全 文 ： 第 vz卷 第 w期u s s t年 z 月
林 业 科 学
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几个树种的林冠降雨特征
王彦辉
k中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 本文从机制和数量关系上研究了毛竹 !杉木和刺槐人工林的林冠对降雨雨谱和雨滴动能的影响 o这
是进一步深入研究森林的水土保持和水文效益的基础 ∀结果表明 o林冠降雨的雨滴直径k ∆ o°°l大小分布即
雨谱基本不受空旷地降雨类型和强度的影响 o表现出相当稳定的特征 ∀当采用 Φ€ t p ¬¨³k p kts ∆Α l
νl表示林
冠降雨雨谱时 o毛竹 !杉木和刺槐的 Α值分别为 u1zzt{ !u1x|v| !u1xttu ~ν值分别为 t1zx|v !t1|tzx !u1ytuy ∀林
冠降雨单位水体雨滴动能也基本不受林外降雨类型和强度影响 ∀当降落高度足够大从而所有雨滴都能达到
终点速度时 o毛竹 !杉木 !刺槐的林冠降雨单位水体雨滴潜在动能为 uw1tyv#°pu °°pt !uv1utw#°pu °°pt和
uv1ztv#°pu °°pt o表现为所研究 v个树种之间的差别很小 ∀本研究建立了依据给定降落高度k Ηo°l计算这
v个树种林冠降雨单位水体雨滴动能的模型 o毛竹为 εχ € uw1tu|≈t p ¬¨³ks qssuv Ηu p s qvux| Ηl  o杉木为 εχ €
uv1utw≈t p ¬¨³ks qssux Ηu p s qvws| Ηl  o刺槐为 εχ € uv1ztv≈t p ¬¨³ks qsstx Ηu p s qvwyz Ηl  ∀林冠降雨单位水体
雨滴动能随降落高度降低而减小的程度表现为在 s ∗ x°范围内最强烈 ~在 x ∗ ts°范围内较明显 ~在 ts°以
上时则不再很明显 ∀文中还确定了研究地区空旷地降雨单位水体雨滴动能与降雨类型和强度的关系 o讨论了
对林冠影响降雨动能进行数量化评价的方法和进行区域评价的途径 ∀
关键词 } 森林水文 o降雨动能 o林冠截持 o毛竹 o杉木 o刺槐
收稿日期 }t|||2tt2vs ∀
ΤΗΕ ΡΑΙΝΦΑΛΛ ΧΗΑΡΑΧΤΕΡΣ ΥΝ∆ΕΡ ΧΑΝΟΠΨ ΟΦ ΣΕς ΕΡΑΛ ΤΡΕΕ ΣΠΕΧΙΕΣ
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Αβστραχτ } ׫¨ ¬±©¯∏¨±¦¨ ²©¦¤±²³¼ ²± ·«¨ µ¤¬±©¤¯¯ ¶¬½¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ¤±§²± ·«¨ µ¤¬±§µ²³ ®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ º¤¶µ¨2
¶¨¤µ¦«¨§ ∏´¤±·¬·¤·¬√¨ ¼¯ ¤±§²±·«¨ ¥¤¶¬¶²© ©¨©¨¦·°¨ ¦«¤±¬¶°©²µ·«¨ ·µ¨¨¶³¨¦¬¨¶²© ¤²2¥¤°¥²²k Πηψλλοσταχηψσπυ2
βεσχενσl o≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µk Χυννινγηαµιαλανχεολαταl o…¯¤¦® ²¯¦∏¶·k Ροβινια πσευδοαχαχιαl q≥∏¦«µ¨¶¨¤µ¦«¬¶·«¨ ¥¤¶¬¶
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µ¤¬±§µ²³¶¬½¨ k ∆ oµ¤¬±§µ²³§¬¤°¨ ·¨µo°°l §¬¶·µ¬¥∏·¬²±¬¶¥¤¶¬¦¤¯ ¼¯ ±²·¬±©¯∏¨±¦¨§¥¼·«¨ ·¼³¨ ¤±§¬±·¨±¶¬·¼²©µ¤¬±©¤¯¯
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s1vws| Ηl  oεχ € uv1ztv≈t p ¬¨³ks qsstx Ηu p s qvwyz Ηl  ©²µ¤²2¥¤°¥²²o≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µo…¯¤¦® ²¯¦∏¶·µ¨¶³¨¦·¬√¨ 2
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·º¨ ±¨ µ¤¬±§µ²³®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ ³¨µ∏±¬·µ¤¬±©¤¯¯¬± ²³¨ ±©¬¨ §¯¤±§·«¨ µ¤¬±©¤¯¯¬±·¨±¶¬·¼©²µ§¬©©¨µ¨±·µ¤¬±©¤¯¯·¼³¨¶º¨ µ¨
µ¨¶¨¤µ¦«¨§q׫¨ °¨ ·«²§·² √¨¤¯∏¤·¨·«¨ ¬±©¯∏¨±¦¨ ²©©²µ¨¶·¦¤±²³¼ ²±·«¨ µ¤¬±©¤¯¯®¬±¨·¬¦ ±¨¨ µª¼ ¤±§·«¨ ³²¶¶¬¥¯¨¤³2
³µ²¤¦«·²§²¶∏¦« √¨¤¯∏¤·¬²±¬± ¤µ¨ª¬²±¤¯ ¶¦¤¯¨ º¨ µ¨ ¤¯¶²§¬¶¦∏¶¶¨§q
Κεψ ωορδσ} ƒ²µ¨¶·«¼§µ²¯²ª¼o•¤¬±©¤¯¯®¬±¨ ·¬¦ ±¨¨ µª¼o≤¤±²³¼¬±·¨µ¦¨³·¬²±o¤²2¥¤°¥²²o≤«¬±¨ ¶¨ ©¬µo…¯¤¦® ²¯2
¦∏¶·
土壤侵蚀是我国最严重的环境问题之一 o它极大地限制着水土流失地区的经济发展 ∀土壤流失主
要是由具有较大降雨强度的侵蚀性暴雨引起的k张汉雄等 ot|{u ~王万忠 ot|{vl o最重要的土壤侵蚀动力
来自于降雨动能 o土壤侵蚀过程实质上是一个消耗降雨能量而作功的过程 ∀雨滴击溅引起土壤结构破
坏 !颗粒分散及土粒溅蚀k≤¤¯√¬± ετ αλqot|zul o形成结皮层和导致入渗下降及地表径流增加 o雨滴击溅还
会引起地表径流紊动和土体冲刷k面蚀和细沟侵蚀l ∀植被覆盖可以显著减少土壤侵蚀k罗伟祥等 o
t||sl o其中一个重要原因是植被覆盖可以减少降雨功能 ∀因此 o了解植被影响降雨动能的机制和定量
评价植被对降雨动能的影响 o是研究植被的水土保持和水文效益的基础工作 ∀和其它植被类型相比 o森
林的结构比较复杂 o林冠是森林对降雨特征和雨滴动能产生影响的第一个作用层 o因而林冠作用与以后
的有关过程明显相关 ∀详细了解林冠对降雨特征和雨滴动能的作用 o是深入研究森林的水文作用机制
的重要环节 ∀
t 研究地点和研究方法
111 研究地点和林分
本研究涉及 v个树种和两个研究地点 ∀毛竹k ∆ηψλλοσταχηψσ πυβεσχενσl和杉木k Χυννινγηαµια λανχεολα2
ταl人工林k王彦辉等 ot||vl的研究地点位于江西省分宜县的中国林科院亚热带林业试验中心大岗山地
区 o是毛竹和杉木林的中心分布区 ∀大岗山地区年均气温为 tz1| ε ot月份气温为 x1v ε oz月份气温为
u|1s ε o年降雨量为 tx|v°°∀研究林分的海拔高度为 wwx°左右 o土壤为山地黄壤 ∀研究所涉及的毛竹
林为中度集约经营的人工纯林 o密度为每 «°uwtss株 o平均眉围为 vv1u¦°∀研究所涉及杉木人工林林龄
uu年 o胸径 tv1wx¦°o树高 tw1{s° o郁闭度为 s1z ∀
刺槐k Ροβινια πσευδοαχαχιαl人工林的研究地点位于甘肃省泾川县 o是典型的黄土高原沟壑区 o海拔
高度变化在 ts|x ∗ tuzv°之间 o年均温 ts ε o年降水量 xxs°° o林龄 tt年 o平均胸径 y1|{¦°o平均树高
z1vy° o郁闭度为 s1| ∀
112 雨滴观测方法和雨谱描述
降雨在穿过林冠时 o有一部分降雨被枝叶撞碎成破碎雨滴或在枝叶上重新汇聚成大雨滴 o称为林冠
降雨 o其降雨特征会发生较大变化 o表现为雨滴直径离散程度增加 ∀在林冠下观察到的雨滴是由林冠降
雨和直接穿透雨两部分组成的 o称为穿透降雨 ∀显然 o如何计算林冠降雨的动能是计算传统降雨动能的
关键 ∀
在郁闭林冠下 o可以认为直接穿透雨很少 o穿透降雨几乎完全是由林冠降雨组成的 ∀研究中采用国
内经常使用的最简便的滤纸色斑法k窦保璋等 ot|{u ~周佩华等 ot|{tl在郁闭林冠下收集林冠降雨的雨
滴样品 o根据雨斑大小和雨滴直径的关系求得雨滴的大小 ∀雨滴的大小组成称为雨谱 o它随雨型k如短
阵型雨型和普通雨型l和雨强而变化k江忠善等 ot|{v ~王彦辉 ot|{xl ∀对郁闭林冠下林冠降雨特征的研
究k王彦辉 ot|{x ~周国逸 ot||zl表明 o林冠降雨雨谱基本不受空旷地降雨类型和强度的影响 o表现出相
当稳定的特征 ∀林冠降雨雨谱可采用同空旷地降雨雨谱一样的表达方式 ∀ …¨ ¶·kt|xsl采用下式描述降
雨雨谱 }
Φ € t p ¬¨³kp kts ∆Α l
νl ktl
式中 o∆为雨滴直径k¦°l ~Φ为直径 Φ ∆的雨滴累积体积所占总体积的比例 ~Α和 ν 为随雨型和雨强
kΙ o°°#°¬±ptl而变化的雨谱分布参数 ∀和采用正态分布函数描述降雨雨谱k周国逸 ot||zl相比 o…¨ ¶·雨
v 第 w期 王彦辉 }几个树种的林冠降雨特征
谱公式更有利于计算雨滴动能 ∀
113 雨滴降落速度和雨滴动能
在静止大气中 o雨滴所受到的作用力有重力和空气阻力k徐锐 ot|{v ~黄克兴 !t|{u ~吴魁鳌 ot|{{ ~雷
阿林等 ot||xl o空气阻力随降落速度的增大而增加 ∀当降落高度足够大时 o重力和空气阻力会达到平
衡 o雨滴以其终点速度下降 ∀牟金泽kt|{vl曾给出计算雨滴终点速度k°#¶ptl的一系列经验公式 }
Μ] € u|{x ∆u 当 ∆  s1ssx¦°时 ku¤l
Μ] € s1w|y # Κ# ts u{1vusny1xuwt γ∆pk¯ ª∆l
u p v qyyx 当 s1ssx¦°  ∆  s qt|¦°时 ku¥l
如果 ∆  s qtx¦°oΚ € t qss ~否则 oΚ € t1ss p s1xvk ∆ p s1txl
Μ] € tx1|v Κ ∆ € ktz1us p {1ww ∆l ∆ 当 s1t|¦°  ∆  s qyx¦°时 ku¦l
由于树木高度有限 o较大的林冠降雨雨滴在降落到林地上时可能还达不到其对应的终点速度 ∀因
此 o准确计算不同降落高度时林冠降雨雨滴着地时的降落速度 o对于计算和评价林冠影响降雨动能的功
能是非常重要的 ∀为了简化林冠降雨的动能计算 o需要引入冠心高的概念 o即假设林冠降雨雨滴的平均
降落高度都是从冠心高处这个高度降落的 ∀当假设林冠降雨雨滴的初速度为零时 o可利用雨滴降落速
度kΜo°#¶ptl随降落高度k Ηo°l变化的方程k徐锐 ot|{vl计算不同降落高度时给定直径的林冠降雨雨滴
的着地降落速度kΜo°#¶ptl }
Μ€ Μ] t p ¬¨³kp u γΜu] Ηl kvl
对于质量为 µ 并以速度Μ下降的单个雨滴 o其雨滴动能为 s1x µϖu ∀实际中常用单位水体kt°u 上
降落 t°°深的降雨 o即 t雨水l的雨滴动能 ∀在水的比重取值为 t时 o可根据下式由雨谱特征计算单
位水体雨滴动能 εk#°pu °°p tl }
ε € tu Ε φιϖuι kwl
式中 oφι 为某种直径的雨滴体积占总体积的比例 ∀
图 t 刺槐林冠降雨的雨谱参数 Α和 ν与降雨类型和强度的关系k π对流降雨 oσ锋面降雨l
ƒ¬ªqt ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶¥¨·º¨¨ ±µ¤¬±§µ²³¶¬½¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± k• ≥⁄l ³¤µ¤° ·¨¨µ¶²© Α¤±§ ν ©²µ·«¨ ¦¤±²³¼
µ¤¬±©¤¯¯ ²© …¯¤¦® ²¯¦∏¶·©²µ¨¶·¤±§·«¨ µ¤¬±©¤¯¯·¼³¨ ¤±§µ¤¬±©¤¯¯¬±·¨±¶¬·¼
k π °µ¨¶¨±·¶¦²±√ ¦¨·¬√¨µ¤¬±©¤¯¯~σ °µ¨¶¨±·¶©µ²±·¤¯ µ¤¬±©¤¯¯ql
u 几种树木的林冠降雨雨谱特征和单位水体雨滴动能
211 与降雨类型和强度的关系
对刺槐林冠降雨的雨谱参数与降雨类型和降雨强度关系的大量观测k图 tl表明 o林冠降雨的雨谱参数
受降雨类型和降雨强度影响不大 o对杉木和马尾松林冠降雨的研究得出了同样的结论 ∀因此在数据处理
w 林 业 科 学 vz卷
图 u 毛竹林冠降雨的单位水体雨滴动能和降雨强度
的关系
ƒ¬ªqu ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²± ¥¨·º¨¨ ± ®¬±¨ ·¬¦ ±¨¨ µª¼ kŽ∞l ²©∏±¬·¦¤±2
²³¼µ¤¬±©¤¯¯ ²© ¤²2¥¤°¥²²¤±§µ¤¬±©¤¯¯¬±·¨±¶¬·¼
过程中 o将某一树种的所有的林冠降雨雨滴观测结果不
分降雨强度和降雨类型地混合在一起作为一次综合
观测 o然后根据式ktl拟合林冠降雨雨谱参数 ∀
刺槐 }Φ€ t p ¬¨³k p k ts ∆u1xttul
u1ytuyl kx¤l
杉木 }Φ€ t p ¬¨³k p k ts ∆u1x|v|l
t1|tzxl kx¥l
毛竹 }Φ€ t p ¬¨³k p k ts ∆u1zzt{l
t1zx|vl kx¦l
由于林冠降雨的雨谱特征受林外降雨类型和降
雨强度的影响不大 o所以林冠降雨的单位水体雨滴动
能也受林外降雨类型和降雨强度的影响不大 o这点可
以对毛竹林冠降雨单位水体雨滴动能的实测值的分
析k图 ul得到非常清晰的证实 ∀
在到目前为止的一些国内森林水文作用研究中 o对
图 v 几种树木的林冠降雨单位水体雨滴动能
k εχ o#°pu °°ptl与降落高度k Ηo°l的关系
ƒ¬ªqv ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶¥¨·º¨¨ ±·«¨ ®¬±¨ ·¬¦ ±¨¨ µª¼ kŽ∞l
²©∏±¬·¦¤±²³¼ µ¤¬±©¤¯¯ k εχ o# °pu °°pt l ²© ¶¨√ µ¨¤¯
·µ¨¨¶³¨¦¬¨¶¤±§·«¨ ©¤¯ ¬¯±ª«¨¬ª«·k Ηo°l ²©µ¤¬±§µ²³¶
林冠影响降雨雨谱和雨滴动能的研究还很少k • ¤±ª ≠¤±«∏¬o
t||u ~雷瑞德 ot|{{ ~周国逸 ot||zl o而且未充分地把林冠作用
和森林结构特征相联系起来 o因此研究结果相互之间可比性
较差 ∀如雷瑞德kt|{{l研究了郁闭度为 s1{的华山松穿透降
雨 o研究结果未直接给出林冠降雨雨谱表达式 o但表明穿透
降雨的中值直径随降雨强度增大而增大 o虽然增大的速度要
比空旷地降雨小的多 ∀华山松穿透降雨雨谱受林外降雨特
征的影响 o这个结论看起来不同于本文结论 o但并不难理解 o
因为第一是雷瑞德研究的是华山松穿透降雨 o其中夹杂有直
接穿透雨 ~第二是研究中所观测的雨强范围较小 o仅为 s1ssz
∗ s1txs °°#°¬±pt o所得结论有一定局限性 ~第三点是从针叶
上降落的雨滴具有聚合现象 o如从一枚华山松针叶滴下的雨
滴直径为 u1{ ∗ v qw°°o两枚时为 v1w ∗ v q{°°o一束kx枚l时
为 v1z ∗ w qu°°o而阔叶树的这种现象很少 ∀
212 林冠降雨的单位水体雨滴动能
可根据林冠降雨雨谱特征计算出单位水体内不同大小
雨滴的组成比例 o然后利用前面所述计算方法计算出不同
大小雨滴的终点速度和雨滴动能 o求和即得在降落高度不
受限制即所有雨滴都能达到终点速度的前提条件下林冠降
雨单位水体雨滴潜在动能 ∀毛竹林 !杉木林 !刺槐林的单位
水体雨滴潜在动能分别为 uw1tyv#°pu °°p t !uv1utw#°pu
°°pt和 uv1ztv#°pu °°pt o表现为不同树种之间的差别很
小 ∀由于本研究所测树种有限 o目前还不能断定这个结论
对所有树种都适用 o尤其是不能断定对叶片较大的树种也
适用 o还需要进一步加大研究树种范围 ∀
当然 o我们也可以利用前面的所述计算公式计算给定
降落高度的林冠降雨单位水体雨滴动能 o但这是一个非常
繁杂的计算过程 o不利于开展林冠降雨动能的大规模计算
x 第 w期 王彦辉 }几个树种的林冠降雨特征
和进行林冠影响的效益评价及水土流失预测 ∀为此 o十分需要寻找一种简化的计算途径 o但到现在为止
还一直没有进行这方面的探索 ∀在本研究中 o先计算出了不同降落高度条件下各个研究树种的单位水
体雨滴动能 o然后 o寻找能很好地拟合单位水体雨滴动能与降落高度之间的关系线型 o拟合结果见图 v ∀
其中 εχ 为不同降落高度 Ηk°l条件下林冠降雨单位水体的雨滴动能k#°pu °°p tl ∀
在图 v看出 o林冠降雨单位水体雨滴动能随降落高度降低而减小的程度在 s ∗ x°的范围内最强烈 ~
在 x ∗ ts°的范围内较明显 ~若高度在 ts°以上时则不再很明显 ∀
213 林冠降雨对单位水体雨滴动能的影响
要定量评价林冠对单位水体雨滴动能的影响 o必须首先了解空旷地降雨的动能特性 ∀对空旷地降
雨动能的观测研究表明 o单位水体的雨滴动能随降雨类型和降雨强度而变化 ∀在图 w中给出了江西大
岗山地区的空旷地降雨单位水体雨滴动能和降雨强度及降雨类型之间的数量关系 ∀甘肃泾川的空旷地
降雨单位水体雨滴动能和降雨强度及降雨类型之间的关系则被表示为另外一种函数形式 }
甘肃泾川 对流降雨 }ε € vw1sztvΙs1u|wz Ρ € s q{|
甘肃泾川 锋面降雨 }ε € {u1vxzwΙs1xxut Ρ € s qzt
图 w 江西大岗山空旷地降雨的单位降雨动能与降雨强度和降雨类型之间的关系
ƒ¬ªqw ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²± ¥¨·º¨¨ ± ®¬±¨ ·¬¦ ±¨¨ µª¼ kŽ∞l ²©∏±¬·µ¤¬±©¤¯¯¬±·«¨ ²³¨ ±©¬¨ §¯¤±§·«¨ µ¤¬±©¤¯¯·¼³¨
¤±§¬±·¨±¶¬·¼©²µ⁄¤ª¤±ª¶«¤±o¬¤±ª¬¬°µ²√¬¦¨ o≤«¬±¤
可用林冠降雨单位水体的雨滴动能与空旷地降雨单位水体的雨滴动能的差作为评价林冠影响降雨
动能的一个指标 ∀以江西大岗山的毛竹林和杉木林及甘肃的刺槐林为例 o林冠改变单位水体雨滴动能
的作用为 }
江西 ) 杉木 ) 对流降雨 }∃ε € uv1utw≈t p ¬¨³ks qssux Ηu p s qvws| Ηl  p kv qyv|{¯ ±Ι n ux q{uyl
江西 ) 杉木 ) 锋面降雨 }∃ε € uv1utw≈t p ¬¨³ks qssux Ηu p s qvws| Ηl  p kw qsyvx¯ ±Ι n uz q{|zl
江西 ) 毛竹 ) 对流降雨 }∃ε € uw1tu|≈t p ¬¨³ks qssuv Ηu p s qvux| Ηl  p kv qyv|{¯ ±Ι n ux q{uyl
江西 ) 毛竹 ) 锋面降雨 }∃ε € uw1tu|≈t p ¬¨³ks qssuv Ηu p s qvux|‹l  p kw qsyvx¯ ±Ι n uz q{|zl
甘肃 ) 刺槐 ) 对流降雨 }∃ε € uv1ztv≈t p ¬¨³ks qsstx Ηu p s qvwzy Ηl  p kvw qsztvΙs1u|wzl
江西 ) 刺槐 ) 锋面降雨 }∃ε € uv1ztv≈t p ¬¨³ks qsstx Ηu p s qvwzy Ηl  p k{u qvxzwΙs1xxutl
在图 x中 o以毛竹林为例 o采用不同的曲线形象化地表现出了在不同降落高度时林冠对不同降雨强
度条件下对流降雨单位水体雨滴动能的影响 ∀可见 o在较低降雨强度条件下 o林冠降雨会增大单位水体
的雨滴动能 o只有在降雨强度超过某一临界值时 o林冠才能减少单位水体的降雨雨滴动能 ∀这个临界雨
强随降落高度的增大而增大 ∀所研究的不同地区和不同树种在不同降落高度时对不同类型降雨的单位
水体雨滴动能的影响及其临界雨强不难从上面各式中求出 ∀
v 在林分水平上林冠对雨滴动能的影响计算和尺度转换途径
降雨通过林冠层时被分解为许多分量 o一部分为未和树体接触而从林冠孔隙中穿过的直接穿透降
y 林 业 科 学 vz卷
图 x 毛竹林冠对不同强度的对流降雨单位水体雨滴动能的增减影响
ƒ¬ªqx ׫¨ ¬±¦µ¨¤¶¬±ª²µ§¨¦µ¨¤¶¬±ª ©¨©¨¦·²© ¤²2¥¤°¥²²¦¤±²³¼ ²±·«¨ ®¬±¨ ·¬¦ ±¨¨ µª¼
²©∏±¬·§¨³·«²©¦²±√ ¦¨·¬√¨µ¤¬±©¤¯¯ º¬·«§¬©©¨µ¨±·¬±·¨±¶¬·¬¨¶
雨 o其降雨特征同空旷地相比没有发生变化 ~一部分为林冠截持降雨 o它从林冠直接蒸发到空中 o不对地
面发生作用 o使到达林地的降水量减少并因此而完全消减了这部分降雨的动能 ~一部分为沿树干缓缓流
到林地的干流 o它携带的降雨动能可忽略不计 ~还有一部分降雨 o虽然被林冠拦截过 o但最终还是降落到
林地 o称为林冠降雨 o依照树种的枝叶特性 !降落高度 !降雨类型 !降雨强度等具体情况不同 o林冠降水可
以增加或减少单位水体的雨滴动能 ∀实际观测中不能把直接穿透降雨和林冠降雨分开 o常合称为穿透
降雨 ∀穿透降雨和干流又可以合称为林下降雨 ∀严格地定义和区分这些林下降雨组分k表 tl o对于幼
林 !疏林和缺乏地表覆盖的林分的降雨动能及土壤侵蚀计算是十分必要和重要的 ∀
表 1 林下降雨组分划分和雨滴动能特征
Ταβ .1 Τηε χοµ πονεντσ οφ ραινφαλλ υνδερ χανοπψ ανδ τηειρ χηαραχτεριστιχσ οφ ραινδροπ κινετιχ ενεργψ
穿过林冠后的降雨组成成分
≤²°³²±¨ ±·¶²©µ¤¬±©¤¯¯¤©·¨µ
³¤¶¶¬±ª·«µ²∏ª«¦¤±²³¼
林下降雨 •¤¬±©¤¯¯ ∏±§¨µ¦¤±²³¼
穿透降雨 ׫µ²∏ª«©¤¯¯
林冠降雨
≤¤±²³¼µ¤¬±©¤¯¯
直接穿透降雨
⁄¬µ¨¦··«µ²∏ª«©¤¯¯
干流
≥·¨°2©¯²º
林冠截持
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单位水体雨滴动能特征
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不同于林外 o决定于树种的林冠降雨雨谱特
征和降落高度
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同林外
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可忽略
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无
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如果某一林分的林冠透光度k表示雨滴被林冠拦截的比例 o或称纯郁闭度l为 Αo则不难理解 o直接
穿透雨占空旷地降雨量的比例为kt p Αl o相应的雨滴动能比例也为kt p Αl ∀这里需要着重说明 o纯郁
闭度为天空被枝叶遮盖的程度 o它不应该被简单地视为造林学上的郁闭度k林冠垂直投影面积占林地面
积的比例l o如完全郁闭的落叶林在冬天的纯郁闭度会下降到接近于零的程度 ∀一个非常实际的问题是
如何确定纯郁闭度的时空变化 o尤其是时间变化 ∀
在只有一层林冠时 o对于一场降雨或某一时间内的多次降雨 o穿透降雨动能可用下式计算 }
Εχτ € Εχ n Ετ € εχ # k Π p Ιχ p Σφ p Πτl n kt p Αl # Ε ktsl
这里 oΕχτ !Εχ !Ετ 和 Ε分别表示穿透降雨动能 !林冠降雨动能 !直接穿透雨动能和空旷地降雨动能 ~
εχ 表示林冠降雨单位水体雨滴动能 ~Π!Ιχ !Σφ 和 Πτ 表示空旷地降雨量 !林冠截持降水量 !干流量和直接
穿透雨量k Πτ € kt p Αl Πl ~Α表示林冠纯郁闭度 ∀当忽略干流部分的动能时 o穿透降雨动能即为林下降
雨动能k表 ul ∀在对一场降雨或某一时间内的多次降雨进行林下降雨动能和空旷地降雨动能之间的比
较要比进行单位水体的雨滴动能比较更有实际意义 ∀林冠消弱降雨动能的作用可用林下降雨动能和空
z 第 w期 王彦辉 }几个树种的林冠降雨特征
旷地降雨动能之差或比值来表示 ∀
在表 u中给出了不同结构的刺槐人工林林冠对几场不同降雨的雨滴动能的增减影响计算过程及实
例 ∀可以看出 o对于降雨强度小 !历时长的锋面降雨来说 o主要由于空旷地比林冠降雨的单位水体雨滴
动能较小 o加之林冠截持占总雨量比例较小 o所以不同纯郁闭度ks1x| ∗ s1zzl林分的林冠都不同程度地
增加了林地所承受的降雨动能 ∀对于短历时暴雨来说 o主要由于空旷地比林冠降雨的单位水体雨滴动
能较大 o加之林冠截持占总雨量比例较高 o所以不同纯郁闭度ks1xu ∗ s1{yl林分的林冠都不同程度地降
低了林地所承受的降雨动能 ∀
在区域或流域范围内 o植被的类型和有关特征的空间分布是不均匀性的 ∀由于林冠改变降雨雨滴
动能的作用还仅仅是一个发生在空中的行为 o不受地面和土壤内的水文过程的直接影响 o所以在区域或
流域范围内评价森林林冠对降雨雨滴动能的影响时 o即进行林冠影响降雨雨滴动能功能的尺度转换和
区域评价时 o还不是十分困难 ∀我们一方面需要调查森林植被的有关特征k尤其是林冠l的空间分布特
征 o另一方面需要调查或估计每场降雨的有关特征 o然后按照本文中所运用的计算方法和计算程序 o就
能实现林冠影响降雨雨滴动能作用的尺度转换 ∀如果能够借助于地理信息系统 o则这个计算过程就会
大大简化 ∀
表 2 不同人工刺槐林在不同降雨条件下林冠对降雨雨滴动能的增减作用计算实例
Ταβ .2 Εξαµ πλεσ οφ τηεινχρεασινγ ορ δεχρεασινγ εφφεχτσ οφ Βλαχκ λοχυστ χανοπψ ον
τηε κινετιχ ενεργψ οφ ραινδροπσ υνδερ διφφερεντ ραινφαλλ χηαραχτερσ ανδ τρεε γροωτη χονδιτιονσ
小区
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日期
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林外雨量
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林冠截持
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干流
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林冠纯
郁闭度
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直接
穿透雨
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林冠降雨
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{ 林 业 科 学 vz卷
参 考 文 献
窦保璋 o周佩华 q雨滴的观测和计算方法 q水土保持通讯 ot|{u oktl }ww ∗ wz
黄克兴译 q≈俄 …q q摩斯柯夫金 q人工降雨喷洒特征值的估算 q河南水利科技 ot|{u okul }yz ∗ zs
江忠善 o宋文经 o李秀英 q黄土地区天然降雨的雨滴特性研究 q中国水土保持 ot|{v okvl }vu ∗ vy
雷阿林 o张学栋 o唐克丽 q几种计算水滴降落速度方法的比较 q水土保持通报 qt||x otxkwl }wv ∗ wz
雷瑞德 q华山松林冠层对降雨动能的影响 q水土保持学报 ot|{{ oukul }vt ∗ v|
罗伟祥 o白立强 o宋西德等 q不同覆盖度林地和草地的径流量与冲刷量 q水土保持学报 ot||s owktl }vs ∗ vx
牟金泽 q雨滴速度计算公式 q中国水土保持 ot|{v okvl }ws ∗ wt
王万忠 q黄土地区降雨特性与水土流失关系的研究 q水土保持通报 ot|{v okwl }z ∗ tv oyx
王彦辉 q陇东黄土地区刺槐林水土保持效益的定量研究 q北京林业大学学报 ot|{x o{ktl }vx ∗ xu
王彦辉 o刘永敏 q江西大岗山毛竹林水文效应研究 q林业科学研究 ot||v oykwl }vzv ∗ vz|
吴魁鳌 q人工模拟降雨中大粒径雨滴着地速度公式的探讨 q水土保持学报 ot|{{ ouktl }{u ∗ {w o{t
徐 锐 q关于天然降雨和人工降雨的动能计算方法 q中国水土保持 ot|{v okvl }vz ∗ v| out
张汉雄 o王万忠 q黄土高原的暴雨特性及分布规律 q水土保持通报 ot|{v oktl }vx ∗ ww
周国逸 q生态系统水热原理及其应用 q北京 }气象出版社 ot||z }{t ∗ ts{
周佩华 o窦葆璋 o孙清芳等 q降雨动能的试验研究初报 q水土保持通报 ot|{tktl }xt ∗ yt
…¨ ¶·„ ≤ q׫¨ ¶¬½¨ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ²©µ¤¬±§µ²³¶q±∏¤µ·¨µ¯¼ ²∏µ±¤¯ ²©·«¨ •²¼¤¯  ·¨¨²µ²¯²ª¬¦¤¯ ≥²¦¬¨·¼ot|xs ozy }ty
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k上接第 t页l
林木覆盖率达到 tu h以上 o林产品产值超过 t ≅ ts| 元 o使林业成为农民增收的一条重要途径 ∀到 usts
年 o全区计划完成人工造林 !退耕还林核实合格面积 y ≅ tsx«°u o封山k沙l育林 u1| ≅ tsx«°u o飞播造林
t1v ≅ tsx«°u o林木覆盖率超过 tx h oys h的水土流失面积得到有效控制 o陡坡耕地和重点生态区域坡耕
地全部退耕还林还草 oxs h的沙漠化土地得到综合治理 o全区生态环境明显改善 ∀再用 us年的时间 o使
全区林木覆盖率达到 vs h o逐步实现山青水秀 !林兴民富的良性循环 o把自治区规划的壮丽蓝图变成现
实 ∀
今年 o自治区林业局规划了退耕还林还草 !封山育林 !高标准平原绿化 !无公害枸杞 !林木种苗工程
和高沙窝沙化土地综合整治 y个科技示范区 o局领导每人负责一个 o充分发挥带动辐射作用 ∀以良种壮
苗生产为突破口 o以节水抗旱造林为重点 o以提高质量效益为中心 o大胆运用高新技术改造提升传统林
业 o使我区林业建设真正转到依靠科技进步和提高生产经营者素质轨道上来 o为实现林业跨越式发展提
供强有力的科技支撑 ∀
| 第 w期 王彦辉 }几个树种的林冠降雨特征