Het simuleren van effecten van ijsstormen op bosecosystemen

IJsstormen zijn een belangrijke natuurlijke verstoring die zowel op korte als op lange termijn gevolgen kan hebben voor het milieu en de samenleving. Intense ijsstormen zijn problematisch omdat ze bomen en gewassen beschadigen, nutsvoorzieningen verstoren en wegen en andere infrastructuur aantasten^1,2. De gevaarlijke omstandigheden die ijsstormen veroorzaken kunnen ongelukken veroorzaken met verwondingen en dodelijke slachtoffers². IJsstormen zijn kostbaar; financiële verliezen gemiddeld $ 313 miljoen per jaar in de Verenigde Staten (VS)³, met een aantal individuele stormen van meer dan $ 1 miljard⁴. In bosecosystemen kunnen ijsstormen negatieve gevolgen hebben, waaronder verminderde groei en boomsterfte^5,6,7, verhoogd risico op brand en verspreiding van plagen en ziekteverwekkers^8,9,10. Ze kunnen ook positieve effecten hebben op bossen, zoals een grotere groei van overlevende bomen⁵ en een verhoogde biodiversiteit¹¹. Het verbeteren van ons vermogen om effecten van ijsstormen te voorspellen zal ons in staat stellen ons beter voor te bereiden op en te reageren op deze gebeurtenissen.

IJsstormen ontstaan wanneer een laag vochtige lucht, die boven het vriespunt ligt, een laag subvriezende lucht dichter bij de grond overschrijft. Regen die uit de warmere laag luchtkoelers valt als het door de koude laag gaat en glazuurijs vormt wanneer het op ondervriezende oppervlakken wordt afgezet. In de VS kan deze thermische gelaagdheid het gevolg zijn van synoptische weerpatronen die kenmerkend zijn voor specifieke regio’s^12,13. Ijzel wordt meestal veroorzaakt door arctische fronten die naar het zuidoosten bewegen over de VS voor sterke anticyclones¹³. In sommige regio’s draagt topografie bij aan de atmosferische omstandigheden die nodig zijn voor ijsstormen door koude luchtdamming, een meteorologisch fenomeen dat optreedt wanneer warme lucht van een binnenkomende storm koude lucht overstrijft die zich verschanst naast een bergketen^14,15.

In de VS, ijs stormen komen het meest voor in de “ijsgordel” die zich uitstrekt van Maine tot het westen van Texas^16,17. IJsstormen komen ook voor in een relatief klein gebied van de Pacific Northwest, vooral rond het Columbia River Basin van Washington en Oregon. Een groot deel van de VS ervaart ten minste enige ijzel, met de grootste hoeveelheden in het noordoosten waar de meest ijsgevoelige gebieden hebben een mediaan van zeven of meer ijzel dagen (dagen waarin ten minste een uur observatie van ijzel opgetreden) jaarlijks¹⁶. Veel van deze stormen zijn relatief gering, hoewel meer intense ijsstormen optreden, zij het met veel langere herhalingsintervallen. Bijvoorbeeld, in New England, het bereik in radiale ijsdikte is 19 tot 32 mm voor stormen met een 50-jaar herhaling interval¹⁸. Empirisch bewijs wijst erop dat ijsstormen steeds vaker voorkomen op noordelijke breedtegraden en minder frequent in het zuiden^{van 19,20,21}. Deze trend zal naar verwachting worden voortgezet op basis van computersimulaties met behulp van toekomstige projecties voor klimaatverandering^22,23. Echter, het gebrek aan gegevens en fysiek begrip maken het moeilijker om trends in ijsstormen dan andere soorten extreme gebeurtenissen op te sporen en te projecteren²⁴.

Aangezien grote ijsstormen relatief zeldzaam zijn, zijn ze een uitdaging om te bestuderen. Het is moeilijk te voorspellen wanneer en waar ze zullen optreden, en het is over het algemeen onpraktisch om “chase” stormen voor onderzoeksdoeleinden. Bijgevolg zijn de meeste ice storm studies zijn ongeplande post hoc beoordelingen die zich voordoen in de nasleep van grote stormen. Deze onderzoeksaanpak is niet ideaal vanwege het onvermogen om basisgegevens te verzamelen voor een storm. Bovendien kan het moeilijk zijn om onaangetaste gebieden te vinden voor vergelijking met beschadigde gebieden wanneer ijsstormen een grote geografische omvang bestrijken. In plaats van te wachten op natuurlijke stormen, experimentele benaderingen kunnen voordelen bieden, omdat ze een nauwe controle over de timing en intensiteit van ijsvorming gebeurtenissen mogelijk te maken en zorgen voor passende referentie-voorwaarden om duidelijk te evalueren effecten.

Experimentele benaderingen stellen ook uitdagingen voor, vooral in beboste ecosystemen. De hoogte en breedte van bomen en de luifel maakt ze moeilijk om experimenteel te manipuleren, in vergelijking met lagere gestalte graslanden of struikgewas. Bovendien is verstoring van ijsstormen diffuus, zowel verticaal door de boskap als over het landschap, wat moeilijk te simuleren is. We weten van slechts een andere studie die probeerde te simuleren ijs storm effecten in een bos ecosysteem²⁵. In dit geval werd een geweer gebruikt om tot 52% van de kroon te verwijderen in een loblolly pine stand in Oklahoma. Hoewel deze methode resultaten heeft opgeleverd die kenmerkend zijn voor ijsstormen, is het niet effectief in het verwijderen van grotere takken en veroorzaakt het niet dat de bomen voorover buigen, wat gebruikelijk is bij natuurijsstormen. Hoewel er geen andere experimentele methoden zijn gebruikt om ijsstormen specifiek te bestuderen, zijn er enkele parallellen tussen onze aanpak en andere soorten bosverstoringsmanipulaties. Zo is de gapdynamiek bestudeerd door het kappen van individuele bomen²⁶, bosplagen invasies door bomen²⁷omgord , en orkanen door²⁸ te snoeien of hele bomen met een lier en kabel²⁹naar beneden te trekken . Van deze benaderingen, snoeien het meest imiteert ijs storm effecten, maar is arbeidsintensief en kostbaar. De andere benaderingen veroorzaken sterfte van hele bomen, in plaats van de gedeeltelijke breuk van ledematen en takken die typisch is voor natuurijs stormen.

Het protocol beschreven in dit document is nuttig voor het nauw nabootsen van natuurijs stormen en omvat het spuiten van water over het bos luifel tijdens sub-bevriezing voorwaarden om glazuur ijs gebeurtenissen te simuleren. De methode biedt voordelen ten opzichte van andere middelen, omdat de schade relatief gelijkmatig kan worden verdeeld over bossen over een groot gebied met minder inspanning dan het snoeien of kappen van hele bomen. Bovendien kan de hoeveelheid ijs accretie worden geregeld door het volume van het toegepaste water en door een tijd te selecteren om te spuiten wanneer de weersomstandigheden bevorderlijk zijn voor een optimale ijsvorming. Deze nieuwe en relatief goedkope experimentele aanpak maakt controle over de intensiteit en frequentie van ijsvorming mogelijk, wat essentieel is voor het identificeren van kritieke ecologische drempels in bosecosystemen.