Liegt Schnee in diesem Baum? Citizen Science hilft, die Auswirkungen von Schnee auf die Wasserversorgung im Sommer aufzudecken

Der Schnee, der in den Bergen fällt, ist gut für mehr als nur Skifahren, Schneeschuhwandern und atemberaubende Ausblicke. Die Schneedecke, die es erzeugt, wird schließlich schmelzen, und dieses Wasser kann für Wasserkraft, Bewässerung und Trinkwasser verwendet werden.

Forscher wollen anhand der Schneedecke vorhersagen, wie viel Wasser wir später im Jahr bekommen werden. Aber in bewaldeten Regionen beeinflussen die Bäume die Berechnungen. Wenn fallender Schnee von Bäumen aufgefangen wird, gelangt er manchmal nie auf den Boden, und die aktuellen Modelle haben Schwierigkeiten, vorherzusagen, was passieren wird.

Um die Modelle zu verbessern und zu untersuchen, was mit diesem abgefangenen Schnee passiert, haben Forscher der University of Washington ein Bürgerwissenschaftsprojekt namens Snow Spotter ins Leben gerufen. Die Teilnehmer sahen sich Zeitrafferfotos aus Colorado und Washington an und beschrifteten Fotos, die aufgenommen wurden, als Bäume Schnee in ihren Zweigen hatten. Diese Informationen lieferten einen ersten Eindruck davon, wie die Wechselwirkungen zwischen Schneebäumen zwischen den Klimazonen variieren könnten und wie sich dies auf die Vorhersagen der sommerlichen Wasserversorgung auswirken könnte.

Das Team veröffentlichte diese Ergebnisse am 18. Mai in AGU Wasserressourcenforschung.

„Als Skifahrer oder Schneebegeisterte wissen wir, dass der Schnee in Colorado im Vergleich zu Washington wirklich anders ist. Aber bis jetzt gab es keine einfache Möglichkeit, zu beobachten, wie sich diese Unterschiede in den Baumkronen auswirken“, sagte Lead Autorin Cassie Lumbrazo, eine UW-Doktorandin, die Bau- und Umweltingenieurwesen studiert. „Dieses Projekt setzt Freiwillige ein, um konkrete Daten zu diesen Unterschieden zu erhalten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass unsere Freiwilligen erfahren, wie Forschung funktioniert und was Schneehydrologie ist.“

Es gibt drei mögliche Szenarien für Schnee, der von Bäumen erfasst wurde. Es könnte als Schnee zu Boden fallen und die aktuelle Schneedecke verstärken. Es könnte weggeblasen werden und sich in Wasserdampf verwandeln und somit der Schneedecke nichts hinzufügen. Oder der Schnee könnte schmelzen und auf den Boden tropfen, was je nach Bedingungen zur Gesamtmenge an Wasser in der Schneedecke beitragen kann oder nicht.

Ein aktuelles Problem bei den mathematischen Modellen, die diese Prozesse beschreiben, besteht darin, dass die Forscher den Zeitpunkt nicht kennen – wie oft liegt im Laufe eines Jahres Schnee in den Bäumen und was passiert damit? – und wie dieser Zeitpunkt variiert verschiedene Klimazonen.

Aber Zeitrafferkameras können aufzeichnen, was an abgelegenen Orten passiert, indem sie über Jahre hinweg stündlich Fotos machen und so einen riesigen Bilddatensatz erstellen.

Hier kommen die Citizen Scientists ins Spiel. Snow Spotter zeigt Freiwilligen ein Foto mit der Frage: „Liegt Schnee in den Ästen?“ Die Freiwilligen wählen dann „Ja“, „Nein“, „Unsicher“ oder „Es ist dunkel“, bevor sie zum nächsten Foto übergehen.

Mit Snow Spotter scannten insgesamt 6.700 Citizen Scientists 13.600 Bilder von einer Reihe von Standorten im Westen der Vereinigten Staaten. Das Team konzentrierte sich für diese Studie auf vier Standorte: Mount Hopper, Washington; Niwot Ridge, Colorado; und zwei verschiedene Standorte in Grand Mesa, Colorado.

„Als das Projekt begann, wusste wohl niemand wirklich, wie erfolgreich es werden würde“, sagte Lumbrazo, der derzeit im Rahmen des Valle Scholarship & Scandinavian Exchange Program in Norwegen forscht. „Aber Citizen Scientists haben es so schnell verarbeitet, dass uns ständig die Bilder ausgingen, die die Leute klassifizieren konnten. Wir haben Rückmeldungen erhalten, dass diese Aufgabe wirklich entspannend ist. Citizen Scientists können diese Fotos in der Zooniverse-App abrufen und einfach darauf sitzen auf die Couch und klick dich ganz schnell durch.“

Jedes Foto wurde von neun bis 15 verschiedenen Freiwilligen klassifiziert, und die Freiwilligen waren sich in 95 % bis 98 % der Fälle einig. Von dort aus konnten die Forscher für jeden Standort rekonstruieren, wie der Schnee in den Bäumen im Laufe des Jahres aussah.

„Unsere Daten zeigen physikalisch den Unterschied im Schnee“, sagte Lumbrazo. „Sie können sehen, wie der Schnee in Washington einfach in den Baumkronen zementiert und nie verschwindet, so fühlt es sich an, wenn Sie auf diesem Schnee Ski fahren. Im Gegensatz zum Schnee in Colorado, wo es häufig Schneefall gibt, aber es weht weg. Es ist trocken und staubig.“

Anhand dieses Datensatzes werteten die Forscher aktuelle Schneemodelle aus. Eine Einschränkung ist jedoch, dass das Team derzeit nur weiß, wann Schnee in den Bäumen liegt. Diese Methode sagt nicht aus, wie viel Schnee in den Bäumen liegt, eine weitere Komponente, die benötigt wird, um die Modelle noch besser zu machen.

„Aber eine Einschränkung, die es nicht gibt, ist die Anzahl der Bürgerwissenschaftler, die bereit sind, diese Bilder zu verarbeiten“, sagte Lumbrazo. „Wir haben unzählige Freiwilligenstunden für Studenten vereinbart, und am Ende führen sie sogar einige großartige Diskussionen über bestimmte Bilder, und es wird eher zu einem wissenschaftlichen Gespräch.“

Darüber hinaus könnte der von diesen Freiwilligen generierte Datensatz verwendet werden, um einen maschinellen Lernalgorithmus zu trainieren, um in Zukunft Bilder zu klassifizieren, sagte das Team.

Die Forscher arbeiten daran, ihren Bilddatensatz um Fotos aus der ganzen Welt zu erweitern, damit sie weiterhin lernen können, wie sich unterschiedliche Klimazonen und Niederschlagsmuster auf die Schneedecke auswirken, was auch dazu beitragen wird, die Modelle genauer zu machen.

Weitere Co-Autoren sind Andrew Bennett und William „Ryan“ Currier, die beide diese Forschung als Doktoranden der UW für Bau- und Umweltingenieurwesen abgeschlossen haben; und Bart Nijssen und Jessica Lundquist, beide UW-Professoren für Bau- und Umweltingenieurwesen. Snow Spotter wurde von Max Mozer entwickelt, der dieses Projekt als UW-Student begann, der Bau- und Umweltingenieurwesen studierte.

Bereitgestellt von der University of Washington