Summary
冰风暴是重要的天气事件,由于难以预测其发生,因此难以研究。在这里,我们描述了一种模拟冰风暴的新方法,该方法涉及在亚冰天基条件下在森林树冠上喷洒水。
Abstract
冰风暴对经历冰冻条件地区的森林生态系统的结构和功能产生深刻和持久的影响。目前的模型表明,随着气候变化,冰风暴的频率和强度可能在接下来的几十年内增加,从而增加人们对了解其影响的兴趣。由于冰风暴的随机性以及预测冰风暴何时和在哪里会发生的困难,过去对冰风暴生态影响的调查大多数都是基于重大风暴之后的案例研究。由于强烈的冰风暴是极其罕见的事件,因此通过等待其自然发生来研究它们是不切实际的。在这里,我们提出了一种新的替代实验方法,涉及在田间条件下对林地的釉冰事件进行模拟。使用这种方法,当气温低于冰点时,从溪流或湖泊中抽水,喷洒在森林树冠上方。水在与冷表面接触时下雨而结冰。当冰堆积在树上时,树枝弯曲和断裂;通过与未经处理的参考站进行比较可以量化的损害。所述的实验方法是有利的,因为它能够控制冰的时间和量。创建不同频率和强度的冰风暴,可以确定预测和准备冰风暴影响所需的关键生态阈值。
Introduction
冰风暴是一种重要的自然扰动,可对环境和社会产生短期和长期影响。强烈的冰风暴是有问题的,因为它们破坏树木和作物,破坏公用事业,并损害道路和其他基础设施,1,2。冰风暴造成的危险条件可能导致事故,造成人员伤亡2。冰风暴代价高昂;美国3个州每年平均损失3.13亿美元,其中个别风暴超过10亿美元。在森林,生态系统中,冰风暴可能产生负面后果,包括生长减少和树木死亡率下降5、6、7,火灾风险增加,害虫和病原体,6扩散,8,9,10。,10它们也可以对森林产生积极的影响,例如增加幸存树木的生长5和增加生物多样性11。提高我们预测冰风暴影响的能力将使我们能够更好地准备和应对这些事件。
冰风暴发生时,一层潮湿的空气,高于冰点,覆盖一层亚冻结空气接近地面。雨水从温暖的空气超冷层中落下,穿过冷层,在亚冻结表面沉积时形成釉冰。在美国,这种热分层可以由特定区域12,13的气象天气模式产生。冻雨最常见的是由北极战线在强反气旋13之前向东南移动穿过美国造成的。在一些地区,地形有助于通过冷空气筑坝为冰风暴创造必要的大气条件,这是一种气象现象,当来自来袭风暴的暖空气覆盖与14、15山脉一起根深蒂固的冷空气时,就会出现这种气象现象。
在美国,冰风暴最常见于从缅因州到德克萨斯州西部的"冰带"。,17冰风暴也发生在太平洋西北地区相对较小的地区,特别是在华盛顿和俄勒冈的哥伦比亚河流域附近。美国大部分地区每年至少经历一些冻雨,其中最易结冰地区的中位数为7个或更多冻雨日(其中至少每小时观测一次冻雨)。许多风暴相对较小,尽管确实发生了更强烈的冰风暴,尽管复发间隔要长得多。例如,在新英格兰,径向冰厚度的范围是19至32毫米的风暴,50年的复发间隔18。经验证据表明,北纬地区冰风暴越来越频繁,南纬19、20、21,20,度的冰风暴越来越频繁。这一趋势预计将继续下去,根据计算机模拟利用未来的气候变化预测22,23。22,然而,由于缺乏数据和物理了解,与其他类型的极端事件24,更难发现和预测冰风暴的趋势。
由于主要的冰风暴相对较少,因此它们很难研究。很难预测它们何时和在哪里会发生,而且为了研究目的"追逐"风暴通常不切实际。因此,大多数冰风暴研究都是在重大风暴之后进行计划外的临时评估。由于在风暴前无法收集基线数据,因此这种研究方法并不理想。此外,当冰风暴覆盖大面积时,可能很难找到未受影响的区域与受损区域进行比较。实验方法可能具有优势,因为它能够密切控制结冰事件的时间和强度,并允许适当的参考条件来清楚地评估影响,而不是等待自然风暴的发生。
实验方法也构成挑战,特别是在森林生态系统中。与低矮的草原或灌木林相比,树木和树冠的高度和宽度使得它们难以在实验中操作。此外,冰风暴的干扰是分散的,垂直穿过森林树冠和整个景观,这是很难模拟的。我们只有一项研究试图模拟冰风暴对森林生态系统的影响。在这种情况下,在俄克拉荷马州的松树架上,用步枪将高达52%的王冠摘下来。虽然这种方法产生了冰风暴特有的结果,但它在去除较大的树枝方面并不有效,并且不会导致树木弯曲,这是自然冰风暴的常见现象。虽然没有使用其他实验方法来专门研究冰风暴,但我们的方法与其他类型的森林扰动操纵之间有一些相似之处。例如,通过砍伐个别树木26棵、通过修剪树木27棵和飓风,通过砍倒28棵或用山车和电缆砍倒整棵树来研究缺口动力学。在这些方法中,修剪最密切地模仿冰风暴的影响,但劳动密集型和成本高昂。其他方法会导致整个树木的死亡,而不是自然冰风暴中典型的四肢和树枝的部分断裂。
本文描述的协议对于密切模拟自然冰暴非常有用,涉及在亚冰天地条件下在森林树冠上喷洒水,以模拟釉面冰事件。这种方法与其他方法相比具有优势,因为损伤可以相对均匀地分布在整个森林中,比修剪或砍伐整棵树的工作量要小。此外,通过施加的体积和选择在天气条件有利于最佳结冰时喷洒的时间,可以调节冰的累积量。这种新颖且相对便宜的实验方法能够控制结冰的强度和频率,这对于确定森林生态系统中的关键生态阈值至关重要。
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Protocol
1. 开发实验设计
- 根据真实值确定结冰的强度和频率。
- 确定绘图的大小和形状。
- 如果目标是评估树响应,请选择足够大的绘图大小,以包括多个树及其大多数根系,具体取决于树种和年龄等因素。
- 出于安全考虑,设计绘图,以便从边界外喷洒整个绘图区域。
- 空间图相距足够远(例如 10 米),因此一个绘图中的处理不会影响另一个绘图。
- 在地块周围建立一个缓冲区(例如 5 米),以减少边缘效应,并确保冰覆盖分布更加均匀。
- 在较大的图中建立子图,以满足特定的采样需求。
- 确定复制图的数量。
2. 选择并建立学习地点
- 选择具有类似特征的同质林架,如树种组成、土壤、岩经和水文。
- 在冬季可以进入水源的地区,为应用选择一个位置。
- 根据泵速率和其他因素(如软管直径、软管长度、使用的喷嘴和水压)确保供水充足,以适合冰应用。
- 标记绘图、缓冲区和子图的边界。
- 进行完整的森林清查,描述树木的健康状况,包括死亡、死亡和受损树木的评估。此外,记录任何潜在的压力源(例如昆虫损伤或疾病的证据),以帮助解释对冰处理的反应。
- 如果使用 UTV 喷水,请沿地块两侧创建可通行的小径,同时小心尽量减少干扰。
- 一旦地块建立,随机分配处理每个地块和类型的采样,将进行在每个子图(例如,粗木屑,精细垃圾,土壤样本)。
3. 申请时间
- 选择适当的时间窗口以执行喷涂。
- 当天气条件有利时(例如,当空气温度低于 -4 °C 且风速小于 5 m/s 时)执行实验。
- 如果在夜间喷洒,在地块边缘周围部署高功率灯,如果电力不可用,则在发电机上运行。
4. 设置供水
- 在水源端设置供应泵并连接吸气软管。
- 将过滤器连接到吸管的端,使碎屑远离管路。
- 突破任何表面冰,完全淹没过滤器。供水的最低深度应约为20厘米。
- 将增压泵放在 UTV 的床上,以提高水压。在某些情况下,可能不需要增压泵,尤其是对于低矮的植被。
- 将消防软管从供油泵运行到增压泵。
- 使用消防监视器实现对高压软管的安全、手动控制。监视器可以自由站立或安装在 UTV 的背面。
- 避免可能中断水流的情况,如软管中的扭结、供水源中的水缩水以及泵的汽油耗尽。
5. 创造冰
- 通过通过树冠中的缝隙垂直喷水来制造冰。确保水延伸到顶篷的高度以上,使其垂直沉积,并在与亚冻结表面接触时冻结。避免从树上剥去树枝和树皮,因为水被向上喷洒。
- 通过缓慢地沿应用区域边缘来回驾驶 UTV,均匀地在林顶上喷洒喷雾。如果使用自立监视器,请手动移动这些监视器以确保覆盖范围均匀。
- 跟踪应用的时间安排,以帮助确定应用过程中的天气状况和喷水量等因素。
6. 测量冰的累积
- 在应用区域边缘附近的低层树枝上对径向冰厚进行地面卡钳测量,以在应用过程中监测冰的累积情况,并确定何时达到目标厚度。
- 应用后,通过无源冰收集器获得更准确的冰收集估计(图1)。
- 在应用之前,在三个主轴30上用两个定位销来构建被动的冰收集器,以创建具有六个组件臂的收集器。
- 切割 2.54 厘米的定位销,长度为 30 厘米。
- 使用 6 向钢连接器连接定位销。
- 使用树干投掷重量串降落伞绳在坚固的树枝,可以承受冰负载。
- 将被动的冰收集器连接到绳索上,并将其举入顶篷。
- 申请完成后,将收集器降到地面,小心不要丢失收集器的任何冰。
- 在结冰应用之前和之后,在收集器上的多个位置使用卡钳进行垂直和水平测量(例如,每个臂的三个位置有三个垂直和三个水平测量)。
- 计算每个收集器上的冰厚,作为应用前和之后测量值之间的差值。
- 要使用水体积法确定冰厚,请使用往复锯切割每个定位销。
- 将定位销带到加热的建筑中,将它们放在桶中,让冰在室温下融化。
- 使用分级油缸测量融水体积。
- 根据31号冰的体积和密度计算冰厚。
7. 安全注意事项
- 在喷洒过程中,请远离冰处理区,因为冰负载会导致树枝和四肢破裂和脱落。
- 在应用冰时以及在应用后在处理区域进行的任何取样时,戴上安全帽或头盔以提供保护。
- 在喷涂过程中,使用监视器稳定软管。
- 适合危险条件和亚冰冻天气。穿明亮、显眼的衣服。穿着雨具和保暖衣物,准备在潮湿、寒冷的天气中度过很长时间。携带多次换衣服,尤其是指定喷洒的人员。
- 如果在偏远的位置工作,请搭建一个装有便携式加热器的临时加热帐篷。
- 允许人员有充足的时间休息、换湿衣服以及解决设备中出现的问题等。
- 在实验过程中,使用无线电在人员之间进行交流。与基站的人员保持联系。
- 制定医疗紧急情况时的安全计划。实验期间,请医务人员(如紧急医疗技术人员)和应急设备和用品在现场。
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Representative Results
在新罕布什尔州中部的哈伯德布鲁克实验森林(北43°56°,北71°45°)的北部硬木森林中进行了冰风暴模拟。展台高度约20米,在冰应用领域占主导地位的树种是美国山毛虫(法古斯格兰迪福利亚),糖枫(宏基糖),红枫(宏基红宝石)和黄白杨树(贝图拉阿莱加尼西斯)。建立了10个20米×30米地块,并随机分配了一个处理。大多数采样发生在 10 m x 20 m 内部地块内,以允许 5 m 缓冲。内部图分为8个5米×5米子图,用于不同类型的采样。五种处理各有两个复制图,包括控制(无冰)和三个目标水平的径向冰累积:低(6.4毫米)、中(12.7毫米)和高(19.0毫米)。其中两个中级处理地块(中2层)在连续几年被冰块,以评估连续风暴的影响。喷洒发生在2016年冬季(2012年1月18日、201228年1月27日、2012年2月11日)和2017年1月14日。水从哈伯德布鲁克的主要分支抽水,该分支被冰覆盖,溪流温度接近冰点。应用时的地面空气温度范围为 -13 至 -4 °C,风速小于 2 m/s。
使用上述卡钳和水体积方法,在被动冰收集器(每图四个)上测量冰积(协议第6节;图1)。平均冰厚低于中高冰处理的目标值(分别少4.3毫米和5.8毫米)。低、中克斯2 y1和中克斯2 y2处理中的冰厚在目标值的2毫米范围内(表1)。尽管与目标值有一些差异,但这些处理提供了一系列径向冰厚度(0\u201216.4 mm),用于评估生态系统的影响。这个范围与1998年32日冰风暴后哈伯德布鲁克实验森林记录的0\u201214.4毫米径向冰相当。单个收集器的平均冰积表明卡钳与水容测量方法之间有很强的正关系(R2 = 0.95;p <0.01;图 2.当冰量超过8毫米时,使用水体积法进行的测量超过了卡钳法的测量值(图2)。这种差异是由于冰柱的存在,冰柱形成作为冰的积累,并更有效地捕获与水量的方法。当冰积小于8毫米时,从水体积法进行的测量略低于卡钳法的测量值,这是冰的密度所归因于的。我们使用釉冰的密度(0.92克/厘米3)计算冰的厚度。然而,处理中的冰有气泡,其密度可能低于这一理论值。
总喷洒时间(小时/软管)平均为低2小时20分钟,中层平均喷涂时间4小时50分钟,高冰处理平均8小时。现场喷洒的实际时间大约是这些总时间的一半,因为两个软管同时用于喷洒每个地块。用水体积法测量的喷涂时间与冰积之间有显著的正向关系(R2 = 0.46;p = 0.03;图3a)和卡钳方法 (R2 = 0.56; p = 0.01)。不同地块的平均冰起加速度在1.4至4.2毫米/小时之间。用水体积法测量的空气温度和冰的累积之间有一个稍微显著的反向关系(R2 = 0.40;p = 0.05;图3b)与卡钳方法(R 2 =0.15;p = 0.27)没有显著关系。
在2015年(2015年)之前和(2016年)之前和冰应用之后,对树冠覆盖进行了快速评估。治疗后第二年未收集数据(2017年);因此,中克斯2治疗只有在最初喷洒后才进行评估。眼管被用来记录树冠覆盖的存在或不存在直接头顶沿跨管在地块33。虽然这种方法在估计树冠覆盖方面是有效的,但它需要密集的采样,这可能既耗时又昂贵。具有较大视野的地面测量,如树冠密度计34,提供树冠封闭测量,需要较少的采样,具有较低的支架水平变异性35,,36。但是,必须注意确保视角不会捕获处理过的绘图以外的植被。
使用具有二项分布的通用线性混合模型对树冠覆盖数据进行了分析。冰处理作为固定效果和绘图作为随机效果包括在内。结果显示,在治疗前调查的10个地块(图4A)中,没有显著差异,而处理后调查表明,与控制相关的中、中、高冰处理树冠覆盖量显著下降(图4B)。Fahey等人37的更严格分析表明,森林树冠的结构发生了重大变化,与冰的适用量相当,导致树冠覆盖量普遍下降,冰层增加支持率增加。
在2017年8月的抽样中,评估了模拟冰风暴对地表土壤温度的影响(即,所有地块都结冰一次后,两个生长季节,中2地块后生长季节被冰封两次)。测量工作于下午12时30分至下午2时进行,用奥克顿土壤温度探头(0.5°C精度)手动测量土壤温度,这些探头的深度为2厘米和5厘米。在处理图和配对控制图中同时对 2.5 m 网格进行测量。低处理地块没有进行测量,因为它们显示冰对植被的影响最小。土壤温度结果表明,对于所有三个水平(中、中、高),处理地块中的土壤比两个深度(2厘米和5厘米)的控制地块要热得多;图 5A,B.较浅土壤的温度较深土壤稍高,处理效果较大。处理的地块比对等2厘米深的对子温度高0.4~1.5°C,5厘米深的温度比对对对的温0.2~0.5°C高。处理显然打开了森林树冠,导致更多的光线到达森林地面,导致更高的土壤温度。
图1:用于测量径向冰累积的被动冰收集器。(A) 在冰应用前,在森林树冠中观看冰收集器。(B) 从树冠上降低冰块后,对收集器进行冰的加收器测量。请单击此处查看此图的较大版本。
图2:测量径向冰累积的两种方法的比较。卡钳方法涉及在定位销上测量冰。水体积方法涉及测量从定位销的融水体积,并使用假定的冰密度计算径向冰厚。显示三个目标冰累积水平(低 = 6.4 mm,中 = 12.7 mm,高 = 19 mm),虚线为 1:1 线。每个点代表一个无源冰收集器,是六个组件臂上六次测量的平均值(即每个收集器 36 次测量)。请单击此处查看此图的较大版本。
图3:冰的累积率。(A) 喷洒时间与总冰累积的关系。(B) 应用期间平均气温与冰加率的关系。显示了三个目标冰量水平(低 = 6.4 mm,中 = 12.7 mm,高 = 19 mm)。显示的冰积值由水量法确定。每个点代表一个图,中第 2 治疗的每年具有不同的点。请单击此处查看此图的较大版本。
图4:用眼管估计的树冠覆盖。(A) 各种冰处理的预处理顶篷盖。(B) 在冰应用后的第一个生长季节获得的树冠覆盖值。使用具有二项分布的通用线性混合模型对数据进行分析。误差条指示 95% 置信区间,小写字母表示 ± = 0.05 时的重大差异。请单击此处查看此图的较大版本。
图5:冰处理对土壤温度的影响。(A) 土壤温度在2厘米深时测量。(B) 土壤温度测量在5厘米深.使用一般线性模型对数据进行了分析。误差条指示 95% 置信区间,星号表示在 ± 0.05 的控制和处理之间存在显著差异。请单击此处查看此图的较大版本。
方法 | 低 | 中 | 中间 x 2 y1 | 中间 x 2 y2 | 高 |
目标 | 6.4 | 12.7 | 12.7 | 12.7 | 19.1 |
水量 | 5.7 (0.2)c | 8.5 (1.3)bc | 14.6 (2.2)a | 13.2 (0.1)ab | 16.4 (1.1)a |
井 径 | 6.3 (0.3)c | 8.4 (1.1)bc | 11.0 (1.6)ab | 11.3 (0.2)ab | 13.3 (1.2)a |
表1:目标冰积值与使用水量和卡钳法在被动收集器上测量的实际值相比。单位为毫米,标准误差用括号表示。上标字母表示使用通用线性混合模型确定的处理之间的显著差异。
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Discussion
在适当的天气条件下对冰风暴进行实验模拟以确保其成功至关重要。在此前的研究中,我们发现喷洒的最佳条件是当气温低于-4°C,风速低于5米/s时。自然冰风暴最常发生在气温略低于冰点(-1至0°C)时,虽然冰风暴模拟的理想温度较冷,但仍在观测到的冻雨事件-15至0 °C16的温度范围内。由于需要持续低于冰点的温度,这种实验方法仅限于更偏北的位置,即使在相对寒冷的地方,如哈伯德布鲁克实验森林,1月份平均月平均气温为-9 °C,但经常波动在冰点以上,也难以执行。夜间喷洒是有利的,因为此时空气温度通常最冷,太阳辐射的影响可以忽略不计。
冰风暴模拟实验有几个挑战。在树冠高大的森林中,喷洒树顶是很困难的。许多因素会影响喷涂高度,包括泵速率和水源与应用区域之间的距离。由于喷涂高度计算复杂且特定于使用现场和设备,因此在实验前进行喷涂测试有助于进行适当的调整。另一个挑战是确定何时停止喷洒,因为在模拟过程中很难获得冰厚的测量。被动的冰收集器可用于此目的,但需要坚固的分支在地块内的支持。我们安装的几个收集器在实验中损坏或摔了一下。为了安全,我们把收集器放在靠近地块边缘的地方,以避免进入实验区,这可能导致一些地块的冰合被低估(表1)。在应用过程中,降低收集器并进行测量可能既耗时又困难。地面测量在这方面可以助一臂之火,但可能不能最好地代表上顶篷的冰层。冰暴模拟中的冰密度略小于自然冰风暴期间形成冰的密度。这种差异得到了收集器的冰测量的支持,并且从视觉上看是明显的,因为冰比在自然风暴中形成釉冰更不透明。尽管冰层密度存在这些差异,但模拟的冰风暴还是造成了弥漫的扰动,导致树木和四肢弯曲和断裂,就像一场自然的冰风暴。因此,与其他潜在方法(如射击、腰围、修剪或砍伐树木)相比,这种方法更密切地反映了冰风暴的影响。
虽然这些地块对于操纵性实验(20 m x 30 m)来说相对较大,但增加地块的大小将减少地块外未受影响的树木的影响。即使有缓冲器,地块周围的高大树木也可能影响到垃圾、光可用性和土壤温度等反应。此外,这些地块无疑包含边界外的根,这些根可能改变地下过程。微生物生物量和活性、土壤氮、氮矿化和硝化、土壤水中溶解液损失等,尽管地面扰动严重,但38种冰应用无显著影响。缺乏地下反应是出乎意料的,特别是硝酸盐的浸出,在1998年自然冰风暴影响哈伯德布鲁克之后,硝酸盐的浸出显示对冰风暴扰动很敏感。风暴过后,土壤溶液中硝酸盐大量流失,由于树冠受损导致吸收减少。冰风暴模拟中缺乏氮反应可能是从地块外的健康树木中吸收根的结果;然而,树冠的损坏和缝隙足够大,可以预期会做出一些反应。缺乏地下反应的一个更可能的解释是,现场观察到的可用氮长期下降,导致氮循环全面收紧,硝酸盐浸出量最小38,40。38,
冰风暴模拟方法在哈伯德布鲁克实验森林的北部硬木森林中证明是成功的,并有助于量化生态系统反应和确定临界阈值37,38。,38在未来的研究中,将这种方法应用于其他森林类型和不同条件下将是有益的。例如,风对冰树的影响可能加剧,但尚未在受控实验中进行评估。此外,这种方法为量化森林生态系统中常见的复合压力源(如昆虫爆发、病原体、干旱、污染物、土壤冻结)的影响提供了理想的机会。在多因素设计中应用此方法将使统计学上严谨的方法评估互动效应,而通过单独评估冰风暴影响,这种影响不会出现,而且更类似于自然发生的条件。尽管我们只在申请后头几年评估了响应,但从长远来看,跟踪森林的减少或恢复将是有益的。虽然我们冰风暴模拟的重点主要是森林生态系统,但该方法可以应用于其他方面,例如评估冰负荷对公用线路和其他基础设施的影响。尽管有一些局限性,但这种方法在模拟自然冰暴方面非常有效,并且比替代方法更具有改进性。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。此处提及任何特定的商业产品、流程或服务(以商品名称、商标、制造商或其他方式)并不一定构成或暗示其认可、推荐或美国政府的青睐。本文所表达的作者的观点和观点不一定陈述或反映美国政府的观点和观点,也不应用于广告或产品代言目的。
Acknowledgments
这项研究的资金由国家科学基金会(DEB-1457675)提供。我们感谢冰风暴实验(ISE)的许多参与者,他们帮助了冰应用和相关的领域和实验室工作,特别是杰夫·施瓦纳、加布·维南特和布兰登·伦纳德。这份手稿是哈伯德布鲁克生态系统研究的贡献。哈伯德布鲁克是长期生态研究(LTER)网络的一部分,该网络由国家科学基金会(DEB-1633026)支持。哈伯德布鲁克实验森林由美国农业部森林服务局、北部研究站、威斯康星州麦迪逊市运营和维护。视频和图像由吉姆·苏雷特和乔·克莱门托维奇提供,哈伯德布鲁克研究基金会提供。
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 |
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