九龙山侧柏林林内降雨时滞效应

吴 迪, 辛学兵, 郭 慧, 封焕英, 裴顺祥, 贺 新

(中国林业科学研究院华北林业实验中心，北京 102300)

林冠层是森林生态系统对大气降水分配的首个作用层，是树木参与调节大气降水量和可能削减部分降雨动能的重要部分，这一部分使林内的降雨特性和空间分布格局发生变化[1-3].林内降雨的时滞效应，大体表现为林冠层对降雨截持分配降雨量的过程中，改变了林内降雨的时间，使林内降雨大部分在产生和终止时间上均迟于林外雨[4-5]，它是森林水文生态过程的一个环节，对森林的截留降雨、减少地表径流的产生及雨滴对地表的冲击等生态功能具有一定的影响作用[6-9].关于林内降雨时滞效应方面的研究报道较少，仅个别学者[10-12]对林内降雨延滞时间做了相关统计分析.为此，本文以北京地区主要造林树种之一的侧柏(Platycladusorientalis)为研究对象，利用自计式翻斗雨量筒，同步监测林内和林外的降雨量和降雨过程，分析典型场降雨和特大暴雨极端天气下的侧柏林内降雨的时滞效应特征，可为森林水文生态功能的研究进行必要的补充，也能为深入探索林内降雨时滞效应的内在规律和形成机理提供依据.

1 研究区概况

九龙山地处北京西郊的门头沟区，山体呈“V”字型围绕于门头沟城区的南、西、北三面，山地森林植被承担着涵养水源、保持水土及美化环境等多种生态功能，成为该地区重要的生态屏障[13].研究地设在九龙山华北林业实验中心辖区森林水文观测站附近，该水文站地处太行山系东部北段，地理坐标39°57′N、116°04′E.气候属典型暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温11.8 ℃，无霜期216 d，年平均降水量623.0 mm，降水主要集中在6—9月，年均蒸发量1 870 mm，土壤为山地褐土，森林覆盖率74.3%，植被以人工森林和灌丛为主，主要优势乔木树种为：油松(Pinustabuliformis)、侧柏、落叶松(Larixgmelinii)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、蒙古栎(Quercusmongolica)、山杨(Populusdavidiana)等[14].其中，侧柏林占有林地面积的21%，是研究地的主要优势树种类型.

表1 九龙山侧柏林地基本特征Table 1 Basic characteristics of P.orientalis plantation in Jiulong Mountain

经过前期踏查，研究地选取具有代表性的侧柏林分，使其能接近整个林分的平均状况，林分起源为人工林，海拔264 m，侧柏林地坡向为NE 85°，坡度27°，林龄48 a，郁闭度0.75，林分密度为3110株·hm-2，林分胸径、树高及枝下高特征可见表1.林下植被情况主要灌木种类有山桃(Amygdalusdavidiana)、三裂绣线菊(Spiraeatrilobata)、蚂蚱腿子(Myripnoisdioica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、金雀儿(Cytisusscoparius)、荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)等，灌木层树种平均高度0.70 m.

2 研究方法

在北京九龙山华北林业实验中心辖区森林水文观测站附近空旷地和侧柏林地随机布设2个和5个HOBO RG3-M自计式翻斗雨量筒(hobo data logging rain gauge，美国，HOBO Onset公司)，且雨量筒布设两地相距约100 m(避开大天窗、林缘)，同步监测林内和林外的降雨量和降雨过程.为了防止在降雨过程中地面反溅水影响实际的测定结果，将雨量筒固定在距离地面30 cm高的位置，并为防止人类活动或林内小动物如野猪、野兔等对仪器的干扰和破坏，在其周围布设了铁丝防护网.该仪器自带一个HOBO Pendant事件记录仪，能够完全独立开始工作.仪器外壳由抗腐蚀的聚丙烯材料制成，可保证仪器的长期稳定工作.雨量筒量程是12.7 cm·h-1，测量降雨精度是±1.0%(20 mm·h-1时)，分辨率0.2 mm(1翻斗)，采样间隔可在1 s至18 h之间自定义设置，通过内部的翻斗式雨量计，系统可以自动记录达3 200 mm的降雨数据，可确定雨强、降雨时间和降雨时长.仪器顶部配备有数据接口，可快速读取数据和下载数据.通过自计式翻斗雨量筒测定和记录从2012年7月至2013年10月期间侧柏林林内和林外各场降雨的实时降雨过程、在时间维度上的分布过程及降雨开始和结束时间等.

3 结果与分析

3.1 林冠延滞降雨基本情况

从2012年7月至2013年10月试验期间，选取降水过程具有完整降雨数据的56场降雨为研究对象(表2).降雨初始阶段，林内降雨均晚于林外降雨；降雨结束阶段，大部分降雨也出现了较为明显的延滞情况.

在观测的56场完整降雨中，根据GB/T 28592-2012降水量等级国家标准对不同时段的降雨量等级划分如表3，降雨开始阶段，降雨量级为小雨时，林外降雨发生延迟约51.42 min后才产生林内降雨，而降雨量级为大雨以上时，林内降雨产生延迟仅约19.40 min，两者相差近3倍，但均表现出一定的延滞性.从表中能明显看出，随着降雨量级的增大，降雨开始阶段，林内降雨延迟时间逐渐缩短；降雨结束阶段，林内降雨延迟时间逐渐增加.这与刘玉杰等[4]和陈书军等[10]所做的研究结果相似.

表2 侧柏林冠层延滞降雨情况Table 2 Rainfall retardation characteristics on the canopy of P.orientalis

3.2 典型场降雨林冠延滞降雨情况

表3 不同降雨量级降雨延滞基本情况Table 3 Summary on rainfall retardation of different intensities

根据GB/T 28592-2012降水量等级国家标准选取了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场典型降雨分别代表特大暴雨、大暴雨、暴雨、大雨、中雨、小雨，对其林内和林外降雨过程进行对比(图1).从这6场典型降雨过程可看出，林外降雨的开始和结束时刻均早于林内降雨，均表现出了滞时性，但降雨的延滞时间未体现出规律性.从图1中可直观看出特大暴雨(2012-07-21)、大暴雨(2012-09-01)的林内外降雨雨强峰值表现出几乎重叠现象，这可能是由于在强降雨情况下，林冠在短期内已经吸附雨水达到饱和，随着降雨强度的增大，雨水几乎同一时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)的降雨雨强峰值出现时间表现出明显的延滞现象，可见林冠层对此延滞现象起到了一定作用，林内雨强峰值也表现出与林外雨强峰值错开现象.这也与史宇等[12]研究成果展示的在不同降雨强度(大雨、中雨、小雨)下，林冠层对侧柏林内降雨的雨强峰值起到延滞作用相同.而在2012-09-01大暴雨中某一降雨时刻还出现了林内的最大雨强高于林外的情况，这可能是由于在高强度降雨情况下，林冠层蓄积了多次脉冲式降雨后将多处截留积水在某一临界时刻集中降下导致的.

图1 林内外典型场降雨过程Fig.1 Typical rainfall process inside and outside forest

3.3 特大暴雨极端天气林冠延滞降雨情况

2012年7月21日的特大暴雨是自1951年以来最强的一次降雨过程，被称为“北京60年一遇的暴雨”，多个学者对此次特大暴雨的主要天气形势[15-16]、促成暴雨发生的动力因素[17-18]及暴雨的不同尺度系统特征进行了详细报道[19-20].此次暴雨过程持续时间长、雨量大、雨势强，研究区的降雨量高达238 mm，下午16：50降雨强度最强，侧柏林林外雨强151.2 mm·h-1，林内雨强148.8 mm·h-1，林冠层是林内降雨经过的第一层，同一时刻林内雨强稍小于林外雨强，可见林冠层对降雨的强度，起到了一定的缓冲作用.但在高强度的降雨情况下，某一时刻的林内雨强也高于林外雨强，如图1，约18:00时所示，理由同3.2所述.

3.4 林冠延滞降雨时间与降雨特征关系

降雨事件发生后，林冠层对降雨的延滞体现出一个较为微观的过程，相同植被条件下，林内外降雨发生时间并不同步，表现出一定的延滞性，并与降雨特征存在着一定的相关性.林冠层对降雨的吸收和缓冲作用发生在延滞降雨开始过程，这说明了延滞降雨开始时间长短同延滞时间内雨量和雨强特征有一定的关系.将各场降雨的延滞期雨强和延滞开始时间用指数函数、对数函数、幂函数等曲线形式进行拟合分析，得出两者之间存在较好的对数函数关系，方程表达式为：

T=62.842-24.01ln(I)，R2=0.592

式中，T为延滞开始时间，min；I为延滞期雨强，mm·h-1.

由图2可看，拟合曲线呈反“J”字型，在延滞期雨强呈现较小值时，相对应的延滞开始时间越长，随着延滞期雨强的增大，延滞开始时间呈现减小趋势直至趋近于0.这与史宇等[12]在北京妙峰山林场所做的研究结果相似.

图2 延滞期雨强与延滞降雨开始时间的拟合曲线Fig.2 Fitting curve of rainfall intensity during the delayed period and start time of forest rain

林外降雨终止时，通过林冠层枝叶的聚集截留作用截留的降雨会继续滴落一段时间，产生林内降雨，这就是延滞降雨结束过程.史宇等[12]的研究表明，林冠截留量与降雨延滞结束时间二者存在一定的相关性，但本研究对二者进行相关分析，并未发现二者存在一定的相关性，研究结果的差异，可能与降雨的规模、降雨发生时的气象因素影响等有关.

4 结论与讨论

本研究通过在2012年7月21日至2013年10月1日期间对侧柏林试验场地的林内外降雨发生过程的定点观测，并深入探讨了侧柏林内降雨的时滞效应规律.在具有完整降雨数据的56场降雨中，降雨初始阶段，林内降雨均晚于林外降雨.降雨结束阶段，大部分降雨也出现了较为明显的延滞情况.对56场降雨进行分降雨量级统计分析，降雨开始阶段，降雨量级为小雨时，林外降雨发生延迟约51.42 min后才产生林内降雨，而降雨量级为大雨以上时，林内降雨产生延迟仅约19.40 min，两者相差近3倍.随降雨量级的增大，降雨开始阶段，降雨延迟时间表现出逐渐缩短趋势；降雨结束阶段，降雨延迟时间表现出逐渐增加趋势.在典型场降雨中，特大暴雨(2012-07-21)、大暴雨(2012-09-01)强降雨下林冠在短期内吸附雨水达到饱和，随着降雨强度的增大，雨水几乎同一时刻快速穿透林冠降下，致使林内外降雨雨强峰值表现出几乎重叠现象；而在某一降雨时刻还出现了林内的最大雨强高于林外的情况，这可能是由于强降雨下，林冠层蓄积了多次脉冲式降雨后将多处截留积水在某一临界时刻集中降下导致的.由于林冠层对降雨的延滞作用，暴雨(2013-07-01)、大雨(2013-07-31)、中雨(2013-08-11)和小雨(2013-07-08)的降雨雨强峰值出现时间均表现出明显的延滞现象.

根据本文研究结果，可对林内降雨的时滞效应进行初步探讨.在不考虑其他影响因素的情况下，降雨事件发生时，降雨强度一般都较小，林冠就开始对降雨起到截持作用，因林冠和枝叶表面都相对比较干燥，雨滴下落穿过林冠过程中，除从林冠间隙穿过外，若碰到枝叶，则很容易被干燥的枝叶所吸附、阻挡和截持，林冠会累积降雨量直至达到自身能承受的最大截留量，在林外降雨停止后的某一时间段内，林冠上的雨滴仍保有在之前降雨形势下产生的一定动能和重力势能，并在重力、风力等多种因素共同作用下，仍会继续滴下，由此，林内外降雨在发生时间上表现出明显的差异，进而产生了林冠层对降雨的时滞效应.但偶尔也会出现林内降雨结束时间早于林外的现象，可能发生在场降雨量很小而林冠截留作用显著的情况下.

史宇等[12]研究指出侧柏林内降雨延滞开始时间与延滞期雨强、林外降雨延滞结束时间与场降雨量均表现出相关关系.此结论既与本文研究结果有一定的相似性，又存在差异性.相似性是降雨事件发生时，场降雨规模大小对林内降雨延滞开始时间并不存在影响，主要是与延滞时间段内发生的水文过程变化有关，通过对其降雨延滞开始时间和延滞期雨强进行拟合，得出两者之间存在较好的对数函数递减关系.差异性表现在对降雨延滞结束时间和场降雨量二者进行相关分析，并未发现二者存在一定的相关性，研究结果的差异，可能与降雨的规模、降雨发生时的气象因素等有关.但由于试验仪器问题致使相关数据的缺失，本研究中不能明确分析气象因素对林内降雨时滞效应的影响规律.

由于林冠层对大气降雨存在延滞作用，使林外降雨到达林内有了一段响应时间，有效的延迟地表径流和土壤水文入渗的产生，从而能更好的削减洪峰流量和延长汇流时间，减少土壤侵蚀、防止水土流失、减少山洪、泥石流和滑坡等地质灾害产生一定的生态意义.但目前关于森林对大气降雨产生的时滞效应的关注程度不够、研究程度尚浅，现有的研究仅限于最初级的以数据统计分析为主.今后的研究方向可针对不同树种、不同林分结构等多尺度、多角度上进行林内降雨时滞效应的扩展研究.

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