今年影响科罗拉多河系统的“特大干旱”对依赖它取水的 4000 万人造成了毁灭性的打击。但是，这种干旱可以预测吗?我们能预测下一个吗?
山区流域提供了全球 60% 到 90% 的水资源，但科学家们仍然对影响这些生态系统中水文的物理过程和相互作用知之甚少。因此，最好的地球系统计算机模型很难预测源自山区的水资源的时间和可用性。
现在，由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的美国能源部科学家团队旨在填补这一空白，通过一项雄心勃勃的活动收集大量测量数据，使科学家能够更好地了解西方水资源的未来.地表大气综合现场实验室 (SAIL) 活动将于 9 月 1 日开始，届时科学家们会打开在上科罗拉多河流域积累的大量机器的开关。
在两个秋天、两个冬天、两个春天和一个夏天的过程中，三打以上的科学仪器——包括各种雷达、激光雷达、相机、气球和其他最先进的设备——将收集到降水、风、云、气溶胶、太阳能和热能、温度、湿度、臭氧等数据的宝库。然后，这些数据可用于增强地球系统模型的能力，并回答许多关于雨雪将如何、为何、何地以及何时落下的科学问题。通过与专门研究地球表面和地下的研究人员密切合作，SAIL 活动将帮助科学界了解山脉如何从大气中提取水分，然后将水一直加工到地表下的基岩。最终，
“上科罗拉多河为超过 1 万亿美元的经济活动提供动力，并提供了大量的水力发电，但与它的重要性相比，它的研究非常不足，”伯克利实验室科学家丹尼尔费尔德曼说，他是 SAIL 的首席调查员。“我们开始看到水资源变化带来的真正戏剧性的后果，但这些水源的实际情况的细节——这些细节很重要，而这正是 SAIL 所关注的。”
从北极到落基山脉
SAIL 是由美国能源部大气辐射测量 (ARM) 用户设施管理的一项研究活动，该设施是气候研究的主要贡献者，其固定和移动气候观测站遍布美国和世界各地。SAIL 中使用的大部分设备刚刚从为期一年的北极探险中返回。
“由于美国西部持续干旱，SAIL 是一项及时的运动，”美国能源部 ARM 用户设施项目经理 Sally McFarlane 说。“科罗拉多河尤其令人担忧，因为它为 4000 万人供水。SAIL 正在汇集来自 ARM 和 DOE 内部其他研究项目的数据，最终有助于深入了解影响科罗拉多河上游流域雨雪的大气过程和陆地-大气相互作用。”
SAIL 确实是一项广泛的协作努力。ARM 由九个 DOE 国家实验室共同管理;洛斯阿拉莫斯国家实验室负责 ARM 移动天文台的整体管理和运营，而来自美国能源部其他几个实验室(包括阿贡、布鲁克海文、太平洋西北和橡树岭国家实验室)的科学家与洛斯阿拉莫斯和伯克利实验室密切合作，以支持 SAIL 科学和操作。来自科罗拉多州立大学、加州大学伯克利分校、加州大学欧文分校、加州大学戴维斯分校、俄勒冈州立大学、印第安纳大学、宾夕法尼亚州立大学、犹他大学、沙漠研究所和博伊西州立大学的多位大学研究人员也参与了这项研究。
这些乐器大多存放在位于科罗拉多州风景如画的哥特山区小镇的大型容器中，该小镇是科罗拉多州克雷斯特德比尤特附近的一个古老的采矿小镇。该设施由落基山生物实验室主办，该实验室致力于高海拔生态系统的研究。三名技术人员将全天候监控仪器。
伯克利实验室的科学家肯威廉姆斯说：“这是一个意义深远且令人难以置信的独特机会，代表了全球山区系统中的首次此类实验，将整个过程从大气层一直延伸到基岩，”伯克利实验室科学家肯威廉姆斯说： SAIL的现场研究员。
SAIL 科学：更好的模型来回答棘手的问题
在广泛的空间和时间尺度上拥有大量数据将使科学家开始了解可能影响山区水文的物理过程，并回答诸如灰尘、野火、炎热干旱、树木死亡和其他现象可能如何影响山地水文等问题。分水岭。最终，这些数据将被输入地球系统模型，以便他们“获得正确的水平衡”。
“我们的模型可以预测未来的水会是什么——它们的分辨率现在约为 100 公里 [62 英里]，但在 100 公里内发生了很多活动，地形变化很大，降水差异很大，以及地表和地下过程，”费尔德曼说。“所以真正的问题是，需要进入这些大型模型的所有细节是什么，以便我们可以让它们获得正确的水平衡?这就是为什么这真的很令人兴奋——我们将在基本层面上测量输入和输出，以开发一个基准数据集，供科学界评估和改进他们的模型。”
DOE 的大气系统研究 (ASR) 计划与 ARM 密切合作，以提高对影响地球辐射平衡和水文循环的关键过程的了解。
“SAIL 活动期间的 ASR 研究项目将帮助我们更多地了解影响科罗拉多河上游流域水循环的云、气溶胶、降水和辐射过程，”美国能源部 ASR 项目经理 Jeff Stehr 说。“最终，这项工作将帮助我们改进气候模型，以便它们可以用于更好地了解、预测和规划干旱西部和全球水资源面临的威胁。”
SAIL 充分利用了伯克利实验室已经在该领域开展的大量工作：作为美国能源部资助的流域功能科学重点领域项目的一部分，自 2014 年以来，它一直在科罗拉多州上甘尼森盆地的东河流域进行实地研究。SAIL 将以此研究为基础，汇集广泛的科学学科，创建世界上第一个从基岩到大气的山地综合野外实验室。
“让水文学家与降水过程科学家一起工作，让气溶胶研究人员与雪过程研究人员一起工作，这是一个非常重要的部分，它独特而令人兴奋，”费尔德曼说。
SAIL 活动可以帮助回答的一些实际问题包括：
我们如何规划未来的低雪或降雪变为降雨?费尔德曼说：“我们对科罗拉多河的规划主要基于可能会发生变化的历史天气模式，从雪到雨。”
森林中的活动和干扰如何影响水质和可用水量?“这不仅仅是离开这些系统的总水量，”威廉姆斯说。“我们还将研究土地活动——例如野火和森林管理——如何影响水中成分的浓度和整体水质。”
水坝会溢出吗?负责管理美国西部大坝的联邦机构美国垦务局将使用来自雷达系统的新数据来帮助控制大坝和水库的运营。费尔德曼指出：“当雨落在雪地上时，会出现一些非常可怕的情况。[2017 年在加利福尼亚发生的] 奥罗维尔大坝灾难只是众多此类例子中的一个。”
此外，其中一个天气雷达将位于科罗拉多州主要滑雪胜地 Vail Resorts 拥有的滑雪区，这将使户外爱好者和科学家受益。并且这项研究也将有助于水务公司和垦务局等正在试验人工影响天气技术(如播云)的组织。
其他联邦机构也加入进来
SAIL 收集的所有数据都将免费提供给研究人员。更重要的是，来自其他联邦机构的一群研究人员正在该地区开展实地活动，并辅以补充研究工作。
美国商务部机构国家海洋和大气管理局 (NOAA) 启动了一个名为 SPLASH 的项目，即降水、低层大气和水文气象学研究，以改善科罗拉多山脉及其他地区的天气和水预测。它还将在 SAIL 研究区域进行详细的大气协同观测。
美国地质调查局 (USGS) 是内政部的一个机构，开发了一个上科罗拉多州下一代水观测系统 (NGWOS)，以比以前更实惠、更快速的方式提供有关水量和水质的实时数据，并且在更多地点。
威廉姆斯指出：“对于一个单一的研究问题，即西方水资源的未来，整合多个联邦机构的研究人员的研究活动是非常罕见的。”
但挑战的规模，以及低雪到无雪未来的前景，需要科学家们全力以赴的应对。“我们需要了解我们前进面临的风险范围，”费尔德曼说。“‘无模拟未来’这个词对我们来说非常重要。”
