Simulando impactos de tempestades de gelo em ecossistemas florestais
Summary
Tempestades de gelo são eventos climáticos importantes que são desafiadores de estudar devido às dificuldades em prever sua ocorrência. Aqui, descrevemos um novo método para simular tempestades de gelo que envolve pulverizar água sobre um dossel florestal durante condições de subcongelamento.
Abstract
Tempestades de gelo podem ter efeitos profundos e duradouros na estrutura e função dos ecossistemas florestais em regiões que experimentam condições de congelamento. Os modelos atuais sugerem que a frequência e a intensidade das tempestades de gelo podem aumentar nas próximas décadas em resposta às mudanças climáticas, aumentando o interesse em entender seus impactos. Devido à natureza estocástica das tempestades de gelo e às dificuldades em prever quando e onde ocorrerão, a maioria das investigações passadas dos efeitos ecológicos das tempestades de gelo foram baseadas em estudos de caso após grandes tempestades. Uma vez que tempestades de gelo intensas são eventos extremamente raros, é impraticável estudá-las esperando por sua ocorrência natural. Aqui apresentamos uma nova abordagem experimental alternativa, envolvendo a simulação de eventos de gelo de esmalte em parcelas florestais em condições de campo. Com este método, a água é bombeada de um córrego ou lago e pulverizada acima do dossel da floresta quando as temperaturas do ar estão abaixo de zero. A água chove e congela após contato com superfícies frias. À medida que o gelo se acumula sobre árvores, as boles e galhos dobram e quebram; danos que podem ser quantificados através de comparações com estandes de referência não tratados. A abordagem experimental descrita é vantajosa porque permite o controle sobre o tempo e a quantidade de gelo aplicado. A criação de tempestades de gelo de diferentes frequências e intensidades permite identificar limiares ecológicos críticos necessários para prever e se preparar para impactos de tempestades de gelo.
Introduction
As tempestades de gelo são uma importante perturbação natural que pode ter impactos de curto e longo prazo no meio ambiente e na sociedade. Tempestades de gelo intensas são problemáticas porque danificam árvores e culturas, interrompem as concessionárias e prejudicam estradas e outras infraestruturas1,2. As condições perigosas que as tempestades de gelo criam podem causar acidentes resultando em ferimentos e fatalidades2. Tempestades de gelo são caras; perdas financeiras médias de US $ 313 milhões por ano nos Estados Unidos (EUA)3, com algumas tempestades individuais excedendo US $ 1 bilhão4. Nos ecossistemas florestais, as tempestades de gelo podem ter consequências negativas, incluindo redução do crescimento e mortalidade de árvores5,,6,,7, aumento do risco de incêndio e proliferação de pragas e patógenos8,,9,,10. Eles também podem ter efeitos positivos sobre as florestas, como o crescimento aprimorado das árvores sobreviventes5 e o aumento da biodiversidade11. Melhorar nossa capacidade de prever impactos de tempestades de gelo nos permitirá nos preparar melhor e responder a esses eventos.
Tempestades de gelo ocorrem quando uma camada de ar úmido, que está acima do congelamento, substitui uma camada de ar subcongelante mais perto do solo. Chuva caindo da camada mais quente de supercools de ar à medida que passa pela camada fria, formando gelo de esmalte quando depositado em superfícies subcongelantes. Nos EUA, essa estratificação térmica pode resultar de padrões climáticos sinópticos característicos de regiões específicas12,13. A chuva gelada é mais comumente causada por frentes árticas que se movem para sudeste através dos EUA à frente de fortes anticiclones13. Em algumas regiões, a topografia contribui para as condições atmosféricas necessárias para tempestades de gelo através da represagem de ar frio, um fenômeno meteorológico que ocorre quando o ar quente de uma tempestade de entrada substitui o ar frio que se entrincheira ao lado de uma cadeia de montanhas14,15.
Nos EUA, tempestades de gelo são mais comuns no “cinturão de gelo” que se estende do Maine ao oeste do Texas16,17. Tempestades de gelo também ocorrem em uma região relativamente pequena do Noroeste do Pacífico, especialmente ao redor da Bacia do Rio Columbia de Washington e Oregon. Grande parte dos EUA experimenta pelo menos alguma chuva congelante, com as maiores quantidades no Nordeste, onde as áreas mais propensas ao gelo têm uma mediana de sete ou mais dias de chuva congelante (dias durante os quais ocorreram pelo menos uma observação por hora de chuva congelante) anualmente16. Muitas dessas tempestades são relativamente pequenas, embora ocorram tempestades de gelo mais intensas, embora com intervalos de recorrência muito mais longos. Por exemplo, na Nova Inglaterra, a faixa na espessura do gelo radial é de 19 a 32 mm para tempestades com um intervalo de recorrência de 50 anos18. Evidências empíricas indicam que as tempestades de gelo estão se tornando mais frequentes nas latitudes do norte e menos frequentes ao sul19,,20,21. Espera-se que essa tendência continue com base em simulações de computador usando projeções futuras de mudanças climáticas22,23. No entanto, a falta de dados e compreensão física dificultam a detecção e o projeto de tendências em tempestades de gelo do que outros tipos de eventos extremos24.
Uma vez que as grandes tempestades de gelo são relativamente raras, elas são desafiadoras para estudar. É difícil prever quando e onde elas ocorrerão, e geralmente é impraticável “perseguir” tempestades para fins de pesquisa. Consequentemente, a maioria dos estudos de tempestades de gelo foram avaliações pós-hoc não planejadas ocorrendo na sequência de grandes tempestades. Esta abordagem de pesquisa não é ideal devido à incapacidade de coletar dados da linha de base antes de uma tempestade. Além disso, pode ser difícil encontrar áreas não afetadas para comparação com áreas danificadas quando tempestades de gelo cobrem uma grande extensão geográfica. Em vez de esperar que tempestades naturais ocorram, abordagens experimentais podem oferecer vantagens porque permitem um controle próximo sobre o tempo e intensidade dos eventos de gelo e permitem condições de referência adequadas para avaliar claramente os efeitos.
Abordagens experimentais também representam desafios, especialmente em ecossistemas florestais. A altura e largura das árvores e do dossel as torna difíceis de manipular experimentalmente, em comparação com pastagens de baixa estatura ou arbustos. Além disso, a perturbação das tempestades de gelo é difusa, tanto verticalmente através do dossel da floresta quanto através da paisagem, o que é difícil de simular. Sabemos de apenas um outro estudo que tentou simular impactos de tempestades de gelo em um ecossistema florestal25. Neste caso, um rifle foi usado para remover até 52% da coroa em uma cabana de pinheiro loblolly em Oklahoma. Embora este método tenha produzido resultados característicos de tempestades de gelo, não é eficaz na remoção de galhos maiores e não faz com que as árvores se desbingam, o que é comum com tempestades de gelo naturais. Embora nenhum outro método experimental tenha sido usado para estudar tempestades de gelo especificamente, existem alguns paralelos entre nossa abordagem e outros tipos de manipulações de distúrbios florestais. Por exemplo, a dinâmica das lacunas tem sido estudada pela derrubada de árvores individuais26, invasões de pragas florestais por árvores de cinta27e furacões podando28 ou derrubando árvores inteiras com um guincho e cabo29. Dessas abordagens, a poda imita mais de perto os impactos da tempestade de gelo, mas é trabalhosa e cara. As outras abordagens causam mortalidade de árvores inteiras, em vez da quebra parcial de membros e galhos típicos de tempestades de gelo naturais.
O protocolo descrito neste artigo é útil para imitar de perto tempestades de gelo naturais e envolve pulverizar água sobre o dossel da floresta durante condições de subcongelamento para simular eventos de gelo de esmalte. O método oferece vantagens sobre outros meios porque os danos podem ser distribuídos relativamente uniformemente em florestas sobre uma grande área com menos esforço do que podar ou derrubar árvores inteiras. Além disso, a quantidade de acreção de gelo pode ser regulada através do volume de água aplicada e selecionando um tempo para pulverizar quando as condições climáticas são propícias para a formação ideal do gelo. Esta nova e relativamente barata abordagem experimental permite o controle sobre a intensidade e a frequência do glacê, que é essencial para identificar limiares ecológicos críticos nos ecossistemas florestais.
Protocol
Representative Results
Discussion
É fundamental realizar simulações experimentais de tempestades de gelo em condições climáticas apropriadas para garantir seu sucesso. Em um estudo anterior30,descobrimos que as condições ideais para pulverização são quando as temperaturas do ar estão abaixo de -4 °C e as velocidades do vento são inferiores a 5 m/s. Tempestades de gelo naturais ocorrem mais comumente quando as temperaturas do ar são ligeiramente menos do que congelamento (-1 a 0 °C), e embora as temperaturas ideais …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pela Fundação Nacional de Ciência (DEB-1457675). Agradecemos aos muitos participantes do Ice Storm Experiment (ISE) que ajudaram com a aplicação do gelo e o trabalho de campo e laboratório associado, especialmente Geoff Schwaner, Gabe Winant e Brendan Leonardi. Este manuscrito é uma contribuição do Estudo do Ecossistema hubbard Brook. Hubbard Brook faz parte da rede de Pesquisa Ecológica de Longo Prazo (LTER), que é apoiada pela National Science Foundation (DEB-1633026). A Floresta Experimental hubbard Brook é operada e mantida pelo Serviço Florestal do USDA, Estação de Pesquisa do Norte, Madison, WI. Vídeo e imagens são de Jim Surette e Joe Klementovich, cortesia da Hubbard Brook Research Foundation.
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).
