Quantifying the impact of climate oscillation on Mediterranean hydrology using multivariate statistics

Abstract

Der mediterrane Raum hat eine komplexe Geographie, die sich über verschiedene Klimazonen streckt. Die Interaktionen und Prozesse des Wasserkreislaufs der Region sind aufgrund der Häufung von extremen Wetterphänomenen und dem Klimawandel derzeit im Fokus vieler wissenschaftlicher Studien. Der ständig wachsende Bedarf an Wasser durch den Tourismus und durch die Landwirtschaft verstärkt die Probleme in von Dürren geplagten Gegenden noch weiter. Deshalb sind Monitoring und ein besseres Verständnis für den Wasserkreislauf in dieser Region besonders wichtig. Variationen im Klima, die speziellen räumlichen und zeitlichen Mustern folgen und als Klimaoszillationen bekannt sind, sind ein wichtiger Treiber des Wasserkreislaufs. Deshalb versucht diese Arbeit ein besseres Verständnis für die Verbindung zwischen lokalen Klimaoszillationen und dem Wasserkreislauf in der Region zu erreichen. Empirische Orthogonale Funktionen (EOF) und dessen Variationen werden an eine große Auswahl von Datensätzen, die den Wasserkreislauf beschreiben angewendet, um die Hauptkomponenten für den Betrachtungszeitraum zu extrahieren. Mehr als zehn Datensätze, die Niederschlag, Evapotranspiration und Bodenfeuchte beschreiben wurden untersucht, um die bisherigen wissenschaftlichen Studien zu ergänzen. Die Datensätze decken unterschiedliche Perioden im Zeitraum von 1980-2015 ab. Die berechneten EOFs werden dann mit regionalen Klimamodi mit der Spearman Rank Korrelationsanalyse korreliert. Das wird für die gesamte Studiendauer der EOFs gemacht, sowohl für monatliche als auch saisonale Mittelwerte. Die Ergebnisse sprechen für eine Beziehung zwischen den hydrologischen Datensätzen und den Klimaoszillationen NAO, AO, EA und TNA. Bei Analysen der jeweils monatlichen und saisonalen Mittelwerte finden sich besonders hohe Korrelationen in den Wintermonaten. Gleichzeitig wurde eine starke Abhängigkeit der Ergebnisse von den gewählten Studienbereichen gefunden. Die Ergebnisse deuten auf einen Einfluss der regionalen Klima Oszillationen auf den Wasserzyklus im Mediterranen Raum hin.

The Mediterranean area has a complex geography covering several climate zones. Currently the interactions and processes of the hydrological cycle in the area are in the focus of many scientific studies due to the increase in extreme weather events and climate change impact. The ever-increasing need for water in tourism and agriculture reinforces the problem in areas of drought. Therefore, monitoring and better understanding of the hydrological cycle are crucial in order to create better long-term forecasts for this area. The variabilities in climate that follow distinct repeating spatio-temporal patterns known as climate modes, are one of the major drivers for the hydrological cycle. Therefore, this study seeks to quantify the relationship between regional climate modes and the hydrological cycle in the study area. Empirical Orthogonal Functions (EOF), and variations of them, are applied to a wide range of hydrological datasets to extract the major variation over the study period. More than ten datasets, describing precipitation, soil moisture, and evapotranspiration, have been analysed to give further support and enrich findings of earlier studies. The time span of the datasets varies and lies within 1980 - 2015. The resulting EOFs are then correlated with regional climate modes using Spearman Rank correlation analysis. This is done for the entire time span of the EOFs by monthly and seasonal means. There is evidence for relationships between hydrological phenomenon and the climate modes North Atlantic Oscillation (NAO), Arctic Oscillation (AO), Eastern Atlantic (EA), and Tropical Northern Atlantic (TNA). By analysing by seasonal and monthly means, especially high correlation in the winter months are found. However, the results strongly depend on the study area extent. The findings suggest an impact of regional climate modes on the hydrological cycle in the Mediterranean area.