Hydrological processes and dynamics in the changing climate and environment: Lessons learned from multiple temporal and spatial scales

• Název práce v češtině: Hydrologické procesy a jejich dynamika v měnícím se klimatu a prostředí: Zkušenosti z výzkumu na různých časových a prostorových škálách
• Název v anglickém jazyce: Hydrological processes and dynamics in the changing climate and environment: Lessons learned from multiple temporal and spatial scales
• Klíčová slova: hydrolotické procesy, dynamika odtoku, změna klimatu, intenzifikace zemědělství, disturbance lesa, geochemická transformace, evapotranspirace, SVAT model, mízní tok, monitoring.
• Klíčová slova anglicky: hydrological processes, runoff, climate change, agricultural intensification, forest disturbance, geochemical transformation, celerity, evapotranspiration, SVAT model, sap flow, stomatal conductance
• Akademický rok vypsání: 2012/2013
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyzické geografie a geoekologie (31-330)
• Vedoucí / školitel: prof. RNDr. Jakub Langhammer, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 22.10.2012
• Datum zadání: 22.10.2012
• Datum a čas obhajoby: 29.11.2019 09:30
• Datum odevzdání elektronické podoby: 03.09.2019
• Datum proběhlé obhajoby: 29.11.2019
• Oponenti: prof. Ing. Martin Hanel, Ph.D.

Předběžná náplň práce

Změna klimatu představuje společně se změnami ve využívání a struktuře krajinného krytu (LULC) klíčové faktory, ovlivňující změny v hydrologických procesech a jejich dynamice v povodí. Tato práce se zaměřila na pochopení dopadu dlouhodobých změn klimatu i rychlých změn struktury krajiny, vyvolané různými faktory, např. intenzifikací zemědělství nebo disturbancí lesa. Tyto procesy jsou zkoumány na různých prostorových a časových škálách a v odlišných přírodních prostředích.
Klíčovou výzkumnou otázkou, provazující jednotlivé případové studie je - “jaká je reakce odtoku a související dynamiky hydrologických procesů na změny klimatu a změny LULC v povodí?“. Výzkum je realizovaný ve dvou typech prostředí - na příkladu lesních horských povodí ve střední Evropě a dále povodí v semiaridních oblastech Střední Asie.
Na prostorové úrovni uceleného povodí je výzkum založen na dlouhodobých hydroklimatických datech, využitých pro statistické analýzy a hydro-klimatické modelování. K pochopení příčin a dynamiky změn hydrologických procesů v menších prostorových a časových měřítcích byly prováděny následující studie, studující podrobně mechaniku hydrologickýách procesy v malých povodích: (i) na úrovni experimentálního malého povodí byl proveden experiment, využívající detekci změn v chemickém složení a dynamice generování odtoku po kůrovcové disturbanci pomocí hydrochemických stopovačů (tracerů); (ii) byla studována dynamika procesů v půdním prostředí; (iii) byly provedeny simulace evapotranspirace v experimentální povodí pomocí modelu Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer (SVAT), které nabídly alternativu k lepšímu pochopení odpařování z půdy, transpirace a odpařování z vegetace; a (iv) experiment efektu transpirace bukového lesa během vegetačního období pomocí měřením intenzity mízního toku.
Případové studie v prostředí středoevropského horského lesního povodí, poukázaly na významnou hydrologickou odezvu na oteplování klimatu, konkrétně na posuny v sezonalitě odtoku i frekvenci nebo extremitě výskytu vysokých a nízkých vodních stavů. V prostředí Střední Asie byly v reakci na změny prostředí zaznamenány poklesy odtoku, ale i významné změny v koncentracích dusíku. Detailní studie procesů pak potvrdily, že jednotlivé složky hydrologických procesů, zahrnující povrchové a podpovrchového proudění, geochemické podmínky nebo evapotranspiraci citlivě interagují na změny klimatu a LULC. V experimentálních povodích střední Evropy, kde došlo k rozsáhlé disturbanci lesa po kůrovcové kalamitě a působení změn klimatu, jsou geochemické změny, vyjádřené např. prostřednictvím ukazatele elektrické konduktivity (EC), rychlé, hluboké a dlouho trvající. K výrazným změnám dochází na úrovni dynamiky jednotlivých odtokových událostí, kdy se mění poměr mezi různými zdroji vodnosti s odlišnými hydrochemickými vlastnostmi, konkrétně zásob staré vody v povodí, obsahující vysoké koncentrace dusíku a uhlíku oproti vodě z aktuální srážkové události. Proměňující se geochemické poměry v povodí se odrážejí na průběhu hysterezních smyček koncentrací EC při odtokových událostech. Studie, využívající hydrochemické tracery vyžadují hluboké porozumění podpovrchovému proudění a proto jsme zde studovali a navrhli metodu výpočtu rychlostních funkcí proudění.
V lesních povodích je klíčovým prvkem hydrologického cyklu evapotranspirace. Nově vyvinutý SVAT model byl aplikován ve dvou odlišných prostředích - lesní a zemědělské plochy, pro které byly k dispozici podrobné řady dat pro validaci modelu. Jako podstatný krok pro zpěřesnění modelování evapotranspirace byl realizován instrumentálního monitoring mízního toku. Na jeho základě byla zpřesněna hodnota transpirace a její dynamiky v bukových porostech, nově se etablujících na plochách postižených disturbancí po kůrovcové kalamitě horského lesa.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Climate change, along with changes in land use and land cover (LULC), is the key factor driving changes in hydrological processes and dynamics in the basin.This thesis emphasizes understanding of the impact of both long-term climate change and abrupt anthropogenic driven agricultural intensification or natural driven insect-induced forest disturbance on hydrological processes and dynamics at varying spatial and temporal scales in two diverting terrestrial environments.
Two pattern-based investigations, one case study in a forest region in Central Europe and another in a semi-arid region in Central Asia, were aimed at answering the main research question “ what are the responses of hydrological dynamics and related hydro-geochemical conditions to climate change and certain changes in LULC at a basin-scale?”.The long-term hydro-climatic dataset was used for conducting statistical analyzes and establishing hydro-climatic modeling at the basin scale.We also conducted process-based studies, attempting to understand how and why the specific hydrological dynamics were altered in smaller spatial and temporal scales: and in runoff generation processes after bark beetle infestation;(ii) soil column-scale theoretic analysis was studied to address the importance of velocity-celerity difference in studying tracer transport;(iii) two plot-scale model-based evapotranspiration estimates in the Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer (SVAT) model scheme were conducted to offer an alternative to better understand evaporation from soil, transpiration, and evaporation from canopy;and (iv) a plot-scale sap flow experiment was designed to estimate the canopy conductance during the vegetation period of beech forest.
Two pattern-based case studies pointed out significant hydrological responses to the warmer climate under a different environment, in the mid-latitude study of Central Europe Mountain, the runoff seasonality shifted in terms of total runoff share, occurrence of peak flows and low flows, Asia experienced decrease in river flow and significant changes in riverine nitrogen concentrations.The processes-based studies highlighted that complex hydrological processes including streamflow, subsurface flow, geochemical conditions, and evapotranspiration are actively interacting with the changes in climate and LULC.Experimental catchments of Central Europe undergoing climate-induced bark beetle infestation, the geochemical changes showing increasing annual mean in-stream electrical conductivity (EC),are profound in the disturbed catchments were rapid after extensive infestation and last long over decades.The old water with substances of nitrogen and carbon released by dead trees was mixing with rainwater in the rainfall-runoff events, and shifts in EC-discharge hysteresis loops at each event implied changes in the subsurface chemical composition and runoff generation process.Such tracer-related studies require a deep understanding of subsurface flow, we, therefore, proposed a celerity function that has been theoretically done to the usefulness of assists in studying runoff behaviors and tracer transport.and the shifts in EC-discharge hysteresis loops at each event implied changes in the subsurface chemical composition and runoff generation process.Such tracer-related studies require a deep understanding of subsurface flow, we, therefore, proposed a celerity function that has been theoretically done to the usefulness of assists in studying runoff behaviors and tracer transport.and the shifts in EC-discharge hysteresis loops at each event implied changes in the subsurface chemical composition and runoff generation process.Such tracer-related studies require a deep understanding of subsurface flow, we, therefore, proposed a celerity function that has been theoretically done to the usefulness of assists in studying runoff behaviors and tracer transport.
Furthermore, evapotranspiration in the forested region is a key domain in the hydrological cycle.The newly developed SVAT model was applied in two different environments (ie, forest and maize) where had full sets of dataset for validating the model, and the performance was better due to more detailed description of energy transfer and formation of advective soil vapor transport.One step forward, the sap flow experiment tracked the transpiration process in the beech forest, based on which reversely-calculated canopy conductance was given to address the importance of knowing the site / species-specific canopy conductance for an area that assists better understanding of the transpiration process in the newly formed beech stands after the bark beetle outbreak in Central Europe.