text size

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

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Hydrological processes and dynamics in the changing climate and environment: Lessons learned from multiple temporal and spatial scales
Title (in czech):
Hydrologické procesy a jejich dynamika v měnícím se klimatu a prostředí: Zkušenosti z výzkumu na různých časových a prostorových škálách
Type:
Dissertation
Author:
Ye Su, M.Sc., Ph.D.
Supervisor:
doc. RNDr. Jakub Langhammer, Ph.D.
Opponents:
doc. Ing. Martin Hanel, Ph.D.
Hilda van Meerveld, Ph.D.
Thesis Id:
129064
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Department of Physical Geography and Geoecology (31-330)
Study programm:
Physical Geography and Geoecology (P1306)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
29/11/2019
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
hydrolotické procesy, dynamika odtoku, změna klimatu, intenzifikace zemědělství, disturbance lesa, geochemická transformace, evapotranspirace, SVAT model, mízní tok, monitoring.
Keywords:
hydrological processes, runoff, climate change, agricultural intensification, forest disturbance, geochemical transformation, celerity, evapotranspiration, SVAT model, sap flow, stomatal conductance
Abstract (in czech):
Hydrologické procesy a jejich dynamika v měnícím se klimatu a prostředí: Zkušenosti z výzkumu na různých časových a prostorových škálách Ye Su ABSTRAKT 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 disturbancílesa. 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 souvisejí dynamiky hydrologických procesů na změny klimatu a změny LULC v povodí?“. Výzkum je cí realizovaný ve dvou typech prostředí - na příkladu lesních horských povodí ve střední Evropě a dále povodí v semiaridních oblastech Střední Asie. Na prostorovéú rovni ucelené povodí vý ho je zkum 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 experimentá povodí pomocí modelu Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer lní (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 vý znamnou 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 elektrickékonduktivity (EC), rychlé hlubokéa 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 dusí a uhlí oproti vodě z aktuální srážkové události. Proměňující se geochemické ku ku 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 realizová instrumentá ho monitoring mí ho toku. Na jeho základě byla n lní zní zpřesněna hodnota transpirace a její dynamiky v bukových porostech, nově se etablujících na plochách postižených disturbancí po kůrovcové kalamitě horského lesa. Klíčová slova: hydrolotické procesy, dynamika odtoku, změna klimatu, intenzifikace zemědělství, disturbance lesa, geochemickátransformace, evapotranspirace, SVAT model, mí tok, monitoring. zní
Abstract:
Hydrological processes and dynamics in the changing climate and environment: Lessons learned from multiple temporal and spatial scales Ye Su ABSTRACT Climate change, along with the changes in land use and land cover (LULC), is the key factor driving the changes in hydrological processes and dynamics in a basin. This thesis emphasized on understanding 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 environment. 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 to answer the main research question “what are the responses of hydrological dynamics and the 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 analyses and establishing hydro-climatic modelling at the basin scale. We further conducted process-based studies, attempting to understand how and why the specific hydrological dynamics were altered at smaller spatial and temporal scales: (i) a catchment-scale tracer-based experiment was conducted to examine multi-timescales changes in subsurface chemical composition and in runoff generation processes after bark beetle infestation; (ii) a soil column-scale theoretical analysis was studied to address the importance of velocity-celerity difference in studying tracer transport; (iii) two plot-scale model-based evapotranspiration estimations in a 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 the significant hydrological responses to the warmer climate under different environment, in the studied mid-latitude Central Europe Mountain the runoff seasonality shifted in terms of total runoff share, occurrence of peak flows and low flows, while Central Asia experienced a 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. In the experimental catchments of Central Europe undergone climate- induced bark beetle infestation, the geochemical changes, showing as an increased 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 the rainwater in the rainfall-runoff events, 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 deep understanding in subsurface flow, we, therefore, proposed a celerity function that has been theoretically proved the usefulness when assists in studying the runoff behaviours 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 (i.e., forest and maize) where had full sets of dataset for validating the model, and the performance was better due to the more detailed description of energy transfer and the formation of advective soil vapour transport. One step forward, the results from sap flow experiment tracked the transpiration process in the beech forest, based on which the reversely-calculated canopy conductance was given to address the importance of knowing the site/species-specific canopy conductance for an area, which assists better understanding the transpiration process in newly formed beech stands after bark beetle outbreak in Central Europe. Key words: hydrological processes, runoff, climate change, agricultural intensification, forest disturbance, geochemical transformation, celerity, evapotranspiration, SVAT model, sap flow, stomatal conductance
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Ye Su, M.Sc., Ph.D. 3.9 MB
Download Attachment to the thesis Ye Su, M.Sc., Ph.D. 17.35 MB
Download Abstract in czech Ye Su, M.Sc., Ph.D. 195 kB
Download Abstract in english Ye Su, M.Sc., Ph.D. 267 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Ye Su, M.Sc., Ph.D. 3.1 MB
Download Opponent's review doc. Ing. Martin Hanel, Ph.D. 468 kB
Download Opponent's review Hilda van Meerveld, Ph.D. 133 kB
Download Defence's report Mgr. Václav Treml, Ph.D. 153 kB