全 文 ：树冠结构参数及附近风场特征的风洞模拟研究 3
关德新 3 3 　朱廷曜　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
【摘要】　根据风洞模型实验 ,分析了树冠结构参数 (疏透度β、透风系数α)和附近的风速场特征. 结果表明 ,透风
系数与疏透度之间符合幂函数关系α=β0. 6 ,树冠附近的风速减弱区为椭球形立体空间 ,减弱区随树高、冠幅的
增大而增大 ,随透风系数 (或疏透度)的增大而减小 ,在水平和垂直剖面上 ,等风速线分别为椭圆形和椭圆线段.
关键词 　单株树 　透风系数 　风速场 　风洞实验
Wind tunnel experiment on canopy structural parameters of isolated tree and wind velocity f ield characters nearby.
GUAN Dexin and ZHU Tingyao ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110015) . 2
Chin. J . A ppl . Ecol . ,2000 ,11 (2) :202～204.
The canopy structural parameters(porosityβand permeabilityα) of isolated tree ,and the wind velocity field character
nearby were analyzed by wind tunnel experiment . The results show thatαandβfitted the function ofα=β0. 6 ,and the
wind velocity nearby decreased in ellipsoid contour. The contour increased with increasing tree height and canopy
width ,and decreased with increasing permeability (or porosity) . The isotach became the shape of ellipses or elliptic seg2
ments in horizontal and vertical plans.
Key words 　Isolated tree ,Permeability , Wind velocity field , Wind tunnel experiment .
　　3 辽宁省自然科学基金 (972061) 、中国科学院百人计划项目“森林
界面生态学”和国家“九五”科技攻关项目 (96 - 007 - 04 - 06 - 03) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1999 - 04 - 13 收稿 ,1999 - 10 - 19 接受.
1 　引 　　言
森林作为陆地生态系统中的重要因素 ,在全球生
态平衡中起着重要作用 ,森林 - 大气界面上物质能量
交换规律因而受到研究者的重视 ,界面上的风速场正
是这种交换的直接体现 ,它与森林或林分的结构有密
切的关系. 众所周知 ,各种不同结构的林分都是由单株
树这一基本单元组成的 ,依据株密度及排列方式的不
同 ,可以构成各种不同结构的林分 ,株密度较大的林分
构成均匀的森林下垫面 ,这时一般把森林冠层作为下
垫面整体来考虑 ,很多学者对其风速分布进行了较深
入的研究[3～5 ,8 ,10 ,12 ] . 多个单株树有规则地排列成行 ,
就构成了防护林带 ,其附近风速分布规律也有深入的
研究[1 ,2 ,6 ,9 ,11 ,13 ,14 ,16 ] ,这两种形式的林分以林分整体
结构特征来表示 ,不以单株树为单元进行分析. 但林分
较稀疏时 ,既不能构成冠层 ,也不能构成林带 ,单株树
成为林分与大气边界层之间的基本作用单元 ,这一类
的林分比较常见 ,如疏林草原、林农间作、村屯绿化、公
园绿化、林岛形式的防护林等 ,要深入研究这一类林分
的空气动力效应和界面生态过程 ,就有必要弄清单株
树附近的风场特征. 本文用风洞模拟实验结果对树冠
的结构和风场进行简要分析. 为非均匀下垫面边界
层气象学和非带状防护林防风效益的研究提供基础
数据.
2 　树冠结构参数和风速场的风洞模拟实验
211 　实验设备与模型
为进行本项实验 ,自制简易风洞 ,风洞体由胶合板制成 ,风
洞一端固定一轴流通风机作为产流动力 ,气流入口端安装整流
网和蜂窝器 ,风洞实验段长 8m ,宽 016m ,高 015m ,风速 012～
8m·s - 1可调 ,风速测量采用热球微风仪 (风速 < 5m·s - 1) 和皮
托管 (风速 > 5m·s - 1) . 实验段模拟边界层厚度可达 20cm.
模型树以塑料松朵为树冠模型 ,用铁钉作树干 ,通过增减
塑料松朵个数调节模型树树冠的疏密度 ,模型树近似为圆柱
状 ,高 8cm ,树冠宽 (冠幅)分别取 d = 215、410、610cm 3 种模型.
用相同尺寸的木圆柱体做不透风单株树模型.
212 　树冠结构参数
21211 单株树的疏透度 　即在垂直于某一水平方向上 ,树冠边
缘垂直面上的透光孔隙的投影面积 S 与该垂直面上的树体投
影总面积 S 之比 ,以β表示疏透度 ,则
β = s/ S (1)
其中 S 与单株树的冠形有关 ,对农牧防护林常见的树种
(如杨树) ,可以用圆柱体近似地表示 ,如果冠幅 (水平尺度) 为
D ,树高为 H ,则
S = D H (2)
单株树疏透度的测定借鉴林带疏透度的测定方法 ,采用数
字化扫描方法[7 ,15 ] ,即首先取得清晰的树体照片 ,用数字化扫
描仪把照片转化为数字化图象文件 ,利用树冠和背景之间的灰
应 用 生 态 学 报 　2000 年 4 月 　第 11 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2000 ,11 (2)∶202～204
度差异求得透光孔隙面积 ,从而求出疏透度.
21212 单株树的透风系数 　即树高以下树体背风缘平均风速
与旷野同一高度以下平均风速之比 ,用公式表示为
α =
1
HD T∫
H
0
T
0
∫
D
0
u ( z , y) dz dtdy
1
HD T∫
H
0
T
0
∫
D
0
u0 ( z ) dz dtdy
(3)
式中 ,α为透风系数 , u0 ( z ) 为旷野风速 ,中性温度层结时是高
度的对数函数 , u ( z , y) 为树体背风缘风速 (随高度和水平位置
而变化) , H、D 为树的高度和冠幅 , T 为采样时间长度.
实验中树体透风系数的测量采用如下方法 ,在垂直于风向
的树体背风缘的垂直面上 ,在冠幅范围内均匀地设计网格状观
测点测量风速 ,去掉模型树并在同一位置同高度测量空风洞风
速 ,先求得各高度的平均透风系数 ,再按高度加权平均 ,求出总
的透风系数.
213 　单株树附近的风速场测量
使 x 轴与地面重合 ,方向取为风向 ,单株树背风缘地面为
原点 ,z 轴垂直向上 ,风速观测点设在如下的空间网格点 : x =
0 ,013 , 016 , 110 , 115 , 210 , 215 , 310 , 315 , 410 , 510 ( H) , y = 0 ,
0125 ,015 , 110 , 115 , 210 , 310 ( D) , z = 012 , 014 , 016 , 018 , 110 ,
112 ,114 ,116 ,118 ,210 ( H) , H、D 分别为树的高度和冠幅. 去
掉树模型后 ,在相同位置上测量空风洞的风速.
3 　结果与分析
311 　模型树疏透度与透风系数的关系
模型的疏透度β和透风系数α如表 1 所示. 根据
表 1 资料得到透风系数α和疏透度β的关系 (图 1)为 :
α=β016 (4)
透风系数的测定比较烦杂 ,而疏透度的测定则相对较
容易 ,在实际应用中可以先测得疏透度 ,再利用α与β
的关系求出透风系数. 可以看出 ,其关系介于平面林带
模型和宽高比近于 1 的立体林带模型之间. 需要指出
的是 ,上式只是模型的观测结果 ,对于实际树体 ,α与β
表 1 　模型树的结构参数
Table 1 Structural parameters of model trees
冠幅 D
Canopy width
(cm)
疏透度β与透风系数α
Porosity and permeability
松朵数 Number of plastic cluster
1 2 3 4 5 8 10 12
木圆柱
Cylinder
610 β 0174 0151 0135 0125 0115 0
α 0183 0168 0151 0142 0132 0
410 β 0169 0148 0132 0121 0110 0
α 0178 0162 0147 0138 0128 0
215 β 0179 0161 0133 0123 0109 0
α 0188 0177 0148 0145 0128 0
图 1 　单株树透风系数与疏透度的关系
Fig11 Relationship between permeabilityαand porosityβof isolated tree.
●Measured , —α=β016 .
图 2 　单株树背风面风速减弱空间示意图
Fig12 Sketch map of wind velocity reduction space leeward isolated tree.
的关系尚需要资料进行分析.
312 　单株树附近的风速场
31211 风速减弱区一般特征 　在树体背风面纺锤形
立体空间内是风速减弱区 (图2) ,树体背风缘减弱区
的厚度较大 ,略厚于树高 ,距离增大时厚度减小 ,风速
减低程度与透风系数或疏透度有关 ,透风系数或疏透
度越小 ,风速减低越显著.
31212 垂直剖面特征 　图 3 绘出了通过树中心、并与
风速方向重合的垂直剖面上的相对风速场 ,其特征为 :
1)单株树背风面有风速减弱区 ,冠幅较大时 (实验模型
冠幅为 6cm ,树高 8cm) ,风速减弱区的水平距离可以
达到 4 倍树高的距离 ,树高不变而冠幅减小时 ,风速减
弱区变小. 2)风速减弱程度与透风系数或疏透度有关 ,
透风系数或疏透度越小 ,风速减弱越多 ,减弱的范围也
越大. 3)树体迎风面也存在风速减弱区 ,但范围很小 ,
冠幅与树高之比较小时 ,迎风面风速减弱区可以忽略.
31213 水平剖面特征 　图 4 绘出了单树附近不同高度
水平剖面上的相对风速场 (α= 0132) ,其特征为 :1) 各
高度上的风速减弱范围为椭圆形区域 ,等风速线也呈
椭圆形 ,背风树缘风速减弱最多. 2)相当于树高中部的
高度上风速减弱范围最大 ,贴地面则略小些 ,树顶高度
的风速减弱范围最小.
3022 期 　　　　　　　　　　　　　关德新等 :树冠结构参数及附近风场特征的风洞模拟研究 　　　　　　　　　
图 3 　单株树背风面垂直剖面上的相对风速
Fig13 Isotach of relative wind velocity in vertical section leeward isolated
tree.
(A :α= 0132 ;B :α= 0168 ;C :α= 0185)
图 4 　单株树背风面水平剖面上的相对风速
Fig14 Isotach of relative wind velocit y in horizontal section leeward isolated
tree withα= 0132.
(A :z = 011H ;B :z = 015H ;C :z = H)
4 　结 　　论
411 　单株树的空气动力效应与树体结构有密切关系 ,
结构参数除树高和冠幅外 ,用疏透度β和透风系数α
表示枝叶疏密程度 ,根据模型树的风洞实验结果 ,二者
符合幂函数α=β016 .
412 　单株树背风面的纺锤形 (或椭球形) 空间为风速
减弱区 ,高度比树体略高. 此空间的大小随单株树高
度、冠幅的增大而增大 ,随透风系数的增大而减小.
413 　通过树中心沿风向的垂直剖面上等风速线为椭
圆线 (段) ,靠近树体风速小 ,随距离增大风速逐渐增大
至旷野值 ,宽高比为 3 ¬4 的树体影响风速距离达 4 倍
树高 ,宽高比减小树体影响范围减小.
414 　水平剖面上的等风速线亦为椭圆形 ,同值等风速
线包围的面积随高度变化 ,在树的中部高度上等风速
线包围的面积较大 ,贴地面略小 ,树顶则最小.
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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、防护林气象研究 ,发表论文 30 余篇. E2mail : tfpei @iae.
syb. ac. cn
402 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷