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环境科学

Simuler les impacts des tempêtes de verglas sur les écosystèmes forestiers

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

Les tempêtes de verglas sont des événements météorologiques importants qui sont difficiles à étudier en raison des difficultés à prévoir leur occurrence. Ici, nous décrivons une nouvelle méthode pour simuler des tempêtes de verglas qui consiste à pulvériser de l’eau sur une canopée forestière dans des conditions de sous-congélation.

Abstract

Les tempêtes de verglas peuvent avoir des effets profonds et durables sur la structure et la fonction des écosystèmes forestiers dans les régions qui connaissent des conditions de gel. Les modèles actuels suggèrent que la fréquence et l’intensité des tempêtes de verglas pourraient augmenter au cours des prochaines décennies en réponse aux changements climatiques, ce qui accroîtrait l’intérêt pour la compréhension de leurs impacts. En raison de la nature stochastique des tempêtes de verglas et des difficultés à prédire quand et où elles se produiront, la plupart des enquêtes antérieures sur les effets écologiques des tempêtes de verglas ont été fondées sur des études de cas à la suite de tempêtes majeures. Étant donné que les tempêtes de verglas intenses sont des événements extrêmement rares, il est impossible de les étudier en attendant leur apparition naturelle. Nous présentons ici une nouvelle approche expérimentale alternative, impliquant la simulation d’événements de glace de glaçure sur des parcelles forestières dans des conditions de terrain. Grâce à cette méthode, l’eau est pompée à partir d’un ruisseau ou d’un lac et pulvérisée au-dessus de la canopée de la forêt lorsque la température de l’air est inférieure au point de congélation. L’eau pleut et gèle au contact des surfaces froides. Comme la glace s’accumule sur les arbres, les boles et les branches se plient et se brisent; dommages qui peuvent être quantifiés par des comparaisons avec des peuplements de référence non traités. L’approche expérimentale décrite est avantageuse parce qu’elle permet de contrôler le moment et la quantité de glace appliquée. La création de tempêtes de glace de différentes fréquences et intensités permet d’identifier les seuils écologiques critiques nécessaires à la prévision et à la préparation des impacts des tempêtes de verglas.

Introduction

Les tempêtes de verglas sont une perturbation naturelle importante qui peut avoir des répercussions à court et à long terme sur l’environnement et la société. Les tempêtes de verglas intenses sont problématiques parce qu’elles endommagent les arbres et les cultures, perturbent les services publics et nuisent aux routes et à d’autres infrastructures1,2. Les conditions dangereuses que créent les tempêtes de verglas peuvent causer des accidents entraînant des blessures et des décès2. Les tempêtes de verglas sont coûteuses; les pertes financières moyennes de 313 millions de dollars par an aux États-Unis (US)3, avec quelques tempêtes individuelles dépassant 1 milliard de dollars4. Dans les écosystèmes forestiers, les tempêtes de verglas peuvent avoir des conséquences négatives, notamment une réduction de la croissance et de la mortalité des arbres5,,6,7, un risque accru d’incendie et la prolifération des ravageurs et des agents pathogènes8,9,10. Ils peuvent également avoir des effets positifs sur les forêts, tels que la croissance accrue des arbres survivants5 et l’augmentation de la biodiversité11. L’amélioration de notre capacité de prévoir les impacts des tempêtes de verglas nous permettra de mieux nous préparer à ces événements et d’y réagir.

Les tempêtes de verglas se produisent lorsqu’une couche d’air humide, qui est au-dessus du point de congélation, remplace une couche d’air sous-gelé plus près du sol. La pluie tombant de la couche plus chaude d’air supercools comme il passe à travers la couche froide, formant de la glace de glaçure lorsqu’il est déposé sur les surfaces de congélation. Aux États-Unis, cette stratification thermique peut résulter de conditions météorologiques synoptiques caractéristiques de régions spécifiques12,13. La pluie verglaçante est le plus souvent causée par les fronts arctiques qui se déplacent vers le sud-est à travers les États-Unis devant les anticyclonesforts 13. Dans certaines régions, la topographie contribue aux conditions atmosphériques nécessaires aux tempêtes de verglas par le barrage d’air froid, un phénomène météorologique qui se produit lorsque l’air chaud d’une tempête entrante l’emporte sur l’air froid qui s’enracine le long d’une chaîne de montagnes14,15.

Aux États-Unis, les tempêtes de verglas sont les plus fréquentes dans la « ceinture de glace » qui s’étend du Maine à l’ouest du Texas16,17. Des tempêtes de verglas se produisent également dans une région relativement petite du Nord-Ouest du Pacifique, en particulier autour du bassin du fleuve Columbia, dans l’État de Washington et en Oregon. Une grande partie des États-Unis connaît au moins une certaine pluie verglaçante, avec les plus grandes quantités dans le Nord-Est où les zones les plus sujettes aux glaces ont une médiane de sept jours de pluie verglaçante ou plus (jours au cours desquels au moins une observation horaire de la pluie verglaçante s’est produite) chaque année16. Bon nombre de ces tempêtes sont relativement mineures, bien que des tempêtes de verglas plus intenses se produisent, bien qu’avec des intervalles de récurrence beaucoup plus longs. Par exemple, en Nouvelle-Angleterre, l’aire de répartition de l’épaisseur de la glace radiale est de 19 à 32 mm pour les tempêtes dont l’intervalle de récurrence de 50 ansest de 18. Les données empiriques indiquent que les tempêtes de verglas sont de plus en plus fréquentes aux latitudes nordiques et moins fréquentes au sud19,20,21. Cette tendance devrait se poursuivre sur la base de simulations informatiques utilisant les futures projections sur le changement climatique22,23. Toutefois, le manque de données et de compréhension physique rendent plus difficile la détection et la projection des tendances des tempêtes de verglas que d’autres types d’événements extrêmes24.

Comme les tempêtes de verglas majeures sont relativement rares, elles sont difficiles à étudier. Il est difficile de prédire quand et où elles se produiront, et il est généralement peu pratique de « chasser » les tempêtes à des fins de recherche. Par conséquent, la plupart des études sur les tempêtes de verglas ont été des évaluations post hoc non planifiées à la suite de tempêtes majeures. Cette approche de recherche n’est pas idéale en raison de l’incapacité de recueillir des données de base avant une tempête. De plus, il peut être difficile de trouver des zones non affectées pour la comparaison avec les zones endommagées lorsque les tempêtes de verglas couvrent une grande étendue géographique. Plutôt que d’attendre que des tempêtes naturelles se produisent, les approches expérimentales peuvent offrir des avantages parce qu’elles permettent un contrôle étroit sur le moment et l’intensité des événements givrage et permettent des conditions de référence appropriées pour évaluer clairement les effets.

Les approches expérimentales posent également des défis, en particulier dans les écosystèmes forestiers. La hauteur et la largeur des arbres et de la canopée les rend difficiles à manipuler expérimentalement, par rapport aux prairies ou arbustes de taille inférieure. De plus, les perturbations causées par les tempêtes de verglas sont diffuses, à la fois verticalement à travers la canopée de la forêt et à travers le paysage, ce qui est difficile à simuler. Nous ne connaissons qu’une seule autre étude qui a tenté de simuler les impacts des tempêtes de verglas dans un écosystème forestier25. Dans ce cas, un fusil a été utilisé pour enlever jusqu’à 52% de la couronne dans un stand de pin loblolly en Oklahoma. Bien que cette méthode ait produit des résultats caractéristiques des tempêtes de verglas, elle n’est pas efficace pour enlever les grandes branches et ne fait pas plier les arbres, ce qui est commun avec les tempêtes de verglas naturelles. Bien qu’aucune autre méthode expérimentale n’ait été utilisée pour étudier spécifiquement les tempêtes de verglas, il existe des parallèles entre notre approche et d’autres types de manipulations des perturbations forestières. Par exemple, la dynamique des écarts a été étudiée par l’abattage d’arbres individuels26,les invasions de ravageurs forestiers par les arbresgirling 27, et les ouragans par l’élagage28 ou en tirant vers le bas des arbres entiers avec un treuil et câble29. Parmi ces approches, l’élagage imite le plus étroitement les impacts des tempêtes de verglas, mais est exigeant en main-d’œuvre et coûteux. Les autres approches causent la mortalité des arbres entiers, plutôt que la rupture partielle des membres et des branches qui est typique des tempêtes de glace naturelles.

Le protocole décrit dans cet article est utile pour imiter étroitement les tempêtes de glace naturelles et consiste à pulvériser de l’eau sur la canopée de la forêt dans des conditions de sous-congélation pour simuler des événements de glace de glaçure. La méthode offre des avantages par rapport à d’autres moyens parce que les dommages peuvent être répartis relativement uniformément dans les forêts sur une grande surface avec moins d’effort que l’élagage ou l’écrasement d’arbres entiers. De plus, la quantité d’accumulation de glace peut être régulée par le volume d’eau appliqué et en choisissant un temps de pulvérisation lorsque les conditions météorologiques sont propices à une formation optimale de glace. Cette approche expérimentale nouvelle et relativement peu coûteuse permet de contrôler l’intensité et la fréquence du givrage, ce qui est essentiel pour identifier les seuils écologiques critiques dans les écosystèmes forestiers.

Protocol

1. Développer la conception expérimentale Déterminer l’intensité et la fréquence du givrage en fonction de valeurs réalistes. Déterminez la taille et la forme des parcelles. Si l’objectif est d’évaluer les réponses des arbres, sélectionnez une taille de parcelle suffisamment grande pour inclure plusieurs arbres et la plupart de leurs systèmes racinaires, qui varie selon des facteurs tels que les espèces d’arbres et l’âge. Pour des raisons de sécurité, concev…

Representative Results

Une simulation de tempête de verglas a été effectuée dans une forêt de feuillus du nord vieille de 70\u20100 ans à la forêt expérimentale de Hubbard Brook, dans le centre du New Hampshire (43° 56′ N, 71° 45′O). La hauteur du peuplement est d’environ 20 m et les espèces d’arbres dominantes dans la zone de l’application de glace sont le hêtre américain (Fagus grandifolia),l’érable à sucre (Acer saccharum), l’érable rouge (Acer rubrum) et le bouleau jaune (Betula …

Discussion

Il est essentiel d’effectuer des simulations expérimentales des tempêtes de verglas dans des conditions météorologiques appropriées afin d’assurer leur succès. Dans une étude précédente30, nous avons constaté que les conditions optimales pour la pulvérisation sont lorsque les températures de l’air sont inférieures à -4 °C et que la vitesse du vent est inférieure à 5 m/s. Les tempêtes de verglas naturelles se produisent le plus souvent lorsque les températures de l’air so…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Le financement de cette recherche a été fourni par la National Science Foundation (DEB-1457675). Nous remercions les nombreux participants à l’Expérience des tempêtes de verglas (ISE) qui ont contribué à l’application de la glace et aux travaux de terrain et de laboratoire qui y sont associés, en particulier Geoff Schwaner, Gabe Winant et Brendan Leonardi. Ce manuscrit est une contribution de l’Étude sur l’écosystème de Hubbard Brook. Hubbard Brook fait partie du réseau de recherche écologique à long terme (LTER), qui est soutenu par la National Science Foundation (DEB-1633026). La forêt expérimentale de Hubbard Brook est exploitée et entretenue par le Service des forêts de l’USDA, Northern Research Station, Madison, WI. La vidéo et les images sont de Jim Surette et Joe Klementovich, gracieuseté de la Hubbard Brook Research Foundation.

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

  1. 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).
  2. Call, D. A. Changes in ice storm impacts over time: 1886-2000. Weather, Climate, and Society. 2 (1), 23-35 (2010).
  3. Zarnani, A., et al. Learning to predict ice accretion on electric power lines. Engineering Applications of Artificial Intelligence. 25 (3), 609-617 (2012).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Irland, L. C. Ice storms and forest impacts. The Science of the Total Environment. 262 (3), 231-242 (2000).
  9. Dale, V. H., et al. Climate change and forest disturbances. BioScience. 51 (9), 723-734 (2001).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Bell, G. D., Bosart, L. F. Appalachian cold-air damming. Monthly Weather Review. 116 (1), 137-161 (1988).
  15. Rackley, J. A., Knox, J. A. A climatology of southern Appalachian cold-air damming. Weather and Forecasting. 31 (2), 419-432 (2015).
  16. 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).
  17. Changnon, S. Characteristics of ice storms in the United States. Journal of Applied Meteorology. 42 (5), 630-639 (2003).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Klima, K., Morgan, M. G. Ice storm frequencies in a warmer climate. Climatic Change. 133 (2), 209-222 (2015).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Dipesh, K. C., et al. Effects of simulated ice storm damage on midrotation loblolly pine stands. Forest Science. 61 (4), 774-779 (2015).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. James, F. C., Shugart, H. H. A quantitative method of habitat description. Audubon Field Notes. 24 (6), 727-736 (1970).
  33. Lemmon, P. E. A spherical densiometer for estimating forest overstory density. Forest Science. 2 (4), 314-320 (1956).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Weitzman, J. N., et al. Ecosystem nitrogen response to a simulated ice storm in a northern hardwood forest. Ecosystems. , (2020).
  38. Houlton, B. Z., et al. Nitrogen dynamics in ice storm-damaged forest ecosystems: implications for nitrogen limitation theory. Ecosystems. 6 (5), 431-443 (2003).
  39. Groffman, P. M., et al. Nitrogen oligotrophication in northern hardwood forests. Biogeochemistry. 141 (3), 523-539 (2018).

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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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