Sedan mitten av 1980-talet, procentandelen nederbörd som blir strömflöde i övre Rio Grandes vattendelare har minskat kraftigare än någon gång på minst 445 år, enligt en ny studie ledd av National Center for Atmospheric Research (NCAR).

Även om denna nedgång delvis drevs av övergången från en ovanligt våt period till en ovanligt torr period, stigande temperaturer fördjupade trenden, sa forskarna.

Studien målar upp en detaljerad bild av hur temperaturen har påverkat avrinningsförhållandet - mängden snö och regn som faktiskt kommer in i floden - över tiden, och resultaten kan hjälpa till att förbättra vattenförsörjningsprognoserna för Rio Grande, som är en vattenkälla för uppskattningsvis 5 miljoner människor.

Studieresultaten tyder också på att avrinningsförhållandena i Upper Rio Grande och andra närliggande snömatade vattendelar, såsom Colorado River Basin, kan minska ytterligare när klimatet fortsätter att värmas upp.

"Den viktigaste variabeln för att förutsäga strömflödet är hur mycket det har regnat eller snöat, " sa NCAR-forskaren Flavio Lehner, huvudförfattare till studien. "Men när vi såg tillbaka hundratals år, vi fann att temperaturen också har haft ett viktigt inflytande – vilket för närvarande inte räknas in i vattenförsörjningsprognoserna. Vi tror att inkludering av temperatur i framtida prognoser kommer att öka deras noggrannhet, inte bara i allmänhet utan också inför klimatförändringarna."

Studien, publiceras i tidskriften Geofysiska forskningsbrev , finansierades av Bureau of Reclamation, Army Corps of Engineers, National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), och National Science Foundation, som är NCAR:s sponsor.

Medförfattare till tidningen är Eugene Wahl, av NOAA; Andrew Wood, av NCAR; och Douglas Blatchford och Dagmar Llewellyn, båda av Bureau of Reclamation.

Överförutsäga vattentillförsel

Född i Klippiga bergen i södra Colorado, Rio Grande skär söderut över New Mexico innan den krokar österut och bildar gränsen mellan Texas och Mexiko. Snö hopar sig på topparna som omger källvatten under hela vintern, och på våren börjar snöpackningen smälta och mata floden.

Det resulterande flödet används både av bönder och städer, inklusive Albuquerque, New Mexico, och El Paso, Texas, och vattenanvändare är beroende av de årliga vattenförsörjningsprognoserna för att avgöra vem som får hur mycket av floden. Prognosen används också för att avgöra om ytterligare vatten behöver importeras från floden San Juan, på andra sidan av den kontinentala klyftan, eller pumpas från grundvatten.

Aktuella driftsflödesprognoser beror på uppskattningar av mängden snö och regn som har fallit i bassängen, och de antar att en viss mängd nederbörd och snöpackning alltid kommer att ge en viss mängd strömflöde.

Under de senaste åren har dessa prognoser har tenderat att förutsäga hur mycket vatten som kommer att finnas tillgängligt, leder till övertilldelning av floden. I ett försök att förstå denna föränderliga dynamik, Lehner och hans kollegor undersökte hur förhållandet mellan nederbörd och strömflöde, känt som avrinningsförhållandet, har utvecklats över tiden.

Nederbörd vs. strömflöde:Trädringar berättar en ny historia

Forskarna använde trädring-härledda strömflödesdata från utanför övre Rio Grande-bassängen för att rekonstruera uppskattningar av nederbörd inom vattendelaren som sträcker sig tillbaka till 1571. Sedan kombinerade de denna information med en separat strömflödesrekonstruktion inom bassängen för samma period. Eftersom dessa två rekonstruktioner var oberoende, det gjorde det möjligt för forskargruppen att också uppskatta avrinningskvoten för varje år:ju högre förhållandet, desto större andel nederbörd som faktiskt omvandlades till strömflöde.

"För första gången, vi kunde ta dessa två kvantiteter och använda dem för att rekonstruera avrinningsförhållandena under de senaste 445 åren, sa Wahl.

De fann att avrinningskvoten varierar avsevärt från år till år och till och med decennium till decennium. Den största faktorn i samband med denna variation var nederbörd. När det snöar mindre över bergen i Rio Grandes källvatten, inte bara är mindre vatten tillgängligt för att bli strömflöde, men även avrinningskvoten minskar. Med andra ord, en mindre andel av snöpackningen blir strömflöde under torrare år.

Men forskarna fann också att en annan faktor påverkade avrinningsförhållandet:temperatur. Under de senaste århundradena, avrinningsförhållandet minskade när temperaturen var varmare. Och temperaturens inverkan förstärktes under torrare år:När snöpackningen var grunt, varma temperaturer minskade avrinningskvoten mer än när snöpackningen var djup, ytterligare förvärrar torkan. De låga avrinningskvoterna som sågs under torra år var två och en halv till tre gånger mer sannolika när temperaturen också var varmare.

"Temperaturens effekt på avrinningsförhållandet är relativt liten jämfört med nederbörd, Lehner sa. "Men eftersom dess största påverkan är när förhållandena är torra, ett varmare år kan göra en redan dålig situation mycket värre."

Ett antal faktorer kan förklara temperaturens inverkan på avrinningsförhållandet. När det är varmare, växter tar upp mer vatten från jorden och mer vatten kan avdunsta direkt i luften. Dessutom, varmare temperaturer kan leda till att snö smälter tidigare på säsongen, när dagarna är kortare och solens vinkel är lägre. Detta gör att snön smälter långsammare, låta smältvattnet dröja kvar i jorden och ge växterna ytterligare möjlighet att använda det.

Den omfattande rekonstruktionen av det historiska avrinningsförhållandet i Upper Rio Grande avslöjade också att nedgången i avrinningsförhållandet under de senaste tre decennierna saknar motstycke i det historiska rekordet. 1980-talet var en ovanligt blöt period för Upper Rio Grande, medan 2000- och 2010-talen har varit ovanligt torra. Para ihop det med en ökning i temperaturer under samma period, och nedgången i avrinningsförhållandet mellan 1986 och 2015 var olik någon annan sträcka av den längden under de senaste 445 åren.

Uppgradera de gamla metoderna

Denna nya förståelse för hur temperaturen påverkar avrinningsförhållandet kan hjälpa till att förbättra vattenförsörjningsprognoserna, som för närvarande inte överväger om de kommande månaderna förväntas bli varmare eller kallare än genomsnittet. Författarna bedömer nu värdet av att införliva säsongsbetonade temperaturprognoser i vattenförsörjningsprognoser för att ta hänsyn till dessa temperaturpåverkan.

Studien kompletterar ett flerårigt NCAR-projekt finansierat av Bureau of Reclamation och Army Corps of Engineers som utvärderar utsikterna för att förbättra säsongsbetonade strömflödesprognoser för reservoarhantering.

"Prognosanvändare och intressenter väcker alltmer frågor om tillförlitligheten av prognostekniker om klimatet förändrar vår hydrologi, sade Wood, som ledde insatsen. "Denna studie hjälper oss att tänka på sätt att uppgradera ett av våra äldsta tillvägagångssätt - statistisk vattenförsörjningsprognoser - för att svara på de senaste trenderna i temperatur. Vår nuvarande utmaning är att hitta sätt att se till att lärdomarna av detta arbete kan gynna prognoser för operativa strömflöden. "

Eftersom de befintliga prognosmodellerna kalibrerades efter förhållanden i slutet av 1980- och 1990-talen, det är inte förvånande att de förutspådde strömflödet under den torrare perioden sedan 2000, sa Lehner.

"Dessa statistiska modeller antar ofta att klimatet är stabilt, " sa Lehner. "Det är ett antagande som ibland fungerar, men statistiska prognostekniker kommer att kämpa med alla starka förändringar i hydroklimatologi från decennium till decennium, som den vi just har upplevt."