Abstract

This thesis aims to enhance the current body of research on arctic flow regimes by conducting a thorough analysis of the long-term fluctuations in cold hydrologic extremes. The study will specifically concentrate on examining the inter-annual variability in low and high flows, ice processes, and overall river dynamics, including morphological parameters. It provides new perspectives on changes in river hydrology, specifically snow-melt patterns and their relationship to streamflow hydrology and aims to assess the long-term effects of extreme flow events, including both high and low flows, across different seasons. Furthermore, the research has yielded valuable insights pertaining to the determination of ice break-up dates by means of analyzing hydrographs. This contribution enhances our comprehension of river ice dynamics and its impact on climate change. One of the goals of the RiTiCE was to identify the break-up date (BUD) of ice by analyzing daily hydrographs. Moreover, the study has developed indices with the intention of analyzing the exceptional values, patterns, and changes in flow attributes over a period. The examination of BUD and Temperature Transition Point (TTP) at each station yields insights into the interplay between temperature dynamics and river ice behavior. The timing offset that has been observed serves to emphasize the connection between these variables and emphasizes the necessity for additional research into this captivating interaction. The investigation has revealed a notable degree of consistency in trends observed across various indices, indicating that modifications in river flow patterns can be used as reliable indicators of shifts in climate patterns. In contrast to the prevailing consensus, it is uncommon for floods and droughts to occur simultaneously in the majority of rivers, suggesting a lack of uniformity in the modification of extreme hydrological events. The results validate the substantial influence of climate change and global warming on Arctic hydrology, specifically in relation to the decreasing trends observed in annual maximum flow.

Tiivistelmä

Tämän väitöskirjan tavoitteena on täydentää nykyistä arktisia virtausjärjestelmiä koskevaa tutkimusta analysoimalla perusteellisesti kylmien hydrologisten ääriarvojen pitkän aikavälin vaihteluita. Tutkimuksessa keskitytään erityisesti tarkastelemaan pienten ja suurten virtaamien, jääprosessien ja yleisen jokidynamiikan, myös morfologisten parametrien, vuotuista vaihtelua. Tutkimus tarjoaa uusia näkökulmia jokihydrologian muutoksiin, erityisesti lumen sulamismalleihin ja niiden suhteeseen virtaamahydrologiaan, ja sen tavoitteena on arvioida äärimmäisten virtaamatapahtumien, mukaan lukien suurten ja pienten virtaamien, pitkän aikavälin vaikutuksia eri vuodenaikoina. Lisäksi tutkimus on tuottanut arvokasta tietoa jään hajoamisajankohtien määrittämisestä hydrografioiden analysoinnin avulla. Tämä tutkimus parantaa käsitystämme jokijään dynamiikasta ja sen vaikutuksesta ilmastonmuutokseen. Yksi RiTiCE-tutkimuksen tavoitteista oli määrittää jään hajoamisajankohta (BUD) analysoimalla päivittäisiä hydrografioita. Lisäksi tutkimuksessa on kehitetty indeksejä, joiden tarkoituksena on analysoida poikkeuksellisia arvoja, malleja ja muutoksia virtausominaisuuksissa tietyn ajanjakson aikana. BUD:n ja lämpötilan siirtymispisteen (TTP) tarkastelu kullakin asemalla antaa tietoa lämpötiladynamiikan ja jokijään käyttäytymisen välisestä vuorovaikutuksesta. Havaittu ajallinen siirtymä korostaa näiden muuttujien välistä yhteyttä ja korostaa tarvetta lisätutkimuksiin tästä kiehtovasta vuorovaikutuksesta. Tutkimus on osoittanut, että eri indekseissä havaitut suuntaukset ovat huomattavan johdonmukaisia, mikä osoittaa, että jokien virtauskuvioiden muutoksia voidaan käyttää luotettavina indikaattoreina ilmastomallien muutoksista. Vallitsevasta yksimielisyydestä poiketen on harvinaista, että tulvat ja kuivuus esiintyvät samanaikaisesti useimmissa joissa, mikä viittaa siihen, että hydrologiset ääri-ilmiöt eivät muutu yhdenmukaisesti. Tulokset vahvistavat ilmastonmuutoksen ja ilmaston lämpenemisen merkittävän vaikutuksen arktisen alueen hydrologiaan, erityisesti vuotuisen maksimivirtaaman havaitun laskusuuntauksen osalta.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Jalali Shahrood, A., Ahrari, A., Rossi, P. M., Klöve, B., & Torabi Haghighi, A. (2023). RiTiCE: River flow timing characteristics and extremes in the arctic region. Water, 15(5), 861. https://doi.org/10.3390/w15050861

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Gohari, A., Jalali Shahrood, A., Ghadimi, S., Alborz, M., Patro, E. R., Klöve, B., & Torabi Haghighi, A. (2022). A century of variations in extreme flow across Finnish rivers. Environmental Research Letters, 17(12), 124027. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aca554

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Jalali Shahrood, A., Menberu, M. W., Darabi, H., Rahmati, O., Rossi, P. M., Kløve, B., & Haghighi, A. T. (2020). RiMARS: An automated river morphodynamics analysis method based on remote sensing multispectral datasets. Science of The Total Environment, 719, 137336. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137336

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Jalali Shahrood, A., Ahrari, A., Karjalainen, N., Kløve, B., & Torabi Haghighi, A. (2023). Ice phenology in the Arctic: Case study River Tornionjoki. Manuscript in preparation.