Simulación de impactos de tormentas de hielo en los ecosistemas forestales

Resumen

Las tormentas de hielo son eventos meteorológicos importantes que son difíciles de estudiar debido a las dificultades para predecir su ocurrencia. Aquí, describimos un método novedoso para simular tormentas de hielo que consiste en rociar agua sobre un dosel del bosque durante las condiciones de subcongelación.

Resumen

Las tormentas de hielo pueden tener efectos profundos y duraderos en la estructura y función de los ecosistemas forestales en regiones que experimentan condiciones de congelación. Los modelos actuales sugieren que la frecuencia y la intensidad de las tormentas de hielo podrían aumentar en las próximas décadas en respuesta a los cambios climáticos, lo que aumenta el interés en comprender sus impactos. Debido a la naturaleza estocástica de las tormentas de hielo y las dificultades para predecir cuándo y dónde ocurrirán, la mayoría de las investigaciones anteriores sobre los efectos ecológicos de las tormentas de hielo se han basado en estudios de caso después de tormentas importantes. Dado que las intensas tormentas de hielo son eventos extremadamente raros, no es práctico estudiarlas esperando su ocurrencia natural. Aquí presentamos un novedoso enfoque experimental alternativo, que implica la simulación de eventos de hielo glaseado en parcelas forestales en condiciones de campo. Con este método, el agua se bombea desde un arroyo o lago y se rocía por encima del dosel del bosque cuando las temperaturas del aire están por debajo de la congelación. El agua llueve y se congela al contacto con superficies frías. A medida que el hielo se acumula en los árboles, los boles y las ramas se doblan y se rompen; daños que pueden cuantificarse mediante comparaciones con soportes de referencia no tratados. El enfoque experimental descrito es ventajoso porque permite controlar el tiempo y la cantidad de hielo aplicado. La creación de tormentas de hielo de diferente frecuencia e intensidad permite identificar los umbrales ecológicos críticos necesarios para predecir y prepararse para los impactos de tormentas de hielo.

Introducción

Las tormentas de hielo son una perturbación natural importante que puede tener impactos tanto a corto como a largo plazo en el medio ambiente y la sociedad. Las intensas tormentas de hielo son problemáticas porque dañan árboles y cultivos, interrumpen los servicios públicos y deterioran las carreteras y otras infraestructuras^1,,2. Las condiciones peligrosas que crean las tormentas de hielo pueden causar accidentes que resultan en lesiones y muertes². Las tormentas de hielo son costosas; pérdidas financieras promedio $313 millones por año en los Estados Unidos (EE.UU.)³, con algunas tormentas individuales que superan los $1.000 millones⁴. En los ecosistemas forestales, las tormentas de hielo pueden tener consecuencias negativas, como la reducción del crecimiento y la mortalidad de los árboles^5,6,7, mayor riesgo de incendio, y la proliferación de plagas y patógenos^8,,9,10. También pueden tener efectos positivos en los bosques, como un mayor crecimiento de los árboles supervivientes⁵ y un aumento de la biodiversidad¹¹. Mejorar nuestra capacidad de predecir los impactos de las tormentas de hielo nos permitirá prepararnos mejor y responder a estos eventos.

Las tormentas de hielo se producen cuando una capa de aire húmedo, que está por encima de la congelación, anula una capa de aire subcongelante más cerca del suelo. La lluvia cae de la capa más cálida de aire se sobrecoola a medida que pasa a través de la capa fría, formando hielo de esmalte cuando se deposita en superficies de subencongelación. En los Estados Unidos, esta estratificación térmica puede ser el resultado de patrones meteorológicos sinópticos que son característicos de regiones específicas^12,,13. La lluvia helada es más comúnmente causada por los frentes árticos que se mueven hacia el sureste a través de los EE.UU. por delante de los fuertes anticiclones¹³. En algunas regiones, la topografía contribuye a las condiciones atmosféricas necesarias para las tormentas de hielo a través de la represa de aire frío, un fenómeno meteorológico que ocurre cuando el aire caliente de una tormenta entrante anula el aire frío que se afianza junto a una cordillera^14,,15.

En los Estados Unidos, las tormentas de hielo son más comunes en el "cinturón de hielo" que se extiende desde Maine hasta el oeste de Texas^16,,17. Las tormentas de hielo también ocurren en una región relativamente pequeña del noroeste del Pacífico, especialmente alrededor de la cuenca del río Columbia de Washington y Oregón. Gran parte de los Estados Unidos experimentan al menos algunas lluvias heladas, con las mayores cantidades en el noreste donde las zonas más propensas al hielo tienen una mediana de siete o más días de lluvia helada (días durante los cuales se produjo al menos una observación por hora de lluvia helada) anualmente¹⁶. Muchas de estas tormentas son relativamente menores, aunque se producen tormentas de hielo más intensas, aunque con intervalos de recurrencia mucho más largos. Por ejemplo, en Nueva Inglaterra, el rango en espesor de hielo radial es de 19 a 32 mm para tormentas con un intervalo de periodicidad de 50 años¹⁸. La evidencia empírica indica que las tormentas de hielo son cada vez más frecuentes en las latitudes septentrionales y menos frecuentes al sur^19,,20,,21. Se espera que esta tendencia continúe basándose en simulaciones por ordenador utilizando futuras proyecciones de cambio climático^22,,23. Sin embargo, la falta de datos y comprensión física hacen que sea más difícil detectar y proyectar tendencias en tormentas de hielo que otros tipos de eventos extremos²⁴.

Dado que las tormentas de hielo importantes son relativamente raras, son difíciles de estudiar. Es difícil predecir cuándo y dónde ocurrirán, y generalmente no es práctico "perseguir" tormentas con fines de investigación. En consecuencia, la mayoría de los estudios de tormentas de hielo han sido evaluaciones post hoc no planeadas que se han producido a raíz de tormentas importantes. Este enfoque de investigación no es ideal debido a la incapacidad de recopilar datos de referencia antes de una tormenta. Además, puede ser difícil encontrar áreas no afectadas para comparar con áreas dañadas cuando las tormentas de hielo cubren una gran extensión geográfica. En lugar de esperar a que se produzcan tormentas naturales, los enfoques experimentales pueden ofrecer ventajas porque permiten un control estrecho sobre el tiempo y la intensidad de los eventos de hielo y permiten condiciones de referencia adecuadas para evaluar claramente los efectos.

Los enfoques experimentales también plantean desafíos, especialmente en los ecosistemas boscosos. La altura y anchura de los árboles y el dosel hace que sean difíciles de manipular experimentalmente, en comparación con pastizales o arbustos de baja estatura. Además, la perturbación de las tormentas de hielo es difusa, tanto verticalmente a través del dosel del bosque como a través del paisaje, lo cual es difícil de simular. Sólo conocemos otro estudio que intentó simular los impactos de la tormenta de hielo en un ecosistema forestal²⁵. En este caso, se utilizó un rifle para quitar hasta el 52% de la corona en un soporte de pino loblolly en Oklahoma. Aunque este método produjo resultados característicos de las tormentas de hielo, no es eficaz para eliminar ramas más grandes y no hace que los árboles se doblen, lo que es común con las tormentas de hielo naturales. Si bien no se han utilizado otros métodos experimentales para estudiar específicamente las tormentas de hielo, hay algunos paralelismos entre nuestro enfoque y otros tipos de manipulaciones de perturbaciones forestales. Por ejemplo, la dinámica de la brecha se ha estudiado talando árboles individuales^26,invasiones de plagas forestales por ceñimientos^27,y huracanes mediante la poda de²⁸ o tirando de árboles enteros con un cabrestante y cable^29. De estos enfoques, la poda imita más estrechamente los impactos de las tormentas de hielo, pero es laboriosa y costosa. Los otros enfoques causan la mortalidad de árboles enteros, en lugar de la rotura parcial de extremidades y ramas que es típica de las tormentas de hielo natural.

El protocolo descrito en este documento es útil para imitar de cerca las tormentas de hielo naturales e implica rociar agua sobre el dosel del bosque durante las condiciones de subcongelación para simular eventos de hielo glaseado. El método ofrece ventajas sobre otros medios porque el daño se puede distribuir relativamente uniformemente a través de los bosques sobre un área grande con menos esfuerzo que la poda o derribo de árboles enteros. Además, la cantidad de acreción de hielo se puede regular a través del volumen de agua aplicada y seleccionando un tiempo para rociar cuando las condiciones climáticas son propicias para una formación óptima de hielo. Este enfoque experimental novedoso y relativamente barato permite controlar la intensidad y la frecuencia de la formación de hielo, que es esencial para identificar umbrales ecológicos críticos en los ecosistemas forestales.

Protocolo

1. Desarrollar el diseño experimental

1. Determinar la intensidad y frecuencia de la formación de hielo en función de valores realistas.
2. Determine el tamaño y la forma de los trazados.
   1. Si el objetivo es evaluar las respuestas de los árboles, seleccione un tamaño de parcela lo suficientemente grande como para incluir varios árboles y la mayoría de sus sistemas raíz, que varía en función de factores como las especies de árboles y la edad.
   2. Por motivos de seguridad, diseñe las parcelas para que toda el área de parcela se pueda rociar desde fuera del límite.
   3. El espacio se traza lo suficientemente separado (por ejemplo, 10 m) para que un tratamiento en una parcela no afecte a otra.
   4. Establecer una zona de amortiguación (por ejemplo, 5 m) alrededor de las parcelas para reducir los efectos de borde y asegurar una distribución más uniforme de la cobertura de hielo.
   5. Establezca subtramas dentro de las gráficas más grandes para necesidades específicas de muestreo.
3. Decida el número de trazados de réplica.

2. Seleccione y establezca una ubicación de estudio

1. Seleccione un soporte forestal homogéneo con características similares, como la composición de especies de árboles, suelos, litología e hidrología.
2. Seleccione una ubicación para la aplicación en un área donde haya acceso a una fuente de agua durante el invierno.
3. Asegúrese de que el suministro de agua es adecuado para la aplicación de hielo en función de la velocidad de la bomba y otros factores como el diámetro de la manguera, la longitud de la manguera, la boquilla utilizada y la presión del agua.
4. Marque el límite de los trazados, la zona de búfer y las subtramas.
5. Llevar a cabo un inventario forestal completo con descripciones de las condiciones de salud de los árboles, incluidas las evaluaciones de árboles muertos, moribundos y dañados. Además, registre cualquier posible factor de estrés (por ejemplo, evidencia de daño o enfermedad de insectos) para ayudar a interpretar la respuesta al tratamiento con hielo.
6. Si utiliza UTVs para rociar agua, cree senderos transitables a lo largo de los lados de las parcelas mientras tiene cuidado de minimizar las perturbaciones.
7. Una vez establecidas las parcelas, asigne aleatoriamente un tratamiento a cada parcela y tipo de muestreo que se llevará a cabo en cada subtrama (por ejemplo, escombros leñosos gruesos, basura fina, muestras de suelo).

3. Temporización de la solicitud

1. Seleccione una ventana de tiempo adecuada para realizar la pulverización.
2. Realice el experimento cuando las condiciones climáticas sean propicias (por ejemplo, cuando la temperatura del aire es inferior a -4 oC y la velocidad del viento es inferior a 5 m/s).
3. Si se rocía por la noche, despliegue luces de alta potencia alrededor del borde de las parcelas y ejecútelas en generadores si no hay electricidad disponible.

4. Configure el suministro de agua

1. Configure una bomba de suministro en la fuente de agua y conecte una manguera de aspiración.
2. Conecte un colador al extremo de la manguera de aspiración para mantener los residuos fuera de las líneas.
3. Atraviesa cualquier hielo superficial y sumerge completamente el colador. La profundidad mínima del suministro de agua debe ser de unos 20 cm.
4. Coloque una bomba de refuerzo en la cama de un UTV para mejorar la presión del agua. En algunos casos, una bomba de refuerzo puede no ser necesaria, especialmente para la vegetación de baja estatura.
5. Ejecute una manguera de extinción de incendios desde la bomba de suministro hasta la bomba de refuerzo.
6. Utilice un monitor de lucha contra incendios para permitir un control manual y seguro sobre la manguera de alta presión. El monitor puede estar de pie o montado en la parte posterior de un UTV.
7. Evite situaciones que puedan interrumpir el flujo de agua, como torceduras en la manguera, reducción de agua en la fuente de suministro y quedarse sin gasolina para las bombas.

5. Creación del hielo

1. Cree hielo rociando agua verticalmente a través de huecos en el dosel. Asegúrese de que el agua se extiende por encima de la altura del dosel de modo que se deposite verticalmente y se congele en contacto con superficies de subcongelación. Evite despojar las ramas y la corteza de los árboles a medida que el agua se rocía hacia arriba.
2. Distribuya uniformemente el spray sobre el dosel del bosque conduciendo lentamente el UTV de ida y vuelta a lo largo del borde del área de aplicación. Si se utilizan monitores independientes, muévalos manualmente para asegurarse de que la cobertura es uniforme.
3. Realice un seguimiento del momento de la aplicación para ayudar a determinar factores como las condiciones climáticas durante la aplicación y el volumen de agua pulverizada.

6. Mida la acreción del hielo

1. Realice mediciones de pinzas basadas en el suelo del espesor radial de hielo en ramas o ramas de nivel inferior cerca del borde del área de aplicación para supervisar la acreción de hielo durante la aplicación y determinar cuándo se ha alcanzado el espesor objetivo.
2. Obtenga estimaciones más precisas de la acreción de hielo con colectores pasivos de hielo después de la aplicación(Figura 1).
   1. Antes de la aplicación, construya colectores pasivos de hielo con dos tacos orientados sobre tres ejes cardinales³⁰ para crear colectores con seis brazos componentes.
   2. Cortar tacos de 2,54 cm a una longitud de 30 cm.
   3. Une los tacos con un conector de acero de 6 vías.
   4. Utilice un peso de tiro arborista para encadenar el cordón de paracaídas sobre ramas robustas que puedan soportar la carga de hielo.
   5. Fije los colectores pasivos de hielo al cable y elójelos en el dosel.
   6. Una vez completada la aplicación, baje los colectores al suelo, teniendo cuidado de no perder ningún hielo del colector.
   7. Realice mediciones verticales y horizontales del espesor del hielo con pinzas en múltiples ubicaciones en el colector (por ejemplo, tres mediciones verticales y tres horizontales en tres ubicaciones a lo largo de cada brazo) antes e inmediatamente después de la aplicación de hielo.
   8. Calcule el espesor del hielo en cada colector como la diferencia entre las medidas antes y después de la aplicación.
   9. Para determinar el espesor del hielo con el método de volumen de agua, utilice una sierra recíproca para cortar cada espiga.
   10. Lleve los tacos a un edificio climatizado, colóquelos en cubos y deje que el hielo se derrita a temperatura ambiente.
   11. Mida el volumen del agua de fusión con un cilindro graduado.
   12. Calcular el espesor del hielo en función del volumen de agua y la densidad del hielo³¹.

7. Consideraciones de seguridad

1. Manténgase bien fuera del área de tratamiento de hielo durante la pulverización porque las cargas de hielo pueden hacer que las ramas y las extremidades se rompan y caigan.
2. Use cascos o cascos duros para proporcionar protección mientras se aplica el hielo y durante cualquier muestreo que se produzca en el área tratada después de la aplicación.
3. Utilice un monitor para estabilizar la manguera durante la pulverización.
4. Vístete apropiadamente para condiciones peligrosas y clima de subcongelación. Use ropa brillante y visible. Esté preparado para pasar largos períodos en condiciones húmedas y frías usando equipo de lluvia y capas de ropa de abrigo. Traiga múltiples cambios de ropa, especialmente para el personal que está designado para rociar.
5. Si trabaja en un lugar remoto, configure una tienda de almacenamiento temporal equipada con un calentador portátil.
6. Permita que el personal tenga tiempo adecuado para descansos, cambiarse de ropa mojada y abordar los problemas que surgen con el equipo, etc.
7. Utilice radios para comunicarse entre el personal durante el experimento. Mantenga contacto con el personal en una estación base.
8. Desarrollar un plan de seguridad en caso de emergencias médicas. Tener personal médico (por ejemplo, técnicos médicos de emergencia) y equipos y suministros de emergencia en el lugar durante el experimento.

Resultados

Una simulación de tormenta de hielo se llevó a cabo en un bosque de madera dura del norte de 70 u2012100 años de edad en el bosque experimental de Hubbard Brook en el centro de New Hampshire (43 s 56o N, 71o 45o W). La altura del soporte es de aproximadamente 20 m y las especies arbóreas dominantes en el área de la aplicación de hielo son haya americana (Fagus grandifolia), arce de azúcar (Acer saccharum), arce rojo (Acer rubrum) y abedul amarillo (Betula alleghaniensis). Se est...

Discusión

Es fundamental realizar simulaciones experimentales de tormentas de hielo en condiciones climáticas adecuadas para garantizar su éxito. En un estudio anterior³⁰, encontramos que las condiciones óptimas para la pulverización son cuando las temperaturas del aire están por debajo de -4 oC y las velocidades del viento son inferiores a 5 m/s. Las tormentas de hielo naturales ocurren con mayor frecuencia cuando las temperaturas del aire son ligeramente inferiores a la congelación (-1 a 0 oC), y au...

Materiales

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