全 文 ：第 49 卷 第 10 期
2 0 1 3 年 10 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 10
Oct．，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20131015
收稿日期: 2012 － 09 － 06; 修回日期: 2013 － 06 － 03。
基金项目: “十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD16B0103) ; “十一五”国家科技支撑计划重点项目(2006BAD26B0801)。
* 王志刚为通讯作者。
绿洲林网区上层动力速度与防风效应估算*
赵英铭1 辛智鸣1 王志刚1 马学献2 吴立伟3
(1. 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心 磴口 015200; 2. 磴口县林业局 磴口 015200; 3. 银川市园林局 银川 750000)
摘 要: 为准确评估大范围绿洲防护林对上层气流动力速度的影响，利用动力平衡法推导上层气流相对动力速
度的公式，并在 4 个不同结构网格进行实测估算，同时利用磴口荒漠生态定位站 50 m 通量塔风速数据拟合估算，
得到 4，5 月大风时段防护林健全的绿洲区内部上层相对动力速度 v * 约为 1. 3。分析绿洲防护林边缘区和内部上
层动力速度变化的力学机制、防护林树高以下动力速度的构成因素，给出绿洲区地面阻力评价的方法，并以贴地层
相对风速 γ为目标参数构建大范围绿洲区防风效应评价的近似计算公式 γ = v * α 2 l /［2α
2 l + (1 － α2 )A2槡 ］。阐
述透风系数 α、以树高倍数表示的林带间距 l、树高的对数积分特征值 A 与林网区整体防风效应的关系。
关键词: 农田防护林; 相对风速; 透风系数; 林带间距; 动力速度
中图分类号: S727. 2 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)10 － 0093 － 07
Estimates of the Wind Protection Effect and the Relative Dynamic Speed
above the Canopy of A Large Oasis Area
Zhao Yingming1 Xin Zhiming1 Wang Zhigang1 Ma Xuexian2 Wu Liwei3
(1. Experiment Center of Desert Forestry，CAF Dengkou 015200;
2. Dengkou Forestry Bureau Dengkou 015200; 3. Yinchuan Landscape Administration Bureau Yinchuan 750000)
Abstract: The dynamic balance method was used to deduce the relative power formula of the upper air flow to
accurately assess the impact of a wide range of oasis protection forest on the upper air power speed． Based on the
measurement at four different geometric structure grids，and the fitting estimates with the wind speed data collected from a
50 m flux tower at the Dengkou Desert Ecological Research Station，it was found the upper relative power speed during
April and May gale periods within the oasis region was about 1. 3． The following formula was built to estimate the ground
layer relative wind speed (γ) and further to evaluate the effects of a wide range of oasis area on wind protection: γ = v * α
2 l /［2α2 l + (1 － α2 )A2槡 ］。This formula，based on the analysis of mechanisms of oasis protection forest edge zone and
the upper power speed change，and constituent elements of power speed under shelterbelt trees，provided a ground
resistance evaluation method of oasis area． This formula could also illustrate the relationship between wind penetration
coefficient (α)，forest space ( l，which is the multiple of tree height)，ratio of average wind speed and power speed below
tree height in the control areas (A)，and wind protection effect of the whole shelterbelts．
Key words: farmland shelterbelts; relative wind speed; permeability of windbreaks; distance between main belts;
power speed
营造防护林的最主要目的是降低林网内贴地层
风的破坏力。贴地层指距离地面最近的一层，风沙
运动的输沙量绝大多数在这一层内，作物、地膜、劳
作人员等被防护目标也基本处在这一层内，因而其
上界在 2 m 左右。风的破坏力包括对直立作物的推
力和对地膜等地面目标物的水平拖曳力。当风进入
林网区边缘第 1 条林带时，林带后贴地层相对风速
与林带透风系数 α 基本相当，体现的是林带结构的
特征; 而当风进入林网区内部时，贴地层相对风速
还与林带间距、树高等林网结构因素相关。林带结
构与防风效应的研究已经较为成熟，有关文献都有
集中论述(曹新孙，1983; 朱廷曜等，2001; 朱金兆
林 业 科 学 49 卷
等，2010; 王志刚等，2012; 任昱等，2013); 高尚武
等(1990)对大范围绿洲建设的环境效益作了成体
系的跟踪研究，但未涉及深入的机制研究; 朱廷曜
等(1992; 1993a; 1993b; 2001)对林网区防风效应
的估算方法进行了开创性研究，但不够简明，不便应
用，国内高等院校教材中也未见详细介绍。
动力速度 v* 的物理含义，是对因地面摩擦阻力
而产生的风速梯度的衡量。动力速度与地表单位面
积上的摩擦阻力 τ 、空气密度 ρ 的关系为 v* =
τ /槡 ρ。风速越大，地面的阻力越大，动力速度 v* 越
大。当某一高度 z 上的风速 v 一定时，按照普朗
特 －冯·卡门(L． Prandtl-Von Krmn)的对数分布律
v = v* / kln( z / z0)，地面越粗糙摩擦阻力越大，所以
动力速度又称为摩阻速度(丁国栋，2010)。林网区
上层(林带高度以上服从对数分布律的气层，其上
界高度可达 100 ～ 300 m)动力速度的变化，是上层
气流对防护林阻力的响应，也是林网区内部贴地层
相对风速估算的一个重要因素。
风在相同下垫面上的稳定流动过程中，受下垫
面的摩擦作用形成的对数分布律可以看做是恒定
的。但当下垫面粗糙度 z0 发生改变时，风速廓线将
发生改变。光滑地面上的风遇到粗糙地面时，粗糙
地面对气流的阻力在 2 种下垫面交界处会突然增
大，增大的阻力用于改变风速廓线的结构，贴地层的
风速首先被拖慢; 在粗糙度的影响下，动量的涡旋
传递加强，上层的风速也相应渐渐被拖慢，直到达成
新的平衡。林网区也是一种下垫面，林带是林网区
的一种粗糙元，上层气流在进入林网区一定距离
(一般在 2 ～ 4 条林带)后也会与粗糙元达成新的平
衡，这种平衡的状态仍然符合对数分布律的形式;
但是，在林网区上层形成的对数廓线，其动力速度
v* 与旷野动力速度 v* 0 的比值，究竟是否增大及增
大了多少，却存在一定的争议。一种说法是林网区
上层的动力速度 v* 与旷野动力速度 v* 0 基本相等，
风在不同下垫面过渡区形成的动力速度骤变只在交
界处一定距离存在，而在达成新的平衡时 v* 又基本
恢复到原来的水平，被拖慢的气流流量和动能对于
整个大气运动来说，是微不足道的 (马玉明等，
2004); 另一种说法是林网区的粗糙元比一般的粗
糙元显著增大，上层的动力速度 v* 比旷野动力速度
v* 0 要大得多，林网区上层动力速度可达到旷野的
1. 7 ～ 2 倍，甚至出现 3 倍以上的例子(朱廷曜等，
2001)。我国建筑结构抗风设计中使用的不同下垫
面粗糙度 z0 与相对动力速度 v* / v* 0 的对应关系见
表 1(Emil et al．，1996)，其中，不同下垫面相应的粗
糙度分别是，沙漠 0. 01m，树木稀少的乡村 0. 05 m，
树木密集的乡村 0. 3 m，中高层建筑密集地区和起
伏较大的丘陵 1. 0 m。依此推测，在从沙漠 ( z0 =
0. 01 m ) 过渡为林网区 ( z0 = 0. 3 m ) 的情形下，
v* / v* 0 = 1. 15 /0. 844 = 1. 36，即林网区动力速度增
大到沙漠的 1. 36 倍。本文试图从林网区上层向下
传输的动力与林带和地面的阻力平衡出发，较准确
地估算上层相对动力速度，阐明林网区贴地层相对
风速与林网结构要素之间的简明关系。
表 1 不同下垫面粗糙度及相应的相对动力速度
Tab. 1 Roughness at various underlying surfaces and its relative wind speed
粗糙度 Roughness z0 /m 0. 005 0. 01 0. 05 0. 07 0. 3 1. 00 2. 5
相对动力速度 Relative power speed v* / v* 0 0. 83 0. 844 0. 948 1. 00 1. 15 1. 33 1. 46
1 研究方法
1. 1 动力平衡法
1. 1. 1 估算公式的推导 为使问题简化，本文将动
力平衡验算的情景设为主风向来流与主林带方向垂
直，忽略副林带阻力。林网区阻力由林带和地面阻
力 2 部分组成，截取一个网格中“宽度为单位林带
长度、沿气流方向长度为一个林带间距范围的林网
区”作为动力分析的“微元”，则林网区内部可以看
成很多“微元”的重复排列。计算林带阻力时，每一
个微元包含的林带长度为 1，林带迎流截面积与树
高 H 数值相同; 计算地面阻力和上层气流的拖曳力
时，微元地面宽度为 1，长度为林带间距 L，面积与林
带间距 L 数值相同。若将林带间距以树高倍数 l 表
示，则微元面积为 L = lH 。
按照动力速度的定义，上层气流对林带高度以
下地物(包括林带和地面)的拖曳力 F τ 可表示为
F τ = ρv
2
* lH。
式中: ρ 为空气密度，v* 为林网区上层的动力速度，
l 为林带间距 (以林带高度的倍数表示)，H 为林带
高度。
若旷野来流动力速度为 v* 0，林网区贴地层风
速较旷野平均降低率为 Δ%，相对风速 γ = 1 － Δ%，
则林网区贴地层动力速度的地面阻力分量为 γv* 0。
单位宽度、距离为一个林带间距范围的林网区地面
对气流的阻力 F τD 可表示为
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第 10 期 赵英铭等: 绿洲林网区上层动力速度与防风效应估算
F τD = ργ
2 v2* 0 lH。
若旷野来流在林带高度以下的平均风速为 v0，
则林网区在林带高度以下的平均风速为 γv0 。
若林带透风系数为 α，林网区的平均风速为
γv0，则林带所处位置的风速背景值应为 γv0 /α 。风
速背景值的含义是: 假设将该林带从所处位置移
除，该位置的风速将在上层高速气流传递的动量补
充下，速度达到 γv0 /α 。反过来理解，若将透风系数
为 α 的林带置于来流风速为 γv0 /α 的位置，气流受
到该林带的阻力作用，林带背风面林缘风速降低为
α(γv0 /α) = γv0 。
根据伯努利原理，单位长度林带对气流的阻力
FD 可表示为
FD = (1 － α
2) 1
2 ρ
(γv0 /α)
2H。
旷野来流在林带高度以下的平均风速 v0 与动
力速度 v* 0 总是成比例的，其比值取决于林带高度
H 和地表粗糙度 z0 。令比值为 A，则 A = v0 / v* 0，
v0 = Av* 0 。林带阻力为
FD = (1 － α
2) 1
2 ρ
(γAv* 0 /α)
2H。
根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相
等，则上层气流对林网区水平拖曳力 F τ 的量值等于
地面阻力 F τ D 与林带阻力 FD 之和，即 F τ = F τD +
FD。将 3 个分量的算式代入，则
ρv2* lH = ργ
2 v2* 0 lH + (1 － α
2) 1
2 ρ
(γAv* 0 /α)
2H，
简化则有
v* / v* 0 = γ /α 2α
2 l + (1 － α2)A2 /2槡 l。
1. 1. 2 比值 A 的量值估计 林带高度以下旷野平
均风速 v0 与动力速度 v* 0 的比值 A，取决于林带高
度 H 和地表粗糙度 z0 。以风速廓线方程 v =
5. 75v* lg( z / z0) 可求得该比值。方法是将各高度风
速按高度积分，求取林带高度以下平均风速，公式变
形为 v = 5. 75v* ( lgz － lgz0) ，则有:
v0 =
1
H ∫
H
z
0
5. 75v* 0( lgz － lgz0)dz =
5. 75 1
H
v* 0 ∫
H
z
0
( lgz － lgz0)dz，
A = v0 / v* 0 = 5. 75
1
H ∫
H
z
0
( lgz)dz － lgz[ ]0 。
由上式可见，该比值 A 以树高 H 的对数积分为
特征，为简明起见，也可称为树高的对数积分特征
值。从按上式计算的 A 值列表(表 2)，可以看出:树
木越高 A 值越大，但树高对 A 值的影响不十分大;
下垫面粗糙度对 A 值影响很大，为负相关。
表 2 不同林带高度旷野来流平均风速( v0 )与动力速度( v* 0 )的比值(A)
Tab. 2 Ratio A of the average wind speed v0 and power speed v* 0 for wilderness stream below different forest belt height
粗糙度
Roughness ( z0 ) /m
林带高度 Forest belt height /m
4 m 5 m 6 m 8 m 10 m 12 m 14 m 16 m 18 m 20 m
0. 001 18. 7 19. 1 19. 5 20. 1 20. 6 21. 1 21. 4 21. 7 22. 0 22. 2
0. 002 16. 9 17. 4 17. 8 18. 4 18. 9 19. 3 19. 7 20. 0 20. 3 20. 4
0. 003 15. 9 16. 4 16. 7 17. 4 17. 9 18. 3 18. 7 19. 0 19. 3 19. 5
0. 005 14. 6 15. 1 15. 5 16. 1 16. 6 17. 0 17. 4 17. 7 18. 0 18. 1
0. 008 13. 5 13. 9 14. 3 14. 9 15. 4 15. 9 16. 2 16. 6 16. 8 17. 0
0. 01 12. 9 13. 4 13. 7 14. 3 14. 9 15. 3 15. 7 16. 0 16. 3 16. 5
0. 025 10. 6 11. 1 11. 5 12. 1 12. 6 13. 0 13. 4 13. 7 14. 0 14. 2
0. 05 8. 9 9. 3 9. 7 10. 4 10. 9 11. 3 11. 7 12. 0 12. 3 12. 5
0. 10 7. 2 7. 6 8. 0 8. 6 9. 1 9. 6 9. 9 10. 2 10. 5 10. 8
不同粗糙度的 A 值含义不同: 当选取绿洲外围
下垫面的粗糙度时，林网区相对风速 γ 的含义相应
为林网区贴地层风速与旷野贴地层风速之比，反映
绿洲与周围环境的风力差异; 当选取绿洲内部下垫
面粗糙度时，林网区相对风速 γ 的含义相应为林网
区贴地层风速与无林网农田贴地层风速之比，反映
防护林对绿洲区风力改变的贡献。为与防护林动力
效应目标运算具有匹配性，应选取背景风力观测站
点所在地的粗糙度。
1. 1. 3 结构参数的运算和测量方法 立木疏透度
S 的估算采用定义公式(王志刚等，1998)
S = nS / LH。
式中: n 为标准段内的总株数，S 为单株标准木的总
树体表面积，L 为标准段林带长度，H 为林带高度。
疏透度通过换算公式 S = － πlnβ 导出 β =
exp( － S /π) 。
多行林带透风系数采用 α = β0. 55 导出，两行林
带用 α = β0. 6 导出(任昱等，2013)。
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林 业 科 学 49 卷
林网区贴地层风速用 8 通道自记风速仪(AV-
30WS，启动风速 0. 5 m·s － 1，精度 ± 0. 5 m·s － 1 )计
测，风杯高度 2 m，在 2 个相邻主林带间沿来流方向
均匀布置，各测点的风速平均后即为林网区贴地层
平均风速 v2; 旷野同时段风速利用设在旷野(地表
粗糙度 z0 = 0. 025 m)的地面气象站自记风速仪记
录，换算成 2 m 高度作为对照风速 v02; 林网区贴地
层相对风速为 γ = v2 / v02 。
林带间距 l 为相邻 2 个主林带中心线之间的距
离，用树高(H)的倍数表示。
1. 2 旷野和林网区上层动力速度的直接测量估算
利用磴口荒漠生态定位站设在旷野 (沙漠)和
绿洲内部的对应通量观测塔数据(风速仪型号 AV-
30WS，启动风速 0. 5 m·s － 1，精度 ± 0. 3 m·s － 1 )，对
冬季相、夏季相大风天风速廓线进行模拟计算，模拟
廓线公式为: 荒漠 v = 5. 75v* 0( lgz － lgz0 0) ; 绿洲 v
= 5. 75v* ( lgz － lgz0)，或带有零平面位移高度 d 的
公式 v = 5. 75v*［lg( z － d) － lgz0］。
2 结果与分析
2. 1 观测结果
2. 1. 1 动力平衡法观测与计算结果 4 个观测林
网均选自中国林业科学研究院沙漠林业实验中心
下属实验场，其中 1 号网格取自第 1 实验场，2 号
网格取自第 3 实验场，3 号和 4 号网格取自第 2 实
验场。基础数据如表 3 所示，实测网格内贴地层
相对风速如表 4 所示，相对动力速度估算结果见
表 5。
表 3 防风效能实测网格基础数据
Tab. 3 Measured grid basic data of windproof performance
网格号
Grid No．
树种
Species
树龄
Age / a
胸径
DBH /cm
树高
H /m
间距
Span
shelterbelt
株距
Plant
spacing /m
行数
Number
of rows
保存率
Preservation
rate(% )
S
1 新疆杨 P． alba var． pyramidalis 27 37. 4 25. 3 9. 5 H 1 2 45. 7 0. 768
2 新疆杨 P． alba var． pyramidalis 9 17. 4 14. 9 9. 3 H 1 2 97. 5 1. 043
3 箭杆杨 P． nigra var． thevestina 23 29. 4 16. 9 7. 7 H 4 8 35. 0 0. 784
4 二白杨 P． gansuensis 23 25. 7 11. 7 11. 1 H 4 8 70. 0 1. 785
表 4 相对风速(γ = v2 / v02 )的实测值
Tab. 4 Measured values of relative wind speed (γ = v2 / v02 ) %
网格号
Grid No．
测点 Measuring point
1 2 3 4 5 6 7 8
平均
Mean
1 54. 4 57. 3 57. 2 57. 5 55. 9 51. 2 49. 7 47. 2 53. 8
2 54. 9 55. 9 54. 0 54. 3 54. 4 54. 6 52. 7 52. 7 54. 2
3 55. 9 58. 2 54. 6 59. 2 56. 3 58. 0 61. 3 65. 8 58. 6
4 43. 6 44. 7 44. 9 43. 2 41. 3 47. 0 50. 6 67. 6 47. 5
表 5 林网区上层相对动力速度 v* / v* 0估算( z0 = 0. 025 m)
Tab. 5 Relative power speed v* / v* 0 estimate ( z0 = 0. 025 m) at the upper shelterbelts
网格号 Grid No． S β α γ l H /m A v* / v* 0
1 0. 768 0. 78 0. 862 0. 538 9. 5 H 25. 3 14. 7 1. 20
2 1. 043 0. 72 0. 821 0. 542 9. 3 H 14. 9 13. 6 1. 31
3 0. 784 0. 78 0. 872 0. 586 7. 7 H 16. 9 13. 9 1. 30
4 1. 785 0. 57 0. 734 0. 475 11. 1 H 11. 7 12. 9 1. 29
2. 1. 2 廓线观测拟合结果 冬季相时 3 次大风廓线 拟合效果见表 6，7，8，夏季相拟合效果见表 9，10，11。
表 6 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合①
Tab. 6 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height (2012 － 04 － 01 14:00—18:50)
(m·s － 1 )
风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m
旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 6. 2 7. 2 8. 1 9. 2 9. 6 10. 4 10. 9 11. 5 11. 5
旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 5. 9 7. 0 8. 1 9. 1 9. 8 10. 2 10. 8 11. 5 11. 9
林网实测风速 Shelternets measured wind speed 2. 2 4. 2 6. 9 7. 7 8. 0 8. 6 9. 4 10. 4 10. 9
林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 2. 9 4. 3 5. 8 7. 2 8. 0 8. 6 9. 5 10. 3 10. 9
① 旷野 Wilderness: z00 = 0. 023 m，v* 0 = 0. 62 m·s
－ 1 ; 林网区 Shelternets area: z0 = 0. 25 m，v* = 0. 83 m·s
－ 1。v* / v* 0 = 0. 83 /0. 62 = 1. 34。
冬季相 Hiemal aspect． 风向方位角 300°Az． of wind direction 300° ．
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第 10 期 赵英铭等: 绿洲林网区上层动力速度与防风效应估算
表 7 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合①
Tab. 7 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height (2012 － 04 － 18 22:40—25:10)
(m·s － 1 )
风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m
旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 6. 0 7. 8 8. 8 10. 0 10. 6 11. 6 12. 3 13. 1 13. 3
旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 6. 4 7. 6 8. 9 10. 1 10. 8 11. 4 12. 1 12. 8 13. 3
林网实测风速 Shelternets measured wind speed 2. 8 4. 7 7. 3 8. 1 8. 5 9. 2 10. 2 11. 5 12. 2
林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 2. 9 4. 5 6. 2 7. 9 8. 8 9. 5 10. 5 11. 5 12. 2
① 旷野 Wilderness: z00 = 0. 029 m，v* 0 = 0. 72 m·s
－ 1 ; 林网区 Shelternets area: z0 = 0. 3 m，v* = 0. 96 m·s
－ 1。 v* / v* 0 = 0. 96 /0. 72 = 1. 33。
冬季相 Heimal aspect． 风向方位角 300°Az． of wind direction 300° ．
表 8 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合①
Tab. 8 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height (2012 － 04 － 10 10:00—15:50)
(m·s － 1 )
风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m
旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 6. 8 7. 7 9. 3 10. 7 10. 4 12. 5 13. 0 13. 7 11. 9
旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 6. 6 7. 9 9. 1 10. 4 11. 1 11. 6 12. 3 13. 1 13. 6
林网实测风速 Shelternets measured wind speed 2. 9 4. 8 8. 1 8. 7 8. 3 9. 8 10. 4 11. 1 8. 9
林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 2. 9 4. 8 6. 8 8. 8 8. 3 8. 9 9. 7 10. 5 11. 1
① 旷野 Wilderness: z00 = 0. 025 m，v* 0 = 0. 72 m·s
－ 1。林网高度 Shelternet height 1 ～ 8 m: z01 = 0. 37 m，v* 1 = 1. 15 m·s
－ 1 ; 林网高度
Shelternet height 12 ～ 48 m: z0 = 0. 20 m，v* = 0. 81 m·s
－ 1。 v* / v* 0 = 0. 81 /0. 72 = 1. 13。冬季相 Hiemal aspect． 风向方位角 55° Az． of wind
direction 55° ．
表 9 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合①
Tab. 9 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height (2012 － 05 － 06 17:50—19:10)
(m·s － 1 )
风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m
旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 6. 5 8. 4 9. 3 10. 5 11. 1 11. 8 12. 5 13. 2 13. 7
旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 6. 7 8. 0 9. 3 10. 5 11. 3 11. 8 12. 5 13. 3 13. 8
林网实测风速 Shelternets measured wind speed 3. 3 5. 1 5. 6 6. 2 6. 8 7. 4 8. 6 10. 3 12. 2
林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 3. 2 4. 4 5. 6 6. 8 6. 5 7. 8 9. 3 10. 5 11. 3
① 旷野 Wilderness z00 = 0. 025 m，v* 0 = 0. 73 m·s
－ 1。林网高度 Shelternet height 1 ～ 8 m: z01 = 0. 15 m，v* 1 = 0. 68 m·s
－ 1 ; 林网高度
Shelternet height 12 ～ 48 m: z0 = 0. 3 m，d = 7 m，v* = 0. 92 m·s
－ 1。v* / v* 0 = 0. 92 /0. 73 = 1. 26。夏季相 Aestival aspect． 风向方位角 190° Az． of
wind direction 190° ．
表 10 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合①
Tab. 10 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height (2012 － 05 － 10 14:00—19:50)
(m·s － 1 )
风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m
旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 5. 1 5. 8 6. 6 7. 6 8. 0 8. 9 9. 5 10. 2 10. 4
旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 5. 1 6. 0 7. 0 7. 9 8. 5 8. 9 9. 4 10. 0 10. 4
林网实测风速 Shelternets measured wind speed 2. 7 4. 2 5. 6 6. 3 6. 7 7. 0 7. 7 8. 6 9. 1
林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 2. 8 4. 2 5. 5 7. 0 6. 3 6. 9 7. 7 8. 5 9. 1
① 旷野 Wilderenss z00 = 0. 025 m，v* 0 = 0. 55 m·s
－ 1。林网高度 Shelternet height 1 ～ 8 m: z01 = 0. 25 m，v* 1 = 0. 80 m·s
－ 1 ; 林网高度
Shelternets height 12 ～ 48 m: z0 = 0. 25 m，d = 3 m，v* = 0. 70 m·s
－ 1。v* / v* 0 = 0. 70 /0. 55 = 1. 27。夏季相 Aestival aspect． 风向方位角 300° Az．
of wind direction 300° ．
表 11 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合①
Tab. 11 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height (2012 － 05 － 27 04:10—07:40)
(m·s － 1 )
风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m
旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 5. 9 7. 7 8. 6 9. 7 10. 4 11. 4 12. 1 12. 7 13. 1
旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 6. 4 7. 6 8. 9 10. 1 10. 8 11. 4 12. 1 12. 8 13. 3
林网实测风速 Shelternets measured wind speed 3. 2 5. 2 6. 8 7. 5 8. 1 8. 5 9. 4 10. 6 11. 5
林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 3. 2 4. 8 6. 3 7. 9 7. 4 8. 4 9. 6 10. 7 11. 5
① 旷野 Wilderness z00 = 0. 029 m，v* 0 = 0. 72 m·s
－ 1。林网高度 Shelternet height 1 ～ 8 m: z01 = 0. 24 m，v* 1 = 0. 9 m·s
－ 1 ; 林网高度 Shelternet
height 12 ～ 48 m: z0 = 0. 35 m，v* = 0. 95 m·s
－ 1。 v* / v* 0 = 0. 95 /0. 72 = 1. 32。夏季相 Aestival aspect． 风向方位角 330° Az． of wind
direction 330° ．
79
林 业 科 学 49 卷
2. 2 林网区上空相对动力速度的机制分析
2. 2. 1 观测结果的物理意义和可靠性 冬季相时，
用廓线拟合测量得到的绿洲内部上层 3 次大风的相
对动力速度分别为 1. 34，1. 33，1. 13，平均为 1. 27
(表 6，7，8)，夏季相时，3 次大风的相对动力速度分
别为 1. 26，1. 27，1. 32(表 9，10，11)，这与国家建筑
抗风设计规范采用的参考数据基本吻合。4，5 月是
我国西北沙区风力最强劲的时段，也是农作物播种、
出苗的关键季节，上述观测结果对绿洲防护林区域
防风效应的评价和结构设计应用具有较好的适配
性。林带树种为新疆杨，放叶时间在 4 月 20 日—5
月 1 日，此时期由冬季相转为夏季相，林带疏透度明
显减小。而从观测结果看，绿洲区大风天的防风效
应未见明显增强，这一方面是由于 5 月的叶量还不
够大，另一方面说明叶片在防风效应上的贡献远不
及同等表面积的树干和枝条。
用动力平衡法测量计算的 4 个网格上层相对动
力速度分别为 1. 20，1. 31，1. 30，1. 29(表 5)，与廓线
拟合结果基本相同。如按常用的公式(α = β0. 4 )换
算透风系数，则得到的相对动力速度约等于 1. 01 ～
1. 14，比廓线拟合结果偏小; 而按照林带结构特征
较准确地选取换算公式 (冬季相多行林带用 α =
β0. 55、两行林带用 α = β0. 6 )后，得到的动力速度与廓
线拟合法接近，这也从一个侧面反映了林带结构与
防风效应的密切关系。为准确评估防护林体系防风
效应水平，应考虑林带的具体结构，准确选取透风系
数的换算公式。动力平衡法物理意义明确，趋势和
数值与廓线拟合法差异不大，它将林带和林网结构
与动力效应联系起来，在结构设计方面有重要的参
考价值。
2. 2. 2 上层相对动力速度的稳定性 大型林网区
内部上层相对动力速度是一个十分稳定的参数，实
测的 4 个网格在结构参数(立木疏透度、高度等)发
生成倍变化时，相对动力速度也只发生很小的响应:
从沙漠到绿洲，地面障碍物几何高度从不足 1 m 的
小灌木沙堆到高达 12 ～ 25 m 的杨树林带，动力粗糙
度从 0. 025 m 到 0. 25 m，增大到 10 倍，相对动力速
度也只增大到 1. 3 左右。这与传统的空气动力学阐
述基本一致，其机制在于大气边界层厚度相对于地
面粗糙元高度来说发展空间很大，不同于管道、风洞
等有限空间的模拟边界层。
2. 2. 3 绿洲边缘区的上层相对动力速度的估计
风从沙漠吹向绿洲，在绿洲边缘区林带的阻挡下，近
地面风速下降。按照质量守恒原理，一部分气流将
被抬升，加速从林带上方翻越，绿洲边缘的林带将承
受比绿洲内部更大的风力，其上方将产生更大的风
速梯度，边缘区上层动力速度远高于绿洲区内部。
按照透风系数和贴地层相对风速的定义，绿洲
边缘区最外层网格对应的透风系数与贴地层相对风
速基本相等。假设将本文所测的 4 个网格置于绿洲
最外侧，仍用表 5 的算法，将透风系数代入贴地层相
对风速栏进行计算，则林网区边缘第一层网格的贴
地层相对风速为 0. 71 ～ 0. 86，尚不能形成良好的防
护效果，而上层相对动力速度已达 1. 83 ～ 1. 94; 若
希望最外层网格内地面目标得到有效保护，贴地层
相对风速降低到 0. 5，将表 5 中的透风系数和贴地
层相对风速均替换为 0. 5，估算得到上层相对动力
速度达 2. 4 ～ 3. 1。从受力原理来分析，上层向下输
送的动力主要由林带来承担，上层动力速度只是在
林带上方存在最大值，其数值还可能达到林网区上
方平均动力速度的数倍。
受土地类型镶嵌分布的局限，现实中的林网区
规模有大有小，规模越大，边缘区所占比例越小，上
层平均相对动力速度越小。因此，林网区内部上层
相对动力速度的概念只有在较大的林网区才适用，
在廓线发育不完全的林网区观测到上层动力速度较
大的现象是正常的，但需要与充分发展的平衡廓线
动力速度相区别。
2. 2. 4 林网区下边界层动力速度的伪态 一般意
义上的动力速度 v* 与地表单位面积上的摩擦阻力 τ
的关系为 v* = τ /槡 ρ ，但在林网区下边界层(林网
内树高以下、地面以上的气层)，气流接受的阻力是
由地面和林带共同提供的，下边界层对数廓线显示
的动力速度并不单纯反映气流对林网区内地面的拖
曳力。如本文所用的 6 次大风的资料，除表 8 所显
示的林带高度以下(1 ～ 8 m)廓线动力速度比旷野
动力速度略小外，其余 5 次大风均比旷野动力速度
还要大，但并不说明林网内地面目标物(如地膜)会
接受比旷野更大的破坏力。反证之，若林网内风对
地面目标物的破坏力与旷野相同或比旷野更大，林
网的防护作用就无法理解。林网区下边界层动力速
度的这种伪态来源于粗糙度的伪态，林网区粗糙度
是林带和地面粗糙程度的综合反映，并不单纯反映
地面的粗糙程度。本文所用的林网区地面阻力公式
F τD = ργ
2 v2* 0 lH，是基于地面阻力与地上直立障碍
物的绕流阻力成正比推演而来，应符合实际情况
(推演过程略)。
3 结论
1)林网区内部上层相对动力速度是大气运动
89
第 10 期 赵英铭等: 绿洲林网区上层动力速度与防风效应估算
对下垫面粗糙度的响应，是一个变数，但与粗糙度的
变化相比，其量值更为稳定，并在粗糙度突变的绿洲
边缘出现最大值，可达 1. 8 ～ 3. 1; 稳定于绿洲内部
的相对动力速度可视为常数，其量值在 1. 3 左右，这
与使用我国建筑抗风设计规范进行套算的结果基本
一致。
2)林网区上层相对动力速度可以通过地面风
力解析获得，其表达式为
v* / v* 0 = γ /α ［2α
2 l + (1 － α2)A2］/(2 l槡 )。
结构相同的网格，处在绿洲上风部最外层位置
时接受的风力最大，其上层相对动力速度可取得极
大值 v* / v* 0 = ［2α
2 l + (1 － α2)A2］/(2 l槡 ) 。
3)若将大型林网区内部上层相对动力速度视
为常数，记作 v* = v* / v* 0，则林网结构参数与防风
效 应 参 数 的 关 系 为 γ = v * α
2l /［2α2 l + (1 － α2)A2槡 ］。由该式可以看出，林网
区内部贴地层相对风速 γ 与林带透风系数 α 正相
关，与以树高倍数表示的林带间距 l 正相关，与树高
H 负相关(H 越大 A 值越大，γ 越小，参见表 2)。与
朱廷曜等(1993a)的研究结果相比，趋势相同，但本
文的关系式更为简明。该公式所含子项均可由林网
和地面的特征参数运算获得，可用于已有的林网区
防风效应直观评估，也可以运用该公式进行林网区
规划设计成果的预评估。
参 考 文 献
曹新孙 ． 1983． 农田防护林学 ． 北京: 中国林业出版社，107，110 －
111，168 － 174．
丁国栋 ． 2010．风沙物理学 ．北京: 中国林业出版社，38 － 43．
高尚武，程致力，王志刚，等 ． 1990． 大范围绿化工程对环境质量作用
的研究 ．林业科学研究，3(增刊) : 1 － 50．
马玉明，王林和，姚云峰，等 ． 2004． 风沙运动学 ． 呼和浩特: 远方出
版社，53 － 55．
任 昱，王志刚，杨东慧 ． 2013． 林带冬季相疏透度与透风系数的换
算 ．林业科学，49(待定) ．
王志刚，任 昱 ． 2012．林带冬季相结构参数及透风系数的算法推导 ．
林业科学研究，25(1) : 36 － 41．
王志刚，杨东慧 ． 1998．林带冬季相立木疏透度及其设计方法的研究 ．
中国沙漠，18(1) : 87 － 90．
朱金兆，贺康宁，魏天兴，等 ． 2010．农田防护林学 ． 北京: 中国林业出
版社，62 － 99，146 － 162．
朱廷曜，关德兴，周广胜，等 ． 2001．农田防护林生态工程学 ． 北京: 中
国林业出版社，182 － 202．
朱廷曜 ． 1992．防护林体系生态效益及边界层物理特征研究 ． 北京:
气象出版社，177 － 184，201 － 208．
朱廷曜，周广胜 ． 1993．农牧防护林网区域性防风效应及评价模型 ．
林业科学，29(6) : 509 － 514．
朱廷曜，周广胜 ． 1993．农田林网地区风速减弱规律的探讨 ．应用生态
学报，4(2) : 136 － 140．
Emil S，Scanlan R H． 1996． Wind Effects on Structures; Fundamentals
and Applications to Design． John Wiley ＆ Sons，INC，44 － 61．
(责任编辑 朱乾坤)
99