Assessment of the impacts of climate change on the spatio-temporal patterns of freshwater sources to the coastal system of western Patagonia.

Abstract

The western region of Patagonia is characterized by an almost pristine environment, with aquatic ecosystems composed of a great diversity of lakes, rivers and glaciers. The influence of westerly winds from the Southern Hemisphere results in high precipitation in the region, which determines large freshwater inputs to the coastal-marine system. In this vast (~400,000 km2), narrow (~200-300 km) and transboundary (Chile and Argentina) area, freshwater ecosystems interact with one of the most complex and extensive fjord systems in the world. In these systems, freshwater produces a pronounced vertical stratification of two or three layers, which is a key regulator of circulation patterns and primary production, and limits the depth of turbulent mixing. Turbulent mixing determines the exchange of nutrients between the different layers of the water column, a process that can trigger pulses of primary productivity and thus an increase in autotrophic biomass in the western Patagonian inland seas. Climate projections for most of Western Patagonia indicate a prolongation of the dry and warm conditions that have affected it in recent decades. Overall, the climate impacts recorded in Western Patagonia have been attributed to the Southern Annular Mode (SAM), which has shown a significant trend towards its positive phase. Given the heterogeneous and incomplete monitoring network of hydro-meteorological stations, most studies performed in this region have used only a very small subset of meteorological stations, satellite imagery or climate proxies to study environmental changes. Despite the low use of ground-based information, the region has shown evidence of a decrease in snow cover extent, an increase in forest fires, unusual tree growth patterns, a decrease in water availability and significant trends in major lakes, rivers and glaciers. Considering the threads posed by climate change scenarios, the main objective of the present doctoral thesis is to assess the impacts of anthropogenic climate change on the spatio-temporal patterns of freshwater inputs to the coastal system of western Patagonia. To this end, four specific objectives have been proposed, each associated with a different phase of the present thesis. The first objective explored the main trends, challenges and gaps in hydrological drought projections, using northern Patagonia (40-45ºS) as a study case. For this purpose, historical severe droughts and their climatic drivers in northern Patagonia were evaluated. In addition, a hydrological model was calibrated using a combination of satellite, reanalysis and groundbased data. To assess the impact of climate change on future severe droughts, 90 scenarios were used to account for multiple sources of uncertainty in the climate impact modeling chain. The projections obtained with the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) 6 and CMIP5 models showed significant climatic (greater trends in summer and autumn) and hydrological (longer droughts) differences, and therefore it is recommended that future climate impact assessments adapt the new simulations as more CMIP6 models become available. Based on the detected hydrological gaps, the second objective was to develop PatagoniaMet (PMET) to analyze the hydrological consistency between atmospheric reanalysis models, ground-based meteorological observations and stream gauges. PMET is a compilation of ground-based hydrometeorological data (PMET-obs), and a daily gridded product of precipitation and maximum and minimum temperature (PMET-sim). PMET-obs was developed considering a 4-step quality control process applied to 523 hydrometeorological time series obtained from eight institutions in Chile and Argentina, while PMET-sim used statistical bias correction procedures, spatial regression models and hydrological methods. PMET-sim was compared against other bias-corrected alternatives using hydrological modelling, and achieved Kling-Gupta efficiencies greater than 0.7 in 72% of the catchments, while other alternatives exceeded this threshold in only 50% of the catchments. Considering the hydrological importance of glaciers in the region and their uncertain evolution, the third objective used the Open Global Glacier Model (OGGM) to estimate the evolution of each glacier (area > 1 km2) in the Patagonian Andes (40-56°S) over the period 1980-2099. To generate these projections, different glacier inventories (n = 2), ice thickness datasets (n = 2), reference climates (n = 4), general circulation models (n = 10), emission scenarios (n = 4), and bias correction methods (n = 3) were used to disentangle the importance of different sources of uncertainty from a hydrological perspective. Overall, the projections suggest that the northern area is expected to experience a steady decline, while the Patagonian Icefields should increase or maintain their glacier runoff in the coming decades. Considering the melt on glacier signatures, the future sources of uncertainty (GCMs, SSPs and BCMs) were the main source in only 18% ± 21% of the total catchment area. In contrast, the reference climate was the most important source in 78% ± 21% of the catchment area, highlighting the importance of the second objective. Based on recent advances in regional and global datasets (second objective), and the potential trajectory of evolution of each glacier in the Patagonian Andes (third objective), the fourth objective generated state-of-the-art projections of freshwater inputs to the coastal system. Specifically, Long Short-Term Memory (LSTM) neural networks in combination with the Open Global Glacier Model (OGGM) were used to estimate the runoff evolution from non-glacier and glacier areas, respectively. The total runoff of the study area was 23,533 ± 1,399 m3 s-1 in the historical period (1985-2019). From this total, the glacier runoff contributed 5,185 ± 471 m3 s-1. While the northern area is expected to experience the greatest relative reductions with values close to -22%, the central and southern areas are expected to show slight increases with relative changes of 6% and 13% (Figure 6.1), respectively. Finally, the results showed in this thesis provides: i) a basis for an open collaborative dataset that outperforms all current alternatives, ii) the first large-scale evaluation of the impact of various sources of uncertainty (historical and future) beyond future glacier mass loss, and iii) state-of-the-art projections of freshwater inputs to the coastal system that will contribute to future climate change adaptation plans for Western Patagonia.

La región occidental de la Patagonia se caracteriza por un medio ambiente casi prístino, con ecosistemas acuáticos compuestos por una gran diversidad de lagos, ríos y glaciares. La influencia de los vientos del oeste procedentes del hemisferio sur da lugar a elevadas precipitaciones en la región, lo que determina grandes aportes de agua dulce al sistema costero-marino. En esta zona vasta (~400,000 km2), estrecha (~200-300 km) y transfronteriza (Chile y Argentina), los ecosistemas de agua dulce interactúan con uno de los sistemas de fiordos más complejos y extensos del mundo. En estos sistemas, el agua dulce produce una pronunciada estratificación vertical de dos o tres capas, que es un regulador clave de los patrones de circulación y la producción primaria, y limita la profundidad de la mezcla turbulenta. La mezcla turbulenta determina el intercambio de nutrientes entre las distintas capas de la columna de agua, un proceso que puede desencadenar pulsos de productividad primaria y, por tanto, un aumento de la biomasa autótrofa en los mares interiores de la Patagonia occidental. Las proyecciones climáticas para la mayor parte de la Patagonia Occidental indican una prolongación de las condiciones secas y cálidas que la han afectado en las últimas décadas. En general, los impactos climáticos registrados en la Patagonia Occidental han sido atribuidos al Modo Anular del Sur (SAM), que ha mostrado una tendencia significativa hacia su fase positiva. Dada la heterogénea e incompleta red de monitoreo de estaciones hidrometeorológicas, la mayoría de los estudios realizados en esta región han utilizado sólo un subconjunto muy reducido de estaciones meteorológicas, imágenes satelitales o proxies climáticos para estudiar los cambios ambientales. A pesar del escaso uso de información local, la región ha mostrado indicios de una disminución de la extensión de la capa de nieve, un aumento de los incendios forestales, patrones inusuales de crecimiento de los árboles, una disminución de la disponibilidad de agua y tendencias significativas en los principales lagos, ríos y glaciares. Considerando las amenazas planteadas por los escenarios de cambio climático, el objetivo principal de la presente tesis doctoral es evaluar los impactos del cambio climático antropogénico sobre los patrones espaciotemporales de los aportes de agua dulce al sistema costero de la Patagonia occidental. Para ello, se han propuesto cuatro objetivos específicos, cada uno asociado a una fase diferente de la presente tesis. El primer objetivo exploró las principales tendencias, desafíos y brechas en las proyecciones hidrológicas de sequías, utilizando como caso de estudio el norte de la Patagonia (40-45ºS). Para ello, se evaluaron las sequías severas históricas y sus impulsores climáticos. Además, se calibró un modelo hidrológico utilizando una combinación de datos satelitales, de reanálisis y terrestres. Para evaluar el impacto del cambio climático en las futuras sequías severas, se utilizaron 90 escenarios para tener en cuenta múltiples fuentes de incertidumbre en la cadena de modelación. Las proyecciones obtenidas con los modelos del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP) 6 y CMIP5 mostraron diferencias climáticas (mayores tendencias en verano y otoño) e hidrológicas (sequías más prolongadas) significativas, por lo que se recomendó que las futuras evaluaciones del impacto climático adapten las nuevas simulaciones a medida que se disponga de más modelos CMIP6. A partir de las brechas de datos detectadas, el segundo objetivo fue desarrollar PatagoniaMet (PMET) para analizar la coherencia hidrológica entre los modelos de reanálisis atmosférico, las observaciones meteorológicas y el caudal de los ríos. PMET es una compilación de datos hidrometeorológicos locales (PMET-obs), y un producto grillado diario de precipitación y temperatura máxima y mínima (PMET-sim). PMET-obs se desarrolló considerando un proceso de control de calidad de 4 pasos aplicado a 523 series temporales hidrometeorológicas obtenidas desde ocho instituciones de Chile y Argentina, mientras que PMET-sim utilizó procedimientos estadísticos de corrección de sesgos, modelos de regresión espacial y métodos hidrológicos. PMET-sim se comparó con otras alternativas de corrección de sesgos mediante modelación hidrológica, y logró eficiencias de Kling-Gupta (KGEs) superiores a 0,7 en el 75% de las cuencas, en comparación con CR2MET, MSWEP y W5E5, que solo lograron KGEs > 0,7 en el 51%, 28% y 37% de las cuencas, respectivamente. Teniendo en cuenta la importancia hidrológica de los glaciares en la región y su evolución incierta, el tercer objetivo utilizó el Open Global Glacier Model (OGGM) para estimar la evolución de cada glaciar (área > 1 km2) en los Andes Patagónicos (40-56°S) durante el período 1980-2099. Para generar estas proyecciones, se utilizaron diferentes inventarios de glaciares (n = 2), conjuntos de datos sobre el espesor del hielo (n = 2), climas históricos de referencia (n = 4), modelos de circulación general (n = 10), escenarios de emisiones (n = 4) y métodos de corrección de sesgos (n = 3) para desentrañar la importancia de las diferentes fuentes de incertidumbre desde una perspectiva hidrológica. En general, las proyecciones sugieren que se espera que la zona norte experimente un descenso generalizado, mientras que los Campos de Hielo Patagónicos deberían aumentar o mantener su escorrentía glaciar en las próximas décadas. El clima de referencia fue la fuente de incertidumbre más importante en más del 78% de las cuencas, lo cual da mayor aún mayor relevancia al segundo objetivo de la tesis. Sobre la base de los recientes avances en los conjuntos de datos regionales y globales (segundo objetivo), y la trayectoria potencial de evolución de cada glaciar en los Andes Patagónicos (tercer objetivo), el cuarto objetivo generó proyecciones de los aportes de agua dulce al sistema costero. Específicamente, se utilizaron redes neuronales de Memoria Larga a Corto Plazo (LSTM) en combinación con el Open Global Glacier Model (OGGM) para estimar la evolución de la escorrentía de las zonas no glaciares y glaciares, respectivamente. La escorrentía total del área de estudio fue de 23,533 ± 1,399 m3 s-1 en el periodo histórico (1985-2019). De este total, la escorrentía glaciar contribuyó 5,185 ± 471 m3 s-1. Mientras que en la zona norte se esperan las mayores reducciones relativas con valores cercanos al -22%, en las zonas centro y sur de la Patagonia se esperan ligeros incrementos con cambios relativos del 6% y 13%, respectivamente. Finalmente, los resultados mostrados en esta tesis proporcionan: i) una base de datos hidrometeorológica abierta que supera todas las alternativas actuales, ii) la primera evaluación a gran escala del impacto de varias fuentes de incertidumbre (históricas y futuras) más allá de la futura pérdida de masa glaciar, y iii) proyecciones de última generación de las entradas de agua dulce al sistema costero que contribuirán a los futuros planes de adaptación al cambio climático para la Patagonia Occidental.