全 文 ：第 26卷第 3期
2006年 3月
生 态 学 报
ACTA EC0LOCICA SINICA
Vo1．26．No．3
Mar．．20o6
G 模型在热带季节雨林林冠截留研究中的应用
王 馨 ，张一平H，刘文杰
(1．中国科学院西双版纳热带植物园。昆明 650223；2中国科学院研究生院，北京 100039)
摘要：为了验证 Gash林冠截留解析模型在西双版纳热带季节雨林中的适用性，基于 2003年的热带季节雨林气候及林冠特征观
测数据 、采用 GaBh模型对林冠截留进行 了模拟。结果显示 ，西双版纳热带季节雨林样地年降雨量为 1244．4nun，穿透降雨为
867．3 ，树干径流为 114．4mm，树冠截留量为262．7mm，林内穿透降雨量和林外降雨量之间存在显著的正相关关系；降雨过程
中饱和林冠的蒸发强度为 0．12mm／h，使林冠饱和的降雨为O．6mm，林冠枝叶部分持水能力为 O．41mm，树干持水能力为0．18mm；
模型模拟的年林冠截留量为 274．9mm，干季为71．7 1111，雨季为 203．1 ram；模拟的相对误差年值为 4．3％，干季为 0．1％，雨季为
6．9％。模拟与实测有很好的一致性，显示了 Gash模型适用于西双版纳地区热带季节雨林林冠截留计算。
关键词：GaBh模型 ；林冠截留；热带季节雨林
文章编号：1000-0933(2006)03．0722．08 中圈分类号：Q948 文献标识码：A
Modeling canopy rainfal interception of a tropical seasonal rainforest in
Xishuangbanna，Southwest China
WANG Xin ～，ZHANG Yi—Ping ，LIU Wen—Jie (1．鼬 ∞^ 6口，m 打印 Bot口 ical r幽t，CAS，地Md 650223。China；2．The
Graduate School ofChineseAcademyofSciences，Beijing 100039，China)．ActaEcologlca Sinica，2OO6，26(3)：722—729．
Abstract：Gash ana1)rtical model has been widely used for estimating rainfal interception of forest canopy．In order to verify its
applicability，we compared the modeling results of the Gash model with those of field data colected from a tropical seasonal
rainforest of Xishuangbanna in 2003．Field measurements showed that annual rainfall was 1244．4 mm in the rainforest with
throughfall，stemflow，and canopy interception amounted to 867．3，114．4，and 262．7 mm，respectively．Throughfall correlated
positively with the weekly rainfal1．Using the Gash analytic model，the estimated canopy interception was 274．9 mm with canopy
water，storage capacity reaching 0．59 mm (0．41 mm for leaves and branches and 0．19 mm for tree trunks)．With an average
evaporation rate of0．12 mm h fmm the saturated canopy and a rainfall intensity of 3．37 mm h～ ．the amount of rainfall needed
to saturate the canopy was 0．6 mm．Evaporation after rainfall ceasing was the greatest within 5 components in Gash model and it
accounted for 46．2％ of total interception。and evaporation from trunks accounted for about 15％ so it was another component that
could not be neglected．Relative diferences between the Gash modeling results and field measurements were 4．3％ with dry
season as 0．I％ and rainy season as 6．，9％ ．We conclude that the Gash analytic model can be used for estimating canopy water
interception in the tropical seasonal rainforest．
Key words：gash analytic model；rainfall interception；tropical seasonal minforest
模型研究是林冠水文研究的必要手段，半理论模型为探求不同类型森林林冠截留特性、以及寻求其共性
基金项目：国家重点基础研究发展计划(国家973项 目)资助项目(2003CB415101)；云南省自然科学重点基金资助项目(2003C0002Z)
收稿日期：2005．0l一30；修订日期：2005．10．O8
作者简介：王馨(1979一)，女，甘肃人。硕士生，主要从事生态水文学研究．E-mail：wx@xtbE．ac．c
*通讯作者 Auhor for corespondence．E-mail：yipingzh@xtbg．ac．cn
致谢：本文得到了 Xiaomin Zou教授(美国 Pue~o Rico大学)指正，谨此致谢
Foundation item：The project WaS surpported by the National Key Project for Basic Research on Ecosystem Changes in Longitudinal Range．Gorge Region and
Transboundary Eco-se~urlty of Southwest China(No．2003CIM15 101)and the Natural Science Foundation 0f Yunnan Province(No．2003C0002Z)
Received date：2005-Ol-30；Accepted da te：2005-10．08
Biography：WANG Xin，Master candidate。ma inly engaged in ecological hydrology．E-mail：wx@xtbg
． ac．ca
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3期 王馨 等：Gash模型在热带季节雨林林冠截留研究中的应用 723
提供了一个实用而有力的工具。考虑到在热带雨林中开展林冠水文研究存在的困难，如样树的代表性较差、
穿透降雨空间变率较大、树干径流测量的精度难以保证等，观测方法的选择和量器布设方式以及数据分析方
法对最后的结果影响很大[J ，因此对热带雨林林冠截留进行模型化研究尤为重要。
林冠截留模型是估算和预测林冠截留量的有效工具，主要包括经验、半理论和理论模 。。：经验模型是
基于野外实测数据，通过数理统计等方法建立起来的统计或回归模型；半理论模型是在截留机制理论分析的
基础上建立模型的基本形式，利用实测数据确定其中的经验参数；理论模型则是基于林冠截留动态过程的物
理描述、严谨的推理过程和坚实的数量基础所建立的模型。三者各有利弊：经验模型简单明了地反应了特定
林分林冠截留量与降雨量之间的数量关系，有很大的局限性，不能反映截留过程；理论模型可以在较大程度上
反应截留的动态过程，不受地区和树种的限制，但形式复杂，求解困难，较难运用于实际n 。相比较而言，结
合理论推导和经验参数的半理论模型更具实用性。其中，Calder的随机模型 引、Ruter的微气象模型 ]
以及 Gash的解析模型 ¨ 运用广泛，热带很多地区都在各种森林类型实验的基础上对这些模型进行了检验，
Gash模型及其改进模型与实际观测的结果拟和的较好n ]。 。
本文的研究目的在于：对西双版纳热带季节雨林林冠截留进行模型化研究；探讨 Gash模型在西双版纳热
带季节雨林中的适用程度；给出西双版纳热带季节雨林中运用 Gash模型的参数值，以期为热带森林中植物
— — 大气间水分传输研究提供支持。
1 模型介绍
Gash_】 模型描述的是一系列彼此分离的降雨事件，每个降雨事件都包含林冠加湿、林冠饱和、以及降雨
停止后林冠干燥的过程，且假定每次降雨事件之间有足够的时间让林冠完全恢复到降雨前的干燥程度。Gash
模型采用分项求和的形式，将整个林冠在降雨过程中各个阶段的截留损失相加得到总的林冠截留量。Gash
模型的基本形式为：
∑ =n(1一P—P )P +(E／R)∑(P 一 )+(1一P—P )∑P +qS +P ∑ P (1)
式(1)中使林冠达到饱和所必需的降雨量 P 由下式来确定：
P ：(一R—S／E一)In[1一(E一／R一)(1一P—P ) ] (2)
饱和林冠的平均蒸发速率 由Penman—Monteith公式来计算：
irE = (AR +pc。D／r。)(△+y) (3)
式中空气动力学阻力( )由下式计算：
(4) r4=————— 了——一 ，
公式中各符号意义见附录。
由以上公式可以看出，Gash模型所描述的林冠截留过程与降雨特征、林冠结构、林地空气温湿状况以及
流动情况有关 ，这与实际的降雨截留过程相符。模型的应用以一系列的降雨事件为基础，最主要的标准就是
这些降雨事件彼此被足够长的干燥过程分开，因此并不完全等同于气象学上的次降雨；其次，需要每次降雨的
总雨量、穿透降雨量和干流量；第三，需要降雨过程中的平均蒸发速率和平均降雨强度，且在这些降雨中两者
的比例近似相等。同时，模型的建立有两个基本的假设，即假设在林冠饱和之前没有冠滴水，以及树干蒸发只
有在降雨结束后才开始发生。
模型中各个参量的物理意义明确，有比较严谨的推理过程 ，涵盖面广，不需要复杂的数学计算，有较强的
实用性。同时，模型也有它的不足之处，主要是不能保证次降雨的计算精度，也不能反映一次降雨事件中具体
的截留过程。
2 实验方法
研究样地选取的热带季节雨林位于西双版纳州勐仑 自然保护区内(21。57 N，101。12 E，海拔 756 m)，样地
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生 态 学 报 26卷
内建有的CREN的森林水文观测系统，基本情况见文献 中的详细介绍。研究地林分特征见表1。
裹 1 西双版纳热带季节雨林林分特征
Table1 Some characteristics oftropical seasonal rainforestinXishlangb~nna
*由中国科学院西双版纳热带雨林生态系统定位研究站提供 Provided by Xishuangbanna Tropical Rain Forest Ecosystem Station，XTBG，CAS
2．1 野外观测
2．1．1 穿透降水的测定 热带季节雨林内，植被繁多，林冠疏密程度不均，且层次较多，样点选择具有一定难
度。为使观测更具代表性，采用自制的2．0m×0．3m V型集水槽来收集穿透降水，通过增大集水面积来弥补
林冠的不均匀性。具体操作时将集水槽固定在林冠下，10个为一组，用塑料汽油桶收集，每 日称其总量，换算
为水深。
2．1．2 树干径流的测定 采用塑料管环状收集槽，环绕树干，用塑料汽油桶收集树干径流，每 日称其总量。
热带雨林共设 4组，第 1组取不同径级的树干 6棵，第 2组取径级 16cm10cm面积林冠的树干径流量。
2．1．3 其他要素的测量 样地内70m高的正三角形铁塔上架设了常规气象观测系统(RMET)，与本研究相关
观测有降雨量(RM YOUNG，52203)、空气温湿度(vAIsALA，HMP45C)、风速(VECTOR INSTRUMENTS，A100R)、
净辐射(KIPP&ZONEN，CNR一1)等。
2．2 林冠持水能力估算
根据生物量、植株的显著程度 以及取样可行程度，在样地中选取 7种(属)共 36棵树作为样树，每种
(属)3—6棵。每棵样树取一定量的树皮(3片，约 10×20cm2／片)、枝条(直径 ≤2cm)和叶称其鲜重，用清漆封
住枝条和树皮除外表面的各个切面，使得只有外表面吸水。漆干后浸水 24h，根据材料吸水的特性，分别采用
5rain、10min、20min、30min的时间间隔各进行一个小时的浸水称重，4h后每 lh称重 1次。随后，将浸水 24h后
的样品悬挂风干24h，其间同样采用先密后疏的时间间隔称重。根据预实验，叶片浸水 5min后重量就不再有
明显的变化，且浸水时间过长后风干叶片易萎蔫，因此叶片浸水风干都是 3h。具体情况见文献①。
获得样品最大稳定持水量后，运用尺度上推法，依据样地生物量、叶面积指数等估算出热带季节雨林的林
冠持水能力。
3 实验结果
本研究使用数据为 2003年的观测数据，雨季为5～l0月，其余月份为干季。
3．1 降雨特征 ’
2003年年降雨量为 1244．4mm，其中雨季(5 10月)降雨量 926．7mm，占74．5％，干季(11～4月)降雨量
317．7mm，占25．5％。与近 12a的平均状况相比 ，2003年的年降雨量相对较少，降雨季节分配有较大变化：
雨季降雨减少，干季降雨增加，尤其是干季降雨明显增加，其中 1月降雨量在近 12a首次超过 lOOmm，而 l1、12
月份几乎没有降雨(图 1a)。按照《实用气象手册》 引的划分，全年以≤2．5mm／h的小型降雨为主，>8mm／h的
大雨及特大降雨占全年总雨时的4．8％。
① 王馨，等．西双版纳热带季节雨林与橡胶林林冠持水能力的研究，待发表
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3期 王馨 等：Gash模型在热带季节雨林林冠截留研究中的应用
蚕
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皇
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0．2-,0．9 2．6—8．0 ≥ 16
降雨强度 Rainfal int~sity(埘m，h)
5
鲁 40
0
35
目 毒30
赫 25
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趋} l5
图 l 降雨特征
Fig·1 Some characteristics of rainfal：monthly rainfall(a)，distribution of rainfal intensity(b)肌d distribution of rainfal(c)and rainy hour(d)in 8 day
a降雨量年变化。b降雨强度分布，c降雨量 日变化，d雨时日变化
从降雨 日分配来看(图 1c、d)，降雨主要发生在 日
出前和午后两个时段，正午和凌晨前后发生降雨较少；
雨量主要集中在每 日2：00—5：00和 17：00：18：00
24：00雨量相对较少。
3．2 林内雨量
穿透降雨和树干径流的和为林内雨量。2003年实
测穿透 降 雨 总 量 为 867．3mm，树 干 径 流 总 量 为
l 14．4mm，分别占年降雨总量的 69．7％、9．2％。各月穿 图2降雨与穿透降雨
透降雨占月降雨总量的57．4％±18．5％，树干径流占月 Fig．2，l’h。rehti。 。fthroughfall t0 infall，fo 。kly al
降雨总量的 11．2％±7．5％。将林内穿透降水的周总量与林外降雨周总量进行回归(图 2)，可见林内穿透降
雨与林外降雨具有显著的正相关关系。
3．3 林冠截 留
林冠层存在如下的水量平衡：
，= P一( +S￡) (5)
式中，，为林冠截留量，P为林外降雨， 为穿透降雨，5 为树干径流。
3．3．1 参数 林冠持水能力是林冠截留降水的主要影响因子之一，由林冠结构、树种组成、枝叶表面积指数，
以及叶、枝、树干的表面持水能力决定。研究中一般采用回归法、尺度上推法和遥感法来进行测定或估算 J。
在穿透降雨空间变率较高的热带地区 。 ，基于实测穿透降雨和树干径流的回归法也难以应用 ；而遥感法
由于实施起来较为昂贵而很少采用。因此本研究采用尺度上推法进行林冠持水能力的估算，得出林冠枝叶部
分的持水能力 5为0．35—0．51mm，树干部分的持水能力 5 为 0．13一O．26mm。自由穿透降雨系数 P为每月
月中测得的可见天空率(表 1)，树干径流系数 P 为各月多年平均树干径流率 ]。其他参数值见表 2，其中根
据模型的要求， 为≥0．5mm／h的月平均降雨强度，2003年 11月、12月观测样地处没有≥0．5mrn／h的降雨出
现，其值空缺。饱和林冠的平均蒸发强度为 0，12mrn／h，低于年平均降雨强度。林冠层的空气动力学参数根据
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RMET观测数据计算得到①。
3．3．2 截留模拟 基于现有数据，根据每小时的降雨数据对 2003年的热带季节雨林林冠截留进行模拟，对
于<0．5mm／h的降雨直接计入林冠未饱和的部分，对≥0．5mm／h的降雨代入模型进行计算。全年林冠各部分
截留值见表3，其中 m=363h，i1,=341h，g=220h，<0．5mm／h的降雨量为57．8mm。
裹2 Gash模型参数
Table 2 Some parameters needed in Gash model
衰 3 Gash模型的组成部分
Table 3 The components of the协t— Interception loss accounting to Gash model·based on hourly rainfall
林冠截留损失的组成部分 Component of interception loa 表达式 Analytical form 截留量 V ue(mm)
不难看出，降雨停止后的林冠蒸发是林冠截留的主要组成部分，占截留总量的46．2％；树干截留占林冠
截留的15．1％，是林冠截留中不可忽视的组成部分。对于雨量较小的降雨(P。< )而言，对截留起主要作用
的是林冠郁闭度；对于雨量较大的降雨而言，截留受到诸如林冠蒸发强度、林冠饱和程度及林冠郁闭度等较多
因素的影响。
3．3．3 林冠截留量比较 由实测的 P、 与S 值，用公式5计算得到年截留总量为262．7mm，占全年降雨量
的21．1％。运用 Gash解析模型对2003年的林冠降雨截留过程进行模拟，得到年截留总量为274，9mm，占全年
降雨量的22．1％，截留量比实测值高12．2mm；截留率(年截留量占降水量的百分比)高1．O％。对2003年实测
截留累计量和模拟截留累计量进行对比(图3)，显示出Gash模型对降雨截留(周总量累计)做了较好的模拟。
4 结论与讨论
由于资料的限制，本研究没有采用次降雨的资料，而是基于每小时的降雨数据对林冠截留进行模拟。一
方面，模型无法及时反映林冠的湿润程度，在连续性降雨或阵性降雨发生时高估了林冠截留量；同时，实际的
① 张一平，等．西双版纳热带季节雨林时空变化特征初步分析．投植物生态学报，完成修改
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3期 王馨 等：Gash模型在热带季节雨林林冠截留研究中的应用
截留过程中，林冠可能是随着穿透降雨或树干径流的
产生而逐渐达到饱和的，而模型的假设条件认为只要
P。≥P 林冠就达到饱和，因此也会造成模型对截留
量的高估。另一方面，模型对截留量的估算是以林冠
截留能力 S为基础的，根据对 S的一般性理解，持水
量实验测得的 S并不包括叶表面暂时附着、叶腋处存
留以及附生物截留的水分，因此模型中不包括这部分
截留水量，造成对截留总量的低估。在热带季节雨林
样地中，常有大型附生植物着生在树干或枝的分支
处，一些叶片的叶面上也着生有附生植物，uu等拍们在
亚热带中山湿性常绿阔叶林的研究显示，有附生植物
的林木比没有附生植物的林木干流量高 40％，相应的
截留量也不可忽视。
模型模拟值与实测的截留量相比较(表4)，可见，
干季的相对误差较小，雨季略大，这可能是由于干季
的气候条件下，降雨多满足模型假设条件，而雨季的
降雨类型多样、大强度降雨较多，使得降雨截留情况
比较复杂，准确模拟较困难。以 8月下旬为例，雨 日
5d，雨时50h，其中最短的降雨也连续降雨 5h，其中有
2日的连续降雨均达 12h，在此条件下模拟的林冠截
留量与实测值的误差较大，在使用过程中应予以注
意；但由于误差相互抵消，季节总量的模拟值与实测
值的相对误差较小，干季为 0．2％，雨季为6．2％，年为
4．6％(表 4)，周截留总量模拟值与实测值相关图(图
4)同样显示了模拟值与实测值具有很好的一致性，因
此可以认为 Gash模型在西双版纳热带季节雨林有很
好的适用性。
由于 Gash模型涉及到较多的参数，影响模型模
拟精度的因素相应较多，因此需要通过适当的方法来
o 50 100 150 200 250
周降雨Weeklyn~fal(ram)
图3 实测与模拟截留累计值
Fig．3 Cumulative interception loss，for metmured and estimated value
裹4 不同季节模拟与实测的林冠截留值比较
Table 4 Comparison of interception loss between ~ anated and
measured valueintwo se~om
亘
喜
罩
l量
器
囊
j囡i
图4 实测截留量与模拟截留量(8月份除外)
F／g．4 Relation between measured and estimated interception los (except
获得尽可能准确的参数。但是对我国热带森林而言， for Aug-J,for ekIy ah。
诸多参数的获得并非易事，找到一些较为稳定的参数值是下一步的目标。Gash认为树高 h和式(4)中的各个
参数有数量关系：d=0．75h，z。=0．10h，。=h+2。本研究中林分高度约为 36，5m，年平均 d、z。和 z值基本吻
合Gash给出的关系，可以认为在热带季节雨林中也存在这样的数量关系，可以运用在今后的模型模拟中。本
研究中饱和林冠的蒸发强度与降雨强度不存在线性关系，因此它们的比值不是定值，与模型假设不符，在今后
使用 Gash模型时应予以注意。
Gash模型结合了雨湿特征、林冠特征及空气动力学特征，并从截留机理出发，能够在获得林冠截留总量
的基础上对截留各个组成部分有所了解。运用 Gash模型对林冠截留进行模拟可以避免繁琐的人工观测、以
及由于较大的穿透降雨空间变异带来的观测误差，在热带雨林中尤为如此。本研究仅使用了2003年 1a的数
据进行模拟，其代表性还有所欠缺，需要利用其他年份或其他热带森林的观测资料来进一步检验Gash模型在
我国热带雨林的适用性，这将是下一步需要深入开展的工作。
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附录：文中各参数的含义和单位
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