Coastal groundwater response to climate variability coupling in California and Portugal

Abstract

Aquifers are a fundamental source of freshwater, yet they are particularly vulnerable in coastal Mediterranean regions due to climate and anthropogenic pressures. This comparative study examines the interrelationships between ocean-atmosphere teleconnections, groundwater levels and precipitation in coastal aquifers of California and Portugal, deepening the understanding of climate variability coupling behaviors across mirrored Mediterranean climates. Piezometric and precipitation records (1982-2019) are analyzed using singular spectral analysis, wavelet transform and lag correlation methods. Additionally, the development of a groundwater sustainability index (GSI) exposes vulnerability to drought and provides useful insights for future groundwater management and security. Singular spectral analysis identify signals consistent with the six dominant climate patterns, the Pacific Decadal Oscillation (PDO), the El Niño-Southern Oscillation (ENSO), and the Pacific/North American Oscillation (PNA) in California, and the North Atlantic Oscillation (NAO), the Eastern Atlantic Oscillation (EA) and the Scandinavian Pattern (SCAND) in Portugal. Lower frequency oscillations have a greater influence on hydrologic patterns, with PDO (52.75%) and NAO (46.25%) accounting for the largest amount of groundwater level variability. Wavelet coherences show non-stationary covariability between climate patterns and groundwater levels in distinct period bands; 4-8 years for PDO, 2-4 years for ENSO, 1-2 years for PNA, 5-8 years for NAO, 2-4 years for EA and 2-8 years for SCAND, presenting some dispersion of the low frequency signals. Wavelet coherence patterns also show that coupled climate patterns (NAO+ EA- and paired PDO and ENSO phases) are associated with major drought periods in both regions. Finally, the GSI classify highly vulnerable and low sustainability aquifers in southern California and in northern Portugal, warranting further policy and mitigation measures in these at-risk areas. The current work shows how pairing hydro-climatological knowledge with a GSI can provide insightful knowledge, which can be used to enrich and inform effective sustainable groundwater management policies.

Os aquíferos são uma fonte fundamental de água doce, mas são particularmente vulneráveis nas regiões costeiras do Mediterrâneo devido a pressões climáticas e antropogénicas. Este estudo comparativo examina as inter-relações entre as teleconexões oceano-atmosfera, os níveis de água subterrânea e a precipitação, em aquíferos costeiros da Califórnia e Portugal. Desta forma visa contribuir para a compreensão acerca dos sinais acoplados de variabilidade climática em climas mediterrâneos. Foram analisados registos piezométricos e de precipitação (1982-2019) utilizando métodos de análise espectral singular, transformada wavelet e correlações. Adicionalmente, calculou-se um índice de sustentabilidade da água subterrânea (GSI) que avalia a vulnerabilidade à seca e fornece informações úteis para a futura gestão e segurança das águas subterrâneas. A análise espectral singular identifica sinais consistentes com os seis padrões climáticos dominantes, a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO), Oscilação Meridional – El Ninho (ENSO) e a Oscilação do Pacífico / América do Norte (PNA) na Califórnia e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO), a Oscilação do Atlântico Este (EA) e o Padrão Escandinavo (SCAND) em Portugal. As oscilações de baixa frequência apresentam maior influência nos padrões hidrológicos, com PDO (52,75%) e NAO (46,25%) sendo responsáveis pela maior parte da variabilidade do nível de água subterrânea. As coerências wavelet mostram relações não estacionárias com covariabilidade entre os padrões climáticos e o os níveis piezométricos em bandas de período distintas; 4-8 anos para PDO, 2-4 anos para ENSO, 1-2 anos para PNA, 5-8 anos para NAO, 2-4 anos para EA e 2-8 anos para SCAND, apresentando alguma dispersão na influência dos padrões de baixa frequência. Os padrões de coerência wavelet também mostram que os padrões climáticos acoplados (NAO+ EA- e fases PDO e ENSO conjuntas) estão associados a períodos de seca severos em ambas as regiões. Finalmente, o GSI permite classificar os aquíferos no sul da Califórnia e no norte de Portugal como altamente vulneráveis e com baixa sustentabilidade, alertando para a importância de políticas e medidas de mitigação nestas áreas de risco. O trabalho desenvolvido demonstra como a junção do conhecimento hidro-climatológico com um GSI pode fornecer informação importante para enriquecer e delinear políticas eficazes para a gestão sustentável de águas subterrâneas.