Simulering af virkningerne af isstorme på skovøkosystemer

Summary

Isstorme er vigtige vejrbegivenheder, der er udfordrende at studere på grund af vanskeligheder med at forudsige deres forekomst. Her beskriver vi en ny metode til simulering af isstorme, der indebærer sprøjtning af vand over en skovsejle under frostgrader.

Abstract

Isstorme kan have dybtgående og varige virkninger på skovøkosystemernes struktur og funktion i regioner, der oplever frostforhold. Nuværende modeller tyder på, at hyppigheden og intensiteten af isstorme kan stige i de kommende årtier som reaktion på ændringer i klimaet, hvilket øger interessen for at forstå deres virkninger. På grund af isstormenes stokastiske karakter og vanskelighederne med at forudsige, hvornår og hvor de vil forekomme, har de fleste tidligere undersøgelser af isstormenes økologiske virkninger været baseret på casestudier efter store storme. Da intense isstorme er yderst sjældne begivenheder, er det upraktisk at studere dem ved at vente på deres naturlige forekomst. Her præsenterer vi en ny alternativ eksperimentel tilgang, der involverer simulering af glasur is begivenheder på skovområder under marken betingelser. Med denne metode pumpes vand fra en bæk eller sø og sprøjtes over skovsejnen, når lufttemperaturerne er under frysepunktet. Vandet regner ned og fryser ved kontakt med kolde overflader. Som isen ophobes på træer, boles og grene bøje og bryde; skader, der kan kvantificeres ved sammenligninger med ubehandlede referencestande. Den beskrevne eksperimentelle tilgang er fordelagtig, fordi den giver mulighed for kontrol over timingen og mængden af den anvendte is. Ved at skabe isstorme med forskellig hyppighed og intensitet kan man identificere de kritiske økologiske tærskler, der er nødvendige for at forudsige og forberede sig på isstorme.

Introduction

Isstorme er en vigtig naturlig forstyrrelse, der kan have både kort- og langsigtede konsekvenser for miljøet og samfundet. Intense isstorme er problematiske, fordi de skader træer og afgrøder, forstyrrer forsyningsselskaber og forringer veje og anden^{infrastruktur 1,,2}. De farlige forhold, som isstorme skaber, kan forårsage ulykker med personskader og dødsfald². Isstorme er dyre; finansielle tab i gennemsnit 313 millioner dollars om året i USA (US)³, med nogle individuelle storme på over $ 1 milliard⁴. I skovøkosystemer kan isstorme have negative konsekvenser, herunder^reduceretvækst og trædødelighed 5^,6,7, øget risiko for brand og spredning af skadedyr og patogener^8,,9,10. De kan også have en positiv indvirkning på skovene, såsom øget vækst af overlevende træer⁵ og øget biodiversitet¹¹. En forbedring af vores evne til at forudsige påvirkninger fra isstorme vil sætte os i stand til bedre at forberede os på og reagere på disse begivenheder.

Isstorme opstår, når et lag fugtig luft, der er over frysepunktet, tilsidesætter et lag af frostvejr tættere på jorden. Regn falder fra det varmere lag af luft supercools, da den passerer gennem det kolde lag, danner glasur is, når deponeret på sub-frysning overflader. I USA kan denne termiske stratificering skyldes synoptiske vejrmønstre , der er karakteristiske for specifikke regioner^12,13. Frysende regn er oftest forårsaget af arktiske fronter, der bevæger sig sydøst over USA foran stærke anticykloner¹³. I nogle regioner, topografi bidrager til de atmosfæriske forhold, der er nødvendige for isstorme gennem kold luft damming, et meteorologisk fænomen, der opstår, når varm luft fra en indkommende storm tilsidesætter kold luft, der bliver forankret sammen med en^{bjergkæde 14,15}.

I USA, is storme er mest almindelige i “isbælte”, der strækker sig fra Maine til vestlige Texas^16,17. Isstorme forekommer også i en relativt lille region i Pacific Northwest, især omkring Columbia River Basin i Washington og Oregon. Meget af USA oplever i det mindste nogle frysende regn, med de største mængder i det nordøstlige, hvor de mest is udsatte områder har en median på syv eller flere frysende regn dage (dage, hvor mindst en timeobservation af frysende regn fandt sted)^{årligt 16}. Mange af disse storme er relativt mindre, selv om der forekommer mere intense isstorme, om end med meget længere gentagelsesintervaller. For eksempel, i New England, området i radial is tykkelse er 19 til 32 mm for storme med en 50-årig gentagelse interval¹⁸. Empiriske beviser tyder på , at isstorme bliver hyppigere på de nordlige breddegrader og mindre hyppige mod syd^19,20,21. Denne tendens forventes at fortsætte på grundlag af computersimuleringer ved hjælp af fremtidige fremskrivninger^{af klimaændringer 22,23}. Manglen på data og den fysiske forståelse gør det imidlertid vanskeligere at opdage og projicere tendenser i isstorme end andre typer af ekstreme begivenheder²⁴.

Da store isstorme er relativt sjældne, er de udfordrende at studere. Det er vanskeligt at forudsige, hvornår og hvor de vil forekomme, og det er generelt upraktisk at “jage” storme til forskningsformål. Derfor har de fleste isstormundersøgelser været uplanlagte post hoc-vurderinger, der fandt sted i kølvandet på store storme. Denne forskning tilgang er ikke ideel på grund af den manglende evne til at indsamle baseline data før en storm. Derudover kan det være svært at finde uberørte områder til sammenligning med beskadigede områder, når isstorme dækker et stort geografisk omfang. I stedet for at vente på, at der opstår naturlige storme, kan eksperimentelle tilgange give fordele, fordi de giver mulighed for nøje kontrol med timingen og intensiteten af glasurhændelser og giver mulighed for passende referencebetingelser for klart at vurdere virkningerne.

Eksperimentelle tilgange giver også udfordringer, især i skovklædte økosystemer. Højden og bredden af træer og baldakinen gør dem vanskelige at eksperimentelt manipulere, i forhold til lavere statur græsarealer eller buske. Derudover er forstyrrelser fra isstorme diffus, både lodret gennem skovsejl og på tværs af landskabet, hvilket er vanskeligt at simulere. Vi kender kun til en anden undersøgelse, der forsøgte at simulere isstormpåvirkninger i et^{skovøkosystem 25}. I dette tilfælde blev en riffel brugt til at fjerne op til 52% af kronen i en loblolly fyr stå i Oklahoma. Selv om denne metode gav resultater, der er karakteristiske for isstorme, er den ikke effektiv til at fjerne større grene og ikke får træerne til at bøje sig over, hvilket er almindeligt med naturlige isstorme. Mens ingen andre eksperimentelle metoder er blevet brugt til at studere isstorme specifikt, der er nogle paralleller mellem vores tilgang og andre typer af skov forstyrrelse manipulationer. For eksempel, hul dynamik er blevet undersøgt ved fældning enkelte træer²⁶, skov skadedyr invasioner ved omkredsning^{træer 27}, og orkaner ved beskæring²⁸ eller trække ned hele træer med et spil og kabel²⁹. Af disse tilgange, beskæring tættest efterligner isstorm virkninger, men er arbejdskrævende og dyrt. De andre tilgange forårsager dødelighed af hele træer, snarere end den delvise brud på lemmer og grene, der er typiske for naturlige isstorme.

Den protokol, der er beskrevet i dette papir er nyttig for nøje at efterligne naturlige is storme og indebærer sprøjtning vand over skoven baldakin under sub-frysning betingelser for at simulere glasur is begivenheder. Metoden giver fordele i forhold til andre midler, fordi skaden kan fordeles relativt jævnt i hele skovene over et stort område med mindre indsats end beskæring eller nedskydning af hele træer. Derudover kan mængden af is accretion reguleres gennem den mængde vand, der anvendes, og ved at vælge en tid til at sprøjte, når vejrforholdene er befordrende for optimal isdannelse. Denne nye og relativt billige eksperimentelle tilgang giver mulighed for kontrol over intensiteten og hyppigheden af glasur, som er afgørende for at identificere kritiske økologiske tærskler i skovøkosystemerne.

Protocol

1. Udvikle det eksperimentelle design Bestem intensiteten og hyppigheden af glasur baseret på realistiske værdier. Bestem størrelsen og formen af observationsområder. Hvis målet er at evaluere træresponser, skal du vælge en plotstørrelse, der er stor nok til at omfatte flere træer og de fleste af deres rodsystemer, som varierer afhængigt af faktorer som træarter og alder. Af sikkerhedsmæssige årsager udformes observationsområdet, så hele observationsområdet kan sprø…

Representative Results

En isstorm simulering blev udført i en 70 \ u2012100 år gammel nordlige hårdttræ skov på Hubbard Brook Experimental Forest i det centrale New Hampshire (43 ° 56 ‘N, 71 ° 45 ‘W). Standhøjden er ca. 20 m, og den dominerende træart i isens område er amerikansk bøg (Fagus grandifolia), sukkerahorn (Acer saccharum), rød ahorn (Acer rubrum) og gul birk (Betula alleghaniensis). Ti 20 m x 30 m parceller blev etableret og tilfældigt tildelt en behandling. Det meste af prøveudtagni…

Discussion

Det er afgørende at udføre eksperimentelle simuleringer af isstorme under passende vejrforhold for at sikre deres succes. I en tidligere undersøgelse³⁰, fandt vi, at de optimale betingelser for sprøjtning er, når lufttemperaturer er under -4 °C og vindhastigheder er mindre end 5 m / s. Naturlige isstorme oftest opstår, når lufttemperaturer er lidt mindre end frysning (-1 til 0 °C), og selv om de ideelle temperaturer for is storm simuleringer er koldere, de er stadig inden for temperaturom…

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