有没有见过冰暴？

冰暴是冬季最美丽也最可怕的天气事件之一, 主要表现为雨水穿过冰冷的空气, 落到树木、道路、电线或地面上时凝结成冰。起初, 这会在所有物体表面形成一层闪亮晶莹的冰, 看起来就像冬日仙境。冰暴初期的声音近乎悦耳, 被冰覆盖的细枝轻轻摩擦时, 树梢传来仿佛玻璃杯碰撞的叮当声。

但随着风暴持续, 美景可能转变为危险。逐渐增厚的冰层会使马路和人行道等表面变得湿滑。冰的重量可能压断电线, 导致停电。它还可能折断树枝, 甚至压倒整棵树。当枝叶和树木坠落时, 空气中充满了响亮的爆裂声和撞击声。

冰暴与不断变化的气候

随着地球气候变化, 科学家认为大规模冰暴可能会更频繁地发生[1, 2]。他们还认为, 目前的冰暴高发区——一个从德克萨斯州东北部延伸至新英格兰的"冰暴带"可能会向北移动。这意味着, 过去很少经历冰暴的地方将迎来更多冰暴, 即更多的树木冻结、财产损失, 以及因湿滑路面和树木倒塌造成的事故[3]。

尽管冰暴影响重大, 我们仍然不太了解这种天气事件。冰暴何时何地发生难以预测, 并且大规模冰暴发生时, 即使是最勇敢的科学家也需要确保安全, 待在家中。我们目前掌握的相关知识主要源于对大冰暴（如 1998 年东北冰暴）的后果观察[4]。

制造冰暴:一场新奇实验

在新罕布什尔州, 科学家们产生了一个想法:与其干等, 不如在受控环境中自己制造一场大冰暴[5]！这使他们能够运用科学方法来更好地理解冰暴如何影响森林生态系统。科学家们早已观察到自然冰暴造成的破坏, 现在他们开始思索具体的影响相关问题, 例如不同的结冰量（树枝上积聚的冰量）会如何损害不同种类的树木？还有森林需要多长时间才能从这类极端冬季天气事件造成的损害中恢复过来？

科学家们提出假设, 进行预测, 然后着手检验。

哈伯德布鲁克实验林:一间户外实验室

研究团队决定在新罕布什尔州的哈伯德布鲁克实验林进行实验。1955 年, 美国农业部林务局将白山国家森林内的这片 7800 英亩林地划为户外实验室, 用于研究水循环。当时, 林务局的科学家们想了解山区的森林如何防止下游城镇遭受洪水侵袭。自那时起, 科学家们就一直在研究这片森林中的树木、溪流、野生动物和气候, 积累起多年的背景数据。1998 年, 这里还发生了一场大型自然冰暴！简直是这场新实验的完美场地！

开展冰暴实验

2015 年春天, 科学家们在哈伯德布鲁克实验林内设立了 10 个大型样地。每个样地面积为 20 × 30米, 大约相当于一个篮球场的大小。这些样地将接受五种处理, 每种处理对应两个重复样地。这些处理包括:对照（0 毫米冰）、轻度（6 毫米冰）、中度（13 毫米冰）、双倍中度（连续两个冬季施加 13 毫米冰）和重度（19 毫米冰）。冰积聚量以冰层在细枝上的半径来衡量, 因此冰层直径是这些测量值的两倍, 最大可达 38 毫米！这些样地靠近哈伯德布鲁克溪, 方便取水, 并临近道路, 科学家可乘坐雪地摩托和全地形车轻松抵达。在夏季, 研究团队从树顶到树根, 对森林进行了详细测量, 以获得重要的"处理前"数据。这些数据可让科学家掌握施加冰前的森林状况。此外, 他们还加紧练习, 要能在夏季的最佳条件下自如地制造冰暴, 以便为冬季的恶劣天气做好准备！

随后, 他们开始等待一个完美的夜晚:气温要在冰点以下且无风。2016年1月中旬, 天气条件满足要求, 实验正式启动。在四个黑暗、寒冷的夜晚, 一支由 40 名科学家组成的团队轮班工作, 使用消防泵和水管将哈伯德布鲁克溪的水喷洒到树木上方（图 1, 2）。水化为细雾降落在树木上, 接触后瞬间冻结, 形成逼真的冰层。科学家们观察着林地因冰的形成而发生的变化。随着冰层越来越重, 树枝向下弯曲。当第一根树枝坠落时, 所有人都欢呼起来, 因为这表明实验成功了。随后整棵树因每个小枝上都挂满沉重的冰层而轰然倒塌, 场面非常震撼。

通过精心操作, 科学家们成功制造了轻、中、重不同强度的冰暴。但工作还没有结束。2017 年 2 月, 他们返回实验区, 对两个中度处理样地再次施冰, 以观察森林经历连续两个冬季的中度冰暴会发生什么。

观测与发现

接着便是收集数据（图 3）！首先, 科学家们测量了树枝上的冰量, 以确认实验取得成功。然后, 他们统计了掉落的细枝和树枝的数量, 并评估了林冠层受损导致的透光量变化、森林的整体健康状况, 以及随时间推移的恢复情况。这场实验揭示了一些很有趣的发项。

实验效果不错

对森林中冰层的精确测量表明, 科学家们成功创造出了轻度、中度和重度冰暴。

树木都很坚实, 但也有限度

实验表明, 轻度结冰造成的伤害极小, 但中度和重度结冰会导致大量树枝断裂, 甚至树木倒塌。由于木质上的差异, 某些树木比其他树木更容易折断。例如, 像红枫这样的阔叶落叶树的树枝很容易折断, 但像红云杉这样的针叶树的树枝则更柔韧, 在冰层重压下会像收起的雨伞那样向树干弯曲, 待冰融化后便会弹回原位。

大量木材从树上转移到地面

冰暴后最显著的现象之一是地面上的木材量。在 2016 年的实验中, 无冰对照样地的地面木材量为 55 克/平方米, 而在轻度、中度和重度处理样地中, 这一数值分别为 183、420 和 1660 克/平方米。科学家们还将这些数字与哈伯德布鲁克典型年份的平均落枝量进行了比较。结果显示, 一场中度冰暴折断的树枝量（直径 > 1英寸）相当于典型年份全年的落枝量, 一场重度冰暴折断的树枝量则几乎是典型年份全年落枝量的5倍。

一次冰暴很糟糕, 两次冰暴更糟糕

其中两个中度样地（双倍中度处理）在 2016、2017 年连续被施冰两次, 第二年施冰后落下的树枝量是第一年的两倍。这表明, 第一年冰暴中部分受损树枝仍留在树上, 而是在第二年才落到地上。

树枝掉落让更多光线进入森林

中度和重度施冰处理造成树枝和树梢掉落, 使林冠层出现空隙, 进而导致射入森林的光线比未施冰样地或处理前增加了 2 到 3 倍。

林冠层损伤随时间推移而加剧

对树木的损害不仅发生在冰暴期间或刚结束时, 而是会随着时间推移逐渐加剧, 尤其是在中度或重度施冰处理中。例如, 一些树木在几年内从健康变为衰弱, 而另一些则从衰弱走向死亡。科学家们需要继续监测这些树木, 观察它们在更长时间内的变化。

这项研究为何重要

森林不仅是美丽的地方, 而且对地球健康至关重要。它们提供清洁的空气、水、木材、坚果和枫糖浆等食物来源、动物的家园, 以及游玩与探索的场所。它们还通过光合作用吸收二氧化碳, 有助于将碳储存在植物组织中, 减缓全球气候变化, 这一点非常重要。了解冰暴如何影响森林, 可让我们更好地保护这些重要区域, 也使人们为应对这些冬季的冰雪天气事件做好更充分的准备。

总结

通过哈伯德布鲁克冰暴实验, 科学家们对冰暴如何影响森林有了很多了解。他们将在未来几十年内继续研究这些森林样地, 以观察树木需要多长时间才能从施冰处理中完全恢复。同时, 他们还将观察结冰是否会使树木更容易遭受其他压力, 例如虫害或火灾。只有时间以及更深入的研究才能给出答案。

术语表

冰暴带 (Ice Storm Belt): ↑ 一个从德克萨斯州东北部延伸至新英格兰的一个地理区域, 过去曾经历多次冰暴。

科学方法 (Scientific Method): ↑ 一种通过检验想法来发现世界真相的过程, 涉及观察、提问、预测、实验和总结。

林冠 (Canopy): ↑ 森林的最上层, 是树木枝叶交汇的地方, 构成了森林的"屋顶"。

落叶树 (Deciduous Trees): ↑ 每年都会落叶的阔叶树。

针叶树 (Coniferous trees): ↑ 叶子呈针状并结球果的树木。

光合作用 (Photosynthesis): ↑ 植物利用阳光、水和二氧化碳制造自身养料并释放氧气的过程。

气候变化 (Climate Change): ↑ 地球上天气模式和温度的长期变化, 主要由燃烧化石燃料和砍伐森林等人类活动引起。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

本研究由美国农业部林务局和美国国家科学基金会生物科学理事会资助, 资助号 1457675（NSF DEB 1457675）。已获得相关个人的书面知情同意, 允许在本文章中发布任何可识别的图像或数据。

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原文

↑Rustad, L. E.、 Campbell, J. L.、 Driscoll, C. T.、 Fahey, T. J.、 Groffman, P. M.、 Schaberg, P G. 等人, 2020。 北方硬木林中模拟冰暴实验的实验方法及森林初期响应。 PLoSONE 15:e0239619. doi: 10.1371/journal.pone.0239619

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参考文献

[1] ↑ Cheng, C. S., Li, G., and Auld, H. 2011. Possible impacts of climate change on freezing rain using downscaled future climate scenarios: updated for eastern Canada. Atmosphere-Ocean 49:8–21. doi: 10.1080/07055900.2011.555728

[2] ↑ Swaminathan, R., Sridharan, M., and Hayhoe, K. 2018. A computational framework for modelling and analyzing ice storms. arXiv e-prints. doi: 10.48550/arXiv.1805.04907

[3] ↑ Irland, L. C. 2000. Ice storms and forest impacts. Sci. Tot. Environ. 262:231–42. doi: 10.1016/s0048-9697(00)00525-8

[4] ↑ Rhoads, A. G., Hamburg, S. P., Fahey, T. J., Siccama, T. G., Hane, E. N., Battles, J., et al. 2002. Effects of an intense ice storm on the structure of a northern hardwood forest. Can. J. For. Res. 32:1763–75. doi: 10.1139/x02-089

[5] ↑ Rustad, L. E., Campbell, J. L., Driscoll, C. T., Fahey, T. J., Groffman, P. M., Schaberg, P. G., et al. 2020. Experimental approach and initial forest response to a simulated ice storm experiment in a northern hardwood forest. PLoS ONE 15:e0239619. doi: 10.1371/journal.pone.0239619