Scale dependence of hydrological effects from different climatic conditions on glacierized catchments

The high altitude environments are particularly sensitive to climate change and very rapid and intense effects are affecting the Alpine cryosphere. Knowledge of the hydrological responses of high-altitude watershed is critical to manage water resources, especially in the context of current climate change, resulting in a lower percentage of solid precipitation, temporal redistribution and quantitative variations in precipitation inputs, higher temperatures, and more persistent drought conditions during the summer. Although the remaining glacial masses are still able to secure sufficient water supplies, the rate of reduction of the glaciers, however, is now very rapid. Mountain glaciers have generally experienced worldwide retreat since the second half of XIX Century, and for example in the Alps they lost about two/thirds of the initial area, with area loss rates accelerating since 2003. At this pace, the hydrological buffering effect of the glaciers will run out quickly. Several years in the last decades, which have been particularly warm and dry, have shown that glaciers can compensate scarce rainfall with a significant contribution to the runoff of rather large basins, especially in summer. The aim of this work was to understand how different climatic and glacier cover conditions can modify the hydrological response of glacierized catchments, and to analyze the scale dependency of the hydrological response and the resulting impacts on fresh water availability. The investigations were carried out in the Noce catchment, a 1050 km2 watershed located in the Eastern Italian Alps, and in three sub-catchments of the same basin, with area ranging from 8 to 385 km2 and different percent glacierization. Valuable information on past and current evolution of climate and glaciers exist in this study area. In particular, precious data series of high-altitude meteorological and hydrometric data, reconstructions of glacier fluctuations since the Little Ice Age, and measurements of glacier mass balance were available. Based on this availability, and considering the high uncertainties affecting model studies that use future projections of climate and glaciers, we decided to do a sensitivity analysis based on past observations. This approach has the advantage of analyzing the sensitivity of the glacio-hydrological system of the study area under actually observed climatic and glacier cover conditions, likely reducing the main source of error caused by model approaches based on future projections. Moreover using real observations has the potential of increasing the internal consistency of the glacio-hydrological model employed in this sensitivity analysis, during calibration and validation. A drawback of this method is that it does not take into consideration future change in climate and glacier cover. For this reason, we analyzed also a condition with complete absence of glaciers, and recent ‘extreme’ years, like 2003, that has been frequently referred to as a possible example of future climatic conditions during summer in the Alps. The results of this study confirm previous research that indicate a progressive transition from a glacial to a nival hydrological regime in the analyzed catchments, with a tendency to a strong decrease in runoff after the seasonal snow has melted, in the second half of summer. The runoff peak tends to shift from mid- to early summer. Different glacier cover scenarios (LIA, current and absence of glaciers) have highest impacts in August runoff, during periods of glacier wastage as in the 1940s and in the 2000s, and in the smaller catchments with high percent glacierization. Compared to the absence of glaciers, current glaciers still ensure higher runoff during summer, in all climatic conditions considered. However, this glacier damping effect is largely decreased if compared to the LIA conditions, and this decrease is directly related to catchment area. If smaller and highly glacierized catchment still preserves ~50% of the initial damping effect in August, the larger catchments keep only 25-30% of it. The glacier contribution to late summer runoff decreases obviously from headwater to lower and larger catchments. However, the decreasing rate tends to flatten for catchment area larger than 80 km2, and for the larger analyzed catchment it still reaches 26%. Most importantly, the current glacier contribution to late summer runoff in the larger catchment reaches ~60% in extremely warm and dry summers, like in 2003. However, increased runoff due to glacier wastage in 2003 occurred only in the headwater and most glacierized catchment, whereas using the LIA glacier cover would have ensured increased runoff in all analyzed catchments. This suggests that the expected peak in runoff under warming climate, attributable to glacier melt, has already passed in the study area.

Gli ambienti d’alta quota sono particolarmente sensibili ai cambiamenti climatici ed effetti molto rapidi ed intensi interessano la criosfera alpina. La conoscenza della risposta idrologica dei bacini d’alta quota è un aspetto chiave nella gestione della risorsa idrica, specialmente nell’attuale contesto di variazione climatiche. Attualmente assistiamo ad una minor percentuale di precipitazioni solide, una redistribuzione temporale e variazione nelle quantità delle precipitazioni, temperature più alte e periodi di siccità estiva più frequenti. Nonostante i rimanenti ambienti nivo-glaciali riescano ancora a garantire sufficienti apporti idrici, il tasso di riduzione dei ghiacciai attuali è molto rapido. I ghiacciai d’alta quota a livello mondiale hanno cominciato a ritirarsi dalla seconda metà del XIX secolo. Le Alpi, ad esempio, hanno perso circa due terzi della superficie glaciale iniziale, accelerando il tasso di perdita dal 2003. A questo ritmo la capacità dei ghiacciai di tamponare le fluttuazioni del regime idrologico, determinate dal clima, si esaurirà rapidamente. Negli ultimi decenni, diversi anni particolarmente caldi e secchi hanno dimostrato come i ghiacciai possano compensare le scarse precipitazioni con un significativo contributo ai deflussi in bacini piuttosto estesi specialmente in estate. Il duplice obbiettivo di questo lavoro è quello di capire come condizioni climatiche ed estensioni glaciali differenti possano modificare la risposta idrologica di bacini alpini glacializzati, e analizzare l’effetto di scala della risposta idrologica nonché l’impatto sulla disponibilità idrica. Le indagini sono state effettuate nel bacino idrografico del fiume Noce, uno bacino di 1050 km2 situato nelle Alpi italiane orientali, e in tre sottobacini del medesimo spartiacque con aree comprese tra 8 e 385 km2 e differenti percentuali di glacializzazione. Relativamente a quest’area esistono informazioni preziose sull'evoluzione passata e attuale sia dal punto di vista climatico che glaciale. In particolare, sono disponibili rare serie di dati meteorologici ed idrometrici ad alta quota, ricostruzioni delle oscillazioni dei ghiacciai sin dalla Piccola Era Glaciale (PEG) e misure di bilancio di massa glaciale. Sulla base di questi dati, e considerando le elevate incertezze degli studi modellistici che utilizzano scenari futuri di evoluzione del clima e dei ghiacciai, abbiamo effettuato un’analisi di sensibilità basata sulle osservazioni passate. Questo approccio ha il vantaggio di analizzare la sensibilità del sistema glacio-idrologico dell'area di studio in condizioni climatiche e di copertura glaciale effettivamente osservate, riducendo così la principale fonte di errore causata da approcci modellistici che si basano su proiezioni future. Inoltre, sfruttando osservazioni reali, questo approccio è in grado di aumentare la coerenza interna della modellazione glacio-idrologica qui implementata sia in fase di calibrazione che di validazione. Un inconveniente di questo metodo è che non tiene in considerazione i cambiamenti futuri del clima e delle estensioni glaciali. Per sopperire a questa mancanza, abbiamo deciso di analizzare anche una situazione di completa assenza di copertura glaciale, nonché alcuni anni recenti considerati meteorologicamente “estremi”, come ad esempio il 2003 che è stato spesso indicato come possibile esempio di condizioni climatiche future durante l’estate. I risultati di questo studio confermano le precedenti ricerche che indicano una progressiva transizione dei bacini analizzati da un regime glaciale a uno nivo-idrologico, con una tendenza di rapida decrescita dei deflussi nella seconda parte dell’estate dopo la fusione della neve stagionale. I risultati dimostrano inoltre che il picco di deflusso tende ad essere anticipato, spostandosi da metà a inizio estate. Durante i periodi di maggior fusione dei ghiacciai, come negli anni ’40 e 2000, e nei bacini più piccoli con elevata percentuale di glacializzazione, i diversi scenari di copertura glaciale (PEG, attuale e assenza di ghiacciai) hanno forti impatti nei deflussi nel mese di agosto. Rispetto ad un’assenza di copertura glaciale, i ghiacciai attuali garantiscono ancora elevati deflussi durante l’estate in ogni condizione climatica considerata. Tuttavia, questo effetto tampone dei ghiacciai è in gran parte diminuito se confrontato con le condizioni di estensione durante la PEG, e questa diminuzione è direttamente correlata con l’estensione dei bacini considerati. Sebbene il bacino più piccolo e più glacializzato conservi ancora il 50% dell’effetto tampone iniziale in agosto, i bacini più grandi ne mantengono solo il 25-30%. Evidentemente, il contributo glaciale al deflusso tardo estivo diminuisce progressivamente passando dal bacino di testata ai bacini a quota inferiore ed estensione maggiore. Tuttavia, il tasso di decrescita tende ad appiattirsi per estensioni più grandi di 80 km2, e raggiunge il 26% nel bacino più esteso tra quelli analizzati. Se si analizzano estati estremamente calde e secche, come il 2003, è particolarmente interessante notare che l’attuale contributo glaciale al deflusso tardo estivo del bacino più grande raggiunge il 60%. Tuttavia, un aumento del deflusso a causa della fusione glacio-nivale in condizioni come il 2003, si è verificato solo nel bacino di testata con la percentuale di glacializzazione più elevata, mentre l’estensione dei ghiacciai durante la PEG avrebbe assicurato, con le medesime condizioni meteorologiche, un aumento dei deflussi in tutti i bacini analizzati. Questo suggerisce che nell’area di studio il picco di portata attribuibile alla fusione dei ghiacciai, sotto l’influsso dell’attuale riscaldamento globale, si è già verificato.