本文關(guān)鍵詞：森林氣象學(xué)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

森林氣象學(xué)

森林氣象學(xué)是研究森林和大氣之間相互關(guān)系的學(xué)科，是氣象學(xué)和森林學(xué)之間的邊緣學(xué)科。它既是應(yīng)用氣象學(xué)的一個(gè)分支，又是林學(xué)的一門基礎(chǔ)學(xué)科。

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森林氣象學(xué) - 必要性

氣候條件是林木生長不可缺少的生態(tài)因子。它對樹種的傳播和萌發(fā)，樹木的生長和發(fā)育、開花和結(jié)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(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，從而影響并改變森林內(nèi)及其影響所及地區(qū)的氣象要素場結(jié)構(gòu)（包括輻射、溫度、濕度、風(fēng)、降水、空氣成分等）。因此研究森林和氣候條件間的相互關(guān)系，可以了解森林生態(tài)系統(tǒng)中的客觀規(guī)律，為合理開發(fā)利用森林資源、科學(xué)的營造森林、保護(hù)自然資源和維護(hù)良性的生態(tài)平衡，為發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和改善人們生活環(huán)境服務(wù)。

森林氣象學(xué) - 發(fā)展簡史

人類很早就注意到森林樹木和氣候條件之間有著密切關(guān)系。中國西漢劉歆時(shí)期的《周禮·考工記》所述：“橘踰淮而北為枳”，是兩千多年前，關(guān)于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(jìn)行樹干內(nèi)溫度的研究。19世紀(jì)中葉，歐洲工業(yè)的發(fā)展，加速了對森林的砍伐，許多國家相繼設(shè)置林內(nèi)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(lián)森林站。1924年，德國的A.施毛斯和R.蓋格爾為了進(jìn)行林內(nèi)氣象要素鉛直分布的研究，建立了歷史上第一個(gè)森林氣象觀測塔（架）并進(jìn)行“林分氣候”觀測，森林氣象研究從此進(jìn)入到范圍較廣的領(lǐng)域，也開始具備一門獨(dú)立學(xué)科的特點(diǎn)。“林分氣候”觀測分林冠層、樹干空間和林地土壤幾個(gè)層次。尤其是對林冠層的研究，后來發(fā)展為冠層氣象學(xué)。

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(jié)構(gòu)對小氣候的影響；擇伐和皆伐跡地氣候特征；林緣和林間空地的氣流；地表、樹干間和林冠層的氣象要素分布等。以后，A.鮑姆格特納等在“林分氣候”和產(chǎn)量模型方面做了大量的工作。蘇聯(lián)的森林氣象研究也開始較早。林學(xué)家A.A.莫爾恰諾夫作過系統(tǒng)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(xué)從 20世紀(jì) 20年代開始，偏重于林火氣象預(yù)報(bào)的研究。1978年，美國的R.李出版了專著《森林微氣候?qū)W》，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(xué)》。日本的森林氣象研究大約由20世紀(jì)30年代開始。平田德太郎設(shè)計(jì)了紙面蒸發(fā)器以模擬葉面蒸騰；原田泰所著《森林氣象學(xué)》(1951)，對光的研究有獨(dú)到之處；門司正三和佐伯敏郎1953年發(fā)表了《對群體光能分布和同化作用的研究》的著名論文，開創(chuàng)了用數(shù)學(xué)分析方法對森林和植物群體光能利用規(guī)律的研究。

中國的森林氣象研究工作始于1954年。當(dāng)時(shí)為配合華南橡膠林的種植及遼西、冀西和蘇北防護(hù)林的營造，開展了防護(hù)林小氣候的研究；同年在東北小興安嶺林區(qū)設(shè)立了林內(nèi)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(jìn)行定期對比觀測，也對紅松苗圃進(jìn)行了小氣候的流動(dòng)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(xué)術(shù)討論會(huì)對森林氣候、森林水文、森林能量平衡、防護(hù)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(jìn)行了討論。

森林氣象學(xué) - 研究內(nèi)容

森林氣候

可分為冠層氣象學(xué)和森林小氣候兩個(gè)部分。冠層氣象學(xué)研究森林林冠內(nèi)的大氣物理過程。林冠是森林的主要作用面，林冠通過光合作用制造有機(jī)物質(zhì)。它的結(jié)構(gòu)（包括葉面積指數(shù)、葉角、葉形、葉和枝干的分布等幾何結(jié)構(gòu)和葉的光學(xué)性質(zhì)等）直接影響著森林中的物質(zhì)流和能量流。森林氣象學(xué)中的三大平衡（能量、水量和動(dòng)量）問題均集中在林冠層中。太陽輻射通過林冠時(shí)發(fā)生再分配；樹木葉片對不同波長輻射的反射和吸收規(guī)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(dá)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(jié)構(gòu)有關(guān)。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、林冠的郁閉程度、該年的降水量、降水性質(zhì)及降水的時(shí)間分配等而變。冠層氣象學(xué)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(fā)和蒸騰，以及林冠中風(fēng)的分布等。冠層氣象學(xué)是利用森林調(diào)節(jié)氣候和科學(xué)營造森林、提高森林生物生產(chǎn)力的理論基礎(chǔ)。

森林小氣候研究森林內(nèi)的溫、濕、光、水、風(fēng)和空氣成分的特征及其形成的機(jī)制。研究范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(nèi)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(nèi)溫度比林外低，夜間和冬季林內(nèi)溫度比林外高。與此相伴隨的是，在高緯度地區(qū)，林內(nèi)的年平均溫度比林外高，而在中、低緯度地區(qū)則相反。②負(fù)作用。林冠亦可能削弱風(fēng)速和湍流交換作用，使林內(nèi)外熱量交換減少。因而白天和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(nèi)溫度的日振幅和年變化。觀測證明，在大多數(shù)森林中，正作用大于負(fù)作用，其結(jié)果是林內(nèi)溫度變化比林外緩和；但在疏林中，也可觀測到相反的情況。對于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(diǎn)（與空曠地相比）是：光照低、風(fēng)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(jié)構(gòu)有關(guān)。

防護(hù)林帶的氣象效應(yīng)

研究林帶、林網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、布局和配置方向的小氣候效應(yīng)，包括防止風(fēng)砂、減弱風(fēng)速、增加濕度、降低蒸發(fā)、減輕霜凍等作用。林帶的防風(fēng)效應(yīng)是林帶各種氣象效應(yīng)中起主導(dǎo)作用的。一般按林帶的透風(fēng)系數(shù)（背風(fēng)面 1米處風(fēng)速與空曠地風(fēng)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(fēng)結(jié)構(gòu)、疏透結(jié)構(gòu)和緊密結(jié)構(gòu)。疏透結(jié)構(gòu)的林帶，透風(fēng)系數(shù)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(nèi)部，防風(fēng)效果最好，背風(fēng)面的有效防護(hù)距離可達(dá)樹高的25倍左右。林帶的防護(hù)效能還同林帶和風(fēng)向的交角（成正交時(shí)，效果好），林帶寬度、高度、橫斷面形狀（一般認(rèn)為矩形效果好），地面粗糙度（光滑效果好）等有關(guān)；也隨大氣層結(jié)的穩(wěn)定性質(zhì)（見大氣靜力穩(wěn)定度）而變，穩(wěn)定時(shí)效果好。研究林帶的動(dòng)力效應(yīng)可在野外進(jìn)行觀測，也可在室內(nèi)利用風(fēng)洞進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。

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(jié)選擇，苗床小氣候調(diào)控，森林撫育的小氣候效應(yīng)及其對林木生長發(fā)育的影響，森林采伐的小氣候效應(yīng)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，極端最低氣溫不低于-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(shí)數(shù)1300～1600小時(shí)，風(fēng)力小于 2級。不同樹種對氣候條件的要求不同，各個(gè)氣候因子中有些對林木生長起主要作用，稱為主導(dǎo)因子。主導(dǎo)因子隨地區(qū)和樹種而不同，在干旱地區(qū)，水分是主導(dǎo)因子；在熱帶地區(qū)，光照條件往往是主導(dǎo)因子。在不同氣候因子的綜合影響下，光合和呼吸強(qiáng)度不同，有機(jī)物質(zhì)的生產(chǎn)和積累也不同，這直接影響生物生產(chǎn)力。營林與氣象的研究，已發(fā)展為從森林生態(tài)系統(tǒng)的角度來研究氣象因子同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力的關(guān)系，以尋求最佳產(chǎn)量模型。

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于人類健康的氣體(如二氧化硫)、吸附煙塵和其他微粒、釋放殺菌的揮發(fā)物質(zhì)、削減噪聲、增加空氣中的負(fù)離子，以及增加綠感等有益于人類健康的功能。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(chǎn)一單位干物質(zhì)需1.83單位的二氧化碳，一片每公頃年產(chǎn)量為10噸干物質(zhì)的森林，每年能吸收大氣中的二氧化碳達(dá)18.3噸。現(xiàn)在全球森林占地球面積的10％和陸地面積的30％左右，因此森林對于抑制大氣中二氧化碳的劇增（由人類活動(dòng)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(zhì)交換過程中，一方面可凈化大氣、給人類提供舒適衛(wèi)生的環(huán)境，森林本身也從大氣中獲得一部分養(yǎng)分(氮、磷、鉀、鈣、鈉等)，促進(jìn)其生長；另一方面，某些有害氣體和物質(zhì)在濃度超過限度時(shí)，會(huì)給森林生長帶來嚴(yán)重危害。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，酸雨（見降水化學(xué)）已造成部分林木死亡。因此關(guān)于“森林與大氣污染”問題的研究，正吸引著越來越多的科學(xué)工作者。

森林災(zāi)害與氣象

森林的災(zāi)害主要有病害、蟲害、干旱、干熱風(fēng)、火災(zāi)、洪水、風(fēng)倒、雪折，以及苗木的日灼、凍拔、生理干旱、霜凍、冰雹等，這些災(zāi)害無不直接或間接的與氣象條件有關(guān)。研究災(zāi)害發(fā)生的原因及其發(fā)展的可能性，以及采取預(yù)防措施，也屬于森林氣象學(xué)的范圍。對森林危害最嚴(yán)重的是森林火災(zāi)。1978年歐洲（蘇聯(lián)、羅馬尼亞除外）發(fā)生的森林火災(zāi)達(dá) 4.3萬余次，，受災(zāi)面積達(dá)44萬公頃，損失近 6億美元。森林火災(zāi)的發(fā)生和蔓延與氣象條件關(guān)系密切。除雷電可以直接引起森林火災(zāi)外，高溫、干燥是易于成災(zāi)的重要?dú)庀髼l件。制定火險(xiǎn)的氣象指標(biāo)，研究火災(zāi)的天氣預(yù)報(bào)方法是這個(gè)領(lǐng)域的工作重點(diǎn)。森林火災(zāi)的預(yù)報(bào)可分為大區(qū)預(yù)報(bào)、分片預(yù)報(bào)和單點(diǎn)預(yù)報(bào)三類，各類預(yù)報(bào)都綜合考慮可燃物濕度、相對濕度、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)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(guān)系、與森林火災(zāi)有關(guān)的人工影響天氣（降水、雷電）以及森林火險(xiǎn)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(jīng)過一系列誤差訂正），可以重建過去的歷史氣候特征（見年輪氣候?qū)W）。

森林生態(tài)系統(tǒng)的水熱平衡與大氣系統(tǒng)

森林對大氣候的影響問題， 從19世紀(jì)中葉開始就被人們重視。在一個(gè)時(shí)期內(nèi)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(qū)的森林能截持霧滴使降水量增多（稱水平降水），這是事實(shí)。但是森林通過大量的蒸發(fā)與蒸騰，以及其他成雨作用，能否促進(jìn)水分的小循環(huán)，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(huì)議以及其他國際會(huì)議上，多數(shù)人認(rèn)為這種增加降水的數(shù)量是不多的。他們認(rèn)為某些林區(qū)測得的降水量多于空曠地，可能是測定方法有誤。林多雨多，也可能因多雨地區(qū)森林易于生長所致，不足以證實(shí)森林增加了降水。但是在此以后，1975年美國馬省理工學(xué)院的J.G.查尼和P.斯通從大氣環(huán)流模式的系統(tǒng)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(diǎn)。森林對大氣圈熱量平衡的影響也是一個(gè)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(rèn)為大氣中二氧化碳的劇增將產(chǎn)生溫室效應(yīng)，影響地-氣系統(tǒng)的熱量平衡，使氣候朝著對人們不利的方向發(fā)展。也有人認(rèn)為，二氧化碳的略增，亦有利于植被的恢復(fù)，這是一種負(fù)反饋?zhàn)饔�，不致�?dǎo)向惡性循環(huán)。

森林地區(qū)太陽輻射的反射率小，這已由人造地球衛(wèi)星觀測所證實(shí)。一般而言，針葉林反射率為10％左右，闊葉林為15％左右，然而，黃熟的谷物地可高達(dá)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(fā)和蒸騰，通過這種途徑影響大氣系統(tǒng)的能量和水分收支。從而影響氣候。G.波特經(jīng)過模擬計(jì)算認(rèn)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°緯度范圍降雨增多，北緯45°～85°和南緯40°～60°降雨減少，赤道和兩極地區(qū)溫度降低，全球變冷，造成氣候顯著變化。鮑姆格特納的計(jì)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％，由于地球表面 71％為海洋所覆蓋，森林的這種影響是在大氣圈可負(fù)荷范圍內(nèi)的，不致引起氣候的顯著變化。

研究趨勢

世界氣象組織農(nóng)業(yè)氣象學(xué)委員會(huì)1974年10月在華盛頓召開的第六次會(huì)議中，成立了森林氣象組，并確定研究森林類型、特別是熱帶和副熱帶森林類型的氣象效應(yīng)。1979年9月在索非亞召開的第七次會(huì)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(shí)還確定進(jìn)行原始森林火險(xiǎn)氣象問題的研究。

1983年3月在日內(nèi)瓦召開的第八次會(huì)議，又確定1984～1993年研究森林采伐和更新為主的林業(yè)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(shí)，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(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬和系統(tǒng)分析相結(jié)合的階段發(fā)展，并向微觀的樹木生理氣象方面深入發(fā)展。

森林氣象學(xué) - 相關(guān)學(xué)科

大氣科學(xué)、氣候?qū)W、物候?qū)W、古氣候?qū)W、年輪氣候?qū)W、大氣化學(xué)、動(dòng)力氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、大氣邊界層物理、云和降水物理學(xué)、云和降水微物理學(xué)、云動(dòng)力學(xué)、雷達(dá)氣象學(xué)、無線電氣象學(xué)、大氣輻射學(xué)、大氣光學(xué)、大氣電學(xué)、平流層大氣物理學(xué)、大氣聲學(xué)、天氣學(xué)、熱帶氣象學(xué)、應(yīng)用氣象學(xué)、農(nóng)業(yè)氣象學(xué)、醫(yī)療氣象學(xué)、水文氣象學(xué)、建筑氣象學(xué)、航海氣象學(xué)、航空氣象學(xué)、軍事氣象學(xué)、空氣污染氣象學(xué)。

森林氣象學(xué) - 參考資料

大科普網(wǎng)
澤澤網(wǎng) ?doc-view-13542

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