模拟冰风暴对森林生态系统的影响

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。