वन पारिस्थितिकी प्रणालियों पर बर्फीले तूफानों के प्रभावों का अनुकरण
Summary
बर्फ तूफान महत्वपूर्ण मौसम की घटनाओं है कि क्योंकि उनकी घटना की भविष्यवाणी में कठिनाइयों का अध्ययन करने के लिए चुनौतीपूर्ण हैं । यहां, हम बर्फ तूफानों का अनुकरण करने के लिए एक उपन्यास विधि का वर्णन करते हैं जिसमें उप-ठंड की स्थिति के दौरान वन चंदवा पर पानी का छिड़काव शामिल है।
Abstract
बर्फीले तूफानों का उन क्षेत्रों में वन पारिस्थितिकी प्रणालियों की संरचना और कार्य पर गहरा और स्थायी प्रभाव पड़ सकता है जो ठंड की स्थिति का अनुभव करते हैं। वर्तमान मॉडलों का सुझाव है कि आवृत्ति और बर्फ तूफानों की तीव्रता जलवायु में परिवर्तन के जवाब में आने वाले दशकों में वृद्धि हो सकती है, उनके प्रभावों को समझने में रुचि बढ़ । क्योंकि बर्फ तूफानों की स्टोचस्टिक प्रकृति और भविष्यवाणी में कठिनाइयों जब और जहां वे हो जाएगा, बर्फ तूफानों के पारिस्थितिक प्रभाव के सबसे पिछले जांच प्रमुख तूफानों के बाद मामले के अध्ययन पर आधारित किया गया है । चूंकि तीव्र बर्फीले तूफान बेहद दुर्लभ घटनाएं हैं, इसलिए उनकी प्राकृतिक घटना की प्रतीक्षा करके उनका अध्ययन करना अव्यावहारिक है। यहां हम एक उपन्यास वैकल्पिक प्रयोगात्मक दृष्टिकोण प्रस्तुत करते हैं, जिसमें क्षेत्र की स्थितियों के तहत वन भूखंडों पर शीशे का आवरण बर्फ की घटनाओं का अनुकरण शामिल है। इस विधि के साथ, पानी को एक धारा या झील से पंप किया जाता है और जब हवा का तापमान ठंड से नीचे होता है तो वन चंदवा के ऊपर छिड़काया जाता है। पानी नीचे बारिश और ठंडी सतहों के साथ संपर्क पर जमा देता है । जैसे ही बर्फ पेड़ों पर जमा होती है, बोल्स और शाखाएं झुकती हैं और टूट जाती हैं; अनुपचारित संदर्भ स्टैंड के साथ तुलना के माध्यम से निर्धारित की जा सकती है कि क्षति। प्रयोगात्मक दृष्टिकोण वर्णित लाभप्रद है क्योंकि यह समय और लागू बर्फ की मात्रा पर नियंत्रण सक्षम बनाता है । विभिन्न आवृत्ति और तीव्रता के बर्फीले तूफान बनाना बर्फ तूफान के प्रभावों की भविष्यवाणी और तैयारी के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण पारिस्थितिक थ्रेसहोल्ड की पहचान करना संभव बनाता है।
Introduction
बर्फीले तूफान एक महत्वपूर्ण प्राकृतिक अशांति है कि दोनों पर्यावरण और समाज पर लघु और दीर्घकालिक प्रभाव हो सकता है । तीव्र बर्फीले तूफान समस्याग्रस्त हैं क्योंकि वे पेड़ों और फसलों को नुकसान पहुंचाते हैं, उपयोगिताओं को बाधित करते हैं, और सड़कों और अन्य बुनियादी ढांचे को ख़राब करते हैं1,,2। बर्फीले तूफान ों से दुर्घटनाएं हो सकती हैं जिनमें चोटें और मौत हो सकती है2. बर्फीले तूफान महंगे होते हैं; वित्तीय घाटा औसत 313 करोड़ डॉलर प्रति वर्ष संयुक्त राज्य अमेरिका (अमेरिका)3में , कुछ व्यक्तिगत तूफानों के साथ 1 अरब डॉलर से अधिक4. वन पारिस्थितिकी प्रणालियों में, बर्फीले तूफानों के नकारात्मक परिणाम हो सकते हैं जिनमें कम वृद्धि और पेड़ मृत्युदर 5,6,,7,आग का खतरा बढ़ जाता है, और कीटों और रोगजनकों का प्रसार,8,,9,,10शामिल हैं। वे वनों पर सकारात्मक प्रभाव भी डाल सकते हैं, जैसे जीवित पेड़ों का विकास5 और बढ़ी हुई जैव विविधता11। बर्फ तूफानों से प्रभावों की भविष्यवाणी करने की हमारी क्षमता में सुधार हमें बेहतर के लिए तैयार करने और इन घटनाओं का जवाब करने के लिए सक्षम हो जाएगा ।
बर्फीले तूफान तब होते हैं जब नम हवा की एक परत, जो ठंड से ऊपर होती है, जमीन के करीब हवा की एक परत को ओवरराइड करती है। हवा सुपरकूल्स की गर्म परत से गिरने वाली बारिश के रूप में यह ठंडी परत के माध्यम से गुजरता है, जब उप ठंड सतहों पर जमा शीशे का आवरण बर्फ बनाने । अमेरिका में, यह थर्मल स्तरीकरण सिनोप्टिक मौसम पैटर्न से हो सकता है जो विशिष्ट क्षेत्रों12,,13की विशेषता है। ठंड की बारिश सबसे अधिक आर्कटिक मोर्चों के कारण होती है जो मजबूत एंटीसाइक्लोन्स13से आगे अमेरिका की ओर दक्षिण की ओर बढ़ते हैं । कुछ क्षेत्रों में, स्थलाकृति ठंडी हवा डैमिंग के माध्यम से बर्फीले तूफानों के लिए आवश्यक वायुमंडलीय स्थितियों में योगदान देती है, एक मौसम विज्ञान की घटना जो तब होती है जब आने वाले तूफान से गर्म हवा ठंडी हवा को ओवरराइड करती है जो पर्वत श्रृंखला14,,15के साथ आरोपित हो जाती है।
अमेरिका में, बर्फ तूफान “आइस बेल्ट” में सबसे आम हैं जो मेन से पश्चिमी टेक्सास16, 17,17तक फैली हुई है। बर्फ तूफान भी प्रशांत नॉर्थवेस्ट के एक अपेक्षाकृत छोटे क्षेत्र में होते हैं, विशेष रूप से वॉशिंगटन और ओरेगन के कोलंबिया नदी बेसिन के आसपास । अमेरिका के अधिकांश अनुभवों को कम से कम कुछ ठंड बारिश, पूर्वोत्तर में सबसे बड़ी मात्रा के साथ जहां सबसे अधिक बर्फ प्रवण क्षेत्रों सात या अधिक ठंड बारिश के दिनों की एक औसत है (दिन जिसके दौरान ठंड बारिश के कम से एक प्रति घंटा अवलोकन हुआ) सालाना16। इन तूफानों में से कई अपेक्षाकृत मामूली हैं, हालांकि अधिक तीव्र बर्फ तूफान होते हैं, हालांकि बहुत लंबे समय तक पुनरावृत्ति अंतराल के साथ । उदाहरण के लिए, न्यू इंग्लैंड में, रेडियल बर्फ की मोटाई में सीमा 50 साल के पुनरावृत्ति अंतराल 18 के साथ तूफानों के लिए19से 32 मिमी है। अनुभवजन्य साक्ष्य बताते हैं कि उत्तरी अक्षांशों पर बर्फीले तूफान,अधिक होते जा रहे हैं और दक्षिण19, 20,21तक कम बार होते जा रहे हैं .21 भविष्य मेंजलवायुपरिवर्तन के अनुमानों का उपयोग करते हुए कंप्यूटर सिमुलेशन के आधार पर यह प्रवृत्ति जारी रहने की उम्मीद है23, हालांकि, डेटा और भौतिक समझ की कमी से अन्य प्रकार की चरम घटनाओं की तुलना में बर्फीले तूफानों में रुझानों का पता लगाना और प्रोजेक्ट करना अधिक कठिन होजाताहै ।
चूंकि प्रमुख बर्फीले तूफान अपेक्षाकृत दुर्लभ हैं, इसलिए वे अध्ययन करना चुनौतीपूर्ण हैं । यह भविष्यवाणी करना मुश्किल है कि वे कब और कहां घटित होंगे, और यह आम तौर पर अनुसंधान प्रयोजनों के लिए तूफानों का “पीछा” करने के लिए अव्यावहारिक है। नतीजतन, अधिकांश बर्फीले तूफान के अध्ययन बड़े तूफानों के मद्देनजर होने वाले अनियोजित पोस्ट हॉक आकलन किए गए हैं । तूफान से पहले बेसलाइन डेटा एकत्र करने में असमर्थता के कारण यह शोध दृष्टिकोण आदर्श नहीं है। इसके अतिरिक्त, जब बर्फीले तूफान एक बड़ी भौगोलिक सीमा को कवर करते हैं तो क्षतिग्रस्त क्षेत्रों के साथ तुलना के लिए अप्रभावित क्षेत्रों को ढूंढना मुश्किल हो सकता है। प्राकृतिक तूफानों के होने की प्रतीक्षा करने के बजाय, प्रयोगात्मक दृष्टिकोण फायदे प्रदान कर सकते हैं क्योंकि वे आइसिंग घटनाओं के समय और तीव्रता पर निकट नियंत्रण सक्षम करते हैं और उचित संदर्भ स्थितियों के लिए स्पष्ट रूप से प्रभावों का मूल्यांकन करने की अनुमति देते हैं।
प्रयोगात्मक दृष्टिकोण भी विशेष रूप से वन पारिस्थितिकी प्रणालियों में चुनौतियां पैदा करते हैं। पेड़ों की ऊंचाई और चौड़ाई और चंदवा उन्हें कम कद के घास के मैदानों या झाड़ियों की तुलना में प्रयोगात्मक रूप से हेरफेर करने में मुश्किल बना देता है। इसके अतिरिक्त, बर्फ तूफानों से अशांति फैलाना है, दोनों खड़ी वन चंदवा के माध्यम से और परिदृश्य है, जो अनुकरण करने के लिए मुश्किल है भर में । हम केवल एक अन्य अध्ययन के बारे में जानते हैं जिसने वन पारिस्थितिकी तंत्र25में बर्फीले तूफान के प्रभावों का अनुकरण करने का प्रयास किया था । इस मामले में, ओकलाहोमा में एक लॉलोली पाइन स्टैंड में ताज का 52% तक हटाने के लिए एक राइफल का उपयोग किया गया था। यद्यपि इस विधि ने परिणाम का उत्पादन किया जो बर्फ तूफानों की विशेषता हैं, यह बड़ी शाखाओं को हटाने में प्रभावी नहीं है और पेड़ों को झुकने का कारण नहीं बनता है, जो प्राकृतिक बर्फीले तूफानों के साथ आम है। हालांकि विशेष रूप से बर्फीले तूफानों का अध्ययन करने के लिए कोई अन्य प्रयोगात्मक तरीकों का उपयोग नहीं किया गया है, लेकिन हमारे दृष्टिकोण और अन्य प्रकार के वन अशांति जोड़तोड़ के बीच कुछ समानताएं हैं। उदाहरण के लिए , अंतर गतिशीलता का अध्ययन व्यक्तिगत वृक्षों26, वन कीट आक्रमणों को 27 वृक्षों को काटकर और28को काटकर या चरखी और केबल29 के साथ पूरे पेड़ों को नीचे खींचकर किया गया है ।29 इन दृष्टिकोणों में से, छंटाई सबसे बारीकी से बर्फ तूफान प्रभावों की नकल लेकिन श्रम गहन और महंगा है । अन्य दृष्टिकोण अंगों और शाखाओं के आंशिक टूटने के बजाय पूरे पेड़ों की मृत्यु का कारण बनते हैं जो प्राकृतिक बर्फीले तूफानों की खासियत है।
इस कागज में वर्णित प्रोटोकॉल प्राकृतिक बर्फ तूफानों की बारीकी से नकल करने के लिए उपयोगी है और इसमें बर्फ की घटनाओं को अनुकरण करने के लिए उप-ठंड की स्थिति के दौरान वन चंदवा पर पानी का छिड़काव शामिल है। विधि अन्य साधनों पर लाभ प्रदान करती है क्योंकि नुकसान को पूरे पेड़ों की छंटाई या डाउनिंग की तुलना में कम प्रयास के साथ एक बड़े क्षेत्र में जंगलों में अपेक्षाकृत समान रूप से वितरित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, बर्फ अभिवृद्धि की मात्रा को लागू पानी की मात्रा के माध्यम से और इष्टतम बर्फ गठन के लिए मौसम की स्थिति के अनुकूल होने पर स्प्रे करने के लिए एक समय का चयन करके विनियमित किया जा सकता है। यह उपन्यास और अपेक्षाकृत सस्ती प्रयोगात्मक दृष्टिकोण आइसिंग की तीव्रता और आवृत्ति पर नियंत्रण करने में सक्षम बनाता है, जो वन पारिस्थितिकी प्रणालियों में महत्वपूर्ण पारिस्थितिक थ्रेसहोल्ड की पहचान करने के लिए आवश्यक है।
Protocol
Representative Results
Discussion
उनकी सफलता सुनिश्चित करने के लिए उचित मौसम की स्थिति में बर्फीले तूफानों के प्रायोगिक सिमुलेशन करना महत्वपूर्ण है । पिछले अध्ययन30में, हमने पाया कि छिड़काव के लिए इष्टतम स्थितियां तब होती है?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध के लिए फंडिंग नेशनल साइंस फाउंडेशन (डीईबी-1457675) ने दी थी। हम आइस स्टॉर्म एक्सपेरिमेंट (आईएसई) में कई प्रतिभागियों को धन्यवाद देते हैं जिन्होंने बर्फ के आवेदन और संबद्ध क्षेत्र और प्रयोगशाला के काम, विशेष रूप से ज्योफ श्वानर, गैब विनेंट और ब्रेंडन लियोनार्डी के साथ मदद की। यह पांडुलिपि हबर्ड ब्रूक इकोसिस्टम स्टडी का योगदान है। हबर्ड ब्रूक दीर्घकालिक पारिस्थितिक अनुसंधान (LTER) नेटवर्क का हिस्सा है, जिसे नेशनल साइंस फाउंडेशन (डीईबी-1633026) द्वारा समर्थित किया जाता है। हबर्ड ब्रूक प्रायोगिक वन यूएसडीए वन सेवा, उत्तरी अनुसंधान स्टेशन, मैडिसन, WI द्वारा संचालित और बनाए रखा जाता है। वीडियो और छवियां जिम सुरेट और जो क्लेमेंटोविच द्वारा हैं, जो हबर्ड ब्रूक रिसर्च फाउंडेशन के सौजन्य से हैं।
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).
