הדמיית השפעות על סופות קרח ביער מערכות אקולוגיות
Summary
סערות קרח הן אירועי מזג אוויר חשובים המאתגרים את הלמידה בגלל קשיים בניבוי התרחשותן. כאן אנו מתארים שיטה מקורית להדמיית סופות קרח המערבת התזת מים על חופה ביער במהלך הקפאת התנאים.
Abstract
סופות קרח יכולות להיות השפעות מעמיקות ומתמשך על המבנה והתפקוד של מערכות אקולוגיות ביער באזורים שחווים הקפאת תנאים. הדגמים הנוכחיים מראים כי התדירות והאינטנסיביות של סופות הקרח יכולות להגדיל את העשורים הבאים בתגובה לשינויים באקלים, לשפר את העניין בהבנת ההשפעות שלהם. בגלל האופי הסטוכסטי של סופות הקרח והקשיים בניבוי מתי ואיפה הם יתרחשו, החקירות האחרונות של ההשפעות האקולוגיות של סופות הקרח התבססו על מקרים שלאחר סופות גדולות. מאז סופות קרח אינטנסיבי הם אירועים נדירים ביותר זה לא מעשי ללמוד אותם על ידי מחכה להתרחשות הטבעית שלהם. כאן אנו מציגים הגישה החדשנית הניסיונית הפתרון, מעורבים סימולציה של גלקוניה קרח אירועים על חלקות יער תחת תנאי שדה. עם שיטה זו, מים נשאבים מנחל או אגם וריסס מעל החופה היער כאשר טמפרטורות האוויר מתחת לקיפאון. המים מגשמים וקופא עם מגע עם משטחים קרים. כאשר הקרח מצטבר על העצים, הבולס והענפים מכופפים ונשברים; נזק שניתן לכמת באמצעות השוואות עם דוכני התייחסות לא מטופלות. הגישה הניסיונית שתוארה היא יתרון משום שהיא מאפשרת שליטה על התזמון ועל כמות הקרח שהוחלה. יצירת סערות קרח בתדר ובאינטנסיביות שונים מאפשרת לזהות ספי אקולוגיה קריטיים הנחוצים לניבוי והכנה לפגיעות בסופת הקרח.
Introduction
סופות קרח הן הפרעה טבעית חשובה, כי יכול להיות הן השפעות קצרות לטווח ארוך על הסביבה והחברה. סופות קרח אינטנסיביות הן בעייתיות משום שהן פוגעות בעצים וביבולים, משבשים את כלי השירות ופוגעות בכבישים ובתשתיות אחרות1,2. התנאים המסוכנים שסופות הקרח יוצרות עלולים לגרום לתאונות הנובעות מפציעות ומהרוגים2. סופות הקרח יקרות; הפסדים כספיים בממוצע $313,000,000 לשנה בארצות הברית (ארה ב)3, עם כמה סופות בודדות מעל $1,000,000,0004. ביער מערכות אקולוגיות, סופות קרח יכולות להיות השלכות שליליות כולל צמיחה מופחתת ותמותת עצים5,6,7, סיכון מוגבר של אש, התפשטות של מזיקים ופתוגנים8,9,10. הם יכולים גם להיות בעלי השפעה חיובית על יערות, כגון צמיחה משופרת של עצים ששרדו5 ולהגדיל את המגוון הביולוגי11. שיפור היכולת שלנו לנבא השפעות מסופות קרח יאפשר לנו להתכונן ולהגיב לאירועים אלה.
סופות קרח מתרחשות כאשר שכבה של אוויר לח, כי הוא מעל לקפוא, עוקפת שכבה של אוויר תת-הקפאה קרוב יותר לקרקע. גשם נופל מן השכבה החמה של האוויר מתקרר כפי שהוא עובר דרך השכבה הקר, ויוצרים קרח זיגוג כאשר הופקד על משטחים הקפאה משנית. בארה ב, ריבוד תרמית זה יכול לנבוע מפה סינופטית דפוסי מזג האוויר האופייניים לאזורים ספציפיים12,13. הגשם המקפיא נגרם בדרך כלל על-ידי חזיתות הקוטב הצפוני, העוברים ברחבי ארה ב לפני האנטיבוטים החזקים13. באזורים מסוימים, הטופוגרפיה תורמת לתנאים האטמוספריים הנחוצים לסופות קרח באמצעות דאמינג אוויר קר, תופעה מטאורולוגית המתרחשת כאשר אוויר חם מסערה נכנסת עוקף אוויר קר שמבצר לצד רכס הרים14,15.
בארה ב, סופות קרח נפוצות ביותר ב “חגורת קרח” המשתרע ממיין לטקסס16,17. סופות קרח מתרחשות גם באזור קטן יחסית של מערב האוקיינוס השקט, במיוחד באזור אגן הנהר קולומביה של וושינגטון ואורגון. חלק גדול מארה ב חווה לפחות מעט גשם קפוא, עם הכמויות הגדולות ביותר בצפון-מזרח המקום שבו מרבית האזורים בעלי הקרח הם בעלי חציון של שבעה או יותר ימי גשם קפואים (ימים שבהם התרחש לפחות שעה אחת של גשם קפוא) שנתי16. רבים מסופות אלה הם קלים יחסית, למרות שסערות קרח אינטנסיביות יותר מתרחשות, אם כי עם מרווחי זמן ארוכים יותר. לדוגמה, בניו אינגלנד, הטווח בעובי קרח רדיאלי הוא 19 עד 32 מ”מ עבור סערות עם מרווח זמן של 50 שנים להישנות18. ראיות אמפיריים עולה כי סופות קרח הופכים תכופים יותר בצפון הרוחב ופחות תכופים לדרום19,20,21. מגמה זו צפויה להמשיך בהתבסס על סימולציות מחשב באמצעות התחזיות העתידיות שינוי22האקלים 22,23. עם זאת, חוסר נתונים והבנה גופנית להקשות יותר לזהות מגמות הפרויקט בסערות קרח מאשר סוגים אחרים של אירועים קיצוניים24.
מכיוון שסופות הקרח הגדולות נדירות יחסית, הן מאתגרות ללמידה. קשה לנבא מתי והיכן הם יתרחשו, ובדרך כלל לא מעשי “לרדוף” סופות למטרות מחקר. כתוצאה מכך, רוב מחקרי סופת הקרח לא היו מתוכננים בהתאם להערכות המתרחשות בעקבות סערות גדולות. גישת מחקר זו אינה אידיאלית בשל חוסר היכולת לאסוף נתונים בסיסיים לפני סופה. בנוסף, זה יכול להיות קשה למצוא אזורים מושפעים להשוואה עם אזורים פגומים כאשר סופות קרח לכסות במידה גיאוגרפית גדולה. במקום לחכות לסופות טבעיות שיתרחשו, גישות נסיוניות עשויות להציע יתרונות משום שהם מאפשרים שליטה מקרוב על התזמון והאינטנסיביות של אירועי הציפוי ומאפשרים תנאי התייחסות מתאימים כדי להעריך בבירור את ההשפעות.
גישות נסיוניות גם להציב אתגרים, במיוחד בתוך האקולוגית מיוער. הגובה והרוחב של העצים והחופה הופכים אותם לקשים לטיפול בניסויים, בהשוואה לגראסלאנדס בעלי מעמד נמוך או בתות. בנוסף, הפרעה מסופות קרח מפוזר, במאונך דרך החופה היער וברחבי הנוף, אשר קשה לדמות. אנחנו יודעים רק עוד מחקר אחד שניסה לדמות השפעות סערת קרח במערכת אקולוגית ביער25. במקרה זה, השתמשו ברובה כדי להסיר עד 52% מהכתר בדוכן אורן מלוי באוקלהומה. למרות ששיטה זו יצרה תוצאות האופייניות לסופות קרח, היא אינה יעילה בהסרת ענפים גדולים יותר ואינה גורמת לעצים להתכופף, הנפוצים בסופות קרח טבעיות. בעוד שיטות נסיוניות אחרות שימשו לחקר סופות קרח במיוחד, יש כמה הקבלות בין הגישה שלנו וסוגים אחרים של מניפולציות יער הפרעה. לדוגמה, הדינמיקה של הפערים נחקרו על-ידי כריתת עצים בודדים26, הדברה ביער על ידי שריפת עצים27, ו הוריקנים על ידי גיזום28 או משיכת עצים שלמים עם המנוף כבל29. מתוך גישות אלה, גיזום הקרוב ביותר מחקה השפעות קרח, אבל היא עבודה אינטנסיבית ויקרה. הגישות האחרות גורמות לתמותה של עצים שלמים, ולא לשבר החלקי של הגפיים והענפים האופייניים לסופות קרח טבעיות.
הפרוטוקול המתואר במאמר זה שימושי לחיקוי מקרוב של סופות קרח טבעיות וכרוך התזת מים על החופה ביער במהלך הקפאת התנאים להדמיית אירועי קרח קוניה. השיטה מציעה יתרונות על פני אמצעים אחרים מכיוון שהנזק יכול להיות מופץ יחסית באופן יחסי ברחבי היערות על שטח גדול עם פחות מאמץ מאשר גיזום או עצים שלמים. בנוסף, כמות דיסקת ספיחה קרח יכול להיות מוסדר באמצעות נפח של מים להחיל על ידי בחירת זמן כדי לרסס כאשר מזג האוויר מסיע היווצרות קרח אופטימלי. זה רומן וגישה ניסיוני זול יחסית מאפשר לשלוט על העוצמה ואת תדירות הציפוי, אשר חיוני לזיהוי סף אקולוגי קריטי בתוך הסביבה ביער.
Protocol
Representative Results
Discussion
חשוב לבצע הדמיות נסיוניות של סופות קרח בתנאי מזג אוויר מתאימים כדי להבטיח את הצלחתם. במחקר הקודם30, גילינו כי התנאים האופטימליים לריסוס הם כאשר טמפרטורות האוויר הן מתחת ל-4 ° צ’ ומהירויות הרוח הם פחות מ 5-m. סופות הקרח הטבעיות מתרחשות בדרך כלל כאשר טמפרטורות האוויר מעט פחות מקפיא?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המימון למחקר זה סופק על ידי הקרן הלאומית למדע (דאב-1457675). אנו מודים למשתתפים הרבים בניסוי סופת הקרח (ISE) שסייעו ביישום הקרח ובעבודת המעבדה המשויכת לתחום, במיוחד ג’ף שואנור, גייב וינאנט, וברנדן לאונרדי. כתב היד הזה הוא תרומה של. מחקר המערכת האקולוגית של האברד האברד ברוק הוא חלק מרשת המחקר האקולוגי לטווח ארוך (LTER), הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (דאב-1633026). היער הניסיוני של ברוק האברד מופעל ומתוחזק על ידי שירות יער משרד החקלאות, תחנת המחקר הצפונית, מדיסון, WI. וידאו ותמונות הם על ידי ג’ים בילט וג קליינטוביץ ‘, באדיבות קרן המחקר של ברוק האברד.
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 |
Referências
- 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).
