Das sich erwärmende Klima wird den Stromfluss im Nordosten beeinflussen, sagt die Studie

In den letzten 25 Jahren hat der Nordosten landesweit die größte Zunahme extremer Niederschläge erlebt. Vorherige Recherche hat gezeigt, dass die Menge extremer Niederschläge – Regen oder Schnee, die an einem Tag zu 2,5 bis 5 cm Wasser führen – in den letzten 25 Jahren um fast 50 % größer war als von 1901 bis 1995.

Eine neue Dartmouth-Studie gibt Aufschluss darüber, wie Niederschlags- und Temperaturänderungen aufgrund der globalen Erwärmung den Stromfluss und Überschwemmungen im Nordosten beeinflussen. Die Ergebnisse werden im veröffentlicht Zeitschrift der American Water Resources Association.

Die Forscher untersuchten, wie sich Niederschläge, einschließlich Schneefall, Winterregen auf Schnee, Schneeschmelze im Frühling und Bodenbeschaffenheit, auf den Abfluss auswirken. Sie konzentrierten sich auf vier Wassereinzugsgebiete im Nordosten: den Mattawamkeag River im Nordosten von Maine; der Dead Diamond River im Norden von New Hampshire; der White River im Osten von Vermont; und der Shenandoah River in West Virginia.

Der Stromfluss in den drei nördlichen Wassereinzugsgebieten wird stark von der Schneeschmelze beeinflusst, während das Einzugsgebiet des Shenandoah River stärker von Regenfällen betroffen ist. Alle vier Wassereinzugsgebiete wurden ausgewählt, weil sie unregulierte Flüsse sind, was bedeutet, dass der Stromfluss nicht durch einen Damm kontrolliert wird, und eine Reihe von Breitengraden umfassen.

Für den ersten Teil der Studie erstellte das Team ein maschinelles Lernmodell aus den historischen Beziehungen zwischen dem Stromfluss und Faktoren, darunter: Temperatur; Niederschlag (Niederschlag versus Schnee); der „vorhergehende Niederschlagsindex“ oder wie viel Feuchtigkeit vor einem Sturm im Boden gespeichert ist; der „standardisierte Niederschlagsindex“, der zur Charakterisierung von Nass- und Trockenperioden verwendet wird; und Stromfluss.

Sie stützten sich auf mehr als 95 Jahre historische Klimadaten von 1915 bis 2011 sowie auf Strömungsdaten des US Geological Survey und Schneehöhenbeobachtungen des Northeast Regional Climate Center.

„Sowohl der vorhergehende Niederschlagsindex als auch der standardisierte Niederschlagsindex sind im Grunde ein Maß dafür, wie nass die Landoberfläche bereits ist, was sich auf Abfluss und Strömung auswirkt“, sagt Erstautorin Charlotte Cockburn, Guarini ’21, die Masterstudentin der Geowissenschaften in Dartmouth war zum Zeitpunkt der Recherche.

„Wenn Sie einen wirklich großen Regensturm auf einer relativ trockenen Oberfläche haben, kann viel Wasser vom Boden absorbiert werden, aber wenn Sie mehrere Regenstürme haben, die zu einem wirklich großen Regensturm führen, ist im Boden kein Platz für das Wasser. was einen höheren Stromfluss erzeugt.“

Genau das geschah im August 2011, als der Hurrikan Irene, in weiten Teilen Neuenglands als Tropensturm Irene bekannt, verheerende Überschwemmungen, mehrere Todesopfer und Schäden in Milliardenhöhe verursachte, stellt Cockburn fest.

Um den Stromfluss in den Monaten November bis Mai der kalten Jahreszeit vorherzusagen, verwendete das Team die Durchschnittstemperatur, den dreitägigen und 30-tägigen Niederschlag sowie den dreitägigen und 30-tägigen Schneefall als Variablen in seinem Modell. Sie erstellten ein Untermodell, um die Schneeschmelze zu simulieren. Das Modell betrachtet ein bestimmtes Datum, beispielsweise den 1. April 2009, und sagt dann den Abfluss basierend auf den Modellvariablen voraus.

„Zum Kontext: Der höchste Stromfluss in den nordöstlichen Wassereinzugsgebieten tritt tendenziell im Frühjahr auf, eigentlich genau jetzt, wenn es Schneeschmelze gibt, größere Niederschlagsereignisse als im Winter, keine Vegetation, die Wasser aus dem Boden zieht, und wenn der Boden ist entweder gesättigt oder gefroren“, sagt Seniorautor Jonathan Winter, außerordentlicher Professor für Geographie in Dartmouth.

Wie die Forscher in der Studie erklären, besteht eines der Rätsel bei dem Modell darin, dass es auf historischen Daten basiert und darauf trainiert ist, sich auf die Schneedecke als wichtigen Treiber für die Vorhersage des Stromflusses in der kalten Jahreszeit zu verlassen.

Wenn das Modell also auf zukünftige Daten trifft, an denen es aufgrund der globalen Erwärmung zu einer geringeren Schneedecke kommen wird, sagt es eine Abnahme des Stromflusses voraus. Aber wie Cockburn erklärt: „Die Modelle erfassen die Dynamik von winterlichen Änderungen des Stromflusses nicht genau, weil sie auf die Vergangenheit trainiert sind und wir erwarten, dass Regen in einer Welt, die aufgrund des Klimawandels wärmer ist, ein viel wichtigerer Treiber sein wird Winterstrom.“

Für den zweiten Teil der Studie forcierte das Team das maschinelle Lernmodell mit einer Projektion des Klimas von 2070 bis 2099, um zu sehen, was mit dem Stromfluss in einem zukünftigen Klima passiert.

Die wichtigsten Erkenntnisse sind:

„Wenn der Nordosten feuchtere Böden und mehr schwere Regenfälle bekommt, wie Klimamodelle vorhersagen, wird der Nordosten einen erhöhten Stromfluss und ein höheres Überschwemmungsrisiko haben“, sagt Winter.

Im vergangenen Winter hatte der Nordosten aufgrund von Temperaturen, die mehr als 4 Grad Fahrenheit wärmer als der Durchschnitt waren, eine unter der normalen Schneedecke liegende Schneedecke.

„Den Winter, den wir gerade hatten, werden wir in Zukunft öfter erleben. Er ist ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird“, sagt Winter. „Unsere Analyse zeigt jedoch überraschenderweise, dass Schnee im Nordosten relativ wenig ausmacht im Vergleich dazu, wie empfindlich der Stromfluss auf Niederschlag reagiert.“

Winter sagt: „Angesichts des Klimawandels ist es wichtig zu verstehen, wie sich der Stromfluss in einem wärmeren und feuchteren Klima ändern kann, da diese Dynamik Auswirkungen auf Überschwemmungen, Ökosysteme, Wasserressourcen und Wasserkraft hat.“