissa, India, both at seasonal and monthly scale. It is established that the basin-scale streamflow is influenced by the large-scale atmospheric circulation phenomena. Information of streamflow from previous month(s) alone, as used in most of the traditional modeling approaches, is shown to be inadequate. It is successfully established that incorporation of large-scale atmospheric circulation information significantly improves the performance of prediction at monthly scale. Again, the prevailing conditions/characteristics of watershed are also important. Thus, consideration of both the information of previous streamflow and large-scale atmospheric circulations are important for basin-scale streamflow prediction at monthly time-scale. Adopting the developed approach of using the information of hydroclimatic teleconnection, hydrologic variables can be predicted with better accuracy which will be a very useful input for better management of water resources.