Simuler les impacts des tempêtes de verglas sur les écosystèmes forestiers

Les tempêtes de verglas sont une perturbation naturelle importante qui peut avoir des répercussions à court et à long terme sur l’environnement et la société. Les tempêtes de verglas intenses sont problématiques parce qu’elles endommagent les arbres et les cultures, perturbent les services publics et nuisent aux routes et à d’autres infrastructures^1,2. Les conditions dangereuses que créent les tempêtes de verglas peuvent causer des accidents entraînant des blessures et des décès². Les tempêtes de verglas sont coûteuses; les pertes financières moyennes de 313 millions de dollars par an aux États-Unis (US)³, avec quelques tempêtes individuelles dépassant 1 milliard de dollars⁴. Dans les écosystèmes forestiers, les tempêtes de verglas peuvent avoir des conséquences négatives, notamment une réduction de la croissance et de la mortalité des arbres^5,,6,7, un risque accru d’incendie et la prolifération des ravageurs et des agents pathogènes^8,9,10. Ils peuvent également avoir des effets positifs sur les forêts, tels que la croissance accrue des arbres survivants⁵ et l’augmentation de la biodiversité¹¹. L’amélioration de notre capacité de prévoir les impacts des tempêtes de verglas nous permettra de mieux nous préparer à ces événements et d’y réagir.

Les tempêtes de verglas se produisent lorsqu’une couche d’air humide, qui est au-dessus du point de congélation, remplace une couche d’air sous-gelé plus près du sol. La pluie tombant de la couche plus chaude d’air supercools comme il passe à travers la couche froide, formant de la glace de glaçure lorsqu’il est déposé sur les surfaces de congélation. Aux États-Unis, cette stratification thermique peut résulter de conditions météorologiques synoptiques caractéristiques de régions spécifiques^12,13. La pluie verglaçante est le plus souvent causée par les fronts arctiques qui se déplacent vers le sud-est à travers les États-Unis devant les anticyclones^{forts 13}. Dans certaines régions, la topographie contribue aux conditions atmosphériques nécessaires aux tempêtes de verglas par le barrage d’air froid, un phénomène météorologique qui se produit lorsque l’air chaud d’une tempête entrante l’emporte sur l’air froid qui s’enracine le long d’une chaîne de montagnes^14,15.

Aux États-Unis, les tempêtes de verglas sont les plus fréquentes dans la « ceinture de glace » qui s’étend du Maine à l’ouest du Texas^16,17. Des tempêtes de verglas se produisent également dans une région relativement petite du Nord-Ouest du Pacifique, en particulier autour du bassin du fleuve Columbia, dans l’État de Washington et en Oregon. Une grande partie des États-Unis connaît au moins une certaine pluie verglaçante, avec les plus grandes quantités dans le Nord-Est où les zones les plus sujettes aux glaces ont une médiane de sept jours de pluie verglaçante ou plus (jours au cours desquels au moins une observation horaire de la pluie verglaçante s’est produite) chaque année¹⁶. Bon nombre de ces tempêtes sont relativement mineures, bien que des tempêtes de verglas plus intenses se produisent, bien qu’avec des intervalles de récurrence beaucoup plus longs. Par exemple, en Nouvelle-Angleterre, l’aire de répartition de l’épaisseur de la glace radiale est de 19 à 32 mm pour les tempêtes dont l’intervalle de récurrence de 50 ans^{est de 18}. Les données empiriques indiquent que les tempêtes de verglas sont de plus en plus fréquentes aux latitudes nordiques et moins fréquentes au sud^19,20,21. Cette tendance devrait se poursuivre sur la base de simulations informatiques utilisant les futures projections sur le changement climatique^22,23. Toutefois, le manque de données et de compréhension physique rendent plus difficile la détection et la projection des tendances des tempêtes de verglas que d’autres types d’événements extrêmes²⁴.

Comme les tempêtes de verglas majeures sont relativement rares, elles sont difficiles à étudier. Il est difficile de prédire quand et où elles se produiront, et il est généralement peu pratique de « chasser » les tempêtes à des fins de recherche. Par conséquent, la plupart des études sur les tempêtes de verglas ont été des évaluations post hoc non planifiées à la suite de tempêtes majeures. Cette approche de recherche n’est pas idéale en raison de l’incapacité de recueillir des données de base avant une tempête. De plus, il peut être difficile de trouver des zones non affectées pour la comparaison avec les zones endommagées lorsque les tempêtes de verglas couvrent une grande étendue géographique. Plutôt que d’attendre que des tempêtes naturelles se produisent, les approches expérimentales peuvent offrir des avantages parce qu’elles permettent un contrôle étroit sur le moment et l’intensité des événements givrage et permettent des conditions de référence appropriées pour évaluer clairement les effets.

Les approches expérimentales posent également des défis, en particulier dans les écosystèmes forestiers. La hauteur et la largeur des arbres et de la canopée les rend difficiles à manipuler expérimentalement, par rapport aux prairies ou arbustes de taille inférieure. De plus, les perturbations causées par les tempêtes de verglas sont diffuses, à la fois verticalement à travers la canopée de la forêt et à travers le paysage, ce qui est difficile à simuler. Nous ne connaissons qu’une seule autre étude qui a tenté de simuler les impacts des tempêtes de verglas dans un écosystème forestier²⁵. Dans ce cas, un fusil a été utilisé pour enlever jusqu’à 52% de la couronne dans un stand de pin loblolly en Oklahoma. Bien que cette méthode ait produit des résultats caractéristiques des tempêtes de verglas, elle n’est pas efficace pour enlever les grandes branches et ne fait pas plier les arbres, ce qui est commun avec les tempêtes de verglas naturelles. Bien qu’aucune autre méthode expérimentale n’ait été utilisée pour étudier spécifiquement les tempêtes de verglas, il existe des parallèles entre notre approche et d’autres types de manipulations des perturbations forestières. Par exemple, la dynamique des écarts a été étudiée par l’abattage d’arbres individuels^26,les invasions de ravageurs forestiers par les arbres^{girling 27}, et les ouragans par l’élagage²⁸ ou en tirant vers le bas des arbres entiers avec un treuil et câble²⁹. Parmi ces approches, l’élagage imite le plus étroitement les impacts des tempêtes de verglas, mais est exigeant en main-d’œuvre et coûteux. Les autres approches causent la mortalité des arbres entiers, plutôt que la rupture partielle des membres et des branches qui est typique des tempêtes de glace naturelles.

Le protocole décrit dans cet article est utile pour imiter étroitement les tempêtes de glace naturelles et consiste à pulvériser de l’eau sur la canopée de la forêt dans des conditions de sous-congélation pour simuler des événements de glace de glaçure. La méthode offre des avantages par rapport à d’autres moyens parce que les dommages peuvent être répartis relativement uniformément dans les forêts sur une grande surface avec moins d’effort que l’élagage ou l’écrasement d’arbres entiers. De plus, la quantité d’accumulation de glace peut être régulée par le volume d’eau appliqué et en choisissant un temps de pulvérisation lorsque les conditions météorologiques sont propices à une formation optimale de glace. Cette approche expérimentale nouvelle et relativement peu coûteuse permet de contrôler l’intensité et la fréquence du givrage, ce qui est essentiel pour identifier les seuils écologiques critiques dans les écosystèmes forestiers.