Freshwater change in the Earth system - A qualitative-quantitative outlook and implications for planetary boundaries
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-10-04
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
64 + app. 82
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 189/2024
Abstract
Human actions currently put many life-supporting Earth system processes at risk. The planetary boundaries framework illustrates how this environmental change is pervasive throughout the Earth system and demarcates biophysical boundaries to keep the Earth system stable. Although the framework conceptualisation is sound, especially the definitions of boundaries describing changes in the biosphere and the hydrosphere have been criticised. This thesis provides a comprehensive analysis of global freshwater change and relates this to the planetary boundaries framework. The freshwater cycle supports hydroecological (sustaining ecosystems) and hydroclimatic (regulating climate) functions, which integrally embed freshwater in the Earth system. However, the planetary boundary for freshwater has not captured many of these interconnections, and global-scale approaches have often been limited in analysing and interpreting human-driven freshwater change. Thus, the aim of this thesis is to address the research gap of capturing freshwater change in the Earth system in a way that enables a better representation of freshwater in the planetary boundaries framework. The results of this thesis comprise a thorough qualitative-quantitative assessment of global freshwater change. Using expert knowledge elicitation, blue and green water are shown to strongly interact with other Earth system processes, with variable roles in mediating these interactions. Moreover, associations between common changes in streamflow regimes and their direct and indirect drivers are analysed, using streamflow observations and multivariate global data of the drivers. In-depth analyses of modelled hydrological data further demonstrate the widespread extent and considerable degree of global freshwater change, first through the concept of environmental flow envelopes and then by assessing streamflow and soil moisture deviations beyond pre-industrial reference conditions. This leads to introducing a new planetary boundary for freshwater change, which is defined based on the work conducted for this thesis and parallel studies. Safeguarding freshwater as an integral part of the Earth system requires integrated approaches. The interactions between freshwater and other Earth system processes form a dense and complex network where changes – often anthropogenic in nature – affect more than one component of the freshwater cycle at a time. Thus, setting planetary-scale limits or aggregating freshwater change globally should use the knowledge on the role of freshwater in the Earth system as widely as possible. The findings of this thesis provide a solid background for further advances on understanding the causes and consequences of freshwater change – at local to global scales.Ihmisen toiminta asettaa useita maapallojärjestelmää ylläpitäviä prosesseja alttiiksi vakaville riskeille. Planetaaristen rajojen viitekehys kuvaa tämän maailmanlaajuisen ympäristömuutoksen levinneisyyttä ja määrittelee biofysikaaliset rajat maapallojärjestelmän vakauden säilyttämiseksi. Vaikka viitekehyksen lähtökohdat ovat perustellut, etenkin elonkehään sekä veden kiertokulkuun liittyvien planetaaristen rajojen määrittelyä on kritisoitu. Tämä väitöskirja käsittelee kattavasti makean veden kiertokulun maailmanlaajuisia muutoksia ja yhdistää saavutetut tulokset planetaaristen rajojen viitekehykseen. Makean veden kiertokulku tukee ekosysteemien hyvinvointia ja säätelee ilmastoa sitoen tämän kiertokulun olennaiseksi osaksi maapallojärjestelmää. Makean veden planetaarinen raja ei kuitenkaan ole huomioinut monia näistä yhteyksistä, ja maailmanlaajuiset makean veden kiertokulun ihmislähtöistä muutosta käsittelevät tutkimukset ovat olleet verrattain rajoittuneita. Tämän väitöskirjan tavoitteena on näin ollen täydentää makean veden kiertokulun maailmanlaajuisiin muutoksiin liittyvää tutkimusta tavalla, jota voi hyödyntää planetaaristen rajojen viitekehyksen kehittämiseen. Tutkimuksen laadulliset ja määrälliset tulokset muodostavat laajan katsauksen makean veden kiertokulun maailmanlaajuisiin muutoksiin. Osallistavan asiantuntijatutkimuksen (engl. expert elicitation) avulla osoitetaan, kuinka sininen ja vihreä vesi säätelevät maapallojärjestelmän prosesseja eri tavoin. Lisäksi tarkastellaan yhteyksiä jokien virtaamamuutosten sekä niiden suorien ja epäsuorien muutosajureiden välillä käyttäen maailmanlaajuista dataa. Mallinnettuun hydrologiseen dataan perustuvat määrälliset analyysit puolestaan havainnollistavat makean veden kiertokulun huomattavia muutoksia. Näissä analyyseissa sovelletaan ympäristövirtaaman vaihteluväliin perustuvaa menetelmää sekä tutkitaan poikkeuksellisten olosuhteiden esiintyvyyttä nykyajassa esiteolliseen aikaan verrattuna. Lopuksi esitellään päivitetty makean veden planetaarinen raja, jonka määrittely osaltaan hyödyntää näitä löydöksiä. Makean veden kiertokulun suojeleminen maapallojärjestelmän olennaisena osana vaatii monimuotoisia lähestymistapoja. Makean veden kiertokulku ja muut maapallojärjestelmän prosessit muodostavat tiheän ja monimutkaisen vaikutusten verkoston, jossa tyypillisesti ihmislähtöiset muutokset aiheuttavat laaja-alaisia vaikutuksia. Tämän vuoksi biofysikaalisten rajojen asettaminen planetaarisessa mittakaavassa sekä makean veden kiertokulun muutosten kokonaiskuvan muodostaminen vaativat laajaa tietämystä tämän kiertokulun merkityksestä maapallojärjestelmässä. Tämän väitöskirjan tulokset muodostavat vankan pohjan jatkotutkimuksille makean veden kiertokulun muutosten syiden ja seurausten ymmärtämiseksi – paikalliselta tasolta aina maailmanlaajuiselle tasolle asti.Description
Supervising professor
Kummu, Matti, Prof., Aalto University, Department of Built Environment, FinlandThesis advisor
Chrysafi, Anna, Dr., Q-Plan International P.C., GreecePorkka, Miina, Assoc. Prof., University of Eastern Finland, Finland
Keywords
freshwater cycle, planetary boundaries, hydrology, global environmental change, makean veden kiertokulku, planetaariset rajat, hydrologia, maailmanlaajuinen ympäristömuutos
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Chrysafi, A., Virkki, V., Jalava, M., Sandström, V., Piipponen, J., Porkka, M., Lade, S.J., La Mere, K., Wang-Erlandsson, L., Scherer, L., Andersen, L.S., Bennett, E., Brauman, K.A., Cooper, G.S., De Palma, A., Döll, P., Downing, A.S., DuBois, T.C., Fetzer, I., Fulton, E.A., Gerten, D., Jaafar, H., Jägermeyr, J., Jaramillo, F., Jung, M., Kahiluoto, H., Lassaletta, L., Mackay, A.W., Mason-D’Croz, D., Mekonnen, M.M., Nash, K.L., Pastor, A.V., Ramankutty, N., Ridoutt, B., Siebert, S., Simmons, B.I., Staal, A., Sun, Z., Tobian, A., Usubiaga-Liaño, A., van der Ent, R.J., van Soesbergen, A.,Verburg, P.H., Wada, Y., Zipper, S., Kummu, M., 2022. ‘Quantifying Earth system interactions for sustainable food production via expert elicitation’. Nature Sustainability 5, 830–842.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202209075341DOI: 10.1038/s41893-022-00940-6 View at publisher
-
[Publication 2]: Virkki, V.*, Alanärä, E.*, Porkka, M., Ahopelto, L., Gleeson, T., Mohan, C., Wang-Erlandsson, L., Flörke, M., Gerten, D., Gosling, S.N., Hanasaki, N., Müller Schmied, H., Wanders, N., Kummu, M., 2022. ‘Globally widespread and increasing violations of environmental flow envelopes’. Hydrology and Earth System Sciences 26, 3315–3336.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104552DOI: 10.5194/hess-26-3315-2022 View at publisher
-
[Publication 3]: Porkka, M.*, Virkki, V.*, Wang-Erlandsson, L., Gerten, D., Gleeson, T., Mohan, C., Fetzer, I., Jaramillo, F., Staal, A., te Wierik, S., Tobian, A., van der Ent, R., Döll, P., Flörke, M., Gosling, S.N., Hanasaki, N., Satoh, Y., Müller Schmied, H., Wanders, N., Famiglietti, J.S., Rockström, J., Kummu, M., 2024. ‘Notable shifts beyond pre-industrial streamflow and soil moisture conditions transgress the planetary boundary for freshwater change’. Nature Water 2, 262–273.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202404243216DOI: 10.1038/s44221-024-00208-7 View at publisher
-
[Publication 4]: Virkki, V., Sahu, R.K., Smilovic, M., Láng-Ritter, J., Porkka, M., Kummu, M. ‘Archetypal flow regime change classes as signatures of anthropogenic drivers of global streamflow alterations’. Manuscript accepted for review in the journal Environmental Research Letters on May 14th, 2024. A pre-print of the manuscript is available in
DOI: 10.31223/X5XM68 View at publisher