Long-term changes and variability of the winter and spring season hydrological regime in Finland

Abstract

The hydrological regime is highly dependent on climatic conditions. In a boreal snow-driven region, such as Finland, changes in the winter and spring climatic seasonal conditions have a large effect on the hydrology. In this study, long-term changes and variability of the winter and spring season hydrological regime are investigated based on long-term ice phenology and river discharge time series in Finland. Ice cover and river discharge observations are among the oldest hydrological records in Finland and in some locations records cover 150–300 years.

The analyses show statistically significant changes in both ice cover and discharge regime until the early 21st century. The ice freeze-up has become later, and the break-up is earlier, while the duration of the ice cover has shortened. In recent decades, changes have become even more apparent and the number of extremely early break-ups and late freeze-ups has increased. In ice phenology, new records have been set in the 21st century. Until 2002, there were both increasing and decreasing trends in the maximum lake ice thickness. Updated data until the winter 2017–2018 still show decreasing trends in the south, but no longer increasing trends in Central or Northern Finland.

In the discharge regime, the seasonal winter and spring discharges have increased, and the spring peak has moved earlier up to 2004. The mean annual flows or annual high flows have not shown changes in general. Similar tendencies have even continued with updated data until the year 2017 as they did up to 2004. These observed seasonal winter and spring hydrological trends are in line with findings of annual and seasonal air temperature and precipitation changes and also with projected climate change scenarios until the late 21st century.

In addition to long-term trend analysis, atmospheric circulation patterns and their relation to the seasonal winter and spring hydrological regimes were investigated. Both ice cover and river discharge are related to large scale atmospheric circulation patterns and show different periodicities. The influence of the North Atlantic Oscillation (NAO) can be seen in both the ice and discharge time series. The strong positive winter NAO is related to shorter ice cover duration and higher winter discharges, and the strong negative winter NAO vice versa.

Keywords: climate change, Finland, hydrology, ice cover, river discharge, trends, variability

Ilmastolliset olosuhteet vaikuttavat suuresti hydrologisiin oloihin. Boreaalisella lumipeitteisellä vyöhykkeellä, kuten Suomessa, talvi- ja kevätkauden ilmasto-olosuhteilla on suuri vaikutus hydrologiaan. Tässä työssä tutkittiin talvi- ja kevätkauden hydrologisia pitkäaikaismuutoksia ja vaihtelua perustuen Suomen pitkiin jää- ja virtaama-aikasarjoihin. Jääpeitteen ja virtaaman havaintosarjat ovat pisimpiä hydrologisia havaintosarjoja Suomessa ja tietyiltä paikoin havaintoja on olemassa 150–300 vuoden ajalta.

Tutkimusanalyysit todistavat tilastollisesti merkitseviä muutoksia jää- ja virtaamaolosuhteissa 2000-luvun alkupuolelle saakka. Jäätyminen on myöhentynyt, jäidenlähtö aikaistunut samoin kuin jääpeitekausi lyhentynyt. Viime vuosikymmeninä muutokset ovat tulleet entistä selvemmiksi ja erittäin aikaisten jäänlähtöjen sekä erittäin myöhäisten jäätymisten määrä on kasvanut. Jääpeitehavainnoissa on saavutettu uusia ennätyksiä 2000-luvulla. Vuoteen 2002 saakka aineistoista oli havaittavissa jään maksimipaksuudessa sekä kasvavia että ohenevia trendejä. Talveen 2017–2018 asti päivitetty aineisto todistaa edelleen ohenevia jään maksimipaksuustrendejä etelässä, mutta Keski- ja Pohjois-Suomessa ei ole enää kasvavia trendejä.

Virtaamaoloissa vuoteen 2004 saakka oli nähtävissä talvi- ja kevätkaudelle virtaamien kasvua ja kevättulvahuipun aikaistumista. Vuosittaiset keskivirtaamat tai vuoden ylivirtaamat eivät olleet yleisesti muuttuneet. Samanlaiset trendit virtaamissa ovat jatkuneet vuoteen 2017 päivitetyssä aineistossa kuten vuoteen 2004 saakka. Työssä löydetyt talvi- ja kevätaikaiset hydrologiset trendit ovat linjassa vuotuisten ja kausittaisten ilman lämpötilan ja sademäärän muutosten kanssa kuten myös 2000-luvun lopulle tehtyjen ilmastonmuutosskenaarioiden kanssa.

Pitkäaikaismuutosanalyysien lisäksi työssä tutkittiin ilmastojärjestelmien ja talvi- ja kevätaikaisten hydrologisten olojen yhteyksiä. Sekä jääpeite että jokien virtaamat ovat linkittyneitä ilmakehän kiertoliikkeeseen ja niissä esiintyy eripituisia syklejä. Pohjois-Atlantin oskillaation (NAO) vaikutus näkyy sekä jää- että virtaama-aikasarjoissa. Voimakas positiivinen NAO-vaihe on yhteydessä lyhyempään jääpeitekauteen ja suurempiin talvivirtaamiin, voimakas negatiivinen NAO-vaihe päinvastoin.

Asiasanat: hydrologia, ilmastonmuutos, jääpeite, Suomi, trendit, vaihtelu, virtaama