全 文 ：林冠截持降雨模型的初步研究 3
郭明春1 　于澎涛1 　王彦辉1 3 3 　沈振西1 　时忠杰1 　杜阿朋2 　何常清2
(1 中国林业科学研究院 ,北京 100091 ;2 河北农业大学林学院 ,保定 071000)
【摘要】　通过对林冠截持过程的研究 ,将单场降雨划分成很多个小的时段 ,顺序计算各小时段内降雨在林
冠内的分配 ,建立了一个林冠降雨截持模型. 模型考虑了冠层和树干干燥度对冠层雨期蒸发的影响 ,并在
计算雨期蒸发时引入冠层叶面积指数、单位林地面积上树干表面积. 运用模型对华北落叶松林的降雨截持
进行模拟 ,结果表明 ,模拟穿透雨与实测穿透雨基本吻合 ,误差在 ±1 mm 范围内 ,但在小降雨 ( < 6 mm) 时
模拟值偏低 ;树干茎流量模拟值偏低 ,茎流模拟相对误差随着降雨量增大而减小. 同时模拟了穿透降雨的
过程 ,结果与林内自动气象站实测穿透降雨的过程基本吻合 ,模拟效果较好.
关键词 　华北落叶松 　林冠截持 　模型
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 09 - 1633 - 05 　中图分类号 　S715 　文献标识码 　A
Rainfall interception model of forest canopy :A preliminary study. GUO Mingchun1 , YU Pengtao1 , WAN G
Yanhui1 ,SHEN Zhenxi1 ,SHI Zhongjie1 ,DU Apeng2 , HE Changqing2 (1 Chinese Academy of Forest ry , Beijing
100091 , China ;2 College of Forest ry , Hebei A gricultural U niversity , B aoding 071000 , China) . 2Chin. J . A p2
pl . Ecol . ,2005 ,16 (9) :1633～1637.
Canopy interception is an important hydrological process in forest ecosystem ,and its modelling is of significance to
understand and estimate the rainfall interception by the canopy. In this paper ,a canopy rainfall interception model
was established by dividing a rain incident into a set of short period ,calculating the rainfall distribution intercept2
ed by the canopy ,and educing the process of the rain incident . This model considered the effects of the dryness of
canopy and trunk on the evaporation from wet canopy and trunk during one rain incident ,and introduced two
factors ,leaf area index (LAI) and surface area of trunk per unit area of ground (SAI) ,when computing the e2
vaporation. The application of the model to simulate the rainfall interception process in a L arix principis2rup2
prechtii plantation in Guyuan , south Ningxia Hui autonomous region of China showed that the simulated and
measured throughfall were identical , and the absolute deviation between simulated and measured results was
within ±1 mm. But ,when the precipitation was smaller than 6 mm ,the simulated throughfall was lower than
the measured one. The values of simulated stemflow were lower than the measured values ,and the relative devia2
tion between simulated and measured values was smaller when the precipitation was larger. The process of
throughfall in the forest was also simulated ,with the results fitted well to the measured one.
Key words 　L arix principis2rupprechtii , Canopy interception , Model.3 国家重点基础研究发展规划项目 (2002CB111501) 、国家自然科学
基金重点项目 ( 30230290) 、国家林业局引进国际先进技术项目
(200324243) 、科技部社会公益研究专项 (2004DIB3J102) 和国家林业
局森林生态环境重点实验室资助项目.3 3 通讯联系人 1
2005 - 04 - 08 收稿 ,2005 - 05 - 17 接受 11 　引 　　言在森林生态系统中 ,林冠对降雨的截持过程是一个十分重要的水文过程 ,通过对降雨的再分配影响最终落到地面上的降雨的质和量[13 ,15 ,16 ] . 从最终结果看 ,林冠截持的降雨量会被蒸发到大气中 ,可以将降雨截持分成雨期蒸发和雨后蒸发两部分[10 ] . 因此 ,只要确定了林冠层的截蓄容量和雨期的蒸发量 ,即可确定林冠截持的降雨量. 雨期蒸发量与植被蒸发面积、由降雨期间气象条件决定的大气蒸发能力有关 ;雨后蒸发则与由植被结构特性决定的截蓄容量有关. 气象因子和林分结构特性能改变林冠截蓄容量和雨期蒸发量 ,影响林冠的截持量. 已有研究表明 ,降雨强度和大气蒸发力在决定截持量中具有重要作用[7 ,22～24 ] ;截持受林分特性如年龄、密度、生长 发育阶段的影响 ;在单株水平上 ,树冠长度、树冠密度、冠幅、树木叶面积、树木分枝形态影响着降雨截持[19 ,24 ] . 在相似的气象条件下 ,林分降水截持量取决于冠层容量[19 ] . 冠层容量是冠层结构特性的反映.直接测定冠层容量的方法有浸泡或人工降雨后小枝或整树称重法 ;γ射线衰减 ( Gamma ray attenu2ation) 法 ; 微波传输 ( Microwave transmission ) 法等[10 ] .目前直接测定方法应用得还不普遍 ,大多研究采用间接的方法来确定截持容量 ,通常采用测定的穿透雨与林外降雨或截持量与林外降雨间的关系
应 用 生 态 学 报 　2005 年 9 月 　第 16 卷 　第 9 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY , Sep. 2005 ,16 (9)∶1633～1637
来推求冠层的截持容量[4 ,10 ] .
降雨截持模型对于理解林分的降雨截持作用和
估计林冠的降雨截持量有重要作用[21 ] . 早期的降雨
截持模型如 Horton[9 ] 、Leonard[11 ]及 Helvey 等[8 ]的
经验模型 ,因没有考虑降雨强度、林分特征等因素对
截持的影响 ,不能推广到试验地以外的其他林分. 随
后出现了以 Rutter 模型为代表的概念模型[18 ] ,在一
定程度上考虑了气象因子和林分结构对降雨的影
响 ,能够估计截持的不同组分如降雨期间和降雨停
止后的截持损失. Gash[6 ]在 Rutter 模型基础上建立
了林冠截持的解析模型 ,后来 Gash[5 ]又对其进行改
进 ,使之适用于稀林地. 由于简单及要求数据少 ,
Gash 解析模型广泛应用到各种不同类型的林分截
持研究[2 ] . Gash 模型用冠层截持损失对林外降雨回
归线的斜率乘以平均降雨强度来表示降雨期间的平
均蒸发速率[3 ] ;同时对降雨截持的过程缺乏考虑.
本文通过对华北落叶松降雨截持的试验研究 ,将降
雨划分成很多个小的时段 ,考虑冠层叶面积指数、单
位林地面积上树干表面积及冠层和树干干燥情况对
冠层雨期蒸发的影响 ,在前人模型研究的基础上建
立了一个林冠降雨截持模型.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地区概况
试验落叶松样地位于宁夏固原叠叠沟林场华北落叶松
人工林内 (106°08′52″E ,38°58′12″N) ,海拔 2 041 m ,样地面
积 30 m ×30 m ,坡向西北 ,坡度 11°. 林分为华北落叶松纯
林 ,林龄 20 年 ,密度 1 778 株·hm - 2 ,树木平均树高 7174 m ,
平均胸径 8131 cm ,平均枝下高 1153 m. 林分郁闭度为 0172.
212 　研究方法
21211 模型描述 　首先将降雨划分成一个个独立的降雨事
件 ,使每两次降雨间的间隔足够长 ,前一场降雨被林冠、树干
截持的水量可以完全蒸发掉 ,间隔时间不够长的降雨看作是
一个降雨事件. 将降雨事件划分成很多个短的时间段Δ t ,在
Δt 很短的情况下 ,可以认为在每个时间段内降雨强度 ( RP)
与冠层蒸发速率不变 ,等于该时段初始时刻的降雨强度和蒸
发速率. 通过计算每个时间段内的蒸发量和冠层蓄水量变
化 ,得到整个降雨事件的降雨截持过程 ,同时得到树干径流
和林内穿透雨量随着降雨的变化过程.
图 1 为概化的截持过程图 ,将林分冠层及树干分别看作
一个整体 ,其各个部分的截持作用是相同的.
某一Δt 时间段内截持过程计算如下 :
在Δt 时间内总的降雨量 ( PG) 等于这一时段初始时刻
的降雨强度 ( R Pt) 乘以Δt . 它可分成两部分 ,即不通过冠层
直接落到地面的降雨 ( PF) 和落在冠层的降雨 ( PC) :
图 1 　模型概化的截持过程图
Fig. 1 Figure of the concept model of rainfall interception process of for2
est canopy1
PG :总降雨量 Gross precipitation ; PF :不通过冠层直接落到地面的降雨
Precipitation that passes through the canopy without coming in contact with
the canopy ; PC :落在冠层的降雨 Precipitation that drop on the canopy (PG
- PT) ; PS :从冠层流到树干的雨量 Precipitation reaching the trunks fom
canopy ; PD :从冠层直接滴到地面的雨量 Precipitation drain from canopy ;
S F :树干茎流量 Stemflow ; C :冠层蓄水量 Canopy storage ; CS :树干蓄水
量 Trunk storage ; EcT :冠层蒸发量 The evaporation from canopy ; EsT :树
干蒸发量 Evaporation from trunk1
　　PF = F ·PG (1)
PC = PG - PF = (1 - F) PG (2)
其中 , F 为自由穿透系数 ,表示不通过冠层的降雨的比例 ,它
与林分郁闭度 ( COV ) 有关 ,这里假设 F = 1 - COV [14 ] .
PC被林冠层拦截吸附 ,或保持在林冠层 ,或蒸发散失到
大气中 ,或通过冠层排水进入林地. 冠层排水也分成两部分 :
直接落到地面部分 ( PD) 和沿枝条进入树干部分 ( PS ) . 因此
对于林冠根据水量平衡有下式 :
ΔC = PC - PS - PD - EcT (3)
其中 ,ΔC为Δt 时间内冠层蓄水量的变化 ; Ec T 为Δt 时间内
的冠层蒸发量 ,由下式确定 :
Ec T = Kc ·D ·L A I ·EPt ·Δt (4)
其中 , Kc 为冠层蒸发特性的一个经验常数 ; D 为冠层干燥程
度 ,用这一时段的冠层蓄水量 ( C) 与冠层容量 ( Cm) 的比值
表示[12 ] ,对独立降雨事件 ,降雨起始时 C值为 0 ,中间某一时
段的 C 值等于上一时段的 C 值加上上一时段内冠层蓄水量
的变化 ; L A I 为冠层叶面积指数 ; EPt 为这一时刻气象条件
下的蒸散潜力 ,用不考虑林分冠层阻力的 Penman2Monteith
公式计算.
模型中假设随着降雨的进行 ,落在冠层的降雨先保持在
冠层枝叶中 ,只有在冠层蓄水量达到其蓄水容量后 ,降雨才
会从冠层排出. 冠层蓄水变化量 (ΔC) 取Δt 时段内 PC 与
Ec T 的差值和 Cm 与 C 的差值中的小值.
当 PC - Ec T ≤Cm - C时 , PC不能或刚能满足冠层容
量 ,林冠不排水 , PS = PD = 0 . 当 PC - EcT > Cm - C时 ,
PC能满足冠层容量 ,林冠开始排水. 假设进入树干水量占总
排水量的比例一定 ,用干流系数 ( S ) 表示 ,则 PS 计算公式
为 :
PS = ( PC - ΔC) ·S (5)
根据式 (3) ,有
PD = PC - ΔC - PS - EcT (6)
4361 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
PS 进入树干后为树干表面吸收 , 在满足了树干容量
( CS m) 后从树干流到地面 ,即形成树干茎流 ( S F) . 同样 ,对
树干根据水量平衡有 :
ΔCS = PS - S F - Es T (7)
其中 ,ΔCS 为Δt 时间内树干蓄水量的变化 ; Es T 为Δt 时间
内树干蒸发量 :
Es T = Ks ·Ds ·SA I ·EPt ·Δt (8)
其中 , Ks 是表示树干蒸发特性的一个经验常数 ; Ds 表示树干
干燥程度 , 用这一时段的树干蓄水量 ( CS) 与树干容量
( CS m) 的比值表示 ,对独立降雨事件 ,降雨起始时 CS 值为
0 ,中间某一时段的 CS 值等于上一时段的 CS 值加上上一时
段内树干蓄水量的变化 ; SA I 为单位林地面积上的树干表面
积.
在模型中首先计算树干还能容纳的水量 , 即 :ΔCS =
CS m - CS
然后比较ΔCS 与 PS - Es T ,并根据式 (7) 计算产生的树
干茎流量 :
当 PS ≤ΔCS 时
S F = 0 (9)
ΔCS = PS - Es T (10)
当 PS >ΔCS 时
S F = PS - ΔCS - Es T (11)
至此这一时段的截持过程计算结束 ,得到时段内自由穿
透降雨 ( PT) 、树冠排水 ( PD) 和树干径流 ( S F) 3 个林内降雨
组分以及冠层、树干蓄水量和冠层、树干的雨期蒸发量构成
的截持量. 模型从降雨开始如此分时段计算到降雨结束 ,即
可得到整个降雨事件中林冠的截持.
21212 观测方法 　林分截持采用传统的观测方法 ,通过观测
林内和林外降雨 ,计算两者之差得到林分的截持量. 在样地
内随机放置了 20 个雨量筒 ,测定林内穿透雨 ;在样地内分径
级选择了 10 株标准木 ,用胶管缠在树干基部收集树干径流.
林外降雨由放在离样地 200 m 的林外的雨量筒测定 [15 ,20 ] .
观测时间为 2003 年 8～10 月和 2004 年 5～10 月 ,观测时按
降雨场次同时测定林内、林外降雨及树干径流.
在林内和林外放置美国产 L I21401 气象站测定降雨期
间太阳辐射、气温、空气相对湿度、风速等气象因子 ,同时测
定降雨过程.
叶面积指数用 L I22000 冠层分析仪测定. 并通过实测标
准枝叶面积进行较正. 单位林地面积上的树干表面积用下式
确定
SA I = r ·π·DS H · ( DS H2 )
2
+ H2 ·D EN
其中 , DS H为平均胸径 , H 为平均树高 , D EN 为林分密度 , r
为一干形系数 ,这里取 0156.
3 　结果与分析
311 　确定模型参数
根据研究样地的调查结果 ,计算得到模型中自
由穿透系数等于 0128 ,叶面积指数为 4119 ,单位林
地面积树干表面积为 012. 冠层容量、树干容量和干
流系数取值分别为 114 mm、0105 mm 和 0109 ,其确
定方法如下 :
冠层容量确定方法是用 > 5 mm 的降雨场次测
定的林外降雨和林内穿透降雨数据作散点图 ,作穿
透雨对林外降雨的回归直线 ,回归直线的截距即为
冠层容量 (图 2) .
图 2 　大于 5 mm 降雨场次的林内穿透雨对林外降雨散点图
Fig. 2 Scatter plot of throughfall versus precipitation when P > 5 mm1
　　树干容量和干流系数确定方法是用林外降雨与
树干茎流量作散点图 ,作树干茎流量对林外降雨的
回归直线 ,用直线斜率表示干流系数 ,截距表示树干
容量 (图 3) .
图 3 　树干茎流对林外降雨散点图
Fig. 3 Scatter plot of stemflow versus precipitation1
　　模型中冠层干燥度 D 和树干干燥度 Ds 由模型
在运行过程中根据冠层蓄水量和树干蓄水量的大小
求得.
312 　模拟结果
运用本模型模拟了 2003 年 8～10 月和 2004 年
5～9 月 34 场降雨华北落叶松试验样地的降雨截
持 ,对每场降雨运行时间步长均设为 10 s.
31211 穿透雨模拟 　用林内穿透雨的实测值和模拟
值作散点图 (图 4) ,可以看出模型模拟林内降雨量
与实测的林内降雨量比较吻合 ,回归直线斜率为
110062.
用穿透降雨模拟值与实测值之差表示模拟误差 ,
作随着林外降雨量变化模型模拟的误差图 (如图 5) ,
可以看出大多情况下模型模拟误差在 ±1 mm 内. 对
< 6 mm 的降雨 ,模型模拟值基本上都是偏低.
53619 期 　　　　　　　　　　　　　　　郭明春等 :林冠截持降雨模型的初步研究 　　　　　　　　　　　
图 4 　穿透雨实测值和模拟值比较
Fig. 4 Comparison of predicted and measured throughfall1
图 5 　林内穿透雨模拟误差图
Fig. 5 Deviation of predicted from measured throughfall1
31212 树干茎流量模拟 　本研究测定了 2003 年 9
月和 10 月中 6 场降雨树干茎流量 ,与之相比较树干
茎流量模拟值偏小 ,尤其在茎流量小的时候误差更
大. 模拟相对误差随着降雨量的增加而减小 ,在林外
降雨为 2316 mm 时相对误差 < 10 %(表 1) ,虽然模
拟相误差较大 ,但由于树干茎流量小 ,因而对截持量
的模拟结果影响很小.
表 1 　树干茎流实测值与模拟值比较( 2003)
Table 1 Comparison of predicted and measured stemflow( 2003)
日期
Date
(月·日)
林外降雨量
Rainfall in field
(mm)
实测树干茎流量
Measured SF
(mm)
模拟树干茎流量
Predicted SF
(mm)
相对误差
Deviation
( %)
9118 1015 01032 01011 6516
9120 1217 01066 01027 5911
9128 2211 01175 01112 3610
10101 1112 01056 01000 10010
10103 715 01023 01000 10010
10115 2316 01134 01121 917
31213 截持过程模拟 　将单场降雨划分成很多个小
的时段 ,通过顺序计算各个小时段内降雨在林冠内
的分配 ,最终得出单场降雨林冠的截持 ,因而模型能
够模拟出单场降雨林冠降雨截持的过程. 图 6 中 (a)
和 (b)分别为模型模拟的 2004 年 5 月 29 日和 7 月
25 日林内穿透降雨过程与林内气象站实测的穿透
雨过程的比较. 在降雨前期 ,模拟穿透降雨过程与实
测过程很吻合.
图 6 　林内实测穿透雨过程与模拟结果比较
Fig. 6 Comparison of measured and predicted process of the throughfall.
1) 累积降雨量 Cumulative rainfall ; 2 ) 模拟穿透雨过程 Predicted
throughfall ;3)实测穿透雨过程 Measured thoughfall.
　　对 34 场降雨的模拟结果进行统计 ,林外总降雨
量为 45913 mm ,模拟穿透雨量 40716 mm ,总树干
径流量 114 mm. 该落叶松样地截持了 5013 mm 的
降雨 ,截持率为 11 % ,雨期蒸发量为 1314 mm ,占总
截持量的 2617 %.
4 　讨 　　论
通过对林冠截持过程的研究 ,考虑冠层叶面积
指数及冠层和树干干燥情况对冠层雨期蒸发的影
响 ,建立了一个林冠降雨截持模型 ,分时段计算林冠
的截持. 运用模型对华北落叶松林的降雨截持进行
模拟 ,模拟结果与实测结果基本吻合 ,但还存在一定
的问题 :由于模型没有充分考虑林冠结构的复杂性 ,
假设冠层排水只有在冠层蓄水量达到冠层容量时才
会发生 ,而在实际降雨过程中 ,由于林冠结构的层次
性 ,往往在没有达到冠层容量时冠层已经开始排水.
这可能就是导致模型在模拟小降雨时模拟结果比实
测结果小的原因.
模型中将林分内所有树干看作一个整体 ,假设
只有在树干蓄水量达到林分树干容量时才会产生树
干茎流 ,而实际上不同径级树木树干茎流不是同时
产生的 ,并且对单株树也不是树干蓄水量达到树干
容量时才会产生树干茎流 ,因而可能导致树干茎流
模拟结果小于实测值.
模型中还存在着其他问题 ,如在模型中假设冠
层容量是个常数 ,而在实际中 ,冠层容量还受风、雨
滴大小等因素影响[1 ] ;模型中假设在降雨结束时树
冠排水即结束 ,忽略了林内降雨的滞后性 ,因此模拟
结果与实测的穿透降雨过程还有一定差别. 要解决
6361 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
这些问题还需要进一步考虑林分冠层结构及其吸
湿、排水过程机制对截持的影响.
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作者简介 　郭明春 ,男 ,1974 年出生 ,博士生. 主要从事森林
水文学研究. Tel : 010262889559 ; E2mail : mingchunguo @sina.
com
73619 期 　　　　　　　　　　　　　　　郭明春等 :林冠截持降雨模型的初步研究