Simulation der Auswirkungen von Eisstürmen auf Waldökosysteme

Zusammenfassung

Eisstürme sind wichtige Wetterereignisse, die aufgrund von Schwierigkeiten bei der Vorhersage ihres Auftretens schwierig zu studieren sind. Hier beschreiben wir eine neuartige Methode zur Simulation von Eisstürmen, bei der Wasser unter Gefrierpunkt über ein Walddach gesprüht wird.

Zusammenfassung

Eisstürme können tiefgreifende und dauerhafte Auswirkungen auf die Struktur und Funktion von Waldökosystemen in Regionen haben, in denen es zu Frostbedingungen kommt. Aktuelle Modelle deuten darauf hin, dass die Häufigkeit und Intensität von Eisstürmen in den kommenden Jahrzehnten als Reaktion auf Klimaveränderungen zunehmen könnte, was das Interesse am Verständnis ihrer Auswirkungen erhöhen könnte. Aufgrund der stochastischen Natur von Eisstürmen und der Schwierigkeiten bei der Vorhersage, wann und wo sie auftreten werden, basieren die meisten bisherigen Untersuchungen über die ökologischen Auswirkungen von Eisstürmen auf Fallstudien nach großen Stürmen. Da intensive Eisstürme äußerst seltene Ereignisse sind, ist es unpraktisch, sie zu studieren, indem sie auf ihr natürliches Vorkommen warten. Hier stellen wir einen neuartigen alternativen experimentellen Ansatz vor, der die Simulation von Glasureisereignissen auf Waldflächen unter Feldbedingungen beinhaltet. Bei dieser Methode wird Wasser aus einem Bach oder See gepumpt und über das Walddach gesprüht, wenn die Lufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt liegen. Das Wasser regnet nach unten und gefriert bei Kontakt mit kalten Oberflächen. Wenn sich das Eis an Bäumen ansammelt, biegen sich die Boles und Äste und brechen; Schäden, die durch Vergleiche mit unbehandelten Bezugsständern quantifiziert werden können. Der beschriebene experimentelle Ansatz ist vorteilhaft, da er die Kontrolle über den Zeitpunkt und die Menge des aufgebrachten Eises ermöglicht. Die Schaffung von Eisstürmen unterschiedlicher Häufigkeit und Intensität ermöglicht es, kritische ökologische Schwellenwerte zu identifizieren, die für die Vorhersage und Vorbereitung auf Eissturmeinschläge erforderlich sind.

Einleitung

Eisstürme sind eine wichtige natürliche Störung, die sowohl kurz- als auch langfristige Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesellschaft haben kann. Intensive Eisstürme sind problematisch, weil sie Bäume und Ernten beschädigen, Versorgungsunternehmen stören und Straßen und andere Infrastruktur beeinträchtigen^1,2. Die gefährlichen Bedingungen, die Eisstürme verursachen, können Unfälle mit Verletzten und Todesfällen verursachen². Eisstürme sind teuer; finanzielle Verluste durchschnittlich 313 Millionen US-Dollar pro Jahr in den Vereinigten Staaten (USA)³, mit einigen einzelnen Stürmen über 1 Milliarde US-Dollar⁴. In Waldökosystemen können Eisstürme negative Folgen haben, einschließlich reduzierter Wachstums- und Baumsterblichkeit^5,6,7, erhöhtes Brandrisiko und Vermehrung von Schädlingen und Krankheitserregern^8,9,10. Sie können auch positive Auswirkungen auf die Wälder haben, wie z. B. ein verbessertes Wachstum der überlebenden Bäume⁵ und eine erhöhte Artenvielfalt¹¹. Die Verbesserung unserer Fähigkeit, die Auswirkungen von Eisstürmen vorherzusagen, wird es uns ermöglichen, uns besser auf diese Ereignisse vorzubereiten und darauf zu reagieren.

Eisstürme treten auf, wenn eine Schicht feuchter Luft, d. h. über dem Gefrierpunkt, eine Schicht unterfrierender Luft näher am Boden überwindet. Regen, der von der wärmeren Luftschicht fällt, kühlt, während er durch die kalte Schicht geht und Glasureis bildet, wenn er sich auf Untergefrierflächen ablagert. In den USA kann diese thermische Schichtung aus synoptischen Wettermustern resultieren, die für bestimmte Regionen charakteristisch sind^12,13. Gefriererregen wird am häufigsten durch arktische Fronten verursacht, die sich südöstlich über die USA bewegen, bevor starke Antizyklone¹³auftreten. In einigen Regionen trägt die Topographie zu den atmosphärischen Bedingungen bei, die für Eisstürme durch kalte Luftdämmung notwendig sind, ein meteorologisches Phänomen, das auftritt, wenn warme Luft aus einem ankommenden Sturm kalte Luft überwindet, die sich entlang eines Gebirges verschanzt^14,15.

In den USA sind Eisstürme am häufigsten im "Eisgürtel", der sich von Maine bis in den Westen von Texas^{erstreckt 16,17}. Eisstürme treten auch in einer relativ kleinen Region des pazifischen Nordwestens auf, insbesondere um das Columbia River Basin von Washington und Oregon. Ein Großteil der USA erlebt zumindest einen gefrierenden Regen, wobei die größten Mengen im Nordosten, wo die eisanfälligsten Gebiete einen Median von sieben oder mehr gefrierenden Regentagen haben (Tage, an denen mindestens eine stündliche Beobachtung des gefrierenden Regens aufgetreten ist) jährlich¹⁶auftreten. Viele dieser Stürme sind relativ gering, obwohl intensivere Eisstürme auftreten, wenn auch mit viel längeren Wiederholungsintervallen. In Neuengland beispielsweise beträgt der Bereich in der radialen Eisdicke 19 bis 32 mm für Stürme mit einem 50-jährigen Wiederholungsintervall^{von 18}. Empirische Belege deuten darauf hin, dass Eisstürme in nördlichen Breitengraden häufiger und im Süden seltener werden^19,20,21. Dieser Trend wird sich voraussichtlich auf der Grundlage von Computersimulationen mit Hilfe künftiger Klimawandelprojektionen^22,23fortsetzen. Der Mangel an Daten und physischem Verständnis erschweren es jedoch, Trends bei Eisstürmen zu erkennen und zu projizieren als andere Arten von Extremereignissen²⁴.

Da große Eisstürme relativ selten sind, sind sie schwierig zu studieren. Es ist schwierig vorherzusagen, wann und wo sie auftreten werden, und es ist im Allgemeinen unpraktisch, Stürme zu Forschungszwecken zu "jagen". Folglich waren die meisten Eissturmstudien ungeplante Post-hoc-Bewertungen, die nach schweren Stürmen durchgeführt wurden. Dieser Forschungsansatz ist nicht ideal, da es nicht möglich ist, Basisdaten vor einem Sturm zu sammeln. Darüber hinaus kann es schwierig sein, nicht betroffene Gebiete für den Vergleich mit beschädigten Gebieten zu finden, wenn Eisstürme eine große geografische Ausdehnung abdecken. Anstatt auf natürliche Stürme zu warten, können experimentelle Ansätze Vorteile bieten, da sie eine genaue Kontrolle über den Zeitpunkt und die Intensität von Vereisungsereignissen ermöglichen und geeignete Referenzbedingungen ermöglichen, um Effekte klar zu bewerten.

Experimentelle Ansätze stellen auch Herausforderungen dar, insbesondere in bewaldeten Ökosystemen. Die Höhe und Breite der Bäume und der Baumkronen macht sie schwierig experimentell zu manipulieren, im Vergleich zu niederen Grünland oder Sträuchern. Darüber hinaus ist die Störung durch Eisstürme diffus, sowohl vertikal durch das Walddach als auch über die Landschaft, was schwer zu simulieren ist. Wir kennen nur eine weitere Studie, die versuchte, Eissturmeinschläge in einem Waldökosystem zu simulieren²⁵. In diesem Fall wurde ein Gewehr verwendet, um bis zu 52% der Krone in einem loblolly Kiefernständer in Oklahoma zu entfernen. Obwohl diese Methode Ergebnisse hervorgebracht hat, die für Eisstürme charakteristisch sind, ist sie nicht wirksam bei der Entfernung größerer Äste und führt nicht dazu, dass sich die Bäume beugen, was bei natürlichen Eisstürmen üblich ist. Obwohl keine anderen experimentellen Methoden verwendet wurden, um Eisstürme speziell zu untersuchen, gibt es einige Parallelen zwischen unserem Ansatz und anderen Arten von Waldstörungsmanipulationen. Zum Beispiel wurden Lückendynamik durch das Fällen einzelner Bäume²⁶, Waldschädlingsinvasionen durch Umgüllung von Bäumen²⁷und Hurrikane durch Beschnitt²⁸ oder Das Ziehen ganzer Bäume mit einer Winde und Kabel²⁹untersucht. Von diesen Ansätzen imitiert der Schnitt am ehesten die Auswirkungen des Eissturms, ist aber arbeitsintensiv und kostspielig. Die anderen Ansätze verursachen die Sterblichkeit ganzer Bäume und nicht das teilweise Bruch von Gliedmaßen und Ästen, das typisch für natürliche Eisstürme ist.

Das in diesem Papier beschriebene Protokoll ist nützlich, um natürliche Eisstürme genau nachzuahmen und beinhaltet das Sprühen von Wasser über das Walddach während der Untergefrierbedingungen, um Glasureisereignisse zu simulieren. Die Methode bietet Vorteile gegenüber anderen Mitteln, da die Schäden relativ gleichmäßig auf Wälder verteilt werden können, mit weniger Aufwand als das Befällen oder Abstürzen ganzer Bäume. Darüber hinaus kann die Menge der Eisakkretion durch das aufgebrachte Wasservolumen und durch Auswahl einer Zeit zum Sprühen reguliert werden, wenn die Wetterbedingungen für eine optimale Eisbildung förderlich sind. Dieser neuartige und relativ kostengünstige experimentelle Ansatz ermöglicht die Kontrolle über die Intensität und Häufigkeit der Vereisung, die für die Identifizierung kritischer ökologischer Schwellenwerte in Waldökosystemen unerlässlich ist.

Protokoll

1. Entwickeln Sie das experimentelle Design

1. Bestimmen Sie die Intensität und Häufigkeit der Vereisung basierend auf realistischen Werten.
2. Bestimmen Sie die Größe und Form der Parzellen.
   1. Wenn das Ziel darin besteht, die Reaktionvonen von Bäumen zu bewerten, wählen Sie eine Diagrammgröße aus, die groß genug ist, um mehrere Bäume und die meisten ihrer Wurzelsysteme einzubeziehen, die je nach Faktoren wie Baumarten und Alter variieren.
   2. Aus Sicherheitsgründen können die Parzellen so gestaltet werden, dass die gesamte Grundstücksfläche von außerhalb der Grenze besprüht werden kann.
   3. Der Raum ist weit genug voneinander entfernt (z.B. 10 m), so dass eine Behandlung in einem Grundstück keine Auswirkungen auf ein anderes hat.
   4. Richten Sie eine Pufferzone (z. B. 5 m) um Parzellen ein, um Kanteneffekte zu reduzieren und eine gleichmäßigere Verteilung der Eisabdeckung zu gewährleisten.
   5. Erstellen Sie Subplots innerhalb der größeren Diagramme für spezifische Stichprobenanforderungen.
3. Entscheiden Sie über die Anzahl der Replikationsplots.

2. Wählen und einrichten Sie einen Studienort

1. Wählen Sie einen homogenen Waldstand mit ähnlichen Merkmalen wie Baumartenzusammensetzung, Böden, Lithologie und Hydrologie aus.
2. Wählen Sie einen Standort für die Anwendung in einem Gebiet aus, in dem im Winter Zugang zu einer Wasserquelle besteht.
3. Stellen Sie sicher, dass die Wasserzufuhr für die Eisanwendung auf der Grundlage der Pumpenleistung und anderer Faktoren wie Schlauchdurchmesser, Schlauchlänge, verwendeter Düse und Wasserdruck ausreichend ist.
4. Markieren Sie die Grenze der Diagramme, Pufferzonen und Subplots.
5. Führen Sie ein vollständiges Waldinventar mit Beschreibungen der Gesundheitsbedingungen von Bäumen durch, einschließlich der Bewertung von toten, sterbenden und beschädigten Bäumen. Zeichnen Sie außerdem mögliche Stressoren (z. B. Hinweise auf Insektenschäden oder Krankheiten) auf, um die Reaktion auf die Eisbehandlung zu interpretieren.
6. Wenn Sie UTVs zum Sprühen von Wasser verwenden, erstellen Sie befahrbare Wege an den Seiten der Parzellen, während Sie darauf achten, Störungen zu minimieren.
7. Sobald die Parzellen eingerichtet sind, weisen Sie jedem Diagramm und jeder Art der Probenahme, die in jedem Teildiagramm durchgeführt wird (z. B. grober holziger Schutt, feiner Einstreu, Bodenproben), eine zufällige Behandlung zu.

3. Zeitpunkt der Anmeldung

1. Wählen Sie ein geeignetes Zeitfenster aus, um das Sprühen durchzuführen.
2. Führen Sie das Experiment durch, wenn die Wetterbedingungen förderlich sind (z. B. wenn die Lufttemperatur unter -4 °C und die Windgeschwindigkeit weniger als 5 m/s beträgt).
3. Wenn Sie nachts sprühen, schalten Sie Hochstromlichter am Rand von Parzellen ein und führen Sie sie auf Generatoren aus, wenn kein Strom verfügbar ist.

4. Einrichten der Wasserversorgung

1. Richten Sie eine Versorgungspumpe an der Wasserquelle ein und schließen Sie einen Saugschlauch an.
2. Schließen Sie ein Sieb an das Ende des Saugschlauchs an, um Schmutz aus den Leitungen herauszuhalten.
3. Durchbrechen Sie jedes Oberflächeneis und tauchen Sie das Sieb vollständig unter. Die Mindesttiefe der Wasserversorgung sollte ca. 20 cm betragen.
4. Legen Sie eine Boosterpumpe in das Bett eines UTV, um den Wasserdruck zu verbessern. In einigen Fällen ist eine Boosterpumpe möglicherweise nicht notwendig, insbesondere bei geringer Vegetation.
5. Führen Sie einen Löschschlauch von der Zufuhrpumpe zur Boosterpumpe.
6. Verwenden Sie einen Brandbekämpfungsmonitor, um eine sichere, manuelle Kontrolle über den Hochdruckschlauch zu ermöglichen. Der Monitor kann freistehend oder auf der Rückseite eines UTV montiert sein.
7. Vermeiden Sie Situationen, die den Wasserfluss unterbrechen können, wie Z. B. Knicke im Schlauch, Wasserableitung an der Versorgungsquelle und auslaufendes Benzin für die Pumpen.

5. Das Eis erzeugen

1. Erzeugen Sie Eis, indem Sie Wasser vertikal durch Lücken im Vordach sprühen. Stellen Sie sicher, dass sich das Wasser über die Höhe des Vordachs erstreckt, so dass es vertikal abgelagert wird und bei Kontakt mit Untergefrierflächen gefriert. Vermeiden Sie das Abstreifen von Ästen und Rinde von Bäumen, da Wasser nach oben gesprüht wird.
2. Gleichmäßig Sprühen über das Walddach verteilen, indem sie langsam das UTV am Rand des Anwendungsbereichs hin und her fahren. Wenn freistehende Monitore verwendet werden, verschieben Sie diese manuell, um sicherzustellen, dass die Abdeckung gleichmäßig ist.
3. Verfolgen Sie den Zeitpunkt der Anwendung, um Faktoren wie die Wetterbedingungen während der Anwendung und das Wasservolumen zu bestimmen.

6. Eisakkretion messen

1. Führen Sie bodengestützte Sättelmessungen der radialen Eisdicke an unterklassigen Ästen oder Zweigen in der Nähe des Rands des Anwendungsbereichs durch, um die Eisakkretion während der Anwendung zu überwachen und zu bestimmen, wann die Zieldicke erreicht wurde.
2. Erhalten Sie genauere Schätzungen der Eisakkretion mit passiven Eiskollektoren nach der Anwendung (Abbildung 1).
   1. Konstruieren Sie vor der Anwendung passive Eiskollektoren mit zwei Dübeln, die auf drei Kardinalachsen³⁰ ausgerichtet sind, um Kollektoren mit sechs Komponentenarmen zu erzeugen.
   2. 2,54 cm Dübel mit einer Länge von 30 cm schneiden.
   3. Verbinden Sie die Dübel mit einem 6-Wege-Stahlstecker.
   4. Verwenden Sie einen Laubenhändler werfen Gewicht, um Fallschirm schnurnüber stabile Äste, die die Eislast standhalten können.
   5. Befestigen Sie die passiven Eiskollektoren an der Schnur und heben Sie sie in das Vordach.
   6. Sobald die Anwendung abgeschlossen ist, senken Sie die Kollektoren auf den Boden, achten Sie darauf, kein Eis vom Kollektor zu verlieren.
   7. Führen Sie vertikale und horizontale Messungen der Eisdicke mit Sätteln an mehreren Stellen auf dem Kollektor (z. B. drei vertikale und drei horizontale Messungen an drei Stellen entlang jedes Arms) vor und unmittelbar nach der Eisanwendung durch.
   8. Berechnen Sie die Eisdicke auf jedem Kollektor als Differenz zwischen den Messungen vor und nach der Anwendung.
   9. Um die Eisdicke mit der Wasservolumenmethode zu bestimmen, verwenden Sie eine Hubsäge, um jeden Dübel zu schneiden.
   10. Bringen Sie die Dübel in ein beheiztes Gebäude, legen Sie sie in Eimer und lassen Sie das Eis bei Raumtemperatur abschmelzen.
   11. Messen Sie das Schmelzwasservolumen mit einem abgestuften Zylinder.
   12. Berechnen Sie die Eisdicke basierend auf dem Wasservolumen und der Dichte von Eis³¹.

7. Sicherheitserwägungen

1. Bleiben Sie während des Sprühens weit außerhalb des Eisbehandlungsbereichs, da Eislasten dazu führen können, dass Äste und Gliedmaßen brechen und fallen.
2. Tragen Sie harte Hüte oder Helme, um Schutz zu bieten, während das Eis aufgetragen wird und während jeder Probenahme, die im behandelten Bereich nach der Anwendung auftritt.
3. Verwenden Sie einen Monitor, um den Schlauch während des Sprühens zu stabilisieren.
4. Passend für gefährliche Bedingungen und Unterfrieren. Tragen Sie helle, sichtbare Kleidung. Seien Sie bereit, lange Zeit in nassen, kalten Bedingungen zu verbringen, indem Sie Regenkleidung und Schichten warmer Kleidung tragen. Bringen Sie mehrere Änderungen der Kleidung, vor allem für Personal, das zum Sprühen bestimmt sind.
5. Wenn Sie an einem abgelegenen Ort arbeiten, richten Sie ein temporäres Wärmezelt ein, das mit einer tragbaren Heizung ausgestattet ist.
6. Ermöglichen Sie dem Personal ausreichend Zeit für Pausen, den Wechsel aus nasser Kleidung und die Lösung von Problemen, die mit der Ausrüstung auftreten usw.
7. Verwenden Sie Radios, um während des Experiments zwischen dem Personal zu kommunizieren. Halten Sie den Kontakt mit dem Personal an einer Basisstation aufrecht.
8. Entwickeln Sie einen Sicherheitsplan für medizinische Notfälle. Haben Sie während des Experiments medizinisches Personal (z. B. Notfallsanitäter) und Notfallausrüstung und -versorgung vor Ort.

Ergebnisse

Eine Eissturmsimulation wurde in einem 70-u2100 Jahre alten nördlichen Laubholzwald im Hubbard Brook Experimental Forest im Zentrum von New Hampshire (43° 56' N, 71° 45' W) durchgeführt. Die Standhöhe beträgt ca. 20 m und die dominierenden Baumarten im Bereich der Eisanwendung sind amerikanische Buche (Fagus grandifolia), Zuckerahorn (Acer saccharum), roter Ahorn (Acer rubrum) und gelbe Birke (Betula alleghaniensis). Zehn 20 m x 30 m Parzellen wurden aufgestellt und nach dem Zufa...

Diskussion

Es ist wichtig, experimentelle Simulationen von Eisstürmen unter geeigneten Wetterbedingungen durchzuführen, um ihren Erfolg zu gewährleisten. In einer früheren Studie³⁰haben wir herausgefunden, dass die optimalen Bedingungen zum Sprühen bei Lufttemperaturen unter -4 °C und Windgeschwindigkeiten unter 5 m/s liegen. Natürliche Eisstürme treten am häufigsten auf, wenn die Lufttemperaturen etwas unter dem Gefrierpunkt liegen (-1 bis 0 °C), und obwohl die idealen Temperaturen für Eissturmsi...

Materialien

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