Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs den ursprungliga artikeln.
Kalifornien förbereder sig för ett tredje år av torka i rad, och tjänstemän skärper gränserna för vattenanvändning till nivåer som aldrig setts så tidigt under vattenåret. De flesta av statens vattenreservoarer ligger långt under genomsnittet, med flera på mindre än en tredjedel av sin kapacitet. Utsikterna för regn och snö i vinter, när det mesta av delstatens årliga nederbörd kommer, är inte lovande.
Särskilt oroande är utsikterna för Sierra Nevada, den långa bergskedjan som går genom den östra delen av staten. Kaliforniens städer och dess gårdar – som odlar över en tredjedel av landets grönsaker och två tredjedelar av dess frukt och nötter – är beroende av avrinning från bergens snöpackning för vatten.
Som ingenjör har jag studerat Kaliforniens vatten och klimat i över 30 år. En närmare titt på Kaliforniens vattenresurser visar utmaningen som ligger framför oss och hur klimatförändringarna utsätter statens vattenförsörjning och jordbruk i större risk.
Där Kalifornien får sitt vatten
I hela staten faller Kalifornien i genomsnitt cirka två fot nederbörd per år, cirka två tredjedelar av det globala genomsnittet, vilket ger staten som helhet ett halvtorrt klimat.
Majoriteten av Kaliforniens regn och snö faller i bergen, främst på vintern och våren. Men jordbruk och kuststäder behöver det vattnet för att ta sig igenom de torra somrarna. För att få vatten att torka södra Kalifornien och hjälpa till med översvämningskontroll i norr, har Kalifornien under det senaste århundradet utvecklat ett statligt system av reservoarer, tunnlar och kanaler som tar vatten från bergen. Det största av dessa projekt, State Water Project, levererar vatten från norra Sierra med mer nederbörd till den södra delen av staten.
En del av Kaliforniens akvedukt inom State Water Project. Foto med tillstånd av Ken James/California Department of Water Resources
För att spåra var vattnet går är det användbart att titta på volymen i tunnland. Kalifornien har en yta på cirka 100 miljoner tunnland, så med två fot per år är dess årliga nederbörd i genomsnitt cirka 200 miljoner tunnland.
Av dessa 200, i genomsnitt bara cirka 80 miljoner hektar meter nedströms. Mycket av vattnet återgår till atmosfären genom evapotranspiration av växter och träd i Sierra Nevadas eller North Coast-skogarna. Av de 80 miljoner tunnland som rinner av finns ungefär hälften kvar i vattenmiljön, såsom floder som rinner ut i havet. Det lämnar cirka 41 miljoner acre-fot för nedströms användning. Cirka 80 procent av det går till jordbruk och 20 procent till stadsbruk.
Under våta år kan det finnas mycket mer än 80 miljoner tunnland vatten tillgängligt, men under torra år kan det vara mycket mindre.
År 2020, till exempel, var Kaliforniens nederbörd mindre än två tredjedelar av genomsnittet, och State Water Project levererade bara fem procent av de kontrakterade mängderna. Statens andra huvudsakliga akveduktsystem som flyttar vatten runt staten minskade också sina försörjningar kraftigt.
Vattenåret 2021, som avslutades den 30 september, var ett av de tre torraste någonsin för Sierra Nevada. Nederbörden var cirka 44 procent av genomsnittet. Med begränsad nederbörd i december 2021 och staten i extrem torka, minskade State Water Project sina preliminära tilldelningar för vattenmyndigheter till noll procent för 2022, med små mängder som fortfarande strömmar för hälso- och säkerhetsbehov.
Även om förhållandena kan förbättras om fler stormar kommer under de kommande tre månaderna, pekar den officiella National Oceanic and Atmospheric Administrations utsikter på att nederbörd under normal är mer sannolikt än över normalt.
California State Water Plan 2018.
Torka och ett värmande klimat
Fleråriga torrperioder, när den årliga nederbörden är under genomsnittet, är ett inslag i Kaliforniens klimat, men stigande globala temperaturer påverkar också.
Under de senaste 1 100 åren har det varit minst en torrperiod på fyra år eller längre varje århundrade. Det har varit två under de senaste 35 åren—1987-92 och 2012-15. Ett varmare klimat förstärker effekten av dessa torra perioder, eftersom torrare jord och torrare luft stressar både naturlig vegetation och grödor.
Stigande globala temperaturer påverkar avrinning från Sierra Nevada, som står för över 60 procent av Kaliforniens utvecklade vattenförsörjning.
Över 80 procent av avrinningen i centrala och södra Sierra Nevada kommer från snözonen. I den blötare men lägre höjden i norra Sierra, bidrar nederbörden till över en tredjedel av den årliga avrinningen.
Den genomsnittliga snölinjen, den höjd över vilken mest nederbörd är snö, går från cirka 5 000 fots höjd i norr till 7 000 fot i söder. I genomsnitt kan varje uppvärmning på 1,8 grader Fahrenheit (1 Celsius) pressa snögränsen ytterligare 500 fot högre, vilket minskar den totala snön.
Skift från snö till regn och tidigare avrinning innebär också att mer av kapaciteten bakom befintliga dammar kommer att allokeras till översvämningskontroll, vilket ytterligare minskar deras kapacitet för säsongsbetonad lagring av vattenförsörjning.
En del av Shasta Lake, Kaliforniens största reservoar, den 28 oktober 2021. Foto med tillstånd av Andrew Innerarity/California Department of Water Resources.
Uppvärmningen kommer också att öka efterfrågan på vatten från skogarna när växtsäsongerna förlängs och driver på både torkastress, vilket leder till träddödlighet och ökad risk för svåra skogsbränder.
Hållbarhet i ett värmande klimat
Vattenlagring är central för Kaliforniens vattensäkerhet.
Samhällen och gårdar kan pumpa mer grundvatten när tillgången är låg, men staten har pumpat ut mer vatten än det fyllt på under våta år. Delar av delstaten är beroende av vatten från Coloradofloden, vars dammar ger flera års vattenlagring, men bassängen saknar avrinning för att fylla dammarna.
Allmänhetens motstånd har gjort det svårt att bygga nya dammar, så bättre användning av grundvatten för både säsongs- och flerårig lagring är avgörande.
Statens lag om hållbar grundvattenförvaltning kräver att lokala myndigheter utvecklar hållbarhetsplaner. Det ger ett visst hopp om att pumpning och påfyllning av grundvatten kan bringas i balans, troligen genom att lämna en del odlingsmark oplanterad. Hanterad akviferladdning söder om Sacramento-San Joaquindeltat expanderar gradvis och mycket mer kan göras.
Om staten inte gör mer, inklusive taktik som att tillämpa avsaltningsteknik för att göra saltvatten användbart, kan stadsområden förvänta sig att de 25 procents nedskärningar av vattenanvändningen som infördes under torkan 2012-15 blir vanligare och potentiellt ännu djupare.
Kaliforniens vattenresurser kan ge en hälsosam miljö, robust ekonomi och hållbar jordbruksanvändning. För att uppnå detta kommer det att krävas uppgradering av både naturlig infrastruktur – utsprångsskogar, översvämningsslätter och grundvattenpåfyllning i jordbruksområden – och byggd infrastruktur, såsom kanaler, utsläpp och vallar. Informationen är tillgänglig; nu måste tjänstemännen följa upp. 
Roger Bales är en framstående professor i teknik och grundande fakultetsmedlem vid UC Merced, och har varit aktiv inom vatten- och klimatrelaterad forskning i över 30 år.
