史 宇，余新曉，張建輝，羅海江，張佳音

(1. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 北京 100012; 2. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 3. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012)

北京山區(qū)側(cè)柏林冠層對(duì)降雨動(dòng)力學(xué)特征的影響

史 宇1，余新曉2,*，張建輝1，羅海江1，張佳音3

(1. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 北京 100012; 2. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 3. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012)

林冠層枝葉對(duì)雨滴的能量要進(jìn)行再次分配，從而在降雨雨滴大小分布、降落速度及動(dòng)能等性質(zhì)上都發(fā)生了變化，是森林水文生態(tài)功能的重要環(huán)節(jié)。然而目前國(guó)內(nèi)外在森林影響降雨動(dòng)力學(xué)特征方面的研究較少且研究方法不夠完善。研究地點(diǎn)設(shè)在北京妙峰山林場(chǎng)，利用激光雨滴譜儀對(duì)側(cè)柏人工林林內(nèi)和林外進(jìn)行了長(zhǎng)期同步觀測(cè)，對(duì)典型場(chǎng)降雨中林內(nèi)與林外雨滴的數(shù)量、大小、速度、動(dòng)能等動(dòng)力學(xué)特征值進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：林內(nèi)的雨滴總數(shù)高于林外37.8%，林內(nèi)小徑級(jí)和大徑級(jí)的雨滴數(shù)目都有所增加，而中間徑級(jí)雨滴減少。林外降雨體積貢獻(xiàn)率隨雨滴直徑增加呈單峰曲線變化，而林內(nèi)降雨呈多峰山狀變化；在試驗(yàn)側(cè)柏林下雨滴的終點(diǎn)速度有所減小，特別是對(duì)直徑0.75—4.5mm范圍的雨滴更為明顯。林內(nèi)降雨相比于林外其雨滴直徑與雨滴終點(diǎn)速度的相關(guān)性降低，雨滴譜分布更加分散；林外降雨動(dòng)能貢獻(xiàn)值隨雨滴直徑增加呈單峰曲線變化趨勢(shì)，而林內(nèi)降雨呈多峰山狀變化。在雨滴終點(diǎn)速度為4—9m/s的區(qū)間內(nèi)林外雨滴貢獻(xiàn)的動(dòng)能明顯高于林內(nèi)降雨。側(cè)柏林地雨滴降落到地面的動(dòng)能比林外空曠地減少了27.0%，林內(nèi)雨滴動(dòng)能減小的最主要原因是林冠層削減了林內(nèi)降雨量。

雨滴動(dòng)能；雨滴大??；終點(diǎn)速度；雨強(qiáng)；北京山區(qū)；側(cè)柏林

土壤侵蝕指地表土壤受外營(yíng)力作用而被分散、搬運(yùn)、堆積的物理過程，水力侵蝕的動(dòng)力主要來自降雨動(dòng)能，特別是較大降雨強(qiáng)度的大雨或暴雨更是造成水土流失的關(guān)鍵因素[1- 2]。雨滴擊濺引起土壤結(jié)構(gòu)破壞、顆粒分散及土粒濺蝕，形成結(jié)皮層和導(dǎo)致入滲下降及地表徑流增加，還會(huì)引起地表徑流紊動(dòng)和土體沖刷。林冠是森林對(duì)雨滴動(dòng)能產(chǎn)生影響的第一個(gè)作用層。降雨在進(jìn)入林地前具有一定的動(dòng)能與勢(shì)能，降雨通過林冠層后，由于受到冠層的再分配作用而以多種形式下落，出現(xiàn)林冠截持和樹干流等現(xiàn)象，林冠層枝葉對(duì)雨滴的能量要進(jìn)行再次分配，從而在降雨雨滴大小分布及降落速度、動(dòng)能等性質(zhì)上都發(fā)生了變化[3- 6]。森林植被對(duì)降雨動(dòng)能的削減是其水土保持功能的重要體現(xiàn)[7]。因此，定量評(píng)價(jià)植被對(duì)降雨動(dòng)能的影響和研究植被調(diào)節(jié)降雨動(dòng)能的機(jī)制是植被的生態(tài)水文功能的研究中非常有意義的工作。

雨滴大小組成和雨滴速度是研究森林對(duì)雨滴動(dòng)能的影響的兩個(gè)要素。降雨的雨滴大小組成(即雨滴譜)直接決定了雨滴的速度及動(dòng)能，與降雨的濺蝕力密切相關(guān)[8]。關(guān)于雨滴大小的測(cè)量方法主要有色斑法、面粉球法[9]、油滴法[10]、高速攝影或照像法、雨滴測(cè)量?jī)x法等，國(guó)內(nèi)之前的相關(guān)研究以濾紙色斑法為主。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)降雨的地面終點(diǎn)速度提出了不同的計(jì)算方法[12- 14]，但這些方法有的計(jì)算結(jié)果相差比較大，對(duì)不同直徑的雨滴計(jì)算方法也存在一定的局限性。

國(guó)內(nèi)的對(duì)林冠層調(diào)控雨滴動(dòng)能的研究從20世紀(jì)80年代陸續(xù)開展研究對(duì)象以人工林居多[5,15- 19]，天然林較少[6,8]，在儀器設(shè)備和觀測(cè)計(jì)算方法上都遠(yuǎn)落后于國(guó)際水準(zhǔn)。本研究利用了激光雨滴譜儀對(duì)北京山區(qū)側(cè)柏人工林林內(nèi)和林外同步進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)。此種方法的優(yōu)勢(shì)在于通過激光原理可直接測(cè)定某段時(shí)間內(nèi)通過儀器受雨面積的雨滴大小、數(shù)量和速度，并直接利用動(dòng)能公式計(jì)算雨滴動(dòng)能，避免了利用經(jīng)驗(yàn)公式推算帶來的不確定性，測(cè)定結(jié)果較為精準(zhǔn)。本文利用激光雨滴譜儀長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)2008—2010年多場(chǎng)典型降雨中林內(nèi)與林外雨滴的數(shù)量、大小、速度、動(dòng)能等動(dòng)力學(xué)特征值進(jìn)行了對(duì)比分析，初步探討了林冠層對(duì)雨滴結(jié)構(gòu)和能量調(diào)控的特征和機(jī)理。

1 研究區(qū)概況

本文研究數(shù)據(jù)出自位于北京妙峰山林場(chǎng)的國(guó)家林業(yè)局首都圈森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，該研究站地處北京市西北郊太行山北部，燕山東端，北緯39°54′，東經(jīng)116°28′。妙峰山林場(chǎng)屬華北大陸型季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季涼爽多雨，冬季干燥寒冷。年平均氣溫12.2℃，最高氣溫39.7℃，最低氣溫19.6℃，無霜期180天，年降水量近700mm，多集中在7、8月份。

監(jiān)測(cè)樣地海拔170m，坡向?yàn)槟掀珫|68°，坡度15°，土層瘠薄，A+B層厚度為20 cm左右。樣地為側(cè)柏林，林分密度為1531株/hm2，平均年齡53 a，郁閉度0.7，林分樹高和胸徑特征如表1所示。林下灌木層蓋度40%，主要有構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、酸棗(ZizyphusjujubaMill)、小葉鼠李(Rhamnusparvifolia)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、孩兒拳頭(Grewiabiloba)、胡枝子(Lespedezabicolor)等。草本層蓋度20%，主要有鴨跖草(Commelinacommunis)、羊胡子草(Eriophorumvaginatum)、菅草(Themedajaponica)、中華卷柏(Selaginellasinensis)等。監(jiān)測(cè)樣地林分為研究地區(qū)典型的側(cè)柏人工中齡林的結(jié)構(gòu)特征。

表1 側(cè)柏樣地喬木胸徑、樹高特征

2 研究方法

2.1 儀器布設(shè)

2008年6月至2010年10月期間，在北京妙峰山側(cè)柏林監(jiān)測(cè)樣地內(nèi)和該樣地50m外的空曠地處布設(shè)兩臺(tái)LPM激光雨譜儀(Laser Precipitation Monitor，德國(guó)，thiesclima公司)同時(shí)進(jìn)行林內(nèi)和林外降雨監(jiān)測(cè)。該儀器應(yīng)用激光原理對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行測(cè)定，儀器觀測(cè)高度為91.0cm，探測(cè)面積為45.6cm2，測(cè)定對(duì)象最小直徑達(dá)到0.16mm，測(cè)定時(shí)間間隔為1s，可實(shí)時(shí)測(cè)定雨滴的總量，大小，強(qiáng)度，和運(yùn)動(dòng)速度，可體現(xiàn)場(chǎng)降雨的整個(gè)變化過程。同時(shí)利用激光雨譜儀配套的自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)空氣溫度(℃)、空氣相對(duì)濕度(%)，風(fēng)速(m/s)和風(fēng)向等。用CI- 110植物冠層圖像分析儀測(cè)定雨滴譜儀上方75°天頂角的葉面積指數(shù)為1.65。

2.2 數(shù)據(jù)選取

研究區(qū)降雨有較強(qiáng)的地帶性特征，主要雨型可分為兩種：一是由局部地形和氣候影響產(chǎn)生的來勢(shì)猛、歷時(shí)短(1 h左右)的小面積降雨，稱為短陣性雨型；二是主要是季風(fēng)(鋒面)影響的大面積普通降雨雨型。前者出現(xiàn)次數(shù)較多但降雨量的貢獻(xiàn)率不大，而后者出現(xiàn)次數(shù)偏少但對(duì)年降水量的貢獻(xiàn)率可占80%以上，是地表徑流和土壤侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)因子，因此將后一種雨型作為主要的研究對(duì)象。為保證數(shù)據(jù)的典型性，分別選取了2008年1場(chǎng)，2009年3場(chǎng)和2010年2場(chǎng)較長(zhǎng)時(shí)間降雨，從每場(chǎng)降雨經(jīng)過的首個(gè)整點(diǎn)時(shí)間開始每隔30min取樣1次，共獲得100組1min內(nèi)雨滴特征數(shù)據(jù)值，具體取樣信息見表2。

表2 雨滴數(shù)據(jù)選取情況

2.3 降雨動(dòng)能的計(jì)算

根據(jù)通用動(dòng)能計(jì)算公式，單個(gè)雨滴的動(dòng)能Ed(J)主要取決于雨滴的直徑D(mm)和下落時(shí)的終點(diǎn)速度μT(D)(m/s)，Ed可以根據(jù)下式來計(jì)算：

式中,ρ為水的密度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為1.0×10-6kg/mm3。

雨滴終點(diǎn)速度與雨滴形狀、大小和空氣狀況等因素緊密相關(guān)，但由于這些因素都存在很大的變異性，并且很難通過測(cè)量的手段獲得，從而給雨滴動(dòng)能的計(jì)算帶來了困難。實(shí)際計(jì)算中通常使用經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來代替復(fù)雜的基于物理過程的計(jì)算。本次研究采用LPM激光雨譜儀探測(cè)可以直接測(cè)定出林內(nèi)和林外的雨滴終點(diǎn)速度，不需要通過經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行換算。將雨譜儀測(cè)得的100組雨滴速度和雨滴直徑來代入能量計(jì)算公式，可測(cè)得每個(gè)徑級(jí)的雨滴在各次降雨中的動(dòng)能情況，將同一次降雨中所有徑級(jí)的雨滴相加可得出每個(gè)1min取樣時(shí)間內(nèi)的總降雨動(dòng)能，再用總動(dòng)能除以儀器采樣面積0.00456m2就能得出單位面積每分鐘降雨動(dòng)能值Es(J m-2min-1)。用Es除以每分鐘降雨量得出了單位降雨量、單位時(shí)間、單位面積的降雨動(dòng)能，用Ep(J m-2min-1mm-1)來表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠對(duì)雨滴大小分布的影響

3.1.1 林內(nèi)外雨滴大小分布差異

表1反映了林內(nèi)和林外所有樣本中各直徑級(jí)別的雨滴數(shù)目分布情況，可以看出林內(nèi)外雨滴直徑大都分布在0.125—0.5mm之間，但林內(nèi)與林外的各徑級(jí)雨滴分布規(guī)律有著一定的差異。林內(nèi)的雨滴總數(shù)為149053個(gè)而林外雨滴總數(shù)為108130個(gè)，林內(nèi)的雨滴總數(shù)高于林外37.8%，林內(nèi)≤0.25mm的雨滴無論從數(shù)量還是百分比上都要高于林外，而林外雨滴減少幅度最大的是直徑處于0.75—2.00mm之間的雨滴，可以確定林冠能將體積較大的雨滴分散形成了更多小雨滴，這與羅德和王琛的研究結(jié)果近似[18- 19]。

表3 雨滴大小分布

雨滴個(gè)數(shù)為雨譜儀的有效測(cè)定面積上(0.0046m2)測(cè)得的數(shù)值

林冠層除了分散雨滴作用外還有著匯集雨滴的作用。從表3中可以看出，林內(nèi)的雨滴數(shù)量增加幅度最大的是0.375mm徑級(jí)，對(duì)比林外此徑級(jí)的雨滴數(shù)量增加了114%，占雨滴總數(shù)的百分比也從11.25%增加到了17.51%。據(jù)雷瑞德測(cè)定[16]，一枚針葉聚集自然下落的雨滴直徑為2.8—3.4mm，而兩枚針葉為3.4—3.8mm，從本研究結(jié)果上看側(cè)柏葉聚集雨滴的特征與兩枚針葉的更為近似。同時(shí)也可以看出，大于3mm的每個(gè)徑級(jí)林內(nèi)的雨滴數(shù)目都多于林外。林外降雨幾乎沒有直徑大于4mm的雨滴，而林內(nèi)則出現(xiàn)了一些7mm以上的大雨滴。

3.1.2 不同徑級(jí)雨滴對(duì)降雨的貢獻(xiàn)率

林冠層對(duì)雨滴大小分布的改變對(duì)降雨的影響需要分析各徑級(jí)雨滴對(duì)總降雨的體積貢獻(xiàn)率才能有更全面的認(rèn)識(shí)。圖1反映了全部樣本中林內(nèi)和林外不同徑級(jí)雨滴對(duì)總降雨的體積貢獻(xiàn)率變化，圖2則反映了累積體積貢獻(xiàn)率的變化情況。從圖1可以看出，林外降雨體積貢獻(xiàn)率最大的雨滴直徑范圍是0.5—2mm，整體上看呈單峰曲線變化，其中貢獻(xiàn)率最大的為1mm徑級(jí)雨滴，達(dá)到了15.1%；而林內(nèi)降雨體積貢獻(xiàn)率隨雨滴直徑增加呈多峰山狀變化，在0.5、4、5mm處為體積貢獻(xiàn)率的峰值，貢獻(xiàn)率最大的為徑級(jí)在4mm的雨滴，達(dá)到了10.9%。圖2反映了林內(nèi)外不同徑級(jí)雨滴對(duì)總降雨累積體積貢獻(xiàn)率，從圖中可以看出林內(nèi)外雨滴體積累計(jì)分布曲線有一定差別，林內(nèi)曲線較為平緩，雨滴體積積累隨雨滴直徑呈緩慢均勻上升狀態(tài)，而林外曲線則上升急促，到雨滴直徑為2mm處時(shí)的體積累積已超過了90%。林內(nèi)外雨滴各徑級(jí)累積體積的分布規(guī)律表明，由于林冠對(duì)降雨的攔截再分配功能，林下降雨雨滴在各個(gè)徑級(jí)間更為分散，中間直徑的雨滴數(shù)量減少，體積貢獻(xiàn)率變低，而小雨滴和大雨滴的數(shù)量都有所增加，其中大雨滴的體積貢獻(xiàn)率有了明顯增加，這與張穎和王琛等人的研究結(jié)論相同[5,19]。

圖1 林內(nèi)外不同徑級(jí)雨滴對(duì)總降雨體積貢獻(xiàn)率Fig.1 Total rainfall volume contribution of different diameter level raindrops inside and outside forest

圖2 林內(nèi)外不同徑級(jí)雨滴對(duì)總降雨累積體積貢獻(xiàn)率Fig.2 Total rainfall volume accumulation contribution of different diameter level raindrops inside and outside forest

圖3 林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度隨雨滴直徑變化情況 Fig.3 Change of raindrops terminal speed along with raindrops diameter outside and inside forest

3.2 林冠對(duì)雨滴終點(diǎn)速度的影響

3.2.1 林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度差異

將選取的100個(gè)1min內(nèi)雨滴數(shù)據(jù)樣本中林內(nèi)外各徑級(jí)的雨滴平均速度隨雨滴直徑繪制成折線圖(圖3)。從圖中可以看出，林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度都隨著雨滴直徑的增加而增加。當(dāng)雨滴直徑小于0.75mm時(shí)林內(nèi)和林外的相同直徑的雨滴終點(diǎn)速度差異很小，當(dāng)雨滴直徑在大于0.75mm時(shí)，同一徑級(jí)林內(nèi)的雨滴速度開始低于林外并且隨著雨滴直徑的增加林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度差異逐漸加大。林外雨滴在直徑達(dá)到3mm后速度穩(wěn)定在7m/s左右，而直徑大于4mm的林內(nèi)雨滴隨著直徑增加其雨滴終點(diǎn)速度一直在不斷增加，當(dāng)雨滴直徑大于6mm后還出現(xiàn)了一段較快的增加趨勢(shì)，林內(nèi)大雨滴的最高速度能達(dá)到7.8m/s左右。

圖4 林外雨滴直徑-速度分布Fig.4 Distribution of raindrops diameter-velocity outside forest圖中實(shí)線為Gunn-Kinzer曲線

圖5 林內(nèi)雨滴直徑-速度分布Fig.5 Distribution of raindrops diameter-velocity inside forest圖中實(shí)線為Gunn-Kinzer曲線

3.2.1 雨滴終點(diǎn)速度與雨滴大小分布的相關(guān)性

為研究林內(nèi)與林外雨滴大小和雨滴終點(diǎn)速度分布的差異性，選取了2010年8月21日降雨中時(shí)間接近、雨強(qiáng)相似的兩組雨滴數(shù)據(jù)樣本，儀器測(cè)定并由自帶軟件生成的林內(nèi)與林外雨滴分布譜圖見圖4和圖5。Atlas利用Gunn和Kinzer在海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果[14,20]，提出了雨滴直徑與雨滴終點(diǎn)速度的經(jīng)驗(yàn)公式V=9.65-10.3e-0.6D[20,14]，式中V為雨滴終點(diǎn)速度(m/s)，D為雨滴直徑(mm)。從圖4中可以看出，林外的雨滴直徑和終點(diǎn)速度分布基本上符合Gunn-Kinzer曲線的規(guī)律，可以認(rèn)為Gunn-Kinzer公式對(duì)于研究區(qū)的降雨有著較好的適應(yīng)性。而林內(nèi)雨滴直徑和終點(diǎn)速度的分布較為較分散，出現(xiàn)了低速(4.2—5.8m/s)的較大雨滴(4—4.5mm)，和少量速度大于5.8m/s的較小雨滴(0.25—0.375m/s)。

3.3 林冠對(duì)雨滴動(dòng)能的影響

3.3.1 林內(nèi)外不同雨滴直徑和終點(diǎn)速度對(duì)降雨動(dòng)能的貢獻(xiàn)

圖6 林內(nèi)外不同直徑雨滴的動(dòng)能貢獻(xiàn) Fig.6 Contribution for rainfall kinetic energy by different diameter level raindrops outside and inside forest

圖6表示所有樣本降雨數(shù)據(jù)中不同徑級(jí)雨滴貢獻(xiàn)的雨滴動(dòng)能Es情況。從圖中可以看出林外降雨總動(dòng)能值Es隨雨滴直徑增加呈單峰曲線變化趨勢(shì)，0.5—3mm徑級(jí)的雨滴貢獻(xiàn)了95%以上的降雨動(dòng)能，小于0.5mm的雨滴數(shù)量眾多但由于其質(zhì)量小而且終點(diǎn)速度較低，其對(duì)動(dòng)能的貢獻(xiàn)率不大，而大于3mm的雨滴數(shù)量過少對(duì)總動(dòng)能的貢獻(xiàn)也很小。而林內(nèi)降雨各徑級(jí)對(duì)雨滴總動(dòng)能的貢獻(xiàn)隨雨滴徑級(jí)的增加呈多峰山狀變化，各徑級(jí)之間雨滴提供的動(dòng)能較林外降雨來說差異較小，直徑在2—7.5mm范圍的雨滴貢獻(xiàn)的動(dòng)能占總動(dòng)能的絕大部分。可見林冠層的存在削減了林外雨滴直徑0.5—3mm的降雨動(dòng)能，并將削減動(dòng)能的大部分轉(zhuǎn)化給聚合生成的大徑級(jí)雨滴。

圖7 林內(nèi)外不同終點(diǎn)速度雨滴的動(dòng)能貢獻(xiàn) Fig.7 Contribution for rainfall kinetic energy by different raindrops terminal speed outside and inside forest

圖7表示了所有樣本降雨數(shù)據(jù)中不同終點(diǎn)速度的雨滴貢獻(xiàn)動(dòng)能Es情況。從圖中可以看出林內(nèi)和林外終點(diǎn)速度小于2.6m/s的雨滴貢獻(xiàn)動(dòng)能的情況差異不大，這個(gè)速度范圍內(nèi)的雨滴動(dòng)能對(duì)總降雨動(dòng)能的貢獻(xiàn)程度都很微小。在雨滴終點(diǎn)速度處于2.6—11m/s的區(qū)間內(nèi)林外雨滴動(dòng)能隨終點(diǎn)速度增加總體上呈單峰曲線變化趨勢(shì)，而林內(nèi)降雨的動(dòng)能呈多峰山狀變化。在雨滴終點(diǎn)速度為4—9m/s的區(qū)間內(nèi)林外雨滴的動(dòng)能明顯高于林內(nèi)降雨，林內(nèi)降雨只在速度為10mm處雨滴動(dòng)能高于林外降雨?？偨Y(jié)林內(nèi)外的變化規(guī)律，可以認(rèn)為林冠層主要削減了雨滴終點(diǎn)速度為4—9m/s的林外降雨的雨滴動(dòng)能值。

3.3.2 林內(nèi)外降雨動(dòng)能對(duì)比

通過對(duì)雨譜儀實(shí)測(cè)的100組數(shù)據(jù)得出的林內(nèi)外雨滴動(dòng)能各個(gè)相關(guān)參數(shù)的對(duì)比情況如表4所示。從表中可以看出，100組數(shù)據(jù)的林內(nèi)平均雨強(qiáng)為4.35mm/h，而林外為5.68mm/h，這種差異反映了林冠層對(duì)降雨的截持作用，相當(dāng)于占總量23.4%的降雨無法降落到地面。林內(nèi)平均每分鐘每平方米的雨滴個(gè)數(shù)為324028.26個(gè)，而林外此數(shù)值為235065.21個(gè)，林內(nèi)比林外高38%。林外單個(gè)雨滴的動(dòng)能平均值Ed為29.02μJ，而林內(nèi)Ed值為24.56μJ。從雨滴總數(shù)量上看林內(nèi)要高于林外，但由于林內(nèi)大量的小雨滴其動(dòng)能值非常微小，導(dǎo)致降低了林內(nèi)雨滴的平均動(dòng)能值有所降低。平均Es值是林內(nèi)外雨滴動(dòng)能情況的綜合反映，林外平均Es值為0.859 J m-2min-1，而林內(nèi)為0.627 J m-2min-1，相當(dāng)于側(cè)柏林地雨滴降落到地面的動(dòng)能比林外空曠地減少了27%，這個(gè)結(jié)果說明林冠層對(duì)降雨動(dòng)能的削減作用較為明顯。而平均Ep值反映了假定林內(nèi)外降雨量完全相同情況下的動(dòng)能差異情況，可以看出林外平均Ep值為6.821 J m-2min-1，而林內(nèi)為7.957 J m-2min-1，林內(nèi)要高于林外。這反映了林冠層枝葉積聚雨滴以及其他的相關(guān)物理過程能夠使等降雨量的降雨動(dòng)能有所增加。

表4 林內(nèi)外降雨動(dòng)能對(duì)比

4 討論

(1)降雨通過林冠層時(shí)被分解為許多分量，一部分是未經(jīng)樹體接觸而從林冠空隙中穿過的自由穿透降雨，其降雨特征同林外降雨相比沒有發(fā)生變化；一部分是林冠截持降雨，它被林冠枝葉截持并最終直接蒸發(fā)到空氣中，不會(huì)對(duì)地面發(fā)生作用，可認(rèn)為這部分降雨的動(dòng)能被林冠層完全消減了；另一部分是沿樹干緩緩流到林地的干流，樹干流的不存在對(duì)地面的擊濺作用，其降雨動(dòng)能可忽略不計(jì)；還有一部分降雨，雖被林冠攔截過，但最終還是降落到林地，稱為林冠降雨。實(shí)際觀測(cè)中不能把直接穿透降雨和林冠降雨分開，常合稱為穿透降雨。本研究所測(cè)定的林內(nèi)降雨動(dòng)能即為廣義上的穿透降雨，其與林外降雨的差值能夠比較準(zhǔn)確的反映林冠層對(duì)降雨動(dòng)能削減的程度。

本研究發(fā)現(xiàn)林下降雨雨滴在各個(gè)徑級(jí)間更為分散，中間直徑的雨滴數(shù)量減少，體積貢獻(xiàn)率變低，而小雨滴和大雨滴的數(shù)量都有所增加，其中大雨滴的體積貢獻(xiàn)率有了明顯增加。通過對(duì)林內(nèi)降雨中雨滴大小的分布規(guī)律研究以及與林外降雨的對(duì)比分析，可認(rèn)為林冠降雨也可分為兩個(gè)部分：一部分是林冠層通過枝葉和雨滴的碰撞將自然降雨中大量的雨滴分散成了更小的雨滴，可稱作飛濺液滴；另一部分是由于葉片的匯聚作用將一部分的小雨滴聚合成直徑較大的雨滴降落在林下地面，可稱為葉片滴落雨。而研究得出的林內(nèi)降雨雨滴分布規(guī)律就是自由穿透降雨、飛濺液滴和葉片滴落雨的共同反映，這與Nanko等得出的研究結(jié)論基本一致[21]。

(2)雨滴終點(diǎn)速度是降雨參數(shù)中一個(gè)重要的微物理量，決定了降水動(dòng)能的大小。雨滴下落的過程中同時(shí)受到3種力共同作用，即重力，空氣阻力和空氣浮力。在這3種力的共同作用下，雨滴的下落運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)加速度逐漸減小直至為零的變加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加速度為零時(shí)，雨滴作勻速運(yùn)動(dòng)。雨滴速度從0到勻速的過程所經(jīng)歷的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間，所走過的路程稱為慣性路程，最后所達(dá)到的均勻速度稱為雨滴終點(diǎn)速度[22]。而林冠層通過截留、分散和匯聚作用改變了雨滴的原有運(yùn)動(dòng)規(guī)律，會(huì)使林內(nèi)與林外的雨滴終點(diǎn)速度分布規(guī)律出現(xiàn)一定的差異性。

研究結(jié)果表明，當(dāng)雨滴直徑小于0.75mm時(shí)林內(nèi)和林外的相同直徑的雨滴終點(diǎn)速度差異很小，直徑較小的雨滴能在較快時(shí)間和較短的運(yùn)行距離內(nèi)達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)雨滴直徑在大于0.75mm時(shí)，相同徑級(jí)的雨滴林內(nèi)速度開始低于林外并且隨著雨滴直徑的增加林內(nèi)外雨滴終點(diǎn)速度差異逐漸加大，這說明在此直徑范圍內(nèi)林內(nèi)雨滴無法在8m左右的降落高度內(nèi)達(dá)到終點(diǎn)速度，并且林內(nèi)雨滴直徑越大其終點(diǎn)速度與勻速運(yùn)動(dòng)速度的差異值越大。而在林內(nèi)通過林冠匯聚作用重新生成的葉片滴落雨隨著直徑增加其雨滴終點(diǎn)速度一直在不斷增加，說明葉片滴落雨可通過自身質(zhì)量的增加不斷提高下落時(shí)的加速度從而在相同的運(yùn)動(dòng)距離內(nèi)達(dá)到更大的終點(diǎn)速度。林內(nèi)雨滴由于林冠的截留、分散和匯聚作用，相比于林外其雨滴直徑與雨滴終點(diǎn)速度的相關(guān)性降低，雨滴譜分布更加分散，這與Frasson和Krajewski在玉米冠層下得出的研究結(jié)論相似[23]。

(3)從能量守恒的角度來講，雨滴從天空形成直至降落地面的過程中林冠層對(duì)降雨的阻攔相當(dāng)于增加了雨滴下降的阻力，林冠層對(duì)雨滴做負(fù)功，則雨滴的總動(dòng)能必然減小。通過研究得出相同受雨面積下林內(nèi)降雨動(dòng)能比林外減小了27.0%，證明了側(cè)柏林對(duì)降雨的動(dòng)能有著有效的削減效果。同時(shí)，研究得出林內(nèi)降水量比林外減小了23.4%，而減少的這部分降雨被截留在枝葉表面或沿樹干緩緩流下，它們的動(dòng)能基本上完全損失，說明了林冠層削減降雨動(dòng)能主要還是通過林冠截留作用實(shí)現(xiàn)的。

研究中發(fā)現(xiàn)林內(nèi)降雨單位雨滴的平均動(dòng)能Ed和單位面積單位降水量的動(dòng)能Ep平均值均要高于林外降雨。經(jīng)分析可知，造成這種現(xiàn)象的原因在于林冠枝葉能將降雨中小雨滴匯集成了大雨滴最終降落至地面，這部分經(jīng)林冠匯聚作用新生成的葉片滴落雨同時(shí)具有較大的質(zhì)量和速度，是林內(nèi)降雨動(dòng)能的主要組成部分。之前的一些研究也認(rèn)為由于林冠枝葉積聚雨滴作用，林下雨滴動(dòng)能或?yàn)R蝕力在某些情況下有所增加[16, 24- 25]。因此，植被覆蓋可以在削減林內(nèi)降雨總量方面降低林內(nèi)土壤的水力侵蝕，但在局部可能會(huì)加重雨滴對(duì)土壤表面的擊濺侵蝕作用。

林冠層對(duì)降雨的能量調(diào)節(jié)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，這與植被的枝葉特性、降落高度、降雨類型、降雨強(qiáng)度、氣象因素等都有著密切關(guān)系。本研究由于條件有限，僅限于研究單一的樹種和林分結(jié)構(gòu)下林內(nèi)與林外降雨動(dòng)能的變化情況，并不能反映林冠結(jié)構(gòu)以及降雨期間氣象條件對(duì)動(dòng)能的影響。希望今后此類研究能夠繼續(xù)深入開展，并與先進(jìn)的傳感技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步揭示林冠層對(duì)降雨能量調(diào)節(jié)作用的規(guī)律。

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ResearchonchangesofdynamiccharacteristicsofrainfallthoughPlatycladusOrientalisplantationcanopyinBeijingMountainArea

SHI Yu1，YU Xinxiao2,*，ZHANG Jianhui1, LUO Haijiang1, ZHANG Jiayin3

1ChinaNationalEnvironmentalMonitoringCenter,Beijing100012,China2CollegeofSoilandWaterConservationBeijingForestryUniversity&KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationDeserticationCombatingofMinistryofEducation,Beijing100083,China3ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China

Due to forest canopy layer redistributes the energy of rainfall, the size distribution, terminal velocity and kinetic energy of raindrops change through the canopy. These changes are important part of the ecological hydrology functions of forest. However, at home and abroad, there is less studies on forest affecting the dynamic characteristic of rainfall is less, and the research methods are always imperfect. This study, performed at the Miaofeng Mountain forest farm in Beijing, used two laser raindrop spectrometers to synchronously monitor precipitation both inside and outside aPlatycladusorientalisplantation, and analyzed the size, amount, velocity, kinetic energy and other dynamic characteristics of raindrops outside and inside forest for the typical rainfall events. The results show the amount of raindrops outside forest was 37.8% above inside forest, the amount of small and big diameter raindrops increased inside forest, but the middle diameter raindrops decreased. The rainfall volume contribution outside forest showed unimodal curve with the increase of raindrop diameter change, but that showed polymodal curve inside forest. The terminal velocity reduced inside forest, especially for the raindrops with diameter in the range of 0.75—4.5 mm. Compared with outside forest, the correlation between the diameter and terminal velocity of raindrops inside forest was reduced, and the raindrop spectrum distribution was more scattered. The rainfall kinetic energy contribution outside forest showed unimodal curve with the increase of raindrop diameter change, but that showed polymodal curve inside forest. When the raindrops terminal velocity was in the range of 4—9m/s, the kinetic energy contribution of the raindrops outside forest was obviously higher than inside forest. The total kinetic energy of the raindrop fallen on the ground inside thePlatycladusorientalisplantation was 27.0% less than outside forest, and the main reason of that is the forest canopy cut down the precipitation inside forest.

raindrop kinetic energy; raindrop size; terminal velocity; Beijing mountain area;Platycladusorientalis

林業(yè)公益性行業(yè)科研資助項(xiàng)目(201104005)

2013- 07- 08;

2013- 10- 10

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yuxinixao111@126.com

10.5846/stxb201307081861

史宇，余新曉，張建輝，羅海江，張佳音北京山區(qū)側(cè)柏林冠層對(duì)降雨動(dòng)力學(xué)特征的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(24):7898- 7907.

Shi Y，Yu X X，Zhang J H, Luo H J, Zhang J Y.Research on changes of dynamic characteristics of rainfall thoughPlatycladusOrientalisplantation canopy in Beijing Mountain Area.Acta Ecologica Sinica,2013,33(24):7898- 7907.