Моделирование воздействия ледяных бурь на лесные экосистемы

Ледяные бури являются важным природным нарушением, которое может оказывать как краткосрочное, так и долгосрочное воздействие на окружающую среду и общество. Интенсивные ледяные бури являются проблематичными, потому что они повреждают деревья и сельскохозяйственные культуры, нарушают коммунальные услуги, и ухудшают дороги и другую инфраструктуру^1,2. Опасные условия, которые создают ледяные бури, могут привести к несчастным случаям, приводящим к травмам и смертельным исходам^2. Ледяные бури являются дорогостоящими; финансовые потери в среднем $ 313 млн в год в Соединенных Штатах (США)³, с некоторыми отдельными штормами превышает $ 1 млрд⁴. В лесных экосистемах ледяные бури могут иметь негативные последствия, включая снижение роста и смертности деревьев^5,,6,,7,повышенный риск пожара, а также распространение вредителей и патогенных микроорганизмов^8,,9,,10. Они также могут оказать положительное влияние на леса, такие как повышенный рост сохранившихся деревьев⁵ и увеличение биоразнообразия^11. Улучшение нашей способности прогнозировать последствия ледяных бурь позволит нам лучше подготовиться к этим событиям и реагировать на них.

Ледяные бури возникают, когда слой влажного воздуха, то есть выше нуля, перекрывает слой субморозного воздуха ближе к земле. Дождь, падающий с теплого слоя воздушных суперкулов, как он проходит через холодный слой, образуя глазурь льда при отложении на субзамораживают поверхности. В США это термическое расслоение может быть результатом синоптических погодных условий, характерных для конкретных регионов^12,,13. Замораживание дождь чаще всего вызвано арктических фронтов, которые движутся на юго-восток по всей территории США впереди сильных антициклонов¹³. В некоторых регионах, топография способствует атмосферных условий, необходимых для ледяных бурь через холодный воздух damming, метеорологическое явление, которое происходит, когда теплый воздух от входящего шторма перекрывает холодный воздух, который становится укоренившейся рядом с горным хребтом^14,15.

В США, ледяные бури являются наиболее распространенными в “ледяной пояс”, который простирается от штата Мэн до западного Техаса^16,17. Ледяные бури также происходят в относительно небольшом регионе Тихоокеанского Северо-Запада, особенно вокруг бассейна реки Колумбия в Вашингтоне и Орегоне. Большая часть США испытывает по крайней мере некоторые замораживания дождь, с наибольшим количеством на северо-востоке, где большинство ледниковых районах имеют медиану семь или более замораживания дней дождя (дней, в течение которых по крайней мере один почасовой наблюдения замораживания дождь произошло) ежегодно¹⁶. Многие из этих штормов являются относительно незначительными, хотя более интенсивные ледяные бури происходят, хотя и с гораздо более длительными интервалами рецидивов. Например, в Новой Англии диапазон толщины радиального льда составляет от 19 до 32 мм для штормов с 50-летним интервалом рецидива^18. Эмпирические данные свидетельствуют о том, что ледяные бури становятся все более частыми в северных широтах и реже на юге^19,20,21. Эта тенденция, как ожидается, будет продолжаться на основе компьютерного моделирования с использованием будущих прогнозов изменения климата^22,23. Однако отсутствие данных и физическое понимание затрудняют выявление и прогнозирование тенденций ледяных бурь, чем другие виды экстремальных явлений^24.

Поскольку крупные ледяные бури являются относительно редкими, они являются сложными для изучения. Трудно предсказать, когда и где они будут происходить, и это, как правило, непрактично “погони” бури в исследовательских целях. Следовательно, большинство исследований ледяного шторма были незапланированными пост-специальными оценками, происходящими после крупных штормов. Этот исследовательский подход не является идеальным из-за невозможности сбора исходных данных перед бурей. Кроме того, может быть трудно найти не затронутые районы для сравнения с поврежденными районами, когда ледяные бури покрывают большую географическую степень. Вместо того, чтобы ждать возникновения природных бурь, экспериментальные подходы могут иметь преимущества, поскольку они позволяют осуществлять тесную контроль над временем и интенсивностью обледенения событий и позволяют надлежащим образом оценивать последствия.

Экспериментальные подходы также создают проблемы, особенно в лесных экосистемах. Высота и ширина деревьев и навеса затрудняет их экспериментальное манипулирование, по сравнению с низовыми угодьями более низкого роста или кустарниками. Кроме того, возмущение от ледяных бурь является диффузным, как вертикально через лесной навес и по всему ландшафту, который трудно имитировать. Мы знаем только об одном исследовании, которое пыталось имитировать воздействие ледяной бури в лесной экосистеме^25. В этом случае, винтовка была использована для удаления до 52% короны в loblolly сосновый стенд в Оклахоме. Хотя этот метод дал результаты, которые характерны для ледяных бурь, он не эффективен при удалении больших ветвей и не вызывает деревья, чтобы наклониться, что является общим с природными ледяными бурями. Хотя никакие другие экспериментальные методы не использовались для изучения ледяных бурь конкретно, есть некоторые параллели между нашим подходом и другими видами манипуляций с лесными беспорядками. Например, динамика разрыва были изучены путем вырубки отдельных деревьев²⁶, лесных вредителей нашествия опоясывания деревьев²⁷, и ураганы путем обрезки²⁸ или сноса целых деревьев с лебедкой и кабель²⁹. Из этих подходов обрезка наиболее точно имитирует воздействие ледяной бури, но является трудоемким и дорогостоящим. Другие подходы вызывают смертность целых деревьев, а не частичные поломки конечностей и ветвей, что характерно для естественных ледяных бурь.

Протокол, описанный в настоящем документе, полезен для тесного имитации природных ледяных бурь и включает в себя распыление воды над лесным навесом во время субзамораживания условий для имитации событий глазури льда. Метод дает преимущества по сравнению с другими средствами, поскольку ущерб может быть равномерно распределен по лесам на большой площади с меньшими усилиями, чем обрезка или вырубка целых деревьев. Кроме того, количество напрыскиваются через объем применяемой воды и путем выбора времени для распыления, когда погодные условия благоприятствуют оптимальному образованию льда. Этот новый и относительно недорогой экспериментальный подход позволяет контролировать интенсивность и частоту обледенения, что имеет важное значение для определения критических экологических пороговых значений в лесных экосистемах.