Forståelse af virkningerne af klimaændringer på Californiens vandområder

Californien er afhængig af Sierra Nevada -snepakken til en betydelig del af sit vandbehov, alligevel forstår forskere meget lidt om, hvordan fremtidige ændringer i snesækkevolumen og timing vil påvirke overfladevand og grundvand. Nu udvikler forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en avanceret hydrologisk model for at undersøge, hvordan klimaforandringer kan påvirke Californiens vandområder.

Det nye kollaborative studie, med 3,7 millioner dollar i finansiering fra UC Laboratory Fees Research Program, vil forbedre fremskrivningen af ​​vandressourcer under en række fremtidsscenarier. Målet med projektet er at give oplysninger, der kan bruges til at optimere vandlagring, vandkvalitet, og grundvands bæredygtighed, da nedbøren varierer, varme temperaturer, og befolkningen vokser.

"Vi vil bruge en højopløselig og fysisk baseret numerisk modelleringsmetode til at simulere, hvordan vand bevæger sig fra atmosfæren til overfladevand og ned i grundvand, "sagde videnskabsmanden Erica Woodburn fra Berkeley Lab's Earth and Environmental Sciences Area." Vandforvaltning i hele staten er i øjeblikket afhængig af enklere modeller, der er blevet kalibreret og lavet til at fungere korrekt med historiske data. Men fordi vi sandsynligvis bevæger os ind i en fremtid, hvor vandforsyning kan være meget anderledes end tidligere år, der er betydelig usikkerhed i brugen af ​​disse nuværende modeller til at forudsige fordelingen af ​​fremtidigt vand. "

Det treårige projekt, med titlen "Udløb til grundvand:ressourcer i et skiftende klima, "ledes af Jeff Dozier fra UC Santa Barbara, og omfatter forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory, UC Davis, UC Irvine, UCLA, og UC Merced.

Woodburn, en hydrogeolog ved uddannelse, sammen med Carl Steefel, leder af Berkeley Labs afdeling for geokemi, vil udvikle en mekanistisk numerisk model af Consumnes -flodens vandområde, der strækker sig fra Sierra Nevada til syd for Sacramento, i sidste ende fodre ind i Sacramento-San Joaquin River Delta og California State Water Project, den største vandkilde i store dele af det sydlige Californien.

"Det er et virkelig interessant vandskel, fordi det er et af de få, hvis ikke den eneste store flydende flod fra Sierra Nevada bjergkæden uden en større dæmning, "Woodburn sagde." Så det er et sjældent naturligt eksperiment, hvor vi kan isolere virkninger af klimaændringer og vandforvaltning, fordi det ikke har store vandforvaltningsaktiviteter. Vi kan bruge modellen til at undersøge virkningerne af klimaændringer eller arealanvendelse på hydrologiske og økologiske systemer. "

Teamets model spænder fra den lavere atmosfære gennem dybe geologiske enheder under jorden, en region opfundet "den kritiske zone" af jordforskere i betragtning af dens vigtige rolle i mange miljøprocesser. Modellen vil omfatte 3D-grundvandsstrømme, samspillet mellem grundvand, overflade vand, og vegetation dækker, såvel som menneskeskabte processer såsom grundvandspumpning, reservoirstyring, og byens vandforbrug.

"Selvom Californien historisk set har perioder med tørre og våde år, der er ikke en analog til klimaekstremer som dem, vi har observeret i de seneste år, såsom de rekordstore langvarige tørkeperioder efterfulgt af perioder med intense nedbørspulser, der forårsager oversvømmelser, "Woodburn sagde." Behovet for præcise modeller til vejledning af fremtidens vandforvaltning, sandsynligheden for en 'ny normal' vandcyklus i Californien, og den stigende tilgængelighed af højtydende beregningsmetoder til fysisk at simulere, hvordan vand bevæger sig på overfladen og i undergrunden, gør dette nye projekt meget betimeligt. "

En hypotetiseret effekt af et varmere klima er, at det ændrer tidspunktet for den hydrologiske cyklus. "Med snepose smeltet tidligere på året, der har en kaskadende effekt på, hvornår vækstsæsonen for montane miljøer begynder, "Woodburn sagde." Da vegetationen bliver mere aktiv tidligere på sæsonen, mere vand vil forlade systemet i form af fordampning tidligere, hvilket potentielt kan skabe en masse usikkerhed omkring tilgængeligheden af ​​vand. Det er de typer tilbagemeldinger, vi kan undersøge med en fysisk baseret numerisk model, der i fællesskab overvejer overflade- og grundvandsinteraktioner. "

Cosumnes -flodens vandskel krydser en bred vifte af statens terræn, fra bjerge til Centraldals landbrugsjord til byområder. "Udvekslingen af ​​grundvand og overfladevand ved disse grænseflader er virkelig vigtig og stort set ukendt, "sagde hun." Det nye ved vores model er, at det tegner sig for nogle tværfaglige vandoverførsler, f.eks. tilbagemeldinger mellem grundvandslager og, for eksempel, vegetation ved landoverfladen. Fysikken i disse processer er virkelig vanskelig at indarbejde i modeller i høj opløsning og kræver brug af højtydende computing. "

Holdet vil udføre simuleringerne på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Når teamet har bekræftet, at modellen fungerer korrekt, forskerne vil være i stand til at køre scenarier. "For eksempel, hvordan kan grundvandsniveauer og udstrømning af vandløb ændre sig, hvis vi har en varmere vinter med mindre snepose, og hvordan kunne det være anderledes, hvis året før var meget tørt eller meget vådt? "sagde Woodburn." Du kunne bruge modellen til at lave disse fremskrivninger. "

Berkeley Lab -forskerne brugte en lignende teknik til at udvikle en model til et Fukushima -vandskel i Japan for at studere cæsiumtransport efter atomkatastrofen der i 2011.

De agter at bruge den nye model til også at studere, hvordan strategier til håndtering af grundvandspåfyldning - såsom vandbank og administreret akviferopladning, teknikker til at fange højintensitetspulser af regn og infiltrere det i grundvandet i stedet for at lade det løbe ud til havet - kan bedst implementeres.

Nogle af samarbejdspartnerne på UC -campusene vil analysere energiomkostningskomponenten, for eksempel, ved at sætte en dollar værdi på omkostningerne ved udvinding af grundvand; disse skøn kunne kombineres med fremskrivninger fra de integrerede hydrologiske modeller for at give bedre information til beslutningstagning.