Skillnader mellan SMHIs hydrologiska modeller vid klimatanalys

Bakgrund

År 2015 publicerade SMHI länsvisa rapporter om klimatförändringar, där resultat från den hydrologiska modellen HBVSv beskrev effekterna på bland annat vattentillgång, samt låg- och högflöden. Under 2021 lanserades en webbaserad klimatscenariotjänst med uppdaterat klimatunderlag som nu baserades på en annan hydrologisk modell, S-HYPE. Denna modell bygger vidare på kunskaperna och erfarenheterna från HBV-modellen, och S-HYPE kan därför ses som en vidareutveckling av HBV-modellen. Den tydligaste skillnaden mellan modellernas resultat var för lokal avrinning i Götaland och Svealand under sommaren. Där S-HYPE:s simuleringar för klimatscenariotjänsten pekar på en ökning av den lokala avrinningen i stora delar av södra Sverige, medan tidigare analyser med HBVSv visar på en minskning. En annan viktig indikator som skiljde sig åt mellan modellerna var antalet dagar med lågflöde under sommarperioden, vilket direkt påverkas av förändringen i lokal avrinning.

Sjökvist m.fl. (2022) genomförde en jämförelse mellan de länsvisa rapporterna och den nyare webbaserade klimatscenariotjänsten, med fokus på att beskriva skillnaderna och möjliga orsaker till dessa. I studien inkluderades dock inte djupare analyser av de skillnader som kan uppstå till följd av användningen av olika hydrologiska modeller. Däremot identifierades vissa skillnader i resultaten vilka mest sannolikt beror på skillnader mellan modellerna. Den särskilt framträdande skillnad som identifierades var just förändringen i de lokala medelavrinningarna under sommarmånaderna juni, juli och augusti mot slutet av seklet.

Till rapporten: Jämförelse länsanalyser och scenariotjänst, Sjökvist m.fl. (2022) Länk till annan webbplats.

Under 2023 genomförde därför SMHI en intern utredning för att undersöka hur de olika hydrologiska modellerna HBVSv och S-HYPE bidragit till de resultatskillnader mellan klimatscenariotjänsten och länsanalyserna som identifierats. Huvudbudskapet från den utredningen presenteras i denna text.

Skillnad mellan HBV och S-HYPE

Båda modellerna har styrkor och svagheter. S-HYPE används i SMHI:s klimatscenariotjänst eftersom den innehåller färre osäkerheter och har bättre processbeskrivningar för avdunstning och flöden. Samtidigt har HBVSv varit värdefull för tidigare analyser men är mer känslig för temperaturförändringar.

S-HYPE beskriver hela Sverige i hög upplösning med hjälp av ett effektivt beräkningssystem. Den HBV-modellen som användes i Länsanalyserna, utvecklades på 90-talet, använder ett äldre och mer komplicerat filsystem, vilket speglar sin tids teknik. Detta gör HBV mindre effektivt för den här typen av klimatanalyser. HYPE-modellen kräver däremot mindre kraft för att utföra sådana beräkningar och för att producera kartor baserade på dessa beräkningar.

Vid val mellan dessa modeller är det viktigt att överväga syftet med analysen. För framtida klimatsimuleringar och regionala analyser rekommenderas S-HYPE på grund av dess robusthet och tillförlitlighet.

Lokal markavrinning och lågflöde

Lokal avrinning avser det vatten som genereras inom ett delavrinningsområde och bidrar till den totala vattenföringen. I länsanalysen benämns denna indikator som ”lokal tillrinning”, i klimatscenariotjänsten som ”markavrinning”. Dagar med lågflöde definieras som de dygn där vattenföringen understiger medelvärdet av varje års lägsta dygnsvattenföring under den valda referensperioden.

• Lokal markavrinning: HBVSv visar generellt en större minskning av lokal avrinning under sommaren när temperaturen ökar för södra Sverige, än vad S-HYPE gör.

• Lågflöde: S-HYPE förutspår färre dagar med låga flöden än HBVSv under sommaren.

De olika resultaten beror av att förändringen i den lokala avrinningen är mer temperaturkänslig för HBVSv än för S-HYPE. Temperaturkänslighet avser hur modellerna reagerar på ökande temperaturer. En modell med hög temperaturkänslighet visar större förändringar vid ökande temperaturer än en med lägre känslighet. Eftersom antalet dagar med låga flöden baseras på samma variabler som lokal avrinning, är det logiskt att även detta mått påverkas på liknande sätt. Skillnaderna mellan modellerna ökar i takt med högre temperaturökningar.

Det är dock viktigt att understryka, att under sommar och tidig höst, då avrinningen normalt är som lägst i södra Sverige, kan små absoluta förändringar ge upphov till stora procentuella skillnader. De absoluta värdena för lokal avrinning förväntas dock förbli små i södra Sverige. Därmed kan förändringar av låga flöden resultera i stora relativa skillnader.

Avdunstning

Modellerna hanterar avdunstning på olika sätt. HBVSv beskriver exempelvis avdunstningen som noll när det finns snö på marken. S-HYPE inkluderar däremot avdunstning även under dessa förhållanden. För att kompensera för den missade avdunstningen använder HBVSv månadsfaktorer, vilket leder till en överskattning av avdunstningen under vårmånaderna, särskilt i mars, enligt jämförelser med mätvärden.

Denna överskattning är sannolikt en av orsakerna till att HBVSv visar en större procentuell minskning av lokala sommaravrinningar i södra Sverige. Även om båda modellerna har sina osäkerheter bedöms S-HYPE, som användes i klimatscenariotjänsten, innehålla färre osäkerheter än HBVSv, som användes i länsanalyserna, när det gäller att beskriva avdunstningen.

Korrigerad nederbörd

Både HBVSv och S-HYPE-modellerna använder dygnsdata för nederbörd som har griddats, vilket innebär att den omvandlats till ett rutnät med jämnt fördelade punkter över ett område. Griddningen gör det möjligt att kombinera mätdata med modellberäkningar för att uppskatta nederbörd även där mätstationer saknas, men innebär samtidigt vissa förenklingar och osäkerheter. En annan osäkerhet är att mätningarna tenderar att underskatta nederbörd som faller som snö. Dessutom krävs en uppskattning av den nederbörd som fångas upp av växter och avdunstar direkt därifrån. Begränsningarna gör att nederbörden blir en parameter som måste kalibreras i modellerna för att överensstämma med vattenföringen.

Kalibreringen av nederbörd skiljer sig mellan de två modellerna. Det börjar redan i hur nederbörd introduceras till modellen och antaganden om interception, det vill säga hur mycket nederbörd som inte når marken, och hur den beror på nederbördstyp. Det gör att två modeller som till synes får samma indata faktiskt får olika mycket vatten som går in i modellens hydrologiska processer.

Vidare använder HBVSv i många områden olika korrektionsfaktorer för om nederbörden faller som regn och snö. S-HYPE tillämpar däremot en enhetlig korrigering för nederbörd, oavsett om den faller som regn eller snö. Under sommaren, när snö inte förekommer, är skillnaderna mellan modellerna dock små, och kan därför inte förklara skillnaden i lokal avrinning under sommarmånaderna.