הדמיית השפעות על סופות קרח ביער מערכות אקולוגיות

Summary

סערות קרח הן אירועי מזג אוויר חשובים המאתגרים את הלמידה בגלל קשיים בניבוי התרחשותן. כאן אנו מתארים שיטה מקורית להדמיית סופות קרח המערבת התזת מים על חופה ביער במהלך הקפאת התנאים.

Abstract

סופות קרח יכולות להיות השפעות מעמיקות ומתמשך על המבנה והתפקוד של מערכות אקולוגיות ביער באזורים שחווים הקפאת תנאים. הדגמים הנוכחיים מראים כי התדירות והאינטנסיביות של סופות הקרח יכולות להגדיל את העשורים הבאים בתגובה לשינויים באקלים, לשפר את העניין בהבנת ההשפעות שלהם. בגלל האופי הסטוכסטי של סופות הקרח והקשיים בניבוי מתי ואיפה הם יתרחשו, החקירות האחרונות של ההשפעות האקולוגיות של סופות הקרח התבססו על מקרים שלאחר סופות גדולות. מאז סופות קרח אינטנסיבי הם אירועים נדירים ביותר זה לא מעשי ללמוד אותם על ידי מחכה להתרחשות הטבעית שלהם. כאן אנו מציגים הגישה החדשנית הניסיונית הפתרון, מעורבים סימולציה של גלקוניה קרח אירועים על חלקות יער תחת תנאי שדה. עם שיטה זו, מים נשאבים מנחל או אגם וריסס מעל החופה היער כאשר טמפרטורות האוויר מתחת לקיפאון. המים מגשמים וקופא עם מגע עם משטחים קרים. כאשר הקרח מצטבר על העצים, הבולס והענפים מכופפים ונשברים; נזק שניתן לכמת באמצעות השוואות עם דוכני התייחסות לא מטופלות. הגישה הניסיונית שתוארה היא יתרון משום שהיא מאפשרת שליטה על התזמון ועל כמות הקרח שהוחלה. יצירת סערות קרח בתדר ובאינטנסיביות שונים מאפשרת לזהות ספי אקולוגיה קריטיים הנחוצים לניבוי והכנה לפגיעות בסופת הקרח.

Introduction

סופות קרח הן הפרעה טבעית חשובה, כי יכול להיות הן השפעות קצרות לטווח ארוך על הסביבה והחברה. סופות קרח אינטנסיביות הן בעייתיות משום שהן פוגעות בעצים וביבולים, משבשים את כלי השירות ופוגעות בכבישים ובתשתיות אחרות^1,2. התנאים המסוכנים שסופות הקרח יוצרות עלולים לגרום לתאונות הנובעות מפציעות ומהרוגים². סופות הקרח יקרות; הפסדים כספיים בממוצע $313,000,000 לשנה בארצות הברית (ארה ב)³, עם כמה סופות בודדות מעל $1,000,000,000⁴. ביער מערכות אקולוגיות, סופות קרח יכולות להיות השלכות שליליות כולל צמיחה מופחתת ותמותת עצים^5,6,7, סיכון מוגבר של אש, התפשטות של מזיקים ופתוגנים^8,9,10. הם יכולים גם להיות בעלי השפעה חיובית על יערות, כגון צמיחה משופרת של עצים ששרדו⁵ ולהגדיל את המגוון הביולוגי¹¹. שיפור היכולת שלנו לנבא השפעות מסופות קרח יאפשר לנו להתכונן ולהגיב לאירועים אלה.

סופות קרח מתרחשות כאשר שכבה של אוויר לח, כי הוא מעל לקפוא, עוקפת שכבה של אוויר תת-הקפאה קרוב יותר לקרקע. גשם נופל מן השכבה החמה של האוויר מתקרר כפי שהוא עובר דרך השכבה הקר, ויוצרים קרח זיגוג כאשר הופקד על משטחים הקפאה משנית. בארה ב, ריבוד תרמית זה יכול לנבוע מפה סינופטית דפוסי מזג האוויר האופייניים לאזורים ספציפיים^12,13. הגשם המקפיא נגרם בדרך כלל על-ידי חזיתות הקוטב הצפוני, העוברים ברחבי ארה ב לפני האנטיבוטים החזקים¹³. באזורים מסוימים, הטופוגרפיה תורמת לתנאים האטמוספריים הנחוצים לסופות קרח באמצעות דאמינג אוויר קר, תופעה מטאורולוגית המתרחשת כאשר אוויר חם מסערה נכנסת עוקף אוויר קר שמבצר לצד רכס הרים^14,15.

בארה ב, סופות קרח נפוצות ביותר ב "חגורת קרח" המשתרע ממיין לטקסס^16,17. סופות קרח מתרחשות גם באזור קטן יחסית של מערב האוקיינוס השקט, במיוחד באזור אגן הנהר קולומביה של וושינגטון ואורגון. חלק גדול מארה ב חווה לפחות מעט גשם קפוא, עם הכמויות הגדולות ביותר בצפון-מזרח המקום שבו מרבית האזורים בעלי הקרח הם בעלי חציון של שבעה או יותר ימי גשם קפואים (ימים שבהם התרחש לפחות שעה אחת של גשם קפוא) שנתי¹⁶. רבים מסופות אלה הם קלים יחסית, למרות שסערות קרח אינטנסיביות יותר מתרחשות, אם כי עם מרווחי זמן ארוכים יותר. לדוגמה, בניו אינגלנד, הטווח בעובי קרח רדיאלי הוא 19 עד 32 מ"מ עבור סערות עם מרווח זמן של 50 שנים להישנות¹⁸. ראיות אמפיריים עולה כי סופות קרח הופכים תכופים יותר בצפון הרוחב ופחות תכופים לדרום^19,20,21. מגמה זו צפויה להמשיך בהתבסס על סימולציות מחשב באמצעות התחזיות העתידיות שינוי^{22האקלים 22,23}. עם זאת, חוסר נתונים והבנה גופנית להקשות יותר לזהות מגמות הפרויקט בסערות קרח מאשר סוגים אחרים של אירועים קיצוניים²⁴.

מכיוון שסופות הקרח הגדולות נדירות יחסית, הן מאתגרות ללמידה. קשה לנבא מתי והיכן הם יתרחשו, ובדרך כלל לא מעשי "לרדוף" סופות למטרות מחקר. כתוצאה מכך, רוב מחקרי סופת הקרח לא היו מתוכננים בהתאם להערכות המתרחשות בעקבות סערות גדולות. גישת מחקר זו אינה אידיאלית בשל חוסר היכולת לאסוף נתונים בסיסיים לפני סופה. בנוסף, זה יכול להיות קשה למצוא אזורים מושפעים להשוואה עם אזורים פגומים כאשר סופות קרח לכסות במידה גיאוגרפית גדולה. במקום לחכות לסופות טבעיות שיתרחשו, גישות נסיוניות עשויות להציע יתרונות משום שהם מאפשרים שליטה מקרוב על התזמון והאינטנסיביות של אירועי הציפוי ומאפשרים תנאי התייחסות מתאימים כדי להעריך בבירור את ההשפעות.

גישות נסיוניות גם להציב אתגרים, במיוחד בתוך האקולוגית מיוער. הגובה והרוחב של העצים והחופה הופכים אותם לקשים לטיפול בניסויים, בהשוואה לגראסלאנדס בעלי מעמד נמוך או בתות. בנוסף, הפרעה מסופות קרח מפוזר, במאונך דרך החופה היער וברחבי הנוף, אשר קשה לדמות. אנחנו יודעים רק עוד מחקר אחד שניסה לדמות השפעות סערת קרח במערכת אקולוגית ביער²⁵. במקרה זה, השתמשו ברובה כדי להסיר עד 52% מהכתר בדוכן אורן מלוי באוקלהומה. למרות ששיטה זו יצרה תוצאות האופייניות לסופות קרח, היא אינה יעילה בהסרת ענפים גדולים יותר ואינה גורמת לעצים להתכופף, הנפוצים בסופות קרח טבעיות. בעוד שיטות נסיוניות אחרות שימשו לחקר סופות קרח במיוחד, יש כמה הקבלות בין הגישה שלנו וסוגים אחרים של מניפולציות יער הפרעה. לדוגמה, הדינמיקה של הפערים נחקרו על-ידי כריתת עצים בודדים²⁶, הדברה ביער על ידי שריפת עצים²⁷, ו הוריקנים על ידי גיזום²⁸ או משיכת עצים שלמים עם המנוף כבל²⁹. מתוך גישות אלה, גיזום הקרוב ביותר מחקה השפעות קרח, אבל היא עבודה אינטנסיבית ויקרה. הגישות האחרות גורמות לתמותה של עצים שלמים, ולא לשבר החלקי של הגפיים והענפים האופייניים לסופות קרח טבעיות.

הפרוטוקול המתואר במאמר זה שימושי לחיקוי מקרוב של סופות קרח טבעיות וכרוך התזת מים על החופה ביער במהלך הקפאת התנאים להדמיית אירועי קרח קוניה. השיטה מציעה יתרונות על פני אמצעים אחרים מכיוון שהנזק יכול להיות מופץ יחסית באופן יחסי ברחבי היערות על שטח גדול עם פחות מאמץ מאשר גיזום או עצים שלמים. בנוסף, כמות דיסקת ספיחה קרח יכול להיות מוסדר באמצעות נפח של מים להחיל על ידי בחירת זמן כדי לרסס כאשר מזג האוויר מסיע היווצרות קרח אופטימלי. זה רומן וגישה ניסיוני זול יחסית מאפשר לשלוט על העוצמה ואת תדירות הציפוי, אשר חיוני לזיהוי סף אקולוגי קריטי בתוך הסביבה ביער.

Protocol

1. לפתח את העיצוב הניסיוני

1. קביעת עוצמת הציפוי והתדירות המבוססת על ערכים ריאליסטיים.
2. קביעת הגודל והצורה של החלקות.
   1. אם המטרה היא להעריך תגובות עץ, בחר גודל התוויה גדול מספיק כדי לכלול מספר רב של עצים ומרבית מערכות השורש שלהם, אשר משתנה בהתאם לגורמים כגון מיני עץ וגיל.
   2. למטרות בטיחות, תכנן את המגרשים כך שניתן יהיה לרסס את כל אזור ההתוויה מחוץ לגבול.
   3. שטח מגרשים מספיק רחוק (למשל, 10 מ ') כך טיפול בעלילה אחת לא משפיעה על אחר.
   4. הקמת אזור מאגר (למשל, 5 מטר) סביב מגרשים כדי להפחית את השפעות הקצה ולהבטיח הפצה אפילו יותר של כיסוי הקרח.
   5. בסס מגרשים בתוך החלקות הגדולות יותר עבור צורכי דגימה ספציפיים.
3. החלט על מספר חלקות השכפול.

2. בחר וקבע מיקום מחקר

1. בחר במעמד יער אחיד עם תכונות דומות, כגון קומפוזיציה של מיני עץ, קרקעות, ליתולוגיה והידרולוגיה.
2. בחר מיקום עבור היישום באזור שבו יש גישה למקור מים במהלך החורף.
3. ודא שאספקת המים מספיקה ליישום הקרח המבוסס על שיעור המשאבה וגורמים אחרים כגון קוטר הצינור, אורך הצינור, החרירים בשימוש ולחץ המים.
4. סמן את גבולות החלקות, אזור המאגר ומחלקות המשנה.
5. היערכו מלאי יער מלא עם תיאורים של מצבי בריאות עץ כולל הערכות של עצים מתים, גוססים ופגועים. בנוסף, הקלט את כל הפגמים הפוטנציאליים (למשל, הוכחה לנזק לחרקים או למחלות) כדי לסייע בפענוח התגובה לטיפול בקרח.
6. אם באמצעות UTVs לרסס מים, ליצור שבילים סבירים לאורך צדי המגרשים תוך הקפדה למזער את ההפרעה.
7. לאחר הקמת מגרשים, באופן אקראי להקצות טיפול כל עלילה וסוג של דגימה שייערך בכל subplot (למשל, פסולת גסה וודי, המלטה משובח, דגימות אדמה).

3. תזמון האפליקציה

1. בחרו חלון זמן מתאים לביצוע הריסוס.
2. בצע את הניסוי כאשר תנאי מזג האוויר מסייעות (למשל, כאשר טמפרטורת האוויר היא פחות מ -4 ° c ומהירות הרוח היא פחות מ -5 מעלות לשנייה).
3. אם הריסוס בלילה, לפרוס אורות מופעל גבוה סביב הקצה של מגרשים ולהפעיל אותם על גנרטורים אם החשמל אינו זמין.

4. הגדר את אספקת המים

1. הגדר משאבת אספקה במקור המים וחבר צינור יניקה.
2. לחבר מסננת לסוף צינור היניקה כדי לשמור על השרידים מתוך הקווים.
3. לפרוץ כל קרח פני השטח ולהטביע במלואו את הסננת. העומק המינימלי של אספקת המים צריך להיות בערך 20 ס מ.
4. מניחים משאבת המאיץ במיטה של UTV כדי לשפר את לחץ המים. במקרים מסוימים, ייתכן שמשאבת האצה לא תהיה נחוצה, במיוחד עבור צמחייה בעלת קומתו הנמוכה.
5. תריץ צינור כיבוי ממשאבת האספקה. למשאבת המאיץ
6. השתמש בצג לחימה כדי לאפשר בטוח, ידני שליטה על צינור הלחץ הגבוה. הצג יכול להיות בחינם עומד או רכוב על גבו של UTV.
7. הימנע ממצבים שעלולים להפריע לזרימת המים כגון סטיות בצינור, מים זורמים במקור האספקה, ואוזל להם הדלק למשאבות.

5. יצירת הקרח

1. צור קרח על ידי ריסוס מים אנכית באמצעות פערים החופה. ודא כי המים משתרע מעל גובה החופה כך שהוא הופקד אנכית קופא על קשר עם משטחים התת מקפיא. הימנעו מענפים ונביחות מעצים כאשר המים מרוססים כלפי מעלה.
2. באופן שווה לפזר ריסוס מעל החופה יער על ידי נהיגה איטית UTV הלוך ושוב לאורך קצה אזור היישום. אם נעשה שימוש בצגים בעלי מעמד חופשי, הזז אותם באופן ידני כדי להבטיח שהכיסוי יהיה שווה.
3. עקוב אחר התזמון של היישום כדי לסייע בקביעת גורמים כגון תנאי מזג האוויר במהלך היישום וכמות המים שרוססו.

6. מדדי מדידת קרח

1. הפוך מדידות מבוססות על הקרקע של עובי קרח רדיאלי על ענפים ברמה נמוכה יותר או זרדים ליד קצה אזור היישום כדי לנטר דיסקת ספיחה קרח במהלך היישום ולקבוע מתי עובי היעד הושג.
2. השג הערכות מדויקות יותר של דיסקת ספיחה קרח עם אספני קרח פסיבי לאחר היישום (איור 1).
   1. לפני היישום, לבנות אספנים קרח פסיבי עם שני דובלים מונחה על שלושה צירים הקרדינל³⁰ כדי ליצור אספנים עם שישה זרועות רכיב.
   2. חותכים 2.54 ס מ באורך של 30 ס מ.
   3. הצטרפו לדובלים עם מחבר 6-כיוון פלדה.
   4. השתמש משקל לזרוק arborist לחבל מצנח מחרוזת על ענפים חסון שיכולים לעמוד בעומס הקרח.
   5. חברו את אספני הקרח הפסיבי לחוט השדרה והרימו אותם לתוך החופה.
   6. לאחר השלמת היישום, להוריד את האספנים על הקרקע, להיות זהירים לא לאבד את כל הקרח מן האספן.
   7. הפוך את המידות האנכיות והאופקיות של עובי הקרח עם מחוגות במיקומים מרובים על האספן (למשל, שלושה אנכיים ושלוש מדידות אופקיות בשלושה מיקומים לאורך כל זרוע) לפני ומייד אחרי השימוש בקרח.
   8. חישוב עובי קרח על כל אספן כהפרש בין המידות לפני ואחרי היישום.
   9. כדי לקבוע עובי קרח עם שיטת נפח המים, להשתמש מסור חרב לחתוך כל dowel.
   10. הביאו את הדובלים לבניין מחומם, הניחו אותם בדליים, והניחו לקרח להתמוסס בטמפרטורת החדר.
   11. למדוד את נפח הmeltwater עם גליל סיים.
   12. חישוב עובי קרח על בסיס נפח המים וצפיפות הקרח³¹.

7. שיקולי בטיחות

1. הישארו היטב מחוץ לאזור הטיפול בקרח במהלך הריסוס משום שטעינת קרח עלולה לגרום לענפים ולגפיים להישבר וליפול.
2. ללבוש כובעים קשיחים או קסדות כדי לספק הגנה בעוד הקרח מוחל במהלך כל דגימה המתרחשת באזור המטופל לאחר היישום.
3. השתמש בצג כדי לייצב את הצינור במהלך הריסוס.
4. התלבשו כראוי לתנאים מסוכנים ולמזג אוויר תת-מקפיא. לבשו בגדים בהירים וגלויים. היו מוכנים לבלות תקופות ארוכות בתנאים רטובים וקרים על ידי לבישת ציוד גשם ושכבות של בגדים חמים. להביא שינויים מרובים של בגדים, במיוחד עבור אנשים המיועדים ריסוס.
5. אם אתם עובדים במיקום מרוחק, הציבו אוהל מחמם זמני המצויד בתנור חימום נייד.
6. אפשר לאנשים לקבל זמן מספיק עבור הפסקות, שינוי מתוך בגדים רטובים, וטיפול בבעיות העולות עם ציוד, וכו '.
7. השתמש במכשירי רדיו כדי לתקשר בין אנשי הצוות במהלך הניסוי. שמור על קשר עם. אנשי צוות בתחנת בסיס
8. לפתח תוכנית בטיחות במקרה חירום רפואי. יש לצוותים רפואיים (לדוגמה, טכנאים רפואיים) וציוד חירום ואספקה באתר במהלך הניסוי.

תוצאות

הדמיית סופת הקרח בוצעה ביער בשנת 70 \ u2012100 בן עץ הצפון הצפוני ב יער הניסוי ברוק האברד במרכז ניו המפשייר (43 ° 56 ′ N, 71 ° 45 ′ W). גובה המעמד הוא כ 20 מ' והמינים הדומיננטיים של העץ באזור של יישום הקרח הם אשור אמריקאי (Fagus שיגעון), סוכר מייפל (acer סכנום), אדר אדום (acer rubrum) ו צהוב ליבנה (betula א?...

Discussion

חשוב לבצע הדמיות נסיוניות של סופות קרח בתנאי מזג אוויר מתאימים כדי להבטיח את הצלחתם. במחקר הקודם³⁰, גילינו כי התנאים האופטימליים לריסוס הם כאשר טמפרטורות האוויר הן מתחת ל-4 ° צ' ומהירויות הרוח הם פחות מ 5-m. סופות הקרח הטבעיות מתרחשות בדרך כלל כאשר טמפרטורות האוויר מעט פחות מקפיא?...

Materials

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