Zu Beginn des neuen Jahres 1997 veränderte sich der Truckee River. Bisher war die Wintersaison reich an Schnee, aber als ein subtropischer Sturm aus der Nähe der Hawaii-Inseln hereinbrach, brachte er für die Jahreszeit ungewöhnlich warmen Regen mit sich. Die warmen Regenfälle und die Schneeschmelze ließen die Flüsse anschwellen, wobei der Truckee einen Großteil der Innenstadt von Reno unter Wasser begrub. Bei der fast eine Milliarde US-Dollar schweren Katastrophe kamen zwei Menschen ums Leben, und es war weder das erste noch das letzte Mal, dass warme Regenfälle schwere Überschwemmungen in der Region auslösten.
Diese Art von Stürmen, sogenannte „Regen-auf-Schnee“-Stürme, kann zu Flussabflüssen führen, die um 50–80 % höher sind als die typische Schneeschmelze im Frühling. Städte in Nevada, die sich an die dramatischen Gipfel der Sierra Nevada schmiegen, sind durch diese Stürme besonders stark gefährdet: In Reno und Carson City gibt es bereits 1862 und erst 2017 Aufzeichnungen über Überschwemmungen im Zusammenhang mit diesen Stürmen Diese Stürme werden auftreten und das Überschwemmungsrisiko bleibt für Wissenschaftler eine Herausforderung. Anne Heggli, Ph.D., vom Desert Research Institute (DRI), hat es sich zur Aufgabe gemacht, das zu ändern.
Hegglis Fokus auf Regen-auf-Schnee begann schon früh in ihrer Doktorarbeit. Nachdem sie von einem Wasserverwalter angesprochen worden war, der ihr gesagt hatte, dass diese warmen Stürme das Gefühl hätten, im Blindflug zu fliegen, habe sie ihre Studien abgeschlossen. „Sie hatten keine Ahnung, wie die Schneedecke reagieren würde“, sagte Heggli.
Zu verstehen, wie man vorhersagen kann, wann es zu Überschwemmungen kommen wird oder nicht, ist nicht nur für die öffentliche Sicherheit wichtig, sondern auch für den Wasserschutz. Dies liegt daran, dass Wasserverwalter Wasser aus Stauseen entnehmen, wenn Überschwemmungen zu erwarten sind, und es flussabwärts freigeben, um Platz für die einströmenden Wasserströme zu schaffen. Wenn Wasserverwalter mit einer Überschwemmung rechnen, die nie eintritt, wird das freigesetzte Wasser nicht wieder aufgefüllt, sodass den Gemeinden in der bevorstehenden langen Trockenzeit weniger Wasser zur Verfügung steht. Dies ist besonders problematisch für Nevada, den trockensten Bundesstaat des Landes.
Vor diesem Hintergrund hatte Heggli den Schwerpunkt ihrer Doktorarbeit auf die Ermittlung der Wetter- und Schneedeckenbedingungen gelegt, die bei Regen-auf-Schnee-Stürmen zu Überschwemmungen führen.
Förderung des wissenschaftlichen Verständnisses von Regen-auf-Schnee-Stürmen
Hegglis Idee konzentrierte sich darauf, das bestehende Snow Telemetry (SNOTEL)-Netzwerk zu nutzen, um die Echtzeitbedingungen in den Bergen zu überwachen. Dieses Netzwerk verfügt über mehr als 800 automatisierte Wetterstationen, die über die Hochgebirge im Westen der USA verteilt sind. Jede Station überwacht die Schneedecke, den Niederschlag, die Temperatur und die Bodenbedingungen, um die Wasserversorgung vorherzusagen, da die Schneedecken in den Bergen zu den kritischsten zählen Wasserreservoirs in diesem Teil der Welt.
Jede dieser Stationen, so dachte Heggli, birgt ungenutztes Potenzial. Die durchgeführten Messungen wurden auf einer täglichen Zeitskala durchgeführt, tatsächlich wurden jedoch stündliche Daten erfasst, und diese Informationen könnten dabei helfen, mögliche Überschwemmungen vorherzusagen.
„Wir nutzen tatsächlich die täglichen Daten, aber die stündlichen Daten wurden nicht angewendet“, sagte Heggli. „Und ich hatte das Gefühl, dass es eine großartige Gelegenheit war, es zu analysieren, um einen Teil der Unsicherheit darüber zu beseitigen, wie die Schneedecke auf Regen reagiert, und um dabei zu helfen, die Menschen zu informieren, die unser Wasser in der Sierra Nevada verwalten.“
Die SNOTEL-Stationen in den Bergen der Sierra Nevada sind seit 2006 mit Bodenfeuchtigkeitssensoren ausgestattet, die nach Ansicht von Heggli Aufschluss darüber geben könnten, wie die Schneedecke zum Abfluss beiträgt.
„Wenn ein Regen-auf-Schnee-Ereignis auftritt und der Niederschlag durch die Schneedecke dringt, gibt es diese wirklich deutlichen Signale in den Bodenfeuchtigkeitsdaten, so dass man tatsächlich überprüfen kann, ob die Schneedecke Regenwasser oder Schneeschmelze abgibt“, sagt sie sagt.
„Die Daten zur Bodenfeuchtigkeit sind für meine Forschung von entscheidender Bedeutung, da ich erkennen kann, wann die Schneedecke Wasser abgibt, und mir dann die Schneedichte, die Lufttemperatur und den Niederschlag ansehen kann“, fuhr sie fort. „Auf diese Weise kann ich die Muster identifizieren, die jedes Mal vorhanden sind, wenn die Bodenfeuchtigkeit diese wirklich dramatischen Reaktionen zeigt, um die Zutaten zu finden, die wirkungsvollere Regen-auf-Schnee-Abflussereignisse hervorrufen.“
Hegglis Arbeit trägt dazu bei, Lücken in dem zu schließen, was Wissenschaftler über Regen-auf-Schnee-Stürme wissen, etwa woher die Bodenfeuchtigkeit kommt: Regen, schmelzender Schnee oder eine Kombination aus beidem?
„Es geht wirklich darum, herauszufinden, ob der Abfluss bei Regen-auf-Schnee-Ereignissen von der Schneeschmelze herrührt oder ob es sich nur um Regen und eine erhöhte Abflusseffizienz handelt?“ Sie sagt. „Was genau verursacht den Abfluss und warum ist er so gefährlich? Was sind die Zutaten eines perfekten Sturms für diese großen Regen-auf-Schnee-Überschwemmungen?“
Um diese Fragen zu beantworten, reiste Heggli bei Stürmen zum Central Sierra Snow Lab. Hier konnte sie Schneegruben graben, um zu sehen, wie Wasser durch die Schneedecke floss. Bei einem Besuch maß sie 9 cm Wasser an der Basis, das bis zum Zeitpunkt ihres Verlassens auf 13 cm anwuchs.
„Es zeigt wirklich, dass das Wasser nicht mehr in der Lage ist, sich durch den Boden zu bewegen und auf diese Weise in die Bäche zu gelangen – es bahnt sich nun seinen Weg über die Oberfläche“, sagt sie. „Und das ist etwas, das wirklich viele Überschwemmungen verursachen kann, weil es einfach viel schneller geht.“
„Annes Arbeit zur Untersuchung von Regen-auf-Schnee-Ereignissen ist eine spannende Anwendung von SNOTEL-Daten“, sagte Jeff Anderson, Nevada Water Supply Specialist beim Natural Resources Conservation Service (NRCS). „Das SNOTEL-Wetterstationsnetzwerk existiert, damit das NRCS den saisonalen Abfluss im Westen der Vereinigten Staaten vorhersagen kann. Um dieses Ziel zu erreichen, verlässt sich das NRCS auf qualitätsgeprüfte Tagesdaten aus dem SNOTEL-Netzwerk.“
„Regen-auf-Schnee-Ereignisse haben zu den schlimmsten Überschwemmungen in unserer Region geführt“, fuhr er fort. „Anne prüft und integriert stündliche SNOTEL-Daten von verschiedenen Sensoren methodisch auf Qualität, um vorherzusagen, wann die Bedingungen zu Überschwemmungen führen könnten. Dies ist ein wichtiger betrieblicher Fortschritt bei der Hochwasservorhersage, und es ist spannend zu sehen, wie NRCS-SNOTEL-Daten auf neue Weise angewendet werden können.“ zum Wohle der Öffentlichkeit.“
Partnerschaften, die umsetzbare Wissenschaft hervorbringen
Hegglis Arbeit zeichnet sich nicht nur durch die wissenschaftlichen Fortschritte aus, sondern auch durch ihre Herangehensweise. Sie arbeitete schon früh mit dem National Weather Service zusammen, um sicherzustellen, dass sie ein nützliches Tool zur Vorhersage von Regen auf Schnee entwickelte, um Entscheidungsträgern und Notfallmanagern vor Ort zu helfen. Im Rahmen eines Bildungspartnerschaftsprogramms namens COMET, das Universitätspartnerschaften mit NWS-Büros fördert, arbeitete sie mit dem Hydrologen Tim Bardsley zusammen, um ein Entscheidungsunterstützungstool zu entwickeln, das sein eigenes Büro letztendlich zur Überwachung des Überschwemmungsrisikos verwenden würde.
Laut Heggli war dies der Schlüssel zum Aufbau einer produktiven Arbeitsbeziehung, die sich auf die Erstellung von Forschungsergebnissen für die Interessengruppen konzentrierte.
„Annes Arbeit hat unser Verständnis von Regen auf Schnee erweitert und zeigt, wie schnell sich Regen selbst durch tiefe und kalte Schneedecken bewegen und sich auf die Bodenfeuchtigkeit, die Reaktion auf Bäche und das Hochwasserrisiko auswirken kann“, sagt Bardsley. „Die von Anne entwickelten Tools helfen uns bei NWS Reno und dem California Nevada River Forecast Center (CNRFC), Daten nahezu in Echtzeit schnell zu visualisieren, um Bereiche hervorzuheben, in denen sich wahrscheinlich Regen durch die Schneedecke bewegt Modelle funktionieren gut oder nicht so gut.
Das Ergebnis ist ein Tool, das eine Karte mit einer farbcodierten Risikoskala erstellt, die das Überschwemmungspotenzial in Echtzeit anzeigt. Derzeit wird das Tool den Heggli-Partnern NWS und NDOT zur Verfügung gestellt, damit diese Entscheidungen darüber treffen können, wie das Hochwasserrisiko an die Öffentlichkeit und die Wassermanager kommuniziert und Notfallressourcen vorbereitet werden sollen.
„Sie sind diejenigen, die auf Überschwemmungen reagieren und den Gemeinden helfen müssen“, sagt sie.
Die Karte deckt derzeit Kalifornien und Nevada ab, aber Heggli plant, sie auf alle SNOTEL-Stationen im Westen der USA auszudehnen. Sie plant außerdem, das Tool über ein Online-Portal mit dem Western Regional Climate Center des DRI öffentlich zugänglich und interaktiv zu machen.
„Im Moment zeigt das Tool, was auf dem Berg passiert, während es passiert“, sagt sie. „Aber wenn wir anfangen können, probabilistische Prognoseinformationen einzubringen, können wir die Ausbreitung von Niederschlag und Lufttemperatur an den verschiedenen Stationen sehen und dann anfangen zu kommunizieren: ‚Okay, wir haben eine 80-prozentige Chance, dass Regen auf Schnee abfließt.‘ tritt in diesen niedrigeren Lagen auf und liegt bei 20 % in den mittleren Lagen.“ Es wird dazu beitragen, Unsicherheiten zu reduzieren und vorherzusagen, was in ein paar Tagen passieren könnte, was dazu beitragen wird, die Wasserfreisetzung in Stauseen zu optimieren, ohne das Überschwemmungsrisiko zu erhöhen.“
Heggli betont, dass dieses Tool die einzige wirkliche Möglichkeit für Wissenschaftler ist, Informationen über das Überschwemmungspotenzial bei Stürmen zu erhalten, da Satellitendaten nicht mit der Wolkendecke funktionieren und Vorhersagemodelle häufig Ausreißerereignisse außer Acht lassen – „aber in der Sierra Nevada sind es diese Ausreißer.“ Ereignisse, die uns am meisten beeinflussen“, sagt sie.