La « mégasécheresse » qui a touché le système du fleuve Colorado cette année a été dévastatrice pour les 40 millions de personnes qui en dépendent pour leur eau. Mais cette sécheresse était-elle prévisible ? Pourra-t-on prédire la prochaine ?

Les bassins versants de montagne fournissent 60 à 90 % des ressources en eau dans le monde, mais il y a encore beaucoup de choses que les scientifiques ignorent sur les processus physiques et les interactions qui affectent l'hydrologie dans ces écosystèmes. Et ainsi, les meilleurs modèles informatiques du système terrestre peinent à prédire le moment et la disponibilité des ressources en eau émanant des montagnes.

Aujourd'hui, une équipe de scientifiques du département américain de l'Énergie dirigée par Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) vise à combler cette lacune, avec une campagne ambitieuse de collecte d'une vaste gamme de mesures qui permettront aux scientifiques de mieux comprendre l'avenir de l'eau en Occident. La campagne du Laboratoire de terrain intégré à l'atmosphère de surface (SAIL) débutera le 1er septembre. lorsque les scientifiques actionnent l'interrupteur sur une multitude de machines qui ont été amassées dans le bassin supérieur du fleuve Colorado.

Au cours de deux chutes, deux hivers, deux ressorts, et un été, plus de trois douzaines d'instruments scientifiques, y compris une variété de radars, lidar, appareils photo, des ballons, et d'autres équipements à la pointe de la technologie - collectera un trésor de données sur les précipitations, vent, des nuages, aérosols, énergie solaire et thermique, Température, humidité, ozone, et plus. Ces données peuvent ensuite être utilisées pour dynamiser les capacités des modèles du système terrestre et répondre à de nombreuses questions scientifiques sur la façon dont, Pourquoi, où, et quand la pluie et la neige tomberont. En étroite collaboration avec des chercheurs spécialisés dans la surface et le sous-sol de la Terre, la campagne SAIL aidera la communauté scientifique à comprendre comment les montagnes extraient l'humidité de l'atmosphère, puis traitent l'eau jusqu'au substrat rocheux sous la surface de la Terre. Finalement, cela fournira aux scientifiques les outils nécessaires pour mieux prédire la disponibilité future de l'eau.

« Le cours supérieur du fleuve Colorado alimente plus d'un billion de dollars en activité économique et fournit une immense quantité d'énergie hydroélectrique, mais c'est très peu étudié par rapport à son importance, " a déclaré Daniel Feldman, scientifique du Berkeley Lab, l'enquêteur principal de SAIL. "Nous commençons à voir des conséquences vraiment dramatiques de l'évolution des ressources en eau, mais les détails de ce qui se passe réellement dans ces endroits d'où vient l'eau - ces détails comptent, et c'est ce sur quoi SAIL se concentre."

De l'Arctique aux Rocheuses

SAIL est une campagne de recherche gérée par l'installation utilisateur de mesure du rayonnement atmosphérique (ARM) du DOE, un contributeur clé à la recherche climatique avec ses observatoires climatiques fixes et mobiles situés aux États-Unis et dans le monde. Une grande partie de l'équipement utilisé dans SAIL vient de rentrer d'une expédition d'un an dans l'Arctique.

"SAIL est une campagne opportune en raison de la sécheresse en cours dans l'ouest des États-Unis, " a déclaré Sally McFarlane, Gestionnaire de programme DOE pour l'installation utilisateur ARM. "Le fleuve Colorado est particulièrement préoccupant car il fournit de l'eau à 40 millions de personnes. SAIL rassemble des données d'ARM et d'autres programmes de recherche du DOE pour aider à fournir des informations sur les processus atmosphériques et les interactions terre-atmosphère qui ont un impact sur la pluie et la neige dans le bassin versant supérieur du fleuve Colorado. »

SAIL est vraiment un large, effort collaboratif. ARM est co-géré par neuf laboratoires nationaux du DOE; Los Alamos National Lab dirige la gestion globale et les opérations de l'observatoire mobile ARM tandis que les scientifiques de plusieurs autres laboratoires du DOE, dont Argonne, Brookhaven, Nord-ouest pacifique, et les laboratoires nationaux d'Oak Ridge, travailler en étroite collaboration avec Los Alamos et Berkeley Lab pour soutenir la science et les opérations de SAIL. Un certain nombre de chercheurs universitaires de la Colorado State University, UC Berkeley, UC Irvine, UC Davis, Université d'État de l'Oregon, Université de l'Indiana, Université d'État de Pennsylvanie, Université de l'Utah, Institut de recherche sur le désert, et Boise State University sont également impliqués dans la recherche.

Les instruments sont pour la plupart logés dans de grands conteneurs situés dans la pittoresque ville de montagne de Gothic, Colorado, une ancienne ville minière près de Crested Butte, Colorado. L'installation est hébergée par le Rocky Mountain Biological Laboratory, qui se consacre à la recherche sur les écosystèmes de haute altitude. Une équipe de trois techniciens surveillera les instruments 24 heures sur 24.

« C'est une opportunité profonde et incroyablement unique et représente une expérience unique en son genre dans les systèmes montagneux du monde entier, relier les processus de l'atmosphère jusqu'au substratum rocheux, " a déclaré Ken Williams, scientifique du Berkeley Lab, le chercheur principal sur place pour SAIL.

SAIL science :de meilleurs modèles pour répondre aux questions difficiles

Disposer de ce volume de données à une large gamme d'échelles spatiales et temporelles permettra aux scientifiques de commencer à comprendre les processus physiques qui peuvent affecter l'hydrologie des montagnes et de répondre à des questions telles que la façon dont la poussière, incendies, sécheresse chaude, mortalité des arbres, et d'autres phénomènes pourraient affecter le bassin versant. Finalement, les données seront introduites dans les modèles du système terrestre afin qu'ils puissent « obtenir le bon équilibre hydrique ».

"Nos modèles qui prédisent ce que sera l'eau future—leur résolution est maintenant d'environ 100 kilomètres [62 miles], mais il y a beaucoup d'activité qui se passe dans 100 kilomètres, beaucoup de variabilité du terrain, beaucoup de différences dans les précipitations, et les processus de surface et souterrains, " Feldman a dit. " Alors vraiment la question est, quels sont tous les détails qui doivent entrer dans ces grands modèles, afin que nous puissions les amener à obtenir le bon équilibre hydrique? Et c'est pourquoi c'est vraiment passionnant :nous allons mesurer les entrées et les sorties à un niveau fondamental pour développer un ensemble de données de référence pour la communauté scientifique afin d'évaluer et d'améliorer leurs modèles. »

Le programme de recherche sur le système atmosphérique (ASR) du DOE travaille en étroite collaboration avec ARM pour améliorer la compréhension des processus clés qui affectent l'équilibre radiatif et le cycle hydrologique de la Terre.

« Les projets de recherche ASR pendant la campagne SAIL nous aideront à en savoir plus sur le cloud, aérosol, précipitation, et les processus de rayonnement qui affectent le cycle de l'eau dans le bassin versant supérieur du fleuve Colorado, " a déclaré Jeff Stehr, un gestionnaire de programme du DOE pour l'ASR. "Finalement, ce travail nous aidera à améliorer les modèles climatiques afin qu'ils puissent être utilisés pour mieux comprendre, prédire, et planifier les menaces qui pèsent sur les ressources en eau dans l'Ouest aride et dans le monde."

SAIL s'appuie sur les efforts substantiels que Berkeley Lab a déjà entrepris dans ce domaine :il dirige des études de terrain dans le bassin versant de l'East River du Colorado Upper Gunnison Basin depuis 2014, dans le cadre du projet Watershed Function Scientific Focus Area financé par le DOE. SAIL s'appuiera sur cet effort de recherche, rassemblant un large éventail de disciplines scientifiques pour créer le premier laboratoire de terrain intégré au monde du substratum rocheux à l'atmosphère.

"Pour que des hydrologues travaillent avec des scientifiques des processus de précipitation, des chercheurs sur les aérosols travaillant avec des chercheurs sur le processus de la neige, c'est une partie vraiment importante ici, et c'est unique et excitant, " a déclaré Feldman.

Certaines des questions pratiques auxquelles la campagne SAIL pourrait aider à répondre comprennent :

• Comment prévoyons-nous un avenir de faible neige ou de chutes de neige se transformant en précipitations ? « Notre planification pour le fleuve Colorado est en grande partie basée sur des conditions météorologiques historiques qui pourraient changer, de la neige à la pluie, " a déclaré Feldman.
• Comment les activités et les perturbations dans la forêt affectent-elles la qualité et la disponibilité de l'eau ? "Il ne s'agit pas seulement du volume total d'eau sortant de ces systèmes, ", a déclaré Williams. "Nous examinerons également comment les activités terrestres, telles que les incendies de forêt et la gestion des forêts, affectent les concentrations de constituants dans l'eau et la qualité globale de l'eau."
• Les barrages déborderont-ils ? Le Bureau of Reclamation des États-Unis, l'agence fédérale chargée de la gestion des barrages dans l'ouest des États-Unis, utilisera les nouvelles données provenant du système radar pour aider à contrôler les opérations de barrage et de réservoir. Feldman a noté :« Il y a eu des situations assez effrayantes qui se sont produites lorsque la pluie tombe sur la neige. La catastrophe du barrage d'Oroville [en Californie en 2017] n'est qu'un exemple parmi tant d'autres.

En outre, l'un des radars météo sera situé sur un domaine skiable appartenant à Vail Resorts, une importante station de ski du Colorado, ce qui pourrait profiter aux amateurs de plein air ainsi qu'aux scientifiques. Et la recherche sera également utile aux organisations telles que les services d'eau et le Bureau of Reclamation qui expérimentent des technologies de modification du temps, comme l'ensemencement des nuages.

D'autres agences fédérales se joignent au mouvement

Toutes les données collectées par SAIL seront librement accessibles aux chercheurs. Quoi de plus, une multitude de chercheurs d'autres agences fédérales entreprennent des campagnes sur le terrain dans le domaine avec des efforts de recherche complémentaires.

La National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), une agence du ministère du Commerce, a lancé un projet appelé SPLASH, ou l'étude des précipitations, la basse atmosphère et la surface pour l'hydrométéorologie, pour améliorer les prévisions météorologiques et hydrologiques dans les montagnes du Colorado et au-delà. Il effectuera également des co-observations atmosphériques détaillées dans la zone d'étude de SAIL.

Le Service géologique des États-Unis (USGS), une agence du ministère de l'Intérieur, a développé un système d'observation de l'eau de nouvelle génération dans l'Upper Colorado (NGWOS) pour fournir des données en temps réel sur la quantité et la qualité de l'eau de manière plus abordable et plus rapide qu'auparavant, et dans plus d'endroits.

"C'est assez rare pour une seule question de recherche, l'avenir de l'eau en Occident, intégrer les activités de recherche des chercheurs de plusieurs agences fédérales, " a noté Williams.

Mais l'ampleur du défi, et la perspective d'un avenir avec peu ou pas de neige, n'appelle rien de moins qu'une réponse de tous les scientifiques sur le pont. "Nous devons comprendre l'éventail des risques auxquels nous sommes confrontés à l'avenir, " Feldman a déclaré. "Le terme" avenir non analogique "est vraiment important pour nous."