Buz Fırtınalarının Orman Ekosistemleri Üzerindeki Etkilerinin Simüle Edilmesi

Özet

Buz fırtınaları, bunların oluşumunu tahmin etmedeki güçlükler nedeniyle incelenmesi zor olan önemli hava olaylarıdır. Burada, alt-donma koşullarında bir orman gölgelik üzerinde su püskürtme içeren buz fırtınaları simüle etmek için yeni bir yöntem açıklar.

Özet

Buz fırtınaları, donma koşullarının yaşadığı bölgelerdeki orman ekosistemlerinin yapısı ve işlevi üzerinde derin ve kalıcı etkilere sahip olabilir. Mevcut modeller, iklim değişikliklerine tepki olarak buz fırtınalarının sıklığı ve yoğunluğunun önümüzdeki yıllarda artabileceğini ve etkilerini anlama ilgisini artırabileceğini öne sürmektedir. Buz fırtınalarının stokatik doğası ve ne zaman ve nerede oluşacağını tahmin etmedeki güçlükler nedeniyle, buz fırtınalarının ekolojik etkilerine ilişkin geçmiş araştırmaların çoğu büyük fırtınaları takip eden vaka araştırmalarına dayanmaktadır. Yoğun buz fırtınaları son derece nadir olaylar olduğundan, doğal oluşumlarını bekleyerek onları incelemek pratik değildir. Burada, tarla koşullarında orman arazilerinde sır buz olaylarının simülasyonu içeren yeni bir alternatif deneysel yaklaşım sıyoruz. Bu yöntemle, su bir dere veya gölden pompalanır ve hava sıcaklığı donma altında olduğunda orman gölgelik üzerinde püskürtülür. Su yağmur yağar ve soğuk yüzeylerle temas edinde donar. Buz ağaçlarda birikir gibi, boles ve dalları viraj ve kırmak; işlenmemiş referans standları ile karşılaştırmalar yoluyla ölçülebilir hasar. Açıklanan deneysel yaklaşım avantajlıdır, çünkü uygulanan buz zamanlaması ve miktarı üzerinde kontrol sağlar. Farklı frekans ve yoğunlukta buz fırtınaları oluşturmak, buz fırtınası nın etkilerini tahmin etmek ve hazırlanmak için gerekli olan kritik ekolojik eşikleri belirlemeyi mümkün kılar.

Giriş

Buz fırtınaları çevre ve toplum üzerinde hem kısa hem de uzun vadeli etkileri olabilir önemli bir doğal rahatsızlık vardır. Onlar ağaçlar ve bitkileri zarar, kamu hizmetleri bozmak ve yollar ve diğer altyapı^1,,2zarar çünkü yoğun buz fırtınaları sorunlu . Buz fırtınalarının yarattığı tehlikeli koşullar yaralanmalara ve ölümlere neden olan kazalara neden olabilir². Buz fırtınaları pahalıdır; finansal kayıplar ortalama 313.000.000 $ yılda Amerika Birleşik Devletleri (ABD)³, bazı bireysel fırtınalar aşan $1 milyar⁴. Orman ekosistemlerinde, buz fırtınaları azaltılmış büyüme ve ağaç ölüm oranı^,5,6,7, yangın riski ve zararlıları ve patojenlerin çoğalması⁸,^9,10dahil olmak üzere olumsuz sonuçlardoğurabilir.^, Ayrıca ormanlar üzerinde olumlu etkileri olabilir, bu tür hayatta kalan ağaçların gelişmiş büyüme gibi⁵ ve artan biyolojik çeşitlilik¹¹. Buz fırtınalarının etkilerini tahmin etme yeteneğimizi geliştirmek, bu olaylara daha iyi hazırlanmamızı ve bunlara yanıt vermemizi sağlayacaktır.

Buz fırtınaları, donma noktasının üzerinde olan nemli bir hava tabakasının yere yakın bir yerde dondurucu hava tabakasını geçersiz kıldığında meydana gelir. Soğuk tabakadan geçerken havanın sıcak tabakasından yağan yağmur, dondurucu altı yüzeylerde birikince sır buzu oluşturur. ABD'de, bu termal tabakalaşma belirli bölgelerin karakteristik olan sinoptik hava desenleri neden olabilir^12,13. Dondurucu yağmur en yaygın olarak güçlü antisiklonlar öncesinde ABD genelinde güneydoğuya hareket Arktik cepheler neden olur¹³. Bazı bölgelerde, topografya soğuk hava baraj yoluyla buz fırtınaları için gerekli atmosferik koşullara katkıda, gelen bir fırtına dan sıcak hava bir dağ aralığı 14 ,^,15yanında yerleşik olur soğuk hava geçersiz kılar oluşur bir meteorolojik fenomen .¹⁴

ABD'de, buz fırtınaları en yaygın olan "buz kuşağı" bu Maine batı Teksas^16,17kadar uzanır. Buz fırtınaları da Pasifik Kuzeybatı nispeten küçük bir bölgede, Özellikle Washington ve Oregon Columbia Nehri Havzası çevresinde meydana gelir. Çok ABD deneyimleri en az bazı dondurucu yağmur, En buz eğilimli alanlarda yedi veya daha fazla dondurucu yağmur gün bir ortanca var Kuzeydoğu en büyük miktarlarda (dondurucu yağmur en az bir saatlik gözlem meydana gün boyunca) yıllık¹⁶. Bu fırtınaların çoğu nispeten küçüktür, ancak çok daha uzun tekrar aralıklarıyla da olsa daha yoğun buz fırtınaları meydana gelir. Örneğin, New England'da, radyal buz kalınlığı aralığı 50 yıllık nüks aralığı¹⁸olan fırtınalar için 19 ila 32 mm'dir. Ampirik kanıtlar buz fırtınaları kuzey enlemlerinde daha sık ve daha az sıklıkta güney^19,20,,21hale geldiğini göstermektedir . Bu eğilimin gelecekteki iklim değişikliği projeksiyonları^22,23kullanarak bilgisayar simülasyonları dayalı devam etmesi bekleniyor. Ancak, veri ve fiziksel anlayış eksikliği daha zor tespit etmek ve aşırı olayların diğer türleri daha buz fırtınalarında eğilimleri proje yapmak²⁴.

Büyük buz fırtınaları nispeten nadir olduğundan, onlar çalışma zordur. Ne zaman ve nerede meydana geleceklerini tahmin etmek zordur ve araştırma amacıyla fırtınaları "kovalamak" genellikle pratik değildir. Sonuç olarak, çoğu buz fırtınası çalışmaları büyük fırtınaların ardından meydana gelen plansız post hoc değerlendirmeler olmuştur. Bu araştırma yaklaşımı, bir fırtınadan önce temel veri toplayamadığından ideal değildir. Ayrıca, buz fırtınaları büyük bir coğrafi ölçüde kapsadığında hasarlı alanları ile karşılaştırmak için etkilenmemiş alanlar bulmak zor olabilir. Deneysel yaklaşımlar, doğal fırtınaların meydana gelmesini beklemek yerine, buzlanma olaylarının zamanlaması ve yoğunluğu üzerinde yakın kontrol sağladığı ve etkileri net bir şekilde değerlendirmek için uygun referans koşullarının oluşmasına olanak sağladığı için avantajlar sunabilir.

Deneysel yaklaşımlar, özellikle ormanlık ekosistemlerde de zorluklar yaratmektedir. Ağaçların yüksekliği ve genişliği ve gölgelik onları deneysel olarak manipüle etmeyi zorlaştırır, düşük boylu çayırlar veya çalılıklar ile karşılaştırıldığında. Ayrıca, buz fırtınaları rahatsızlık yaygın, hem dikey orman gölgelik ve manzara boyunca, hangi simüle etmek zordur. Bir orman ekosistemindeki buz fırtınası etkilerini simüle etmeye çalışan tek bir çalışma daha biliyoruz^25. Bu durumda, bir tüfek Oklahoma bir loblolly çam standında taç% 52 kadar kaldırmak için kullanılmıştır. Bu yöntem buz fırtınalarının karakteristik özellikleri olan sonuçlar üretse de, daha büyük dalların çıkarılmasında etkili değildir ve ağaçların bükülmesine neden olmaz, ki bu doğal buz fırtınalarında yaygındır. Özellikle buz fırtınalarını incelemek için başka deneysel yöntemler kullanılmamış olsa da, yaklaşımımız ile diğer orman karışıklık manipülasyonları arasında bazı paralellikler vardır. Örneğin, boşluk dinamikleri tek tek ağaçlar^26,ağaç²⁷ve kasırgalar²⁸ budama veya bir vinç ve kablo²⁹ile bütün ağaçları aşağı çekerek tarafından orman haşere istilaları kesilmesi ile incelenmiştir . Bu yaklaşımlardan budama en yakından buz fırtınası etkilerini taklit eder, ancak emek yoğun ve maliyetlidir. Diğer yaklaşımlar doğal buz fırtınaları tipik uzuv ve dallarıkısmi kırılma yerine, bütün ağaçların mortalite neden olur.

Bu yazıda açıklanan protokol, doğal buz fırtınalarını yakından taklit etmek için yararlıdır ve donma altı koşullarında buz olaylarını simüle etmek için orman gölgeliği üzerine su püskürtmeyi içerir. Budama veya tüm ağaçları niçin az eforla geniş bir alana sahip ormanlar boyunca nispeten eşit olarak dağıtılabildiği için yöntem diğer araçlara göre avantajlar sunar. Buna ek olarak, buz yığılma miktarı uygulanan suyun hacmi ile ve hava koşulları optimum buz oluşumu için elverişli olduğunda püskürtme zamanı seçilerek düzenlenebilir. Bu yeni ve nispeten ucuz deneysel yaklaşım, orman ekosistemlerinde kritik ekolojik eşiklerin belirlenmesi için gerekli olan buzlanmanın yoğunluğu ve sıklığı üzerinde kontrol sağlar.

Protokol

1. Deneysel tasarımı geliştirmek

1. Gerçekçi değerlere göre buzlanmanın yoğunluğunu ve sıklığını belirleyin.
2. Çizimlerin boyutunu ve şeklini belirleyin.
   1. Amaç ağaç yanıtlarını değerlendirmekse, birden çok ağacı ve kök sistemlerinin çoğunu içerecek kadar büyük bir çizim boyutu seçin ve bu boyut, ağaç türleri ve yaş gibi etkenlere bağlı olarak değişir.
   2. Güvenlik amacıyla, tüm arsa alanı sınır dışından püskürtülebilir böylece arsalar tasarlayabilirsiniz.
   3. Uzay, bir çizimdeki bir tedavinin diğerini etkilememesi için birbirinden yeterince uzak (örn. 10 m) çizer.
   4. Kenar etkilerini azaltmak ve buz kapsama alanının daha eşit bir şekilde dağıtılmasını sağlamak için arazilerin etrafında bir tampon bölge (örn. 5 m) kurun.
   5. Belirli örnekleme ihtiyaçları için daha büyük çizimler içinde alt çizimler kurun.
3. Çoğaltma çizimlerinin sayısına karar verin.

2. Bir çalışma yeri seçin ve belirleyin

1. Ağaç türlerinin bileşimi, toprak, litoloji ve hidroloji gibi benzer özelliklere sahip homojen bir orman standı seçin.
2. Kış aylarında su kaynağına erişimin olduğu bir alanda uygulama için bir konum seçin.
3. Pompa hızı na ve hortumun çapı, hortum uzunluğu, kullanılan nozul ve su basıncı gibi diğer faktörlere bağlı olarak buz uygulaması için su temininin yeterli olduğundan emin olun.
4. Çizimlerin, arabelleğin ve alt çizerlerin sınırını işaretleyin.
5. Ölü, ölmekte olan ve hasar gören ağaçların değerlendirmelerini içeren ağaç sağlık koşullarının açıklamaları ile tam bir orman envanteri gerçekleştirin. Ayrıca, buz tedavisine verilen yanıtı yorumlamaya yardımcı olmak için olası stresörleri (örn. böcek hasarı veya hastalık kanıtı) kaydedin.
6. Su püskürtmek için UTV kullanıyorsanız, rahatsızlığı en aza indirmek için dikkatli olurken arazilerin kenarları boyunca geçirilebilir yollar oluşturun.
7. Araziler kurulduktan sonra, her bir alt planda (örn. kaba odunsu enkaz, ince çöp, toprak örnekleri) yapılacak her bir çizim ve örnekleme türüne rastgele bir tedavi atayacaktır.

3. Uygulamanın zamanlaması

1. Püskürtme gerçekleştirmek için uygun bir zaman penceresi seçin.
2. Hava koşulları elverişli olduğunda (örneğin, hava sıcaklığı -4 °C'den az ve rüzgar hızı 5 m/s'den az olduğunda) deneyi gerçekleştirin.
3. Geceleri püskürtme ise, arazilerin kenarına yüksek güçışıkları dağıtmak ve elektrik yoksa jeneratörler üzerinde çalıştırın.

4. Su kaynağını kurmak

1. Su kaynağında bir besleme pompası kurun ve bir emme hortumu bağlayın.
2. Enkazları çizgilerin dışında tutmak için emme hortumunun ucuna bir süzgeç bağlayın.
3. Herhangi bir yüzey buz kırmak ve tamamen süzgeç batırın. Su kaynağının minimum derinliği yaklaşık 20 cm olmalıdır.
4. Su basıncını artırmak için bir UTV yatağına bir güçlendirici pompa yerleştirin. Bazı durumlarda, bir güçlendirici pompa gerekli olmayabilir, özellikle düşük boy bitki örtüsü için.
5. Destek pompası için tedarik pompası bir yangın söndürme hortumu çalıştırın.
6. Yüksek basınç hortumu üzerinde güvenli ve manuel kontrol sağlamak için yangın söndürme monitörü kullanın. Monitör serbest ayakta olabilir veya bir UTV arkasına monte edilebilir.
7. Hortumdaki kinks, tedarik kaynağında su çekme ve pompalar için benzin tükenmesi gibi su akışını kesintiye uğratabilecek durumlardan kaçının.

5. Buz oluşturma

1. Gölgelik boşluklar aracılığıyla dikey su püskürtme buz oluşturun. Suyun gölgeliğin yüksekliğinin üzerinde uzandığından emin olun, böylece dikey olarak birikin ve donma altı yüzeylerle temas halinde donar. Su yukarı püskürtülür gibi dalları ve ağaçlardan kabuğu sıyırma kaçının.
2. Eşit uygulama alanının kenarı boyunca UTV ileri geri sürüş tarafından orman gölgelik üzerinde sprey dağıtmak. Bağımsız monitörler kullanılıyorsa, kapsama alanının eşit olduğundan emin olmak için bunları el ile hareket ettirin.
3. Uygulama sırasındaki hava koşulları ve püskürtülen suyun hacmi gibi faktörleri belirlemeye yardımcı olmak için uygulamanın zamanlamasını takip edin.

6. Buz yığılmalarını ölçün

1. Uygulama sırasında buz yığılmalarını izlemek ve hedef kalınlığına ne zaman ulaşıldığını belirlemek için uygulama alanının kenarına yakın alt seviye dallarda veya dallarda radyal buz kalınlığının zemin bazlı kaliper ölçümlerini yapın.
2. Uygulamadan sonra pasif buz kolektörleri ile buz kütlesi hakkında daha doğru tahminler eldeedin( Şekil 1 ).
   1. Uygulamadan önce, altı bileşenli kollara sahip toplayıcılar oluşturmak için üç kardinal^{ekseni 30} odaklı iki dübel ile pasif buz toplayıcıları oluşturun.
   2. 30 cm uzunluğunda 2,54 cm dübel kesin.
   3. 6 yönlü çelik konektör ile dübellere katılın.
   4. Buz yükü dayanabilir sağlam dalları üzerinde dize paraşüt kablosu için bir arborist atmak ağırlık kullanın.
   5. Kordona pasif buz toplayıcıları takın ve gölgelik içine yükseltmek.
   6. Uygulama tamamlandıktan sonra, toplayıcıları yere indirin ve toplayıcıdan buz kaybetmemeye dikkat edin.
   7. Buz uygulamasından önce ve hemen sonra kollektörüzerinde birden fazla yerde kaliperlerle (örneğin, her kol boyunca üç noktada üç dikey ve üç yatay ölçüm) buz kalınlığının dikey ve yatay ölçümlerini yapın.
   8. Uygulama öncesi ve sonrası ölçümler arasındaki fark olarak her kolektör üzerindeki buz kalınlığını hesaplayın.
   9. Su hacmi yöntemi ile buz kalınlığını belirlemek için, her dübel kesmek için bir karşılıklı testere kullanın.
   10. Dübelleri ısıtmalı bir binaya getirin, kovalara koyun ve oda sıcaklığında buzun erimesine izin verin.
   11. Erimiş suyun hacmini mezun bir silindirle ölçün.
   12. Buz hacmi ve buz yoğunluğuna göre buz kalınlığını hesaplayın³¹.

7. Güvenlik hususları

1. Püskürtme sırasında buz tedavi alanının dışında kalın, çünkü buz yükleri dalların ve ekstremitelerin kırılmasına ve düşmesine neden olabilir.
2. Buz uygulanırken ve uygulamadan sonra tedavi edilen bölgede meydana gelen herhangi bir örnekleme sırasında koruma sağlamak için sert şapka veya kask takın.
3. Püskürtme sırasında hortumu sabitlemek için bir monitör kullanın.
4. Tehlikeli koşullar ve dondurucu soğuklar için uygun giyinin. Parlak, görünür giysiler giyin. Yağmur giysileri ve sıcak giysiler katmanları giyerek ıslak, soğuk koşullarda uzun süre geçirmek için hazır olun. Özellikle püskürtmeye atanmış personel için birden fazla kıyafet değişikliği getirin.
5. Uzak bir yerde çalışıyorsanız, taşınabilir bir ısıtıcı ile donatılmış geçici bir ısınma çadırı kurun.
6. Personelin molalar, ıslak giysilerin değiştirilmesi ve ekipmanla ortaya çıkan sorunları ele almak için yeterli zamana sahip olmasını bekleyin.
7. Deneme sırasında personel arasında iletişim kurmak için radyoları kullanın. Bir baz istasyonundaki personelle teması koruyun.
8. Tıbbi acil durumlarda bir güvenlik planı geliştirin. Deney sırasında tıbbi personel (örn. Acil Tıp Teknisyenleri) ve acil durum ekipmanı ve malzemeleri nin yerinde olması.

Sonuçlar

Bir buz fırtınası simülasyonu merkezi New Hampshire Hubbard Brook Deneysel Orman 70 \u2012100 yıllık kuzey parke ormanda yapıldı (43 ° 56′ N, 71 ° 45′ W). Stand yüksekliği yaklaşık 20 m ve buz uygulama alanında baskın ağaç türleri Amerikan kayın(Fagus grandifolia),şeker akçaağaç(Acer saccharum), kırmızı akçaağaç (Acer rubrum) ve sarı huş(Betula alleghaniensis)vardır. 10 20 m x 30 m arazi ler kurulmuş ve rasgele bir tedavi tahsis edilmiştir. Örnek...

Tartışmalar

Başarılarını sağlamak için uygun hava koşullarında buz fırtınalarının deneysel simülasyonlarını gerçekleştirmek çok önemlidir. Bir önceki çalışmada³⁰, püskürtme için en uygun koşullar hava sıcaklıkları -4 °C'nin altında ve rüzgar hızları 5 m /s'den daha az olduğunda bulundu.¹⁶ Sürekli donma altında sıcaklıklar gerekli olduğundan, bu deneysel yaklaşım daha kuzeydeki konumlarla sınırlıdır ve ocak ayında ortalama aylık düşük ...

Malzemeler

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