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

We simulate the water balance dynamics of 308 catchments in Austria using a lumped conceptual model involving 11 calibration parameters. We calibrate and verify the model for two non-overlapping 11-year periods of daily runoff data. A comparison of the calibrated parameter values of the two periods suggests that all parameters are associated with some uncertainty although the degree of uncertainty differs between the parameters. The regional patterns of the calibrated parameters can be interpreted based on hydrological process reasoning indicating that they are able to represent the regional or large-scale differences in the hydrological conditions. Catchment attributes explain some of the spatial parameter variability with coefficients of determination of up to R2=0.27, but usually the R2 values are lower. Parameter uncertainty does not seem to cloud the relationship between calibrated parameters and catchment attributes to a significant extent as suggested by an optimised correlation analysis. The median Nash–Sutcliffe efficiencies of simulating streamflow decrease from 0.67 to 0.63 when moving from the calibration to the verification period. This is a small decrease, which suggests that problems with over-parameterisation of the model are unlikely. We then compare regionalisation methods for estimating the model parameters in ungauged catchments, in terms of the model performance. The best regionalisation methods are the use of the average parameters of immediate upstream and downstream (nested) neighbours and regionalisation by kriging. For the calibration period, the average decrease in the Nash–Sutcliffe model efficiency, as a result of the regionalisation, is 0.10 which is about twice the decrease of moving from the calibration to the verification period. The methods based on multiple regressions with catchment attributes perform significantly poorer. Apparently, spatial proximity is a better surrogate of unknown controls on runoff dynamics than catchment attributes.

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.

[1] We propose a framework for identifying types of causative mechanisms of floods. The types are long-rain floods, short-rain floods, flash floods, rain-on-snow floods, and snowmelt floods. We adopt a catchment perspective, i.e., the focus is on the catchment state and the atmospheric inputs rather than on atmospheric circulation patterns. We use a combination of a number of process indicators, including the timing of the floods, storm duration, rainfall depths, snowmelt, catchment state, runoff response dynamics, and spatial coherence. On the basis of these indicators and diagnostic regional plots we identify the process types of 11,518 maximum annual flood peaks in 490 Austrian catchments. Forty-three percent of the flood peaks are long-rain floods, only 3% are snowmelt floods, and the relative contribution of the types changes with the flood magnitude. There are pronounced spatial patterns in the frequency of flood type occurrence. For example, rain-on-snow floods most commonly occur in northern Austria. Runoff coefficients tend to increase with rainfall depth for long-rain floods but are less dependent of rainfall depth and exhibit much larger scatter for flash floods. All types exhibit seasonal patterns, both in terms of flood magnitudes and catchment altitudes of flood occurrence. The coefficient of variation (CV) of the flood samples stratified by process type decreases with catchment area for most process types with the exception of flash floods for which CV increases with catchment area.

Climate impact analyses are usually based on driving hydrological models by future climate scenarios, assuming that the model parameters calibrated to past runoff are representative of the future. In this paper we calibrate the parameters of a conceptual rainfall‐runoff model to six consecutive 5 year periods between 1976 and 2006 for 273 catchments in Austria and analyze the temporal change of the calibrated parameters. The calibrated parameters representing snow and soil moisture processes show significant trends. For example, the parameter controlling runoff generation doubled, on average, in the 3 decades. Comparisons of different subregions, comparisons with independent data sets, and analyses of the spatial variability of the model parameters indicate that these trends represent hydrological changes rather than calibration artifacts. The trends can be related to changes in the climatic conditions of the catchments such as higher evapotranspiration and drier catchment conditions in the more recent years. The simulations suggest that the impact on simulated runoff of assuming time invariant parameters can be very significant. For example, if using the parameters calibrated to 1976–1981 for simulating runoff for the period 2001–2006, the biases of median flows are, on average, 15% and the biases of high flows are about 35%. The errors increase as the time lag between the simulation and calibration periods increases. The implications for hydrologic prediction in general and climate impact analyses in particular are discussed.

Abstract. In this study we examine the relative performance of a range of methods for transposing catchment model parameters to ungauged catchments. We calibrate 11 parameters of a semi-distributed conceptual rainfall-runoff model to daily runoff and snow cover data of 320 Austrian catchments in the period 1987-1997 and verify the model for the period 1976-1986. We evaluate the predictive accuracy of the regionalisation methods by jack-knife cross-validation against daily runoff and snow cover data. The results indicate that two methods perform best. The first is a kriging approach where the model parameters are regionalised independently from each other based on their spatial correlation. The second is a similarity approach where the complete set of model parameters is transposed from a donor catchment that is most similar in terms of its physiographic attributes (mean catchment elevation, stream network density, lake index, areal proportion of porous aquifers, land use, soils and geology). For the calibration period, the median Nash-Sutcliffe model efficiency ME of daily runoff is 0.67 for both methods as compared to ME=0.72 for the at-site simulations. For the verification period, the corresponding efficiencies are 0.62 and 0.66. All regionalisation methods perform similar in terms of simulating snow cover.

Abstract. Flood estimation and flood management have traditionally been the domain of hydrologists, water resources engineers and statisticians, and disciplinary approaches abound. Dominant views have been shaped; one example is the catchment perspective: floods are formed and influenced by the interaction of local, catchment-specific characteristics, such as meteorology, topography and geology. These traditional views have been beneficial, but they have a narrow framing. In this paper we contrast traditional views with broader perspectives that are emerging from an improved understanding of the climatic context of floods. We come to the following conclusions: (1) extending the traditional system boundaries (local catchment, recent decades, hydrological/hydraulic processes) opens up exciting possibilities for better understanding and improved tools for flood risk assessment and management. (2) Statistical approaches in flood estimation need to be complemented by the search for the causal mechanisms and dominant processes in the atmosphere, catchment and river system that leave their fingerprints on flood characteristics. (3) Natural climate variability leads to time-varying flood characteristics, and this variation may be partially quantifiable and predictable, with the perspective of dynamic, climate-informed flood risk management. (4) Efforts are needed to fully account for factors that contribute to changes in all three risk components (hazard, exposure, vulnerability) and to better understand the interactions between society and floods. (5) Given the global scale and societal importance, we call for the organization of an international multidisciplinary collaboration and data-sharing initiative to further understand the links between climate and flooding and to advance flood research.

In this paper we analyze the controls on the spatiotemporal variability of event runoff coefficients. A total of about 64,000 events in 459 Austrian catchments ranging from 5 to 10000 km 2 are analyzed. Event runoff coefficients vary in space, depending on the long‐term controls such as climate and catchment formation. Event runoff coefficients also vary in time, depending on event characteristics such as antecedent soil moisture and event rainfall depth. Both types of controls are analyzed separately in the paper. The spatial variability is analyzed in terms of a correlation analysis of the statistical moments of the runoff coefficients and catchment attributes. Mean runoff coefficients are most strongly correlated to indicators representing climate such as mean annual precipitation and the long‐term ratio of actual evaporation to precipitation through affecting long‐term soil moisture. Land use, soil types, and geology do not seem to exert a major control on runoff coefficients of the catchments under study. The temporal variability is analyzed by comparing the deviation of the event runoff coefficients from their mean depending on event characteristics. The analysis indicates that antecedent soil moisture conditions control runoff coefficients to a higher degree than does event rainfall. The analysis also indicates that soil moisture derived from soil moisture accounting schemes has more predictive power for the temporal variability of runoff coefficients than antecedent rainfall.

The hydrological literature on flood frequency analysis in the past has placed undue emphasis on solving the estimation problem. In this paper we argue that much better use should be made of the wealth of hydrological knowledge gained in the past century and that it is essential to expand the information beyond the flood sample at the site of interest. We suggest that the expansion of information can be grouped into three types: temporal, spatial, and causal. We present a number of examples from Austria to illustrate the rich diversity of flood processes that are often site specific and difficult to capture by formal methods. On the basis of these examples, and the expansion of information, we illustrate that hydrological reasoning can provide diagnostic findings that give guidance on how to adjust quantitative estimates from formal methods to more fully capture the subtleties of the flood characteristics at the site of interest. We believe that this approach gives a more complete representation of flood processes at a given site than the existing formal methods alone and propose the term “flood frequency hydrology,” as opposed to flood frequency statistics, to reflect the focus on hydrological processes and hydrological reasoning.