全 文 ：农林复合生态系统与低层大气间的通量研究 3
王汉杰　(空军第七研究所 ,北京 100085)
【摘要】　根据近年在黄淮海平原大面积农林复合区的观测资料 ,采用简单的一维模型 ,讨论了此类复合系统与
低层大气之间的热量、动量和水汽通量 ,比较了不同的结构林网形成的通量差异. 结果表明 ,由于林冠层的摩擦
作用 ,农林复合生态系统上空风速随高度增大较快 ,动量输送总是向下的. 在层结稳定的夜间 ,其数值较大 ,而
在湍流比较活跃的正午前后 ,由于垂直风切变减弱 ,动量输送也相应减小. 夜间农林作物冠层的辐射冷却加强 ,
近地层逆温梯度增大 ,加之作物冠层内部因辐射冷却而造成水汽凝结 ,冠层上部水汽大于冠层内部 ,此时热通
量和水汽通量均向下. 这一现象在白天日出后开始逆转 ,日出后 ,地面升温加快 ,并逐渐形成超绝热梯度 ,致使
热量通量向上. 此时农林作物蒸腾加剧 ,冠层高度范围内水汽含量增大 ,造成水汽向上输送. 文中还讨论了一维
模式的缺点 ,指出了进一步研究生态系统与大气相互作用的重要性.
关键词 　农林复合生态系统 　湍流通量 　混合长
Fluxes between agroforest ecosystem and low level atmosphere. Wang Hanjie ( Meteorological Institute of A i r Force
China , Beijing 100085) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1999 ,10 (5) :534～538.
Based on the radiosonde data in the agroforest area in Huang2Huai2Hai plain , a simplified one2dimensional model was
established to study the momentum , heat and water vapor fluxes above the agroforest ecosystems with three different
structures. It was found that because of the frictional effect , the wind velocity above the vegetation canopy increased
with height rapidly , which caused an insistent downward momentum flux above the canopy. During the stable clear
night , the momentum flux was significant because of the strong wind shear. It becames weak around noon ,as the
strong turbulence made the vertical wind shear smaller. Both heat and water vapor flux went downward in the night ,
which caused respectively by the radiation cooling of the vegetation canopy and by the water vapor condensation in the
very low level. The heat flux turned upward after sunrise because of the surface heating , which reached to the maxi2
mum at noon when the surface super2adiabat formed. The water vapor flux turned upward as well , due to the high va2
por content in the lowest level caused by the evaportranspiration of the vegetation canopy at day. The author also dis2
cussed the flaw of one2dimensional model and revealed some important aspects of atmosphere2biosphere interaction.
Key words 　Agroforest ecosystem , Turbulence flux , Mixing length.
　　3 国家自然科学基金资助项目 (49575250) .
　　1998 - 07 - 20 收稿 ,1998 - 09 - 16 接受.
1 　引 　　言
目前有关全球变化的研究十分注重生态系统与低
层大气之间的相互作用过程 ,但生态系统的种类很多 ,
就陆地生态系统而言 ,有各种农作物形成的农田生态
系统 ,也有不同森林形成的森林生态系统 ,更有树木和
农作物交叉种植形成的所谓农林复合生态系统. 研究
全球变化的 GCM 模式或区域气候模式一般包括复杂
的地表参数化过程 ,用来研究不同的植被类型对低层
大气热力2动力学特性的影响. 因此 ,对生态系统与大
气之间的各种通量作比较细致地研究 ,充分了解其间
相互作用的全过程 ,就显得十分重要. 这也是目前有关
全球变化研究需要重点解决的问题之一. 本文根据近
年在我国黄淮海平原农林复合区的低空探测廓线 ,利
用简单的通量2廓线关系式 ,讨论了此类生态系统与大
气间的热量、动量和水汽通量.
2 　研究地区概况与研究方法
2. 1 　自然概况
试验点位于黄淮海平原中心区安徽省涡阳县境内 (33. 5°
N ,116. 5°E) . 该地区林网是 80 年代初期当地群众根据林业部
门提倡的山、水、田、林、路综合治理的林业经营方针营造的. 在
地方林业部门的统一规划下 ,主林带由黑杨和侧柏 ,副林带由
黑杨、苦楝和柴穗槐共同构成 ,主体网格为 4. 0hm2 ,由副林带
将其分成两个次网格 ,每个次网格的面积为 2. 0hm2 (图 1) . 夏
熟作物为小麦 ,秋熟作物主要为玉米和少量的黄豆和山芋 ,区
域内土壤为青黑土 ,实验区林网特征已有较祥细的报道 [9 ,10 ] .
　　实验点选定以后 ,按树种调查平均树高、株行距、胸径、枝
下高、冠幅等. 实验区林带的结构及各种树冠参数如表 1. 小麦
群落调查的随机样方为 50cm ×50cm. 杨树和小麦的单叶叶面
积根据王汉杰介绍的数值积分方法计算 [1 ] . 为了求得生态边界
层内的廓线资料 ,除在林网中间安装简易观测塔以外 ,每 3h 释
放一次低空探测气球 (干湿球各 1 支) . 改进后的低空探测仪保
应 用 生 态 学 报 　1999 年 10 月 　第 10 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 1999 ,10 (5)∶534～538
证压、温、湿、风廓线的垂直分辨率为 15m ,而观测塔高度范围
内的分辨率则达到 0. 5～2. 5m ,为了反映林网内不同位置的小
气候差异 ,在水平方向离林带不同距离安装 DL21202CL2WB 型
综合气象观测仪 ,以测定要素的水平梯度及林带防护效果. 综
合自动气象仪每小时观测一次 ,包括温度、湿度、风速、短波总
辐射、气压、降水等 ;常规气象观测还包括地面最高 ,地面最低 ,
及 0、5、10、15、20cm 地温 ,低空探测仪的释放记录及观测时的
云天状况见文献[9 ] .
图 1 　实验区林网结构及观测仪器配制
Fig. 1 Outline of the experimental site and observational design.
表 1 　四旁林带的结构及有关的树冠参数
Table 1 Structure of the 42side belts and some canopy parameters
树种
Species
平均树高
Height
(m)
树龄
Age
(yr)
株距
Plant
spacing
(m)
胸径
Dbh
(cm)
枝下高
Under2
branch
height (m)
冠幅
Crown
width
(m)
西林带 黑杨1) 12. 0 8 4. 0 21. 5 3. 2 4. 5
West belt 侧柏2) 2. 6 6 3. 5 8. 4 0. 7 2. 2
北林带 黑杨 12. 0 8 4. 0 21. 5 3. 2 4. 5
North belt 紫穗槐2) 1. 0 4 1. 5 — — —
东林带 黑杨 12. 0 8 4. 0 21. 5 3. 2 4. 5
East belt 苦楝4) 9. 2 8 4. 0 14. 2 2. 8 4. 5
南林带 黑杨 12. 0 8 4. 0 21. 5 3. 2 4. 5
South belt 侧柏 2. 6 6 3. 5 8. 4 0. 7 2. 2
1) P. xeuramericana , 2) P. prientalis , 3) A morpha f ruticosa , 4) Melia
azerdaach .
2. 2 　计算方案
考虑稳定度修正后 ,边界层中的通量2廓线关系式可以表
示为下述形式 :
τ = - ρ〔l ( z ) 2〕(δuδz
2
)Φ- 2m (1)
H = - ρcp〔l ( z) 〕2〕(δuδz ) (
δT
δz ) (ΦhΦm )
- 1 (2)
E = - ρ〔l ( z ) 〕2〕(δuδz ) (
δQ
δz ) (ΦwΦm)
- 1 (3)
式中 ,τ、H 、E 分别表示动量、热量和水汽通量 ,ρ是空气密度 ,
Cp 是干空气定压比热 ; l ( z ) 是随高度而变的混合长 ,它在农林
复合系统中特殊用途形式按文献 [ 10 ]给定的方案计算. Φm 、
Φh、Φw 分别是相对于动量、热量和水汽通量的稳定度修正因
子 ,它们主要与 Monin2Obukhov 长度有关 ,而后者则受熟知的
Richardson 数的影响.δu/δz 、δT/δz 、δQ/δz 分别表示风速、温
度和水汽比湿的在铅直方向上的梯度. 上述公式说明 ,对于给
定的各种廓线形式而言 ,影响各种通量的关键因子是稳定度参
数Φm 、Φh 、Φw 和湍流混合长 l ( z ) . 其闭合求解方案已有较祥
细的介绍[9 ] .
利用上述计算模型研究生态边界层内的热力2动力学特性
的关键是选择一适当的参考高度 zr ,在众多有关边界层的研究
中参考高度的选择最低可达 10m[4 ,5 ] ,最高可达 100m 以上[8 ] ,
这主要依据不同的研究场所和研究人员的特殊兴趣而定. 为了
深入了解这类农林复合系统的热力2动力学特征 ,本文依据边
界层探空资料 ,选用不同参考高度计算林网内部及以上的通
量 ,以求找出最具代表性的参考高度. 除此以外 ,还对 3 种不同
的林网结构进行了计算. 现有的林网结构如图 1 所示 ,农林作
物总体叶面积指数为 5. 6 ,其中小麦冠层叶面积指数为 4. 6 ,林
带区域平均叶面积指数为 1. 0 ;考虑将现有林带格距加密 1 倍 ,
即网眼面积缩小 1 倍 ,则林带叶面积指数为 2. 0 ,总体叶面积指
数为 6. 6 ;第三种情况则将林网格距加大 1 倍 ,如此网眼面积增
大 1 倍 ,变为 8. 0hm2 ,则相当于林带叶面积指数减小 1 倍为
0. 5 ,此时群体叶面积指数为 5. 1.
3 　结果与分析
3 . 1 　林网结构与参考高度对通量计算结果的影响
方程 (1)至 (3) 中混合长 l ( z ) 的计算需要冠层叶
面积密度的分布特征[10 ] . 根据 3 种不同结构林网冠层
叶面积指数结合各种树冠几何学特征参数 ,求得 3 种
不同结构林网的叶面积密度分布廓线如图 2 所示.
图 2 　3 种不同结构林网的叶面积密度分布
Fig. 2 Leaf area density distribution of windbreaks with different struc2
tures.
Ⅰ. LAI = 6. 6 , Ⅱ. LAI = 5. 6 , Ⅲ. LAI = 4. 6.
　　由图 2 可见 ,此类复合系统叶面积密度有两个极
值 ,一个位于小麦株高以上 1m 左右 ,另一个位于树冠
中部8. 5m 左右. 林网结构调整后地面粗糙高度的变化
依据 Klaassen 模式求算[7 ] .
图 3a、3b、3c 是选用不同参考高度计算得到的动
量、热量和水汽通量 ,不同形状条带反映林网结构变化
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(加密或稀疏)对各种通量的影响. 由图 3 可见 ,无论是
动量、热量或是水汽通量 ,当选用 15m 为通量计算的
参考高度时 ,其数值达到最大. 这说明风速、温度和湿
度梯度在此高度最大. 换言之 ,生态边界层中的物、能
交换或流通在此高度范围内最为强烈 ,注意到此时代
表林带主体的黑杨树高 12m ,且生长旺盛 ,农林复合生
态系统与大气间物能交换的最大值发生在这一高度范
围内是合理的. 图 3a 表示的是动量通量密度的绝对
值.如前所述 ,由于近地层风速随高度增大 ,湍流应力
方向向上 ,与其方向相反的动量通量密度均为负值.
图 3 　选用不同参考高度计算的动量 (a) 、热量 (b)和水汽通量密度 (c)
Fig. 3 Calculated momentum (a) , heat (b) and water vapour (c) fluxes using different reference heights.
Ⅰ. LAI = 5. 1 , Ⅱ. LAI = 5. 6 , Ⅲ. LAI = 6. 6. 下同 The same below.
　　当冠层结构发生变化时 ,选用较低的参考高度可
以揭示不同冠层之间的差异. 随着参考高度的增加 ,其
间差异迅速减小 ,到 75m 左右 ,已趋近一致 ,说明生态
系统对大气的影响主要限于低层. 计算通量时选用的
参考高度太高会掩盖生态系统对低层大气流场的影
响. 分析发现 ,冠层结构变化首先影响湍流通量的混合
长发生变化 (图4) ,冠层愈密集 (即叶面积指数愈大)
图 4 　选用不同参考高度计算的 3 种农林复合系统的混合长
Fig. 4 Calculated mixing length of agroforestry ecosystem using different
reference heights.
低层摩擦耗散机制愈强 ,混合长在低层的数值愈小 ,反
之亦然 ,由于混合长的减小 ,使得与密集冠层相对应的
各种通量数值小于稀疏冠层 ,对于热量和动量通量 ,这
一现象十分容易理解 ,但对于水汽通量 ,密集的冠层似
乎应该有较多的水汽蒸腾传输 ,但可以认为 ,比起复杂
的湍流输送机制 ,仅仅是增加 (或减小) 少量的叶面积
不足于改变湍流活动形成的物理量流通特点. 而且下
文的分析可见 ,各种通量的计算值不仅与参考高度的
选取有关 ,而且其日变化规律亦十分明显 (图 6、图 7) .
3 . 2 　通量密度的日变化规律
计算表明 ,对于选定的参考高度 ,各湍流参数均存
在不同程度的日变化. 相比而言 ,动力摩擦速度 u 3 的
日变化较小 (图 5a、b) ,而 Monin2Obukhov 长度的日变
图 5 　选用 15 m 参考高度计算的摩擦速度和稳定度参数
Fig. 5 Calculated frictional velocity u 3 and stability parameter Z/ L .
a) April 22 ,1992 ;b) April 23 ,1992 (Zr = 15m) .
635 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷
化较大 ,对于两天连续观测资料的计算都表明 , u 3 变
化在 0. 2～0. 8m·s - 1之间 ,而在中午自由对流发生时 ,
其数值趋近于零. Monin2Obukhov 长度为负值时说明
边界层大气处于热力不稳定状态. 图 5a 和图 5b 示出 ,
Monin2Obukhov 长度一般 08 ¬00 时以后变为负值 ,清
晨和夜晚为正 ,最大值出现在日出前后. 与 Monin2
Obukhov 长度紧密相关的θ3 呈现类似的日变化特征.
上述计算结果与一般边界层内的观测结果一致[8 ] .
　　图 6a、6b 为动量通量密度的计算结果及其日变化
规律 ,选用 4m 参考高度 (图 6a) 是为了表示树冠高度
以下的情形 ,由于林带的防护作用 ,林冠层高度以下
的风速很小 ,湍流活动发展受到抑制 ,动量通量的数值
很小 (注意纵座标刻度的变化) 且无一定的日变化规
律. 当选用 90m 为参考高度时 (图 6b) ,林带的动量学
摩擦作用已相对较小 ,动量通量的日变化规律则十分
明显 ,中午前后 ,由于湍流混合的原因 ,风速垂直切变
很小 ,动量通量接近零值 ;相反 ,在层结较稳定的夜晚
和晴晨 ,其数值较大 (图 6b) .
图 6 　动量通量密度的日变化特点
Fig. 6 Diurnal variation of momentum fluxes.
a) Zr = 4m ,b) Zr = 90m.
　　热通量和水汽通量的情形恰好相反 (图 7a、7b) ,
当参考高度很低时 (图 7a) ,其变化特征有效地反映了
地面辐射加热及植被生理活动的影响 ,热通量 (图中小
三角形表示 ,英文标注 heat2)和水汽通量 (图中以小方
块表示 ,英文标注 wv2) 在中午前后达最大值 ,说明此
时地面加热最强 ,植物生理活动 (主要是水分蒸腾) 也
最旺盛 ,热量和水汽均向上输送 ;在夜间 ,由于下垫面
辐射冷却及低层水汽的凝结 ,造成热量和水汽通量向
下 (日变化曲线显示负值) . 当参考高度变为 90m 时
(图 7b) ,热通量和水汽通量的日变化规律显示不同的
特征 ,同动量通量一样 ,中午前后通量数值几乎为零 ,
说明湍流混合对通量的影响 ,夜间由于植被冠层的辐
射冷却 ,底层温度降低 ,边界层内逆温明显 ,热量向下
输送 ,且绝对数值较大. 一般认为 ,夜间向下的热量输
送与下垫面上的辐射冷却形成的近地层逆温有关 ,而
向下的水汽输送则是植被冠层内水汽凝结成露所致.
图 7 　热通量和水汽通量密度的日变化特点
Fig. 7 Diurnal variation of heat and water vapor fluxes.
a) Zr = 4m ,b) Zr = 90m.
4 　结 　　语
一维模型可以十分简明地诊断生态边界层内的通
量2廓线关系式 ,分析诸如冠层结构、下垫面受热状况、
作物生理活动等因素引起的生态边界层内各种要素的
变化规律 ,使我们对生态系统与低层大气的相互作用
关系有一个初步了解 ,但一维模式的缺陷很多 ,建立在
k2理论基础上的通量2廓线关系式也不时引起争议[5 ] .
研究发现 ,对于我国黄淮海平原的农林复合生态系统
而言 ,由于实验区地势平坦 ,作物生长整齐 ,每次野外
观测都是选在天气条件相对稳定的晴好天气进行 ,一
维模型得出的某些结论尚能很好地反映林区观测的事
实. 当然与生态系统相联系的生态边界层研究远非如
此简单 ,最近设计的二维和三维模型已可以更精确地
反映生态系统与大气间的相互作用过程[2 ,6 ] . 应当视
为生态边界层今后的研究方向. 但对于初次涉足生态
边界层研究的人员或基层工作人员 ,一维模型仍是一
个十分有用的诊断分析工具.
计算结果说明 ,依据通量2廓线关系式计算各种通
量时参考高度的选取十分重要. 对于我国黄淮海平原
的农林复合系统而言 ,选取林网高度以上 15m 左右作
为计算各种通量的参考高度是适宜的. 随着树木高度
的增长 ,这一参考高度应做适当调整. 当然 ,为了某种
特别需要 ,参考高度选取的随意性很强. 例如 ,为了研
究树冠以下农作物以上的通量特征 ,本文选用 4m 参
考高度 ;为了去除农林复合系统的影响 ,研究近地层湍
流通量的一般性特征 ,可取用 90m 参考高度.
对现有的林网结构加密或稀疏后系统上部与大气
间的各种通量数值变化不大. 但林网内的小气候特征
可能会受到较大影响. 黄淮海平原现有的林网结构
(150m ×135m ,见图 1)形成的小气候特点对林间农作
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物的生长是有利的[11 ] ,树木生长速度及林特产品产生
的经济效益也是十分显著的[3 ] ,若非特别原因 ,不应
随意改变现有林网结构.
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作者简介 　王汉杰 ,男 ,48 岁 ,教授 ,南京林业大学兼职教授 ,中
国科学院沈阳应用生态研究所客座研究员. 主要从事森林生态
系统的微气象观测和数值模拟研究. 编著有《林农复合经营技
术》、《林茶复合经营技术》、《生态边界层原理和方法》等书以及
有关的研究论文 30 余篇. E2mail : EERC @orange. cgw. net . cn835 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷