冰暴是重要的天气事件，由于其发生难以预测，研究起来具有挑战性。本文介绍了一种模拟冰暴的新方法，该方法是在低于冰点的条件下向森林冠层喷洒水雾。
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本文内容
摘要
摘要
冰暴可能对经历冰冻条件地区的森林生态系统结构和功能产生深远且持久的影响。目前的模型表明，随着气候变化，未来几十年内冰暴的发生频率和强度可能增加，这使得人们更加关注其影响。由于冰暴具有随机性，且难以预测其发生的时间和地点，过去对冰暴生态效应的研究大多基于重大冰暴事件后的案例研究。由于强烈的冰暴属于极为罕见的事件，等待其自然发生来进行研究是不现实的。本文介绍了一种新颖的替代性实验方法，即在野外条件下模拟森林样地上的雨凇冰暴事件。该方法通过从溪流或湖泊中抽水，并在气温低于冰点时将水喷洒至森林冠层上方，使水滴下落并在接触低温表面时冻结。随着冰在树木上的积累，树干和枝条会发生弯曲甚至断裂，其受损程度可通过与未经处理的对照林分进行比较来量化。所述实验方法的优势在于能够控制施加冰层的时间和数量。通过制造不同频率和强度的冰暴，可以确定用于预测和应对冰暴影响所需的关键生态阈值。
引言
冰暴是一种重要的自然干扰因素，可能对环境和社会产生短期和长期的影响。强烈的冰暴会破坏树木和农作物，扰乱公用设施，并损害道路及其他基础设施，因而构成严重问题1,2。冰暴造成的危险状况可能导致事故，造成人员受伤甚至死亡2。冰暴带来的经济损失巨大；在美国，每年因冰暴造成的平均经济损失达3.13亿美元3，个别严重风暴的损失甚至超过10亿美元4。在森林生态系统中，冰暴可能带来负面影响，包括树木生长减缓和死亡率上升5,6,7，火灾风险增加，以及病虫害和病原体的扩散8,9,10。同时，冰暴也可能对森林产生积极影响，例如促进幸存树木的生长5，以及提高生物多样性11。提升我们对冰暴影响的预测能力，将有助于更有效地应对和准备此类事....
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方案
1. 制定实验设计
- 根据实际情况确定结冰的强度和频率。
- 确定样地的大小和形状。
- 如果目标是评估树木的响应，应选择足够大的样地，以包含多株树木及其大部分根系，具体大小取决于树种、树龄等因素。
- 出于安全考虑，应设计样地，使其整个区域均可从边界外进行喷洒处理。
- 样地之间应保持足够距离（例如 10 m），以避免一个样地的处理对另一个样地产生影响。
- 在样地周围设立缓冲区（例如 5 m），以减少边缘效应，并确保冰层覆盖更均匀。
- 在大样地内设置子样地，以满足特定的取样需求。
- 确定重复样地的数量。
2. 选择并确定研究地点
- 选择具有相似特征的均质森林林分，例如树种组成、土壤、岩性及水文条件。
- 在冬季可获取水源的区域选定施加处理的地点。
- 根据水泵速率以及其他因素（如软管直径、软管长度、所用喷嘴及水压），确保供水量足以满足冰层施加的需求。
- 标记样地、缓冲区及子样地的边界。
- 开展完整的森林调查，记录树木健康状况，包括对枯死、濒死和受损树木的评估。此外，记录任何潜在的胁迫因子（例如昆虫危害或病害迹象），以帮助解释对冰处理的响应。
- 若使用多功能车（UTV）喷水，需沿....
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结果
在新罕布什尔州中部的哈伯德布鲁克实验林（Hubbard Brook Experimental Forest，43° 56′ N, 71° 45′ W）的一片70至100年生的北方硬木林中，开展了一次冰暴模拟实验。林分高度约为20米，施冰区域的主要树种为美洲山毛榉（Fagus grandifolia）、糖槭（Acer saccharum）、红槭（Acer rubrum）和黄桦（Betula alleghaniensis）。共设置了10个20米×30米的样地，并随机分配处理方式。大部分取样工作在每个样地内部一个10米×20米的子样区内进行，以留出5米的缓冲带。该内部样区被划分为八个5米×5米的小区，用于不同类型的取样。五种处理方式（包括对照组（无冰）和三种径向结冰厚度目标水平：低（6.4 mm）、中（12.7 mm）和高（19.0 mm））各设两个重复样地。其中两个中等处理水平的样地（midx2）连续两年接受结冰处理，以评估连续风暴事件的影响。喷水作业分别在2016年冬季（1月18日、27日至28日及2月11日）和2017年冬季（1月14日）进行。水源取自哈伯德布鲁克主.......
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讨论
在适当的天气条件下进行冰暴的实验模拟至关重要，以确保实验成功。在之前的一项研究30中，我们发现喷洒作业的最佳条件是气温低于 -4 °C 且风速小于 5 m/s。自然发生的冰暴最常出现在气温略低于冰点（-1 至 0 °C）时，尽管冰暴模拟的理想温度更低，但仍处于观测到的冻雨事件的温度范围（-15 至 0 °C）之内16。由于该实验方法需要持续低于冰点的温度，因此仅限于更偏北的地区开展，即使在相对寒冷的地点（如哈伯德布鲁克实验林）实施也具有挑战性，该地一月份的平均最低气温为 -9 °C，但气温经常波动至冰点以上。夜间喷洒具有优势，因为此时气温通常最低，且太阳辐射的影响可忽略不计。
冰暴模拟实验存在若干挑战。在具有高大冠层的森林中，对树木顶端进行喷洒可能较为困难。多种因素会影响喷洒高度，包括泵的流速以及水源与施用区域之间的距离。由于喷洒高度的计算较为复杂，且与具体实验地点和所用设备密切相关，因此在实验前进行喷洒测试以做出适当调整是十分有益的。另一个挑战是确定何时停止喷洒，因为在模拟过程中难以准.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。本文提及的任何特定商业产品、工艺或服务，无论是以商品名、商标、制造商或其他方式提及，均不构成或暗示美国政府对其的认可、推荐或偏爱。作者在本文中表达的观点和意见不一定代表或反映美国政府的观点和意见，且不得用于广告或产品推广目的。
致谢
本研究由美国国家科学基金会（National Science Foundation，项目编号：DEB-1457675）提供资助。我们感谢冰暴实验（Ice Storm Experiment，ISE）项目的众多参与者在冰层施加以及相关野外和实验室工作中提供的帮助，特别感谢Geoff Schwaner、Gabe Winant和Brendan Leonardi。本论文是哈伯德布鲁克生态系统研究项目（Hubbard Brook Ecosystem Study）的一项成果。哈伯德布鲁克是长期生态研究网络（Long-Term Ecological Research，LTER）的组成部分，该网络由美国国家科学基金会（National Science Foundation，项目编号：DEB-1633026）资助。哈伯德布鲁克实验林由美国农业部林务局北部研究站（USDA Forest Service, Northern Research Station）在威斯康星州麦迪逊市运营和维护。 视频与图片由Jim Surette和Joe Klementovich拍摄，承蒙哈伯德布鲁克研究基金会惠允使用。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 增压泵 | Waterax | BB-4-23P | 最大流量 401 L min-1；最大压力 30.3 bar |
| 消防水带 | ATI Forest Products | Forest-Lite G55H1F50N | 直径 3.8 cm，聚酯材料，单层编织 |
| 水炮（地面安装） | Task Force Tips | Blitzfire XX111A | 最大流量 2000 L min-1；适配 3.8 cm 水带 |
| 水炮（UTV 车载安装） | Potter Roemer | Fire Pro FP1S-125 | 最大流量 1325 L min-1；适配 3.8 cm 水带 |
| 喷嘴 | Crestar | ST2675 | 光滑孔型；双层叠式；进水口直径 3.8 cm；喷口直径 1.3 cm |
| 滤网 | Northern Tool | 107902 | 7.6 cm 水带接头，外径 17.6 cm |
| 吸水管 | JGB Enterprises | A007-0489-1615 | 直径 7.6 cm；长度 4.6 m |
| 水泵 | NorthStar | 106471E | 665 L min-1；适配 7.6 cm 水带 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
