全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
, , 一
林带阻力系数与透风系数关系的理论分析
’‘
周广胜
’ ‘ 朱廷 耀 冲国科学院沈阳应用生态研究所耽阳 ‘
摘要 根据冲量定理分析了林带对气流的阻力 , 首次得到了林带阻力系数的估算模式
己 一 的 , 、并利用有关文献发表的资料进行了验证 文章还对来流平
行林带时林带对气流的阻力进行了讨论 , 指出来流平行林带时林带对气流的阻力仅为来
流垂直林带时林带对气流阻力的 一 , 可以不予考虑
关键词 林带阻力 阻力系数 透风系数
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引 言
林带对来流的阻 力是林带具有防风效
能的主要原因之一 , 与林带的结构 、配置及
天气状况等有关 , 林带对气流的阻 力引起
林带 附近压 力分布发生变化 , 直接影 响林
带背风面风速的降低程度以及风速恢复的
快慢 , 即直接影 响林带的防护效果 因此 ,
林带对气流的阻 力是评价各种结构林带气
象效益的一个重要 因素 , 研究林带对来流
的阻力对于评价林带结构的优劣及农 田防
护林网的防护效益具有十分重要的意义
从理论上而言 , 林带对气 流的阻 力可
以根据动量方程来求解 ’仁 , 但需要测 定林
带前后的风速 、 压 力及下垫面切应 力的分
布 , 在实际应用 中非常不便一些学者“
,
利用风洞实验和野外模拟对林带的阻 力进
行 了大量 的观测研究工作 , 但所有这些研
究都仅局限于对林带阻力或阻力系数的观
测资料进行统计描述 , 还未能找到估算林
带阻力或阻力系数的模式 本文试图根据
冲量定理对林带的阻力和阻力系数进行研
究 , 以期找出评价各种结构林带气象效益
的指标 , 为防护林的规划设计提供依据
林带阻力系数的分析
林带阻力系数 岛 是指单位面积林带
对气 流的阻 力 与气 流 的动能之 比 ,
即
·
式中 为空气密度 为特征风速 , 在此取
为林带平均高度 以下的几何平均风速
, , 即
, 国家 自然科学基金资助项 目
’ ‘ 现 在 地 址 中 国 科 学 院 植 物 研 究 所 , 北 京 ,
,
年 月 日收到 八 月 日改回
应 用 生 态 学 报 卷
一
了 , 。
式中 为摩擦速度 乙 , 为下垫面粗糙度
一 为卡曼常数 。 为 自然对数底
来流垂直林带时林带的阻力系数
当来流垂 直于某一 透 风系数的林带
时 , 根据冲量定理
·
△ 一
· △“
式中 为单位面积林带对来流的平均阻
力 , 为受林带阻力作用的平均来流质量 ,
△, 为来流受力的作 用 时间 , △ 为在食‘
时间内来流速度的改变量
大量的野外实验和风洞实验表明在林
带 处来流开始受到林带的阻 力作用
因此 , 单位面积林带对气流的阻 力作用范
围可看成在林带平均高度 以 下 由林带前
处至林带背风面林缘 假定林带为无
限长 , 宽为 , 则从林带前 处到林带
背风面林缘处单位面积受到林带阻力作用
的气流的质量近似地为
十
来流 由林带前 处运 动至林带背
风面林缘 的时间 , 即林带对于气流的作用
时间根据气流的运动特征可近似地分成来
流 由林带前 处运动至林带迎风面林
缘及穿过林带两部分来计算 林带背风面
林缘的风速 由透风系数的定义可知平均风
速为旷野风速 , 的 。 倍 , 林带迎 风 面林
缘的风速 , 可 由傅抱璞所得的统计关系
近似求得‘’」, 即
, 十 二
于是 , 林带对来流的作用时间 △, 可
近似表示如下
由“ 、 式代入 式 , 整理后可得
单位面积林带对气流的阻力
一
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上式中考虑到 》 和 一 , 忽
略了小项 一 于是林带的
阻力系数可表示为
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言 。 月
一
来流平行林带时林带的阻力系数
气流在平坦下垫面运动时 , 风速随高
度的变化满足对数分布规律 康斯坦季诺
夫 ’ 」由此类推 , 得到 了林带附近水平面的
每一高度上的风速随距林带距离变化的对
数规律
,
姚 “ 蔽灭不万蕊万
式 中 二 为距林带 处的风速 , 为距林
带 。 , 处的风速 , 为林带侧面的粗糙度
一般而言 , 对于有植被覆盖的表面 , 其数值
通 常为植被 凸起部分的平均几何高度 的
康斯坦季诺夫在总结了大量观测资料
的基础上指出 , 对于一条与风平行的林带
可近似地规定距林带 处的风速等于
旷野风速 , 即 。 , 一 时 , 。 , 二
取距林带 , 处的风速为旷野风速 , 即
不受林带阻力的影响 , 把中性条件下的风
速廓线代入 式有
。 。
吮 了 夏蔽又刃么万
· 。,
△ 。 · ,
类似于平坦地形上风速分布的对数规律公
式 , 定义在平面上距林带 处的摩擦速度
为 , , 则根据式 有
。
“ 。 。 , 。
· , , , 对上式由 。 到 积分可得单位面积林带
侧面的平均切应 ,
期 周广胜等 林带阻力系数与透风系数关系的理论分析
一 气。 ·
。
〔 。 , 。 ,
面结构模型的疏透度与透风系数的转换关
系计算
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图 林带阻力系数与透风系数及风向交角的关系 风
洞实验
引 自朱 廷 暇 等 一 和 一 引 自
,
‘ , 引自
图 还给出了不同风向交角时林带的
阻力系数 , 观测数据取 自 「‘ 的不透
风风障的风洞实验结果 由图 可以看出 ,
模拟值与实测值非常相符
参考文献
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于是 , 可求得单位面积林带的侧向阻
力和单位面积林带 面积为 · ”对垂直
气流的阻力之 比
二 一 潇 万 一二二 二一戈二丫, ,
考虑到 。 一般为 护一 量级 , 忽略
小项 。 。
假定林带的透风系数接近最适透风系
数 一 , 则 , 一 , 林带侧面的粗糙
度 。 一般为 一 , , 由上
式求得 约为 一 因此 , 林
带侧向对气流的阻力可忽略不计
来流与林带成一风 向交角 。 时林带
的阻力系数
来流与林带成 一风 向交角时 , 林带的
阻力可以分为林带对垂直来流的阻 力和林
带侧向对来流的阻 力两部分 由上述分析
可知 , 林带侧向对气流的阻力远小于来流
垂直林带时林带的阻 力 , 可以忽略不计 因
此 , 林带对气流的阻 力变为林带对垂直林
带的气流分量的阻 力 , 由式 可得来流与
林带成一风向交角 。 时的阻 力系数为
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因此 , 由式 就可以求得任何风 向交角
时林带的阻力系数
,气月仁比七月了甘厂
实验资料的验证
图 给 出了不同透风系数林带的阻力
系数与透风系数的关系 , 可以看 出 , 不同透
风系数林带的阻力系数与估算模式基本一
致 图中所有用林带高度处的风速表示 的
阻力系数都根据实验时下垫面的粗糙度转
化为用几何平均风速所表示 的阻 力系数
风障的透风系数根据朱廷耀等‘ ,给出的平
王正非等 森林气象学 中国林业出版社 , 北
京 , 一
·
朱廷暇等 林带阻力与透风系数关 系的试验
研究 防护林体系生态效益及边界 层物理特征研
究 气象出版社 , 北京
康斯坦季诺夫 林带与农作物产量 中
国林业出版社 , 北京 , 一
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