Search

Vattenbrist och torka har varit i fokus i Sverige under senare åren. 2016-2018 var särskilt torra i södra Sverige. Syftet med denna rapport är främst att jämföra de senaste åren med tidigare förhållanden och att anlysera effekten av olika åtgärder mot vattenbrist och torka. Hydrologiska mätserier analyserades, ända sedan 1807 fram till och med 2018. Tonvikten är på perioden från och med 1900, eftersom få stationer var igång innan dess. Vattenföringen minskar inte generellt i Sverige. Lågflödena har ökat i norra Sverige, troligen beroende på milda vintrar på senare år. I sydöstra Sverige har lågflödena i stället minskat, eventuellt delvis på grund av regleringar. 2016-2018 var mycket torra i sydost. Vilket år som har varit torrast beror på var i landet man avser och vad man menar med torrt. Lågflöden analyserades både med statistiska metoder och med den hydrologiska modellen S-HYPE. Osäkerheten i uppskattningar av lågflöden är stor i båda metodvalen. Några sätt att förbättra metodiken föreslås i rapporten. Effekten av olika scenarier beräknades både med en statistisk metod och med S-HYPE. Den faktor som har störst effekt för att höja lågflödena är att man sparar vatten i sjöar, särskilt om man reglerar dem så att vatten sparas till sommaren. De flesta av de simulerade förändringarna i landskapet gav mindre effekt. Sammanfattningsvis är det framförallt vädret och klimatet som avgör vattenflödet. Att det var så torrt åren 2016-2018 beror främst på att det regnade så lite. Effekterna av torrperioder kan mildras genom att man sparar vatten i till exempel sjöar eller dammar.

NET är ett verktyg för uppskattning av vattenburen transport av olika ämnen i punkter där detsaknas mätningar. Verktyget togs ursprungligen fram inom forskningsprogrammet ”Climatechange and the Environmental Objectives” (CLEO, Munthe et al., 2014 och 2016). Tanken äratt NET ska vara generellt, och kunna användas för simulering av olika ämnen, men endastberäkna medelvärden över tiden av mängder och koncentrationer. Ofta är det mängder som ärslutmålet för en beräkning, varför det i vissa situationer kan finnas mycket att vinna på attanvända en enkel och snabb beräkningsmodell. Inom CLEO simulerades flöden av totalkväve,total-fosfor och totalt organiskt kol.

Sedan juli 2004 finns ett operationellt system för hydrologiska ensembleprognoser vid SMHI. Systemet använder meteorologiska ensembleprognoser för nederbörd och temperatur från ECMWF som indata till HBV-modellen, vilket genererar en ensemble av flödesprognoser. I denna rapport beskrivs inledningsvis detta system, kallat EPS (ensemble prediction system), tillsammans med några allmänna egenskaper hos prognoserna. Vissa förberedande analyser görs av dels de meteorologiska prognoserna från ECMWF, dels EPS vårflödesprognoser. Huvuddelen av rapporten är en utvärdering av 18 månaders 9-dygns hydrologiska ensembleprognoser i 45 avrinningsområden i Sverige. I den deterministiska utvärderingen jämförs EPS medianprognos med den kategoriska PMP prognosen. Resultaten visar på en likartad tillförlitlighet i de båda prognostyperna. Det visas också att EPS-prognosernas spridning är kopplad till prognosfelet. I den sannolikhetsbaserade utvärderingen undersöks noggrannheten av sannolikheter beräknade från EPS-spridningen. En percentilbaserad utvärdering visar att spridningen är underskattad. En tröskelbaserad utvärdering visar att sannolikheten att flödet överstiger en hög tröskelnivå är överskattad. Avslutningsvis utvecklas och testas en enkel metod för att korrigera EPS-spridningen, samt diskuteras olika sätt att presentera EPS prognoser. Since July 2004, a system for hydrological ensemble forecasting has been operational at SMHI. Thesystem uses meteorological ensemble forecasts of precipitation and temperature from ECMWF asinput to the hydrological HBV model, which generates an ensemble of discharge forecasts. In thisreport, the hydrological ensemble prediction system (EPS) is firstly described, along with somegeneral features of the forecasts. Some preparatory analyses of the ECMWF meteorologicalforecasts and spring flood EPS forecasts are made. The main part of the report is an evaluation of18 months of 9-day hydrological ensemble forecasts in 45 Swedish catchments. In the deterministicevaluation, the EPS median forecast is compared with the categorical PMP forecast. The resultsindicate an overall similar performance of the two forecast types. It is also shown that the spread ofthe EPS forecasts is related to the forecast error. In the probabilistic evaluation, the accuracy ofprobabilities calculated from the EPS spread is investigated. A percentile-based evaluation showsthat the spread is underestimated. A threshold-based evaluation shows that the probability ofexceeding some high discharge threshold level is overestimated. Finally, a simple method to correctthe EPS spread is developed and tested, and different ways to present EPS forecasts are discussed.

HBV-modellen, som används av den hydrologiska varningstjänsten vid SMHI, är en förenklad beskrivning av det hydrologiska kretsloppet. En befintlig metod för regional kalibrering av HBVmodellen vidareutvecklades. Parametrar tas fram som ger så god överensstämmelse som möjligt till flera vattenföringsstationer i en region. Dessa värden kan därefter användas för uppskattning av vattenföringen i en godtycklig punkt i regionen. Metoden testades i tre områden: Rönne å i Skåne, Dillområdet i Tyskland och den region som omfattar vattendragen till Västerhavet. Regionala utvidgningar av R2-värdet, volymfel och toppfel kombineras i ett optimeringskriterium. R2-värdet och toppfelet bör utvärderas endast i små, oreglerade områden med låg sjöprocent. Som övre gränser sattes en areal på 2000 km2 och en sjöprocent på 10 %. Det sistnämnda visade sig dock vara för högt satt.Volymfelet kan däremot utvärderas i samtliga ingående stationer, och få påverka kalibreringen. I de relativt små, homogena områdena Rönne å och Dill erhölls mycket goda resultat. Anpassningen blev något sämre med regionala parametrar än vad som kan uppnås genom lokal kalibrering i det stora testområdet, vattendragen till Västerhavet. I allmänhet underskattades toppflödena något. Fördelen är att man får parametervärden som användas i hela regionen.

Water resources and floods in Sweden were studied with respect to trends and occurrence, with emphasis on the period 1901-2000. Two periods stand out when it comes to annual runoff: the 1920s, and the two last decades in the study period, with a runoff anomaly compared to the whole century of about +8%. The 1970s was the driest decade, with a runoff about 9 % below the century average. The most deviating 30-year period was 1951-80 with an anomaly of -5 % compared to 1901-2000. The few records that are available from the 19th century indicate an even higher runoff, but at lower temperatures. A linear regression to the runoff

Olika uppdateringsmetoder för HBV-modellen har utvecklats och jämförts. Metoderna har utvärderats i simuleringsexperiment där modellkörningar med observerade data användes som meteorologisk prognos. De olika uppdateringsmetoder som testats är dels autoregressiva, dvs de bygger på en korrektion av uppmätt fel före prognosens början, dels sådana som bygger på en uppdatering av indata dvs nederbörd och temperatur och slutligen sådana där modellens tillståndsvariabler uppdateras. Resultaten visar att alla metoderna medför en förbättrad avrinningsprognos. Ingen av metoderna kan dock sägas vara den bästa vid alla tillfällen. AR-metoden gav bäst resultat vid högsta flöden, t ex i samband med snösmältning, medan uppdatering av modellens tillstånd gav något bättre resultat vid regnflöden. Om en modell skall användas för prognoser i samband med höga flöden är det viktigt att man redan vid kalibreringen tar hänsyn till detta och kalibrerar med hänsyn till just toppflöden, som annars systematiskt kommer att underskattas. Effekten av en uppdatering avklingar jämförelsevis snabbt. Vid långtidsprognoser är det troligt att en kombination av nu testade metoder och uppdatering av t ex snömagasin och de faktorer som speciellt påverkar snösmältningen, dvs. temperatur och kanske t o m modellens graddagfaktor, skulle ge en bättre prognos.

Det finns åtskilliga studier som tyder på att avrinningen från öppen mark, särskilt jordbruksmark, påverkas av tjäle. För skogsmark är förhållandena mindre undersökta. Tjälens inverkan på avrinningen undersöktes mha ett mycket fint datamaterial insamlat vid Svartbergets försökspark nära Vindeln i Västerbotten. Bland annat har snödjup, marktemperatur och tjäldjup mätts sedan 1980, vid tre platser. En av mätplatsema är belägen i gammal granskog och de två andra på öppen mark. Dessutom fanns grundvattendata att tillgå från området. Simuleringsresultat från HBV-modellen, i vilken ingen effekt av tjälen antas, jämfördes med uppmätta tjälförhållanden i skogen. Ingen tydlig effekt av tjälen kunde urskiljas, på detta sätt eller genom analys av mätningar med den konservativa syreisotopen 180. Marken under skogen tjälas endast ungefär vartannat år. Under flera vintrar tinade tjälen dessutom upp innan vårfloden kom igång. Nästan alla vårflödena inträffade då marken var otjälad. Tjälens eventuella inverkan har mindre betydelse eftersom det så få vintrar finns kvar tjäle när vårfloden kulminerar. Vintrar med djup tjäle är ofta ganska snöfattiga och resulterar i låga flöden. Om dessa måttliga flöden påverkas eller ej har liten betydelse för uppkomsten av översvämningar. Slutsatserna gäller i första hand för gammal granskog i Svartberget. De två öppet belägna mätplatsema uppvisar mycket djupare och mer långvarig tjäle. En enkel modell för beräkning av snödjup och tjäldjup sattes upp. Densiteten för snön antogs bero av snöns medelålder. Resultaten var ganska goda. Tjäldjupet kunde beräknas någorlunda no i grant med en enkel modell som framförallt styrs av en utjämnad lufttemperatur. Genom att HBV-modellen kalibrerades mot både vattenföring och snödjup erhölls en möjlighet att uppdatera modellen mha snödj,upsmätningar . Modellen kunde fås att stämma ganska bra överens med uppmätta värden på snödjup, grundvatten, tjäldjup och vattenföring samtidigt, efter samtidig kalibrering mot dessa variabler.

The evapotranspiration routines in existing conceptual hydrological models have been identified as one of the weaknesses which appear when these rnodels are used for the simulation of hydrological effects of a changing clirnate. The hydrological models in operational use today usually have a very superficial description of evapotranspiration. They have, nevertheless, been able to yield reasonable results. The objective of this paper is to analyse and suggest modifications of existing evapotranspiration routines in conceptual hydrological models to make them more appropriate for use in simulation of the effects of a changing climate on water resources. The following rnodifications of the evapotranspiration routine were formulated and tested in the HBV model: Ternperature anomaly correction of evapotranspiration, potential evapotranspiration by a simplified Thornthwaite type formula, interception submodel, spatially distributed evapotranspiration routine and alternative forrnulations of lake evapotranspiration. Sensitivity analyses were thereafter rnade to illustrate the effects of uncertainty in the hydrological model structure versus those of the uncertainty in the climate change predictions.

Flödeskommittens förslag till nya riktlinjer för bestämning av dimensionerande flöden för dammanläggningar utkom 1990. Kontrollberäkningar enligt riktlinjerna visar att de dimensionerande flödena för hösten ligger något lägre än de preliminära beräkningarna i Flödeskommittens rapport. Medelvärdet av de uppmätta flödena i relation till de dimensionerande är med det nu tillgängliga materialet 43% för våren och 40% för hösten. Det finns inga tydliga skillnader i säkerhetsmarginal mellan olika delar av landet, eller mellan vår och höst. Trots detta finns det en relativt stor spridning mellan stationerna.Samtidigheten mellan hög snösmältning och hög nederbörd studerades. Resultaten visar att de två faktorerna sällan uppträder samtidigt. Genom att man i en dimensioneringsberäkning kombinerar kraftig snösmältning och extrem nederbörd fås en avsevärd säkerhetsmarginal, trots att ingen av de två faktorerna har extrapolerats utanför det observerade. De högsta flödena i oreglerade vattendrag i Norrland skapas i första hand av snösmältning. En mindre del av flödena är kombinationsflöden, och en ännu mindre andel domineras av regn. Höstflödena, som vanligtvis är lägre, domineras dock av regn. I södra Sverige orsakas de högsta flödena ofta av kombinationer av regn och snösmältning.Det är mycket svårt att fastställa återkomsttiden för de dimensionerande flödena med någon större precision. Man kan inte förutsätta att de dimensionerande flödena har samma återkomsttid överallt. Det mesta talar dock för att återkomsttiden överstiger 10 000 år med god marginal i de flesta områdena. Risken för att ett dimensionerande flöde skall uppträda någonstans i landet under en hundraårsperiod, bör vara mycket liten. Säkerhetsmarginalen, eller återkomsttiden, tycks ligga på ungefär samma nivå för våren som för hösten. Det är mycket svårt att uppskatta de dimensionerande flödenas återkomsttid genom att utgå från återkomsttiden för det dimensionerande regnet på 24 timmar. Detta beror på att regnets återkomsttid ej är känd och att de högsta flödena i landet till största delen orsakas av snösmältning eller långvarigt regn.Ett något mer homogent resultat vad beträffar det 30 åriga snötäcket i en dimensioncringsberäkning erhölls då snötäckena uppdaterades med hjälp av den uppmätta vattenföringsserien. Underlaget är dock ganska begränsat. Den justering av 30-årssnön som erhölls i de 2 testade områdena innebar en justering av tillrinningsmaximum med knappt 2%. En ny förbättrad avdunstningsrutin i HBV-modellen, hade obetydlig effekt på de dimensionerande flödena på våren. De dimensionerande höstflödena i södra samt östra Sverige blev I0 - 22 % högre med den nya avdunstningsfunktionen.De höga flödena under sommaren 1993 var i flera av de reglerade Norrlandsälvarna exceptionellt höga för årstiden, men däremot inte i förhållande till oreglerade vårflöden. Exempelvis skulle sommarens flödesnivå i Luleälven uppnås ungefär vart femte år om älven hade varit oreglerad. Nederbördsmängdema på ett dygn låg långt under Flödeskommittens dimensionerande värden. Tillrinningstoppen till Parki och Letsi i Luleälvenanalyserades närmare. Långvarigt regn, och inte snösmältning, var den utlösande faktorn för flödestoppen.

Sweden experienced a number of large floods in the 1980-ies. This raised the question of whether floods were becoming more frequent. A systematic study on floods was carried out, to provide a perspective to past and future floods. Frequency analysis was made using 16 methods. A split-sample test was used for evaluation of the predictive power of the methods. Numerical criteria were used for measuring the goodness of fit. The return periods of observed floods were estirnated by use of plotting positions. No convincing evidence of trends was found. The 1980-ies had larger floods than usual, where as the 1970-ies had few high floods, especially, in the auturnn. This may have led to the, irnpression of a trend. No evidence of autocorrelation or periodicity was found. For most of Sweden, the spring was found to be the season with highest extremes. The flood-moderating effect of regulation was illustrated, although floods were also found to occur in regulated systems. The results from the frequency analysis depended on the choice of criteria. In general, however, distributions with two parameters performed best. Neither a two component model treating spring and autumn separately, three parameter distributions, nor regional analyses gave any irnprovements. The spatial correlation within the data was considerable.

En metod för beräkning av effektiv nederbörd ur avrinningsserier presenteras. Metoden innebär, att hela avrinningsområdet betraktas som en effektiv regnmätare, vilken analyseras via sin avrinningsserie. Resultaten inkluderar bidrag från regn, snösmältning och förluster pga magasinering i marken samt tar hänsyn till den areella variationen i alla dessa faktorer.Den föreslagna metoden har tillämpats på 31 avrinningsserier, företrädesvis från områden i norra Sverige, totalt omfattande1 365 observationsår. De erhållna uppskattningarna av effektiva regn är för nederbördstillfällen med enbart regn i allmänhet avsevärt lägre än den nederbördsmängd, som fallit över området. Dessutom kan i flera områden en viss reduktion av risken för höga effektiva regn sommartid skönjas. Orsaken till detta är i första hand effekten av ett markfuktighetsunderskott sommartid. I utpräglade fjällområden är detta förhållande ej lika framträdande.En viss minskning av den största påträffade effektiva regnmängden med ökande areal framgår av materialet.Stora effektiva regn, orsakade av snösmältning under våren, är mer frekventa än stora regntillfällen under sommar och höst, i synnerhet om flerdygnsvärden analyseras.