Spatio-temporal hydro-climate variability in Finland

Abstract

The climate in Finland is changing – temperature and precipitation are increasing, resulting in varying runoff patterns. These hydro-climatic trends have been well studied previously, but the changes in variability are less known, despite their importance for understanding climate change. This research aims to assess spatio-temporal changes in variability of temperature, precipitation and runoff for the years 1962-2014 at sub-basin scale in Finland. Temporal changes in variability were analyzed by constructing moving window median absolute deviation (MAD) time series at both annual and seasonal scales. Areas with similar patterns of variability were then identified using principal component analysis (PCA) and agglomerative hierarchical clustering. Direction and statistical significance of changes in MAD were studied using a test for a monotonic trend in variances. Distinct areas with similar patterns of statistically significant change in variability were found. With regard to temperature, this study found decreases in annual and winter variability in most parts of Finland, as well as summer variability in northern Finland. In terms of precipitation, decreases were identified for annual variability in the south of Finland, for spring variability in the central part of the study area and for autumn variability in southeastern Finland, as well as increases for autumn variability in northern Finland. For runoff, variability increased in winter in most parts of the study area and in summer in the central part of the study area, as well as decreased in spring in southern Finland. Comparison with previous studies illustrates how trends in mean climate and its variability do not necessarily match; both aspects need investigation. Findings of this study provide new information on hydro-climatic variability in Finland and improve the possibility to adapt and predict the changes in hydro-climatic conditions, including intensity and frequency of weather extremes.

Suomen ilmasto muuttuu – lämpötila ja sadanta kasvavat, ja valunnan määrässä sekä ajoituksessa tapahtuu muutoksia. Ilmaston ja hydrologisen kierron keskimääräisten olosuhteiden muutoksia on tutkittu laajasti aikaisemmin, mutta vähemmälle huomiolle ovat jääneet lyhyen aikavälin muutokset, kuten vuosien ja vuodenaikojen välinen vaihtelu sekä näiden muutokset. Lyhyen aikavälin vaihtelun tutkiminen on tärkeä osa ilmastonmuutoksen ymmärtämistä ja siihen sopeutumista. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli määrittää lämpötilan, sadannan sekä valunnan vuosien ja vuodenaikojen välisen vaihtelun muutoksia Suomessa osavaluma-aluetasolla vuosina 1962–2014. Vaihtelun muutoksia ajan suhteen analysoitiin muodostamalla hajonta-aikasarjoja käyttäen liukuvia MAD-analyysi-ikkunoita (median absolute deviation). Alueet, joiden sisällä vaihtelun muutos on ollut samankaltaista, tunnistettiin hajonta-aikasarjoista pääkomponentti- ja klusterianalyysien avulla, minkä jälkeen muutosten suuntaa ja tilastollista merkittävyyttä arvioitiin testillä, joka tunnistaa monotonisia trendejä variansseissa. Tutkimuksessa löytyi selkeitä alueita, joilla vaihtelun muutos on ollut samankaltaista ja tilastollisesti merkittävää. Lämpötilan vaihtelu vuosien sekä talvien välillä on vähentynyt lähes koko Suomen alueella, ja kesien välillä Pohjois-Suomessa. Sadannan vaihtelun vähentymistä vuosien välillä havaittiin Etelä-Suomessa, keväiden välillä tutkimusalueen keskiosissa ja syksyjen välillä Kaakkois-Suomessa. Vaihtelu kasvoi syksyjen välillä Pohjois-Suomessa. Valuntaa tarkasteltaessa vaihtelun kasvua havaittiin lähes koko tutkimusalueella talvien välillä sekä tutkimusalueen keskiosissa kesien välillä. Etelä-Suomessa havaittiin vaihtelun vähentymistä keväiden välillä. Tulosten vertaaminen aikaisempiin tutkimuksiin osoitti, että muutokset ilmaston ja hydrologisen kierron keskimääräisissä olosuhteissa eivät välttämättä tarkoita samansuuntaisia muutoksia lyhyen aikavälin vaihteluissa – molemmat tekijät vaativat tutkimusta. Tämän tutkimuksen tulokset antavat uutta tietoa Suomen ilmaston ja hydrologisen kierron vaihtelusta sekä parantavat mahdollisuutta ennustaa sen muutoksia ja sopeutua muun muassa äärisääilmiöiden voimakkuuden ja esiintymistiheyden muuttumiseen.