Hydrological extremes in Brazil: large-scale patterns, mechanisms, and change

Abstract

Hydrologische Extremereignisse sind weltweit ein wachsendes Problem. Studien, die Hochwasser und Dürren gemeinsam untersuchen, sind jedoch selten, ihre Entstehungsmechanismen sindin vielen Regionen unbekannt, und die Ursachen für ihre jüngsten Veränderungen sind nach wie vor nicht klar. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, wie Hochwasser und Dürren in Brasilien entstehen, ihre Veränderungen in den letzten 40 Jahren zu bestimmen und zu erklären und die dekadischen Schwankungen der letzten 80 Jahre zu untersuchen. Diese Arbeit konzentriert sichauf großmaßstäbliche, datengestützte Ansätze und Vergleiche von Hochwasser- und Dürreperioden.In Kapitel 2 stellen wir einen neuen Datensatz für großräumige hydrologische Studien in Brasilien vor. Er enthält Informationen über Abflüsse, Klima, Boden, Geologie, Bodenbedeckung und menschliche Einflüsse auf den Wasserkreislauf. In Kapitel 3 untersuchen wir die wichtigsten Mechanismen der Hochwasserentstehung, indem wir die saisonalen Schwankungen der Hochwasser in Abhängigkeit von Bodenfeuchtigkeit und intensiven Niederschlägen untersuchen.Die Ergebnisse zeigen, dass in den meisten Teilen Brasiliens, mit Ausnahme des Südens und Südostens, der Zeitpunkt der Hochwasser im Wesentlichen mit den Spitzenwerten der Bodenfeuchte übereinstimmt. Dies zeigt, dass Hochwasser eher durch die Vorbefeuchtung als durch die Niederschlagsmengen bestimmt werden, wodurch die Bedeutung der Wasserspeicherkapazität des Bodens für die Entstehung von Hochwasser verdeutlicht wird. In Kapitel 4 untersuchen wir die Mechanismen der Bildung von Trockenwetterabflüssen mit einem neuen prozessbasierten konzeptionellen Modell, das eine räumliche Analyse auf mehreren Skalen ermöglicht und die Auswirkungen der subjektiven Wahl der analysierten Einzugsgebietsmerkmale verringert.Die Ergebnisse zeigen, dass Einzugsgebietsmerkmale in Verbindung mit der Dynamik der Wasserspeicherung die räumliche Variabilität von Trockenwetterabflüssen auf regionaler Ebene (weniger als 106 km2) bestimmen, während sowohl Einzugsgebietsmerkmale als auch das Klima die Dürreflüsse auf kontinentaler Ebene (mehr als 107 km2) bedeutend sind. Die Geologie ist aufallen räumlichen Skalen der wichtigste Einflussfaktor, insbesondere die Art und Formation des Grundgesteins, was darauf hindeutet, dass die Wasserspeicherung in den Einzugsgebieten wichtiger ist als die klimatische Variabilität. In Kapitel 5 zeigt die gemeinsame Analyse derVeränderungen der Abflüsse bei Hochwasser und Trockenheit, dass sich der Wasserkreislauf in 29 % der brasilianischen Landesfläche im Zeitraum 1980-2015 beschleunigt hat, wobei die Hochwasser zunahmen, die Trockenwetterabflüsse jedoch abnahmen. Die Beschleunigung hängt mit der Zunahme des maximalen jährlichen Niederschlags und des Verlustes von Waldflächen.Darüber hinaus kam es in 42 % Brasiliens zu einem Rückgang der Hochwasser - und Trockenwetterabflüsse um bis zu 37 % pro Jahrzehnt, was auf geringere Niederschläge und eine steigende Wasserentnahme für die Bewässerung zurückzuführen ist. In Kapitel 6 wird untersucht, wiesich Hochwasser und Dürren im Zeitraum von 1940 bis 2020 auf dekadischer bis multidekadischer Skala häufen. Dürreperioden sind doppelt so häufig wie Hochwasserperioden, was vor allem mit der Variabilität der Niederschläge aufgrund von Anomalien im Pazifik und Atlantik zusammenhängt. Die 2000er und 2010er Jahre waren durch besonders niedrige Abflüsse gekennzeichnet,die mit einer erhöhten Wasserentnahme zusammenhängen. Diese Arbeit liefert drei wesentliche Forschungsbeiträge zu hydrologischen Extremen. Erstens wird der Nachweis erbracht, dass sowohl Hochwasser als auch hydrologische Dürren durch die Merkmale vonEinzugsgebieten in Verbindung mit der Wasserspeicherdynamik bestimmt werden, die sich derklimatischen Variabilität überlagert. Weitere Einblicke sind durch die Unterscheidung der Speicherkapazitäten in der Bodenkomponente (in Verbindung mit Hochwasser) und der Grundwasserkomponente(in Verbindung mit Dürren) möglich. Zweitens wird durch die gemeinsameAnalyse von Hochwasser und Dürren ein konsistentes Signal der Beschleunigung des Wasserkreislaufs gefunden, das eine neue Sichtweise auf die möglichen künftigen Veränderungen der hydrologischen Extreme ermöglicht. Drittens wird gezeigt, dass Häufungen von Hochwassern und Dürren oft in Perioden von ein oder zwei Jahrzehnten auftreten, wobei Dürren doppelt so häufig vorkommen wie Hochwasser, ein Hinweis auf Asymmetrien in ihren langfristigenSchwankungen. Die Ergebnisse belegen auch, dass die gemeinsame Untersuchung von Hochwasser und Dürren ein vielversprechender Ansatz zum besseren Verständnis der Entstehungsmechanismen hydrologischer Extreme ist.

Hydrological extremes are a growing concern worldwide. However, joint studies of floods and droughts are scarce, their generating mechanisms are unknown in many regions, and the causes of their recent changes remain elusive. The goal of this thesis is to investigate how floods and hydrological droughts are generated in Brazil, to detect and attribute their changes in the last 40 years, and to examine decadal their variabilities in the last 80 years. This study focuses on largescale,data-driven approaches and comparisons of floods and droughts. In Chapter 2, we presenta new data set for large-scale hydrological studies in Brazil. It includes information on streamflow,climate, soil, geology, land cover, and human interference on the water cycle. In Chapter 3,we investigate the main mechanisms of floods by examining flood seasonalities as a function of soil moisture and intense rainfall. We find that in most of Brazil, except for the south and southeast,the timing of floods is aligned mainly with that of soil moisture peaks. This shows that floods are modulated by antecedent soil wetness rather than by event rainfall magnitude, highlighting the importance of soil water storage capacities for flood generation. In Chapter 4, weexplore drought flow generating mechanisms with a process-based conceptual model, enabling a multiscale spatial analysis and reducing the impact of a subjective choice of basin attributes.Results show that basin characteristics linked to water storage dynamics control the drought flow spatial variability on regional scales (smaller than 106 km2), while both basin characteristics and climate govern drought flows on continental scales (larger than 107 km2). Geology is the main control on every spatial scale, particularly bedrock type and formation, pointing to a higher importance of basin water storage than climatic variability. In Chapter 5, a joint analysis of floodand drought flow change shows that the water cycle has been accelerating in 29% of Brazil in1980-2015, with increasing flood magnitudes but decreasing drought flows. The acceleration is aligned with deforestation and increased magnitudes of intense rainfall. Additionally, 42% of Brazil experienced decreasing flood and drought flows by up to 37% per decade, driven by reduced rainfall and rising water abstraction for irrigation. Chapter 6 explores how floods and droughts cluster in time at (multi)decadal scales from 1940 to 2020. Drought-rich periods are twice as likely as flood-rich periods, which is related to rainfall variability due to anomalies inthe Pacific and Atlantic oceans. The 2000s and 2010s were marked by record low flows, associated with increased water abstractions. This thesis advances research on hydrological extremes in three directions. First, by providing evidence that both floods and hydrological droughts are controlled by basin characteristics representing water storage dynamics, which attenuate the climatic variability, with further insights possible by contrasting storage capacities in the soil (linked to floods) and groundwater compartments (linked to droughts). Second, by finding aconsistent signal of the acceleration of the water cycle through joint analyses of floods and droughts, providing a new perspective on future changes in hydrological extremes. Third, byshowing that the most intense floods and droughts of the century are often clustered into one ortwo decades, although twice as frequently for droughts, providing evidence of asymmetries intheir long-term variabilities. Our findings highlight that exploring floods and droughts jointly is apromising approach for understanding the generating mechanisms of hydrological extremes.