Bygger på metoder de använde för att bedöma effekten av orkaner som Katrina, Gustav, och Rita om skog och träddödlighet, forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har tagit fram en snabb kartläggning av störningsintensiteten över Puerto Ricos skogar med hjälp av Google Earth Engine.

Utsatt av två intensivt kraftiga stormar med ihållande vindbyar på mer än 150 miles per timme förra året – först av orkanen Irma och sedan av orkanen Maria – drabbades Puerto Rico av omfattande och katastrofala skador på sin urbana infrastruktur. Att använda satellitbilder i kombination med bildbehandlingstekniker, ett team ledd av Jeffrey Chambers, en expert på skogsbiogeografi, fann också omfattande ekologiska skador.

Forskarna bedömde skadan genom att titta på förändringar i ytreflektansen för både synligt och osynligt ljus. Medan det mänskliga ögat kan urskilja färger i det synliga spektrumet, genom att även mäta ytans spektrala respons i reflekterande infrarött ljus erhålls en mycket mer exakt bild av påverkan på skogsvegetation.

"Vi letar efter en förändring i den spektrala signaturen från före och efter stormen, sade Chambers, en forskare i Berkeley Labs jord- och miljövetenskapsområde samt docent i geografi vid UC Berkeley. "När solljuset studsar av grön vegetation ser det åt ett håll, och när det studsar av vegetation där alla löv är avskalade eller träd har vält är det väldigt annorlunda. Vi finner dramatiska förändringar i den spektrala signaturen hos skogarna förknippade med skador, träddödlighet, uppryckta träd, avskalade löv, och baldakiner."

Ett förtryck av deras studie, "Orkanen Maria påverkar Puerto Ricans skogar, " har publicerats online. "Att kartlägga störningseffekter och publicera resultat kan ta år, sa Yanlei Feng, en doktorand i geografi från UC Berkeley som är studiens första författare. "Detta nya tillvägagångssätt som använder Google Earth Engine -plattformen möjliggör leverans av dataprodukter som är snabbare; för användning vid riskbedömningar, till exempel."

Forskarna uppskattar att 23 till 31 miljoner träd kan ha dödats eller allvarligt skadats av orkanen Maria men noterar att fältundersökningar krävs för att få mer exakta uppskattningar. En liknande analys som de gjorde efter orkanen Katrina uppskattade att 320 miljoner träd dog eller skadades allvarligt i Mississippi och Louisiana.

Varför studera tropiska skogar?

Skogar täcker cirka 54 procent av Puerto Rico, och de är de enda tropiska skogarna i USA utanför Hawaii. Dock, till skillnad från Hawaii, som har få inhemska trädarter, Puerto Ricos skogar är mycket mer varierande, med hundratals arter.

Berkeley Lab har studerat Puerto Ricos skogar i flera år som en del av Department of Energy's Next Generation Ecosystem Experiments-Tropics (NGEE-Tropics) initiativ, ett multiinstitutionellt projekt som lanserades 2015 och leddes av Berkeley Lab. "Ett av våra mål är att visa att tropiska skogar är viktiga för USA, sa Chambers.

Att studera och förstå skogsstörningar är viktigt av många skäl, inklusive hantering av naturresurser, skydd av vattendelare och påverkan på jorderosion, och att undersöka de direkta effekterna av trädfall på energidistributionsnätet. Tropiska skogar är särskilt viktiga eftersom, även om de bara täcker 7 procent av jordens yta, de innehåller de största vegetationskolbestånden, och är också viktiga kolsänkor.

Som en del av NGEE-Tropics, Berkeley Lab har studerat skogarna i Puerto Rico som en pilotstudieplats för att hjälpa till att förbättra modelleringen av jordsystemet. "Flöden av vatten, energi, kol, och den biogeokemiska kretsloppet av näringsämnen är alla högst i tropikerna, " sa Chambers. "Så om du vill bygga en exakt jordsystemmodell, du måste få tropikerna rätt."

Avancerad bildbehandling

Berkeley Lab-forskarna tittade på bilder från Landsat 8, en satellit som tar detaljerade bilder av hela jorden var 16:e dag, jämföra bilder från före och efter orkanerna och eliminera effekter på grund av moln och skuggor.

Data samlas in av Landsat 8 som bilder på 30 kvadratmeter pixlar. Forskarna kvantifierade den spektrala signaturen för varje skogbevuxen pixel före och efter stormarna för att bestämma förändringen i den del av ytan som anses vara icke-fotosyntetisk vegetation. De fann att skadorna inte var jämnt fördelade över öns skogar.

"Intensiteten av spektralskiftet varierade mycket över ön, "Kammare sa." Nu vill vi bättre förstå varför vissa skogar var mer sårbara än andra, och vilka faktorer som styrde skillnaderna i hur skogarna påverkades. Var det arten, var det sluttningen, var det aspekten – oavsett om du är på vind- eller läsidan eftersom stormen roterar moturs? Jordtypen och rotdjupet är också viktiga faktorer."

Till exempel, cypresser och tupeloträd i Louisiana klarade orkanen Katrina bra. "Ekarna precis bredvid rasade alla, ", sade Chambers. "Cypresser har stöttande och roterande strukturer som ger motstånd mot vind."

Kolkälla eller kolsänka?

Skogar tar bort koldioxid från atmosfären genom fotosyntes. När stormar, bränder, eller andra störningar dödar ett stort antal träd, den döda biomassan bryts ned av svampar, insekter, och liknande, släpper ut koldioxid i atmosfären. När träddödligheten är särskilt hög, en skog kan gå från att vara en kolsänka till en kolkälla.

Men Chambers påpekar att det kan ta decennier för ett träd att bryta ner och avge allt sitt kol. "Alla skogar störs varje år med någon bakgrundshastighet; koldioxidcykelförändringar inträffar om denna bakgrundshastighet ökar när stormar blir mer frekventa eller intensiva, "sa han. Och Puerto Rico har upplevt förödande orkaner tidigare, inklusive orkanen San Felipe Segundo 1928, som var ännu starkare än Maria, samt orkanerna Georges 1998 och Hugo 1989.

En annan ny NGEE-Tropics-studie visade att Puerto Ricos subtropiska torra skogar kommer att förbli motståndskraftiga mot orkaner. Dock, om orkanfrekvensen ökar markant, skogarna kommer inte att ha tillräckligt med tid att förnya sig. "Om returfrekvensen för en störning ökar, du kan få en långsiktig minskning av den totala koldioxidlagringen, sa Chambers.