"Megatorkan" som påverkar Colorado River-systemet i år har varit förödande för de 40 miljoner människor som är beroende av det för vatten. Men kunde denna torka ha förutsetts? Kommer vi att kunna förutse nästa?

Bergsvattendelar ger 60 till 90 % av vattenresurserna världen över, men det finns fortfarande mycket som forskarna inte vet om de fysiska processer och interaktioner som påverkar hydrologi i dessa ekosystem. Och sålunda, de bästa datormodellerna för jordsystemet kämpar med att förutsäga tidpunkten och tillgängligheten för vattenresurser som kommer från berg.

Nu vill ett team av forskare från det amerikanska energidepartementet ledda av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) täppa till det gapet, med en ambitiös kampanj för att samla in ett stort antal mätningar som gör det möjligt för forskare att bättre förstå vattnets framtid i väst. Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory (SAIL)-kampanjen startar den 1 september, när forskare vrider på strömbrytaren på en mängd maskiner som har samlats i övre Coloradofloden.

Under loppet av två fall, två vintrar, två fjädrar, och en sommar, mer än tre dussin vetenskapliga instrument – ​​inklusive en mängd radar, lidar, kameror, ballonger, och annan toppmodern utrustning – kommer att samla in en skattkammare av data om nederbörd, vind, moln, aerosoler, sol- och värmeenergi, temperatur, fuktighet, ozon, och mer. Dessa data kan sedan användas för att turboladda kapaciteten hos jordsystemmodeller och svara på många vetenskapliga frågor om hur, Varför, var, och när regn och snö kommer att falla. I nära samarbete med forskare specialiserade på jordens yta och under ytan, SAIL-kampanjen kommer att hjälpa forskarvärlden att förstå hur berg utvinner fukt från atmosfären och sedan bearbetar vattnet ända ner till berggrunden under jordens yta. I sista hand, detta kommer att tillhandahålla verktyg för forskare att bättre förutsäga den framtida tillgången på vatten.

"Övre Coloradofloden driver mer än 1 biljon dollar i ekonomisk aktivitet och tillhandahåller en enorm mängd vattenkraft, men det är väldigt understuderat jämfört med hur viktigt det är, " sa Berkeley Lab-forskaren Daniel Feldman, den ledande SAIL-utredaren. "Vi börjar se riktigt dramatiska konsekvenser av de förändrade vattenresurserna, men detaljerna om vad som faktiskt pågår på de här platserna där vattnet kommer ifrån - dessa detaljer spelar roll, och det är vad SAIL fokuserar på."

Från Arktis till Klippiga bergen

SAIL är en forskningskampanj som hanteras av DOE:s Atmospheric Radiation Measurement (ARM) användaranläggning, en viktig bidragsgivare till klimatforskningen med sina stationära och mobila klimatobservatorier i hela USA och runt om i världen. Mycket av utrustningen som används i SAIL har just återvänt från en ettårig arktisk expedition.

"SAIL är en läglig kampanj på grund av den pågående torkan i västra USA, sa Sally McFarlane, DOE Program Manager för ARM-användaranläggningen. "Coloradofloden är särskilt oroande eftersom den försörjer vatten till 40 miljoner människor. SAIL sammanför data från ARM och andra forskningsprogram inifrån DOE för att i slutändan hjälpa till att ge insikter om atmosfäriska processer och interaktioner mellan land och atmosfär som påverkar regn och snö i den övre Coloradoflodens vattendelare."

SAIL är verkligen en bred, samverkan. ARM samordnas av nio nationella DOE-labb; Los Alamos National Lab leder den övergripande ledningen och driften av det mobila ARM-observatoriet medan forskare från flera andra DOE-labb, inklusive Argonne, Brookhaven, Nordvästra Stilla havet, och Oak Ridge National Labs, samarbeta nära med Los Alamos och Berkeley Lab för att stödja SAILs vetenskap och verksamhet. Ett antal universitetsforskare från Colorado State University, UC Berkeley, UC Irvine, UC Davis, Oregon State University, Indiana University, Pennsylvania State University, University of Utah, Desert Research Institute, och Boise State University är också involverade i forskningen.

Instrumenten är för det mesta inhysta i stora containrar placerade i den pittoreska bergsstaden Gothic, Colorado, en gammal gruvstad nära Crested Butte, Colorado. Anläggningen är värd för Rocky Mountain Biological Laboratory, som är tillägnad forskning om ekosystem på hög höjd. En stab på tre tekniker kommer att övervaka instrumenten dygnet runt.

"Detta är en djupgående och otroligt unik möjlighet och representerar ett första experiment i sitt slag i bergiga system över hela världen, överbrygga processerna från atmosfären ända ner till berggrunden, " sa Berkeley Lab-forskaren Ken Williams, den ledande forskaren på plats för SAIL.

SAIL science:bättre modeller för att svara på svåra frågor

Att ha denna volym av data på ett brett spektrum av rumsliga och tidsmässiga skalor kommer att göra det möjligt för forskare att börja förstå de fysiska processer som kan påverka bergshydrologi och svara på frågor som hur damm, löpeld, varm torka, träddödlighet, och andra fenomen kan påverka vattendelaren. I sista hand, data kommer att matas in i jordsystemmodeller så att de kan "få rätt vattenbalans".

"Våra modeller som förutsäger vad framtida vatten kommer att bli - deras upplösning är nu cirka 100 kilometer [62 miles], men det är mycket aktivitet som händer på 100 kilometer, mycket terrängvariation, stora skillnader i nederbörd, och processer på ytan och under ytan, " sa Feldman. "Så frågan är egentligen, vad är alla detaljer som behöver gå in i de stora modellerna, så att vi kan få dem att få vattenbalansen rätt? Och det är därför det här är riktigt spännande – vi kommer att mäta indata och utdata på en grundläggande nivå för att utveckla en riktmärkesdatauppsättning för forskarsamhället att utvärdera och förbättra sina modeller."

DOE:s Atmospheric System Research (ASR)-program arbetar nära med ARM för att förbättra förståelsen för de nyckelprocesser som påverkar jordens strålningsbalans och hydrologiska cykel.

"ASR-forskningsprojekt under SAIL-kampanjen kommer att hjälpa oss att lära oss mer om molnet, aerosol, nederbörd, och strålningsprocesser som påverkar vattnets kretslopp i den övre Coloradoflodens vattendelare, " sa Jeff Stehr, en DOE-programledare för ASR. "I sista hand, detta arbete kommer att hjälpa oss att förbättra klimatmodeller så att de kan användas för att bättre förstå, förutspå, och planera för hot mot vattenresurserna i det torra västerlandet och globalt."

SAIL utnyttjar de betydande ansträngningar som Berkeley Lab redan har gjort inom detta område:det har lett fältstudier vid East River vattendelare i Colorado Upper Gunnison Basin sedan 2014, som en del av det DOE-finansierade projektet Watershed Function Scientific Focus Area. SAIL kommer att bygga vidare på den forskningsinsatsen, sammanför ett brett utbud av vetenskapliga discipliner för att skapa världens första berg-till-atmosfär integrerade fältlaboratorium.

"Att ha hydrologer som arbetar med nederbördsprocessforskare, aerosolforskare som arbetar med snöprocessforskare, det är en väldigt viktig del här, och det är unikt och spännande, " sa Feldman.

Några av de praktiska frågorna SAIL-kampanjen kan hjälpa till att besvara inkluderar:

• Hur planerar vi för en framtid med låg snö eller snöfall som övergår till regn? "Vår planering för Coloradofloden är till stor del baserad på historiska vädermönster som kan komma att förändras, från snö till regn, " sa Feldman.
• Hur påverkar aktiviteter och störningar i skogen vattenkvalitet och vattentillgång? "Det handlar inte bara om den totala volymen vatten som kommer ut från dessa system, "Sade Williams. "Vi kommer också att titta på hur markaktiviteter - som skogsbränder och skogsförvaltning - påverkar koncentrationerna av beståndsdelar i vattnet och den övergripande vattenkvaliteten."
• Kommer dammar att svämma över? U.S.A. Bureau of Reclamation, den federala myndigheten som ansvarar för att förvalta dammar i västra USA, kommer att använda de nya data som kommer in från radarsystemet för att hjälpa till med kontrollerad dam- och reservoardrift. Feldman noterade:"Det har varit några ganska skrämmande situationer som har uppstått när regn faller på snö. Oroville Dam-katastrofen [i Kalifornien 2017] är bara ett av många sådana exempel."

Dessutom, en av väderradarerna kommer att finnas vid ett skidområde som ägs av Vail Resorts, en stor skidort i Colorado, vilket kan gynna såväl friluftsentusiaster som forskare. Och forskningen kommer också att vara användbar för organisationer som vattenverk och Bureau of Reclamation som experimenterar med vädermodifieringstekniker, som molnsådd.

Andra federala myndigheter ansluter sig till tåget

All data som samlas in av SAIL kommer att vara fritt tillgänglig för forskare. Vad mer, en mängd forskare från andra federala myndigheter genomför fältkampanjer i området med kompletterande forskningsinsatser.

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), en byrå för handelsdepartementet, har lanserat ett projekt som heter SPLASH, eller studien av nederbörd, den nedre atmosfären och ytan för hydrometeorologi, för att förbättra väder- och vattenförutsägelser i Coloradobergen och vidare. Det kommer också att göra detaljerade atmosfäriska samobservationer i SAIL-studieområdet.

U.S. Geological Survey (USGS), en byrå för inrikesdepartementet, har utvecklat ett Upper Colorado Next Generation Water Observing System (NGWOS) för att tillhandahålla realtidsdata om vattenkvantitet och kvalitet på billigare och snabbare sätt än tidigare möjligt, och på fler platser.

"Det är ganska sällsynt med en enda forskningsfråga, vattnets framtid i väst, att integrera utredarnas forskningsaktiviteter över flera federala myndigheter, " noterade Williams.

Men omfattningen av utmaningen, och utsikterna till en framtid med låg till ingen snö, kräver inget mindre än ett svar från alla händer på däck från forskare. "Vi måste förstå omfattningen av risker som vi står inför framåt, "Sade Feldman. "Begreppet "ingen analog framtid" är en riktigt stor en för oss."