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环境科学

模拟冰风暴对森林生态系统的影响

Published: June 30, 2020
doi:
10.3791/61492
, , , , , , , , ,
1Northern Research Station,U.S. Forest Service, Durham, NH, 2Department of Civil and Environmental Engineering,Syracuse University, 3Northern Research Station,U.S. Forest Service, North Woodstock, NH, 4Department of Natural Resources,Cornell University, 5Department of Civil and Environmental Engineering,Southern Illinois University, 6Advanced Science Research Center at the Graduate Center,City University of New York, 7Cary Institute of Ecosystem Studies, 8Rubenstein School of Environment and Natural Resources,University of Vermont, 9Department of Forestry and Natural Resources,University of Kentucky, 10Northern Research Station,U.S. Forest Service, Burlington, VT

Summary

冰风暴是重要的天气事件，由于难以预测其发生，因此难以研究。在这里，我们描述了一种模拟冰风暴的新方法，该方法涉及在亚冰天基条件下在森林树冠上喷洒水。

Abstract

冰风暴对经历冰冻条件地区的森林生态系统的结构和功能产生深刻和持久的影响。目前的模型表明，随着气候变化，冰风暴的频率和强度可能在接下来的几十年内增加，从而增加人们对了解其影响的兴趣。由于冰风暴的随机性以及预测冰风暴何时和在哪里会发生的困难，过去对冰风暴生态影响的调查大多数都是基于重大风暴之后的案例研究。由于强烈的冰风暴是极其罕见的事件，因此通过等待其自然发生来研究它们是不切实际的。在这里，我们提出了一种新的替代实验方法，涉及在田间条件下对林地的釉冰事件进行模拟。使用这种方法，当气温低于冰点时，从溪流或湖泊中抽水，喷洒在森林树冠上方。水在与冷表面接触时下雨而结冰。当冰堆积在树上时，树枝弯曲和断裂;通过与未经处理的参考站进行比较可以量化的损害。所述的实验方法是有利的，因为它能够控制冰的时间和量。创建不同频率和强度的冰风暴，可以确定预测和准备冰风暴影响所需的关键生态阈值。

Introduction

冰风暴是一种重要的自然扰动，可对环境和社会产生短期和长期影响。强烈的冰风暴是有问题的，因为它们破坏树木和作物，破坏公用事业，并损害道路和其他基础设施,1，2。冰风暴造成的危险条件可能导致事故，造成人员伤亡2。冰风暴代价高昂;美国3个州每年平均损失3.13亿美元，其中个别风暴超过10亿美元。在森林,生态系统中，冰风暴可能产生负面后果，包括生长减少和树木死亡率下降5、6、7，火灾风险增加，害虫和病原体,6扩散,8，9，10。,10它们也可以对森林产生积极的影响，例如增加幸存树木的生长5和增加生物多样性11。提高我们预测冰风暴影响的能力将使我们能够更好地准备和应对这些事件。

冰风暴发生时，一层潮湿的空气，高于冰点，覆盖一层亚冻结空气接近地面。雨水从温暖的空气超冷层中落下，穿过冷层，在亚冻结表面沉积时形成釉冰。在美国，这种热分层可以由特定区域12，13的气象天气模式产生。冻雨最常见的是由北极战线在强反气旋13之前向东南移动穿过美国造成的。在一些地区，地形有助于通过冷空气筑坝为冰风暴创造必要的大气条件，这是一种气象现象，当来自来袭风暴的暖空气覆盖与14、15山脉一起根深蒂固的冷空气时，就会出现这种气象现象。

在美国，冰风暴最常见于从缅因州到德克萨斯州西部的”冰带”。,17冰风暴也发生在太平洋西北地区相对较小的地区，特别是在华盛顿和俄勒冈的哥伦比亚河流域附近。美国大部分地区每年至少经历一些冻雨，其中最易结冰地区的中位数为7个或更多冻雨日（其中至少每小时观测一次冻雨）。许多风暴相对较小，尽管确实发生了更强烈的冰风暴，尽管复发间隔要长得多。例如，在新英格兰，径向冰厚度的范围是19至32毫米的风暴，50年的复发间隔18。经验证据表明，北纬地区冰风暴越来越频繁，南纬19、20、21,20,度的冰风暴越来越频繁。这一趋势预计将继续下去，根据计算机模拟利用未来的气候变化预测22，23。22,然而，由于缺乏数据和物理了解，与其他类型的极端事件24，更难发现和预测冰风暴的趋势。

由于主要的冰风暴相对较少，因此它们很难研究。很难预测它们何时和在哪里会发生，而且为了研究目的”追逐”风暴通常不切实际。因此，大多数冰风暴研究都是在重大风暴之后进行计划外的临时评估。由于在风暴前无法收集基线数据，因此这种研究方法并不理想。此外，当冰风暴覆盖大面积时，可能很难找到未受影响的区域与受损区域进行比较。实验方法可能具有优势，因为它能够密切控制结冰事件的时间和强度，并允许适当的参考条件来清楚地评估影响，而不是等待自然风暴的发生。

实验方法也构成挑战，特别是在森林生态系统中。与低矮的草原或灌木林相比，树木和树冠的高度和宽度使得它们难以在实验中操作。此外，冰风暴的干扰是分散的，垂直穿过森林树冠和整个景观，这是很难模拟的。我们只有一项研究试图模拟冰风暴对森林生态系统的影响。在这种情况下，在俄克拉荷马州的松树架上，用步枪将高达52%的王冠摘下来。虽然这种方法产生了冰风暴特有的结果，但它在去除较大的树枝方面并不有效，并且不会导致树木弯曲，这是自然冰风暴的常见现象。虽然没有使用其他实验方法来专门研究冰风暴，但我们的方法与其他类型的森林扰动操纵之间有一些相似之处。例如，通过砍伐个别树木26棵、通过修剪树木27棵和飓风，通过砍倒28棵或用山车和电缆砍倒整棵树来研究缺口动力学。在这些方法中，修剪最密切地模仿冰风暴的影响，但劳动密集型和成本高昂。其他方法会导致整个树木的死亡，而不是自然冰风暴中典型的四肢和树枝的部分断裂。

本文描述的协议对于密切模拟自然冰暴非常有用，涉及在亚冰天地条件下在森林树冠上喷洒水，以模拟釉面冰事件。这种方法与其他方法相比具有优势，因为损伤可以相对均匀地分布在整个森林中，比修剪或砍伐整棵树的工作量要小。此外，通过施加的体积和选择在天气条件有利于最佳结冰时喷洒的时间，可以调节冰的累积量。这种新颖且相对便宜的实验方法能够控制结冰的强度和频率，这对于确定森林生态系统中的关键生态阈值至关重要。

Protocol

1. 开发实验设计 根据真实值确定结冰的强度和频率。 确定绘图的大小和形状。 如果目标是评估树响应，请选择足够大的绘图大小，以包括多个树及其大多数根系，具体取决于树种和年龄等因素。 出于安全考虑，设计绘图，以便从边界外喷洒整个绘图区域。 空间图相距足够远（例如 10 米），因此一个绘图中的处理不会影响另一个绘图。 在地块周围?…

Representative Results

在新罕布什尔州中部的哈伯德布鲁克实验森林（北43°56°，北71°45°）的北部硬木森林中进行了冰风暴模拟。展台高度约20米，在冰应用领域占主导地位的树种是美国山毛虫（法古斯格兰迪福利亚），糖枫（宏基糖），红枫（宏基红宝石）和黄白杨树（贝图拉阿莱加尼西斯）。建立了10个20米×30米地块，并随机分配了一个处理。大多数采样发生在 10 m x 20 m 内部地块内，以?…

Discussion

在适当的天气条件下对冰风暴进行实验模拟以确保其成功至关重要。在此前的研究中，我们发现喷洒的最佳条件是当气温低于-4°C，风速低于5米/s时。自然冰风暴最常发生在气温略低于冰点（-1至0°C）时，虽然冰风暴模拟的理想温度较冷，但仍在观测到的冻雨事件-15至0 °C16的温度范围内。由于需要持续低于冰点的温度，这种实验方法仅限于更偏北的位置，即使?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项研究的资金由国家科学基金会（DEB-1457675）提供。我们感谢冰风暴实验（ISE）的许多参与者，他们帮助了冰应用和相关的领域和实验室工作，特别是杰夫·施瓦纳、加布·维南特和布兰登·伦纳德。这份手稿是哈伯德布鲁克生态系统研究的贡献。哈伯德布鲁克是长期生态研究（LTER）网络的一部分，该网络由国家科学基金会（DEB-1633026）支持。哈伯德布鲁克实验森林由美国农业部森林服务局、北部研究站、威斯康星州麦迪逊市运营和维护。视频和图像由吉姆·苏雷特和乔·克莱门托维奇提供，哈伯德布鲁克研究基金会提供。

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
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References

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Keywords: Ice StormsForest EcosystemsSimulationExperimental ApproachWater SupplyBooster PumpFire Fighting MonitorIce AccretionCanopy CoverageRadial Ice Thickness
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Campbell, J. L., Rustad, L. E., Driscoll, C. T., Halm, I., Fahey, T. J., Fakhraei, H., Groffman, P. M., Hawley, G. J., Leuenberger, W., Schaberg, P. G. Simulating Impacts of Ice Storms on Forest Ecosystems. J. Vis. Exp. (160), e61492, doi:10.3791/61492 (2020).
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