Climate change assessment and hydrological modeling in the Dudhkosi River basin, Eastern Nepal

The Himalayas, also known as the “roof of the world”, contain the most extensive and rugged high altitude areas on the planet, and the largest areas covered by glaciers and permafrost outside the Polar Regions (Xu et al., 2009). The assessment of the cryospheric response to climate change has become a primary concern for scientists, international organizations, and policy makers, especially after the publication of the 4th Intergovernmental Panel on Climate Change report. In particular, the present study targets the Dudhkosi river watershed (3700 km2), whose high altitude areas including Mount Everest peak are exceptionally monitored by the EvK2-CNR meteorological stations network. The main objective is to assess the availability of water resources through hydrological modeling in the targeted area, using both satellite and ground-stations measurements, and to highlight the changes in temperature, precipitation, and river discharge trends over the past 42 years. Two critical components for predicting hydrologic fluxes in steep mountain ranges are: (i) accurate information of energy and mass fluxes, especially at high altitudes, and (ii) depiction of rainfall and snowfall amount and dynamics. Although there are some issues in predicting the river’s discharge during the monsoon season, the temperature-based model used to simulate snow and glacier melting captures the general pattern of stream-flows during the pre- and post- monsoon season, showing that the contribution of these components to the river discharge represents approximately 30% as annual mean. Regarding climate change trends, a temporal shift from July-August to August-September of the stream-flow peak is likely to occur on a statistical basis, while more extended periods of drought along with more severe extreme rainfall events are already affecting the life-quality of the local communities. Therefore, this study represents a little step toward the characterization of climate change in the region, providing a tool for assessing its impact on the local population in terms of energy and food insecurity as well as natural hazards, and for planning the adaptation and mitigation measures accordingly.

La regione himalayana, conosciuta come the roof of the world (“il tetto del mondo”), comprende le aree più elevate del pianeta, ricoperte da ghiacciai e permafrost la cui estensione e’ inferiore solo alle zone polari. Questa regione e’ pertanto la terza riserva d’acqua a livello globale e soddisfa i bisogni di più di 1,3 miliardi di persone nei nove principali bacini idrologici originatisi dalla catena Himalayana. La stima dell’impatto dei cambiamenti climatici sulla criosfera e’ di fondamentale interesse per la comunità scientifica, le organizzazioni internazionali ed i policy-makers, specialmente a seguito della pubblicazione del 4th Intergovernmental Panel on Climate Change report (IPCC et al., 2007). In particolare, questo studio riguarda il bacino del fiume Dudhkosi (3,700 km2) in Eastern Nepal, comprendente il Monte Everest (8848 m) ed eccezionalmente monitorato dalla rete di stazioni meteorologiche del Comitato italiano EvK2-CNR. Il principale obiettivo di questa attività consiste nella stima della disponibilità delle risorse idriche attraverso la modellazione idrologica dell’area d’interesse, con l’impiego contemporaneo di dati da terra e da remote-sensing. Lo studio analizza anche i trend di temperatura, precipitazione e portata del fiume osservabili nei 42 anni precedenti, sottolineando importanti cambiamenti che si riflettono sulla disponibilità della risorsa idrica per i bisogni delle popolazioni locali. Due principali criticità sono state riscontrate nel modellizzare i flussi idrologici a queste altitudini: (i) l’assenza di accurate informazioni riguardanti i flussi di massa ed energia, specialmente in zone elevate; (ii) la difficile caratterizzazione delle dinamiche di precipitazione liquida e nivale. I dati da remote-sensing utilizzati e validati attraverso dati osservati a terra sono (i) il prodotto MOD11/MYD11 del Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), (ii) il prodotto 3B42 della Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) con risoluzione temporale di 3 ore e risoluzione spaziale di 0.25° x 0.25°, (iii) i prodotti MOD10/MYD10 di MODIS per la caratterizzazione della copertura nivale. La simulazione delle portate durante la stagione monsonica presenta dei limiti dovuti principalmente ai dati di precipitazione che alimentano il modello idrologico. Tuttavia, il temperature-based model utilizzato per simulare le componenti di scioglimento nivale e glaciale durante la stagione pre- e post-monsonica presenta una soddisfacente riproduzione delle portate osservate. Il contributo di tali componenti e’ circa il 30% come media annuale, di cui un sesto e’ costituito da scioglimento nivale nel periodo Febbraio-Luglio. Riguardo lo studio dei trend di cambiamento climatico, uno slittamento temporale del picco di portata da Luglio-Agosto ad Agosto-Settembre e’ da considerarsi statisticamente possibile, mentre periodi più estesi di siccità insieme ad eventi di precipitazione estremi più intensi hanno già colpito e verosimilmente colpiranno nei prossimi decenni le popolazioni locali. Pertanto questo studio rappresenta un piccolo passo verso la caratterizzazione dei cambiamenti climatici nell’area d’interesse, ed è in grado di fornire ai policy-makers uno strumento per le future stime degli impatti su energy security e food security e dei disastri naturali, ma anche per la pianificazione di adeguate misure di mitigazione ed adattamento.