hySens

Analysis of uncertainty in hydrological climate change assessment

Martin Hanel a kol.

Úvod

Balík umožňuje posoudit citlivost povodí na změnu klimatu. Citlivost je vyhodnocena jako reakce povodí na změnu průměrných srážek a teploty. Sezónní cyklus změn je uvažován na základě mediánu standardizovaných sezónních změn z CORDEX simulací. Intenzita sezónního cyklu (směrodatná odchylka sezónních změn, která je použita ke zpětnému škálování standardizovaných změn) je dalším z vyhodnocovaných faktorů působících na změnu hydrologických poměrů. Balík umožňuje vyhodnocení změn základních hydrologických veličin i charakteristik virtuálních nádrží umístěných v závěrovém profilu povodí.

Základní strategie vyhodnocení

Jelikož uvažujeme vliv změn průměrů a směrodatných odchylek srážek a teploty na hydrologické charakteristiky je problém z hlediska vstupů 4dimenzionální. Abychom zrychlili vyhodnocení kombinací vstupů a zároveň poskytli intuitivní vizualizaci, probíhá analýza dvěma způsoby:

• pro zadanou průměrnou změnu srážek a teploty se zjišťuje citlivost na změnu intenzity sezónního cyklu změn
• pro zadanou intenzitu sezónních změn se zjišťuje citlivost na změnu průměrných srážek a teploty

Balík navíc umožňuje vyhodnocení hydrologických dopadů na základě měsíčních změn z projektu CORDEX (změny jsou zprůměrovány pro ČR - tj. prostorová variabilita změn je zanedbána).

Demonstrace

Příprava

• Nahrajeme balík a případně ukázková data (nakalibrovaný model Bilan pro povodí LAPV Amerika)

library(hySens)
data("amerika")
amerika

• Nahrajeme měsíční změny srážek a teploty z CORDEX simulací (pro každou dostupnou simulaci, 3 časové horizonty) a 3 scénáře koncentrací uvádí změny měsíčních srážek (dPR) a teploty (dTAS)

data("delty")
delty

• statistiky změn (průměrná roční změna srážek (meanP) a teploty (meanT), a směrodatná odchylka měsíčních změn srážek (sdP) a teploty (sdT))

data("stat")
stat

• medián standardizovaného sezónního cyklu změn (standardizace proběhla tak, že pro každou simulaci byl od měsíčních změn odečten jejich průměr a výsledek byl dělen směrodatnou odchylkou měsíčních změn - cyc udává medián ze všech simulací)

data(cyc)
cyc

Výpočet změn dle CORDEX simulací

• funkce calc_cordex vezme jako vstup nakalibrovaný model Bilan a spočte změny dle všech CORDEX simulací pro všechny RCP a časové horizonty

res = calc_cordex(amerika)
res

Výpočet citlivosti na změnu průměrných srážek a teploty při zadané intenzitě sezónního cyklu změn

• funkce calc_sens_mean bere jako vstup nakalibrovaný model Bilan, dalšími argumenty jsou:
  • f: jako standardní meze pro vyhodnocení citlivosti bere funkce rozsahu změn z CORDEX simulací, argument f umožňuje tento rozsah zvětšit, či zmenšit, viz ?extendrange
  • samples: počet vyhodnocovaných bodů podél jednotlivých os
  • sdP a sdT - intenzita sezónního cyklu - výchozí je průměr z CORDEX simulací

mres = calc_sens_mean(amerika)
mres

Výpočet citlivosti na intenzitu sezónního cyklu změn při zadané změně průměrných srážek a teploty

• funkce calc_sens_sd
  • argumenty jsou obdobné jako u calc_sens_mean, s tím že zadáváme
  • meanP a meanT - tj. průměrnou změnu srážek a teploty

ires = calc_sens_sd(amerika)
ires

Výpočet citlivosti v případě nádrže

Výpočet optimalizuje veličinu ze vztahu S-Y-R za předpokladu, že 2 zbývající jsou zadané. Navíc poskytuje charakteristiky nádrže jako koeficient nadlepšení, odolnost a zranitelnost.

resn = calc_cordex(amerika, CA=69.5, S=30.9e6, R=0.95, SA = 2.06e6, ALT = 600)
resn

mresn = calc_sens_mean(amerika, CA=69.5, S=30.9e6, R=0.95, SA = 2.06e6, ALT = 600)
mresn

iresn = calc_sens_sd(amerika, CA=69.5, S=30.9e6, R=0.95, SA = 2.06e6, ALT = 600)
iresn

parametry:

• CA: plocha povodí nádrže [km2]
• S: objem nádrže [m3]
• R: zabezpečenost dle doby trvání
• SA: ploch zátopy [m2]
• ALT: nadmořská výška nádrže pro výpočet výparu z hladiny dle ČSN 75 2405
• Y: nadlepšený odtok z nádrže [m3/s]
• EV: časová řada výparu z vodní hladiny [mm]
• EAS: vztah nadmořské výšky [m n.m.], plochy zátopy [m2] a objemu [m3]
• WU: (-) odběr, (+) další přítok

Vyhodnocení

Základním nástrojem pro vyhodnocení je funkce stat, která umožňuje spočítat libovolné statistiky:

dRM = stats(MEAN = mres, SD = ires, CORDEX = res, fun = mean, var = "RM", type = season, diff_type = "multiplicative")

parametry funkce:

• MEAN: vyhodnocení citlivosti na změnu průměru
• SD: vyhodnocení citlivosti na změnu intenzity sezónních cyklu změn
• CORDEX: simulace pro scénáře na základě CORDEX simulací
• fun: použitá funkce, není relevantní pro charakteristiky nádrže
• var: použitá proměnná
• type: funkce pro agregaci změn - např. annual - roční změny, season - sezónní změny, month - měsíční změny, není relevntní pro charakteristiky nádrže
• diff_type: mají se změny počítat jako podíl (multiplicative) nebo rozdíl (additive)?

Změny průměrného průtoku

ggplot(dRM[SENS == "MEAN"]) + geom_tile(aes(x = dX, y = dY, fill = cut(V1, breaks = pretty(V1, 12)) )) + 
  geom_point(aes(x = meanP, y = meanT, col = PER, shape = EXP), data = dRM[SENS == "CORDEX"], size = 2) + 
  scale_fill_manual("Změna", values = mycol) + scale_color_brewer(palette = "Dark2") + xlab("změna P") +
  ylab("změna T") + facet_wrap(~SEASON , scale = "free")

ggplot(dRM[SENS == "SD"]) + geom_tile(aes(x = dX, y = dY, fill = cut(V1, breaks = pretty(V1, 12)) )) + 
  geom_point(aes(x = sdP, y = sdT, col = PER, shape = EXP), data = dRM[SENS == 'CORDEX'], size = 2) + 
  scale_fill_manual('Změna', values = mycol) + scale_color_brewer(palette = 'Dark2') + xlab('změna P') +
  ylab('změna T') + facet_wrap(~SEASON , scale = "free")

Změny nízkých průtoků (v mm)

dRM = stats(MEAN = mres, SD = ires, CORDEX = res, fun = function(x)quantile(x, .1), var = "RM", type = season, diff_type = "additive")

ggplot(dRM[SENS == "MEAN"]) + geom_tile(aes(x = dX, y = dY, fill = cut(V1, breaks = pretty(V1, 12)) )) + 
  geom_point(aes(x = meanP, y = meanT, col = PER, shape = EXP), data = dRM[SENS == "CORDEX"], size = 2) + 
  scale_fill_manual("Změna", values = mycol) + scale_color_brewer(palette = "Dark2") + xlab("změna P") +
  ylab("změna T") + facet_wrap(~SEASON , scale = "free")

ggplot(dRM[SENS == "SD"]) + geom_tile(aes(x = dX, y = dY, fill = cut(V1, breaks = pretty(V1, 12)) )) + 
  geom_point(aes(x = sdP, y = sdT, col = PER, shape = EXP), data = dRM[SENS == 'CORDEX'], size = 2) + 
  scale_fill_manual('Změna', values = mycol) + scale_color_brewer(palette = 'Dark2') + xlab('změna P') +
  ylab('změna T') + facet_wrap(~SEASON , scale = "free")

Vyhodnocení v případě nádrže

dRMn = stats(MEAN = mresn, SD = iresn, CORDEX = resn, var = "yield", diff_type = "multiplicative")

ggplot(dRMn[SENS == "MEAN"]) + geom_tile(aes(x = dX, y = dY, fill = cut(V1, breaks = pretty(V1, 12)) )) + 
  geom_point(aes(x = meanP, y = meanT, col = PER, shape = EXP), data = dRMn[SENS == "CORDEX"], size = 2) + 
  scale_fill_manual("Změna", values = mycol) + scale_color_brewer(palette = "Dark2") + xlab("změna P") +
  ylab("změna T") + facet_wrap(~SEASON , scale = "free")