九龍山側(cè)柏林林內(nèi)降雨時滯效應(yīng)

吳 迪, 辛學(xué)兵, 郭 慧, 封煥英, 裴順祥, 賀 新

(中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實驗中心，北京 102300)

林冠層是森林生態(tài)系統(tǒng)對大氣降水分配的首個作用層，是樹木參與調(diào)節(jié)大氣降水量和可能削減部分降雨動能的重要部分，這一部分使林內(nèi)的降雨特性和空間分布格局發(fā)生變化[1-3].林內(nèi)降雨的時滯效應(yīng)，大體表現(xiàn)為林冠層對降雨截持分配降雨量的過程中，改變了林內(nèi)降雨的時間，使林內(nèi)降雨大部分在產(chǎn)生和終止時間上均遲于林外雨[4-5]，它是森林水文生態(tài)過程的一個環(huán)節(jié)，對森林的截留降雨、減少地表徑流的產(chǎn)生及雨滴對地表的沖擊等生態(tài)功能具有一定的影響作用[6-9].關(guān)于林內(nèi)降雨時滯效應(yīng)方面的研究報道較少，僅個別學(xué)者[10-12]對林內(nèi)降雨延滯時間做了相關(guān)統(tǒng)計分析.為此，本文以北京地區(qū)主要造林樹種之一的側(cè)柏(Platycladusorientalis)為研究對象，利用自計式翻斗雨量筒，同步監(jiān)測林內(nèi)和林外的降雨量和降雨過程，分析典型場降雨和特大暴雨極端天氣下的側(cè)柏林內(nèi)降雨的時滯效應(yīng)特征，可為森林水文生態(tài)功能的研究進(jìn)行必要的補充，也能為深入探索林內(nèi)降雨時滯效應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律和形成機理提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

九龍山地處北京西郊的門頭溝區(qū)，山體呈“V”字型圍繞于門頭溝城區(qū)的南、西、北三面，山地森林植被承擔(dān)著涵養(yǎng)水源、保持水土及美化環(huán)境等多種生態(tài)功能，成為該地區(qū)重要的生態(tài)屏障[13].研究地設(shè)在九龍山華北林業(yè)實驗中心轄區(qū)森林水文觀測站附近，該水文站地處太行山系東部北段，地理坐標(biāo)39°57′N、116°04′E.氣候?qū)俚湫团瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫11.8 ℃，無霜期216 d，年平均降水量623.0 mm，降水主要集中在6—9月，年均蒸發(fā)量1 870 mm，土壤為山地褐土，森林覆蓋率74.3%，植被以人工森林和灌叢為主，主要優(yōu)勢喬木樹種為：油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏、落葉松(Larixgmelinii)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、山楊(Populusdavidiana)等[14].其中，側(cè)柏林占有林地面積的21%，是研究地的主要優(yōu)勢樹種類型.

表1 九龍山側(cè)柏林地基本特征Table 1 Basic characteristics of P.orientalis plantation in Jiulong Mountain

經(jīng)過前期踏查，研究地選取具有代表性的側(cè)柏林分，使其能接近整個林分的平均狀況，林分起源為人工林，海拔264 m，側(cè)柏林地坡向為NE 85°，坡度27°，林齡48 a，郁閉度0.75，林分密度為3110株·hm-2，林分胸徑、樹高及枝下高特征可見表1.林下植被情況主要灌木種類有山桃(Amygdalusdavidiana)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、螞蚱腿子(Myripnoisdioica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、金雀兒(Cytisusscoparius)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)等，灌木層樹種平均高度0.70 m.

2 研究方法

在北京九龍山華北林業(yè)實驗中心轄區(qū)森林水文觀測站附近空曠地和側(cè)柏林地隨機布設(shè)2個和5個HOBO RG3-M自計式翻斗雨量筒(hobo data logging rain gauge，美國，HOBO Onset公司)，且雨量筒布設(shè)兩地相距約100 m(避開大天窗、林緣)，同步監(jiān)測林內(nèi)和林外的降雨量和降雨過程.為了防止在降雨過程中地面反濺水影響實際的測定結(jié)果，將雨量筒固定在距離地面30 cm高的位置，并為防止人類活動或林內(nèi)小動物如野豬、野兔等對儀器的干擾和破壞，在其周圍布設(shè)了鐵絲防護(hù)網(wǎng).該儀器自帶一個HOBO Pendant事件記錄儀，能夠完全獨立開始工作.儀器外殼由抗腐蝕的聚丙烯材料制成，可保證儀器的長期穩(wěn)定工作.雨量筒量程是12.7 cm·h-1，測量降雨精度是±1.0%(20 mm·h-1時)，分辨率0.2 mm(1翻斗)，采樣間隔可在1 s至18 h之間自定義設(shè)置，通過內(nèi)部的翻斗式雨量計，系統(tǒng)可以自動記錄達(dá)3 200 mm的降雨數(shù)據(jù)，可確定雨強、降雨時間和降雨時長.儀器頂部配備有數(shù)據(jù)接口，可快速讀取數(shù)據(jù)和下載數(shù)據(jù).通過自計式翻斗雨量筒測定和記錄從2012年7月至2013年10月期間側(cè)柏林林內(nèi)和林外各場降雨的實時降雨過程、在時間維度上的分布過程及降雨開始和結(jié)束時間等.

3 結(jié)果與分析

3.1 林冠延滯降雨基本情況

從2012年7月至2013年10月試驗期間，選取降水過程具有完整降雨數(shù)據(jù)的56場降雨為研究對象(表2).降雨初始階段，林內(nèi)降雨均晚于林外降雨；降雨結(jié)束階段，大部分降雨也出現(xiàn)了較為明顯的延滯情況.

在觀測的56場完整降雨中，根據(jù)GB/T 28592-2012降水量等級國家標(biāo)準(zhǔn)對不同時段的降雨量等級劃分如表3，降雨開始階段，降雨量級為小雨時，林外降雨發(fā)生延遲約51.42 min后才產(chǎn)生林內(nèi)降雨，而降雨量級為大雨以上時，林內(nèi)降雨產(chǎn)生延遲僅約19.40 min，兩者相差近3倍，但均表現(xiàn)出一定的延滯性.從表中能明顯看出，隨著降雨量級的增大，降雨開始階段，林內(nèi)降雨延遲時間逐漸縮短；降雨結(jié)束階段，林內(nèi)降雨延遲時間逐漸增加.這與劉玉杰等[4]和陳書軍等[10]所做的研究結(jié)果相似.

表2 側(cè)柏林冠層延滯降雨情況Table 2 Rainfall retardation characteristics on the canopy of P.orientalis

3.2 典型場降雨林冠延滯降雨情況

表3 不同降雨量級降雨延滯基本情況Table 3 Summary on rainfall retardation of different intensities

根據(jù)GB/T 28592-2012降水量等級國家標(biāo)準(zhǔn)選取了2012-07-21(238.6 mm)、2012-09-01(122.2 mm)、2013-07-01(33.6 mm)、2013-07-31(26.0 mm)、2013-08-11(15.0 mm)、2013-07-08(3.0 mm)6場典型降雨分別代表特大暴雨、大暴雨、暴雨、大雨、中雨、小雨，對其林內(nèi)和林外降雨過程進(jìn)行對比(圖1).從這6場典型降雨過程可看出，林外降雨的開始和結(jié)束時刻均早于林內(nèi)降雨，均表現(xiàn)出了滯時性，但降雨的延滯時間未體現(xiàn)出規(guī)律性.從圖1中可直觀看出特大暴雨(2012-07-21)、大暴雨(2012-09-01)的林內(nèi)外降雨雨強峰值表現(xiàn)出幾乎重疊現(xiàn)象，這可能是由于在強降雨情況下，林冠在短期內(nèi)已經(jīng)吸附雨水達(dá)到飽和，隨著降雨強度的增大，雨水幾乎同一時刻快速穿透林冠降下造成的.而暴雨(2013-07-01)、大雨(2013-07-31)、中雨(2013-08-11)和小雨(2013-07-08)的降雨雨強峰值出現(xiàn)時間表現(xiàn)出明顯的延滯現(xiàn)象，可見林冠層對此延滯現(xiàn)象起到了一定作用，林內(nèi)雨強峰值也表現(xiàn)出與林外雨強峰值錯開現(xiàn)象.這也與史宇等[12]研究成果展示的在不同降雨強度(大雨、中雨、小雨)下，林冠層對側(cè)柏林內(nèi)降雨的雨強峰值起到延滯作用相同.而在2012-09-01大暴雨中某一降雨時刻還出現(xiàn)了林內(nèi)的最大雨強高于林外的情況，這可能是由于在高強度降雨情況下，林冠層蓄積了多次脈沖式降雨后將多處截留積水在某一臨界時刻集中降下導(dǎo)致的.

圖1 林內(nèi)外典型場降雨過程Fig.1 Typical rainfall process inside and outside forest

3.3 特大暴雨極端天氣林冠延滯降雨情況

2012年7月21日的特大暴雨是自1951年以來最強的一次降雨過程，被稱為“北京60年一遇的暴雨”，多個學(xué)者對此次特大暴雨的主要天氣形勢[15-16]、促成暴雨發(fā)生的動力因素[17-18]及暴雨的不同尺度系統(tǒng)特征進(jìn)行了詳細(xì)報道[19-20].此次暴雨過程持續(xù)時間長、雨量大、雨勢強，研究區(qū)的降雨量高達(dá)238 mm，下午16：50降雨強度最強，側(cè)柏林林外雨強151.2 mm·h-1，林內(nèi)雨強148.8 mm·h-1，林冠層是林內(nèi)降雨經(jīng)過的第一層，同一時刻林內(nèi)雨強稍小于林外雨強，可見林冠層對降雨的強度，起到了一定的緩沖作用.但在高強度的降雨情況下，某一時刻的林內(nèi)雨強也高于林外雨強，如圖1，約18:00時所示，理由同3.2所述.

3.4 林冠延滯降雨時間與降雨特征關(guān)系

降雨事件發(fā)生后，林冠層對降雨的延滯體現(xiàn)出一個較為微觀的過程，相同植被條件下，林內(nèi)外降雨發(fā)生時間并不同步，表現(xiàn)出一定的延滯性，并與降雨特征存在著一定的相關(guān)性.林冠層對降雨的吸收和緩沖作用發(fā)生在延滯降雨開始過程，這說明了延滯降雨開始時間長短同延滯時間內(nèi)雨量和雨強特征有一定的關(guān)系.將各場降雨的延滯期雨強和延滯開始時間用指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)等曲線形式進(jìn)行擬合分析，得出兩者之間存在較好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，方程表達(dá)式為：

T=62.842-24.01ln(I)，R2=0.592

式中，T為延滯開始時間，min；I為延滯期雨強，mm·h-1.

由圖2可看，擬合曲線呈反“J”字型，在延滯期雨強呈現(xiàn)較小值時，相對應(yīng)的延滯開始時間越長，隨著延滯期雨強的增大，延滯開始時間呈現(xiàn)減小趨勢直至趨近于0.這與史宇等[12]在北京妙峰山林場所做的研究結(jié)果相似.

圖2 延滯期雨強與延滯降雨開始時間的擬合曲線Fig.2 Fitting curve of rainfall intensity during the delayed period and start time of forest rain

林外降雨終止時，通過林冠層枝葉的聚集截留作用截留的降雨會繼續(xù)滴落一段時間，產(chǎn)生林內(nèi)降雨，這就是延滯降雨結(jié)束過程.史宇等[12]的研究表明，林冠截留量與降雨延滯結(jié)束時間二者存在一定的相關(guān)性，但本研究對二者進(jìn)行相關(guān)分析，并未發(fā)現(xiàn)二者存在一定的相關(guān)性，研究結(jié)果的差異，可能與降雨的規(guī)模、降雨發(fā)生時的氣象因素影響等有關(guān).

4 結(jié)論與討論

本研究通過在2012年7月21日至2013年10月1日期間對側(cè)柏林試驗場地的林內(nèi)外降雨發(fā)生過程的定點觀測，并深入探討了側(cè)柏林內(nèi)降雨的時滯效應(yīng)規(guī)律.在具有完整降雨數(shù)據(jù)的56場降雨中，降雨初始階段，林內(nèi)降雨均晚于林外降雨.降雨結(jié)束階段，大部分降雨也出現(xiàn)了較為明顯的延滯情況.對56場降雨進(jìn)行分降雨量級統(tǒng)計分析，降雨開始階段，降雨量級為小雨時，林外降雨發(fā)生延遲約51.42 min后才產(chǎn)生林內(nèi)降雨，而降雨量級為大雨以上時，林內(nèi)降雨產(chǎn)生延遲僅約19.40 min，兩者相差近3倍.隨降雨量級的增大，降雨開始階段，降雨延遲時間表現(xiàn)出逐漸縮短趨勢；降雨結(jié)束階段，降雨延遲時間表現(xiàn)出逐漸增加趨勢.在典型場降雨中，特大暴雨(2012-07-21)、大暴雨(2012-09-01)強降雨下林冠在短期內(nèi)吸附雨水達(dá)到飽和，隨著降雨強度的增大，雨水幾乎同一時刻快速穿透林冠降下，致使林內(nèi)外降雨雨強峰值表現(xiàn)出幾乎重疊現(xiàn)象；而在某一降雨時刻還出現(xiàn)了林內(nèi)的最大雨強高于林外的情況，這可能是由于強降雨下，林冠層蓄積了多次脈沖式降雨后將多處截留積水在某一臨界時刻集中降下導(dǎo)致的.由于林冠層對降雨的延滯作用，暴雨(2013-07-01)、大雨(2013-07-31)、中雨(2013-08-11)和小雨(2013-07-08)的降雨雨強峰值出現(xiàn)時間均表現(xiàn)出明顯的延滯現(xiàn)象.

根據(jù)本文研究結(jié)果，可對林內(nèi)降雨的時滯效應(yīng)進(jìn)行初步探討.在不考慮其他影響因素的情況下，降雨事件發(fā)生時，降雨強度一般都較小，林冠就開始對降雨起到截持作用，因林冠和枝葉表面都相對比較干燥，雨滴下落穿過林冠過程中，除從林冠間隙穿過外，若碰到枝葉，則很容易被干燥的枝葉所吸附、阻擋和截持，林冠會累積降雨量直至達(dá)到自身能承受的最大截留量，在林外降雨停止后的某一時間段內(nèi)，林冠上的雨滴仍保有在之前降雨形勢下產(chǎn)生的一定動能和重力勢能，并在重力、風(fēng)力等多種因素共同作用下，仍會繼續(xù)滴下，由此，林內(nèi)外降雨在發(fā)生時間上表現(xiàn)出明顯的差異，進(jìn)而產(chǎn)生了林冠層對降雨的時滯效應(yīng).但偶爾也會出現(xiàn)林內(nèi)降雨結(jié)束時間早于林外的現(xiàn)象，可能發(fā)生在場降雨量很小而林冠截留作用顯著的情況下.

史宇等[12]研究指出側(cè)柏林內(nèi)降雨延滯開始時間與延滯期雨強、林外降雨延滯結(jié)束時間與場降雨量均表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系.此結(jié)論既與本文研究結(jié)果有一定的相似性，又存在差異性.相似性是降雨事件發(fā)生時，場降雨規(guī)模大小對林內(nèi)降雨延滯開始時間并不存在影響，主要是與延滯時間段內(nèi)發(fā)生的水文過程變化有關(guān)，通過對其降雨延滯開始時間和延滯期雨強進(jìn)行擬合，得出兩者之間存在較好的對數(shù)函數(shù)遞減關(guān)系.差異性表現(xiàn)在對降雨延滯結(jié)束時間和場降雨量二者進(jìn)行相關(guān)分析，并未發(fā)現(xiàn)二者存在一定的相關(guān)性，研究結(jié)果的差異，可能與降雨的規(guī)模、降雨發(fā)生時的氣象因素等有關(guān).但由于試驗儀器問題致使相關(guān)數(shù)據(jù)的缺失，本研究中不能明確分析氣象因素對林內(nèi)降雨時滯效應(yīng)的影響規(guī)律.

由于林冠層對大氣降雨存在延滯作用，使林外降雨到達(dá)林內(nèi)有了一段響應(yīng)時間，有效的延遲地表徑流和土壤水文入滲的產(chǎn)生，從而能更好的削減洪峰流量和延長匯流時間，減少土壤侵蝕、防止水土流失、減少山洪、泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生一定的生態(tài)意義.但目前關(guān)于森林對大氣降雨產(chǎn)生的時滯效應(yīng)的關(guān)注程度不夠、研究程度尚淺，現(xiàn)有的研究僅限于最初級的以數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析為主.今后的研究方向可針對不同樹種、不同林分結(jié)構(gòu)等多尺度、多角度上進(jìn)行林內(nèi)降雨時滯效應(yīng)的擴(kuò)展研究.

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