Моделирование воздействия ледяных бурь на лесные экосистемы
Summary
Ледяные бури являются важными погодными явлениями, которые трудно изучить из-за трудностей в прогнозировании их возникновения. Здесь мы описываем новый метод моделирования ледяных бурь, который включает в себя распыление воды над лесным навесом в условиях субзаморожения.
Abstract
Ледяные бури могут иметь глубокие и долговременные последствия для структуры и функционирования лесных экосистем в регионах, в которых условия замерзания. Нынешние модели предполагают, что частота и интенсивность ледяных бурь может возрасти в предстоящие десятилетия в ответ на изменения климата, что повышает интерес к пониманию их последствий. Из-за стохастического характера ледяных бурь и трудностей в прогнозировании того, когда и где они произойдут, большинство прошлых исследований экологических последствий ледяных бурь были основаны на тематических исследованиях после крупных штормов. Поскольку интенсивные ледяные бури являются чрезвычайно редкими событиями, нецелесообразно изучать их, ожидая их естественного возникновения. Здесь мы представляем новый альтернативный экспериментальный подход, включающий моделирование событий из глазури на лесных участках в полевых условиях. С помощью этого метода, вода перекачивается из ручья или озера и распыляется над лесным навесом, когда температура воздуха ниже нуля. Вода идет вниз и замерзает при контакте с холодными поверхностями. Как лед накапливается на деревьях, болы и ветви согнуть и сломать; ущерб, который может быть количественно с помощью сравнения с необработанными эталонными стендами. Описанный экспериментальный подход является выгодным, поскольку позволяет контролировать сроки и количество применяемого льда. Создание ледяных бурь различной частоты и интенсивности позволяет определить критические экологические пороги, необходимые для прогнозирования и подготовки к воздействию ледяного шторма.
Introduction
Ледяные бури являются важным природным нарушением, которое может оказывать как краткосрочное, так и долгосрочное воздействие на окружающую среду и общество. Интенсивные ледяные бури являются проблематичными, потому что они повреждают деревья и сельскохозяйственные культуры, нарушают коммунальные услуги, и ухудшают дороги и другую инфраструктуру1,2. Опасные условия, которые создают ледяные бури, могут привести к несчастным случаям, приводящим к травмам и смертельным исходам2. Ледяные бури являются дорогостоящими; финансовые потери в среднем $ 313 млн в год в Соединенных Штатах (США)3, с некоторыми отдельными штормами превышает $ 1 млрд4. В лесных экосистемах ледяные бури могут иметь негативные последствия, включая снижение роста и смертности деревьев5,,6,,7,повышенный риск пожара, а также распространение вредителей и патогенных микроорганизмов8,,9,,10. Они также могут оказать положительное влияние на леса, такие как повышенный рост сохранившихся деревьев5 и увеличение биоразнообразия11. Улучшение нашей способности прогнозировать последствия ледяных бурь позволит нам лучше подготовиться к этим событиям и реагировать на них.
Ледяные бури возникают, когда слой влажного воздуха, то есть выше нуля, перекрывает слой субморозного воздуха ближе к земле. Дождь, падающий с теплого слоя воздушных суперкулов, как он проходит через холодный слой, образуя глазурь льда при отложении на субзамораживают поверхности. В США это термическое расслоение может быть результатом синоптических погодных условий, характерных для конкретных регионов12,,13. Замораживание дождь чаще всего вызвано арктических фронтов, которые движутся на юго-восток по всей территории США впереди сильных антициклонов13. В некоторых регионах, топография способствует атмосферных условий, необходимых для ледяных бурь через холодный воздух damming, метеорологическое явление, которое происходит, когда теплый воздух от входящего шторма перекрывает холодный воздух, который становится укоренившейся рядом с горным хребтом14,15.
В США, ледяные бури являются наиболее распространенными в “ледяной пояс”, который простирается от штата Мэн до западного Техаса16,17. Ледяные бури также происходят в относительно небольшом регионе Тихоокеанского Северо-Запада, особенно вокруг бассейна реки Колумбия в Вашингтоне и Орегоне. Большая часть США испытывает по крайней мере некоторые замораживания дождь, с наибольшим количеством на северо-востоке, где большинство ледниковых районах имеют медиану семь или более замораживания дней дождя (дней, в течение которых по крайней мере один почасовой наблюдения замораживания дождь произошло) ежегодно16. Многие из этих штормов являются относительно незначительными, хотя более интенсивные ледяные бури происходят, хотя и с гораздо более длительными интервалами рецидивов. Например, в Новой Англии диапазон толщины радиального льда составляет от 19 до 32 мм для штормов с 50-летним интервалом рецидива18. Эмпирические данные свидетельствуют о том, что ледяные бури становятся все более частыми в северных широтах и реже на юге19,20,21. Эта тенденция, как ожидается, будет продолжаться на основе компьютерного моделирования с использованием будущих прогнозов изменения климата22,23. Однако отсутствие данных и физическое понимание затрудняют выявление и прогнозирование тенденций ледяных бурь, чем другие виды экстремальных явлений24.
Поскольку крупные ледяные бури являются относительно редкими, они являются сложными для изучения. Трудно предсказать, когда и где они будут происходить, и это, как правило, непрактично “погони” бури в исследовательских целях. Следовательно, большинство исследований ледяного шторма были незапланированными пост-специальными оценками, происходящими после крупных штормов. Этот исследовательский подход не является идеальным из-за невозможности сбора исходных данных перед бурей. Кроме того, может быть трудно найти не затронутые районы для сравнения с поврежденными районами, когда ледяные бури покрывают большую географическую степень. Вместо того, чтобы ждать возникновения природных бурь, экспериментальные подходы могут иметь преимущества, поскольку они позволяют осуществлять тесную контроль над временем и интенсивностью обледенения событий и позволяют надлежащим образом оценивать последствия.
Экспериментальные подходы также создают проблемы, особенно в лесных экосистемах. Высота и ширина деревьев и навеса затрудняет их экспериментальное манипулирование, по сравнению с низовыми угодьями более низкого роста или кустарниками. Кроме того, возмущение от ледяных бурь является диффузным, как вертикально через лесной навес и по всему ландшафту, который трудно имитировать. Мы знаем только об одном исследовании, которое пыталось имитировать воздействие ледяной бури в лесной экосистеме25. В этом случае, винтовка была использована для удаления до 52% короны в loblolly сосновый стенд в Оклахоме. Хотя этот метод дал результаты, которые характерны для ледяных бурь, он не эффективен при удалении больших ветвей и не вызывает деревья, чтобы наклониться, что является общим с природными ледяными бурями. Хотя никакие другие экспериментальные методы не использовались для изучения ледяных бурь конкретно, есть некоторые параллели между нашим подходом и другими видами манипуляций с лесными беспорядками. Например, динамика разрыва были изучены путем вырубки отдельных деревьев26, лесных вредителей нашествия опоясывания деревьев27, и ураганы путем обрезки28 или сноса целых деревьев с лебедкой и кабель29. Из этих подходов обрезка наиболее точно имитирует воздействие ледяной бури, но является трудоемким и дорогостоящим. Другие подходы вызывают смертность целых деревьев, а не частичные поломки конечностей и ветвей, что характерно для естественных ледяных бурь.
Протокол, описанный в настоящем документе, полезен для тесного имитации природных ледяных бурь и включает в себя распыление воды над лесным навесом во время субзамораживания условий для имитации событий глазури льда. Метод дает преимущества по сравнению с другими средствами, поскольку ущерб может быть равномерно распределен по лесам на большой площади с меньшими усилиями, чем обрезка или вырубка целых деревьев. Кроме того, количество напрыскиваются через объем применяемой воды и путем выбора времени для распыления, когда погодные условия благоприятствуют оптимальному образованию льда. Этот новый и относительно недорогой экспериментальный подход позволяет контролировать интенсивность и частоту обледенения, что имеет важное значение для определения критических экологических пороговых значений в лесных экосистемах.
Protocol
Representative Results
Discussion
Для обеспечения их успеха крайне важно проводить экспериментальное моделирование ледяных бурь при соответствующих погодных условиях. В предыдущем исследовании30, мы обнаружили, что оптимальные условия для распыления, когда температура воздуха ниже -4 градусов по Цельсию ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансирование этого исследования было предоставлено Национальным научным фондом (DEB-14576775). Мы благодарим многих участников эксперимента Ice Storm (ISE), которые помогли с применением льда и связанных с ним полевых и лабораторных работ, особенно Джефф Шванер, Гейб Винант, и Брендан Леонарди. Данная рукопись является вкладом в исследование экосистем Хаббарда Брука. Хаббард Брук является частью сети долгосрочных экологических исследований (LTER), которая поддерживается Национальным научным фондом (DEB-1633026). Экспериментальный лес Хаббарда Брука эксплуатируется и поддерживается Лесной службой США, Северной исследовательской станцией, Мэдисон, штат Висконсин. Видео и изображения Джим Surette и Джо Клементович, любезно Хаббард Брук исследовательский фонд.
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).
