森林生態系に対する氷嵐の影響のシミュレーション
Summary
氷嵐は、その発生を予測するのが難しいため、研究が困難である重要な気象イベントです。ここでは、氷点下の状態で森林の天蓋に水を噴霧する氷嵐をシミュレートする新しい方法について説明します。
Abstract
氷嵐は、凍結状態を経験する地域の森林生態系の構造と機能に深く永続的な影響を与える可能性があります。現在のモデルは、気候の変化に対応して氷嵐の頻度と強度が今後数十年にわたって増加する可能性があることを示唆しており、その影響を理解することに対する関心が高まっている。氷嵐の確率的性質と、いつどこで発生するかを予測するのが難しいため、氷嵐の生態学的影響に関する過去のほとんどの調査は、大嵐に続くケーススタディに基づいています。激しい氷の嵐は非常にまれな出来事であるため、自然発生を待つことによってそれらを研究することは現実的ではありません。ここでは、フィールド条件下の森林プロット上の釉薬氷事象のシミュレーションを含む新しい代替実験アプローチを提示する。この方法では、水は、水は、水や湖からポンプで送られ、空気温度が氷点下のときに森林の天蓋の上に噴霧されます。冷たい表面に接触すると、水が降り注び、凍ります。木に氷が溜まるので、ボレスと枝は曲がって壊れます。未処理の基準スタンドとの比較によって定量化できる損傷。説明した実験アプローチは、適用される氷のタイミングと量を制御できるため有利である。異なる頻度と強度の氷嵐を作成することで、氷の嵐の影響を予測し、準備するために必要な重要な生態学的閾値を特定することができます。
Introduction
氷嵐は、短期的にも長期的にも環境や社会に影響を与える重要な自然の乱れです。激しい氷嵐は、木や作物に損傷を与え、公益事業を混乱させ、道路やその他のインフラ11、2を損なうため、問題があります。氷嵐が引き起こす危険な条件は、事故を引き起こし、負傷者と死亡者を引き起こす可能性があります 2.氷嵐は高価です。米国(米国)3では年間平均3億1,300万ドルの金融損失が発生し、一部の個々の嵐は10億ドル4ドルを超えています。森林生態系,では、氷嵐は、成長の減少と木の死亡率5、6、7、6火災のリスクの増加、害虫および病原体の増殖58、9、109,10を含む負の結果をもたらす可能性があります。7彼らはまた、生き残った木の成長を強化するなどの森林にプラスの影響を与えることができます 5 と増加生物多様性11.氷嵐の影響を予測する能力を向上させることで、これらのイベントに対するより良い準備と対応が可能になります。
氷嵐は、氷点下を超える湿った空気の層が、地面に近い氷点下の空気の層を上書きするときに発生します。暖かい空気層から降る雨は、冷たい層を通過する際に超冷し、氷点下の表面に堆積すると釉薬の氷を形成します。米国では、この熱層は、特定の地域12、13,13の特徴であるシノプティック気象パターンに起因する可能性があります。凍結雨は、強いアンチサイクロン13の前に米国を南東に移動する北極前線によって最も一般的に引き起こされます。一部の地域では、地形は冷たい空気の減衰を通して氷嵐に必要な大気条件に寄与し、入ってくる嵐からの暖かい空気が山脈14、15,15と一緒に定着する冷たい空気を上書きするときに発生する気象現象である。
米国では、メイン州からテキサス州西部16、17,17に広がる「アイスベルト」で氷の嵐が最も一般的です。氷の嵐はまた、太平洋北西部の比較的小さな地域、特にワシントン州とオレゴン州のコロンビア川流域周辺でも発生します。米国の多くは少なくともいくつかの凍結雨を経験し、最も氷が起こりやすい地域では毎年7日以上の凍結雨日(氷点下の雨の少なくとも1時間の観測が発生した日)の中央値を持つ北東部で最も多くの量を持っています16。これらの嵐の多くは比較的軽微ですが、より激しい氷嵐が発生しますが、再発間隔ははるかに長くなります。たとえば、ニューイングランドでは、50 年の再発間隔 18 の嵐の場合、放射状の氷の厚さの範囲は19~ 32 mm です。経験的証拠は、氷の嵐が北緯でより頻繁になり、南19、20、2120,21にはあまり頻繁に起こっていないことを示しています。19この傾向は、将来の気候変動予測22,23,23を用いたコンピュータシミュレーションに基づいて継続すると予想される。しかし、データと物理的な理解の欠如は、極端なイベントの他のタイプよりも氷の嵐の傾向を検出し、投影することがより困難になります24.
大きな氷の嵐は比較的まれであるため、研究に取りつくのは難しいです。いつどこで発生するかを予測することは困難であり、研究目的で嵐を「追いかける」ことは一般的に現実的ではありません。その結果、ほとんどの氷嵐研究は、大嵐をきっかけに起こる計画外の臨時評価であった。この調査アプローチは、嵐の前にベースラインデータを収集することができないため、理想的ではありません。さらに、氷の嵐が大きな地理的範囲をカバーする場合、損傷した地域と比較するために影響を受けない地域を見つけることは困難な場合があります。自然嵐が発生するのを待つのではなく、実験的アプローチは、アイシングイベントのタイミングと強度を綿密に制御し、適切な基準条件で効果を明確に評価できるため、利点を提供する可能性があります。
実験的なアプローチは、特に森林生態系においても課題を提起しています。木の高さと幅とキャノピーは、低身長の草原や低木と比較して、実験的に操作することが困難になります。さらに、氷の嵐からの妨害は、森林の天蓋を通って垂直に、そしてシミュレートすることが困難な風景を横切って拡散します。私たちは、森林生態系25における氷の嵐の影響をシミュレートしようとした他の1つの研究しか知りません。この場合、ライフルはオクラホマ州のロブロリー松のスタンドで王冠の最大52%を取り除くために使用されました。この方法は氷嵐の特徴である結果を生み出したが、大きな枝を取り除くのには効果がなく、自然の氷嵐に共通する木々が曲がらない。氷の嵐を具体的に研究するために他の実験的な方法は使用されていませんが、私たちのアプローチと他のタイプの森林妨害操作との間にはいくつかの平行線があります。例えば、ギャップダイナミクスは、個々の木26を伐採することによって研究されており、木27をガードリングすることによって森林害虫の侵入、および28を剪定するか、ウィンチとケーブル29で木全体を引き下げてハリケーンを行う。これらのアプローチのうち、剪定は氷の嵐の影響を最も密接に模倣しますが、労働集約的で高価です。他のアプローチは、自然の氷の嵐の典型的な手足や枝の部分的な破損ではなく、木全体の死亡率を引き起こす。
この論文に記載されているプロトコルは、自然の氷の嵐を密接に模倣するのに役立ち、氷の氷のイベントをシミュレートするために氷のサブ凍結条件の間に森林キャノピーの上に水を噴霧することを含む。この方法は、被害が木全体を剪定またはダウンするよりも少ない労力で広い地域の森林全体に比較的均等に分布することができるので、他の手段よりも利点を提供します。さらに、氷の降着量は、適用される水の量を通じて、および気象条件が最適な氷の形成に役立つときにスプレーする時間を選択することによって調節することができます。この新しく比較的安価な実験的アプローチは、森林生態系における重要な生態学的閾値を特定するために不可欠なアイシングの強度と頻度を制御することを可能にする。
Protocol
Representative Results
Discussion
適切な気象条件下で氷嵐の実験シミュレーションを実行し、成功を収めるためには重要です。以前の研究30では、噴霧の最適な条件は、気温が-4°C未満で風速が5m/s未満である場合であり、気温が氷点下(-1〜0°C)よりわずかに低いときに最も一般的に発生する自然氷嵐であり、氷嵐シミュレーションの理想的な温度は寒いが、氷嵐シミュレーションの理想的な温度は依然として…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究のための資金は、国立科学財団(DEB-1457675)によって提供されました。氷の適用と関連するフィールドとラボの仕事、特にジェフ・シュワナー、ゲイブ・ウィナント、ブレンダン・レオナルディを手伝ってくれたアイスストーム実験(ISE)の多くの参加者に感謝します。この原稿はハバードブルック生態系研究の貢献です。ハバードブルックは、国立科学財団(DEB-1633026)が支援する長期生態学研究(LTER)ネットワークの一部です。ハバードブルック実験林は、USDA森林局、北部研究ステーション、マディソン、ウィスコンシン州によって運営され、維持されています。ビデオと画像は、ハバードブルック研究財団の礼儀であるジム・スレットとジョー・クレメントヴィッチによるもので、
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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