Bjerge af data:Et hidtil uset klimaobservatorium for at forstå fremtiden for vand

"Megatørken", der påvirker Colorado River-systemet i år, har været ødelæggende for de 40 millioner mennesker, der er afhængige af det for vand. Men kunne denne tørke have været forudsagt? Vil vi være i stand til at forudsige den næste?

Bjergvandskel udgør 60 til 90 % af vandressourcerne på verdensplan, men der er stadig meget, som forskerne ikke ved om de fysiske processer og interaktioner, der påvirker hydrologi i disse økosystemer. Og dermed, de bedste computermodeller af jordsystemet kæmper med at forudsige timingen og tilgængeligheden af ​​vandressourcer, der kommer fra bjerge.

Nu sigter et hold af forskere fra det amerikanske energiministerium ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) på at lukke det hul, med en ambitiøs kampagne for at indsamle en bred vifte af målinger, der vil give videnskabsfolk mulighed for bedre at forstå fremtiden for vand i Vesten. Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory (SAIL) kampagnen starter den 1. september, når videnskabsmænd drejer på kontakten på en række maskiner, der er blevet samlet i Upper Colorado River Basin.

I løbet af to fald, to vintre, to fjedre, og en sommer, mere end tre dusin videnskabelige instrumenter – inklusive en række radarer, lidarer, kameraer, balloner, og andet state-of-the-art udstyr - vil indsamle en skatkammer af data om nedbør, vind, skyer, aerosoler, sol- og termisk energi, temperatur, fugtighed, ozon, og mere. Disse data kan derefter bruges til at turbolade mulighederne for jordsystemmodeller og besvare mange videnskabelige spørgsmål om, hvordan hvorfor, hvor, og når regn og sne falder. I tæt samarbejde med forskere med speciale i Jordens overflade og undergrund, SAIL-kampagnen vil hjælpe det videnskabelige samfund til at forstå, hvordan bjerge trækker fugt ud af atmosfæren og derefter behandler vandet helt ned til grundfjeldet under Jordens overflade. Ultimativt, dette vil give videnskabsfolk værktøjerne til bedre at forudsige den fremtidige tilgængelighed af vand.

"Upper Colorado River driver mere end 1 billion dollar i økonomisk aktivitet og giver en enorm mængde vandkraft, men det er meget understuderet i forhold til hvor vigtigt det er, " sagde Berkeley Lab videnskabsmand Daniel Feldman, den ledende SAIL-efterforsker. "Vi begynder at se virkelig dramatiske konsekvenser af de skiftende vandressourcer, men detaljerne om, hvad der rent faktisk foregår på disse steder, hvor vandet kommer fra – disse detaljer betyder noget, og det er det SAIL har fokus på."

Fra Arktis til Rockies

SAIL er en forskningskampagne, der styres af DOE's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) brugerfacilitet, en central bidragyder til klimaforskning med dets stationære og mobile klimaobservatorier placeret i hele USA og rundt om i verden. Meget af det udstyr, der bruges i SAIL, er netop hjemvendt fra en etårig arktisk ekspedition.

"SAIL er en rettidig kampagne på grund af den igangværende tørke i det vestlige USA, " sagde Sally McFarlane, DOE Program Manager for ARM-brugerfaciliteten. "Colorado-floden er særligt bekymrende, fordi den leverer vand til 40 millioner mennesker. SAIL samler data fra ARM og andre forskningsprogrammer fra DOE for i sidste ende at hjælpe med at give indsigt i de atmosfæriske processer og land-atmosfære-interaktioner, der påvirker regn og sne i det øvre Colorado River vandskel."

SAIL er virkelig en bred, samarbejdsindsats. ARM administreres i fællesskab af ni DOE nationale laboratorier; Los Alamos National Lab leder den overordnede ledelse og drift af ARM mobile observatorium, mens forskere fra flere andre DOE-laboratorier, inklusive Argonne, Brookhaven, Pacific Northwest, og Oak Ridge National Labs, arbejde tæt sammen med Los Alamos og Berkeley Lab for at støtte SAIL videnskab og operationer. En række universitetsforskere fra Colorado State University, UC Berkeley, UC Irvine, UC Davis, Oregon State University, Indiana University, Pennsylvania State University, University of Utah, Ørkenforskningsinstituttet, og Boise State University er også involveret i forskningen.

Instrumenterne er for det meste anbragt i store containere placeret i den maleriske bjergby Gothic, Colorado, en gammel mineby nær Crested Butte, Colorado. Anlægget er vært for Rocky Mountain Biological Laboratory, som er dedikeret til forskning i højhøjdeøkosystemer. En stab på tre teknikere vil overvåge instrumenterne døgnet rundt.

"Dette er en dyb og utrolig unik mulighed og repræsenterer et første af sin slags eksperiment i bjergrige systemer verden over, bygge bro over processerne fra atmosfæren og helt ned til grundfjeldet, " sagde Berkeley Lab videnskabsmand Ken Williams, den ledende on-site researcher for SAIL.

SEJL videnskab:bedre modeller til at besvare svære spørgsmål

At have denne mængde data på en bred vifte af rumlige og tidsmæssige skalaer vil give forskerne mulighed for at begynde at forstå de fysiske processer, der kan påvirke bjerghydrologien og besvare spørgsmål såsom, hvordan støv, skovbrand, varm tørke, trædødelighed, og andre fænomener kan påvirke vandskellet. Ultimativt, dataene vil blive ført ind i Jordens systemmodeller, så de kan "få vandbalancen rigtigt."

"Vores modeller, der forudsiger, hvad fremtidens vand vil være - deres opløsning er nu omkring 100 kilometer [62 miles], men der er en masse aktivitet, der sker på 100 kilometer, stor terrænvariation, mange forskelle i nedbør, og overflade- og undergrundsprocesser, " sagde Feldman. "Så virkelig spørgsmålet er, hvad er alle de detaljer, der skal indgå i de store modeller, så vi kan få dem til at få vandbalancen rigtigt? Og det er derfor, det er virkelig spændende – vi vil måle input og output på et grundlæggende niveau for at udvikle et benchmark-datasæt til det videnskabelige samfund til at evaluere og forbedre deres modeller."

DOE's Atmospheric System Research (ASR)-program arbejder tæt sammen med ARM for at forbedre forståelsen af ​​de nøgleprocesser, der påvirker Jordens strålingsbalance og hydrologiske cyklus.

"ASR-forskningsprojekter under SAIL-kampagnen vil hjælpe os med at lære mere om skyen, aerosol, nedbør, og strålingsprocesser, der påvirker vandkredsløbet i det øvre Colorado River-vandskel, " sagde Jeff Stehr, en DOE Program Manager for ASR. "Ultimativt, dette arbejde vil hjælpe os med at forbedre klimamodeller, så de kan bruges til bedre at forstå, forudsige, og planlægge for trusler mod vandressourcerne i det tørre Vesten og globalt."

SAIL udnytter den betydelige indsats, som Berkeley Lab allerede har påtaget sig på dette område:det har ledet feltstudier ved East River vandskel i Colorado Upper Gunnison Basin siden 2014, som en del af det DOE-finansierede Watershed Function Scientific Focus Area-projekt. SAIL vil bygge videre på den forskningsindsats, samler en bred vifte af videnskabelige discipliner for at skabe verdens første bjerg-til-atmosfære integrerede feltlaboratorium.

"At have hydrologer, der arbejder med nedbørsprocesforskere, aerosolforskere, der arbejder med sneprocesforskere, det er en rigtig vigtig del her, og det er unikt og spændende, " sagde Feldman.

Nogle af de praktiske spørgsmål SAIL-kampagnen kan hjælpe med at besvare inkluderer:

• Hvordan planlægger vi en fremtid med lav sne eller snefald, der skifter til nedbør? "Vores planlægning for Colorado-floden er i vid udstrækning baseret på historiske vejrmønstre, der kan ændre sig, fra sne til regn, " sagde Feldman.
• Hvordan påvirker aktiviteter og forstyrrelser i skoven vandkvaliteten og vandtilgængeligheden? "Det handler ikke kun om den samlede mængde vand, der kommer ud af disse systemer, " sagde Williams. "Vi vil også se på, hvordan landaktiviteter - såsom naturbrande og skovforvaltning - påvirker koncentrationen af ​​bestanddele i vandet og den generelle vandkvalitet."
• Vil dæmninger flyde over? US Bureau of Reclamation, det føderale agentur, der er tiltalt for at forvalte dæmninger i det vestlige USA, vil bruge de nye data, der kommer ind fra radarsystemet, til at hjælpe med kontrollerede dæmnings- og reservoiroperationer. Feldman bemærkede:"Der har været nogle ret skræmmende situationer, der er opstået, når regn falder på sne. Oroville Dam-katastrofen [i Californien i 2017] er blot et af mange sådanne eksempler."

Derudover en af ​​vejrradarerne vil være placeret ved et skiområde ejet af Vail Resorts, et stort skisportssted i Colorado, hvilket kunne være til gavn for friluftsentusiaster såvel som videnskabsfolk. Og forskningen vil også være nyttig for organisationer som vandværker og Bureau of Reclamation, der eksperimenterer med vejrmodifikationsteknologier, såsom sky-seeding.

Andre føderale agenturer slutter sig til vognen

Alle data indsamlet af SAIL vil være frit tilgængelige for forskere. Hvad mere er, en række forskere fra andre føderale agenturer gennemfører feltkampagner i området med supplerende forskningsindsats.

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), et handelsministerium, har lanceret et projekt kaldet SPLASH, eller undersøgelsen af ​​nedbør, den nedre atmosfære og overflade for hydrometeorologi, at forbedre vejr- og vandforudsigelser i Colorado-bjergene og videre. Den vil også lave detaljerede atmosfæriske samobservationer i SAIL-undersøgelsesområdet.

U.S. Geological Survey (USGS), et agentur for indenrigsministeriet, har udviklet et Upper Colorado Next Generation Water Observing System (NGWOS) til at levere realtidsdata om vandmængde og -kvalitet på mere overkommelige og hurtige måder end tidligere muligt, og flere steder.

"Det er ret sjældent, at et enkelt forskningsspørgsmål, fremtiden for vand i Vesten, at integrere efterforskeres forskningsaktiviteter på tværs af flere føderale agenturer, " bemærkede Williams.

Men omfanget af udfordringen, og udsigten til en fremtid med lav til ingen sne, kræver intet mindre end et svar fra alle hænder på dækket fra videnskabsmænd. "Vi er nødt til at forstå rækken af ​​risici, som vi står over for fremover, " sagde Feldman. "Udtrykket 'ingen analog fremtid' er en virkelig stor for os."