全 文 ：辽北平原防护林体系区域性防风效应的地转偏差分析*
关德新* * 朱廷曜 邢云鹏* * * (中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳 110016)
陈志骞 (辽宁省林业厅科教处, 沈阳 110001)
摘要 利用东亚地面天气图和地面风的资料, 用地转偏差方法,计算了辽河平原北部 4 县农田防护林体系的
区域性防风效应, 结果表明,随着防护林面积的增大, 其防风效应增大; 每天不同时间防风效应不同, 1400 最
大, 200 最小,平均为 13. 3% . 还对地转偏差方法的特点进行了讨论.
关键词 地转偏差 区域性防风效应
文章编号 1001- 9332( 2001) 01- 0023- 04 中图分类号 S716 文献标识码 A
Geostrophic deviation analysis of regional effects of protective forest system in reducing windspeed in north Liaoning
plain. GUAN Dex in, ZHU T ingyao, X ING Yunpeng ( I nstitute of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences ,
Shenyang 110016) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 2001, 12( 1) : 23~ 26.
East Asian synoptic char ts and g round wind data in April and May of four counties of nort h L iaoning plain were selec
ted to calculate the regional effects of protective forest system in r educing w indspeed by geostrophic dev iat ion method.
The results show t hat the protection effects incr eased with increasing fo restration ar ea. Differ ent protection effects of
pro tective for est appeared at differ ent daytime, w ith the greatest at 1400 and smallest at 200, and the aver age wind
speed reduced 13. 3% . The character istics of the geostrophic dev iation method was also discussed.
Key words Geostrophic deviation, Regional protective effects of protective forest.
* 国家 九五科技攻关( 96007040603)和辽宁省自然科学基金
( 972061)资助项目.
* * 通讯联系人.
* * * 沈阳农业大学实习生.
1999- 05- 21收稿, 1999- 10- 20接受.
1 引 言
随着农田防护林的建设, 特别是三北防护林工
程的开展,我国已形成许多一乡或几乡连片的大面积
防护林体系,不仅对小气候,而且对地方气候也产生重
要影响.防护林体系区域性防护效应的研究成为与生
产实际紧密相关的前沿课题[ 18] .
防护林体系区域性防护效应的思想雏形可以追溯
到林带的连续防风效应研究,很多学者进行了野外观
测[ 5, 8~ 14]、模拟实验[ 4, 7, 19]及与区域性防护效应有关
的基础研究[ 3, 20] .防护林体系区域性防护效应的早期
观测当数 Jensen 对丹麦犹特兰半岛上有林和无林的
两大带状区域风速进行的观测分析[ 4] . 在国内, 有些
研究者对苏北、华北、东北防护林体系区域性防风效应
进行了研究[ 2, 6, 15, 17] .他们都是选择两个地区作为研
究对象,通过对比法进行研究.这两个地区要求气候特
点一致,周围地形地貌一致, 否则必将产生误差,所以
在选择对比对象方面存在很大困难.朱廷曜等[ 18]根据
能量平衡原理经过推导得到扰动边界层动力速度的理
论模式,得出区域性防风效应的计算模式,但该模式需
要详细的地面和林业资料进行计算.
大气动力学理论和常规气象站资料及天气图为防
护林体系的区域性防风效应的研究提供了丰富资料,
大面积防护林营造, 改变下垫面粗糙度,增加下垫面对
边界层气流的摩擦, 使近地面风速、风向改变,本文通
过造林前后的地转偏差变化初步估算辽北平原防护林
体系的区域性防风效应.
2 研究方法
21 地转偏差分析原理
在自由大气中, 地面摩擦阻力可以忽略不计, 水平方向上
的地转风速为
ug = -
1 px
vg = -
1 py
式中, ug、vg 分别表示在 x、y 方向上的地转风速, 为空气密
度, f= 2 sin称为地转参数, 其中 为地球自转角速度, 取值
729 10- 5s- 1,为地理纬度.
用气体状态方程 P = RT 代入,并写成标量形式, 得
V g =
RT
f p
pn RTf p pn ( 1)
式中, n 为等压线、且在北半球指向低压方向的距离, R =
287054 J kg- 1度- 1为气体常数, T = 273. 15+ t 是绝对温
度, n 的单位取 m.
由式( 1)可以看出, 对于某个地理纬度, 地转风是温度、气
应 用 生 态 学 报 2001 年 2 月 第 12 卷 第 1 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Feb. 2001, 12( 1)23~ 26
压和气压梯度的函数. 据研究[ 1, 16] ,农田防护林体系对近地面
气温的影响一般在 1~ 2 , 影响高度在 100m 以下, 而 T 的量
级在 102, 所以农田防护林体系对地转风温度项 T 的影响可以
忽略不计,地转风只是气压和气压梯度的函数 .
在近地面层, 摩擦力的作用不可忽视, 摩擦力的大小随着
下垫面的粗糙度而变化,地转风与实测风的差反映了摩擦力的
影响,摩擦力越大, 地转风与实测风的差(即地转偏差)也越大.
因此,由空旷地到防护林体系风力总是减小的, 或者说, 从造林
前期(无防护林或防护林防风效应的非显效期)到造林后期(防
护林防风效应的显效期)摩擦力变大, 风力是减小的. 据此可以
求出防护林体系的防风效应.
根据造林前后期地转风和实测风的值, 可算得林网区风速
削弱的比率.设 V g 1、Vg 2和 V 1、V 2 分别为造林前后地转风与
实测风的值,如果下垫面粗糙度没有变化 (即假设后期不造林)
时,后期实测风速为 V c ,则可近似地认为 V g1 / V g2= V 1/ V c , 所
以 V c= V 1 V g2 / V g1 , Vc - V 2 为防护林体系引起得风速减弱
值,则造林后风力削弱的百分率为
= V c - V 2
V c
=
V 1 V g2 - V 2 V g1
V 1 Vg 2
( 2)
22 天气形势和研究地点的选择
辽宁省是三北防护林的重点省份之一,防护林营造主要
在西北部地区和中部的平原区.为了使地转偏差分析方法能更
准确地反映防护林体系对近地面气流的影响,需要根据地形和
天气形势特点对研究地点和季节进行恰当地选择.
辽宁省地势特点是山地丘陵大致分列于东西两侧, 呈西南
东北走向,约占全省总面积的 2/ 3;中部为广阔的辽河平原, 约
占全省总面积的 1/ 3. 东西部山地丘陵海拔一般均在 500m 左
右,少数山峰在 1000m 以上; 中部平原地势低平, 海拔均在 50m
左右. 根据辽宁省地形特点, 要用地转偏差方法分析辽宁北部
平原的防护林体系的区域性防风效应, 西南风是最佳选择. 该
省属大陆季风气候, 冬季受西伯利压冷空气和蒙古高压的控
制,盛行北风和西北风; 夏季盛行南风; 秋季太平洋上副热带高
压气旋南退, 寒潮又开始南下, 盛行北风和偏北风. 若选择北
风、东风或西风,都会受到山地丘陵的影响, 造成误差, 增加研
究上的难度 .春季贝蒙一带气旋进入东北北部, 与太平洋上的
副热带高压形成南高北低的气压场,辽宁省常处于北部低压和
南部高压之间,西南大风频繁, 正好吹过辽河平原, 而不受地形
的影响或影响很小.并容易出现长度尺度大于 300km 的平行等
压线簇(图 1) , 这种天气形势可以提高地转风计算的精度, 所以
选择 4、5月份此类天气进行分析. 为减少惯性力的影响, 避免
选在低压槽或高压脊的拐弯处.
前后期防护林面积的差异是下垫面粗糙度变化的主要原
因,研究地点要选择防护林增加幅度明显的地区, 根据此原则
选择了辽宁省北部平原的彰武县、康平县、法库县和昌图县 4
个县,经过 三北防护林建设, 4 个县防护林面积大幅度增加,
以彰武 县 为 例, 土 地 总 面积 362911hm2 , 林 业 用 地 为
150912hm2, 现有林地面积为 119725hm2 ,解放初期森林覆盖率
为5. 8% , 1978 年为 15. 2% , 1985 年为 28. 4% , 1995 年为
36 6% .
图 1 辽宁春季西南大风的典型天气形势图
Fig. 1 Typical w eather situation map of southwest st rong w ind in Liaoning
Province.
1994年 4月 3日 1400,图中 G、 D为高压和低压中心, 阴影为辽宁
省区域 Map data is at 1400, March 3, 1994. G and D are the centers of
anticyclone and cyclone respect ively. Shaded area is the territ ory of Liaoning
Province.
23 计算方法
上述各县大规模防护林建设开始于 20 世纪 70 年代初, 防
护林体系的防风显效期应始于 80年代,所以将 80 年代以前作
为造林前期, 80 年代及以后作为造林后期. 在时间序列上, 取
1959~ 1961 年、1968~ 1970 年、1986~ 1988 年、1994~ 1996 年
4 个时段进行分析, 取各年 4、5 月份, 且目标区内等压线平行、
地面风向为西南的地面天气图进行测量, 在目标区选择若干条
等压线, 测量等压线之间的垂直距离, 并抄录目标站该时地面
气温( t)、气压( P )、风速( V )及风向资料, 根据式( 1)、( 2)计算
防风效应.
3 结 果
计算得到造林后期相对于造林前期风速削弱的百
分率(防风效应) (表 1) ,特点: 1) 4个地区相比较, 彰武
县、康平县、法库县的防护林区域性防风效应较接近,
昌图县则要高一些. 2) 90年代的防护林防风效应比 80
年代有所提高, 4县分别由 11. 0、11. 1、11. 7和 12. 9%
提高到 13. 0、14. 3、14. 3和 17. 4%. 4地平均, 区域性
防风效应 90年代为 14. 8% , 80年代为11. 7% ,总平均
为 13. 3%. 3)每天中 4个时段的区域性防风效应差异
较大, 防风效应最高的时段是 1400, 最低时段是
200,大小顺序为 1400> 800> 2000> 200,其平
均值分别在 20. 7 ~ 28. 1%、10. 0 ~ 21. 0%、9. 6 ~
14. 8%和 1. 1~ 4. 4%. 田盛培[ 15]用两地比较的地转
偏差法计算了苏北农田防护林体系的区域性防风效
应,作者只考虑了 1400 和 8 00 的情况, 得到冬季
的防风效应为 15. 5%, 夏季为 42. 2% .本文计算的季
节处于生长季初期, 林木刚刚开始吐叶,防护林的透风
24 应 用 生 态 学 报 12卷
表 1 造林后期相对于造林前期的区域性防风效应*
Table 1 Regional wind reduction of protective forest system of later period relative to former period
年代 Period
后期
Later
前期
Former
防风效应 Regional wind reduct ion ( % )
彰武县 Zhangw u County
200 800 1400 2000 平均
Average
法库县 Faku County
200 800 1400 2000 平均
Average
康平县Kangping County
200 800 1400 2000 平均
Average
昌图县 Changtu County
200 800 1400 2000 平均
Average
1994~ 1996 1968~ 1970 5. 9 13. 5 22. 8 12. 1 13. 6 4. 9 15. 1 24. 6 12. 3 14. 2 6. 0 17. 5 22. 8 12. 5 14. 7 6. 6 22. 3 27. 6 15. 6 18. 0
1994~ 1996 1959~ 1961 18. 8 20. 3 10. 7 12. 5 3. 1 20. 9 22. 1 11. 5 14. 4 20. 3 25. 4 10. 6 14. 0 3. 5 19. 6 28. 7 13. 9 16. 4
平 均 Average 3. 0 16. 1 21. 6 11. 4 13. 0 4. 0 18. 0 23. 4 11. 9 14. 3 3. 0 18. 9 24. 1 11. 6 14. 3 5. 1 21. 0 28. 1 14. 8 17. 4
1986~ 1988 1968~ 1970 4. 8 8. 8 20. 2 11. 2 11. 2 2. 2 9. 8 20. 6 11. 0 10. 9 4. 7 11. 6 20. 7 8. 9 11. 5 4. 8 15. 8 21. 0 10. 0 12. 9
1986~ 1988 1959~ 1961 11. 3 22. 1 9. 5 10. 7 16. 1 20. 8 8. 6 11. 4 3. 1 12. 5 20. 2 11. 8 11. 9 3. 9 16. 4 21. 7 9. 2 12. 8
平 均 Average 2. 4 10. 0 21. 2 10. 4 11. 0 1. 1 13. 0 20. 7 9. 8 11. 1 3. 9 12. 1 20. 5 10. 4 11. 7 4. 4 16. 1 21. 4 9. 6 12. 9
* 表示负值,计算平均值时按零计算 Show ing negat ive, takes it z ero w hen the average is calculated.
程度介于冬夏之间, 其结果与文献[ 15]有一致的规律.
4 讨 论
用地转偏差方法估算防护林体系的区域性防风效
应,是将地转风作为区域性气候变化的背景. 计算其与
实测风的偏差, 通过对其前后期地转偏差的比较, 得出
由于下垫面粗糙度增大(即森林覆盖率增大)所产生的
防风效应值,特点是直观、快捷、准确性较高, 是一种较
有效的方法.但地转风是由气压形势图计算得到的,为
排除地形等非森林因素的干扰,要选择平原地区. 为满
足地转风条件,所选天气形势图等压线要平直、平行,
长度尺度大于 300km.为减少惯性力的影响, 避免选在
低压槽或高压脊的拐弯处,为满足样本量,要有较长的
历史气候资料和历史天气形势图资料.
地转偏差反映了下垫面对大气摩擦阻力的大小,
由此计算出的防护林防风效应与通常的防风效应概念
有所不同,例如, 按地转偏差方法的意义, 近地面大气
温度层结越不稳定, 乱流交换越强,下垫面对气流的摩
擦阻力也越大, 防风效应也越大,所以出现上文的结果
(防风效应顺序为 1400> 800> 2000> 200) .这与
地面小气候研究的结论(防护林防风效应随层结稳定
度的增加而增大)恰好相反,这种差异是两种研究方法
的概念不同而造成的,其间问题尚需进一步研究. 尽管
如此,地转偏差分析还是提供了一个具有理论基础和
实用价值的研究方法,其计算结果有一定的代表性.
由于 200空气层结较稳定, 风速小, 容易出现相
对误差(甚至防风效应出现负值) , 20 世纪 50年代由
于观测工具较简陋, 观测风速的工具是风压板,也会产
生一定误差.另外,不同绘图员绘制的天气图也可能有
小的差异,近几年广泛实用的计算机自动绘图消除了
这种误差.
因为选择西南风向的样本进行计算, 所以得到的
区域性防风效应只反映了气候站西方和南方的防护林
的防风效应,东方和北方则不包括在内.
本文计算的区域性防风效应反映的是下垫面粗糙
度的变化,也包括了建筑物的作用,但建筑物所占的下
垫面面积要比防护林覆盖的面积小得多, 所以计算值
主要是防护林体系作用的结果.
防护林对风向的改变很小[ 15] ,可不予考虑.
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作者简介 关德新,男, 1962 年生,博士, 副研究员,主要从事森
林气象学和防护林气象学研究, 发表论文 30 余篇. Email: tfpei
@ iae. syb. ac. cn
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