Analysis of hydro-hazard extremes hotspots across Upper Jhelum Basin and possible mitigation measures

Droughts and floods, two contrasting extremes of the hydrological spectrum, have huge impacts on a wide range of sectors including water, agriculture and food security, energy, infrastructure, and ecosystem. This dissertation aims to advance our understanding of these hydroclimate risks and their compounding in temporal dimension over transboundary Upper Jhelum Basin (UJB)-South Asia, both in retrospective (i.e. past) or prospective (i.e. future) climate contexts. The study begins with a comprehensive assessment of the key terrestrial water budget (TWB) components (precipitation, evapotranspiration, terrestrial water storage and discharge) using observed and gridded datasets (chapter 3). The uncertainties in the gridded datasets are firstly evaluated against direct comparison with observed gauge data at monthly, seasonal, and annual scale and subsequently their abilities are assessed in terms of water budget closure. These findings highlighted the need for bias correction (BC) of ERA5 precipitation before their application in subsequent impact assessment studies. Therefore the 4th chapter focuses on the ERA5 precipitation BC by four commonly used precipitation BC methods and evaluate their skills to capture various aspects of moderate to rare extreme precipitation events. Overall, the DM method was found to be a good compromise to correct various aspects of extreme precipitation, followed by LOCI, PT, and LS methods. Chapter 5 employs the corrected ERA5 data for spatio-temporal evolution of the regional wet-dry extreme events and their temporal compounding (successive/abrupt transition from one powerful state to another in the adjacent month). The results of spatial analysis showed the southwestern part of the basin, located in the monsoon-dominated region, is found to be the hotspot for extreme wet events. To investigate these extreme events in future climate context, the chapter 6 intercompare different state-of-the-art BC methods (univariate and multivariate) and BC approaches (direct and component-wise) applied to climate models simulations stemming from three modeling initiatives under low, medium and high emission scenarios for two-time segments i.e., near future (2040-2059) and far future (2080-2099). Based on the performance in present time, two univariate (i.e., Empirical Quantile Mapping-EQM- and Quantile Delta Mapping-QDM) and one multivariate (Multivariate Bias Correction with N-dimensional probability density function transform-MBCn) BC methods are shortlisted for future projections (chapter 7). Results show that extreme wet and dry events are projected to be more frequent and severe in the future, however, duration of extreme shows varying change signals depending on the location. The southwest monsoon-dominated region is identified as the D-to-W CEs hotspot. These findings assert the necessity of integrating mitigation measures targeting the CEs into disaster risk reduction strategies at the identified hotspots. After locating spatial hotspots for extreme events, the chapter 8 provides comprehensive overview of the existing, under construction and planned water infrastructure projects (i.e., water storage and hydropower project), their coping capacities, and potential impacts that may be positive and/or negative in hydrologic, social, economic and environment terms. The study suggests alternative water management strategies that are cost-effective, accessible, and eco-friendly. For instance, subsurface floodwater harvesting techniques (also known as managed aquifer recharge-MAR) and hybridization of existing reservoirs with floating photovoltaic (FPV) system. These measures have the potential to sustainably solve both floods and droughts, fulfill energy needs sustainably and reduce dependency of local communities on forest wood.

Siccità e inondazioni, due estremi contrastanti dello spettro idrologico, hanno enormi impatti su un’ampia gamma di settori tra cui l’acqua, l’agricoltura e la sicurezza alimentare, l’energia, le infrastrutture e l’ecosistema. Questa tesi mira a migliorare la nostra comprensione di questi rischi idroclimatici e della loro combinazione nella dimensione temporale nel bacino transfrontaliero dell'Alto Jhelum-Asia meridionale, sia in contesti climatici retrospettivi che prospettici. Lo studio inizia con una valutazione completa delle componenti chiave del bilancio idrico terrestre (precipitazioni, evapotraspirazione, stoccaggio dell’acqua e deflusso) utilizzando set di dati osservati e grigliati (capitolo 3). Le incertezze nei set di dati grigliati vengono innanzitutto valutate rispetto al confronto diretto con i dati di misurazione osservati su scala mensile, stagionale e annuale e successivamente le loro capacità vengono valutate in termini di chiusura del bilancio idrico. Questi risultati hanno evidenziato la necessità di una correzione del bias (BC) delle precipitazioni ERA5 prima della loro applicazione nei successivi studi di valutazione dell’impatto. Pertanto il quarto capitolo si concentra sulla precipitazione BC ERA5 mediante quattro metodi di precipitazione BC comunemente usati e valuta la loro capacità di catturare vari aspetti di eventi di precipitazione estremi da moderati a rari. Nel complesso, il metodo di mappatura della distribuzione si è rivelato un buon compromesso per correggere, tra gli altri metodi, vari aspetti delle precipitazioni estreme. Il capitolo 5 utilizza i dati ERA5 corretti per l’evoluzione spazio-temporale degli eventi estremi umido-secco e la loro composizione temporale nel periodo di tempo storico. Per indagare questi eventi estremi nel futuro contesto climatico, il capitolo 6 confronta diversi metodi BC all’avanguardia (univariata e multivariata) e approcci BC (diretti e per componenti) applicati alle simulazioni di modelli climatici derivanti da tre iniziative di modellazione sotto scenari di emissioni basse, medie e alte per due periodi temporali, ovvero il prossimo futuro (2040-2059) e il lontano futuro (2080-2099). Sulla base delle prestazioni attuali, sono stati selezionati per le proiezioni future due metodi BC univariati (ovvero, mappatura quantile empirica-EQM- e mappatura delta quantile-QDM) e uno multivariato (correzione multivariata del bias con trasformazione della funzione di densità di probabilità N-dimensionale-MBCn) (capitolo 7). I risultati mostrano che si prevede che gli eventi estremi di pioggia e di assenza di pioggia diventeranno più frequenti e gravi in futuro, tuttavia, la durata degli eventi estremi mostra segnali di cambiamento variabili a seconda della posizione. La regione sud-occidentale dominata dai monsoni è identificata come punto caldo degli eventi composti con passaggio da tempo secco a umido (CE). Questi risultati affermano la necessità di integrare le misure di mitigazione rivolte ai CE nelle strategie di riduzione del rischio da catastrofi negli hotspot identificati. Dopo aver individuato i punti caldi spaziali per gli eventi estremi, il capitolo 8 fornisce una panoramica completa delle infrastrutture idriche esistenti, in costruzione e in progetto (ad esempio, progetti di stoccaggio dell’acqua e di energia idroelettrica), delle loro capacità di far fronte e dei potenziali impatti che possono essere positivi e/o negativi, in termini idrologici, sociali, economici e ambientali. Lo studio suggerisce strategie alternative di gestione dell’acqua che siano economicamente vantaggiose, accessibili ed ecologiche