Assessing the operational value of forecast information under climate change

As consequence of global warming, extreme events are expected to increase in magnitude and frequency at global and local scales. In the water resources field, on top of increasingly uncertain hydrological regimes, more recurrent and intense cases of flood and drought are projected, which causes reservoirs to lose efficiency and even to fail at their purpose of supplying water and preventing floods. Forecast has been proven to be a useful tool in improving water management, but little is known about its capability in future time periods under climate change. Therefore, it is the aim of this thesis to investigate the forecast value in the future and its contributions in mitigating the projected climate change impacts. For that, a study case at the Folsom reservoir is used, where 97 future climate scenarios are analyzed and selected according to their forecast potentiality. The selected scenarios are then simulated to establish the absolute and relative Expected Value of Perfect Information (EVPI). Given the nonexistence of data for future forecasts, a novel statistical framework is used to generate synthetic forecasts for future time periods whilst preserving the accuracy of the existing model currently used. When combined the selected future projections with the synthetic forecast framework, the future forecast ensembles for different climate change scenarios are created. In order to simulate these scenarios, a policy search framework is adopted, which applies an innovative method by controlling operation decisions with binary trees, defined by states and actions. Results indicate the use of forecast can improve water supply and prevent future floods from happening, in spite of an overall deterioration of the water operations in the future. The absolute value of forecast is projected to increase for all selected scenarios, while the relative forecast value has its evolution conditioned by the type of future scenario. In general, the relative value is expected to increase in wet scenarios but to decrease in dry scenarios. The thesis also found that forecast-based policies optimized over the past can improve the water supply levels over future time periods at the cost of increasing the flood risk. Moreover, given the concern about future uncertainty due to climate change, results show that forecasts allow for a wider range of future scenarios to be contemplated by a single policy, granting more flexibility to the operation.

Come conseguenza del riscaldamento globale, si prevede che gli eventi estremi aumentino in ampiezza e frequenza su scala globale e locale. Nel campo delle risorse idriche, oltre a regimi idrologici sempre più incerti, vengono proiettati casi più ricorrenti e intensi di alluvione e siccità, che causano la perdita di efficienza delle infrastrutture responsabili di attività vitali per la società, come l'approvvigionamento idrico e la prevenzione delle alluvioni fallire al loro scopo. Le previsioni stanno diventando uno strumento utile per migliorare la gestione e il funzionamento delle risorse idriche, ma si sa poco sulla sua capacità in periodi di tempo futuri sotto il cambiamento climatico. Pertanto, lo scopo di questa tesi è studiare i contributi previsionali per mitigare gli impatti previsti sul cambiamento climatico nella gestione delle risorse idriche e valutarne il valore rispetto alle condizioni attuali. Per questo, vengono analizzate 97 proiezioni di afflusso per il serbatoio Folsom, basato su più modelli di circolazione generale (GCM) e percorso di concentrazione rappresentativo (RCP), quindi selezionate in base alla loro potenzialità di previsione. Gli scenari selezionati vengono simulati con una programmazione dinamica per stabilire politiche operative di base e perfette e vengono calcolati i valori potenziali assoluti e relativi. Data la inesistenza di dati per le previsioni future, viene utilizzato un quadro statistico per generare previsioni sintetiche per periodi di tempo futuri, preservando l'accuratezza del modello a breve termine esistente attualmente utilizzato nel serbatoio. Se combinate le proiezioni future selezionate con il quadro di previsione sintetico, vengono creati gli insiemi di previsioni future per diversi scenari di cambiamento climatico. Al fine di ottimizzare e simulare questi scenari, viene adottato il framework di ricerca delle politiche, che applica un metodo innovativo controllando le decisioni operative con alberi binari, definiti da stati e azioni. I risultati indicano un generale deterioramento delle operazioni idriche, ma l'uso delle previsioni può migliorare l'approvvigionamento idrico e impedire che si verifichino inondazioni future per una serie di scenari futuri diversi rispetto a un'operazione di base. Si prevede che il valore assoluto della previsione aumenti con il tempo per tutti gli scenari selezionati in conseguenza di maggiori costi delle operazioni in futuro, mentre il valore relativo ha la sua evoluzione condizionata dal tipo di scenario futuro. In generale, il valore relativo dovrebbe aumentare negli scenari bagnati ma diminuire negli scenari asciutti. La tesi ha anche scoperto che una vecchia politica operativa supportata dalle previsioni può migliorare le prestazioni fino a un livello simile di una futura politica ottimizzata senza previsioni, aumentandone la durata. Inoltre, data la preoccupazione per l'incertezza futura dovuta ai cambiamenti climatici, i risultati mostrano che le previsioni consentono di contemplare una gamma più ampia di scenari futuri da un'unica politica, garantendo una maggiore flessibilità per l'operazione.