산림 생태계에 얼음 폭풍의 영향 시뮬레이션
Summary
얼음 폭풍은 발생을 예측하는 데 어려움을 겪기 때문에 연구하기가 어려운 중요한 기상 현상입니다. 여기서는 동결 조건 동안 숲 캐노피 위에 물을 뿌리는 얼음 폭풍을 시뮬레이션하는 새로운 방법을 설명합니다.
Abstract
얼음 폭풍은 동결 조건을 경험하는 지역의 산림 생태계의 구조와 기능에 심오하고 지속적인 영향을 미칠 수 있습니다. 현재 모델은 기후 변화에 대응하여 향후 수십 년 동안 얼음 폭풍의 빈도와 강도가 증가할 수 있어 그 영향을 이해하는 데 대한 관심이 높아지고 있다고 제안합니다. 얼음 폭풍의 금욕적 성격과 언제 어디서 일어날지 예측하는 데 어려움을 겪기 때문에, 얼음 폭풍의 생태학적 영향에 대한 과거 조사는 주요 폭풍에 따른 사례 연구에 기반을 두고 있습니다. 강렬한 얼음 폭풍이 극히 드문 사건이기 때문에 자연 발생을 기다려서 연구하는 것은 비현실적입니다. 여기서 우리는 필드 조건하에서 숲 플롯에 유약 얼음 이벤트의 시뮬레이션을 포함하는 새로운 대체 실험 접근 방식을 제시한다. 이 방법을 사용하면 물이 개울이나 호수에서 펌핑되고 공기 온도가 영하일 때 숲 캐노피 위에 분무됩니다. 물은 비가 내리고 차가운 표면과 접촉하면 얼어 붙습니다. 얼음이 나무에 축적됨에 따라 볼레와 가지가 구부러지고 부서지는 것입니다. 처리되지 않은 참조 스탠드와의 비교를 통해 정량화 될 수있는 손상. 설명된 실험적 접근법은 적용된 얼음의 타이밍과 양을 제어할 수 있기 때문에 유리합니다. 다양한 주파수와 강도의 얼음 폭풍을 생성하면 얼음 폭풍 영향을 예측하고 준비하는 데 필요한 중요한 생태 학적 임계값을 식별 할 수 있습니다.
Introduction
얼음 폭풍은 환경과 사회에 단기 및 장기적인 영향을 미칠 수있는 중요한 자연 장애입니다. 강렬한 얼음 폭풍은 나무와 작물을 손상시키고, 유틸리티를 방해하며, 도로 및 기타 인프라1,,2를손상시키기 때문에 문제가됩니다. 얼음 폭풍이 일으키는 위험한 상태는 사고를 일으켜 부상과 사망자2를초래할 수 있습니다. 얼음 폭풍은 비용이 많이 듭니다. 미국(미국)3의재정적 손실은 연간 평균 3억 1,300만4달러로, 일부 개별 폭풍은 10억 4달러를 초과합니다. 산림 생태계에서 얼음 폭풍은 감소된 성장과 나무 사망률5,,6,7,7화재 위험 증가, 해충 및 병원균의 확산8,9,,910등의 부정적인 결과를 초래할 수 있다. 또한 살아남은 나무5의 성장 증가와 생물 다양성11증가와 같은 숲에 긍정적 인 영향을 미칠 수 있습니다. 얼음 폭풍으로 인한 영향을 예측하는 능력을 개선하면 이러한 사건에 더 잘 대비하고 대응할 수 있습니다.
얼음 폭풍은 얼어붙은 습한 공기층이 지상에 가까운 영하의 공기를 재고다클할 때 발생합니다. 차가운 층을 통과할 때 공기의 따뜻한 층에서 떨어지는 비는 과냉각되어 영하 표면에 증착될 때 유약 얼음을 형성합니다. 미국에서는 이러한 열 계층화는 특정지역(12,,13)의특징인 시놉틱 기상 패턴에서 발생할 수 있다. 동결 비는 가장 일반적으로 강한 안티 사이클론13앞서 미국 을 가로 질러 남동쪽으로 이동 북극 전선에 의해 발생합니다. 일부 지역에서는 지형이 차가운 공기 댐밍을 통해 얼음 폭풍에 필요한 대기 조건에 기여하며, 들어오는 폭풍으로 인한 따뜻한 공기가 산맥14,,15와함께 자리잡은 차가운 공기를 덮칠 때 발생하는 기상 현상이다.
미국에서는 메인에서 텍사스서부16,,17까지이어지는 “얼음 벨트”에서 얼음 폭풍이 가장 흔합니다. 또한 태평양 북서부의 비교적 작은 지역, 특히 워싱턴과 오리건의 컬럼비아 강 유역 주변에서 얼음 폭풍이 발생합니다. 미국의 대부분은 적어도 일부 동결 비를 경험, 가장 얼음 경향이 지역은 7 개 이상의 동결 비 일 (동결 비의 적어도 한 시간별 관찰발생 하는 동안 일)의 중앙값을 가지고 북동부에서 가장 큰 금액으로매년 16. 이러한 폭풍의 대부분은 상대적으로 사소한, 더 강렬한 얼음 폭풍이 발생 하지만, 훨씬 더 긴 재발 간격에도 불구하고. 예를 들어, 뉴잉글랜드에서는 50년 재발간격(18)이있는 폭풍의 경우 방사형 얼음 두께의 범위는 19~32mm입니다. 경험적 증거에 따르면 북부 위도에서 얼음 폭풍이 점점 더 빈번해지고 있으며 남부19,,20,,21에서덜 빈번해지고 있습니다. 이러한 경향은 향후 기후 변화 예측22,,23을사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 계속될 것으로 예상됩니다. 그러나 데이터와 물리적 이해가 부족하여 다른 유형의 극단적 인 사건(24)보다얼음 폭풍의 추세를 감지하고 투사하기가 더 어려워지게됩니다.
주요 얼음 폭풍은 비교적 드물기 때문에 연구하기가 어렵습니다. 언제 어디서 일어날지 예측하기는 어렵고, 일반적으로 연구 목적으로 폭풍을 “추적”하는 것은 비현실적입니다. 따라서 대부분의 얼음 폭풍 연구는 큰 폭풍우의 여파로 발생하는 계획되지 않은 사후 호크 평가되었습니다. 이 연구 접근 방식은 폭풍 전에 기준 데이터를 수집할 수 없기 때문에 이상적이지 않습니다. 또한, 얼음 폭풍이 지리적 으로 큰 정도를 커버 할 때 손상된 지역과 비교하기 위해 영향을받지 않는 지역을 찾기 어려울 수 있습니다. 자연 폭풍이 발생하기를 기다리는 대신, 실험적인 접근 방식은 착빙 이벤트의 타이밍과 강도를 면밀히 제어할 수 있고 적절한 참조 조건이 효과를 명확하게 평가할 수 있도록 하기 때문에 이점을 제공할 수 있습니다.
실험적 접근 방식은 특히 숲이 우거진 생태계에서도 어려움을 겪습니다. 나무와 캐노피의 높이와 너비는 낮은 키초원이나 관목에 비해 실험적으로 조작하기가 어렵습니다. 또한, 얼음 폭풍으로 인한 교란은 숲 캐노피를 수직으로 통과하고 시뮬레이션하기 어려운 풍경을 가로 질러 확산됩니다. 우리는 숲 생태계25에서얼음 폭풍 의 영향을 시뮬레이션하려고 시도 한 다른 연구를 알고있다. 이 경우, 소총은 오클라호마의 로브롤리 소나무 스탠드에서 크라운의 52 %까지 제거하는 데 사용되었다. 이 방법은 얼음 폭풍의 특징인 결과를 생성했지만, 큰 가지를 제거하는 데 효과적이지 않으며 나무가 구부러지지 않아 자연 얼음 폭풍과 흔히 발생합니다. 얼음 폭풍을 구체적으로 연구하는 데 다른 실험 적인 방법은 사용되지 않았지만, 우리의 접근 방식과 다른 유형의 산림 교란 조작 사이에는 몇 가지 유사점이 있습니다. 예를 들어, 개별나무(26)벌목,나무(27)를거들링하여 산림 해충 침공,28그루를 가지거나 윈치와케이블(29)로전체 나무를 끌어당기는 허리케인을 통해 갭 역학을 연구하고 있다. 이러한 접근 방식 중, 가장 밀접하게 얼음 폭풍 영향을 모방 하지만 노동 집약적이고 비용이 많이 드는. 다른 접근 법은 자연 얼음 폭풍의 전형적인 사지와 가지의 부분 파손보다는 전체 나무의 사망률을 유발합니다.
이 논문에 설명된 프로토콜은 자연 얼음 폭풍을 면밀히 모방하는 데 유용하며 동결 조건 동안 숲 캐노피 위에 물을 뿌리고 유약 얼음 이벤트를 시뮬레이션합니다. 이 방법은 전체 나무를 가지치기또는 내리려는 것보다 적은 노력으로 넓은 지역에 걸쳐 숲 전체에 걸쳐 피해를 비교적 균등하게 분배할 수 있기 때문에 다른 수단에 비해 이점을 제공합니다. 또한, 얼음 의 양은 적용 된 물의 양을 통해 조절 할 수 있으며, 기상 조건이 최적의 얼음 형성에 도움이 될 때 스프레이 하는 시간을 선택 하 여. 이 새롭고 비교적 저렴한 실험 적 접근 방식은 삼림 생태계에서 중요한 생태 학적 임계 값을 식별하는 데 필수적인 착빙의 강도와 빈도를 제어 할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
적절한 기상 조건에서 얼음 폭풍의 실험 시뮬레이션을 수행하여 성공을 보장하는 것이 중요합니다. 이전 연구30에서,우리는 분무에 대한 최적의 조건은 공기 온도가 -4 ° C 이하이고 풍속이 5m / s 미만일 때 가장 일반적으로 발생하는 것으로 나타났습니다 (-1 받는 분의 0 ° C), 얼음 폭풍 시뮬레이션에 대한 이상적인 온도는 추운 경우에도, 그들은 여전히 관찰 된 동결 비 이벤트의 …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구를 위한 기금은 국립 과학 재단 (DEB-1457675)에 의해 제공되었습니다. 얼음 응용 프로그램 및 관련 분야 및 실험실 작업, 특히 제프 슈와너, 게이브 위넌트, 브렌던 레오나르디를 도운 아이스 스톰 실험(ISE)의 많은 참가자들에게 감사드립니다. 이 원고는 허바드 브룩 생태계 연구의 기여입니다. 허바드 브룩은 국립 과학 재단 (DEB-1633026)에 의해 지원되는 장기 생태 연구 (LTER) 네트워크의 일부입니다. 허바드 브룩 실험 숲은 USDA 산림 청, 북부 연구 스테이션, 매디슨, 위스콘신에 의해 운영및 유지됩니다. 비디오와 이미지는 허바드 브룩 리서치 재단의 제공자인 짐 슈레트와 조 클레멘토비치가 가지고 있습니다.
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).
