JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ambiente

Buz Fırtınalarının Orman Ekosistemleri Üzerindeki Etkilerinin Simüle Edilmesi

Published: June 30, 2020
doi:
10.3791/61492
, , , , , , , , ,
1Northern Research Station,U.S. Forest Service, Durham, NH, 2Department of Civil and Environmental Engineering,Syracuse University, 3Northern Research Station,U.S. Forest Service, North Woodstock, NH, 4Department of Natural Resources,Cornell University, 5Department of Civil and Environmental Engineering,Southern Illinois University, 6Advanced Science Research Center at the Graduate Center,City University of New York, 7Cary Institute of Ecosystem Studies, 8Rubenstein School of Environment and Natural Resources,University of Vermont, 9Department of Forestry and Natural Resources,University of Kentucky, 10Northern Research Station,U.S. Forest Service, Burlington, VT

Summary

Buz fırtınaları, bunların oluşumunu tahmin etmedeki güçlükler nedeniyle incelenmesi zor olan önemli hava olaylarıdır. Burada, alt-donma koşullarında bir orman gölgelik üzerinde su püskürtme içeren buz fırtınaları simüle etmek için yeni bir yöntem açıklar.

Abstract

Buz fırtınaları, donma koşullarının yaşadığı bölgelerdeki orman ekosistemlerinin yapısı ve işlevi üzerinde derin ve kalıcı etkilere sahip olabilir. Mevcut modeller, iklim değişikliklerine tepki olarak buz fırtınalarının sıklığı ve yoğunluğunun önümüzdeki yıllarda artabileceğini ve etkilerini anlama ilgisini artırabileceğini öne sürmektedir. Buz fırtınalarının stokatik doğası ve ne zaman ve nerede oluşacağını tahmin etmedeki güçlükler nedeniyle, buz fırtınalarının ekolojik etkilerine ilişkin geçmiş araştırmaların çoğu büyük fırtınaları takip eden vaka araştırmalarına dayanmaktadır. Yoğun buz fırtınaları son derece nadir olaylar olduğundan, doğal oluşumlarını bekleyerek onları incelemek pratik değildir. Burada, tarla koşullarında orman arazilerinde sır buz olaylarının simülasyonu içeren yeni bir alternatif deneysel yaklaşım sıyoruz. Bu yöntemle, su bir dere veya gölden pompalanır ve hava sıcaklığı donma altında olduğunda orman gölgelik üzerinde püskürtülür. Su yağmur yağar ve soğuk yüzeylerle temas edinde donar. Buz ağaçlarda birikir gibi, boles ve dalları viraj ve kırmak; işlenmemiş referans standları ile karşılaştırmalar yoluyla ölçülebilir hasar. Açıklanan deneysel yaklaşım avantajlıdır, çünkü uygulanan buz zamanlaması ve miktarı üzerinde kontrol sağlar. Farklı frekans ve yoğunlukta buz fırtınaları oluşturmak, buz fırtınası nın etkilerini tahmin etmek ve hazırlanmak için gerekli olan kritik ekolojik eşikleri belirlemeyi mümkün kılar.

Introduction

Buz fırtınaları çevre ve toplum üzerinde hem kısa hem de uzun vadeli etkileri olabilir önemli bir doğal rahatsızlık vardır. Onlar ağaçlar ve bitkileri zarar, kamu hizmetleri bozmak ve yollar ve diğer altyapı1,,2zarar çünkü yoğun buz fırtınaları sorunlu . Buz fırtınalarının yarattığı tehlikeli koşullar yaralanmalara ve ölümlere neden olan kazalara neden olabilir2. Buz fırtınaları pahalıdır; finansal kayıplar ortalama 313.000.000 $ yılda Amerika Birleşik Devletleri (ABD)3, bazı bireysel fırtınalar aşan $1 milyar4. Orman ekosistemlerinde, buz fırtınaları azaltılmış büyüme ve ağaç ölüm oranı,5,6,7, yangın riski ve zararlıları ve patojenlerin çoğalması8,9,10dahil olmak üzere olumsuz sonuçlardoğurabilir., Ayrıca ormanlar üzerinde olumlu etkileri olabilir, bu tür hayatta kalan ağaçların gelişmiş büyüme gibi5 ve artan biyolojik çeşitlilik11. Buz fırtınalarının etkilerini tahmin etme yeteneğimizi geliştirmek, bu olaylara daha iyi hazırlanmamızı ve bunlara yanıt vermemizi sağlayacaktır.

Buz fırtınaları, donma noktasının üzerinde olan nemli bir hava tabakasının yere yakın bir yerde dondurucu hava tabakasını geçersiz kıldığında meydana gelir. Soğuk tabakadan geçerken havanın sıcak tabakasından yağan yağmur, dondurucu altı yüzeylerde birikince sır buzu oluşturur. ABD’de, bu termal tabakalaşma belirli bölgelerin karakteristik olan sinoptik hava desenleri neden olabilir12,13. Dondurucu yağmur en yaygın olarak güçlü antisiklonlar öncesinde ABD genelinde güneydoğuya hareket Arktik cepheler neden olur13. Bazı bölgelerde, topografya soğuk hava baraj yoluyla buz fırtınaları için gerekli atmosferik koşullara katkıda, gelen bir fırtına dan sıcak hava bir dağ aralığı 14 ,,15yanında yerleşik olur soğuk hava geçersiz kılar oluşur bir meteorolojik fenomen .14

ABD’de, buz fırtınaları en yaygın olan “buz kuşağı” bu Maine batı Teksas16,17kadar uzanır. Buz fırtınaları da Pasifik Kuzeybatı nispeten küçük bir bölgede, Özellikle Washington ve Oregon Columbia Nehri Havzası çevresinde meydana gelir. Çok ABD deneyimleri en az bazı dondurucu yağmur, En buz eğilimli alanlarda yedi veya daha fazla dondurucu yağmur gün bir ortanca var Kuzeydoğu en büyük miktarlarda (dondurucu yağmur en az bir saatlik gözlem meydana gün boyunca) yıllık16. Bu fırtınaların çoğu nispeten küçüktür, ancak çok daha uzun tekrar aralıklarıyla da olsa daha yoğun buz fırtınaları meydana gelir. Örneğin, New England’da, radyal buz kalınlığı aralığı 50 yıllık nüks aralığı18olan fırtınalar için 19 ila 32 mm’dir. Ampirik kanıtlar buz fırtınaları kuzey enlemlerinde daha sık ve daha az sıklıkta güney19,20,,21hale geldiğini göstermektedir . Bu eğilimin gelecekteki iklim değişikliği projeksiyonları22,23kullanarak bilgisayar simülasyonları dayalı devam etmesi bekleniyor. Ancak, veri ve fiziksel anlayış eksikliği daha zor tespit etmek ve aşırı olayların diğer türleri daha buz fırtınalarında eğilimleri proje yapmak24.

Büyük buz fırtınaları nispeten nadir olduğundan, onlar çalışma zordur. Ne zaman ve nerede meydana geleceklerini tahmin etmek zordur ve araştırma amacıyla fırtınaları “kovalamak” genellikle pratik değildir. Sonuç olarak, çoğu buz fırtınası çalışmaları büyük fırtınaların ardından meydana gelen plansız post hoc değerlendirmeler olmuştur. Bu araştırma yaklaşımı, bir fırtınadan önce temel veri toplayamadığından ideal değildir. Ayrıca, buz fırtınaları büyük bir coğrafi ölçüde kapsadığında hasarlı alanları ile karşılaştırmak için etkilenmemiş alanlar bulmak zor olabilir. Deneysel yaklaşımlar, doğal fırtınaların meydana gelmesini beklemek yerine, buzlanma olaylarının zamanlaması ve yoğunluğu üzerinde yakın kontrol sağladığı ve etkileri net bir şekilde değerlendirmek için uygun referans koşullarının oluşmasına olanak sağladığı için avantajlar sunabilir.

Deneysel yaklaşımlar, özellikle ormanlık ekosistemlerde de zorluklar yaratmektedir. Ağaçların yüksekliği ve genişliği ve gölgelik onları deneysel olarak manipüle etmeyi zorlaştırır, düşük boylu çayırlar veya çalılıklar ile karşılaştırıldığında. Ayrıca, buz fırtınaları rahatsızlık yaygın, hem dikey orman gölgelik ve manzara boyunca, hangi simüle etmek zordur. Bir orman ekosistemindeki buz fırtınası etkilerini simüle etmeye çalışan tek bir çalışma daha biliyoruz25. Bu durumda, bir tüfek Oklahoma bir loblolly çam standında taç% 52 kadar kaldırmak için kullanılmıştır. Bu yöntem buz fırtınalarının karakteristik özellikleri olan sonuçlar üretse de, daha büyük dalların çıkarılmasında etkili değildir ve ağaçların bükülmesine neden olmaz, ki bu doğal buz fırtınalarında yaygındır. Özellikle buz fırtınalarını incelemek için başka deneysel yöntemler kullanılmamış olsa da, yaklaşımımız ile diğer orman karışıklık manipülasyonları arasında bazı paralellikler vardır. Örneğin, boşluk dinamikleri tek tek ağaçlar26,ağaç27ve kasırgalar28 budama veya bir vinç ve kablo29ile bütün ağaçları aşağı çekerek tarafından orman haşere istilaları kesilmesi ile incelenmiştir . Bu yaklaşımlardan budama en yakından buz fırtınası etkilerini taklit eder, ancak emek yoğun ve maliyetlidir. Diğer yaklaşımlar doğal buz fırtınaları tipik uzuv ve dallarıkısmi kırılma yerine, bütün ağaçların mortalite neden olur.

Bu yazıda açıklanan protokol, doğal buz fırtınalarını yakından taklit etmek için yararlıdır ve donma altı koşullarında buz olaylarını simüle etmek için orman gölgeliği üzerine su püskürtmeyi içerir. Budama veya tüm ağaçları niçin az eforla geniş bir alana sahip ormanlar boyunca nispeten eşit olarak dağıtılabildiği için yöntem diğer araçlara göre avantajlar sunar. Buna ek olarak, buz yığılma miktarı uygulanan suyun hacmi ile ve hava koşulları optimum buz oluşumu için elverişli olduğunda püskürtme zamanı seçilerek düzenlenebilir. Bu yeni ve nispeten ucuz deneysel yaklaşım, orman ekosistemlerinde kritik ekolojik eşiklerin belirlenmesi için gerekli olan buzlanmanın yoğunluğu ve sıklığı üzerinde kontrol sağlar.

Protocol

1. Deneysel tasarımı geliştirmek Gerçekçi değerlere göre buzlanmanın yoğunluğunu ve sıklığını belirleyin. Çizimlerin boyutunu ve şeklini belirleyin. Amaç ağaç yanıtlarını değerlendirmekse, birden çok ağacı ve kök sistemlerinin çoğunu içerecek kadar büyük bir çizim boyutu seçin ve bu boyut, ağaç türleri ve yaş gibi etkenlere bağlı olarak değişir. Güvenlik amacıyla, tüm arsa alanı sınır dışından püskürtülebilir böylece arsalar ta…

Representative Results

Bir buz fırtınası simülasyonu merkezi New Hampshire Hubbard Brook Deneysel Orman 70 \u2012100 yıllık kuzey parke ormanda yapıldı (43 ° 56′ N, 71 ° 45′ W). Stand yüksekliği yaklaşık 20 m ve buz uygulama alanında baskın ağaç türleri Amerikan kayın(Fagus grandifolia),şeker akçaağaç(Acer saccharum), kırmızı akçaağaç (Acer rubrum) ve sarı huş(Betula alleghaniensis)vardır. 10 20 m x 30 m arazi ler kurulmuş ve rasgele bir tedavi tahsis edilmiştir. Örnek…

Discussion

Başarılarını sağlamak için uygun hava koşullarında buz fırtınalarının deneysel simülasyonlarını gerçekleştirmek çok önemlidir. Bir önceki çalışmada30, püskürtme için en uygun koşullar hava sıcaklıkları -4 °C’nin altında ve rüzgar hızları 5 m /s’den daha az olduğunda bulundu.16 Sürekli donma altında sıcaklıklar gerekli olduğundan, bu deneysel yaklaşım daha kuzeydeki konumlarla sınırlıdır ve ocak ayında ortalama aylık düşük …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu araştırmaiçin finansman Ulusal Bilim Vakfı (DEB-1457675) tarafından sağlanmıştır. Buz fırtınası deneyi (Ise) buz uygulaması ve ilgili alan ve laboratuvar çalışmaları, özellikle Geoff Schwaner, Gabe Winant ve Brendan Leonardi ile yardımcı olan birçok katılımcıya teşekkür ederiz. Bu el yazması Hubbard Brook Ekosistem Çalışması’nın bir katkısıdır. Hubbard Brook, Ulusal Bilim Vakfı (DEB-1633026) tarafından desteklenen Uzun Vadeli Ekolojik Araştırma (LTER) ağının bir parçasıdır. Hubbard Brook Deneysel Orman işletilen ve USDA Orman Servisi, Kuzey Araştırma İstasyonu, Madison, WI tarafından korunur. Video ve görüntüler Jim Surette ve Joe Klementovich, Hubbard Brook Araştırma Vakfı sayesinde vardır.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. 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).
  2. Call, D. A. Changes in ice storm impacts over time: 1886-2000. Weather, Climate, and Society. 2 (1), 23-35 (2010).
  3. Zarnani, A., et al. Learning to predict ice accretion on electric power lines. Engineering Applications of Artificial Intelligence. 25 (3), 609-617 (2012).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Irland, L. C. Ice storms and forest impacts. The Science of the Total Environment. 262 (3), 231-242 (2000).
  9. Dale, V. H., et al. Climate change and forest disturbances. BioScience. 51 (9), 723-734 (2001).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Bell, G. D., Bosart, L. F. Appalachian cold-air damming. Monthly Weather Review. 116 (1), 137-161 (1988).
  15. Rackley, J. A., Knox, J. A. A climatology of southern Appalachian cold-air damming. Weather and Forecasting. 31 (2), 419-432 (2015).
  16. 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).
  17. Changnon, S. Characteristics of ice storms in the United States. Journal of Applied Meteorology. 42 (5), 630-639 (2003).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Klima, K., Morgan, M. G. Ice storm frequencies in a warmer climate. Climatic Change. 133 (2), 209-222 (2015).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Dipesh, K. C., et al. Effects of simulated ice storm damage on midrotation loblolly pine stands. Forest Science. 61 (4), 774-779 (2015).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. James, F. C., Shugart, H. H. A quantitative method of habitat description. Audubon Field Notes. 24 (6), 727-736 (1970).
  33. Lemmon, P. E. A spherical densiometer for estimating forest overstory density. Forest Science. 2 (4), 314-320 (1956).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Weitzman, J. N., et al. Ecosystem nitrogen response to a simulated ice storm in a northern hardwood forest. Ecosystems. , (2020).
  38. Houlton, B. Z., et al. Nitrogen dynamics in ice storm-damaged forest ecosystems: implications for nitrogen limitation theory. Ecosystems. 6 (5), 431-443 (2003).
  39. Groffman, P. M., et al. Nitrogen oligotrophication in northern hardwood forests. Biogeochemistry. 141 (3), 523-539 (2018).

Tags

Keywords: Ice StormsForest EcosystemsSimulationExperimental ApproachWater SupplyBooster PumpFire Fighting MonitorIce AccretionCanopy CoverageRadial Ice Thickness
check_url/pt/61492?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Campbell, J. L., Rustad, L. E., Driscoll, C. T., Halm, I., Fahey, T. J., Fakhraei, H., Groffman, P. M., Hawley, G. J., Leuenberger, W., Schaberg, P. G. Simulating Impacts of Ice Storms on Forest Ecosystems. J. Vis. Exp. (160), e61492, doi:10.3791/61492 (2020).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image