基于GALES的海南橡膠林臺(tái)風(fēng)風(fēng)災(zāi)評估模型初探

摘 要 橡膠風(fēng)害是海南橡膠的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。針對國內(nèi)關(guān)于橡膠樹風(fēng)災(zāi)的機(jī)理性研究相對較少的情況，在參考樹木風(fēng)害機(jī)理模型GALES的基礎(chǔ)上，根據(jù)橡膠樹受力情況，從空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)角度出發(fā)，建立了海南橡膠林風(fēng)災(zāi)評估模型，該模型主要包括橡膠樹斷、倒模型，能定量確定橡膠樹斷、倒的臨界風(fēng)速條件。通過檢驗(yàn)，該模型具有一定的可行性，模型結(jié)果可為開展海南島橡膠風(fēng)害防御提供決策依據(jù)。由于建立的模型參數(shù)多采用經(jīng)驗(yàn)值，模型仍需不斷改進(jìn)和完善。

關(guān)鍵詞 橡膠林 ；臺(tái)風(fēng) ；模型

中圖分類號(hào) S763.7 ；P49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.05.010

GALES-based Typhoon Disaster Assessment Modelling for

Rubber Plantations in Hainan， China

LIU Shaojun

（Hainan Institute of Meteorological Science/Hainan Key Laboratory of South

China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation， Haikou， Hainan 570203）

Abstract Typhoon damages to rubber trees is one of the main meteorological disasters to rubber plantation in Hainan. The researches on the mechanism of wind damages to rubber trees in China were less documented. A typhoon disaster assessment model for rubber plantations was established according to the wind stress performance of rubber trees and based on GALES from the aspects of aerodynamics and structural mechanics. This disaster assessment model mainly included stem snapping model and uprooting model for rubber trees. The assessment model could measure the critical wind velocity for stem snapping and uprooting of rubber trees. Model testing showed that the assessment model was feasible， and the model will provide decision-making for prevention of rubber plantations from wind damage. The model still needs to be improved since the model parameters were mostly of empirical value.

Keywords rubber plantation ； typhoon ； model

天然橡膠是國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可或缺的戰(zhàn)略物資和稀缺資源，直接關(guān)系到國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政治穩(wěn)定。海南地處熱帶地區(qū)，屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，是受中國臺(tái)風(fēng)影響頻繁的地區(qū)，由于受臺(tái)風(fēng)的影響，天然橡膠經(jīng)常遭受嚴(yán)重的風(fēng)害[1]。在全球氣候變暖背景下，雖然登陸海南的臺(tái)風(fēng)年頻數(shù)有減少的趨勢，但登陸的平均強(qiáng)度總體有增強(qiáng)趨勢[2]，這必將對海南的橡膠生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的影響。因此開展橡膠林臺(tái)風(fēng)災(zāi)害評估模型研究，不僅有助于增強(qiáng)天然橡膠林防御臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的能力，還可以為建立氣象災(zāi)害指數(shù)保險(xiǎn)產(chǎn)品提供核心技術(shù)。關(guān)于橡膠風(fēng)害的研究多以個(gè)例的調(diào)查分析為主[3-14]，在橡膠風(fēng)害成因、風(fēng)害評估模型方面也有一定的研究，但基于橡膠林臺(tái)風(fēng)災(zāi)損評估機(jī)理模型的研究相對較少。有關(guān)模型主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)理模型3種[15]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵詾?zāi)后實(shí)地調(diào)查、風(fēng)害歷史記錄等為基礎(chǔ)，主要是在影響風(fēng)害的因子（如地形、生物等）與風(fēng)害等級之間進(jìn)行簡單回歸[16-17]，但該模型主要依賴于專家的判斷，而不是進(jìn)行數(shù)理推導(dǎo)，對災(zāi)害損失量化程度不高[18-19]。統(tǒng)計(jì)模型主要是對長序列風(fēng)害的時(shí)空信息進(jìn)行評估，并通過建立回歸模型來預(yù)測風(fēng)害，這類模型對于特定區(qū)域或立地條件下的風(fēng)害預(yù)測精度較高，但應(yīng)用范圍僅限于某一具體林分，不具有通用性[19-21]，如采用判別分析和邏輯斯蒂分析法對森林受害級別進(jìn)行預(yù)測[22]。機(jī)理模型是將確定性與可能性結(jié)合起來評估風(fēng)害的方法[23]，可以避免經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒y(tǒng)計(jì)模型的簡單化[19]。在評估方法上，早期的研究是采用樹干彎曲理論并結(jié)合風(fēng)速分布模型，建立一種用于評估風(fēng)破壞危險(xiǎn)性的方法[24-25]；此后一些機(jī)理模型先后問世，如FOREOLE 模型[23，26]、WINDA模型[27]、ForestGALES模型[28]、樹木機(jī)械動(dòng)力模型HWIND[29]、GALES模型[30]及GEO-SIMA-HWIND模型[31]、ForestTYPHOON模型[32]等。但這類風(fēng)害評估模型主要以歐美人工林為研究對象，能否應(yīng)用于海南橡膠林風(fēng)害影響評估研究尚有很大的不確定性。因此，筆者旨在借鑒國外森林風(fēng)害機(jī)理模型（GALES）[30]的研究思路，構(gòu)建海南橡膠林臺(tái)風(fēng)災(zāi)害機(jī)理模型。

1 模型建立

橡膠樹臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的主要癥狀是倒、斷和扭，這3種不同的破壞形式是與橡膠樹結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和林段內(nèi)氣流動(dòng)力學(xué)有關(guān)的。從橡膠樹的彎扭振動(dòng)變形來說，可把臺(tái)風(fēng)氣流分解為縱向大渦流和橫向小渦流的湍流運(yùn)動(dòng)，其氣流的力學(xué)量—速度、加速度和壓力等隨時(shí)間而連續(xù)脈動(dòng)，而且由于湍流的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，使氣流方向和流速都迅速變化[8]。在GALES模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了橡膠樹斷、倒模型的建立（圖1）。

1.1 橡膠樹受力分析

橡膠樹的斷、倒主要受到2個(gè)力作用的影響，即風(fēng)對樹的作用力和樹冠整體產(chǎn)生的重力。

橡膠樹斷、倒的力學(xué)方程為：

Mcrit，wind=Tx（yB-yA）+Ty（xB-xA）（1）

Mcrit，tot=Mcrit，wind+W（xC-xA）（2）

其中，（xA，yA）、（xB，yB）、（xC，yC）分別表示橡膠樹干底部的坐標(biāo)、用力點(diǎn)坐標(biāo)、受力最大時(shí)的重心坐標(biāo)。Mcrit，wind表示只考慮風(fēng)作用力時(shí)的力矩；TX，TY表示水平和垂直方向的受力；Mcrit，tot表示風(fēng)作用力和樹總重力共同產(chǎn)生的力矩；W表示橡膠樹總的重量。

橡膠樹斷裂的彈性模量可以表示為：

式中，MOR表示斷裂的彈性模量，dbh表示斷裂部位樹干的直徑。

2.2 橡膠樹斷、倒的臨界風(fēng)速確定

根據(jù)前人的研究[30，33]，風(fēng)作用在橡膠樹上的平均力矩（Mmean，wind）可以表示為：

Mmean，wind=（d-z）τD2（4）

τ=-ρμ*2（5）

其中，τ表示單位面積上的剪切應(yīng)力，D表示橡膠樹的平均間距，d表示零平面位移，z表示離地高度，ρ表示空氣密度，取1.226 kg/m3，μ*表示摩擦速度。

根據(jù)橡膠樹冠層高度不同，其風(fēng)速分布公式如下：

u（z）表示高度為Z米處的風(fēng)速，k為卡門常數(shù)（=0.41）， 表示地面粗糙度，z0表示零平面位移。

同時(shí)考慮到風(fēng)的陣風(fēng)性，平均轉(zhuǎn)動(dòng)力矩需要轉(zhuǎn)化為最大轉(zhuǎn)矩，具體見公式（7）。

Mmax=Mmean×G（7）

式中，Mmax表示最大轉(zhuǎn)矩，Mmean表示平均轉(zhuǎn)矩，G表示陣風(fēng)系數(shù)（無量綱），通過經(jīng)驗(yàn)建立[34]。

將以上代入方程式（4）得到方程式（8），根據(jù)公式8、9推出橡膠樹斷的風(fēng)速（公式10）和橡膠樹倒的臨界風(fēng)速（公式11）。

其中，Vbreak表示橡膠樹斷的風(fēng)速，k為卡門常數(shù)（=0.41），D表示橡膠樹的平均間距，d表示零平面位移，h表示離地高度，z0表示地面粗糙度，G表示陣風(fēng)系數(shù)，uh表示離地高度為h時(shí)的風(fēng)速；MOR表示斷裂的彈性模量，dbh表示斷裂部位樹干的直徑，ρ表示空氣密度，取1.226 kg/m3；fknot fedge，fcw為風(fēng)力試驗(yàn)參數(shù)。

其中，Vover表示橡膠樹倒伏的風(fēng)速，SW表示冠層的重量，Creg為風(fēng)力試驗(yàn)參數(shù)。

2.3 模型中地表粗糙度和零平面位移的估算

在海南橡膠林臺(tái)風(fēng)災(zāi)害動(dòng)力學(xué)評估模型中，橡膠樹斷、倒條件的判識(shí)，必須解決大范圍、不同季節(jié)、不同地形條件下橡膠林零平面位移和粗糙度。利用形態(tài)學(xué)Raupach方法，估算橡膠林歸一化零平面位移和粗糙度，Raupach 的形態(tài)學(xué)公式表示如下[35-36]：

式中，d為零平面位移，z0為粗糙度，h為粗糙元高度，λ為單位地面粗糙元迎風(fēng)面積，ψh為粗糙層影響函數(shù)，b為冠層寬度，cd為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。β為粗糙元阻力系數(shù)與地表阻力系數(shù)之比，γ為距地面高度z處的水平風(fēng)速與摩擦速度之比。

∧表示為單位面積上植被對風(fēng)的阻擋面積，值與葉面積指數(shù)很接近[37]，因此采用遙感反演的葉面積指數(shù)LAI表示單位面積上植被對風(fēng)的阻擋面積。Raupach模型中其他參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)獲取[38-41]。

2.4 模型檢驗(yàn)

根據(jù)臺(tái)風(fēng)影響橡膠林的災(zāi)情收集數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行了初步檢驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型得出的橡膠樹斷、倒的風(fēng)速條件與實(shí)際風(fēng)速誤差范圍在80%左右。主要原因可能是驗(yàn)證的風(fēng)速主要根據(jù)周邊自動(dòng)氣象站進(jìn)行插值獲取，未考慮地形的影響，因此需要進(jìn)一步通過專業(yè)的風(fēng)場模擬軟件（如ENVI-met、MISKAM、CFD等軟件）進(jìn)行微氣象環(huán)境下風(fēng)場的模擬檢驗(yàn)。同時(shí)，橡膠樹斷、倒模型中部分參數(shù)采用的是經(jīng)驗(yàn)值，導(dǎo)致了誤差的存在。具體而言，如橡膠樹倒模型中冠層的重量，該參數(shù)僅能通過橡膠樹的體積估算得到；模型中地表粗糙度和零平面位移來源于遙感數(shù)據(jù)的估算，橡膠林零平面位移和粗糙度實(shí)際上是隨大氣穩(wěn)定情況發(fā)生改變的，可能同一天都會(huì)相差很大，不同大氣層結(jié)狀態(tài)、零平面位移和粗糙度均會(huì)有所差異，同時(shí)橡膠林平面位移和粗糙度隨季節(jié)會(huì)發(fā)生變化[35]，由于缺乏與遙感數(shù)據(jù)相對應(yīng)時(shí)間段的通量塔觀測資料與之進(jìn)行對比驗(yàn)證，導(dǎo)致無法進(jìn)行遙感反演精度的直接驗(yàn)證，因此需要不斷改進(jìn)Raupach的形態(tài)學(xué)模型相關(guān)參數(shù)，以提高遙感反演橡膠林零平面位移和粗糙度的精度。

3 結(jié)論

臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致橡膠樹風(fēng)害的作用力主要有2部分組成：風(fēng)的水平作用力和樹木本身質(zhì)量產(chǎn)生的重力（主要是樹冠質(zhì)量）。水平作用力首先在樹冠中心形成水平壓力使樹干傾斜，而樹干傾斜則導(dǎo)致樹干和樹冠的重心偏移， 由于重力作用，加劇了樹干偏移程度。如果風(fēng)速進(jìn)一步增加，將造成掘根、折干、折冠及樹干彎曲等危害[19]。導(dǎo)致橡膠樹木發(fā)生風(fēng)害的主要因素有樹種抗風(fēng)能力的差異、林齡、根系的深淺、樹冠形態(tài)、葉面積指數(shù)、樹高及非生物因素等。

由于膠林風(fēng)害評估是一個(gè)很復(fù)雜的問題，不僅與大風(fēng)本身強(qiáng)度有關(guān)，還與地形下墊面和橡膠栽培技術(shù)等多種因素有關(guān)，故至今尚無一個(gè)可準(zhǔn)確評估橡膠風(fēng)害影響的模式問世。由于物理約束的限制，簡單的數(shù)學(xué)模型并不能準(zhǔn)確預(yù)測橡膠樹災(zāi)損情況。目前國際上樹木風(fēng)災(zāi)的建模方法可以分為簡化的數(shù)學(xué)模型和精細(xì)化的有限元模型[42]。本文建立的橡膠樹斷、倒模型屬于簡化的數(shù)學(xué)模型，從空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)角度出發(fā)，在資料收集和實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于GALES 模型的海南橡膠林臺(tái)風(fēng)災(zāi)害機(jī)理模型，對橡膠樹風(fēng)害的評估具有一定的應(yīng)用價(jià)值。建立的橡膠風(fēng)害斷、倒模型，將確定性與可能性結(jié)合起來，可以避免經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒y(tǒng)計(jì)模型的簡單化，能定量確定橡膠風(fēng)害的臨界風(fēng)速條件，從機(jī)理上解決何種情況下橡膠樹將受到何種程度的損傷，因此具有一定的實(shí)用性和通用性。

存在問題：由于該模型是在GALES模型的基礎(chǔ)上建立的，需要利用更多的案例來分析其對橡膠樹風(fēng)害評估結(jié)果的影響，有關(guān)參數(shù)需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)來給予修正。

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