Summary
Isstormar är viktiga väderhändelser som är utmanande att studera på grund av svårigheter att förutsäga deras förekomst. Här beskriver vi en ny metod för att simulera isstormar som innebär att spruta vatten över en skogsbalja under underfrysningsförhållanden.
Abstract
Isstormar kan ha djupgående och bestående effekter på skogens ekosystems struktur och funktion i regioner som upplever frysförhållanden. Nuvarande modeller tyder på att frekvensen och intensiteten av isstormar kan öka under de kommande decennierna som svar på förändringar i klimatet, vilket ökar intresset för att förstå deras effekter. På grund av isstormarnas stokastiska natur och svårigheter att förutsäga när och var de kommer att inträffa har de flesta tidigare undersökningar av isstormarnas ekologiska effekter baserats på fallstudier efter stora stormar. Eftersom intensiva isstormar är ytterst sällsynta händelser är det opraktiskt att studera dem genom att vänta på deras naturliga förekomst. Här presenterar vi ett nytt alternativt experimentellt tillvägagångssätt, som omfattar simulering av glasyrhändelser på skogstomter under fältförhållanden. Med denna metod pumpas vatten från en bäck eller sjö och sprutas ovanför skogsbalkan när lufttemperaturen är under fryspunkten. Vattnet regnar ner och fryser vid kontakt med kalla ytor. När isen ackumuleras på träd böjer sig bols och grenar; skador som kan kvantifieras genom jämförelser med obehandlade referensställ. Den experimentella metod som beskrivs är fördelaktig eftersom den ger kontroll över tidpunkten och mängden is som tillämpas. Att skapa isstormar med olika frekvens och intensitet gör det möjligt att identifiera kritiska ekologiska trösklar som är nödvändiga för att förutsäga och förbereda isstormens påverkan.
Introduction
Isstormar är en viktig naturstörning som kan ha både kortsiktiga och långsiktiga effekter på miljön och samhället. Intensiva isstormar är problematiska eftersom de skadar träd och grödor, stör verktyg och försämrar vägar och annan infrastruktur1,2. De farliga förhållanden som isstormar skapar kan orsaka olyckor som leder till skador och dödsfall2. Isstormar är kostsamma; finansiella förluster i genomsnitt $ 313.000.000 per år i USA (US)3, med vissa enskilda stormar som överstiger $ 1 miljard4. I skogens ekosystem kan isstormar få negativa konsekvenser, inklusive minskad tillväxt och träddödlighet5,,6,,7,ökad brandrisk och spridning av skadegörare och patogener8,,9,10. De kan också ha positiva effekter på skogarna, såsom ökad tillväxt av överlevande träd5 och ökad biologisk mångfald11. Att förbättra vår förmåga att förutsäga påverkan från isstormar kommer att göra det möjligt för oss att bättre förbereda oss för och reagera på dessa händelser.
Isstormar inträffar när ett lager av fuktig luft, som är över frysning, åsidosätter ett lager av subfrysande luft närmare marken. Regn som faller från det varmare lagret av luft supercools när det passerar genom det kalla lagret, bildar glasyr is när deponeras på sub-frysning ytor. I USA kan denna termiska stratifiering bero på synoptiska vädermönster som är karakteristiska för specifika regioner12,13. Underkylt regn orsakas oftast av arktiska fronter som rör sig sydost över USA inför starka anticykloner13. I vissa regioner bidrar topografi till de atmosfäriska förhållanden som krävs för isstormar genom kall luftdämpning, ett meteorologiskt fenomen som uppstår när varm luft från en inkommande storm åsidosätter kall luft som blir förankrad vid sidan av en bergskedja14,15.
I USA, isstormar är vanligast i "isbältet" som sträcker sig från Maine till västra Texas16,17. Isstormar förekommer också i en relativt liten region i nordvästra usa, särskilt runt Columbia River Basin i Washington och Oregon. Mycket av USA upplever åtminstone en del underkylt regn, med de största mängderna i nordost där de mest isbenägna områdena har en median på sju eller fler underkylt regn dagar (dagar under vilka minst en timme observation av underkylt regn inträffade) årligen16. Många av dessa stormar är relativt små, även om mer intensiva isstormar inträffar, om än med mycket längre upprepningsintervall. Till exempel, i New England, intervallet i radiell istjocklek är 19 till 32 mm för stormar med ett 50-årigt återkommande intervall18. Empiriska bevis visar att isstormar blir allt vanligare på nordliga breddgrader och mindre frekventerar till söderna19,20,21. Denna trend förväntas fortsätta baserat på datorsimuleringar med hjälp av framtida klimatförändringsprognoser22,23. Bristen på data och fysisk förståelse gör det dock svårare att upptäcka och projicera trender i isstormar än andra typer av extrema händelser24.
Eftersom stora isstormar är relativt sällsynta, de är utmanande att studera. Det är svårt att förutsäga när och var de kommer att inträffa, och det är i allmänhet opraktiskt att "jaga" stormar för forskningsändamål. Därför har de flesta isstormstudier varit oplanerade post hoc-bedömningar som inträffat i kölvattnet av stora stormar. Denna forskning strategi är inte idealisk på grund av oförmåga att samla in baslinjedata före en storm. Dessutom kan det vara svårt att hitta opåverkade områden jämfört med skadade områden när isstormar täcker en stor geografisk omfattning. I stället för att vänta på att naturliga stormar ska inträffa kan experimentella metoder erbjuda fördelar eftersom de möjliggör noggrann kontroll över tidpunkten och intensiteten av isbildningshändelser och möjliggör lämpliga referensvillkor för att tydligt utvärdera effekterna.
Experimentella metoder innebär också utmaningar, särskilt i skogsbaserade ekosystem. Höjden och bredden på träd och trädkronor gör dem svåra att experimentellt manipulera, jämfört med lägre växtlighet gräsmarker eller buskmarker. Dessutom är störningar från isstormar diffusa, både vertikalt genom skogsbalkan och över landskapet, vilket är svårt att simulera. Vi känner till bara en annan studie som försökte simulera isstorm effekter i en skog ekosystem25. I detta fall användes ett gevär för att ta bort upp till 52% av kronan i en loblolly tall stå i Oklahoma. Även om denna metod gav resultat som är karakteristiska för isstormar, är det inte effektivt på att ta bort större grenar och inte orsakar träden att böja sig över, vilket är vanligt med naturliga isstormar. Även om inga andra experimentella metoder har använts för att studera isstormar specifikt, det finns vissa paralleller mellan vår strategi och andra typer av skog störningar manipulationer. Till exempel har gap dynamik studerats genom att fälla enskilda träd26, skogsskadeinvasioner genom omgörelse träd27, och orkaner genom beskärning28 eller dra ner hela träd med en vinsch och kabel29. Av dessa metoder, beskärning närmast imiterar is storm effekter men är arbetsintensiva och kostsamma. De andra metoderna orsakar dödligheten i hela träd, snarare än partiella brott av lemmar och grenar som är typiska för naturliga isstormar.
Det protokoll som beskrivs i detta dokument är användbart för att nära härma naturliga isstormar och innebär sprutning av vatten över skogsbalkan under underfrysningsförhållanden för att simulera glasyrhändelser. Metoden erbjuder fördelar framför andra medel eftersom skadorna kan fördelas relativt jämnt över skogar över ett stort område med mindre ansträngning än beskärning eller downing hela träd. Dessutom kan mängden isasyrutning regleras genom vattenvolymen och genom att välja en tid att spruta när väderförhållanden bidrar till optimal isbildning. Denna nya och relativt billiga experimentella metod ger kontroll över intensiteten och frekvensen av isbildning, vilket är nödvändigt för att identifiera kritiska ekologiska trösklar i skogens ekosystem.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Utveckla den experimentella designen
- Bestäm intensiteten och frekvensen av isbildning baserat på realistiska värden.
- Bestäm storlek och form på diagrama.
- Om målet är att utvärdera trädsvar väljer du en tomtstorlek som är tillräckligt stor för att inkludera flera träd och de flesta av deras rotsystem, som varierar beroende på faktorer som trädslag och ålder.
- Av säkerhetsskäl, utforma tomterna så att hela tomtområdet kan sprutas från utanför gränsen.
- Utrymmestomterna tillräckligt långt ifrån varandra (t.ex. 10 m) så att en behandling i ett område inte påverkar en annan.
- Upprätta en buffertzon (t.ex. 5 m) runt områden för att minska kanteffekter och säkerställa en jämnare fördelning av istäckningen.
- Upprätta delområden inom de större områden för specifika provtagningsbehov.
- Besluta om antalet replikerande ritplaner.
2. Välj och upprätta en studieplats
- Välj ett homogent skogsstånd med liknande egenskaper, till exempel trädartsammansättning, jordar, litologi och hydrologi.
- Välj en plats för programmet i ett område där det finns tillgång till en vattenkälla under vintern.
- Se till att vattentillförseln är tillräcklig för isappliceringen baserat på pumphastigheten och andra faktorer såsom slangens diameter, slangens längd, munstycket som används och vattentrycket.
- Markera gränsen för diagram, buffertzon och delplots.
- Genomföra en komplett skogsinventering med beskrivningar av trädhälsotillstånd inklusive bedömningar av döda, döende och skadade träd. Registrera dessutom eventuella stressfaktorer (t.ex. tecken på insektsskador eller sjukdom) för att hjälpa till att tolka svaret på isbehandlingen.
- Om du använder UTVs för att spruta vatten, skapa framkomliga spår längs sidorna av tomterna samtidigt som du är noga med att minimera störningar.
- När tomterna har upprättats, slumpmässigt tilldela en behandling till varje område och typ av provtagning som kommer att utföras i varje subplot (t.ex. grov träig skräp, fint skräp, jordprover).
3. Tidpunkten för ansökan
- Välj ett lämpligt tidsfönster för att utföra sprutningen.
- Utför experimentet när väderförhållandena är gynnsamma (t.ex. när lufttemperaturen är mindre än -4 °C och vindhastigheten är mindre än 5 m/s).
- Om sprutning på natten, distribuera hög effekt lampor runt kanten av tomter och köra dem på generatorer om el inte är tillgänglig.
4. Ställ in vattenförsörjningen
- Sätt upp en matningspump vid vattenkällan och anslut en sugslang.
- Anslut en sil till änden av sugslangen för att hålla skräp borta från ledningarna.
- Bryt igenom någon ytis och helt dränka silen. Vattentillförselns minsta djup bör vara ca 20 cm.
- Placera en boosterpump i sängen på en UTV för att förbättra vattentrycket. I vissa fall kan en booster pump inte vara nödvändigt, särskilt för lågväxt vegetation.
- Kör en brandslang från matningspumpen till boosterpumpen.
- Använd en brandsläckningsmonitor för att möjliggöra säker, manuell kontroll över högtrycksslangen. Bildskärmen kan vara fristående eller monterad på baksidan av en UTV.
- Undvik situationer som kan avbryta flödet av vatten såsom veck i slangen, vattenuttag vid försörjningskällan, och på bensin för pumparna.
5. Skapa isen
- Skapa is genom att spruta vatten vertikalt genom luckor i baldakinen. Se till att vattnet sträcker sig över baldakinens höjd så att det deponeras vertikalt och fryser vid kontakt med underfrysningsytor. Undvik att strippa grenar och bark från träd som vatten sprutas uppåt.
- Fördela sprayen jämnt över skogsbalkan genom att långsamt köra UTV fram och tillbaka längs applikationsområdets kant. Om fristående bildskärmar används, flytta dessa manuellt för att säkerställa att täckningen är jämn.
- Håll koll på tidpunkten för programmet för att avgöra faktorer som väderförhållanden under applicering och volymen av vatten sprutas.
6. Åtgärd is anhopning
- Gör markbaserade bromsmått av radiell istjocklek på grenar eller kvistar på lägre nivå nära appliceringsområdets kant för att övervaka isanhopning under appliceringen och avgöra när måltjockleken har uppnåtts.
- Få mer exakta uppskattningar av isanhopning med passiva issamlare efter appliceringen (figur 1).
- Innan ansökan, konstruera passiva issamlare med två pluggar orienterade på tre kardinalaxlar30 för att skapa samlare med sex komponentarmar.
- Skär 2,54 cm pluggar med en längd av 30 cm.
- Gå med i pluggarna med en 6-vägs stålkontakt.
- Använd en arborist kasta vikt till sträng fallskärm sladd över robusta grenar som tål isbelastningen.
- Fäst de passiva isuppsamlarena på sladden och höj dem i baldakinen.
- När ansökan är klar, sänk samlare till marken, var noga med att inte förlora någon is från samlaren.
- Gör vertikala och horisontella mätningar av istjocklek med bromsok på flera platser på uppsamlaren (t.ex. tre vertikala och tre horisontella mätningar på tre platser längs varje arm) före och omedelbart efter isapplicering.
- Beräkna istjockleken på varje uppsamlare som skillnaden mellan mätningarna före och efter appliceringen.
- För att bestämma istjocklek med vattenvolymmetoden, använd en fram- och återgående såg för att skära varje plugg.
- Ta med pluggarna till en uppvärmd byggnad, placera dem i hinkar och låt isen smälta av i rumstemperatur.
- Mät volymen av smältvatten med en graderad cylinder.
- Beräkna istjocklek baserat på isens vattenvolym och densitet31.
7. Säkerhetshänsyn
- Stanna långt utanför isen behandlingsområdet under sprutning eftersom isbelastningar kan orsaka grenar och lemmar att bryta och falla.
- Använd hårda hattar eller hjälmar för att ge skydd medan isen appliceras och under provtagning som sker i det behandlade området efter appliceringen.
- Använd en bildskärm för att stabilisera slangen under sprutning.
- Klä dig på lämpligt sätt för farliga förhållanden och subfrysningsväder. Använd ljusa, synliga kläder. Var beredd på att tillbringa långa perioder i våta, kalla förhållanden genom att bära regnkläder och lager av varma kläder. Ta med flera klädbyten, särskilt för personal som är avsedda att spraya.
- Om du arbetar på en avlägsen plats, inrätta en tillfällig uppvärmning tält utrustad med en bärbar värmare.
- Låt personalen ha tillräckligt med tid för raster, byta av våta kläder och ta itu med problem som uppstår med utrustning, etc.
- Använd radioapparater för att kommunicera mellan personal under experimentet. Håll kontakt med personal vid en basstation.
- Utveckla en säkerhetsplan i händelse av medicinska nödsituationer. Ha medicinsk personal (t.ex. akutsjukvårdare) och nödutrustning och förnödenheter på plats under experimentet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En isstorm simulering utfördes i en 70\u2012100 år gammal norra lövskog vid Hubbard Brook Experimental Forest i centrala New Hampshire (43 ° 56 ′N, 71 ° 45 ′ W). Stativhöjden är ca 20 m och de dominerande trädarterna i isapplikationens område är amerikansk bok (Fagus grandifolia), sockerlönn (Acer saccharum), röd lönn (Acer rubrum) och gul björk (Betula alleghaniensis). Tio 20 m x 30 m tomter etablerades och slumpmässigt tilldelas en behandling. Det mesta av provtagningen skedde inom ett 10 m x 20 m innerområde för att möjliggöra en buffert på 5 m. Den inre tomten var uppdelad i åtta 5 m x 5 m subplots avsedda för olika typer av provtagning. Det fanns två replikattomter för var och en av fem behandlingar, som bestod av en kontroll (ingen is) och tre målnivåer av radiell isasampretion: låg (6,4 mm), mitten (12,7 mm) och hög (19,0 mm). Två av de mid-level behandling tomter (midx2) var iskskridskor i back-to-back år för att utvärdera effekterna av på varandra följande stormar. Besprutningen skedde under vintrarna 2016 (18 januari 27\u201228 och 11 februari) och 2017 (14 januari). Vatten pumpades från huvudgrenen av Hubbard Brook, som var täckt av is och hade strömtemperaturer nära frysning. Ytlufttemperaturerna vid tidpunkten för användningsområdena varierade från -13 till -4 °C och vindhastigheten var mindre än 2 m/s.
Isahopning mättes på passiva issamlare (fyra per tomt) med både metoderna för ok och vattenvolym enligt beskrivningen ovan (protokollavsnitt 6; Bild 1). Den genomsnittliga istjockleken var mindre än målvärdena i mellan- och högisbehandlingarna (4,3 mm respektive 5,8 mm mindre). Istjockleken i de låga, midx2 y1 och midx2 y2 behandlingarna låg inom 2 mm från målvärdena (tabell 1). Trots vissa skillnader från målvärden, behandlingar som en rad radiell istjocklek (0\u201216.4 mm) för att bedöma ekosystemeffekter. Detta intervall var jämförbart med 0\u201214,4 mm radiell is som registrerats vid Hubbard Brook Experimental Forest efter isstormen 199832. Genomsnittlig isahopning på enskilda samlare indikerade ett starkt positivt samband mellan mätmetoder för bromsok och vattenvolym (R2 = 0,95; p < 0,01; Bild 2). Mätningarna med vattenvolymmetoden överskred mätningarna med bromsmetoden när det fanns mer än ca 8 mm is (figur 2). Denna skillnad beror på närvaron av istappar, som bildas när is ackumuleras, och fångas mer effektivt med vattenvolymmetoden. När isahopningen var mindre än 8 mm var mätningarna från vattenvolymmetoden något mindre än mätningarna från bromsmetoden, vilket tillskrivs istätheten. Vi beräknade istjockleken med vattenvolymmetoden med hjälp av glasyrisens densitet (0,92 g/cm3). Isen i behandlingen hade dock luftbubblor och hade sannolikt en densitet som var mindre än detta teoretiska värde.
Totala spraytider (timmar/slang) i genomsnitt 2 h 20 min för låg, 4 h 50 min för mitten, och 8 h för hög is behandlingar. Den faktiska tiden som spenderades sprutning på fältet var ungefär hälften av dessa totala gånger, eftersom två slangar användes samtidigt för sprutning varje tomt. Det fanns ett signifikant positivt samband mellan spraytid och isahopning mätt med vattenvolymmetoden (R2 = 0,46 ; p = 0,03; Figur 3a) och bromsmetoden (R2 = 0,56; p = 0,01). Den genomsnittliga isahopningshastigheten varierade mellan 1,4 och 4,2 mm/h över tomter. Det fanns ett marginellt signifikant omvänt samband mellan lufttemperatur och isahopning mätt med vattenvolymmetoden (R2 = 0,40; p = 0,05; Bild 3b) och inget signifikant samband med bromsmetoden (R2 = 0,15; p = 0,27).
Under somrarna före (2015) gjordes snabba bedömningar av baldakintäcket (2015) och efter att is tillämpats (2016). Uppgifterna samlades inte in under det andra året efter behandlingen (2017); därför utvärderades midx2-behandlingen först efter att den först hade sprutats. Ett okulärrör användes för att registrera närvaron eller frånvaron av kapellskydd direkt ovanför transects i tomterna33. Även om denna metod är effektiv vid uppskattning av baldakintäcke, kräver det intensiv provtagning, vilket kan vara tidskrävande och kostsamt. Markbaserade mätningar med ett större synområde, såsom kapelldensiometer34,ger ett mått på baldakinförslutning och kräver mindre provtagning och har lägre variationer på stand-level35,36. Var dock noga med att se till att utsiktsvinkeln inte fångar upp vegetationen utanför det behandlade området.
Canopy täcka data analyserades med hjälp av en generaliserad linjär blandad modell med en binomial distribution. Isbehandling inkluderades som en fast effekt och tomt som en slumpmässig effekt. Resultaten visade inga signifikanta skillnader mellan de 10 områden i förbehandlingsundersökningar (figur 4A), medan undersökningar efter behandling tyder på betydande minskningar av baldakintäcket i mitten, mitten, mitten avx2 och höga isbehandlingar i förhållande till kontrollen (figur 4B). Dessa allmänna nedgångar i trädkronorna med ökande isanhopningsstöd är ett resultat av en mer rigorös analys av Fahey m.fl.37 som visade på betydande strukturella förändringar i skogsbalkan som stod i proportion till den mängd is som tillämpades.
Effekterna av de simulerade isstormarna på ytjordtemperaturerna utvärderades under provtagningen i augusti 2017 (dvs. två växtsäsonger efter att alla tomter hade iskallt en gång, och växtsäsongen efter midx2-tomterna hade iskallt två gånger). Mätningarna gjordes på eftermiddagen mellan 12:30 och 14:00. Marktemperaturer mättes manuellt med Oakton jordtemperatursonder (0,5 °C noggrannhet) som sattes in i marken vid 2 cm och 5 cm djup. Mätningar gjordes på ett 2,5 m rutnät samtidigt i en behandling tomt och parade kontroll tomt. Inga mätningar gjordes i de låga behandlingsområdena eftersom de visade minimala effekter av is på vegetationen. Resultaten av marktemperaturen visade att marken i de behandlade tomterna var betydligt varmare än kontrollområdena vid båda djupen (2 cm och 5 cm) för alla tre utvärderade nivåer (mitten, mitten avx2, hög; Bild 5A,B). Temperaturerna var något varmare i den grundare jorden jämfört med djupare jord, och effekterna av behandlingen var större. De behandlade tomterna var 0,4–1,5 °C varmare än kontrollerna för 2 cm djup och 0,2 till 0,5 °C varmare för 5 cm djup. Behandlingarna öppnade tydligt skogsbalken, vilket fick mer ljus att nå skogsgolvet, vilket resulterade i högre marktemperaturer.
Figur 1: Passiv issamlare för mätning av radiell isasahopning. (A)Utsikt över issamlaren i skogsbalkan innan isen ansökan. (B)Göra bromsmått av isanhopning på uppsamlingarna efter att ha sänkt dem från baldakinen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Jämförelse av två metoder för mätning av radiell isasadretion. Bromsmetoden innebär mätningar av is på pluggar. Vattenvolymmetoden innebär att mäta volymen av smältvatten från pluggarna och beräkna radiell istjocklek med hjälp av en förmodad istäthet. Tre målisanhopningsnivåer visas (låg = 6,4 mm, mitten = 12,7 mm, hög = 19 mm) och den streckade linjen är 1:1-linjen. Varje punkt representerar en passiv issamlare och är medelvärdet av sex mätningar på var och en av sex komponentarmar (dvs. 36 mätningar per samlare). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Ishyckningsgrad. (A)Förhållandet mellan spraytid och total isahopning. b)Förhållandet mellan medelluftstemperaturen under appliceringen och isanhopningshastigheten. Tre målisanhopningsnivåer visas (låg = 6,4 mm, mitten = 12,7 mm, hög = 19 mm). Isanhopningsvärden som visades bestämdes med vattenvolymmetoden. Varje punkt representerar en tomt, med olika poäng för varje år av midx2 behandling. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Kapellskydd som uppskattas med okulärrör. (A) Förbehandling baldakin täcka för de olika is behandlingar. B)Canopy täcka värden som erhållits under den första växtsäsongen efter is tillämpades. Data analyserades med hjälp av en generaliserad linjär blandad modell med en binomial distribution. Felstaplarna anger konfidensintervallet på 95 % och gemener representerar signifikanta skillnader vid α = 0,05. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Isbehandlingseffekter på marktemperaturen. (A)Jordtemperatur mätt på 2 cm djup. (B)Jordtemperatur mätt på 5 cm djup. Data analyserades med hjälp av en allmän linjär modell. Felstaplarna indikerar konfidensintervallet på 95 % och asterisker indikerar signifikanta skillnader mellan kontroll och behandling vid α = 0,05. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Metod | Låg | Mitten | Mitten av x 2 y1 | Mitten av x 2 y2 | Hög |
| Mål | 6.4 | 12.7 | 12.7 | 12.7 | 19.1 |
| Vattenvolym | 5.7 (0.2)c | 8.5 (1.3)f.Kr. | 14,6 (2,2)a | 13,2 (0,1)ab | 16,4 (1,1)a |
| Bromsok | 6.3 (0.3)c | 8.4 (1.1)f.Kr. | 11,0 (1,6)ab | 11,3 (0,2)ab | 13.3 (1.2)a |
Tabell 1: Målisahopionsvärden jämfört med faktiska värden som mäts på passiva uppsamlare med både vattenvolym och bromsmetoder. Enheterna är millimeter och standardfelet anges inom parentes. Upphöjda bokstäver indikerar signifikanta skillnader mellan behandlingar som bestäms med en generaliserad linjär blandad modell.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det är viktigt att utföra experimentella simuleringar av isstormar under lämpliga väderförhållanden för att säkerställa deras framgång. I en tidigare studie30fann vi att de optimala förutsättningarna för sprutning är när lufttemperaturen är under -4 °C och vindhastigheterna är mindre än 5 m/s. Naturliga isstormar oftast inträffar när lufttemperaturen är något mindre än frysning (-1 till 0 °C), och även om de idealiska temperaturerna för isstormsimuleringar är kallare, ligger de fortfarande inom temperaturområdet för observerade underkylt regn -15 till 0 °C16. Eftersom ihållande minusgrader krävs, är denna experimentella metod begränsad till mer nordliga platser, och kan vara utmanande att utföra även på relativt kalla platser som Hubbard Brook Experimental Forest, där den genomsnittliga månatliga låga lufttemperaturen är -9 °C i januari, men regelbundet fluktuerar över fryspunkten. Sprutning på natten kan vara fördelaktigt eftersom det är när lufttemperaturen är vanligtvis kallaste, och effekterna av solstrålning är försumbara.
Det finns flera utmaningar med isstormsimuleringsexperiment. I skogar med höga skärmtak kan det vara svårt att spruta trädtopparna. Många faktorer påverkar sprayens höjd, inklusive pumphastigheten och avståndet mellan vattenkällan och applikationsområdet. Eftersom beräkningar av sprayhöjd är komplexa och specifika för den plats och utrustning som används, är det bra att genomföra spruttester före experimentet så att lämpliga justeringar kan göras. En annan utmaning är att avgöra när man ska sluta spruta eftersom mätningar av istjocklek är svåra att få tag på under simuleringen. Passiva issamlare kan användas för detta ändamål men kräver robusta grenar inom tomterna för stöd. Flera av de samlare vi installerade skadades eller föll under experimentet. Av säkerhetsskäl placerade vi uppsamlarna nära kanten av tomterna för att undvika att behöva komma in i försöksområdet, vilket kan ha bidragit till underskattning av isanhopning i vissa områden (tabell 1). Det kan vara tidskrävande och svårt att sänka uppsamlare och göra mätningar under ansökan. Markbaserade mätningar kan bidra i detta avseende, men kanske inte bäst representerar isanhopning i övre baldakinen. Istätheten i isstormsimuleringen var något mindre än isen som bildas under en naturlig isstorm. Denna skillnad stöddes av ismätningar på samlare och var visuellt uppenbar, eftersom isen var mer ogenomskinlig än glasyr isen som bildas i naturliga stormar. Trots dessa skillnader i istäthet, resulterade den simulerade isstormen i en störning som var diffus och orsakade träd och lemmar att böja och bryta, ungefär som en naturlig isstorm. Således speglar denna metod närmare isstorm effekter jämfört med andra potentiella metoder, såsom skytte, girdling, beskärning eller dra ner träd.
Även om tomterna var relativt stora för ett manipulativt experiment (20 m x 30 m), skulle en ökning av tomternas storlek minska påverkan av opåverkade träd utanför tomterna. Även med en buffert, höga träd som omger tomterna kan potentiellt påverka svar som nedskräpning, ljus tillgänglighet och marktemperatur. Dessutom innehöll tomterna utan tvekan rötter från utanför gränsen som kunde ha ändrat underjordsprocesser. Mikrobiell biomassa och aktivitet, jordkväve, kvävemineralisering och nitrifikation, och förluster av lösen i markvatten visade alla inga betydande effekter från istillämpningar38 trots större störningar ovan jord37. Bristen på svar under jord var oväntad, särskilt för nitratlakning, som visade sig vara känslig för isstormstörningar efter den naturliga isstorm som drabbade Hubbard Brook 1998. Stora förluster av nitrat i jordlösning observerades efter stormen och tillskrevs minskat upptag på grund av skadade trädkronor39. Bristen på kväverespons i isstormsimuleringen kan bero på rotupptag från friska träd utanför tomterna. Skadorna och luckorna i baldakinen var dock tillräckligt stora för att vissa reaktioner skulle kunna förväntas. En mer sannolik förklaring till bristen på svar under jord är de långsiktiga nedgångar i tillgängligt kväve som har observerats på platsen, vilket resulterar i en övergripande åtdragning av kvävecykeln, med minimal nitraturlakning38,40.
Isstormsimuleringsmetoden har visat sig vara framgångsrik i den norra lövskogen vid Hubbard Brook Experimental Forest och har bidragit till att kvantifiera ekosystemsvar och identifiera kritiska trösklar37,38. I framtida studier skulle det vara lämpligt att tillämpa detta tillvägagångssätt i andra skogstyper och under olika förhållanden. Vindens inverkan på istyngda träd kan till exempel förstärka effekterna och har ännu inte utvärderats i ett kontrollerat experiment. Dessutom ger denna metod ett idealiskt tillfälle att kvantifiera effekter från sammansatta stressfaktorer som är vanliga i skogens ekosystem (t.ex. insektsutbrott, patogener, torka, föroreningar, frysning av jord). Att tillämpa denna metod i en multifaktoriell utformning skulle möjliggöra en statistiskt rigorös metod för att utvärdera interaktiva effekter som inte skulle uppstå enbart genom att bedöma effekterna av isstormar och mer liknar naturligt förekommande förhållanden. Även om vi bara har bedömt svaren under de första åren efter ansökningarna, kommer det att vara bra att spåra skogsnedgång eller återhämtning på lång sikt. Även om fokus för våra isstormsimuleringar främst har legat på skogens ekosystem, skulle metoden kunna tillämpas på andra sätt, till exempel för att utvärdera isbelastningarnas påverkan på elledningar och annan infrastruktur. Trots vissa begränsningar är tillvägagångssättet mycket effektivt när det gäller att simulera naturliga isstormar och är en förbättring jämfört med alternativa metoder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja. Hänvisning häri till specifika kommersiella produkter, processer eller tjänster efter handelsnamn, varumärke, tillverkare eller på annat sätt, inte nödvändigtvis utgör eller innebär dess godkännande, rekommendation eller gynna av USA: s regering. De åsikter och åsikter av författare som uttrycks häri inte nödvändigtvis ange eller återspegla de amerikanska regeringen, och får inte användas för reklam eller produkt påskrift.
Acknowledgments
Finansiering för denna forskning tillhandahölls av National Science Foundation (DEB-1457675). Vi tackar de många deltagarna i Ice Storm Experiment (ISE) som hjälpte till med isansökan och tillhörande fält- och laboratoriearbete, särskilt Geoff Schwaner, Gabe Winant och Brendan Leonardi. Detta manuskript är ett bidrag från Hubbard Brook Ecosystem Study. Hubbard Brook är en del av nätverket Long-Term Ecological Research (LTER), som stöds av National Science Foundation (DEB-1633026). Hubbard Brook Experimental Forest drivs och underhålls av USDA Forest Service, Northern Research Station, Madison, WI. Video och bilder är av Jim Surette och Joe Klementovich, artighet av Hubbard Brook Research Foundation.
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).
