Advancing frequency analysis of nonstationary hydrological extremes for reducing flood risk in a changing climate

Flom er blant de mest ødeleggende naturfarer i verden, og klimaendringer øker sannsynligheten for katastrofale hendelser. Flomkontroll og bærekraftig vannressursforvaltning som tar hensyn til dagens og framtidens klima er avgjørende betydning både globalt og i Norge. Norges velstand er i stor grad avhengig av god forvaltning og utnyttelse av landets vannressurser. Flomfrekvensanalyse (FFA) er en hjørnesten innen planlegging, design og styring av vassbyggingsprosjekter som flomkontroll, vannkraft og vannforsyning. De tradisjonelle metodene for flomfrekvansanalyse baseres seg på forutsetningen om stasjonaritet og uavhengighet, det vil si at historiske observasjoner også bekriver framtiden statistisk sett. I løpet av de siste tiårene har klimaendringer og storskala areabruksendringer signifikant endret forekomsten av hydrologiske ekstremer, inkludert flommer. Disse endringene svekker utsagnskraften til de tradisjonelle metoder for flomfrekvensanalyse, og hydrauliske strukturer (for eksempel dammer og broer) som er dimensjonert etter konvensjonelle metoder kan falle kort av de forutsatte sikkerhetsnivåene, siden ikke-stasjonaritet vil forårsake endring i gjentaksintervall og hyppighet av overskridelse av dimensjoneringsnivået i løpet av prosjektets levetid. Hovedformålet med prosjektet er å videreutvikle kunnskapen om ikke-stasjonaritet i hydrologiske ekstremer og med orginale angrepsmåter og vitenskapelig fornyelse frambringe nye statistiske verktøy for flomfrekvansanalyse som støtter og forbedrer grunnlaget for framtidig vannressursforvaltning og dimensjonering av hydrauliske strukturer. Viktige brukergrupper er vannkraftindustrien, vassdragsforvaltningen og nasjonale og lokale myndigheter som er ansvarlig for planlegging, dimensjonering og drift av vannkraftreservoarer, for tilpasning til klimaendringer i planlegging av arealbruk og infrastruktur på forskjellige nivåer, og for flomvarsling, forebygging, beskyttelse, kartlegging og begrensning av flomskader, damsikkerhet, med videre. Prosjektet koordiners av professor Chong-Yu Xu (UiO) i samarbeid med nasjonale eksperter og partnere i Norge, forvaltningsmyndigheter, forskningsinstitutt og vannkraftprodusenter ? NVE, NORCE og Statkraft. Internasjonale eksperter/partnere er Texas A&M University fra USA, University of Malawi fra Malawi, National Institute of Hydrology fra India, Wuhan University og Three Gorges Corporation (verdens største vannkraftprodusent) fea Kina. I løpet av prosjektåret 2020.10 - 2021.9 har alle planlagte prosjektaktiviteter som ikke krever internasjonale reiser blitt gjennomført i henhold til plan og og har gitt resultater som oppsummert i det følgende: (1) Partnerne og studenter under veiledning har publisert 19 relevante artikler i fagfellevurderte internasjonale tidsskrift, med følgende tema: Ikke-stasjonær flomfrekvensanalyse, variabilitet i hydrologiske ekstremer (ekstremt nedbør, ekstrem avrenning) forårsaket av klimaendringer og annen antropogen påvirkning, hydrologisk modellering av effkter av klimaendringer. (2) Prosjektpartnerne har vært aktive i forskningsformidling. Dette omfatter mer enn 10 presentasjoner og inviterte foredrag organisert av institusjoner og internasjonale organisasjoner i mer enn seks land, inkludert EGU General Assembly 2021. (3) Publisering av to populærvitenskapelige artikler i internasjonale tidsskrifter og websider. (4) Uteksaminering av masterkandidater og PhD-studenter som har vært under felles veiledning og som har bidratt til prosjektet med finansiering fra andre kilder. På grunn av COVID-19-situasjonen har det vært nødvendig med noe avvik fra planen for aktiviteter som krever internasjonale reiser, særlig det årlige prosjektmøte og det regionale treningskurset om flomkontroll og vannressursplanlegging for deltakere fra det sørlige Afrika som var planlagt avholdt i Malawi i september 2021. Dette er nå utsatt til september 2022 og er nå under detaljplanlegging med støtte og hjelp fra University of Malawi.

This proposed study follows the Norway's strategy shift toward sustainable development and global environmental protection. It will also contribute to The New Scientific Decade 2013-2022 of IAHS by supporting societies to adapt to changing conditions by considering the uncertainties and feedbacks between natural and human-induced hydrological changes. Frequency analysis of hydrologic extreme variables is vital to hydrological planning, design and sustainable development of water resources. In recent years, the increase of the frequency and intensity of storms, floods and droughts caused by climate change and intensified human activities has challenged the usefulness of traditional frequency analysis methods that assume hydrological extreme variables are stationary, independent and identically distributed over time. There have been methods proposed for the frequency analysis of hydrological variables under non-stationary conditions; however, no single method will revolutionize the way to solve the problem of non-stationarity. Moreover, due to knowledge and data limitation, uncertainty involved in extrapolating frequency curves is huge. Therefore, there is a need for developing more consistent nonstationary frequency analysis methods that can account for transient nature of a changing environment. On the basis of assessment of existing theories and methods by incorporating original thinking and scientific renewal, this project will develop an integrated frequency analysis approach incorporating nonstationarity and uncertainty for hydrological design and sustainable water resources management. The research will improve our understanding in the limits of existing methods, expand the knowledge of frequency analysis in nonstationary environment, and provide an integrated approach to serve regional planning of water project construction, efficient operation and maintenance of existing hydropower systems and disaster reduction.