Increasingly uncertain hydrologic regimes are challenging water systems management worldwide, emphasizing the need of accurate medium- to long-term predictions to timely prompt anticipatory operations. In fact, forecasts are usually skillful over short lead time (from hours to days), but predictability tends to decrease on longer lead times. The forecast lead time might be extended by using climate teleconnections, such as El Niño Southern Oscillation (ENSO). Despite the effects of these phenomena are well defined in some specific locations, such as in the Pacific coasts of United States or in Australia, there is no consensus on how they can be detected and used in other river basins, particularly in Europe or Africa. In this work, we contribute an extension of the Niño Index Phase Analysis (NIPA), called Multi Variate Niño Index Phase Analysis (MV-NIPA), for capturing the state of multiple large-scale climate signals (i.e. ENSO, North Atlantic Oscillation, Pacific Decadal Oscillation, Atlantic Multidecadal Oscillation, Indian Ocean Dipole). This climate state information is used for distinguishing the different phases of the climate signals and for identifying relevant teleconnections between the observations of Sea Surface Temperature (SST) that mostly influence the local hydroclimatic conditions. The framework is applied to Lake Como system, a regulated lake in northern Italy which is mainly operated for flood control and irrigation supply. The existence of teleconnections with large-scale climate signals is still unknown in this area, and so these type of phenomena have never been utilized as informative tools for the management of the water system. Results show that, running MV-NIPA, high correlations between SST averages over three months and three months ahead precipitation in Lake Como basin, are recognized. The forecasts of the seasonal precipitation over the study area, defined as the average over three months, show high correlations with the observations of the same variable and a good capability of the forecasting framework in capturing the interannual variability of the observed precipitation. This represents a relevant result, because it highlights, for the first time, a link between large-scale climate signals and the hydroclimatology of Lake Como basin. The MV-NIPA predictions are then benchmarked against a set of ECMWF forecast products over the study area, in order to be validated. The benchmark shows that the forecasts obtained by MV-NIPA are significantly improved than those produced by ECMWF. These improvements represent a valuable information to partially anticipate the summer water availability in the system, ultimately supporting Lake Como operations.

La crescente incertezza dei regimi idrologici sta mettendo alla prova la gestione dei sistemi idrici, evidenziando la necessità di sviluppare previsioni a medio e lungo termine che suggeriscano tempestivamente operazioni preventive. Infatti, la capacità predittiva è generalmente accurata su orizzonti temporali brevi (dell’ordine di ore o di giorni), ma tende a diminuire su periodi più lunghi. L’orizzonte previsionale può essere esteso attraverso l’uso di informazioni provenienti da segnali climatici operanti su ampia scala, come El Niño Southern Oscillation (ENSO). L’influenza di questi fenomeni è nota in alcune specifiche aree del globo, come le coste Pacifiche degli Stati Uniti o l’Australia, mentre non c’è consenso su come possa essere identificata e utilizzata in altre, in particolare in Europa e Africa. In questo studio, si propone un’estensione della Niño Index Phase Analysis (NIPA), chiamata Multi Variate Niño Index Phase Analysis (MV-NIPA), per catturare lo stato di vari segnali climatici globali (i.e. ENSO, North Atlantic Oscillation, Pacific Decadal Oscillation, Atlantic Multidecadal Oscillation, Indian Ocean Dipole). Attraverso questa informazione sullo stato climatico si distinguono le differenti fasi di ciascun segnale e si identificano le teleconnessioni tra le anomalie osservate di Sea Surface Temperature (SST) che influenzano maggiormente le condizioni idroclimatiche locali. Il metodo è applicato al sistema del Lago di Como, un lago regolato, situato nell’Italia settentrionale, la cui regolazione è operata prevalentemente sulla base del controllo delle piene e della richiesta idrica per scopi agricoli. L’esistenza di teleconnessioni con segnali climatici di larga scala in quest’area è tuttora sconosciuta e quindi questi fenomeni non sono mai stati sfruttati come strumenti informativi per una migliore gestione del sistema idrico. I risultati mostrano alte correlazioni tra i valori stagionali di SST osservati e le precipitazioni sul bacino del Lago di Como nei tre mesi successivi. Le previsioni delle precipitazioni stagionali sull’area di studio, calcolate come le medie su tre mesi, evidenziano alte correlazioni con le osservazioni della stessa variabile e una buona capacità del metodo nel catturare la variabilità interrannuale delle precipitazioni osservate. Ciò rappresenta un risultato significativo, in quanto suggerisce, per la prima volta, l’esistenza di una connessione tra segnali climatici di larga scale e l’idroclimatologia del Lago di Como. La validazione dei risultati è effettuata tramite un confronto con un set di previsioni sull’area di interesse fornito dall’ECMWF. Il confronto mostra che le previsioni ottenute dalla MV-NIPA sono decisamente migliori rispetto a quelle prodotte dall’ECMWF. Questi miglioramenti rappresentano un’informazione che potrebbe risultare utile per prevedere, almeno in parte, la disponibilità di acqua nella stagione estiva, fornendo così un significativo supporto alle operazioni di regolazione del Lago di Como.

Improving seasonal forecast of hydroclimatic variables through the state of large-scale climate signals

SAMALE, CHIARA LUCIA
2015/2016

Abstract

Increasingly uncertain hydrologic regimes are challenging water systems management worldwide, emphasizing the need of accurate medium- to long-term predictions to timely prompt anticipatory operations. In fact, forecasts are usually skillful over short lead time (from hours to days), but predictability tends to decrease on longer lead times. The forecast lead time might be extended by using climate teleconnections, such as El Niño Southern Oscillation (ENSO). Despite the effects of these phenomena are well defined in some specific locations, such as in the Pacific coasts of United States or in Australia, there is no consensus on how they can be detected and used in other river basins, particularly in Europe or Africa. In this work, we contribute an extension of the Niño Index Phase Analysis (NIPA), called Multi Variate Niño Index Phase Analysis (MV-NIPA), for capturing the state of multiple large-scale climate signals (i.e. ENSO, North Atlantic Oscillation, Pacific Decadal Oscillation, Atlantic Multidecadal Oscillation, Indian Ocean Dipole). This climate state information is used for distinguishing the different phases of the climate signals and for identifying relevant teleconnections between the observations of Sea Surface Temperature (SST) that mostly influence the local hydroclimatic conditions. The framework is applied to Lake Como system, a regulated lake in northern Italy which is mainly operated for flood control and irrigation supply. The existence of teleconnections with large-scale climate signals is still unknown in this area, and so these type of phenomena have never been utilized as informative tools for the management of the water system. Results show that, running MV-NIPA, high correlations between SST averages over three months and three months ahead precipitation in Lake Como basin, are recognized. The forecasts of the seasonal precipitation over the study area, defined as the average over three months, show high correlations with the observations of the same variable and a good capability of the forecasting framework in capturing the interannual variability of the observed precipitation. This represents a relevant result, because it highlights, for the first time, a link between large-scale climate signals and the hydroclimatology of Lake Como basin. The MV-NIPA predictions are then benchmarked against a set of ECMWF forecast products over the study area, in order to be validated. The benchmark shows that the forecasts obtained by MV-NIPA are significantly improved than those produced by ECMWF. These improvements represent a valuable information to partially anticipate the summer water availability in the system, ultimately supporting Lake Como operations.
BLOCK, PAUL
GIULIANI, MATTEO
ING I - Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
28-apr-2017
2015/2016
La crescente incertezza dei regimi idrologici sta mettendo alla prova la gestione dei sistemi idrici, evidenziando la necessità di sviluppare previsioni a medio e lungo termine che suggeriscano tempestivamente operazioni preventive. Infatti, la capacità predittiva è generalmente accurata su orizzonti temporali brevi (dell’ordine di ore o di giorni), ma tende a diminuire su periodi più lunghi. L’orizzonte previsionale può essere esteso attraverso l’uso di informazioni provenienti da segnali climatici operanti su ampia scala, come El Niño Southern Oscillation (ENSO). L’influenza di questi fenomeni è nota in alcune specifiche aree del globo, come le coste Pacifiche degli Stati Uniti o l’Australia, mentre non c’è consenso su come possa essere identificata e utilizzata in altre, in particolare in Europa e Africa. In questo studio, si propone un’estensione della Niño Index Phase Analysis (NIPA), chiamata Multi Variate Niño Index Phase Analysis (MV-NIPA), per catturare lo stato di vari segnali climatici globali (i.e. ENSO, North Atlantic Oscillation, Pacific Decadal Oscillation, Atlantic Multidecadal Oscillation, Indian Ocean Dipole). Attraverso questa informazione sullo stato climatico si distinguono le differenti fasi di ciascun segnale e si identificano le teleconnessioni tra le anomalie osservate di Sea Surface Temperature (SST) che influenzano maggiormente le condizioni idroclimatiche locali. Il metodo è applicato al sistema del Lago di Como, un lago regolato, situato nell’Italia settentrionale, la cui regolazione è operata prevalentemente sulla base del controllo delle piene e della richiesta idrica per scopi agricoli. L’esistenza di teleconnessioni con segnali climatici di larga scala in quest’area è tuttora sconosciuta e quindi questi fenomeni non sono mai stati sfruttati come strumenti informativi per una migliore gestione del sistema idrico. I risultati mostrano alte correlazioni tra i valori stagionali di SST osservati e le precipitazioni sul bacino del Lago di Como nei tre mesi successivi. Le previsioni delle precipitazioni stagionali sull’area di studio, calcolate come le medie su tre mesi, evidenziano alte correlazioni con le osservazioni della stessa variabile e una buona capacità del metodo nel catturare la variabilità interrannuale delle precipitazioni osservate. Ciò rappresenta un risultato significativo, in quanto suggerisce, per la prima volta, l’esistenza di una connessione tra segnali climatici di larga scale e l’idroclimatologia del Lago di Como. La validazione dei risultati è effettuata tramite un confronto con un set di previsioni sull’area di interesse fornito dall’ECMWF. Il confronto mostra che le previsioni ottenute dalla MV-NIPA sono decisamente migliori rispetto a quelle prodotte dall’ECMWF. Questi miglioramenti rappresentano un’informazione che potrebbe risultare utile per prevedere, almeno in parte, la disponibilità di acqua nella stagione estiva, fornendo così un significativo supporto alle operazioni di regolazione del Lago di Como.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/134449