森林对于降水的可能影响：几种分析方法所得结果的比较_地理论文

1、森林对于降水的可能影响：几种分析方法所得结果的比较_地理论文    文章摘要：                         摘要：森林对于降水的影响是一个在科学界持续百余年的复杂问题，关于这种影响的错误分析，可能会导致指导思想的混乱与行动上的失误。因此，对这一问题的研究极具理论价值与实践意义。从对比观测、统计分析和

2、模拟分析 3 种不同的研究方法入手，对有代表性的文献进行归纳整理，试图就这一复杂问题进行判断，得出一些初步认识。结果表明，不同的研究手段所得出的结论往往差距很大，其中存在着很大的主观性；各种研究方法均存在着某些需要改进的地方。更加深入的研究，不仅应考虑低层大气的物理变化，还应考虑植被的生物学特征，如林草的生理特征和生态适应性及土壤水分平衡问题，特别是随着植被覆盖的变化，植被的水分消耗、土壤水分的动态以及区域水资源的可能变化，而这些问题在区域生态恢复与建设中可能具有更加重要的意义。关键词：森林；降水；效应；比较分析中图分类号：S7152文献标识码：A文章编号：1000-3037(2001)05-

3、0467-071 引言尽管关于森林与水的关系的研究在森林生态学、森林水文学、森林气象学等学科领域中已经进行了很长时间，但到目前为止，仍然存在着许多争论，而其中关于森林与降水的关系，特别是森林究竟能否提供更多的降水的争论是这些争论中的焦点。20 世纪 80 年代初期，国内曾经掀起了一场关于“确切地估计森林的作用”的大讨论14，后来不少人从各种不同的角度对这一问题进行了研究，但时至今日，仍然没有明确的答案57。即使在国外，也存在着截然不同的两种观点8。在举国强调生态环境建设的今天，特别是在西部大开发过程中，重提这个问题，并从理论和实践上进行研究，无疑具有十分重要的意义。从森林气象学角度研究森林的降

4、水效应，可以通过 3 种方法来进行：一是对比观测，即通过森林内外（或森林与裸地）降水量的实际观测，以得到森林植被对区域降水量影响的定性判断；二是统计分析，即分析森林砍伐（或恢复）前后森林覆被变化与区域降水量之间的统计关系，从中找出森林覆盖率变化对区域降水量变化影响的某种规律；三是模拟分析，即建立降水量形成的机理模型，或引入中尺度天气模型，从与森林有关的影响区域降水量的主要因素，特别是地表反射率、地表粗糙度、地面水汽输送等的变化，模拟分析森林植被变化所可能产生的降水效应。本文将着重根据国内外文献，从上述 3 个角度进行归纳总结，以对这一复杂问题进行初步判断，同时也为进一步的研究提供参考。2 对比

5、观测及其基本结论2.1 对比观测 1在美国的观测对有林地和无林地进行降水量的对比观测，Hursh 的工作9可能是开展较早而且较有代表性的。他为了研究森林覆被对局部气候的影响，在田纳西州选择了一片适宜的地区进行了观测。他在裸地、森林和草地 3 种类型的地块上分别安放了 2 个降水观测站，并对风速进行了同时测定，以进行订正，表 1 为 4 年的观测结果。表 1 三种类型地块上的降水量观测值与风速订正值 9Table.1 Observations of precipitation and correctionsof wind velocity in different plots 地块类型平均风速

6、(m/s)年降水量 (mm)观测值风速订正值裸地2.2612771458草地1.6713391462森林地0.3314591466如果仅从观测值看，森林中的降水超过裸地 14.25%，超过草地 8.96%。但利用风速校正之后，森林地上的降水量比裸地上的降水量仅大 0.55%，比草地上大 0.27%。这说明 3 块地上的降水量其实并没有本质上的差别，也就是说森林植被对于降水量并没有什么影响9。2.2 对比观测 2在河北的观测河北清水河上两个紧邻的小流域上（东沟和西沟）的两地森林覆盖率分别为 39.8% 和 4.1%，海拔高度分别为 1644m 和 1355m。19631981 年平均降水量分别为

7、 499.5mm 和 438.9mm。从表面上看，似乎是因为森林覆盖率的不同而使东沟比西沟增加了 60.6mm 的降水，大约占 13.81%。但进一步的研究发现，这只是一种错觉。根据附近 6 个长期雨量站的观测记录，多年平均降水量与相应的海拔高度之间存在着统计关系（表 2）。据此关系式可以算出东、西沟由于海拔高度差异所造成的降雨差为 49.4mm。也就是说，经过高度订正后，两地降水量实际仅差 11.2mm，这部分仅占 2.55% 的增雨，可以作为森林动力抬升作用或其它因素所造成的森林对降水作用的结果。但显然，森林的增雨效果并不明显10。表 2 雨量随海拔高度的变化 10Table.2 Vari

8、ations of precipitation with altitude 站名位置高程 H(m)多年平均降水量 P(mm)东经北纬张家口114°53'40°30'790418.7南窝铺115°00'40°52'920436.7场地115°08'40°53'1050472.9崇礼115°17'40°57'1250490.1狮子沟115°23'41°06'1460527.9三道营115°27'41&#

9、176;10'1600542.82.3 对比观测 3在广东的观测中国科学院华南植物研究所曾在位于热带北缘地带的广东省电白县小良水土保持站内进行了不同土地覆被条件下的降水量观测，这里的降雨方式多以暴雨形式的对流雨和台风雨为主，其中 2 个集水区中的植被都是人工恢复而来。表 3 为该站 19811990 年 10 年间降水量的观测值。表 3 混交林、桉树林和裸地逐年的大气降水量 11Table.3 The yearly precipitation in three kinds of plots（单位：mm）年份1981198219831984198519861987198819891990

10、平均混交林16741529135519932322123511991201118412891498桉树林153113581355167719981157113892497210681318裸地16511676150818892310135113181262120413121548显然，裸地上的降水量比混交林中高出 3.33%，比桉树林中高出 17.45%。造成这种现象的原因可能是：试验地地处热带北缘，热量条件充足，降水以台风雨和对流雨为主，裸地直接接收太阳辐射，小气候变化远较森林地大，热对流作用强烈，在适当的天气条件下，中午就常常可以观测到发生在裸地上的对流雨，其历时和强度都大于两个森林地；同

11、时，混交林与桉树林相比，前者林冠结构复杂，层次多样，增加了作用面的粗糙度，与桉树林相比，有可能增加降水11。2.4 对比观测 4在太行山区的观测采用对比观测方法试图回答森林的增雨效应问题，当数由北京林业大学等单位百余人，于 19801984 年联合在太岳山林区开展的森林降水效应的观测研究。他们利用天气过程雨量分离法（即认为某一天气过程雨量的大小，首先决定于大的天气形势，其次是地形作用和植被的影响），对太岳林区几次天气过程的雨量进行了分析。观测地位于山西省东南部太岳山脉的北段，地处晋东南、临汾、晋中 3 个地区的交界处，地跨沁源等 8 个县的大部分山区，全区森林平均覆盖率 35.54%。通过典型

12、降水过程的分析表明：在一定范围内，某天气过程雨量的大小，首先决定于天气形势；在这个前提下，地形和森林对降雨起到增强或抑制作用，要看当时的流场形势及天气条件而定；几个典型降水过程并不能代表多年的平均，笼统地比较雨量的同异，单一地强调地形和森林的增雨作用，都是不全面的；从现有资料看，可以定性地说，森林对降水有一定影响，但增雨量不大；经初步估算，天气形势雨占 46.3%，地形雨占 48.1%，而森林雨只占 5.6%12。2.5 由对比观测所得到的基本结论总结上述 4 个对比观测结果，可以发现：一般情况下，与裸地上相比，森林地上的降水量有所增加，但增加量不大，小者 0.55%，大者 5.6%；但在某些

13、特殊情况下（如有利于阵性降水形成的地方），也有裸地上的降水量反大于林地中的降水量的现象。3 统计分析及其基本结论3.1 统计分析 1在西双版纳的研究西双版纳及其邻区气象站于 20 世纪 50 年代中、后期开始观测，即在本区森林破坏的前后期均有系统气象资料的累积。这为鉴定本区森林对气候的作用提供了必要条件。张克映等13以景洪站为基本测站，以西北和东北向、距离约 110km 的澜沧站和思茅站作为森林基本无破坏的对照和参考站。统计分析表明，50 年代至 70 年代，西双版纳地区的常绿林覆盖率由 69% 降至 30%，干季 (114 月）降水平均减少约 33mm（占 15%）；雨季 (510 月）降水

14、平均减少约 30mm（占雨季约 3%）；年降水量平均减少 5060mm（约占 4%）。同时，在云南勐龙地区，由于毁林植胶，大面积的原始或次生热带森林被破坏、毁灭，使雨日、雾日日数及降水量均趋于减少（表 4）。表 4 勐龙站雾日、雨日日数及降雨量不同时期的比较 13Table.4 Comparison of foggy days，rainy days and precipitation in different periods年代195819601961196519661970197119751976198019581980 平均1981雾日日数149133111117113123103比较-1

15、6-38-32-36-26-461、2、11、12 月雾日日数91867576778067比较-5-16-15-14-11-24雨日日数193172179179166176185比较-21-14-14-27-17-8降雨量mm1515.81423.91486.61414.81376.21437.21708.7比较-91.9-29.2-101.0-139.6-78.6192.9另外，热带雨林还具有明显的增加水平降水的作用。如在西双版纳，仅露量一项全年可达 7080mm。而 70 年代后森林破坏，使水平降水大大减少。每日露珠下滴所形成的水量，在 50 年代曾测得为 0.40.5mm，而到 80 年

16、代仅 0.10.3mm14。3.2 统计分析 2在海南岛的研究海南岛也是我国森林破坏非常严重的地区。有人认为15，在万宁县 5060 年代的 25 月，经常在上午 810 点出现降雨，日雨量 3040mm，年雨量达 2900mm，从来不发生干旱。可 70 年代破坏森林以后，年降雨量降至 2500mm 左右。海南陵水县年降雨日数，70 年代后期比前期平均减少 9 天，比 50 年代减少 13 天；年降雨量 19661975 年比 19561965 年平均减少 105.9mm，19761979 年又比前 10 年平均减少 158.5mm。但对此结果，有人提出了不同的看法，认为解放以来的年降水量并没

17、有显著的变化，且最高降水量恰恰就发生在 70 年代中16。同时，这一看法也可以从马雪华17发表的材料中得到印证。表 5 为海南岛不同河系森林覆盖率与年降水量变化的多年统计结果，显然，随着森林覆盖率的减少，降水量呈增加趋势。表 5 海南岛不同河系森林覆盖率与降水量的变化 17Table.5 Variations of forest coverage and precipitation in different river systems in Hainan河系与河流（站名）集水面积 (km2)年代森林覆盖率 (%)年降水量 (mm)平均增减1. 南渡江上游19601969651928.12（福才

18、站）5.819701979151981.5152.38南湾河19601969101969.79（细水站）1441970197902212.80243.01南叉河19601969601862.64（白沙站）75.319701979202219.51356.872. 万泉河上游19601969402428.21（承坡站）72719701979152601.66173.453. 昌化江上游通什水19601969401876.78（毛枝站）61019701979201921.9645.18望楼河19601969901421.86（茸麓站）16919701979*401456.8334.97注：茸麓站

19、19721979 年为补插的数据。3.3 统计分析 3在小兴安岭的研究北京林学院陈健等18曾经比较了小兴安岭东南坡两个气象站的降水量，一个位于林区的五营，另一个是无林地区的鹤岗，两地相距约 100km，海拔高度分别为 283.5m 和 227.9m，纬度分别为 47°52N 和 47°42N。统计两地 19561963 年的降水资料，并进行风速和高度订正后表明，有林地区的五营比无林地区的鹤岗降水多 81.2mm，相当于增加了 11.8%。3.4 统计分析 4在陇东子午岭的研究子午岭林区位于黄土高原中心地带的甘肃省与陕西省交界处，森林植被覆盖率由解放初期的 50.2%，下降到

20、 80 年代末期的 19.85%。毁林给陇东子午岭及邻近地区气候带来一定的影响。就降水而言，阵雨减少趋势比降水量的减少更为明显。统计分析表明：子午岭毁林后 (19761985 年）比毁林前 (19561965 年）（林区面积变化最大的是 19661975 年），7、8 月的阵雨量平均减少 12.8%，而对照点（兰州、榆中）则下降较小 (1.5%）或没有变化；毁林后比毁林前阵雨量一般减少 20mm 以上19。3.5 由统计分析所得到的基本结论在上面几个统计分析实例中，既有森林覆盖率增加使降水量增加、森林覆盖率减少使降水量减少的例子，似乎说明森林的存在有助于区域降水的增加，而且数量差异很大；但也有

21、相反的结论，这也可能是因为在一些地方，森林植被的破坏会使局地对流增强，阵性降水增加。4 模拟分析及其基本结论4.1 基于水汽输送变化的模拟前苏联波哥乡20认为，一地上空空气层内的水汽含量，一部分以降水的形式落入该区（即降水量），一部分又随气流输送到别处去。空气内来自区域之外的水汽，称外来水汽；由当地蒸发到大气中去的水汽，称内源水汽。当区域很小时，降水几乎都是外来降水。根据造林后蒸发到大气中去的水汽改变量，可以估计出森林对降水的影响。据分析，在苏联欧洲部分土壤改良区的东北部，暖季蒸发到大气中的水汽可使当地降水量 (400mm) 增加 3040mm，接近 10%。郑斯中21根据类似的思路，研究了长

22、江流域水利化、绿化后降水量的可能变化。预计蒸发量将增加 13%15%，若按 20% 来计算，在外来水汽量不变或变化不大的情况下，单纯考虑地方蒸发的水汽参加内循环直接形成降水的作用，只能增加降水量 18mm，相当于年降水量的 1.5%。但是地方蒸发的水汽，对外来水汽形成降水有间接的刺激作用，这种间接作用大于直接作用的 23 倍，即可增加降水量的 3%5%。崔启武22利用同样的方法，对黄河流域大面积植树种草和实现水利化后对降水量的影响进行了模拟分析。表明可使蒸发量由原来的 200500mm 最多增大到 700800mm。根据这一假设，算出内源水汽改变量 1.58×1017g，折算成水深约

23、 226mm。从而得到降水增加量为 7.3%，这是一个最大的估计值。也就是说，对于黄河流域这一特定的流域，因森林增加所可能增加的降水量最大不过 7.3%。4.2 基于地表反射率变化的模拟Charney 等23曾经利用 GISS 大气环流模式对撒哈拉地区做了一组时间积分为 49 天的对比试验，他们用低反射率 (14%) 描述有植被覆盖、高反射率 (35%) 描述无植被覆盖的情况。模拟结果表明，植被覆盖可使撒哈拉地区模式降水量增加 43%。傅抱璞24对我国西北地区全面绿化进行情景模拟认为，下垫面的反射率将比当时 (20%) 减少 9%，相应的蒸发量也将会发生改变，从而使大气水汽含量增加、温度降低、

24、湿度升高、降水量增加（表 6）。夏季的蒸发量将增加 60.8mm，水汽含量（绝对湿度）增加 3.24mm，使对流层的温度降低 0.31，相对湿度增加 11.3%，产生内雨 31.5mm，全年可达 40.2mm。同时认为，地方蒸发不仅可形成内雨，更重要的是可激发外来水汽增加内雨，夏季可增加 91.5mm，全年可达 159.2mm，相当于内雨的 34 倍。表 6 西北地区全面绿化后大气中水汽含量的可能变化 24Table.6 Possible variation of air vapor content in NorthwestChina after overall afforestation气候

25、要素春季夏季秋季冬季全年蒸发量的增加量（mm/月）38.160.825.45.5389.4水汽含量的增加量 (mm)1.203.240.940.151.84相对湿度的提高量 (%)5.711.35.61.76.14.3 基于下垫面粗糙度变化的模拟易燕明等25利用引进的美国 Pielke 中尺度数值模式，研究了广西红水河与左右江流域森林对降水量的影响。为便于分析，将模式中均匀的粗糙度场、反射率场、土壤湿度场改变为实际观测的不均匀场，即有森林覆盖的网格点上，使粗糙度增大、反射率减小、土壤湿度增加。研究结果表明：当（河池站）森林覆盖率由当时的 8.6% 增加到 50%（这是可以达到的数值）时，大气底

26、层相对湿度增加 5%，降水量增加 3.8%。4.4 综合数值模拟事实上，大范围植被覆盖度的变化影响区域气候的可能途径具有多样性特征。罗哲贤26在 Lorenz 提出的以全露点温度作为湿度变量的低谱湿模式的基础上，通过引进温度和全露点温度垂直递减率随空间、时间的变化，积云对流调整和地形，进一步完善了 Lorenz 提出的湿模式。并在这个改进的模式基础上，实施数值试验，模拟分析了植被覆盖度的变化对我国北方干旱气候的影响。将植被覆盖引入模式后，使陆面蒸发进入大气的水分量增加，大尺度的上升运动及小尺度的对流活动加强，区域降水量增多，无降水的持续日数缩短。林贤超等27从大气热力学能量方程、水汽守恒方程以及降水与大气水汽含量和相对湿度的经验关系出发，假定大尺度环流不受地表下垫面变化的影响，不考虑大气辐射吸收与水汽和温度的反馈作用，对大气和地表能量过程作参数化处理，建立了一个反映区域年平均温度和降水的变化与地表反射率和波恩比变化之间的关系，并对华北平原下垫面荒漠化和绿化对气候的影响进行了模拟研究。计算分析表明，对于线性尺度为 550km 的华北平原来说，如果地表下垫