Characterization and modeling of hydrology and climatology in paramo ecosystems in Colombia : A study of the paramos and climate change impact on these ecosystems as a water resource | Karaktärisering och modellering av hydrologin och klimatologin i paramoekosystem i Colombia : En studie av paramos och klimatförändingarnas effekt på dessa ekosystem som vattenresurs

Paramos are unique ecosystems situated in the tropical Andes at an elevation of 2800-4800 meters above sea level. They are home to a variety of endemic species and have a great water regulating capacity and supply around 80 % of the population in Colombia with freshwater. These ecosystems have been found to be particularly vulnerable towards climate change, which is a major challenge when it comes to safeguarding this water source. This study aimed to investigate paramos on three spatial scales: the large, medium and small scale. The large scale aimed at investigating the paramos of Colombia on a national level, the medium scale aimed at modeling the hydrology of a small paramo catchment, and the small scale aimed at exploring the general landscape and methods for monitoring the hydroclimate. At the national scale, the paramos were characterized based on hydrological and climatological variables, in the end focusing on precipitation and discharge, and producing descriptive statistics, in addition to finding temporal trends. The aim was to describe the paramos of Colombia hydroclimatologically on a spatial and temporal scale to get a more updated and comprehensive picture of the hydrology in these ecosystems and to investigate whether any possible relationships between the hydroclimatic variables could be detected that could affect the water availability, that is, if there were any signs of climatic forcing and hydrological response. Another aim was to investigate whether any significant trends could be seen in historical data and if there were any signs of climate change or ENSO (El Niño Southern Oscillation) events affecting the time series. The results showed that there was a large range in the amount of annual precipitation, between 500 and 5000 mm/yr, depending on the location of the precipitation station. The annual precipitation differed with up to around 2000 and 3500 mm/yr within and between different paramo regions, respectively. The annual mean daily discharge ranged between 0 and 25-30 m3/s and the total annual specific discharge ranged between 0 and 2500 mm/yr. It was not possible to detect any general, common temporal trend in neither precipitation nor discharge for all of the stations and the majority of the trends for individual stations were not significant. However, most locations that did present significant trends in precipitation showed an increase rather than a decrease, on a monthly rather than an annual scale. The trends that were significant for discharge were also increasing. No evident relationship between precipitation and discharge could be detected in neither amount nor pattern or trend over time, although some similarities and common traits could be found. Some local maxima and minima in precipitation and discharge coincided with ENSO events, but whether the significant trends are due to climate change remains unclear. The changes that were seen could have an impact on societies that are close to and rely on the paramos, but more studies on a seasonal and monthly scale are needed. At the medium scale, the HBV light model was used to simulate the hydrology in the small paramo catchment called Monterredondo. The aim was to investigate how a parsimonious model like the HBV model would perform compared to the more comprehensive SWAT model, which previously succeeded in modeling the hydrology in this watershed. Since the data is scarce in these regions, a simpler model could be more desirable. The results showed that the HBV was sufficient for the task, receiving a NSE value of 0.81 (calibration period) and 0.56 (validation period), and able to perform almost as well as the SWAT model, which received NSE values of 0.83 (calibration period) and 0.59 (validation period). Furthermore, since the paramos are vulnerable towards climate change, it was considered important to investigate how discharge might be affected by climate change. Simulations of future climate towards the end of the century, representing two emission scenarios, SSP2-4.5 and SSP5-8.5, were performed with data from the general circulation models EC-Earth3-CC (Europe) and MRI-ESM2-0 (Japan). The results from the EC-Earth3-CC model indicate a change towards drier dry seasons and wetter wet seasons. On an annual scale, it shows a decrease in discharge, but no change in annual precipitation. The MRI-ESM2-0 model was not considered reliable due to the large distance between the catchment area in question and the location where the data came from. Large uncertainties are associated with the data quality and quantity for both parts of this study. This is a well-known issue in these quite unapproachable locations, which is why the small scale investigation focused on learning more about the monitoring of these ecosystems. A horizontal precipitation station was built to capture horizontal precipitation. Even if built as a rather rough structure, it seemed to work and could be useful for future investigations. The results showed that horizontal precipitation contributed with a non-negligible amount to the total precipitation.  In summary, there is a risk that climate changes will have an impact on the water resources, due to drier dry seasons and wetter wet seasons. This could lead to water shortages in periods, but more studies are necessary to confirm the result. It is especially important to investigate more variables such as land use, soil moisture and radiation. It is also important to study more paramo areas in detail since they respond differently towards climate change.

Paramos är unika ekosystem som ligger på en höjd av 2800-4800 meter över havet i de tropiska Anderna. De är hem för en mängd olika endemiska arter och har en stor vattenreglerande förmåga och försörjer cirka 80 % av befolkningen i Colombia med dricksvatten. Dessa ekosystem har visat sig vara särskilt sårbara för klimatförändringar, vilket innebär en stor utmaning när det kommer till att skydda paramos som vattenkälla. Denna studie syftade till att undersöka paramos på tre rumsliga skalor: stor, medelstor och liten skala. Den stora skalan syftar till att undersöka paramos i Colombia på nationell nivå, den medelstora skalan syftar till att modellera hydrologin i ett litet paramoavrinningsområde, och den lilla skalan syftar till att utforska det allmänna landskapet och metoder för att övervaka hydroklimatologin. På nationell skala karaktäriserades paramos utifrån hydrologiska och klimatologiska variabler, i slutändan med fokus på nederbörd och avrinning, genom att producera beskrivande statistik, och därtill hitta trender över tid. Syftet var att beskriva paramos i Colombia hydroklimatologiskt både rumsligt och tidsmässigt för att få en mer uppdaterad och heltäckande bild av hydrologin i dessa ekosystem och för att undersöka om möjliga samband mellan de hydroklimatologiska variablerna kunde upptäckas som skulle kunna påverka vattentillgången, det vill säga om det fanns några tecken på klimatpåverkan och hydrologisk respons. Ett annat syfte var att undersöka om statistiskt signifikanta trender kunde ses i historiska data och om det fanns tecken på att klimatförändringar eller ENSO-händelser (El Niño Southern Oscillation) påverkade tidsserierna. Resultatet visade att det fanns ett stort spann i uppmätt årsnederbörd, mellan 500 och 5000 mm/år, beroende på nederbördsstationens lokalisering. Årsnederbörden skiljde sig med upp till cirka 2000 och 3500 mm/år, inom respektive mellan olika paramoregioner. Det årliga medeldygnsflödet låg mellan 0 och 25-30 m3/s och det totala årliga specifika flödet låg mellan 0 och 2500 mm/år. Det var inte möjligt att upptäcka någon generell, gemensam tidsmässig trend i varken nederbörd eller avrinning för samtliga stationer och majoriteten av trenderna för enskilda stationer var inte signifikanta. De flesta platser som faktiskt visade signifikanta trender i nederbörd visade en ökning snarare än en minskning, på månadsbasis snarare än årsbasis. Trenderna som var signifikanta för avrinning visade också en ökning. Inget uppenbart samband mellan nederbörd och avrinning kunde ses i varken kvantitet, mönster eller trend över tid, även om vissa likheter och gemensamma egenskaper kunde hittas. Vissa lokala maxima och minima i nederbörd sammanföll med ENSO-händelser, men huruvida de signifikanta trenderna beror på klimatförändringar är fortfarande oklart. De förändringar som kunde identifieras kan ha en inverkan på samhällen som är nära och förlitar sig på paramos, men fler studier på säsongs- och månadsskala behövs.  På den medelstora skalan användes HBV-lightmodellen för att simulera hydrologin i ett litet paramoavrinningsområde kallat Monterredondo. Syftet var att undersöka hur en mindre komplex modell som HBV-modellen kunde prestera jämfört med den mer omfattande SWAT-modellen, som tidigare lyckats modellera hydrologin i samma avrinningsområde. Eftersom mängden data i dessa regioner är begränsad kan en mindre komplex modell vara att föredra. Resultaten visade att HBV presterade tillräckligt bra för uppgiften då modellen erhöll ett NSE-värde på 0,81 (kalibreringsperioden) och 0,56 (valideringsperioden) och kunde prestera nästan lika bra som SWAT-modellen, som erhöll NSE-värden på 0,83 (kalibreringsperioden) och 0,59 (valideringsperioden). Då paramos är sårbara för klimatförändringar ansågs det dessutom viktigt att undersöka hur avrinningen kan påverkas av klimatförändringar. Simuleringar för framtida klimat motsvarande slutet av seklet modellerades med två utsläppsscenarier, SSP2-4.5 och SSP5-8.5. De representerades med data från de allmänna cirkulationsmodellerna EC-Earth3-CC (Europa)och MRI-ESM2-0 (Japan). Resultaten från EC-Earth3-CC-modellen indikerade en förändring mot torrare torrperioder och blötare regnperioder. På en årsskala visade modellen en minskning i avrinning, men ingen förändring i årsnederbörd. MRI-ESM2-0-modellen bedömdes inte vara tillförlitlig på grund av det stora avståndet mellan det aktuella avrinningssområdet och platsen där datan kom ifrån. Stora osäkerheter är förknippade med datakvalitet och kvantitet för båda delarna av denna studie. Detta är ett välkänt problem på dessa ganska otillgängliga platser, varför den småskaliga utredningen fokuserade på att öka förståelsen för den hydroklimatologiska övervakningen i dessa ekosystem. En horisontell nederbördsstation byggdes för att fånga horisontell nederbörd. Även om den byggdes med en ganska grov struktur, verkade den fungera och kan potentiellt vara användbar för framtida undersökningar. Resultaten visade att horisontell nederbörd bidrog med en icke-försumbar mängd till den totala nederbörden. Sammanfattningsvis finns det en risk att klimatförändringarna påverkar vattenresurserna, på grund av att torrperioderna blir torrare och regnperioderna blir blötare. Detta kan leda till en periodvis vattenbrist, men fler studier krävs för att bekräfta resultatet. Det är särskilt viktigt att undersöka fler variabler såsom markanvändning, markfuktighet och strålning. Det är också viktigt att studera fler paramoområden i detalj, eftersom de reagerar olika på klimatförändringar.