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QUANTIFICATION OF MODELLING UNCERTAINTIES IN
CLIMATE CHANGE IMPACT STUDIES ON WATER
RESOURCES:
APPLICATION TO A GLACIER-FED HYDROPOWER
PRODUCTION SYSTEM IN THE SWISS ALPS
THÈSE NO 3225 (2005)
PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT
Institut des sciences et technologies de l'environnement
SECTION DES SCIENCES ET INGÉNIERIE DE L'ENVIRONNEMNT
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Bettina SCHÄFLI
ingénieure du génie rural diplômée EPF
de nationalité suisse et originaire de Homburg (TG)
acceptée sur proposition du jury:
Prof. A. Musy, directeur de thèse
Prof. A. Bárdossy, rapporteur
Dr D. Duband, rapporteur
Dr B. Hingray, rapporteur
Prof. M. Parlange, rapporteur
Lausanne, EPFL
2005Abstract
This PhD thesis presents the development of a methodological framework to analyse potential
climate change impacts on a high mountainous water resources system and to quantify the
associated modelling uncertainties. The main objective is to show whether state-of-the-art
hydrological modelling techniques driven by currently available climate change scenarios
enable a prediction of the long-term evolution of the analysed system. The case study is a
highly glacierized catchment feeding a hydropower plant located in the Swiss Alps. The
climate change impact analysis is based on a classical simulation approach: The system
behaviour is modelled for an observed control period (1961 to 1990) and for a future period
(2070 to 2099) characterised by a modified (predicted) climate. The climate change impact on
the studied system is assessed through the comparison of some key characteristics of the
system for the two periods (e.g. the mean annual discharge or the hydropower production).
The system simulation is completed through a set of four models, a water management model,
a hydrological discharge model, a glacier surface evolution model and a model for the
production of local scale meteorological time series (precipitation and temperature) based on
global and regional climate model outputs. The local scale models have been specifically
developed for the purposes of this thesis. For each of them, an appropriate statistical method
for the quantification of the inherent modelling uncertainties has been developed. A special
emphasis is given to the modelling uncertainties induced by the conceptual hydrological
model. A method has been developed to quantify the statistical and the multi-objective
modelling uncertainty in a multi-model framework including several equivalent model
structures. This method has been specially designed for the quantification of the prediction
uncertainty in climate change impact studies but it is transposable to other hydrological
modelling contexts.
The overall prediction uncertainty and the contribution of each source of modelling
uncertainty is quantified through Monte Carlo simulations of the system behaviour combining
successively the different sources of modelling uncertainty. It is shown that the uncertainties
induced by the prediction of the climate evolution are much higher than the ones induced by
the local scale models of the system behaviour. The uncertainty related to the use of different
regional climate models is however nearly as important as the one due to the choice of the
underlying global climate model and the green house gas emission scenario.
Using a fixed hydrological model structure, the predicted climate evolution induces a
significant reduction of the hydropower production performance due to a considerable
hydrological regime modification. The available data, the current discharge modelling
techniques and the knowledge about the underlying processes are however not sufficient to
chose an objectively best model structure. Considering the multi-model approach (including
different hydrological model structures), an unambiguous prediction of the hydrological
reaction to the analysed climate change reveals impossible at the given temporal horizon.
iRésumé Cette thèse de doctorat présente le développement d’un cadre méthodologique pour l’analyse des impacts potentiels d’un changement climatique sur un système de ressources en eau de haute montagne et pour la quantification des incertitudes associées. L’objectif principal est de déterminer si les méthodes actuelles de modélisation hydrologique et les scénarios de changement climatique disponibles permettent de prédire l’évolution à long terme du système analysé. Le cas d’étude est un bassin versant des Alpes suisses à forte couverture glaciaire, exploité pour la production hydroélectrique. L’analyse du changement climatique y est effectuée selon une approche de simulation classique : le comportement du système est modélisé pour une période de contrôle observée (1961 à 1990) et pour une période future (2070 à 2099) caractérisée par une modification (projetée) du climat. L’impact résultant du changement climatique est quantifié à travers d’un ensemble de caractéristiques clé du système (p. ex. la production hydroélectrique annuelle) simulés pour les deux périodes. La simulation s’effectue à l’aide de quatre modèles, un modèle de gestion de l’eau, un modèle hydrologique, un modèle d’évolution de la surface glaciaire et un modèle de génération de séries temporelles locales de précipitations et de température à partir de résultats de modèles climatiques globaux et régionaux. Les modèles à l’échelle locale ont été développés spécifiquement pour ce travail de recherche. Ils sont accompagnés chacun d’une méthode statistique de quantification des incertitudes de modélisation inhérentes. Les incertitudes liées au modèle hydrologique conceptuel sont étudiées plus en détail. Une méthode a été développée pour quantifier l’incertitude statistique et multi-objective dans une approche multi-modèles analysant simultanément différentes structures équivalentes du modèle. Développée spécifiquement pour une application aux études de changements climatiques, cette méthode peut être transposée à d’autres problèmes de modélisation hydrologique. L’incertitude liée à chaque modèle et l’incertitude totale sont quantifiées par des simulations Monte Carlo du comportement du système en combinant successivement les différentes sources d’incertitudes. Cette évaluation permet de montrer que l’incertitude issue de la prévision de l’évolution climatique est considérablement plus importante que celle liée aux modèles décrivant la réaction du système étudié. La modélisation de la réponse du climat régional à un changement climatique global introduit par contre autant d’incertitude dans la réponse du régime hydrologique que ce seul changement climatique global. Simulant le comportement du système avec un modèle hydrologique prédéfini, les scénarios climatiques étudiés montrent une évolution vers une réduction importante de la performance de la production hydroélectrique. Les données disponibles, les techniques de modélisation actuelles et la connaissance des processus hydrologiques ne permettent cependant pas de déterminer objectivement la meilleure structure de modèle. Dans le cadre d’une approche multi-modèles (incluant différentes structures de modèle hydrologique), on peut montrer qu’il n’est pas possible d’effectuer une prévision univoque de la réaction du système hydrologique à un changement climatique pour l’horizon temporel retenu. ii
Content
Chapter 1 : Introduction 1
Abstract ........................................................................................................................ 1
1.1 Research context ................................................................................................. 2
1.2 Fundamental questions of this PhD research ...................................................... 5
1.3 Methodological framework ................................................................................. 6
1.4 Outline of the thesis ............................................................................................ 7
References .................................................................................................................... 11
Chapter 2 : Case study: Mauvoisin hydropower plant 13
Abstract ........................................................................................................................ 13
2.1 Introduction ......................................................................................................... 14
2.2 Hydropower plant of Mauvoisin ......................................................................... 14
2.3 Analysis of inflow, storage and water release .................................................... 16
2.4 Management model ............................................................................................. 22
2.5 Results ................................................................................................................. 28
2.6 Conclusion .......................................................................................................... 31
Acknowledgements ...................................................................................................... 32
References .................................................................................................................... 32
Appendix 1: Calculation of the seasonal standard deviation ....................................... 33
Appendix 2: Estimation of the parameters of a Log-Weibull distribution .................. 34
Chapter 3 : A conceptual glacio-hydrological model for high mountainous
catchments 35
Abstract ........................................................................................................................ 35
vTable of contents
3.1 Introduction ......................................................................................................... 36
3.2 Model description ............................................................................................... 37
3.3 Case studies: Site description and data collection .............................................. 44
3.4 Model set-up and calibration .............................................................................. 46
3.5 Calibration and simulation results ...................................................................... 51
3.6 Conclusions ......................................................................................................... 57
Acknowledgements ...................................................................................................... 59
References .................................................................................................................... 59
Chapter 4 : Uncertain glacier surface evolution under changing climate 63
Abstract ........................................................................................................................ 63
4.1 Introduction ......................................................................................................... 64
4.2 Model description ............................................................................................... 66
4.3 Climate change scenarios .................................................................................... 73
4.4 Case study ........................................................................................................... 76
4.5 Results ................................................................................................................. 80
4.6 Conclusions ......................................................................................................... 86
Acknowledgements ...................................................................................................... 87
References .................................................................................................................... 87
Appendix 1: Perturbation of daily rainfall series ......................................................... 92
Appendix 2: Meteorological pattern scaling ................................................................ 93
Chapter 5 : Quantifying hydrological modelling errors through finite mixture
distributions 95
Abstract ........................................................................................................................ 95
5.1 Introduction ......................................................................................................... 96
5.2 Finite mixture model ........................................................................................... 97
5.3 Parameter inference ............................................................................................ 99
5.4 Case study ........................................................................................................... 103
5.5 Results ................................................................................................................. 104
5.6 Conclusion .......................................................................................................... 107
Acknowledgements ...................................................................................................... 108
References .................................................................................................................... 108
Appendix 1: Stirling’s approximation ......................................................................... 110
Appendix 2: Transition probability .............................................................................. 110
Chapter 6 : Climate change and hydropower production in the Swiss Alps:
Quantification of potential impacts and related modelling
uncertainties 113
Abstract ........................................................................................................................ 113
6.1 Introduction ......................................................................................................... 114
6.2 Methodology: overview ...................................................................................... 115
6.3 Case study: Dam of Mauvoisin ........................................................................... 117
viTable of contents
6.4 Modelling uncertainties ...................................................................................... 124
6.5 Integrated uncertainty analysis ........................................................................... 130
6.6 Climate change impacts on the hydropower management ................................. 132
6.7 Conclusions ......................................................................................................... 135
Acknowledgements ...................................................................................................... 136
References .................................................................................................................... 137
Chapter 7 : Use of a multi-objective evolutionary algorithm for parameter and
model structure estimation 139
Abstract ........................................................................................................................ 139
7.1 Introduction ......................................................................................................... 140
7.2 Hydrological model ............................................................................................ 141
7.3 Optimisation algorithm ....................................................................................... 145
7.4 Optimisation procedure ....................................................................................... 146
7.5 Case study ........................................................................................................... 147
7.6 Results ................................................................................................................. 149
7.7 Discussion ........................................................................................................... 152
7.8 Conclusions ......................................................................................................... 153
Acknowledgements ...................................................................................................... 154
References .................................................................................................................... 154
Chapter 8 : Hydrological modelling uncertainties in a multi-model framework:
Multi-objective versus statistical uncertainty 157
Abstract ........................................................................................................................ 157
8.1 Introduction ......................................................................................................... 158
8.2 Hydrological model: structure and optimisation ................................................ 161
8.3 Estimation of multi-objective output distributions ............................................. 165
8.4 Case study ........................................................................................................... 171
8.5 Results ................................................................................................................. 172
8.6 Conclusions ......................................................................................................... 186
Acknowledgements ...................................................................................................... 189
References .................................................................................................................... 189
Chapter 9 : Conclusion: Prediction of climate change impacts – an illusion? 193
9.1 Introduction ......................................................................................................... 193
9.2 Main results ......................................................................................................... 194
9.3 Case study specificity of the methods and the results ........................................ 197
9.4 Overall conclusions ............................................................................................. 199
9.5 Future research questions .................................................................................... 201
References .................................................................................................................... 204
Curriculum vitae 207
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