Simuler les impacts des tempêtes de verglas sur les écosystèmes forestiers

Résumé

Les tempêtes de verglas sont des événements météorologiques importants qui sont difficiles à étudier en raison des difficultés à prévoir leur occurrence. Ici, nous décrivons une nouvelle méthode pour simuler des tempêtes de verglas qui consiste à pulvériser de l’eau sur une canopée forestière dans des conditions de sous-congélation.

Résumé

Les tempêtes de verglas peuvent avoir des effets profonds et durables sur la structure et la fonction des écosystèmes forestiers dans les régions qui connaissent des conditions de gel. Les modèles actuels suggèrent que la fréquence et l’intensité des tempêtes de verglas pourraient augmenter au cours des prochaines décennies en réponse aux changements climatiques, ce qui accroîtrait l’intérêt pour la compréhension de leurs impacts. En raison de la nature stochastique des tempêtes de verglas et des difficultés à prédire quand et où elles se produiront, la plupart des enquêtes antérieures sur les effets écologiques des tempêtes de verglas ont été fondées sur des études de cas à la suite de tempêtes majeures. Étant donné que les tempêtes de verglas intenses sont des événements extrêmement rares, il est impossible de les étudier en attendant leur apparition naturelle. Nous présentons ici une nouvelle approche expérimentale alternative, impliquant la simulation d’événements de glace de glaçure sur des parcelles forestières dans des conditions de terrain. Grâce à cette méthode, l’eau est pompée à partir d’un ruisseau ou d’un lac et pulvérisée au-dessus de la canopée de la forêt lorsque la température de l’air est inférieure au point de congélation. L’eau pleut et gèle au contact des surfaces froides. Comme la glace s’accumule sur les arbres, les boles et les branches se plient et se brisent; dommages qui peuvent être quantifiés par des comparaisons avec des peuplements de référence non traités. L’approche expérimentale décrite est avantageuse parce qu’elle permet de contrôler le moment et la quantité de glace appliquée. La création de tempêtes de glace de différentes fréquences et intensités permet d’identifier les seuils écologiques critiques nécessaires à la prévision et à la préparation des impacts des tempêtes de verglas.

Introduction

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.

Protocole

1. Développer la conception expérimentale

1. Déterminer l’intensité et la fréquence du givrage en fonction de valeurs réalistes.
2. Déterminez la taille et la forme des parcelles.
   1. Si l’objectif est d’évaluer les réponses des arbres, sélectionnez une taille de parcelle suffisamment grande pour inclure plusieurs arbres et la plupart de leurs systèmes racinaires, qui varie selon des facteurs tels que les espèces d’arbres et l’âge.
   2. Pour des raisons de sécurité, concevez les parcelles de sorte que toute la zone de la parcelle puisse être pulvérisée de l’extérieur de la limite.
   3. L’espace trace assez loin l’un de l’autre (p. ex., 10 m) de sorte qu’un traitement dans une parcelle n’affecte pas une autre.
   4. Établir une zone tampon (p. ex., 5 m) autour des parcelles afin de réduire les effets des bords et d’assurer une répartition plus uniforme de la couverture de glace.
   5. Établir des sous-intrigues dans les grandes parcelles pour des besoins spécifiques d’échantillonnage.
3. Décidez du nombre de parcelles de réplique.

2. Sélectionner et établir un lieu d’étude

1. Choisissez un peuplement forestier homogène avec des caractéristiques similaires, telles que la composition des espèces d’arbres, les sols, la lithologie et l’hydrologie.
2. Sélectionnez un emplacement pour l’application dans une zone où il y a accès à une source d’eau pendant l’hiver.
3. Assurez-vous que l’approvisionnement en eau est adéquat pour l’application de la glace en fonction du taux de pompage et d’autres facteurs tels que le diamètre du tuyau, la longueur du tuyau, la buse utilisée et la pression de l’eau.
4. Marquez la limite des parcelles, de la zone tampon et des sous-intrigues.
5. Effectuer un inventaire complet des forêts avec des descriptions des conditions de santé des arbres, y compris des évaluations des arbres morts, mourants et endommagés. De plus, consignez tous les facteurs de stress potentiels (p. ex., les preuves de dommages causés par les insectes ou la maladie) pour aider à interpréter la réponse au traitement de la glace.
6. Si vous utilisez des VÉHICULES ÉLECTRIQUES pour pulvériser de l’eau, créez des sentiers praticables le long des flancs des parcelles tout en prenant soin de minimiser les perturbations.
7. Une fois les parcelles établies, assigner au hasard un traitement à chaque parcelle et type d’échantillonnage qui sera effectué dans chaque sous-parcelle (p. ex., débris ligneux grossiers, litière fine, échantillons de sol).

3. Le moment de la demande

1. Sélectionnez une fenêtre de temps appropriée pour effectuer la pulvérisation.
2. Effectuer l’expérience lorsque les conditions météorologiques sont propices (p. ex., lorsque la température de l’air est inférieure à -4 °C et que la vitesse du vent est inférieure à 5 m/s).
3. Si vous pulvérisez la nuit, déployez des lumières à haute puissance autour du bord des parcelles et exécutez-les sur des générateurs si l’électricité n’est pas disponible.

4. Mettre en place l’approvisionnement en eau

1. Installez une pompe d’alimentation à la source d’eau et connectez un tuyau d’aspiration.
2. Connectez une passoire à l’extrémité du tuyau d’aspiration pour empêcher les débris d’entrer dans les lignes.
3. Percer toute glace de surface et submerger complètement la passoire. La profondeur minimale de l’approvisionnement en eau doit être d’environ 20 cm.
4. Placez une pompe d’appoint dans le lit d’un UTV pour améliorer la pression de l’eau. Dans certains cas, une pompe d’appoint peut ne pas être nécessaire, en particulier pour la végétation de faible taille.
5. Exécutez un tuyau de lutte contre l’incendie de la pompe d’alimentation à la pompe d’appoint.
6. Utilisez un moniteur de lutte contre l’incendie pour permettre un contrôle manuel et sécuritaire sur le tuyau à haute pression. Le moniteur peut être debout ou monté à l’arrière d’un UTV.
7. Évitez les situations qui peuvent interrompre l’écoulement de l’eau comme les plis dans le tuyau, le prélèvement d’eau à la source d’alimentation et le fait de manquer d’essence pour les pompes.

5. Création de la glace

1. Créez de la glace en pulvérisant de l’eau verticalement à travers les trous dans la canopée. Assurez-vous que l’eau s’étend au-dessus de la hauteur de la canopée afin qu’elle soit déposée verticalement et gèle au contact des surfaces de congélation. Évitez de décaper les branches et d’écorcer des arbres lorsque l’eau est pulvérisée vers le haut.
2. Répartir uniformément le jet sur la canopée de la forêt en conduisant lentement l’UTV va-et-vient le long du bord de la zone d’application. Si des moniteurs autonomes sont utilisés, déplacez-les manuellement pour vous assurer que la couverture est uniforme.
3. Gardez une trace du moment de l’application pour aider à déterminer des facteurs tels que les conditions météorologiques pendant l’application et le volume d’eau pulvérisée.

6. Mesurer l’accrétion de glace

1. Effectuer des mesures d’étrier au sol de l’épaisseur de la glace radiale sur des branches ou des brindilles de niveau inférieur près du bord de la zone d’application pour surveiller l’accumulation de glace pendant l’application et déterminer quand l’épaisseur cible a été atteinte.
2. Obtenir des estimations plus précises de l’accumulation de glace avec les collecteurs de glace passifs après l’application (figure 1).
   1. Avant l’application, construisez des collecteurs de glace passifs avec deux goujons orientés sur trois axes cardinaux³⁰ pour créer des collecteurs avec six bras de composant.
   2. Couper 2,54 cm de douves à une longueur de 30 cm.
   3. Joignez-vous aux douves avec un connecteur en acier à 6 voies.
   4. Utilisez un arboriculteur lancer du poids pour enfiler le cordon de parachute sur des branches robustes qui peuvent résister à la charge de glace.
   5. Attachez les collecteurs de glace passifs au cordon et soulevez-les dans la canopée.
   6. Une fois l’application terminée, abaissez les collecteurs au sol, en prenant soin de ne pas perdre de glace du collecteur.
   7. Effectuer des mesures verticales et horizontales de l’épaisseur de la glace avec des étriers à plusieurs endroits sur le collecteur (p. ex., trois mesures verticales et trois mesures horizontales à trois endroits le long de chaque bras) avant et immédiatement après l’application de la glace.
   8. Calculer l’épaisseur de la glace sur chaque collecteur comme la différence entre les mesures avant et après l’application.
   9. Pour déterminer l’épaisseur de la glace avec la méthode du volume d’eau, utilisez une scie réciproque pour couper chaque goujon.
   10. Apportez les douves dans un bâtiment chauffé, placez-les dans des seaux et laissez fondre la glace à température ambiante.
   11. Mesurer le volume d’eau de fonte à l’aide d’un cylindre gradué.
   12. Calculer l’épaisseur de la glace en fonction du volume d’eau et de la densité de la glace³¹.

7. Considérations relatives à la sécurité

1. Restez bien à l’extérieur de la zone de traitement de la glace pendant la pulvérisation parce que les charges de glace peuvent causer des branches et des membres à briser et à tomber.
2. Portez des casques ou des casques pour assurer la protection pendant l’application de la glace et lors de tout échantillonnage qui se produit dans la zone traitée après l’application.
3. Utilisez un moniteur pour stabiliser le tuyau pendant la pulvérisation.
4. Habillez-vous convenablement pour des conditions dangereuses et un temps de gel. Portez des vêtements lumineux et visibles. Soyez prêt à passer de longues périodes dans des conditions humides et froides en portant des vêtements de pluie et des couches de vêtements chauds. Apportez de multiples changements de vêtements, en particulier pour le personnel qui est désigné pour pulvériser.
5. Si vous travaillez dans un endroit éloigné, installez une tente chauffante temporaire équipée d’un chauffe-eau portatif.
6. Permettre au personnel d’avoir suffisamment de temps pour les pauses, le changement de vêtements mouillés, et de résoudre les problèmes qui se posent avec l’équipement, etc.
7. Utilisez des radios pour communiquer entre le personnel pendant l’expérience. Maintenir le contact avec le personnel d’une station de base.
8. Élaborer un plan de sécurité en cas d’urgence médicale. Avoir du personnel médical (p. ex., techniciens médicaux d’urgence) et de l’équipement et des fournitures d’urgence sur place pendant l’expérience.

Résultats

Une simulation de tempête de verglas a été effectuée dans une forêt de feuillus du nord vieille de 70\u20100 ans à la forêt expérimentale de Hubbard Brook, dans le centre du New Hampshire (43° 56′ N, 71° 45′O). La hauteur du peuplement est d’environ 20 m et les espèces d’arbres dominantes dans la zone de l’application de glace sont le hêtre américain (Fagus grandifolia),l’érable à sucre (Acer saccharum), l’érable rouge (Acer rubrum) et le bouleau jaune (Betula ...

Discussion

Il est essentiel d’effectuer des simulations expérimentales des tempêtes de verglas dans des conditions météorologiques appropriées afin d’assurer leur succès. Dans une étude précédente³⁰, nous avons constaté que les conditions optimales pour la pulvérisation sont lorsque les températures de l’air sont inférieures à -4 °C et que la vitesse du vent est inférieure à 5 m/s. Les tempêtes de verglas naturelles se produisent le plus souvent lorsque les températures de l’air so...

matériels

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