Future trends in freshwater planetary boundary transgressions

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-06-12
Department
Major/Subject
Water and Environmental Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)
Language
en
Pages
37+6
Series
Abstract
Changes in the global freshwater cycle have become increasingly common around the world since mankind’s industrialization. The concept of planetary boundaries (PBs) is a framework defining safe limits for human activity in terms of changes in Earth subsystems, freshwater being one of the boundaries. Here the goal was to use the recently proposed new method for the freshwater change PB to determine the status of and changes in it during this century under two climate change scenarios (RCP2.6 and RCP6.0). Additionally, local changes were determined to identify areas where freshwater changes are likely to cause potential risks, especially to the agricultural sector. The impact of climate change was assessed by comparing the two chosen scenarios. Data from ISIMIP2b was used to determine global and local changes in discharge and root-zone soil moisture. Changes were calculated as the frequency of monthly discharge or root-zone soil moisture values exiting variability based on pre-industrial conditions on each 0.5-degree grid cell. Each grid cell has its local variability bounds calculated from preindustrial data (1691-1860), with values below 5th percentile being considered a dry exit, and values above 95th percentile being wet exits. Additionally, dry exit frequency values were used in conjunction with crop yield and land-use data to determine risk to the agricultural sector by calculating a risk index. The freshwater change planetary boundary has already been transgressed, and the trend continues upward in the future, especially in the higher-emissions RCP6.0 climate scenario where the share of global land area where discharge or root-zone soil moisture exits preindustrial variability bounds keeps rising through-out the century. In RCP2.6 this trend stabilizes around the 2050s. Discharge changes have fewer differences between climate scenarios than root-zone soil moisture. Notable regions with a high dry exit frequency include the Mediterranean, China, and India, while Canada, Russia, Northern Europe, and India have a high wet exit frequency. The agricultural sectors of some of the largest global crop producers are at risk in the future due to drying conditions, including the North American Corn Belt, Western Europe, Northern China, and India. Mitigating climate change to reduce water cycle changes, as well as sustainable irrigation practices to cope with decreasing water resources, are key to ensuring continued food and water supply for humanity. The results of the thesis are valuable, as they help in identifying the potential areas where adaptation to change is most critical.

Muutokset globaalissa vedenkierrossa ovat lisääntyneet ihmiskunnan teollistumisen jälkeen. Planetaariset rajat määrittelevät ihmiskunnalle turvalliset toimintarajat Maan järjestelmien puitteissa, ja makea vesi on yksi rajoista. Tässä diplomityössä tavoitteena oli käyttää hiljattain esitettyä uutta veden muutoksen planetaarisen rajan määritelmää, sekä määrittää sen tila ja kehittyminen tulevaisuudessa kahden ilmastoskenaarion mukaan (RCP2.6 ja RCP6.0). Lisäksi paikallisia muutoksia määritettiin riskialueiden tunnistamiseksi, missä potentiaaliset riskit ovat todennäköisiä, erityisesti maataloussektorin kannalta. Ilmastonmuutoksen vaikutus määritettiin vertailemalla valittuja skenaarioita. Tutkimuksessa käytettiin dataa ISIMIP2b-portaalista, ja määriteltiin globaaleja sekä paikallisia muutoksia virtaamassa ja maankosteudessa. Muutokset määritettiin laskemalla kuukausien määrä, joina virtaama tai maankosteus poikkeaa esiteollisesta vaihteluvälistä (1691–1860) jokaisessa 0.5 asteen hilasolussa. Jokaiselle solulle laskettiin omat raja-arvot: 5. persentiilin alapuolella olevat arvot ovat kuivia poikkeamia, ja 95. persentiilin yläpuolella olevat märkiä poikkeamia. Kuivien poikkeamien määrää käytettiin yhdessä viljantuotanto- sekä maankäyttödatan kanssa maataloussektorin riskin määrittelyyn, laskemalla riski-indeksi. Makean veden muutoksen planetaarinen raja on jo ylitetty, ja trendi jatkuu ylöspäin tulevaisuudessa, erityisesti ilmastonmuutoksen lisääntyessä: korkeampipäästöisessä RCP6.0-skenaariossa osuus Maan pinta-alasta, missä virtaama tai maankosteus poikkeaa esiteollisesta vaihteluvälistä kasvaa koko vuosisadan ajan. RCP2.6-skenaariossa taas trendi tasoittuu 2050-luvulla. Virtaaman osalta erot ilmastoskenaarioiden välillä ovat pienempiä maankosteuteen verrattuna. Merkittäviä alueita, joilla on paljon kuivia poikkeamia, ovat mm. Välimeri, Kiina ja Intia. Kanadassa, Venäjällä, Pohjois-Euroopassa ja Intiassa taas on paljon märkiä poikkeamia. Eräiden maailman suurimpien viljantuottajien maataloussektorit ovat uhattuna kuivuvien olosuhteiden vuoksi, mukaan lukien Pohjois-Amerikan maissivyöhyke, Länsi-Eurooppa, Pohjois-Kiina ja Intia. Ilmastonmuutoksen hillitseminen vedenkierron muutoksen vähentämiseksi, sekä kestävät kastelukäytännöt vesivarojen vähentyessä ovat avainasemassa vesi- ja ruokavarojen säilymisen kannalta tulevaisuudessa. Tämän työn tulokset ovat tärkeitä, sillä ne auttavat tunnistamaan potentiaalisia alueita, joilla muutoksiin sopeutuminen on kriittisintä.
Description
Supervisor
Kummu, Matti
Thesis advisor
Porkka, Miina
Virkki, Vili
Keywords
hydrology, hydrological modelling, discharge, root-zone soil moisture, climate change, global food system
Other note
Citation