De "megadrought" die dit jaar het Colorado River-systeem heeft getroffen, is verwoestend voor de 40 miljoen mensen die ervan afhankelijk zijn voor water. Maar was deze droogte te voorspellen? Zullen we de volgende kunnen voorspellen?

Bergstroomgebieden leveren 60 tot 90% van de watervoorraden wereldwijd, maar er is nog veel dat wetenschappers niet weten over de fysieke processen en interacties die de hydrologie in deze ecosystemen beïnvloeden. En daarom, de beste computermodellen van het aardsysteem hebben moeite om de timing en beschikbaarheid van waterbronnen die uit de bergen komen te voorspellen.

Nu wil een team van wetenschappers van het Amerikaanse ministerie van Energie onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) die kloof dichten, met een ambitieuze campagne om een ​​breed scala aan metingen te verzamelen waarmee wetenschappers de toekomst van water in het Westen beter kunnen begrijpen. De Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory (SAIL)-campagne start op 1 september wanneer wetenschappers de schakelaar omdraaien op een hele reeks machines die zijn vergaard in het stroomgebied van de Upper Colorado River.

In de loop van twee valpartijen, twee winters, twee veren, en een zomer, meer dan drie dozijn wetenschappelijke instrumenten, waaronder een verscheidenheid aan radars, lidars, camera's, ballonnen, en andere ultramoderne apparatuur - zal een schat aan gegevens over neerslag verzamelen, wind, wolken, spuitbussen, zonne- en thermische energie, temperatuur, vochtigheid, ozon, en meer. Die gegevens kunnen vervolgens worden gebruikt om de mogelijkheden van aardse systeemmodellen een boost te geven en veel wetenschappelijke vragen te beantwoorden over hoe, waarom, waar, en wanneer regen en sneeuw zullen vallen. In nauwe samenwerking met onderzoekers die gespecialiseerd zijn in het aardoppervlak en de ondergrond, de SAIL-campagne zal de wetenschappelijke gemeenschap helpen begrijpen hoe bergen vocht uit de atmosfeer halen en het water vervolgens helemaal tot aan de bodem onder het aardoppervlak verwerken. uiteindelijk, dit biedt wetenschappers de tools om de toekomstige beschikbaarheid van water beter te voorspellen.

"De Upper Colorado River drijft meer dan $ 1 biljoen aan economische activiteit aan en levert een enorme hoeveelheid waterkracht, maar het is erg weinig bestudeerd vergeleken met hoe belangrijk het is, " zei Berkeley Lab-wetenschapper Daniel Feldman, de hoofdonderzoeker van SAIL. "We beginnen echt dramatische gevolgen te zien van de veranderende watervoorraden, maar de details van wat er werkelijk aan de hand is op deze plaatsen waar het water vandaan komt - die details zijn belangrijk, en daar is SAIL op gericht."

Van het noordpoolgebied tot de Rockies

SAIL is een onderzoekscampagne beheerd door DOE's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) gebruikersfaciliteit, een belangrijke bijdrage aan klimaatonderzoek met zijn stationaire en mobiele klimaatobservatoria verspreid over de Verenigde Staten en over de hele wereld. Veel van de apparatuur die in SAIL wordt gebruikt, is net terug van een eenjarige expeditie naar de Noordpool.

"SAIL is een tijdige campagne vanwege de aanhoudende droogte in het westen van de Verenigde Staten, " zei Sally McFarlane, DOE Program Manager voor de ARM-gebruikersfaciliteit. "De Colorado-rivier is van bijzonder belang omdat deze water levert aan 40 miljoen mensen. SAIL brengt gegevens van ARM en andere onderzoeksprogramma's van DOE samen om uiteindelijk inzicht te geven in de atmosferische processen en land-atmosfeer-interacties die regen en sneeuw beïnvloeden in het bovenste stroomgebied van de Colorado-rivier."

SAIL is echt een brede, gezamenlijke inspanning. ARM wordt mede beheerd door negen nationale DOE-laboratoria; Los Alamos National Lab leidt het algemene beheer en de activiteiten van het mobiele ARM-observatorium, terwijl wetenschappers van verschillende andere DOE-labs, inclusief Argonne, Brookhaven, Pacific Northwest, en Oak Ridge National Labs, nauw samenwerken met Los Alamos en Berkeley Lab om de wetenschap en operaties van SAIL te ondersteunen. Een aantal universitaire onderzoekers van de Colorado State University, UC Berkeley, UC Irvine, UC Davis, Staatsuniversiteit van Oregon, Universiteit van Indiana, Staatsuniversiteit van Pennsylvania, Universiteit van Utah, Instituut voor woestijnonderzoek, en Boise State University zijn ook betrokken bij het onderzoek.

De instrumenten zijn meestal ondergebracht in grote containers in het pittoreske bergstadje Gothic, Colorado, een oud mijnstadje in de buurt van Crested Butte, Colorado. De faciliteit wordt gehost door het Rocky Mountain Biological Laboratory, dat is gewijd aan onderzoek naar ecosystemen op grote hoogte. Een staf van drie technici zal de klok rond de instrumenten in de gaten houden.

"Dit is een diepgaande en ongelooflijk unieke kans en vertegenwoordigt een uniek experiment in bergachtige systemen over de hele wereld, het overbruggen van de processen van de atmosfeer tot aan het gesteente, " zei Berkeley Lab-wetenschapper Ken Williams, de lead on-site onderzoeker voor SAIL.

SAIL-wetenschap:betere modellen om lastige vragen te beantwoorden

Met deze hoeveelheid gegevens op een breed scala van ruimtelijke en temporele schalen zullen wetenschappers de fysieke processen die de hydrologie van de bergen kunnen beïnvloeden, beginnen te begrijpen en vragen beantwoorden zoals hoe stof, wildvuur, hete droogte, boom sterfte, en andere verschijnselen kunnen het stroomgebied beïnvloeden. uiteindelijk, de gegevens worden ingevoerd in de modellen van het aardse systeem, zodat ze "de waterbalans goed kunnen krijgen".

"Onze modellen die voorspellen wat het toekomstige water zal zijn - hun resolutie is nu ongeveer 100 kilometer [62 mijl], maar er is veel activiteit in 100 kilometer, veel terreinvariabiliteit, veel verschillen in neerslag, en oppervlakte- en ondergrondse processen, "zei Feldman. "Dus de vraag is eigenlijk, wat zijn alle details die in die grote modellen moeten worden verwerkt, zodat we ervoor kunnen zorgen dat ze de waterbalans goed krijgen? En daarom is dit echt spannend:we zullen de input en de output op een fundamenteel niveau meten om een ​​benchmark-dataset te ontwikkelen voor de wetenschappelijke gemeenschap om hun modellen te evalueren en te verbeteren."

Het Atmospheric System Research-programma (ASR) van DOE werkt nauw samen met ARM om het begrip van de belangrijkste processen die van invloed zijn op de stralingsbalans en de hydrologische cyclus van de aarde te verbeteren.

"ASR-onderzoeksprojecten tijdens de SAIL-campagne zullen ons helpen meer te leren over de cloud, aërosol, neerslag, en stralingsprocessen die de waterkringloop in het bovenste stroomgebied van de Colorado-rivier beïnvloeden, " zei Jeff Stehr, een DOE Programmamanager voor ASR. "Uiteindelijk, dit werk zal ons helpen klimaatmodellen te verbeteren, zodat ze kunnen worden gebruikt om beter te begrijpen, voorspellen, en plannen voor bedreigingen voor de watervoorraden in het droge westen en wereldwijd."

SAIL maakt gebruik van de substantiële inspanningen die Berkeley Lab al op dit gebied heeft geleverd:het leidt sinds 2014 veldonderzoeken in het stroomgebied van de East River van het Colorado Upper Gunnison Basin, als onderdeel van het door DOE gefinancierde Watershed Function Scientific Focus Area-project. SAIL zal voortbouwen op die onderzoeksinspanning, het samenbrengen van een breed scala aan wetenschappelijke disciplines om 's werelds eerste gesteente-naar-atmosfeer berg geïntegreerde veldlaboratorium te creëren.

"Om hydrologen te laten werken met wetenschappers op het gebied van neerslagprocessen, aërosolonderzoekers werken samen met sneeuwprocesonderzoekers, dat is een heel belangrijk onderdeel hier, en het is uniek en opwindend, ' zei Veldman.

Enkele van de praktische vragen die de SAIL-campagne kan helpen beantwoorden, zijn onder meer:

• Hoe plannen we een toekomst waarin weinig sneeuw of sneeuwval overgaat in regenval? "Onze planning voor de Colorado-rivier is grotendeels gebaseerd op historische weerpatronen die kunnen veranderen, van sneeuw tot regen, ' zei Veldman.
• Hoe beïnvloeden activiteiten en verstoringen in het bos de waterkwaliteit en de waterbeschikbaarheid? "Het gaat niet alleen om het totale volume water dat deze systemen verlaat, Williams zei. "We zullen ook kijken naar hoe landactiviteiten - zoals bosbranden en bosbeheer - de concentraties van bestanddelen in het water en de algehele waterkwaliteit beïnvloeden."
• Zullen dammen overstromen? Het Amerikaanse Bureau of Reclamation, het federale agentschap belast met het beheer van dammen in het westen van de VS, zal de nieuwe gegevens die binnenkomen van het radarsysteem gebruiken om te helpen bij gecontroleerde dam- en reservoiroperaties. Feldman merkte op:"Er zijn behoorlijk enge situaties ontstaan ​​​​wanneer regen op sneeuw valt. De ramp met de Oroville Dam [in Californië in 2017] is slechts een van de vele van dergelijke voorbeelden."

Aanvullend, een van de weerradars zal worden geplaatst in een skigebied dat eigendom is van Vail Resorts, een groot skigebied in Colorado, waar zowel buitenenthousiastelingen als wetenschappers van kunnen profiteren. En het onderzoek zal ook nuttig zijn voor organisaties zoals waterbedrijven en het Bureau of Reclamation die experimenteren met technologieën voor weermodificatie, zoals cloud-seeding.

Andere federale agentschappen sluiten zich aan bij de kar

Alle door SAIL verzamelde gegevens zijn vrij beschikbaar voor onderzoekers. Bovendien, een schare onderzoekers van andere federale agentschappen voert veldcampagnes in het gebied uit met aanvullende onderzoeksinspanningen.

De National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), een agentschap van het Ministerie van Handel, heeft een project gelanceerd met de naam SPLASH, of de studie van neerslag, de lagere atmosfeer en het oppervlak voor hydrometeorologie, om de weers- en watervoorspelling in de bergen van Colorado en daarbuiten te verbeteren. Het zal ook gedetailleerde atmosferische co-observaties maken in het SAIL-studiegebied.

De U.S. Geological Survey (USGS), een ministerie van Binnenlandse Zaken, heeft een Upper Colorado Next Generation Water Observing System (NGWOS) ontwikkeld om realtime gegevens over waterkwantiteit en -kwaliteit te verstrekken op meer betaalbare en snelle manieren dan voorheen mogelijk was, en op meer locaties.

"Het is vrij zeldzaam voor een enkele onderzoeksvraag, de toekomst van water in het Westen, om de onderzoeksactiviteiten van onderzoekers over meerdere federale agentschappen te integreren, ’ merkte Willem op.

Maar de omvang van de uitdaging, en het vooruitzicht van een toekomst met weinig tot geen sneeuw, vraagt ​​om niets minder dan een all-hands-on-deck reactie van wetenschappers. "We moeten het scala aan risico's begrijpen waarmee we in de toekomst worden geconfronteerd, "Zei Feldman. "De term 'geen analoge toekomst' is echt een grote voor ons."