محاكاة آثار العواصف الجليدية على النظم الإيكولوجية للغابات
Summary
العواصف الجليدية هي الأحداث الجوية الهامة التي تشكل تحديا للدراسة بسبب صعوبات في التنبؤ بوقوعها. هنا، نصف طريقة جديدة لمحاكاة العواصف الجليدية التي تنطوي على رش المياه على مظلة الغابات خلال ظروف تحت التجمد.
Abstract
ويمكن أن يكون للعواصف الجليدية آثار عميقة ودائمة على هيكل ووظائف النظم الإيكولوجية للغابات في المناطق التي تعاني من ظروف التجمد. وتشير النماذج الحالية إلى أن تواتر العواصف الجليدية وشدتها يمكن أن تزداد خلال العقود المقبلة استجابة للتغيرات المناخية، مما يزيد من الاهتمام بفهم آثارها. وبسبب الطبيعة العشوائية للعواصف الجليدية والصعوبات في التنبؤ بموعد ومكان حدوثها، استندت معظم التحقيقات السابقة للآثار الإيكولوجية للعواصف الجليدية إلى دراسات حالة عقب العواصف الكبرى. منذ العواصف الثلجية الشديدة هي أحداث نادرة للغاية من غير العملي لدراستها عن طريق انتظار حدوثها الطبيعي. هنا نقدم نهجا تجريبيا بديلا جديدا، ينطوي على محاكاة الأحداث الجليدية الصقيل على قطع أراضي الغابات في ظل الظروف الميدانية. مع هذه الطريقة، يتم ضخ المياه من مجرى أو بحيرة ورش فوق مظلة الغابات عندما تكون درجات حرارة الهواء أقل من التجمد. تمطر المياه وتتجمد عند ملامسة الأسطح الباردة. كما يتراكم الجليد على الأشجار، وboles فروع الانحناء وكسر. الضرر الذي يمكن أن يكون كميا من خلال مقارنات مع مواقف مرجعية غير المعالجة. النهج التجريبي الموصوف مفيد لأنه يتيح التحكم في توقيت وكمية الجليد المطبقة. إن خلق عواصف جليدية مختلفة التردد والكثافة يجعل من الممكن تحديد العتبات الإيكولوجية الحرجة اللازمة للتنبؤ بالآثار الناجمة عن العواصف الجليدية والاستعداد لها.
Introduction
العواصف الجليدية هي اضطراب طبيعي مهم يمكن أن يكون له آثار قصيرة وطويلة الأجل على البيئة والمجتمع. العواصف الثلجية الشديدة هي إشكالية لأنها تلحق الضرر بالأشجار والمحاصيل، وتعطيل المرافق، وإعاقة الطرق وغيرها من البنية التحتية1،2. الظروف الخطرة التي تخلقها العواصف الثلجية يمكن أن تسبب الحوادث التي تؤدي إلى إصابات ووفيات2. فالعواصف الجليدية باهظة التكلفة؛ خسائر مالية متوسط 313 مليون دولار سنويا في الولايات المتحدة (الولايات المتحدة)3, مع بعض العواصف الفردية تتجاوز 1 مليار دولار4. في النظم الإيكولوجية للغابات، يمكن أن يكون للعواصف الجليدية عواقب سلبية بما في ذلك انخفاض النمو ووفيات الأشجار5،6،7، زيادة خطر الحريق ، وانتشار الآفات ومسببات الأمراض8،9،10. ويمكن أن يكون لها أيضا آثار إيجابية على الغابات، مثل تعزيز نمو الأشجار الباقية على قيد الحياة5 وزيادة التنوع البيولوجي11. إن تحسين قدرتنا على التنبؤ بالآثار الناجمة عن العواصف الجليدية سيمكننا من الاستعداد بشكل أفضل لهذه الأحداث والاستجابة لها.
تحدث العواصف الجليدية عندما طبقة من الهواء الرطب، وهذا هو فوق التجمد، يتجاوز طبقة من الهواء تحت التجمد أقرب إلى الأرض. المطر يسقط من الطبقة الأكثر دفئا من التبريد الفائقة الهواء لأنها تمر عبر طبقة باردة، وتشكيل الجليد الصقيل عندما تترسب على الأسطح دون تجميد. في الولايات المتحدة، يمكن أن تنتج هذه الطبقات الحرارية من أنماط الطقس المتشابكة التي تتميز بها مناطق محددة12،13. الامطار المتجمدة هي الأكثر شيوعا بسبب الجبهات القطبية التي تتحرك جنوب شرقا عبر الولايات المتحدة قبل مضادة للدراجات الهوائية القوية13. في بعض المناطق، تساهم التضاريس في الظروف الجوية اللازمة للعواصف الجليدية من خلال سد الهواء البارد، وهي ظاهرة الأرصاد الجوية التي تحدث عندما يتجاوز الهواء الدافئ من عاصفة واردة الهواء البارد الذي يصبح مترسخًا إلى جانب سلسلة جبال14،15.
في الولايات المتحدة ، والعواصف الجليدية هي الأكثر شيوعا في “الحزام الجليدي” الذي يمتد من ولاية ماين إلى غربتكساس 16،17. كما تحدث العواصف الجليدية في منطقة صغيرة نسبياً في شمال غرب المحيط الهادئ، وخاصة حول حوض نهر كولومبيا في واشنطن وأوريغون. الكثير من التجارب في الولايات المتحدة على الأقل بعض الأمطار المتجمدة ، مع أكبر كميات في الشمال الشرقي حيث معظم المناطق المعرضة للجليد لديها متوسط سبعة أو أكثر من أيام الأمطار المتجمدة (أيام خلالها حدث ما لا يقل عن ساعة واحدة من الامطار المتجمدة) سنويا16. العديد من هذه العواصف طفيفة نسبيا، على الرغم من أن العواصف الجليدية أكثر كثافة تحدث، وإن كان مع فترات تكرار أطول بكثير. على سبيل المثال، في نيو إنجلاند، يتراوح النطاق في سمك الجليد الشعاعي من 19 إلى 32 مم للعواصف التي يبلغ عدد مرات تكرارها 50 سنة18. وتشير الأدلة التجريبية إلى أن العواصف الجليدية أصبحت أكثر تواترا في خطوط العرض الشمالية وأقل تواترا إلى الجنوب19،20،21. ومن المتوقع أن يستمر هذا الاتجاه استنادا إلى المحاكاة الحاسوبية باستخدام توقعات تغير المناخ في المستقبل22،23. ومع ذلك، فإن نقص البيانات والفهم المادي يجعل من الصعب اكتشاف الاتجاهات في العواصف الجليدية وتوقّعها أكثر من الأنواع الأخرى من الأحداث المتطرفة24.
وبما أن العواصف الجليدية الكبرى نادرة نسبياً، فإنها تشكل تحدياً للدراسة. ومن الصعب التنبؤ بموعد ومكان حدوثها، ومن غير العملي عموماً “مطاردة” العواصف لأغراض البحث. ونتيجة لذلك، كانت معظم دراسات العواصف الجليدية تقييمات غير مخطط لها بعد الحوادث التي جرت في أعقاب العواصف الكبرى. هذا النهج البحثي ليس مثاليا بسبب عدم القدرة على جمع البيانات الأساسية قبل العاصفة. وبالإضافة إلى ذلك، قد يكون من الصعب العثور على مناطق غير متأثرة للمقارنة مع المناطق المتضررة عندما تغطي العواصف الجليدية نطاقًا جغرافيًا كبيرًا. وبدلا من انتظار حدوث العواصف الطبيعية، قد توفر النُهج التجريبية مزايا لأنها تتيح التحكم الوثيق في توقيت وكثافة أحداث الجليد وتسمح بالشروط المرجعية المناسبة لتقييم الآثار بوضوح.
كما أن النُهج التجريبية تطرح تحديات، لا سيما في النظم الإيكولوجية الحرجية. ارتفاع وعرض الأشجار والمظلة يجعلها من الصعب التلاعب تجريبيا، بالمقارنة مع المراعي أقل مكانة أو الشجيرات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الاضطراب الناجم عن العواصف الثلجية منتشر ، سواء عموديًا من خلال مظلة الغابة وعبر المناظر الطبيعية ، وهو أمر يصعب محاكاته. ونحن نعرف من دراسة واحدة أخرى فقط التي حاولت محاكاة آثار العواصف الجليدية في النظام الإيكولوجي للغابات25. في هذه الحالة، تم استخدام بندقية لإزالة ما يصل إلى 52٪ من التاج في موقف الصنوبر لوبلولي في أوكلاهوما. على الرغم من أن هذه الطريقة أسفرت عن نتائج مميزة للعواصف الثلجية ، إلا أنها ليست فعالة في إزالة الفروع الأكبر ولا تتسبب في ثني الأشجار ، وهو أمر شائع مع العواصف الجليدية الطبيعية. وفي حين لم تستخدم أي طرق تجريبية أخرى لدراسة العواصف الجليدية على وجه التحديد، هناك بعض أوجه التشابه بين نهجنا وأنواع أخرى من التلاعب بالاضطرابات الحرجية. على سبيل المثال، تمت دراسة ديناميات الفجوة عن طريق قطع الأشجار الفردية26، غزوات آفات الغابات بواسطة الأشجار27، والأعاصير عن طريقتقليم 28 أو سحب الأشجار كلها مع ونش وكابل29. ومن بين هذه النهج، يقلد التقليم عن كثب آثار العواصف الجليدية ولكنه كثيف العمالة ومكلف. الأساليب الأخرى تسبب وفيات الأشجار كلها، بدلا من الكسر الجزئي للأطراف والفروع التي هي نموذجية من العواصف الجليدية الطبيعية.
البروتوكول الموصوف في هذه الورقة مفيد لمحاكاة العواصف الجليدية الطبيعية عن كثب وينطوي على رش المياه فوق مظلة الغابة خلال ظروف التجمد دون التجمد لمحاكاة أحداث الجليد الصقيل. وتوفر هذه الطريقة مزايا على الوسائل الأخرى لأن الضرر يمكن توزيعه بالتساوي نسبيا في جميع أنحاء الغابات على مساحة كبيرة مع جهد أقل من تقليم أو إسقاط الأشجار كاملة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تنظيم كمية تراكم الجليد من خلال حجم المياه المطبقة وعن طريق اختيار وقت للرش عندما تكون الظروف الجوية مواتية لتشكيل الجليد الأمثل. وهذا النهج التجريبي الجديد وغير المكلف نسبيا يتيح التحكم في كثافة الجليد وتواتره، وهو أمر ضروري لتحديد العتبات الإيكولوجية الحرجة في النظم الإيكولوجية للغابات.
Protocol
Representative Results
Discussion
ومن الأهمية بمكان إجراء عمليات محاكاة تجريبية للعواصف الجليدية في ظل الظروف الجوية المناسبة لضمان نجاحها. في دراسة سابقة30، وجدنا أن الظروف المثلى للرش هي عندما تكون درجات حرارة الهواء أقل من -4 درجة مئوية وسرعة الرياح أقل من 5 م / س. تحدث العواصف الجليدية الطبيعية الأكثر شيوعًا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (DEB-1457675). نشكر العديد من المشاركين في تجربة عاصفة الجليد (ISE) الذين ساعدوا في تطبيق الجليد والأعمال الميدانية والمختبرية المرتبطة بها ، وخاصة جيف شوانر وغاب وينانت وبريندان ليوناردي. هذه المخطوطة هي مساهمة من دراسة النظام البيئي هابارد بروك. هوبارد بروك هو جزء من شبكة الأبحاث البيئية طويلة الأجل (LTER)، التي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (DEB-1633026). يتم تشغيل الغابات التجريبية هوبارد بروك وصيانتها من قبل دائرة الغابات وزارة الزراعة، محطة البحوث الشمالية، ماديسون، WI. الفيديو والصور هي من قبل جيم سوريت وجو كليمنتوفيتش، مجاملة من مؤسسة هيبارد بروك للبحوث.
Materials
| Booster pump | Waterax | BB-4-23P | 401 L min-1 maximum flow; 30.3 bar maximum pressure |
| Firefighting hose | ATI Forest Products | Forest-Lite G55H1F50N | 3.8 cm diameter, polyester, single jacket |
| Monitor (ground placement) | Task Force Tips | Blitzfire XX111A | 2000 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose |
| Monitor (UTV mount) | Potter Roemer | Fire Pro FP1S-125 | 1325 L min-1 maximum flow; fits 3.8 cm hose |
| Nozzle | Crestar | ST2675 | Smooth bore; double stacked; 3.8 cm intake; 1.3 cm orifice |
| Strainer | Northern Tool | 107902 | 7.6 cm hose fitting, 17.6 cm outside diameter |
| Suction hose | JGB Enterprises | A007-0489-1615 | 7.6 cm diameter; 4.6 m long |
| Water pump | NorthStar | 106471E | 665 L min-1; fits 7.6 cm hose |
References
- Zhou, B., et al. The Great 2008 Chinese Ice Storm: Its socioeconomic–ecological impact and sustainability lessons learned. Bulletin of the American Meteorological Society. 92 (1), 47-60 (2011).
- Call, D. A. Changes in ice storm impacts over time: 1886-2000. Weather, Climate, and Society. 2 (1), 23-35 (2010).
- Zarnani, A., et al. Learning to predict ice accretion on electric power lines. Engineering Applications of Artificial Intelligence. 25 (3), 609-617 (2012).
- Smith, A. B., Katz, R. W. US billion-dollar weather and climate disasters: data sources, trends, accuracy and biases. Natural Hazards. 67 (2), 387-410 (2013).
- Lafon, C. W., Speer, J. H. Using dendrochronology to identify major ice storm events in oak forests of southwestern Virginia. Climate Research. 20 (1), 41-54 (2002).
- Smith, K. T., Shortle, W. C. Radial growth of hardwoods following the 1998 ice storm in New Hampshire and Maine. Canadian Journal of Forest Research. 33 (2), 325-329 (2003).
- Duguay, S. M., Arii, K., Hooper, M., Lechowicz, M. J. Ice storm damage and early recovery in an old-growth forest. Environmental Monitoring and Assessment. 67 (1), 97-108 (2001).
- Irland, L. C. Ice storms and forest impacts. The Science of the Total Environment. 262 (3), 231-242 (2000).
- Dale, V. H., et al. Climate change and forest disturbances. BioScience. 51 (9), 723-734 (2001).
- de Groot, M., Ogris, N., Kobler, A. The effects of a large-scale ice storm event on the drivers of bark beetle outbreaks and associated management practices. Forest Ecology and Management. 408, 195-201 (2018).
- Faccio, S. D. Effects of ice storm-created gaps on forest breeding bird communities in central Vermont. Forest Ecology and Management. 186 (1), 133-145 (2003).
- Degelia, S. K., et al. An overview of ice storms and their impact in the United States. International Journal of Climatology. 36 (8), 2811-2822 (2016).
- Rauber, R. M., Olthoff, L. S., Ramamurthy, M. K., Miller, D., Kunkel, K. E. A synoptic weather pattern and sounding-based climatology of freezing precipitation in the United States east of the Rocky Mountains. Journal of Applied Meteorology. 40 (10), 1724-1747 (2001).
- Bell, G. D., Bosart, L. F. Appalachian cold-air damming. Monthly Weather Review. 116 (1), 137-161 (1988).
- Rackley, J. A., Knox, J. A. A climatology of southern Appalachian cold-air damming. Weather and Forecasting. 31 (2), 419-432 (2015).
- Cortinas, J. V., Bernstein, B. C., Robbins, C. C., Strapp, J. W. An analysis of freezing rain, freezing drizzle, and ice pellets across the United States and Canada: 1976-90. Weather and Forecasting. 19 (2), 377-390 (2004).
- Changnon, S. Characteristics of ice storms in the United States. Journal of Applied Meteorology. 42 (5), 630-639 (2003).
- Jones, K., Thorkildson, R., Lott, N. The development of a U.S. climatology of extreme ice loads. Technical Report 2002-01. National Climatic Data Center. , 23 (2002).
- Groisman, P. Y., et al. Recent changes in the frequency of freezing precipitation in North America and Northern Eurasia. Environmental Research Letters. 11 (4), 045007 (2016).
- Klima, K., Morgan, M. G. Ice storm frequencies in a warmer climate. Climatic Change. 133 (2), 209-222 (2015).
- Cheng, C., Auld, H., Li, G., Klaassen, J., Li, Q. Possible impacts of climate change on freezing rain in south-central Canada using downscaled future climate scenarios. Natural Hazards and Earth Systems Sciences. 7 (1), 71-87 (2007).
- Cheng, C. S., Li, G., Auld, H. Possible impacts of climate change on freezing rain using downscaled future climate ccenarios: Updated for eastern Canada. Atmosphere-Ocean. 49 (1), 8-21 (2011).
- Kunkel, K. E., et al. Monitoring and understanding trends in extreme storms: State of knowledge. Bulletin of the American Meteorological Society. 94 (4), 499-514 (2013).
- Dipesh, K. C., et al. Effects of simulated ice storm damage on midrotation loblolly pine stands. Forest Science. 61 (4), 774-779 (2015).
- Collins, B. S., Pickett, S. T. A. Demographic responses of herb layer species to experimental canopy gaps in a northern hardwoods forest. Journal of Ecology. 76 (2), 437-450 (1988).
- Yorks, T. E., Leopold, D. J., Raynal, D. J. Effects of Tsuga canadensis mortality on soil water chemistry and understory vegetation: possible consequences of an invasive insect herbivore. Canadian Journal of Forest Research. 33 (8), 1525-1537 (2003).
- Zimmerman, J. K., et al. Seven-year responses of trees to experimental hurricane effects in a tropical rainforest, Puerto Rico. Forest Ecology and Management. 332, 64-74 (2014).
- Cooper-Ellis, S., Foster, D. R., Carlton, G., Lezberg, A. Forest response to catastrophic wind: Rusults from an experimental hurricane. Ecology. 80 (8), 2683-2696 (1999).
- Rustad, L. E., Campbell, J. L. A novel ice storm manipulation experiment in a northern hardwood forest. Canadian Journal of Forest Research. 42 (10), 1810-1818 (2012).
- Jones, K. F., Mulherin, N. D. An evaluation of the severity of the January 1998 ice storm in northern New England. U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Snow and Ice Division. , 66 (1998).
- Rhoads, A. G., et al. Effects of an intense ice storm on the structure of a northern hardwood forest. Canadian Journal of Forest Research. 32 (10), 1763-1775 (2002).
- James, F. C., Shugart, H. H. A quantitative method of habitat description. Audubon Field Notes. 24 (6), 727-736 (1970).
- Lemmon, P. E. A spherical densiometer for estimating forest overstory density. Forest Science. 2 (4), 314-320 (1956).
- Korhonen, L., Korhonen, K., Rautiainen, M., Stenberg, P. Estimation of forest canopy cover: a comparison of field measurement techniques. Silva Fennica. 40 (4), 577-588 (2006).
- Fiala, A. C. S., Garman, S. L., Gray, A. N. Comparison of five canopy cover estimation techniques in the western Oregon Cascades. Forest Ecology and Management. 232 (1), 188-197 (2006).
- Fahey, R. T., et al. Effects of an experimental ice storm on forest canopy structure. Canadian Journal of Forest Research. 50 (2), 136-145 (2020).
- Weitzman, J. N., et al. Ecosystem nitrogen response to a simulated ice storm in a northern hardwood forest. Ecosystems. , (2020).
- Houlton, B. Z., et al. Nitrogen dynamics in ice storm-damaged forest ecosystems: implications for nitrogen limitation theory. Ecosystems. 6 (5), 431-443 (2003).
- Groffman, P. M., et al. Nitrogen oligotrophication in northern hardwood forests. Biogeochemistry. 141 (3), 523-539 (2018).
