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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 tasarlayabilirsiniz.
- Uzay, bir çizimdeki bir tedavinin diğerini etkilememesi için birbirinden yeterince uzak (örn. 10 m) çizer.
- Kenar etkilerini azaltmak ve buz kapsama alanının daha eşit bir şekilde dağıtılmasını sağlamak için arazilerin etrafında bir tampon bölge (örn. 5 m) kurun.
- Belirli örnekleme ihtiyaçları için daha büyük çizimler içinde alt çizimler kurun.
- Çoğaltma çizimlerinin sayısına karar verin.
2. Bir çalışma yeri seçin ve belirleyin
- Ağaç türlerinin bileşimi, toprak, litoloji ve hidroloji gibi benzer özelliklere sahip homojen bir orman standı seçin.
- Kış aylarında su kaynağına erişimin olduğu bir alanda uygulama için bir konum seçin.
- Pompa hızı na ve hortumun çapı, hortum uzunluğu, kullanılan nozul ve su basıncı gibi diğer faktörlere bağlı olarak buz uygulaması için su temininin yeterli olduğundan emin olun.
- Çizimlerin, arabelleğin ve alt çizerlerin sınırını işaretleyin.
- Ölü, ölmekte olan ve hasar gören ağaçların değerlendirmelerini içeren ağaç sağlık koşullarının açıklamaları ile tam bir orman envanteri gerçekleştirin. Ayrıca, buz tedavisine verilen yanıtı yorumlamaya yardımcı olmak için olası stresörleri (örn. böcek hasarı veya hastalık kanıtı) kaydedin.
- Su püskürtmek için UTV kullanıyorsanız, rahatsızlığı en aza indirmek için dikkatli olurken arazilerin kenarları boyunca geçirilebilir yollar oluşturun.
- Araziler kurulduktan sonra, her bir alt planda (örn. kaba odunsu enkaz, ince çöp, toprak örnekleri) yapılacak her bir çizim ve örnekleme türüne rastgele bir tedavi atayacaktır.
3. Uygulamanın zamanlaması
- Püskürtme gerçekleştirmek için uygun bir zaman penceresi seçin.
- Hava koşulları elverişli olduğunda (örneğin, hava sıcaklığı -4 °C'den az ve rüzgar hızı 5 m/s'den az olduğunda) deneyi gerçekleştirin.
- Geceleri püskürtme ise, arazilerin kenarına yüksek güçışıkları dağıtmak ve elektrik yoksa jeneratörler üzerinde çalıştırın.
4. Su kaynağını kurmak
- Su kaynağında bir besleme pompası kurun ve bir emme hortumu bağlayın.
- Enkazları çizgilerin dışında tutmak için emme hortumunun ucuna bir süzgeç bağlayın.
- Herhangi bir yüzey buz kırmak ve tamamen süzgeç batırın. Su kaynağının minimum derinliği yaklaşık 20 cm olmalıdır.
- Su basıncını artırmak için bir UTV yatağına bir güçlendirici pompa yerleştirin. Bazı durumlarda, bir güçlendirici pompa gerekli olmayabilir, özellikle düşük boy bitki örtüsü için.
- Destek pompası için tedarik pompası bir yangın söndürme hortumu çalıştırın.
- Yüksek basınç hortumu üzerinde güvenli ve manuel kontrol sağlamak için yangın söndürme monitörü kullanın. Monitör serbest ayakta olabilir veya bir UTV arkasına monte edilebilir.
- Hortumdaki kinks, tedarik kaynağında su çekme ve pompalar için benzin tükenmesi gibi su akışını kesintiye uğratabilecek durumlardan kaçının.
5. Buz oluşturma
- Gölgelik boşluklar aracılığıyla dikey su püskürtme buz oluşturun. Suyun gölgeliğin yüksekliğinin üzerinde uzandığından emin olun, böylece dikey olarak birikin ve donma altı yüzeylerle temas halinde donar. Su yukarı püskürtülür gibi dalları ve ağaçlardan kabuğu sıyırma kaçının.
- Eşit uygulama alanının kenarı boyunca UTV ileri geri sürüş tarafından orman gölgelik üzerinde sprey dağıtmak. Bağımsız monitörler kullanılıyorsa, kapsama alanının eşit olduğundan emin olmak için bunları el ile hareket ettirin.
- Uygulama sırasındaki hava koşulları ve püskürtülen suyun hacmi gibi faktörleri belirlemeye yardımcı olmak için uygulamanın zamanlamasını takip edin.
6. Buz yığılmalarını ölçün
- Uygulama sırasında buz yığılmalarını izlemek ve hedef kalınlığına ne zaman ulaşıldığını belirlemek için uygulama alanının kenarına yakın alt seviye dallarda veya dallarda radyal buz kalınlığının zemin bazlı kaliper ölçümlerini yapın.
- Uygulamadan sonra pasif buz kolektörleri ile buz kütlesi hakkında daha doğru tahminler eldeedin( Şekil 1 ).
- Uygulamadan önce, altı bileşenli kollara sahip toplayıcılar oluşturmak için üç kardinalekseni 30 odaklı iki dübel ile pasif buz toplayıcıları oluşturun.
- 30 cm uzunluğunda 2,54 cm dübel kesin.
- 6 yönlü çelik konektör ile dübellere katılın.
- Buz yükü dayanabilir sağlam dalları üzerinde dize paraşüt kablosu için bir arborist atmak ağırlık kullanın.
- Kordona pasif buz toplayıcıları takın ve gölgelik içine yükseltmek.
- Uygulama tamamlandıktan sonra, toplayıcıları yere indirin ve toplayıcıdan buz kaybetmemeye dikkat edin.
- Buz uygulamasından önce ve hemen sonra kollektörüzerinde birden fazla yerde kaliperlerle (örneğin, her kol boyunca üç noktada üç dikey ve üç yatay ölçüm) buz kalınlığının dikey ve yatay ölçümlerini yapın.
- Uygulama öncesi ve sonrası ölçümler arasındaki fark olarak her kolektör üzerindeki buz kalınlığını hesaplayın.
- Su hacmi yöntemi ile buz kalınlığını belirlemek için, her dübel kesmek için bir karşılıklı testere kullanın.
- Dübelleri ısıtmalı bir binaya getirin, kovalara koyun ve oda sıcaklığında buzun erimesine izin verin.
- Erimiş suyun hacmini mezun bir silindirle ölçün.
- Buz hacmi ve buz yoğunluğuna göre buz kalınlığını hesaplayın31.
7. Güvenlik hususları
- Püskürtme sırasında buz tedavi alanının dışında kalın, çünkü buz yükleri dalların ve ekstremitelerin kırılmasına ve düşmesine neden olabilir.
- Buz uygulanırken ve uygulamadan sonra tedavi edilen bölgede meydana gelen herhangi bir örnekleme sırasında koruma sağlamak için sert şapka veya kask takın.
- Püskürtme sırasında hortumu sabitlemek için bir monitör kullanın.
- Tehlikeli koşullar ve dondurucu soğuklar için uygun giyinin. Parlak, görünür giysiler giyin. Yağmur giysileri ve sıcak giysiler katmanları giyerek ıslak, soğuk koşullarda uzun süre geçirmek için hazır olun. Özellikle püskürtmeye atanmış personel için birden fazla kıyafet değişikliği getirin.
- Uzak bir yerde çalışıyorsanız, taşınabilir bir ısıtıcı ile donatılmış geçici bir ısınma çadırı kurun.
- Personelin molalar, ıslak giysilerin değiştirilmesi ve ekipmanla ortaya çıkan sorunları ele almak için yeterli zamana sahip olmasını bekleyin.
- Deneme sırasında personel arasında iletişim kurmak için radyoları kullanın. Bir baz istasyonundaki personelle teması koruyun.
- Tıbbi acil durumlarda bir güvenlik planı geliştirin. Deney sırasında tıbbi personel (örn. Acil Tıp Teknisyenleri) ve acil durum ekipmanı ve malzemeleri nin yerinde olması.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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. Örneklemenin çoğu 10 m x 20 m iç plan içinde 5 m arabelleğe izin vermek için meydana geldi. İç plan, farklı örnekleme türleri için belirlenen sekiz 5 m x 5 m alt parsele ayrılmıştır. Beş tedavinin her biri için, bir kontrol (buz suz) ve üç hedef radyal buz birikiminden oluşan iki çoğaltma alanı vardı: düşük (6,4 mm), orta (12,7 mm) ve yüksek (19,0 mm). Orta düzey tedavi planlarından ikisi (midx2) art arda gelen fırtınaların etkilerini değerlendirmek için arka arkaya buzlanmış. Püskürtme 2016 kışlarında (18 Ocak 20128 ve 11 Şubat) ve 2017 (14 Ocak) sırasında meydana geldi. Hubbard Brook'un ana dalından su pompalandı. Uygulama sırasında yüzey hava sıcaklıkları -13 ile -4 °C arasında değişmekte ve rüzgar hızı 2 m/s'den azdır.
Buz birikmesi, yukarıda açıklandığı gibi kaliper ve su hacmi yöntemleri kullanılarak pasif buz kolektörleri (arsa başına dört) üzerinde ölçüldü (protokol bölüm 6; Şekil 1). Ortalama buz kalınlığı orta ve yüksek buz tedavilerinde hedef değerden daha düşüktü (sırasıyla 4,3 mm ve 5,8 mm daha az). Düşük, midx2 y1 ve midx2 y2 tedavilerinde buz kalınlığı hedef değerlerin 2 mm içinde idi(Tablo 1). Hedef değerlerden bazı farklılıklara rağmen, tedaviler ekosistem etkilerinin değerlendirilmesi için bir dizi radyal buz kalınlığı (0\u201216.4 mm) sağlamıştır. Bu aralık, Hubbard Brook Deneysel Ormanı'nda 199832'dekibuz fırtınasından sonra kaydedilen 0\u201214.4 mm radyal buz la karşılaştırılabilir. Tek tek kollektörler üzerindeki ortalama buz birikimi kaliper ve su hacmi ölçüm yöntemleri arasında güçlü bir pozitif ilişkiye işaret etti (R2 = 0.95; p < 0.01; Şekil 2). Su hacmi yöntemini kullanan ölçümler, yaklaşık 8 mm'den fazla buz olduğunda kaliper yöntemi ile yapılan ölçümleri aşmıştır(Şekil 2). Bu fark, buz biriktikçe oluşan ve su hacmi yöntemi ile daha etkin bir şekilde yakalanan buz sarkıtlarının varlığından kaynaklanmaktadır. Buz kütlesi 8 mm'den az olduğunda, su hacmi yöntemindeki ölçümler, buzun yoğunluğuna atfedilen kaliper yöntemindeki ölçümlerden biraz daha düşüktü. Buz kalınlığını, sır buzun yoğunluğunu kullanarak su hacmi yöntemi yle hesapladık (0.92 g/cm3); ancak, tedavide buz hava kabarcıkları vardı ve büyük olasılıkla bu teorik değerden daha az bir yoğunluk vardı.
Toplam püskürtme süreleri (saat/hortum) düşük için 2 saat 20 dk, orta için 4 saat 50 dk ve yüksek buz tedavileri için 8 saat olarak ortalama. Her bir çizimin püskürtülmesinde aynı anda iki hortum kullanıldığından, sahada püskürtme için harcanan gerçek süre bu toplam sürenin yaklaşık yarısıydı. Püskürtme süresi ile su hacmi yöntemi ile ölçülen buz birikimi arasında anlamlı pozitif bir ilişki vardı (R2 = 0.46 ; p = 0.03; Şekil 3a) ve kaliper yöntemi (R2 = 0,56; p = 0,01). Buz yığılma oranı araziler arasında 1,4 ila 4,2 mm/s arasında değişmektedir. Hava sıcaklığı ile buz kütlesi arasında su hacmi yöntemi ile ölçülen marjinal olarak anlamlı ters bir ilişki vardı (R2 = 0.40; p = 0.05; Şekil 3b) ve kaliper yöntemi ile anlamlı bir ilişki yoktur (R2 = 0.15; p = 0.27).
Kanopi örtüsünün hızlı değerlendirmeleri, buz uygulamadan önceki (2015) ve buz uygulandıktan sonra (2016) yaz aylarında yapılmıştır. Tedaviden sonraki ikinci yıl (2017) veri toplanmadı; bu nedenle, midx2 tedavisi sadece başlangıçta püskürtüldükten sonra değerlendirildi. Bir oküler tüp varlığı veya gölgelik kapağı nın yokluğu doğrudan araziler33transects boyunca havai kaydetmek için kullanılmıştır. Bu yöntem gölgelik kapağı tahmin etkili olmakla birlikte, zaman alıcı ve pahalı olabilir yoğun örnekleme gerektirir. Gölgelik densiometers34gibi daha geniş bir görüş alanı ile zemin tabanlı ölçümler, gölgelik kapatma bir ölçü sağlamak ve daha az örnekleme gerektiren ve daha düşük stand seviyesi değişkenlikvar 35,36. Ancak, görüş açısının işlenmiş arazinin dışındaki bitki örtüsünü yakalamadığından emin olmak için dikkatli olunmalıdır.
Kanopi kapak verileri binom dağılımı ile genelleştirilmiş doğrusal karışık model kullanılarak analiz edildi. Buz tedavisi sabit bir etki ve rasgele bir etki olarak arsa olarak dahil edildi. Sonuçlar, tedavi öncesi anketlerde(Şekil 4A)10 parsel arasında anlamlı bir farklılık göstermezken, tedavi sonrası anketler orta, ortak2 ve kontrole göre yüksek buz tedavilerinde önemli düşüşler olduğunu göstermektedir(Şekil 4B). Gölgelik kapağındaki bu genel düşüşler, Fahey ve ark.37'nin daha titiz bir analizinin yol açtığı ve orman gölgeliğinde uygulanan buz miktarıyla orantılı olan önemli yapısal değişiklikler inandırılan buz kütlesi desteğinin artmasıyla ortaya çıktı.
Simüle edilen buz fırtınalarının yüzey toprağı sıcaklıkları üzerindeki etkileri Ağustos 2017'de örnekleme sırasında değerlendirildi (yani, tüm araziler bir kez buzlandıktan sonra iki mevsim ve midx2 arazileri iki kez buzlandıktan sonraki büyüme mevsimi). Ölçümler öğleden sonra 12:30 ile 14:00 arasında yapılmıştır. Toprak sıcaklıkları 2 cm ve 5 cm derinlikte toprağa yerleştirilen Oakton toprak sıcaklık sondaları (0.5 °C hassasiyet) ile manuel olarak ölçüldü. Ölçümler aynı anda bir tedavi planı ve eşleştirilmiş kontrol planı 2,5 m ızgara üzerinde yapılmıştır. Buzun bitki örtüsü üzerinde en az etkisi olduğu için düşük tedavi arazilerinde ölçüm yapılmadı. Toprak sıcaklığı sonuçları, işlenmiş arazilerdeki toprakların her iki derinlikteki (2 cm ve 5 cm) kontrol parsellerinden önemli ölçüde daha sıcak olduğunu gösterdi . Şekil 5A,B). Sıcaklıklar daha derin toprağa göre sığ topraklarda biraz daha sıcaktı ve tedavinin etkileri daha büyüktü. İşlenmemiş araziler 2 cm derinlikteki kontrollerden 0.4-1.5 °C daha sıcak ve 5 cm derinlikte 0.2 ila 0.5 °C daha sıcaktı. Tedaviler açıkça orman gölgelik açıldı, hangi orman zemin ulaşmak için daha fazla ışık neden, daha yüksek toprak sıcaklıkları ile sonuçlanan.
Şekil 1: Radyal buz birikimini ölçmek için pasif buz kolektörü. (A) Buz uygulamasından önce orman gölgeliğindeki buz toplayıcısının görünümü. (B) Kollektörler üzerinde buz yığılma kaliper ölçümleri yaptıktan sonra gölgelik onları indirdi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Radyal buz yığılmaölçmek için iki yöntemin karşılaştırılması. Kaliper yöntemi dübeller üzerinde buz ölçümleri içerir. Su hacmi yöntemi, dübellerden gelen erimiş suyun hacminin ölçülmesini ve farz edilen buz yoğunluğunu kullanarak radyal buz kalınlığının hesaplanmasını içerir. Üç hedef buz yığılma seviyesi gösterilir (düşük = 6,4 mm, orta = 12,7 mm, yüksek = 19 mm) ve kesik çizgi 1:1 hattıdır. Her nokta bir pasif buz kolektörü temsil eder ve altı bileşenli kolların her biri üzerinde altı ölçüm ortalamasıdır (yani, kolektör başına 36 ölçüm). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Buz yığılma oranları. (A) Püskürtme süresi ile toplam buz kütlesi arasındaki ilişki. (B) Uygulama sırasında ortalama hava sıcaklığı ile buz yığılma oranı arasındaki ilişki. Üç hedef buz yığılma seviyesi gösterilmiştir (düşük = 6,4 mm, orta = 12,7 mm, yüksek = 19 mm). Gösterilen buz yığılma değerleri su hacmi yöntemi ile belirlenmiştir. Her nokta midx2 tedavisinin her yılı için farklı puanlar içeren bir komployu temsil eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Oküler tüplerile tahmin edilen kanopi kapağı. (A) Çeşitli buz tedavileri için ön arıtma gölgelik kapağı. (B) Buz uygulandıktan sonraki ilk büyüme sezonunda elde edilen kanopi kapak değerleri. Veriler, binom dağılımı na sahip genelleştirilmiş doğrusal karışık model kullanılarak analiz edildi. Hata çubukları %95 güven aralığını ve küçük harfleri α = 0,05'te önemli farklılıkları gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Buz işlemenin toprak sıcaklığı üzerindeki etkileri. (A) Toprak sıcaklığı 2 cm derinlikte ölçülür. (B) Toprak sıcaklığı 5 cm derinlikte ölçülür. Veriler genel bir doğrusal model kullanılarak analiz edildi. Hata çubukları %95 güven aralığını ve yıldız işaretleri α = 0.05'teki kontrol ve tedavi arasında önemli farkları gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Yöntem | Düşük | Orta | Orta x 2 y1 | Orta x 2 y2 | Yüksek |
| Hedef | 6.4 | 12.7 | 12.7 | 12.7 | 19.1 |
| Su hacmi | 5.7 (0.2)c | 8.5 (1.3)m.ö. | 14.6 (2.2)a | 13.2 (0.1)ab | 16.4 (1.1)a |
| Kaliper | 6.3 (0.3)c | 8.4 (1.1)m.ö. | 11.0 (1.6)ab | 11.3 (0.2)ab | 13.3 (1.2)a |
Tablo 1: Hem su hacmi hem de kaliper yöntemleri kullanılarak pasif kollektörler üzerinde ölçülen gerçek değerlere göre buz yığılma değerlerini hedefleyin. Birimler milimetredir ve standart hata parantez içinde gösterilir. Üst yazı harfleri, genelleştirilmiş doğrusal karışık model ile belirlenen tedaviler arasında önemli farklılıklar göstermektedir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 hava sıcaklığının -9 °C olduğu ancak düzenli olarak donma noktasının üzerinde dalgalandığı Hubbard Brook Deneysel Ormanı gibi nispeten soğuk yerlerde bile performans sergilemek zor olabilir. Hava sıcaklıkları genellikle soğuk olduğu ve güneş radyasyonunun etkileri ihmal edilebilir olduğu zaman olduğu için geceleri püskürtme avantajlı olabilir.
Buz fırtınası simülasyon deneyleri ile çeşitli zorluklar vardır. Uzun gölgelikli ormanlarda, ağaçların üstlerini püskürtmek zor olabilir. Pompa hızı ve su kaynağı ile uygulama alanı arasındaki mesafe de dahil olmak üzere birçok faktör spreyin yüksekliğini etkiler. Püskürtme yüksekliği hesaplamaları karmaşık ve kullanılan siteye ve ekipmana özgü olduğundan, uygun ayarlamaların yapIlebilmeleri için denemeden önce püskürtme testleri yapılması yararlı olacaktır. Simülasyon sırasında buz kalınlığı ölçümleri elde etmek zor olduğundan, püskürtme durdurmak için ne zaman belirlenmesi başka bir sorundur. Pasif buz toplayıcıları bu amaç için kullanılabilir ancak destek için araziler içinde sağlam dalları gerektirir. Yerleştirdiğimiz koleksiyoncuların bir çoğu deney sırasında hasar görmüş ya da düşmüş. Güvenlik için, bazı arazilerde buz yığılmasının küçümsenmesine katkıda bulunmuş olabilecek deneysel alana girmemek için toplayıcıları arazilerin kenarına yakın bir yere yerleştirdik(Tablo 1). Bu zaman alıcı ve zor toplayıcıları düşürmek ve uygulama sırasında ölçümler yapmak olabilir. Yer bazlı ölçümler bu konuda yardımcı olabilir ama en iyi üst gölgelik buz yığılma temsil olmayabilir. Buz fırtınası simülasyonundaki buzun yoğunluğu, doğal bir buz fırtınası sırasında oluşan buzdan biraz daha azdı. Bu fark koleksiyoncular üzerindeki buz ölçümleri ile desteklendi ve görsel olarak belirgindi, budak doğal fırtınalarda oluşan sır buzu daha opak olduğunu. Buz yoğunluğundaki bu farklılıklara rağmen, simüle edilen buz fırtınası, yaygın olan bir kargaşaya yol açtı ve ağaçların ve uzuvların bükülmesine ve kırılmasına neden oldu, tıpkı doğal bir buz fırtınası gibi. Böylece, bu yöntem daha yakından çekim, kordling, budama veya ağaçları aşağı çekme gibi diğer potansiyel yöntemlere göre buz fırtınası etkileri aynalar.
Araziler manipülatif bir deney için nispeten büyük olmasına rağmen (20 m x 30 m), arazilerin boyutunu artırmak arsalar dışında etkilenmemiş ağaçların etkisini azaltacak. Bir tampon bile, arazileri çevreleyen uzun ağaçlar potansiyel olarak çöp düşme, ışık durumu ve toprak sıcaklığı gibi tepkileri etkileyebilir. Ayrıca, arsalar şüphesiz yeraltı süreçlerini değiştirmiş olabilir sınır dışından kökleri içeriyordu. Mikrobiyal biyokütle ve aktivite, toprak azotu, azot mineralizasyonu ve nitrifikasyon ve toprak suyundaki solutelerin kayıpları büyük yer üstü bozulmalarına rağmen38 buz uygulamalarından önemli bir etki göstermedi37. 1998'de Hubbard Brook'u etkileyen doğal buz fırtınasının ardından buz fırtınasının bozulmasına karşı hassas olduğu gösterilen nitrat leaching için özellikle yeraltı tepkisinin olmaması beklenmiyordu. Bu fırtınanın ardından toprak çözeltisinde büyük nitrat kayıpları gözlendi ve hasarlı ağaç taçları nedeniyle alımın azalmasına bağlandı39. Buz fırtınası simülasyonundaki azot tepkisinin olmaması, arazilerin dışındaki sağlıklı ağaçlardan kök alımının bir sonucu olabilir; ancak, gölgelik hasar ve boşluklar bazı tepki beklenebilir yeterince büyüktü. Yer altı tepkisi eksikliği için daha olası bir açıklama sitede gözlenen mevcut azot uzun vadeli düşüşler, azot döngüsügenel bir sıkma ile sonuçlanan, minimal nitrat yıkama ile38,40.
Buz fırtınası simülasyon yöntemi Hubbard Brook Deneysel Orman kuzey parke ormanda başarılı olduğunu kanıtladı ve ekosistem yanıtları ölçmek ve kritik eşikleri belirlemek için yardımcı oldu37,38. Gelecekteki çalışmalarda, bu yaklaşımın diğer orman türlerinde ve farklı koşullarda uygulanması yararlı olacaktır. Örneğin, rüzgarın buz yüklü ağaçlar üzerindeki etkisi etkileri yoğunlaştırabilir ve henüz kontrollü bir deneyde değerlendirilmemiştir. Ayrıca, bu yöntem orman ekosistemlerinde yaygın olan bileşik stresörlerin (örneğin, böcek salgınları, patojenler, kuraklık, kirleticiler, toprak dondurma) etkilerini ölçmek için ideal bir fırsat sunuyor. Bu yöntemin çok faktörlü bir tasarımda uygulanması, buz fırtınasının etkilerini tek başına değerlendirerek ortaya çıkmayan ve doğal olarak oluşan koşullara daha yakından benzeyen etkileşimli etkileri değerlendirmek için istatistiksel olarak titiz bir yaklaşım sağlayacaktır. Yanıtları uygulamalardan sonraki ilk birkaç yıl içinde değerlendirmiş olsak da, uzun vadede orman düşüşünü veya iyileşmesini izlemek yararlı olacaktır. Buz fırtınası simülasyonlarımızın odak noktası öncelikle orman ekosistemleri olsa da, bu yöntem buz yüklerinin elektrik hatları ve diğer altyapı üzerindeki etkilerini değerlendirmek gibi başka şekillerde de uygulanabilir. Bazı sınırlamalar rağmen, yaklaşım son derece doğal buz fırtınaları simüle etkilidir ve alternatif yöntemler üzerinde bir gelişmedir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok. Burada ticari ad, ticari marka, üretici veya başka bir şekilde belirli ticari ürünlere, süreçlere veya hizmete atıfta bulunulması, amerika birleşik devletleri hükümeti tarafından onaylanması, tavsiyesini veya lehine olmasını gerektirmez. Burada ifade edilen yazarların görüş ve görüşleri, Amerika Birleşik Devletleri Hükümeti'nin görüşlerini ifade etmek veya yansıtmak zorunda değildir ve reklam veya ürün onayı amacıyla kullanılmayacaktır.
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- 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. , Asheville, NC. 23 (2002).
- Kovacik, C., Kloesel, K. Changes in ice storm frequency across the United States. Southern Climate Impacts Planning Program. , Available from: http://www.southernclimate.org/documents/Ice_Storm_Frequency.pdf (2014).
- 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. , Hanover, NH. 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).
