Simulere virkningene av isstormer på skogsøkosystemer

Summary

Isstormer er viktige værhendelser som er utfordrende å studere på grunn av vanskeligheter med å forutsi deres forekomst. Her beskriver vi en ny metode for å simulere isstormer som innebærer å sprøyte vann over en skogseil under underfrysende forhold.

Abstract

Isstormer kan ha dype og varige effekter på strukturen og funksjonen til skogøkosystemer i regioner som opplever fryseforhold. Nåværende modeller tyder på at hyppigheten og intensiteten av isstormer kan øke i løpet av de kommende tiårene som svar på endringer i klimaet, noe som øker interessen for å forstå deres konsekvenser. På grunn av isstormens stokastiske natur og vanskeligheter med å forutsi når og hvor de vil skje, har de fleste tidligere undersøkelser av de økologiske effektene av isstormer vært basert på case-studier etter store stormer. Siden intense isstormer er svært sjeldne hendelser, er det upraktisk å studere dem ved å vente på deres naturlige forekomst. Her presenterer vi en ny alternativ eksperimentell tilnærming, som involverer simulering av glasurishendelser på skogtomter under feltforhold. Med denne metoden pumpes vann fra en bekk eller innsjø og sprøytes over skogsseilet når lufttemperaturen er under frysepunktet. Vannet regner ned og fryser ved kontakt med kalde overflater. Etter hvert som isen samler seg på trær, bøyer og brekker bolene og grenene; som kan kvantifiseres gjennom sammenligninger med ubehandlede referansestativer. Den eksperimentelle tilnærmingen som er beskrevet er en fordel fordi den gir kontroll over timingen og mengden is som påføres. Å skape isstormer med forskjellig frekvens og intensitet gjør det mulig å identifisere kritiske økologiske terskler som er nødvendige for å forutsi og forberede seg på isstormeffekter.

Introduction

Isstormer er en viktig naturlig forstyrrelse som kan ha både kortsiktige og langsiktige konsekvenser for miljøet og samfunnet. Intense isstormer er problematiske fordi de skader trær og avlinger, forstyrrer verktøy og svekker veier og annen infrastruktur^1,,2. De farlige forholdene som isstormer skaper kan føre til ulykker som resulterer i skader og dødsfall². Isstormer er kostbare; økonomiske tap gjennomsnitt $ 313 millioner per år i USA (US)³, med noen individuelle stormer overstiger $ 1 milliard⁴. I skogøkosystemer kan isstormer få negative konsekvenser, inkludert redusert vekst og tredødelighet^5,6,7, økt risiko for brann og spredning av og patogener^8,9,10. De kan også ha positive effekter på skoger, som økt vekst av overlevende trær⁵ og økt biologisk mangfold¹¹. Å forbedre vår evne til å forutsi konsekvenser fra isstormer vil gjøre oss i stand til bedre å forberede oss på og svare på disse hendelsene.

Isstormer oppstår når et lag med fuktig luft, som er over frysepunktet, overstyrer et lag med underfrysende luft nærmere bakken. Regn som faller fra det varmere laget av luft supercools som det passerer gjennom det kalde laget, danner glasur is når deponert på sub-frysing overflater. I USA kan denne termiske stratifiseringen skyldes synoptiske værmønstre som er karakteristiske for bestemte regioner^12,,13. Iskaldt regn er oftest forårsaket av arktiske fronter som beveger seg sørøstover over USA foran sterke anticyclones¹³. I noen regioner bidrar topografi til de atmosfæriske forholdene som er nødvendige for isstormer gjennom kald luftdeming, et meteorologisk fenomen som oppstår når varm luft fra en innkommende storm overstyrer kald luft som blir forankret sammen med en fjellkjede^14,15.

I USA er isstormer mest vanlig i “isbeltet” som strekker seg fra Maine til vestlige Texas^16,17. Isstormer forekommer også i en relativt liten region i Nordvest-Stillehavet, spesielt rundt Columbia Basin i Washington og Oregon. Mye av USA opplever minst noe iskaldt regn, med de største mengdene i nordøst hvor de mest isutsatte områdene har en median på syv eller flere frysende regndager (dager der minst en time observasjon av frysende regn skjedde) årlig¹⁶. Mange av disse stormene er relativt små, selv om mer intense isstormer oppstår, om enn med mye lengre tilbakefallsintervaller. For eksempel, i New England, er området i radial istykkelse 19 til 32 mm for stormer med et 50-års gjentakelsesintervall¹⁸. Empiriske bevis tyder på at isstormer blir hyppigere på nordlige breddegrader og mindre hyppig i sør^19,20,21. Denne trenden forventes å fortsette basert på datasimuleringer ved hjelp av fremtidige klimaprognoser^22,,23. Mangelen på data og fysisk forståelse gjør det imidlertid vanskeligere å oppdage og projisere trender i isstormer enn andre typer ekstreme hendelser²⁴.

Siden store isstormer er relativt sjeldne, er de utfordrende å studere. Det er vanskelig å forutsi når og hvor de vil skje, og det er generelt upraktisk å “jage” stormer for forskningsformål. Følgelig har de fleste isstormstudier vært ikke planlagte post hoc-vurderinger som skjer i kjølvannet av store stormer. Denne forskningstilnærmingen er ikke ideell på grunn av manglende evne til å samle inn grunnlinjedata før en storm. I tillegg kan det være vanskelig å finne upåvirkede områder for sammenligning med skadede områder når isstormer dekker et stort geografisk omfang. I stedet for å vente på at naturlige stormer skal skje, kan eksperimentelle tilnærminger gi fordeler fordi de muliggjør nær kontroll over tidspunktet og intensiteten av ising hendelser og tillate passende referanseforhold for å tydelig vurdere effekter.

Eksperimentelle tilnærminger byr også på utfordringer, spesielt i skogkledde økosystemer. Høyden og bredden på trær og baldakinen gjør dem vanskelige å eksperimentelt manipulere, sammenlignet med lavere vekst gressletter eller busker. I tillegg er forstyrrelsen fra isstormer diffus, både vertikalt gjennom skogstaket og over landskapet, noe som er vanskelig å simulere. Vi vet om bare en annen studie som forsøkte å simulere isstormeffekter i et skogøkosystem²⁵. I dette tilfellet ble en rifle brukt til å fjerne opptil 52% av kronen i en loblolly furu stand i Oklahoma. Selv om denne metoden produserte resultater som er karakteristiske for isstormer, er det ikke effektivt å fjerne større grener og ikke føre til at trærne bøyer seg over, noe som er vanlig med naturlige isstormer. Selv om ingen andre eksperimentelle metoder har blitt brukt til å studere isstormer spesielt, er det noen paralleller mellom vår tilnærming og andre typer skogforstyrrelser manipulasjoner. For eksempel har gapdynamikk blitt studert ved å felle individuelle trær²⁶, skog skadedyrinvasjoner ved å girdling trær²⁷, og orkaner ved å beskjære²⁸ eller trekke ned hele trær med vinsj og kabel²⁹. Av disse tilnærmingene etterligner beskjæring tetteste isstormeffekter, men er arbeidskrevende og kostbart. De andre tilnærmingene forårsaker dødelighet av hele trær, i stedet for delvis brudd på lemmer og grener som er typiske for naturlige isstormer.

Protokollen som er beskrevet i dette papiret er nyttig for tett etterligne naturlige isstormer og innebærer å sprøyte vann over skogstaket under underfrysende forhold for å simulere glasur ishendelser. Metoden gir fordeler over andre midler fordi skaden kan fordeles relativt jevnt gjennom skoger over et stort område med mindre innsats enn beskjæring eller nedbeskjæring av hele trær. I tillegg kan mengden is accretion reguleres gjennom volumet av vann som påføres og ved å velge en tid til å sprøyte når værforholdene bidrar til optimal isdannelse. Denne romanen og relativt billig eksperimentell tilnærming muliggjør kontroll over intensiteten og frekvensen av ising, noe som er avgjørende for å identifisere kritiske økologiske terskler i skogøkosystemer.

Protocol

1. Utvikle eksperimentell design Bestem intensiteten og frekvensen av ising basert på realistiske verdier. Bestem størrelsen og formen på plottene. Hvis målet er å evaluere tresvar, velger du en plottstørrelse som er stor nok til å inkludere flere trær og de fleste av rotsystemene deres, som varierer avhengig av faktorer som treslag og alder. For sikkerhetshensyn, design tomtene slik at hele tomten området kan sprøytes fra utenfor grensen. Plass tomter langt nok…

Representative Results

En isstormsimulering ble utført i en 70\u2012100 år gammel nordlig løvtreskog ved Hubbard Brook Experimental Forest i sentrale New Hampshire (43° 56′ N, 71° 45′ W). Stativhøyden er ca. 20 m og de dominerende treartene i isområdet er amerikansk bøk (Fagus grandifolia), sukkerfrir (Acer saccharum), rød lønn (Acer rubrum) og gul bjørk (Betula alleghaniensis). Ti 20 m x 30 m tomter ble etablert og tilfeldig tildelt en behandling. Mesteparten av prøvetakingen skjedde innenfo…

Discussion

Det er avgjørende å utføre eksperimentelle simuleringer av isstormer under passende værforhold for å sikre deres suksess. I en tidligere studie³⁰fant vi at de optimale forholdene for sprøyting er når lufttemperaturen er under -4 °C og vindhastigheter er mindre enn 5 m/s. Naturlige isstormer forekommer oftest når lufttemperaturen er litt mindre enn frysing (-1 til 0 °C), og selv om de ideelle temperaturene for isstormsimuleringer er kaldere, er de fortsatt innenfor temperaturområdet for …

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