uu.seUppsala University Publications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Can climate variability information constrain a hydrologicalmodel for an ungauged Costa Rican catchment?
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL.
IVL Svenska Miljöinstitute.
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL. Centre for Natural Disaster Science (CNDS).ORCID iD: 0000-0002-9943-6140
Centre for Geophysical Research, University of Costa Rica. (School of Physics, University of Costa Rica)
Show others and affiliations
(English)In: Hydrological Processes, ISSN 0885-6087, E-ISSN 1099-1085Article in journal (Other academic) Submitted
Place, publisher, year, edition, pages
John Wiley & Sons.
Keyword [en]
Uncertainty, ungauged basins, climate variability, hydrological model, Central America, process constraints
National Category
Oceanography, Hydrology, Water Resources
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-317262OAI: oai:DiVA.org:uu-317262DiVA: diva2:1080896
Available from: 2017-03-12 Created: 2017-03-12 Last updated: 2017-10-05
In thesis
1. Flood Hazard Assessment in Data-Scarce Basins: Use of alternative data and modelling techniques
Open this publication in new window or tab >>Flood Hazard Assessment in Data-Scarce Basins: Use of alternative data and modelling techniques
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Riskbedömning av översvämning i avrinningsområden med dålig datatillgång : Användning av alternativa data och modelleringsverktyg
Abstract [en]

Flooding is of great concern world-wide, causing damage to infrastructure, property and loss of life. Low-income countries, in particular, can be negatively affected by flood events due to their inherent vulnerabilities. Moreover, data to perform studies for flood risk management in low-income regions are often scarce or lacking sufficient quality.

This thesis proposes new methodologies and explores the use of unconventional sources of information in flood hazard assessment in areas where the quantity or sufficient quality of traditional hydrometrical data are lacking. 

One method was developed to account for errors in spatially averaged rainfall, from a sparse rain-gauge network, used as input to a rainfall-runoff model. A spatially-averaged and event-dependent rainfall depth multiplier led to improvements of the hydrographs at calibration. And by using a distribution of the multiplier, identified from previous events in the catchment, improvement in predictions could also be obtained.

A second method explored the possibility of reproducing an unmeasured extreme flood event using a combination of models, post-event data, precipitation and an uncertainty-analysis framework. This combination allowed the identification of likelihood-associated parameter sets from which the flood hazard map for the extreme event could be obtained.

A third and fourth study made at the regional scale explored the value of catchment similarities, and the effects of climate on the hydrological response of catchments.

Flood frequency curves were estimated for 36 basins, assumed ungauged, using regional information of short flow records, and local information about the frequency of the storm. In the second regional study, hydro-climatic information provided great value to constrain predictions of series of daily flow from a hydrological model.

Previously described methods, used in combination with unconventional information within an uncertainty analysis, proven to be useful for flood hazard assessment at basins with data limitations. The explored data included: post-event measurements of an extreme flood event, hydro-climate regional information and local precipitation data. The methods presented in this thesis are expected to support development of hydrological studies underpinning flood-risk reduction in data-poor areas.

Abstract [sv]

Extremt höga vattenflöden ställer till stora problem i hela världen. De skadar infrastruktur och egendom och orsakar död. Framför allt kan låg- och medelinkomstländer vara väldigt sårbara för extrema flöden. I dessa länder saknas dessutom ofta data som behövs för att kunna bedöma översvämningsrisker, eller så finns bara data av dålig kvalitet.

Denna avhandling föreslår nya metoder som använder okonventionella informationskällor vid bedömning av översvämningsrisker i områden där traditionella hydrologiska data saknas eller har otillräcklig kvalitet.

En metod utvecklades för att ta hänsyn till fel i rumslig medelnederbörd beräknad från ett glest nät av nederbördsmätare att användas som indata i en nederbörds-avrinningsmodell. Användning av en multiplikator för medelvärdesbildad nederbörd, i tid och rum, för enskilda högflödestillfällen ledde till förbättrad modellkalibrering. Genom att använda multiplikatorfördelningar, identifierade från tidigare högflödestillfällen i avrinningsområdet, kunde också prognoser förbättras.

En andra metod använde sig av möjligheten att reproducera ett extremt högflöde inom ramen för en osäkerhetsanalys med hjälp av en kombination av modeller, nederbördsdata och data som uppmätts i efterhand. Denna kombination gjorde det möjligt att identifiera parametervärdesuppsättningar med hophörande sannolikheter ur vilka det gick att erhålla en översvämningskarta för det höga flödet.

En tredje och fjärde studie i regional skala utforskade värdet av likheter mellan avrinningsområden och hur områdenas hydrologiska gensvar beror av klimatet.

Kurvan för kumulativa högflödesfrekvenser (flood frequency curve, FFC) kunde skattas med hjälp av lokal nederbördsinformation och regional information om korta tidsserier av vattenföring från 36 avrinningsområden som antogs sakna vattenföringsdata. I den andra regionala studien visade sig hydroklimatisk information av värde för att avgränsa godtagbara prognoser för daglig vattenföring från en hydrologisk modell.

Tidigare beskrivna metoder, använda tillsammans med okonventionell information inom ramen för en osäkerhetsanalys, visade sig vara användbara för att bedöma översvämningsrisker i avrinningsområden med databegränsningar. Bland utforskade data fanns: mätningar i efterhand av ett extremt högflöde, hydroklimatisk regional information och lokala nederbördsmätningar. Metoderna i denna avhandling förväntas kunna stödja utvecklingen av hydrologiska studier av höga flöden och översvämningar i områden med bristande datatillgång.

Abstract [es]

Las inundaciones ocasionan daños a la infraestructura, propiedad y pérdida de vidas a nivel mundial. Los países en desarrollo son los más vulnerables a inundaciones, la calidad y cantidad de datos hidro-climatológicos disponibles en los mismos dificulta el desarrollo de estudios para la evaluación de riesgo a esta amenaza. Esta tesis propone métodos en la que se hace uso de fuentes de información no-convencionales para la evaluación de riesgo por inundación en regiones con datos escasos o limitados.

Un método considera el error asociado a la precipitación promedio sobre cuencas en modelos lluvia-escorrentía como un factor multiplicador del histograma del evento. El uso de la precipitación promedio junto con una distribución probabilística del factor multiplicador como datos de entrada a un modelo de lluvia-escorrentía mejoraron los hidrogramas durante los periodos de calibración y predicción.

Un segundo método exploró la posibilidad de reproducir un evento extremo de inundación usando una combinación de modelos hidrológicos e hidráulico, un análisis de incertidumbre, datos hidrométricos recopilados después del evento y datos de precipitación registrados durante-el-evento. Dicha combinación permitió la identificación de los parámetros de los modelos y la elaboración un mapa de amenaza por inundaciones para dicho evento.

Adicionalmente, se estimaron curvas de frecuencia de inundaciones para 36 cuencas, asumidas no aforadas, mediante un método de regionalización que usa registros de caudal de corta duración disponibles en la región. Dichas curvas fueron extendidas haciendo uso de información local sobre la frecuencia de las tormentas. Se encontró que la información hidro-climatológica tiene un gran valor para reducir el rango de incertidumbre de las simulaciones de caudal diaria de un modelo hidrológico.

Los métodos anteriores se usaron en combinación con información no-convencional dentro de un análisis de incertidumbre y han probado su utilidad para la evaluación de riesgo por inundaciones en cuencas con registros escasos o limitados. Los datos utilizados en esta tesis incluyen datos hidrométricos recopilados pasado el evento, registros hidro-climatológicos regionales y precipitación local. Se espera que los métodos presentados aquí contribuyan al desarrollo de estudios hidrológicos importantes para la reducción del riesgo por inundaciones en regiones con déficit de registros hidro-climatológicos.

Place, publisher, year, edition, pages
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2017. 64 p.
Series
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 1489
Keyword
Central America, floods, data scarcity, data quality, uncertainty analysis, regionalisation, flood frequency analysis, GLUE, hydraulic modelling, rainfall-runoff modeling, TOPMODEL, LISFLOOD-FP, GRADEX, index-flood, Muskingum-Cunge-Todini flow routing, Mellanamerika, högflöde, datakvalitet, osäkerhetsanalys, regionalisering, frekvensanalys av högflöden, GLUE, hydraulisk modellering, nederbörds-avrinningsmodeller, TOPMODEL, LISFLOOD-FP, GRADEX, indexflöde, Muskingum-Cunge-Todini flödessvarstid, Central América, inundaciones, escasez de datos, calidad de los datos, análisis de incertidumbre, regionalización, análisis de frequencia de inundación, GLUE, modelación hidraulica, modelo de lluvia-escorrentía, TOPMODEL, LISFLOOD-FP, GRADEX, índice de inundación, Muskingum-Cunge-Todini rutina de propagación de flujo
National Category
Oceanography, Hydrology, Water Resources
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-317332 (URN)978-91-554-9848-1 (ISBN)
Public defence
2017-05-05, Axel Hambergsalen, Earth Sciences Centre, Villavägen 16, Uppsala, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Sida - Swedish International Development Cooperation Agency
Available from: 2017-04-10 Created: 2017-03-13 Last updated: 2017-04-21
2. Hydro-Climatic Variability and Change in Central America: Supporting Risk Reduction Through Improved Analyses and Data
Open this publication in new window or tab >>Hydro-Climatic Variability and Change in Central America: Supporting Risk Reduction Through Improved Analyses and Data
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Variabilitet och förändring av hydrologi och klimat i Mellanamerika : Stöd för riskreducering genom förbättrade analyser och data
Abstract [en]

Floods and droughts are frequent in Central America and cause large social, economic and environmental impacts. A crucial step in disaster risk reduction is to have a good understanding of the causing mechanisms of extreme events and their spatio-temporal characteristics. For this, a key aspect is access to a dense network of long and good-quality hydro-meteorological data. Unfortunately, such ideal data are sparse or non-existent in Central America. In addition, the existing methods for hydro-climatic studies need to be revised and/or improved to find the most suitable for the region’s climate, geography and hydro-climatic data situation. This work has the ultimate goal to support the reduction of risks associated with hydro-climatic-induced disasters in Central America. This was sought by developing ways to reduce data-related uncertainties and by improving the available methods to study and understand hydro-climatic variability processes. In terms of data-uncertainty reduction, this thesis includes the development of a high resolution air temperature dataset and a methodology to reduce uncertainties in a hydrological model at ungauged basins. The dataset was able to capture the spatial patterns with a detail not available with existing datasets. The methodology significantly reduced uncertainties in an assumed-to-be ungauged catchment. In terms of methodological improvements, this thesis includes an assessment of the most suitable combination of (available) meteorological datasets and drought indices to characterise droughts in Central America. In addition, a methodology was developed to analyse drought propagation in a tropical catchment, in an automated, objective way. Results from the assessment and the drought propagation analysis contributed with improving the understanding of drought patterns and generating processes in the region. Finally, a methodology was proposed for assessing changes in both hydrological extremes in a consistent way. This contrasts with most commonly used frameworks that study each extreme individually. The method provides important characteristics (frequency, duration and magnitude), information that can be useful for decisions within risk reduction and water management. The results presented in this thesis are a contribution, in terms of hydro-climatic data and assessment methods, for supporting risk reduction of disasters related with hydro-climatic extremes in Central America.

Abstract [sv]

Översvämningar och torka inträffar ofta i Mellanamerika och orsakar stora skador på samhälle, ekonomi och miljö. En kritisk del av riskreduceringen är förståelsen av mekanismerna bakom extremhändelserna, och deras rumsliga och tidskarakteristik. En nyckelfaktor är tillgång till långa tidsserier av rumsligt täckande hydrometeorologiska data av bra kvalitet. I Mellanamerika är sådana ideala data tyvärr sällsynta eller saknas helt. Dessutom behöver befintliga metoder för hydro-klimatisk analys revideras och/eller förbättras för att identifiera de mest lämpade metoderna för regionens klimat, geografi och situationen vad gäller hydrologiska och meteorologiska data. Det övergripande syftet med denna avhandling har varit att stödja arbetet med riskreducering i Mellanamerika vid hydrologiska extremhändelser som sätts igång av extrema väderhändelser. För att bidra till detta utvecklades metoder för att minska datarelaterade osäkerheter och för att förbättra tillgängliga metoder för att studera och förstå de processer som ligger bakom variabiliteten i hydrologi och klimat. Dataosäkerheten minskades genom utveckling av ett nytt dataset för lufttemperatur med hög rumslig upplösning och en metodik för att begränsa osäkerheten i modellberäknad vattenföring i ett område där det saknas observationer. Det nya datasetet kunde fånga rumsliga mönster på en detaljnivå som hittills inte varit möjlig. Metodiken möjliggjorde en klar minskning i osäkerheten hos vattenföringen i ett avrinningsområde som behandlades som om det saknade data. Avhandlingen innehåller också en metodik för att fastlägga den mest lämpade kombinationen av tillgängliga klimatdataset och torkindex för att karakterisera torka i Mellanamerika. Därutöver utvecklades en metod för att studera torkans fortplantning i ett tropiskt avrinningsområde på ett objektivt och automatiserat sätt. Slutligen föreslås en metod för att hantera förändringar av både översvämning och torka på ett konsistent sätt  som förenklar användningen av resultaten  för en beslutsfattare. Dessa metoder bedömdes användbara för att förbättra karakteriseringen och förståelsen av extrema hydrologiska händelser i Mellanamerika. Resultaten i denna avhandling ger bidrag till förståelsen av hydrologiska och klimatextremer genom förbättrade data och analysmetoder som i förlängningen kommer att stödja riskreduceringsarbetet i Mellanamerika.

Abstract [es]

Las sequías e inundaciones son frecuentes en Centroamérica y causan grandes problemas sociales, económicos y ambientales. Un aspecto crucial en la reducción del riesgo consiste en entender los mecanismos que causan dichos eventos, y sus características espacio-temporales. Para lograr esto es necesario tener acceso a una red de datos hidro-meterológicos densa, con series largas, y de buena calidad. Desafortunadamente, este no es el caso en Centroamérica. Además, los métodos para hacer estudios hidro-climáticos requieren ser evaluados y/o mejorados para asegurar su aplicabilidad en la región (su clima, su geografía y los datos disponibles). Este trabajo tiene como meta apoyar la reducción del riesgo de desastres asociados a eventos hidro-meteorológicos extremos en Centroamérica. Esto se consigue a partir de la reducción de incertidumbres asociadas a los datos, y de la mejora de métodos para el estudio de la variabilidad hidro-climática. Para reducir la incertidumbre de los datos, este trabajo incluye el desarrollo de una base de datos de temperatura de alta resolución y el desarrollo de una metodología para reducir las incertidumbres en datos simulados de caudal. Con la nueva base de datos se logra reconocer patrones espaciales a un nivel de detalle no antes captado por otras bases de datos. Por otro lado, la metodología redujo significativamente las incertidumbres de los datos simulados de caudal. En cuanto a métodos, esta tesis incluye una evaluación para encontrar la mejor combinación de índices de sequía y base de datos para la caracterización de sequías en la región. Además, se desarrolló una metodología para analizar la propagación de la sequía en una cuenca tropical, de una manera objetiva y automatizada. Los resultados de estos dos pasos ayudaron a mejorar la comprensión de los patrones y los mecanismos de generación de las sequías. Finalmente, se incluyó un método para evaluar los cambios en los patrones de sequías e inundaciones de una manera consistente, y no de manera individual como usualmente se ha hecho. Así fue posible obtener la frecuencia, duración y magnitud en ambos extremos hidrológicos. Esta información podría constituir una herramienta  útil para el manejo del riesgo y del recurso hídrico.

Place, publisher, year, edition, pages
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2017. 70 p.
Series
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 1570
Keyword
Central America, climate variability, disaster risk reduction, droughts, drought indices, floods, hydrological model, process constraints, statistical downscaling, uncertainty, ungauged basins, water resources.
National Category
Oceanography, Hydrology, Water Resources
Research subject
Hydrology
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-330814 (URN)978-91-513-0092-4 (ISBN)
Public defence
2017-11-24, Axel Hambergsalen, Earth Sciences Centre, Villavägen 16, Uppsala, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2017-10-31 Created: 2017-10-05 Last updated: 2017-10-31

Open Access in DiVA

No full text

Authority records BETA

Quesada-Montano, BeatrizFuentes–Andino, DianaHalldin, Sven

Search in DiVA

By author/editor
Quesada-Montano, BeatrizFuentes–Andino, DianaHalldin, Sven
By organisation
LUVAL
In the same journal
Hydrological Processes
Oceanography, Hydrology, Water Resources

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 814 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf