• Energy Research
• US close

AbstractWater scarcity brings tremendous challenges to achieving sustainable development of water resources, food, and energy security, as these sectors are often in competition, especially during drought. Overcoming these challenges requires balancing trade-offs between sectors and improving resilience to drought impacts. An under-appreciated factor in managing the water-food-energy (WFE) nexus is the increased value of solar and wind energy (SWE). Here we develop a trade-off frontier framework to quantify the water sustainability value of SWE through a case study in California. We identify development pathways that optimize the economic value of water in competition for energy and food production while ensuring sustainable use of groundwater. Our results indicate that in the long term, SWE penetration creates beneficial feedback for the WFE nexus: SWE enhances drought resilience and benefits groundwater sustainability, and in turn, maintaining groundwater at a sustainable level increases the added value of SWE to energy and food production.

Idéalement, les résultats des modèles fonctionnant à différentes échelles devraient correspondre à la direction de la tendance et à l'ampleur des impacts sous le changement climatique. Cependant, cela implique que la sensibilité à la variabilité du climat et au changement climatique est comparable pour les modèles d'impact conçus pour l'une ou l'autre échelle. Dans cette étude, nous comparons les changements hydrologiques simulés par 9 modèles hydrologiques mondiaux et 9 modèles hydrologiques régionaux (HM) pour 11 grands bassins hydrographiques sur tous les continents dans des conditions de référence et de scénario. Les thèmes principaux sont les cycles de validation des modèles, la sensibilité de la décharge annuelle à la variabilité climatique au cours de la période de référence et la sensibilité de la dynamique saisonnière mensuelle moyenne à long terme au changement climatique. Un résultat majeur est que les modèles globaux, pour la plupart non calibrés par rapport aux observations, montrent souvent un biais considérable dans les rejets mensuels moyens, alors que les modèles régionaux montrent une meilleure reproduction des conditions de référence. Cependant, la sensibilité des deux ensembles HM à la variabilité climatique est en général similaire. Les impacts simulés du changement climatique en termes de dynamique mensuelle moyenne à long terme évaluée pour les médianes et les spreads de l'ensemble HM montrent que les médianes sont dans une certaine mesure comparables dans certains cas, mais présentent des différences distinctes dans d'autres cas, et les spreads liés aux modèles globaux sont principalement nettement plus importants. En résumé, cela implique que les MM mondiaux sont des outils utiles pour examiner les impacts à grande échelle du changement et de la variabilité climatiques. Chaque fois que les impacts pour un bassin hydrographique ou une région spécifique présentent un intérêt, par exemple pour des applications complexes de gestion de l'eau, les modèles à l'échelle régionale calibrés et validés par rapport au débit observé doivent être utilisés. Idealmente, los resultados de los modelos que operan a diferentes escalas deberían coincidir en la dirección de la tendencia y la magnitud de los impactos bajo el cambio climático. Sin embargo, esto implica que la sensibilidad a la variabilidad climática y al cambio climático es comparable para los modelos de impacto diseñados para cualquier escala. En este estudio, comparamos los cambios hidrológicos simulados por 9 modelos hidrológicos (HM) globales y 9 regionales para 11 grandes cuencas fluviales en todos los continentes bajo condiciones de referencia y escenario. Los enfoques se centran en las ejecuciones de validación de modelos, la sensibilidad de la descarga anual a la variabilidad climática en el período de referencia y la sensibilidad de la dinámica estacional mensual media a largo plazo al cambio climático. Un resultado importante es que los modelos globales, en su mayoría no calibrados contra los observados, a menudo muestran un sesgo considerable en la descarga mensual media, mientras que los modelos regionales muestran una mejor reproducción de las condiciones de referencia. Sin embargo, la sensibilidad de los dos conjuntos HM a la variabilidad climática es en general similar. Los impactos simulados del cambio climático en términos de dinámica mensual promedio a largo plazo evaluados para las medianas y los diferenciales del conjunto HM muestran que las medianas son en cierta medida comparables en algunos casos, pero tienen diferencias claras en otros casos, y los diferenciales relacionados con los modelos globales son en su mayoría notablemente mayores. En resumen, esto implica que los HM globales son herramientas útiles cuando se analizan los impactos a gran escala del cambio climático y la variabilidad. Siempre que los impactos para una cuenca o región fluvial específica sean de interés, por ejemplo, para aplicaciones complejas de gestión del agua, se deben utilizar los modelos a escala regional calibrados y validados frente a los vertidos observados. Ideally, the results from models operating at different scales should agree in trend direction and magnitude of impacts under climate change. However, this implies that the sensitivity to climate variability and climate change is comparable for impact models designed for either scale. In this study, we compare hydrological changes simulated by 9 global and 9 regional hydrological models (HM) for 11 large river basins in all continents under reference and scenario conditions. The foci are on model validation runs, sensitivity of annual discharge to climate variability in the reference period, and sensitivity of the long-term average monthly seasonal dynamics to climate change. One major result is that the global models, mostly not calibrated against observations, often show a considerable bias in mean monthly discharge, whereas regional models show a better reproduction of reference conditions. However, the sensitivity of the two HM ensembles to climate variability is in general similar. The simulated climate change impacts in terms of long-term average monthly dynamics evaluated for HM ensemble medians and spreads show that the medians are to a certain extent comparable in some cases, but have distinct differences in other cases, and the spreads related to global models are mostly notably larger. Summarizing, this implies that global HMs are useful tools when looking at large-scale impacts of climate change and variability. Whenever impacts for a specific river basin or region are of interest, e.g. for complex water management applications, the regional-scale models calibrated and validated against observed discharge should be used. من الناحية المثالية، يجب أن تتفق النتائج من النماذج التي تعمل على مستويات مختلفة في اتجاه الاتجاه وحجم التأثيرات في ظل تغير المناخ. ومع ذلك، فإن هذا يعني أن الحساسية لتقلب المناخ وتغير المناخ قابلة للمقارنة مع نماذج التأثير المصممة لأي من المقياسين. في هذه الدراسة، نقارن التغيرات الهيدرولوجية التي تمت محاكاتها بواسطة 9 نماذج هيدرولوجية عالمية و 9 نماذج هيدرولوجية إقليمية لـ 11 حوضًا نهريًا كبيرًا في جميع القارات في ظل الظروف المرجعية والسيناريوهات. تعمل البؤر على تشغيل التحقق من صحة النموذج، وحساسية التصريف السنوي لتقلب المناخ في الفترة المرجعية، وحساسية متوسط الديناميكيات الموسمية الشهرية طويلة الأجل لتغير المناخ. تتمثل إحدى النتائج الرئيسية في أن النماذج العالمية، التي لا تتم معايرتها في الغالب مقابل الملاحظات، غالبًا ما تُظهر تحيزًا كبيرًا في متوسط التصريف الشهري، في حين تُظهر النماذج الإقليمية استنساخًا أفضل للظروف المرجعية. ومع ذلك، فإن حساسية مجموعتي جلالة الملكة لتقلب المناخ متشابهة بشكل عام. تُظهر تأثيرات تغير المناخ المحاكاة من حيث متوسط الديناميكيات الشهرية طويلة الأجل التي تم تقييمها لمتوسطات مجموعة جلالة الملكة وانتشارها أن المتوسطات قابلة للمقارنة إلى حد ما في بعض الحالات، ولكن لها اختلافات واضحة في حالات أخرى، وأن فروق الأسعار المتعلقة بالنماذج العالمية هي في الغالب أكبر بشكل ملحوظ. وبإيجاز، يعني هذا أن جلطات الدم العالمية هي أدوات مفيدة عند النظر إلى الآثار واسعة النطاق لتغير المناخ وتقلباته. عندما تكون التأثيرات على حوض نهر أو منطقة معينة ذات أهمية، على سبيل المثال بالنسبة لتطبيقات إدارة المياه المعقدة، يجب استخدام نماذج النطاق الإقليمي التي تمت معايرتها والتحقق من صحتها مقابل التصريف المرصود.

Significance Increasing concentrations of greenhouse gases in the atmosphere are widely expected to influence global climate over the coming century. The impact on drought is uncertain because of the complexity of the processes but can be estimated using outputs from an ensemble of global models (hydrological and climate models). Using an ensemble of 35 simulations, we show a likely increase in the global severity of drought by the end of 21st century, with regional hotspots including South America and Central and Western Europe in which the frequency of drought increases by more than 20%. The main source of uncertainty in the results comes from the hydrological models, with climate models contributing to a substantial but smaller amount of uncertainty.

AbstractBoth seasonal and annual mean precipitation and evaporation influence patterns of water availability impacting society and ecosystems. Existing global climate studies rarely consider such patterns from non-parametric statistical standpoint. Here, we employ a non-parametric analysis framework to analyze seasonal hydroclimatic regimes by classifying global land regions into nine regimes using late 20th century precipitation means and seasonality. These regimes are used to assess implications for water availability due to concomitant changes in mean and seasonal precipitation and evaporation changes using CMIP5 model future climate projections. Out of 9 regimes, 4 show increased precipitation variation, while 5 show decreased evaporation variation coupled with increasing mean precipitation and evaporation. Increases in projected seasonal precipitation variation in already highly variable precipitation regimes gives rise to a pattern of “seasonally variable regimes becoming more variable”. Regimes with low seasonality in precipitation, instead, experience increased wet season precipitation.

Significance Freshwater availability is relevant to almost all socioeconomic and environmental impacts of climate and demographic change and their implications for sustainability. We compare ensembles of water supply and demand projections driven by ensemble output from five global climate models. Our results suggest reasons for concern. Direct climate impacts to maize, soybean, wheat, and rice involve losses of 400–2,600 Pcal (8–43% of present-day total). Freshwater limitations in some heavily irrigated regions could necessitate reversion of 20–60 Mha of cropland from irrigated to rainfed management, and a further loss of 600–2,900 Pcal. Freshwater abundance in other regions could help ameliorate these losses, but substantial investment in infrastructure would be required.

AbstractIn this study, we examine the spatial and temporal characteristics of water stress in China for the historical (1971–2010) and the future (2021–2050) periods using a multimodel simulation approach. Three water stress indices (WSIs), that is, the ratios of water withdrawals to locally generated runoff (WSIR), to natural streamflow (WSIQ), and to natural streamflow minus upstream consumptive water withdrawals (WSIC), are used for the assessment. At the basin level, WSIR estimates generally match the reported data and indicate severe water stress in most northern basins. At the grid cell level, the WSIs show distinct spatial patterns of water stress wherein WSIR (WSIQ) estimates higher (lower) water stress compared to WSIC. Based on the WSIC estimates, 368 million people (nearly one third of the total population) are affected by severe water stress annually during the historical period, while WSIR and WSIQ suggest 595 and 340 million, respectively. Future projections of WSIC indicate that more than 600 million people (43% of the total) might be affected by severe water stress, and half of China's land area would be exposed to stress. The found aggravating water stress conditions could be partly attributed to the elevated future water withdrawals. This study emphasizes the necessity of considering explicit upstream and downstream relations with respect to both water availability and water use in water stress assessment and calls for more attention to increasing levels of water stress in China in the coming decades.