Freshwater change in the Earth system - A qualitative-quantitative outlook and implications for planetary boundaries

Vili Virkki

Freshwater change in the Earth system - A qualitative-quantitative outlook and implications for planetary boundaries

Julkaisun otsikon käännös: Makean veden kiertokulun muutokset maapallojärjestelmässä – laadullinen ja määrällinen tarkastelu sekä merkitykset planetaarisille rajoille

Vili Virkki

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

Ihmisen toiminta asettaa useita maapallojärjestelmää ylläpitäviä prosesseja alttiiksi vakaville riskeille. Planetaaristen rajojen viitekehys kuvaa tämän maailmanlaajuisen ympäristömuutoksen levinneisyyttä ja määrittelee biofysikaaliset rajat maapallojärjestelmän vakauden säilyttämiseksi. Vaikka viitekehyksen lähtökohdat ovat perustellut, etenkin elonkehään sekä veden kiertokulkuun liittyvien planetaaristen rajojen määrittelyä on kritisoitu. Tämä väitöskirja käsittelee kattavasti makean veden kiertokulun maailmanlaajuisia muutoksia ja yhdistää saavutetut tulokset planetaaristen rajojen viitekehykseen. Makean veden kiertokulku tukee ekosysteemien hyvinvointia ja säätelee ilmastoa sitoen tämän kiertokulun olennaiseksi osaksi maapallojärjestelmää. Makean veden planetaarinen raja ei kuitenkaan ole huomioinut monia näistä yhteyksistä, ja maailmanlaajuiset makean veden kiertokulun ihmislähtöistä muutosta käsittelevät tutkimukset ovat olleet verrattain rajoittuneita. Tämän väitöskirjan tavoitteena on näin ollen täydentää makean veden kiertokulun maailmanlaajuisiin muutoksiin liittyvää tutkimusta tavalla, jota voi hyödyntää planetaaristen rajojen viitekehyksen kehittämiseen. Tutkimuksen laadulliset ja määrälliset tulokset muodostavat laajan katsauksen makean veden kiertokulun maailmanlaajuisiin muutoksiin. Osallistavan asiantuntijatutkimuksen (engl. expert elicitation) avulla osoitetaan, kuinka sininen ja vihreä vesi säätelevät maapallojärjestelmän prosesseja eri tavoin. Lisäksi tarkastellaan yhteyksiä jokien virtaamamuutosten sekä niiden suorien ja epäsuorien muutosajureiden välillä käyttäen maailmanlaajuista dataa. Mallinnettuun hydrologiseen dataan perustuvat määrälliset analyysit puolestaan havainnollistavat makean veden kiertokulun huomattavia muutoksia. Näissä analyyseissa sovelletaan ympäristövirtaaman vaihteluväliin perustuvaa menetelmää sekä tutkitaan poikkeuksellisten olosuhteiden esiintyvyyttä nykyajassa esiteolliseen aikaan verrattuna. Lopuksi esitellään päivitetty makean veden planetaarinen raja, jonka määrittely osaltaan hyödyntää näitä löydöksiä. Makean veden kiertokulun suojeleminen maapallojärjestelmän olennaisena osana vaatii monimuotoisia lähestymistapoja. Makean veden kiertokulku ja muut maapallojärjestelmän prosessit muodostavat tiheän ja monimutkaisen vaikutusten verkoston, jossa tyypillisesti ihmislähtöiset muutokset aiheuttavat laaja-alaisia vaikutuksia. Tämän vuoksi biofysikaalisten rajojen asettaminen planetaarisessa mittakaavassa sekä makean veden kiertokulun muutosten kokonaiskuvan muodostaminen vaativat laajaa tietämystä tämän kiertokulun merkityksestä maapallojärjestelmässä. Tämän väitöskirjan tulokset muodostavat vankan pohjan jatkotutkimuksille makean veden kiertokulun muutosten syiden ja seurausten ymmärtämiseksi – paikalliselta tasolta aina maailmanlaajuiselle tasolle asti.

Julkaisun otsikon käännös	Makean veden kiertokulun muutokset maapallojärjestelmässä – laadullinen ja määrällinen tarkastelu sekä merkitykset planetaarisille rajoille
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja	Kummu, Matti, Vastuuprofessori Chrysafi, Anna, Ohjaaja Porkka, Miina, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-64-2014-1
Sähköinen ISBN	978-952-64-2015-8
Tila	Julkaistu - 2024
OKM-julkaisutyyppi	G5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

makean veden kiertokulku
planetaariset rajat
hydrologia
maailmanlaajuinen ympäristömuutos

YK:n kestävän kehityksen tavoitteet

Tämä tuotos edistää seuraavia kestävän kehityksen tavoitteita:

Pääsy asiakirjaan

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2015-8

Siteeraa tätä

@phdthesis{48432b64bd77482da0c4c8ddeefa6d12,

title = "Freshwater change in the Earth system - A qualitative-quantitative outlook and implications for planetary boundaries",

abstract = "Human actions currently put many life-supporting Earth system processes at risk. The planetary boundaries framework illustrates how this environmental change is pervasive throughout the Earth system and demarcates biophysical boundaries to keep the Earth system stable. Although the framework conceptualisation is sound, especially the definitions of boundaries describing changes in the biosphere and the hydrosphere have been criticised. This thesis provides a comprehensive analysis of global freshwater change and relates this to the planetary boundaries framework. The freshwater cycle supports hydroecological (sustaining ecosystems) and hydroclimatic (regulating climate) functions, which integrally embed freshwater in the Earth system. However, the planetary boundary for freshwater has not captured many of these interconnections, and global-scale approaches have often been limited in analysing and interpreting human-driven freshwater change. Thus, the aim of this thesis is to address the research gap of capturing freshwater change in the Earth system in a way that enables a better representation of freshwater in the planetary boundaries framework. The results of this thesis comprise a thorough qualitative-quantitative assessment of global freshwater change. Using expert knowledge elicitation, blue and green water are shown to strongly interact with other Earth system processes, with variable roles in mediating these interactions. Moreover, associations between common changes in streamflow regimes and their direct and indirect drivers are analysed, using streamflow observations and multivariate global data of the drivers. In-depth analyses of modelled hydrological data further demonstrate the widespread extent and considerable degree of global freshwater change, first through the concept of environmental flow envelopes and then by assessing streamflow and soil moisture deviations beyond pre-industrial reference conditions. This leads to introducing a new planetary boundary for freshwater change, which is defined based on the work conducted for this thesis and parallel studies. Safeguarding freshwater as an integral part of the Earth system requires integrated approaches. The interactions between freshwater and other Earth system processes form a dense and complex network where changes – often anthropogenic in nature – affect more than one component of the freshwater cycle at a time. Thus, setting planetary-scale limits or aggregating freshwater change globally should use the knowledge on the role of freshwater in the Earth system as widely as possible. The findings of this thesis provide a solid background for further advances on understanding the causes and consequences of freshwater change – at local to global scales.",

keywords = "freshwater cycle, planetary boundaries, hydrology, global environmental change, makean veden kiertokulku, planetaariset rajat, hydrologia, maailmanlaajuinen ymp{\"a}rist{\"o}muutos, freshwater cycle, planetary boundaries, hydrology, global environmental change",

author = "Vili Virkki",

year = "2024",

language = "English",

isbn = "978-952-64-2014-1",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL THESES",

publisher = "Aalto University",

number = "189",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - BOOK

T1 - Freshwater change in the Earth system - A qualitative-quantitative outlook and implications for planetary boundaries

AU - Virkki, Vili

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Human actions currently put many life-supporting Earth system processes at risk. The planetary boundaries framework illustrates how this environmental change is pervasive throughout the Earth system and demarcates biophysical boundaries to keep the Earth system stable. Although the framework conceptualisation is sound, especially the definitions of boundaries describing changes in the biosphere and the hydrosphere have been criticised. This thesis provides a comprehensive analysis of global freshwater change and relates this to the planetary boundaries framework. The freshwater cycle supports hydroecological (sustaining ecosystems) and hydroclimatic (regulating climate) functions, which integrally embed freshwater in the Earth system. However, the planetary boundary for freshwater has not captured many of these interconnections, and global-scale approaches have often been limited in analysing and interpreting human-driven freshwater change. Thus, the aim of this thesis is to address the research gap of capturing freshwater change in the Earth system in a way that enables a better representation of freshwater in the planetary boundaries framework. The results of this thesis comprise a thorough qualitative-quantitative assessment of global freshwater change. Using expert knowledge elicitation, blue and green water are shown to strongly interact with other Earth system processes, with variable roles in mediating these interactions. Moreover, associations between common changes in streamflow regimes and their direct and indirect drivers are analysed, using streamflow observations and multivariate global data of the drivers. In-depth analyses of modelled hydrological data further demonstrate the widespread extent and considerable degree of global freshwater change, first through the concept of environmental flow envelopes and then by assessing streamflow and soil moisture deviations beyond pre-industrial reference conditions. This leads to introducing a new planetary boundary for freshwater change, which is defined based on the work conducted for this thesis and parallel studies. Safeguarding freshwater as an integral part of the Earth system requires integrated approaches. The interactions between freshwater and other Earth system processes form a dense and complex network where changes – often anthropogenic in nature – affect more than one component of the freshwater cycle at a time. Thus, setting planetary-scale limits or aggregating freshwater change globally should use the knowledge on the role of freshwater in the Earth system as widely as possible. The findings of this thesis provide a solid background for further advances on understanding the causes and consequences of freshwater change – at local to global scales.

AB - Human actions currently put many life-supporting Earth system processes at risk. The planetary boundaries framework illustrates how this environmental change is pervasive throughout the Earth system and demarcates biophysical boundaries to keep the Earth system stable. Although the framework conceptualisation is sound, especially the definitions of boundaries describing changes in the biosphere and the hydrosphere have been criticised. This thesis provides a comprehensive analysis of global freshwater change and relates this to the planetary boundaries framework. The freshwater cycle supports hydroecological (sustaining ecosystems) and hydroclimatic (regulating climate) functions, which integrally embed freshwater in the Earth system. However, the planetary boundary for freshwater has not captured many of these interconnections, and global-scale approaches have often been limited in analysing and interpreting human-driven freshwater change. Thus, the aim of this thesis is to address the research gap of capturing freshwater change in the Earth system in a way that enables a better representation of freshwater in the planetary boundaries framework. The results of this thesis comprise a thorough qualitative-quantitative assessment of global freshwater change. Using expert knowledge elicitation, blue and green water are shown to strongly interact with other Earth system processes, with variable roles in mediating these interactions. Moreover, associations between common changes in streamflow regimes and their direct and indirect drivers are analysed, using streamflow observations and multivariate global data of the drivers. In-depth analyses of modelled hydrological data further demonstrate the widespread extent and considerable degree of global freshwater change, first through the concept of environmental flow envelopes and then by assessing streamflow and soil moisture deviations beyond pre-industrial reference conditions. This leads to introducing a new planetary boundary for freshwater change, which is defined based on the work conducted for this thesis and parallel studies. Safeguarding freshwater as an integral part of the Earth system requires integrated approaches. The interactions between freshwater and other Earth system processes form a dense and complex network where changes – often anthropogenic in nature – affect more than one component of the freshwater cycle at a time. Thus, setting planetary-scale limits or aggregating freshwater change globally should use the knowledge on the role of freshwater in the Earth system as widely as possible. The findings of this thesis provide a solid background for further advances on understanding the causes and consequences of freshwater change – at local to global scales.

KW - freshwater cycle

KW - planetary boundaries

KW - hydrology

KW - global environmental change

KW - makean veden kiertokulku

KW - planetaariset rajat

KW - hydrologia

KW - maailmanlaajuinen ympäristömuutos

KW - freshwater cycle

KW - planetary boundaries

KW - hydrology

KW - global environmental change

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-64-2014-1

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL THESES

PB - Aalto University

ER -

Freshwater change in the Earth system - A qualitative-quantitative outlook and implications for planetary boundaries

Abstrakti

Tutkimusalat

YK:n kestävän kehityksen tavoitteet

Pääsy asiakirjaan

Sormenjälki

Siteeraa tätä