The Prediction in Ungauged Basins (PUB) initiative of the International Association of Hydrological Sciences (IAHS), launched in 2003 and concluded by the PUB Symposium 2012 held in Delft (23–25 October 2012), set out to shift the scientific culture of hydrology towards improved scientific understanding of hydrological processes, as well as associated uncertainties and the development of models with increasing realism and predictive power. This paper reviews the work that has been done under the six science themes of the PUB Decade and outlines the challenges ahead for the hydrological sciences community.

Climate change has led to concerns about increasing river floods resulting from the greater water-holding capacity of a warmer atmosphere1. These concerns are reinforced by evidence of increasing economic losses associated with flooding in many parts of the world, including Europe2. Any changes in river floods would have lasting implications for the design of flood protection measures and flood risk zoning. However, existing studies have been unable to identify a consistent continental-scale climatic-change signal in flood discharge observations in Europe3, because of the limited spatial coverage and number of hydrometric stations. Here we demonstrate clear regional patterns of both increases and decreases in observed river flood discharges in the past five decades in Europe, which are manifestations of a changing climate. Our results—arising from the most complete database of European flooding so far—suggest that: increasing autumn and winter rainfall has resulted in increasing floods in northwestern Europe; decreasing precipitation and increasing evaporation have led to decreasing floods in medium and large catchments in southern Europe; and decreasing snow cover and snowmelt, resulting from warmer temperatures, have led to decreasing floods in eastern Europe. Regional flood discharge trends in Europe range from an increase of about 11 per cent per decade to a decrease of 23 per cent. Notwithstanding the spatial and temporal heterogeneity of the observational record, the flood changes identified here are broadly consistent with climate model projections for the next century4,5, suggesting that climate-driven changes are already happening and supporting calls for the consideration of climate change in flood risk management. Analysis of a comprehensive European flood dataset reveals regional changes in river flood discharges in the past five decades that are consistent with models suggesting that climate-driven changes are already happening.

Flooding along the river Will a warming climate affect river floods? The prevailing sentiment is yes, but a consistent signal in flood magnitudes has not been found. Blöschl et al. analyzed the timing of river floods in Europe over the past 50 years and found clear patterns of changes in flood timing that can be ascribed to climate effects (see the Perspective by Slater and Wilby). These variations include earlier spring snowmelt floods in northeastern Europe, later winter floods around the North Sea and parts of the Mediterranean coast owing to delayed winter storms, and earlier winter floods in western Europe caused by earlier soil moisture maxima. Science , this issue p. 588 see also p. 552

This paper is the outcome of a community initiative to identify major unsolved scientific problems in hydrology motivated by a need for stronger harmonisation of research efforts. The procedure involved a public consultation through online media, followed by two workshops through which a large number of potential science questions were collated, prioritised, and synthesised. In spite of the diversity of the participants (230 scientists in total), the process revealed much about community priorities and the state of our science: a preference for continuity in research questions rather than radical departures or redirections from past and current work. Questions remain focused on the process-based understanding of hydrological variability and causality at all space and time scales. Increased attention to environmental change drives a new emphasis on understanding how change propagates across interfaces within the hydrological system and across disciplinary boundaries. In particular, the expansion of the human footprint raises a new set of questions related to human interactions with nature and water cycle feedbacks in the context of complex water management problems. We hope that this reflection and synthesis of the 23 unsolved problems in hydrology will help guide research efforts for some years to come.

Water quality in many stream catchments and river basins is severely impacted by nutrient enrichment as a result of agriculture. Water-resource managers worldwide are considering the potential role of riparian zones and floodplain wetlands in improving stream-water quality, as there is evidence at the site scale that such wetlands are efficient at removing nutrients from through-flowing water. However, recent studies have highlighted disadvantages of such use of wetlands, including emissions of greenhouse gases and losses of biodiversity that result from prolonged nutrient loading. Here, we discuss the water purification function of wetlands at the site and catchment scale and suggest ways in which these disadvantages could be overcome.

The new Scientific Decade 2013–2022 of IAHS, entitled “Panta Rhei—Everything Flows”, is dedicated to research activities on change in hydrology and society. The purpose of Panta Rhei is to reach an improved interpretation of the processes governing the water cycle by focusing on their changing dynamics in connection with rapidly changing human systems. The practical aim is to improve our capability to make predictions of water resources dynamics to support sustainable societal development in a changing environment. The concept implies a focus on hydrological systems as a changing interface between environment and society, whose dynamics are essential to determine water security, human safety and development, and to set priorities for environmental management. The Scientific Decade 2013–2022 will devise innovative theoretical blueprints for the representation of processes including change and will focus on advanced monitoring and data analysis techniques. Interdisciplinarity will be sought by increased efforts to connect with the socio-economic sciences and geosciences in general. This paper presents a summary of the Science Plan of Panta Rhei, its targets, research questions and expected outcomes.Editor Z.W. KundzewiczCitation Montanari, A., Young, G., Savenije, H.H.G., Hughes, D., Wagener, T., Ren, L.L., Koutsoyiannis, D., Cudennec, C., Toth, E., Grimaldi, S., Blöschl, G., Sivapalan, M., Beven, K., Gupta, H., Hipsey, M., Schaefli, B., Arheimer, B., Boegh, E., Schymanski, S.J., Di Baldassarre, G., Yu, B., Hubert, P., Huang, Y., Schumann, A., Post, D., Srinivasan, V., Harman, C., Thompson, S., Rogger, M., Viglione, A., McMillan, H., Characklis, G., Pang, Z., and Belyaev, V., 2013. “Panta Rhei—Everything Flows”: Change in hydrology and society—The IAHS Scientific Decade 2013–2022. Hydrological Sciences Journal. 58 (6) 1256–1275.

The HYPE model is a hydrological model for small-scale and large-scale assessments of water resources and water quality, developed at the Swedish Meteorological and Hydrological Institute during 2005–2007. In the model, the landscape is divided into classes according to soil type, land use and altitude. In agricultural lands the soil is divided into three layers, each with individual computations of soil wetness and nutrient processes. The model simulates water flow and transport and turnover of nitrogen and phosphorus. Nutrients follow the same pathways as water in the model: surface runoff, macropore flow, tile drainage and outflow from individual soil layers. Rivers and lakes are described separately with routines for turnover of nutrients in each environment. Model parameters are global, or coupled to soil type or land use. The model was evaluated both by local calibrations to internal variables from different test basins and to data on discharge and nutrients from a large number of small basins. In addition, the estimated parameters were transferred to two larger basins in southern Sweden: River Rönneå and River Vindån. The resulting simulations were generally in good agreement with observations.

Abstract. There is growing concern that flooding is becoming more frequent and severe in Europe. A better understanding of flood regime changes and their drivers is therefore needed. The paper reviews the current knowledge on flood regime changes in European rivers that has traditionally been obtained through two alternative research approaches. The first approach is the data-based detection of changes in observed flood events. Current methods are reviewed together with their challenges and opportunities. For example, observation biases, the merging of different data sources and accounting for nonlinear drivers and responses. The second approach consists of modelled scenarios of future floods. Challenges and opportunities associated with flood change scenarios are discussed such as fully accounting for uncertainties in the modelling cascade and feedbacks. To make progress in flood change research, we suggest that a synthesis of these two approaches is needed. This can be achieved by focusing on long duration records and flood-rich and flood-poor periods rather than on short duration flood trends only, by formally attributing causes of observed flood changes, by validating scenarios against observed flood regime dynamics, and by developing low-dimensional models of flood changes and feedbacks. The paper finishes with a call for a joint European flood change research network.

ABSTRACT While seasonal outlooks have been operational for many years, until recently the extended‐range timescale referred to as subseasonal‐to‐seasonal ( S2S ) has received little attention. S2S prediction fills the gap between short‐range weather prediction and long‐range seasonal outlooks. Decisions in a range of sectors are made in this extended‐range lead time; therefore, there is a strong demand for this new generation of forecasts. International efforts are under way to identify key sources of predictability, improve forecast skill and operationalize aspects of S2S forecasts; however, challenges remain in advancing this new frontier. If S2S predictions are to be used effectively, it is important that, along with science advances, an effort is made to develop, communicate and apply these forecasts appropriately. In this study, the emerging operational S2S forecasts are presented to the wider weather and climate applications community by undertaking the first comprehensive review of sectoral applications of S2S predictions, including public health, disaster preparedness, water management, energy and agriculture. The value of applications‐relevant S2S predictions is explored, and the opportunities and challenges facing their uptake are highlighted. It is shown how social sciences can be integrated with S2S development, from communication to decision‐making and valuation of forecasts, to enhance the benefits of ‘climate services’ approaches for extended‐range forecasting. While S2S forecasting is at a relatively early stage of development, it is concluded that it presents a significant new window of opportunity that can be explored for application‐ready capabilities that could allow many sectors the opportunity to systematically plan on a new time horizon.

Open data make it possible to set up multi-basin models for large domains across environmental, climate and administrative boundaries. This study presents new methods for evaluating a number of aspects of multi-basin model performance, while exploring the performance of the E-HYPE_v2.1 model for several evaluation criteria in 181 independent river gauges across the European continent. Embedded model assumptions on dominant flow generating mechanisms are analysed by correlating physiographical characteristics to the flow regime. The results indicate that the model captures the spatial variability of flow and is therefore suitable for predictions in ungauged basins. The model shows good performance of long-term means and seasonality, while short-term daily variability is less well represented, especially for Mediterranean and mountainous areas. Major identified shortcomings refer to the resolution of precipitation patterns, aquifer exchanges, water extractions and regulation. This will guide the work with the next model version for which improvements in input data, processes and calibration have been identified to potentially contribute most to improved model performance.EDITOR D. Koutosyiannis ASSOCIATE EDITOR A. Efstratiadis