森林氣象學

森林氣象學

森林氣象學是研究森林和大氣之間相互關係的學科,是氣象學和森林學之間的邊緣學科。它既是套用氣象學的一個分支,又是林學的一門基礎學科。

必要性

氣候條件是林木生長不可缺少的生態因子。它對樹種的傳播和萌發,樹木的生長和發育、開花和結果,以及森林的組成、演替和地理分布都有重要影響。另一方面,森林又通過同周圍大氣不斷進行物質和能量的交換,從而影響並改變森林內及其影響所及地區的氣象要素場結構(包括輻射、溫度、濕度、風、降水、空氣成分等)。因此研究森林和氣候條件間的相互關係,可以了解森林生態系統中的客觀規律,為合理開發利用森林資源、科學的營造森林、保護自然資源和維護良性的生態平衡,為發展工農業生產和改善人們生活環境服務。

發展簡史

(圖)森林氣象學森林氣象學

人類很早就注意到森林樹木和氣候條件之間有著密切關係。中國西漢劉歆時期的《周禮·考工記》所述:“橘踰淮而北為枳”,是兩千多年前,關於南北氣候不同而引起的樹種差異的記載。用儀器觀測森林氣候,也已有 200多年歷史。1745年,就有人在美國紐約進行樹幹內溫度的研究。19世紀中葉,歐洲工業的發展,加速了對森林的砍伐,許多國家相繼設定林內林外對比氣象觀測站,最早的一批是1862年在德國薩克森州建立的,稱為雙聯森林站。1924年,德國的A.施毛斯和R.蓋格爾為了進行林內氣象要素鉛直分布的研究,建立了歷史上第一個森林氣象觀測塔(架)並進行“林分氣候”觀測,森林氣象研究從此進入到範圍較廣的領域,也開始具備一門獨立學科的特點。“林分氣候”觀測分林冠層、樹幹空間和林地土壤幾個層次。尤其是對林冠層的研究,後來發展為冠層氣象學。

(圖)森林氣象學森林氣象學

蓋格爾1927年出版的專著《近地層氣候》中有七章涉及森林氣象,如森林結構對小氣候的影響;擇伐和皆伐跡地氣候特徵;林緣和林間空地的氣流;地表、樹幹間和林冠層的氣象要素分布等。以後,A.鮑姆格特納等在“林分氣候”和產量模型方面做了大量的工作。蘇聯的森林氣象研究也開始較早。林學家A.A.莫爾恰諾夫作過系統研究,他的專著有《森林的水文作用》(1960)、《森林與氣候》(1961)等。美國和加拿大的森林氣象學從 20世紀 20年代開始,偏重於林火氣象預報的研究。1978年,美國的R.李出版了專著《森林微氣候學》,對森林中的能量輸送討論頗詳。1980年,又出版了他著的《森林水文學》。日本的森林氣象研究大約由20世紀30年代開始。平田德太郎設計了紙面蒸發器以模擬葉面蒸騰;原田泰所著《森林氣象學》(1951),對光的研究有獨到之處;門司正三和佐伯敏郎1953年發表了《對群體光能分布和同化作用的研究》的著名論文,開創了用數學分析方法對森林和植物群體光能利用規律的研究。

中國的森林氣象研究工作始於1954年。當時為配合華南橡膠林的種植及遼西、冀西和蘇北防護林的營造,開展了防護林小氣候的研究;同年在東北小興安嶺林區設立了林內和林外的森林氣象站(包括梯度觀測塔),對森林和林間空地的氣候進行定期對比觀測,也對紅松苗圃進行了小氣候的流動觀測。60年代初開始人工林小氣候的研究。1982年10月,中國第三次森林氣象學術討論會對森林氣候、森林水文、森林能量平衡、防護林氣象、林火氣象大氣污染和城市綠化小氣候,以及森林影響大氣降水等問題進行了討論。

研究內容

森林氣候  

(圖)拉線塔測風塔森林防火防火瞭望塔拉線塔測風塔森林防火防火瞭望塔

可分為冠層氣象學和森林小氣候兩個部分。冠層氣象學研究森林林冠內的大氣物理過程。林冠是森林的主要作用面,林冠通過光合作用製造有機物質。它的結構(包括葉面積指數、葉角、葉形、葉和枝幹的分布等幾何結構和葉的光學性質等)直接影響著森林中的物質流和能量流。森林氣象學中的三大平衡(能量水量動量)問題均集中在林冠層中。太陽輻射通過林冠時發生再分配;樹木葉片對不同波長輻射的反射和吸收規律是不同的,紅外光約有70%被反射,吸收的不多。而光合有效輻射僅有 6~12%被反射,吸收的可達70%以上。這種反射、吸收和透過林冠的不同波段輻射的比例,還同太陽高度角、林冠的幾何結構有關。林冠每次可截留3~10毫米以下的降水,每年的截留量隨樹種林冠的鬱閉程度、該年的降水量、降水性質及降水的時間分配等而變。冠層氣象學還研究林冠中二氧化碳的分布(有明顯的日變和鉛直變化)和枝葉對它的吸收,林冠層枝葉的蒸發和蒸騰,以及林冠中風的分布等。冠層氣象學是利用森林調節氣候和科學營造森林、提高森林生物生產力的理論基礎。

森林小氣候研究森林內的溫、濕、光、水、風和空氣成分的特徵及其形成的機制。研究範圍一般涉及林冠層以下的林中空間以及林地土壤。林冠的存在對林內溫度的影響有兩種作用:①正作用。林冠能阻擋射入的短波輻射和射出的長波輻射。因此白天和夏季林內溫度比林外低,夜間和冬季林內溫度比林外高。與此相伴隨的是,在高緯度地區,林內的年平均溫度比林外高,而在中、低緯度地區則相反。②負作用。林冠亦可能削弱風速和湍流交換作用,使林內外熱量交換減少。因而白天夏季林冠有保溫作用,夜間和冬季,林冠有保冷作用。這種作用增大了林內溫度的日振幅和年變化。觀測證明,在大多數森林中,正作用大於負作用,其結果是林內溫度變化比林外緩和;但在疏林中,也可觀測到相反的情況。對於林中空氣溫度的影響也有類似的這兩種作用。因此,在大部分情況下,森林小氣候的特點(與空曠地相比)是:光照低、風速小、濕度大、最高氣溫低和最低氣溫高,林中空間和林地的溫度日變化和年變化都比較小。但是對有些森林可能例外,這同該森林所在的地理位置、海拔高度和森林林冠的結構有關。

防護林帶的氣象效應

研究林帶、林網的結構、布局和配置方向的小氣候效應,包括防止風砂、減弱風速、增加濕度、降低蒸發、減輕霜凍等作用。林帶的防風效應是林帶各種氣象效應中起主導作用的。一般按林帶的透風係數(背風面 1米處風速與空曠地風速之比)和疏透度(林帶縱斷面的相對透光面積)的大小,將林帶劃分為透風結構、疏透結構和緊密結構。疏透結構的林帶,透風係數為0.4~0.5,疏透度為30~50%,大約有50%的空氣流可以穿過這種林帶內部,防風效果最好,背風面的有效防護距離可達樹高的25倍左右。林帶的防護效能還同林帶和風向的交角(成正交時,效果好),林頻寬度、高度、橫斷面形狀(一般認為矩形效果好),地面粗糙度(光滑效果好)等有關;也隨大氣層結的穩定性質(見大氣靜力穩定度)而變,穩定時效果好。研究林帶的動力效應可在野外進行觀測,也可在室內利用風洞進行模型實驗。

營林與氣象

研究各樹種的氣候型及其可塑性,引種中的氣候類似法則,造林的立地條件和季節選擇,苗床小氣候調控,森林撫育的小氣候效應及其對林木生長發育的影響,森林採伐的小氣候效應及其對天然更新的影響,森林氣候資源利用與林糧間作、林藥間作及林間苗圃等。林木生長對氣候條件的要求是多因子的。例如杉木的適生氣候條件為年平均氣溫16~19°C,極端最低氣溫不低於-9°C,生長季(日均溫≥6°C)310天,年雨量1300~2000毫米且分布較勻,各月相對濕度都在80%以上,年日照時數1300~1600小時,風力小於 2級。不同樹種對氣候條件的要求不同,各個氣候因子中有些對林木生長起主要作用,稱為主導因子。主導因子隨地區和樹種而不同,在乾旱地區,水分是主導因子;在熱帶地區,光照條件往往是主導因子。在不同氣候因子的綜合影響下,光合和呼吸強度不同,有機物質的生產和積累也不同,這直接影響生物生產力。營林與氣象的研究,已發展為從森林生態系統的角度來研究氣象因子同系統結構和生產力的關係,以尋求最佳產量模型

(圖)森林氣象學森林氣象學

森林與大氣污染

研究樹木、園林和森林給人類提供氧氣、吸收二氧化碳及其他有害於人類健康的氣體(如二氧化硫)、吸附煙塵和其他微粒、釋放殺菌的揮發物質、削減噪聲、增加空氣中的負離子,以及增加綠感等有益於人類健康的功能。林木在夜間放出的二氧化碳僅為白天吸收的二十分之一左右。生產一單位乾物質需1.83單位的二氧化碳,一片每公頃年產量為10噸乾物質的森林,每年能吸收大氣中的二氧化碳達18.3噸。現在全球森林占地球面積的10%和陸地面積的30%左右,因此森林對於抑制大氣中二氧化碳的劇增(由人類活動引起)維持大氣圈中的二氧化碳的平衡所起的作用是不容忽視的。森林與大氣在物質交換過程中,一方面可淨化大氣、給人類提供舒適衛生的環境,森林本身也從大氣中獲得一部分養分(氮、磷、鉀、鈣、鈉等),促進其生長;另一方面,某些有害氣體和物質在濃度超過限度時,會給森林生長帶來嚴重危害。在工業已開發國家,酸雨(見降水化學)已造成部分林木死亡。因此關於“森林與大氣污染”問題的研究,正吸引著越來越多的科學工作者。

森林災害與氣象

森林的災害主要有病害、蟲害、乾旱、乾熱風、火災、洪水、風倒、雪折,以及苗木的日灼、凍拔、生理乾旱、霜凍、冰雹等,這些災害無不直接或間接的與氣象條件有關。研究災害發生的原因及其發展的可能性,以及採取預防措施,也屬於森林氣象學的範圍。對森林危害最嚴重的是森林火災。1978年歐洲(蘇聯、羅馬尼亞除外)發生的森林火災達 4.3萬餘次,受災面積達44萬公頃,損失近 6億美元。森林火災的發生和蔓延與氣象條件關係密切。除雷電可以直接引起森林火災外,高溫、乾燥是易於成災的重要氣象條件。制定火險的氣象指標,研究火災的天氣預報方法是這個領域的工作重點。森林火災的預報可分為大區預報、分片預報和單點預報三類,各類預報都綜合考慮可燃物濕度、相對濕度、氣溫、風速、風向、降雨量等因子。此外,研究森林中可燃物類型、森林潛在火行為與氣象條件的關係、與森林火災有關的人工影響天氣降水雷電)以及森林火險的紅外遙感探測方法等,也為各國森林氣象工作者所重視。

樹木年輪與氣候

利用樹木年輪中儲存的氣候信息,通過年輪寬度的測定(經過一系列誤差訂正),可以重建過去的歷史氣候特徵(見年輪氣候學)。

森林生態系統的水熱平衡與大氣系統  

(圖)森林氣象學森林氣象學

森林對大氣候的影響問題, 從19世紀中葉開始就被人們重視。在一個時期內爭論的問題有:森林能否增加大氣降水。山脊上的森林和多霧地區的森林能截持霧滴使降水量增多(稱水平降水),這是事實。但是森林通過大量的蒸發與蒸騰,以及其他成雨作用,能否促進水分的小循環,以增加大氣鉛直降水,卻沒有定論。通過 100多年的爭論,1965年美國賓夕法尼亞州召開的國際水文會議以及其他國際會議上,多數人認為這種增加降水的數量是不多的。他們認為某些林區測得的降水量多於空曠地,可能是測定方法有誤。林多雨多,也可能因多雨地區森林易於生長所致,不足以證實森林增加了降水。但是在此以後,1975年美國馬省理工學院的J.G.查尼和P.斯通從大氣環流模式的系統分析中得出了植被引起的大氣鉛直降水的增加不容忽視的論點。森林對大氣圈熱量平衡的影響也是一個爭論的問題。大量砍伐森林,可能影響對大氣中二氧化碳的吸收量,有人認為大氣中二氧化碳的劇增將產生溫室效應,影響地-氣系統的熱量平衡,使氣候朝著對人們不利的方向發展。也有人認為,二氧化碳的略增,亦有利於植被的恢復,這是一種負反饋作用,不致導向惡性循環。

森林地區太陽輻射的反射率小,這已由人造地球衛星觀測所證實。一般而言,針葉林反射率為10%左右,闊葉林為15%左右,然而,黃熟的穀物地可高達35%。因而森林吸收了較多的太陽輻射,其中大部分提供森林植物蒸發和蒸騰,通過這種途徑影響大氣系統的能量和水分收支。從而影響氣候。G.波特經過模擬計算認為,如果砍去全部熱帶森林,能使熱帶對流層中部和上部變冷,北半球和南半球的5°~25°緯度範圍降雨增多,北緯45°~85°和南緯40°~60°降雨減少,赤道和兩極地區溫度降低,全球變冷,造成氣候顯著變化。鮑姆格特納的計算則相反,他指出如果全球沒有森林,陸地對太陽輻射的反射率只提高0.5%,由於地球表面 71%為海洋所覆蓋,森林的這種影響是在大氣圈可負荷範圍內的,不致引起氣候的顯著變化。

研究趨勢

世界氣象組織農業氣象學委員會1974年10月在華盛頓召開的第六次會議中,成立了森林氣象組,並確定研究森林類型、特別是熱帶和副熱帶森林類型的氣象效應。1979年9月在索非亞召開的第七次會議中,成立了森林對全球二氧化碳、水分和能量平衡作用的研究組,同時還確定進行原始森林火險氣象問題的研究。

1983年3月在日內瓦召開的第八次會議,又確定1984~1993年研究森林採伐和更新為主的林業氣象和酸雨對森林的影響,以及森林對二氧化碳的交換等。與此同時,森林氣象的研究方法,也由單純的直觀的野外觀察階段,向觀測、室內實驗數值模擬和系統分析相結合的階段發展,並向微觀的樹木生理氣象方面深入發展。

相關學科

大氣科學、氣候學、物候學、古氣候學、年輪氣候學大氣化學、動力氣象學、大氣物理學、大氣邊界層物理、雲和降水物理學、雲和降水微物理學、雲動力學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣輻射學、大氣光學、大氣電學、平流層大氣物理學、大氣聲學、天氣學、熱帶氣象學、套用氣象學、農業氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建築氣象學、航海氣象學、航空氣象學、軍事氣象學、空氣污染氣象學。

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