沿海風口木麻黃基干林帶防風效能研究

朱煒 吳惠忠 李茂瑾 蘇親桂

摘要福建省沙地木麻黃基干防護林帶是沿海地區抵御風沙的生態屏障，在改善沿海地區的生態環境中發揮了重要作用。通過建立的生態定位監測站，利用長期觀測的年序列數據針對沿海風口木麻黃基干林帶不同季節、風向的防風效能進行統計分析，結果表明：春季、秋季和冬季主風向以NNE、NE和ENE為主，夏季以SSW、SW為主，主風向上風速等級高頻率也大。主風向在不同季節垂直方向上，隨著高度增加，風速增加，防風效能降低；林帶內垂直于林帶的風向，防風效能最小，而隨著角度的減少，防風效能逐漸增大；水平方向上，林帶后1H防風效能最大，垂直于林帶的風向防風效能最大，隨著角度的減少，防風效能逐漸減小，林帶后5～20H隨著距離的增加防風效能下降，但趨勢變緩。

關鍵詞木麻黃；基干林帶；防風效能；風向；風速

中圖分類號：S792.93;S727.26文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.004

StudyontheWindPreventionEffectofCasuarinaequisetifoliaMainShelterbeltintheDraughtoftheCoastalZone

ZhuWei1，WuHuizhong2，LiMaojin2，SuQingui2

（1.FujianForestryAcademyofSciences，Fuzhou350012，China；

2.FujianProvinceHuianChihuState-ownedForestFarm，Quanzhou362131，China）

AbstractCasuarinaequisetifoliamainshelterbeltinsandylandofFujianProvinceisanecologicalbarrieragainstwindandsandincoastalareas，andplaysanimportantroleinimprovingtheecologicalenvironmentincoastalareas.Basedontheestablishedecologicalpositioningmonitoringstation，thestatisticalanalysisofitswindpreventioneffectivenessindifferentseasonsandwinddirectionswascarriedoutbyusingthelong-termobservedannualseriesdata.Theresultsshowedthatthemainwinddirectioninspring，autumnandwinterwasmainlyNNE，NEandENE，andinsummerwasmainlySSWandSW，andthewindspeedgradeinthemainwinddirectionwashighandthefrequencywaslarge.Intheverticaldirectionofthemainwinddirectionindifferentseasons，withtheincreaseofheightandwindspeed，thewindpreventioneffectdecreased.Intheforestbelt，thewinddirectionperpendiculartotheforestbelthadthelowestwindproofefficiency，andwiththedecreaseoftheangle，thewindpreventioneffectgraduallyincreased.Inthehorizontaldirection，thewindpreventioneffectwasthelargestin1Haftertheforestbelt，andtheeffectwasthelargestinthewinddirectionperpendiculartotheforestbelt，andwiththedecreaseoftheangle，thewindpreventioneffectgraduallydecreased，andtheeffectdecreasedwiththeincreaseofdistancefrom5Hto20Haftertheforestbelt，butthetrendsloweddown.

KeywordsCasuarinaequisetifolia;mainshelterbelt;thewindpreventioneffect;winddirection;windspeed

福建省海岸處于陸海交替地帶，是臺風、海潮、風暴潮等自然災害多發區，沙質海岸線由于受大風、流沙和干旱等惡劣生態條件的影響，特別是風口地段的風速大，風力等級高，時常遭受臺風直接或間接的危害，因此，防風治沙是目前沿海防護林體系建設的關鍵環節之一[1]。木麻黃（Casuarinaequisetifolia）作為我國東南沿海的防護林樹種，尤其是良好的適應性和抗逆性，使之成為最重要的防護林造林樹種，這不僅為人民生活需要提供了急需的木材和燃料，更重要的是減免了風、沙、潮水災害造成的威脅，改善了福建省濱海地區生態環境，促進了工農業生產的發展[2]。

木麻黃基干林帶地處海岸風口生境條件十分困難的地段，能有效削弱風能，減輕風害，同時抑制風蝕和風沙活動的發生。眾多學者對防護林的防風效能進行了相關的研究，葉功富等[3-5]以不同林帶結構、發育階段木麻黃林帶為觀測對象，設置多條測線定時進行風速測定，探討風速變化規律和對防風效能的影響；杜鶴強等[6]在不同距地高度和疏透度條件下對農田片狀林在有效距離內的防風效能進行觀測與分析；魏龍等[7]通過設置定位站分析比較典型木麻黃防護林帶的風場特征及其防風效能。由于受限于人力、財力等因素，許多研究存在觀測時間不連續、時距短等問題，難以在時間序列上長期進行系統分析研究，相關的文獻少見報道?；诖耍狙芯坷酶＝ㄊ』莅渤嗪蟹雷o林場的生態定位監測站，開展海岸木麻黃基干林帶防風效能的長期定位監測研究，相關的分析結果將為今后沿海防護林的減災防災生態系統服務功能和效益評價提供技術支撐，為沿海防護林的合理布局與可持續經營提供科學依據。

1試驗點概況

生態定位監測站位于福建省惠安赤湖國有防護林場凈峰工區，屬于惠安縣崇武半島，地理位置118°55′E，24°35′N，屬于南亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫19.8℃，最高氣溫36.6℃，最低氣溫3.6℃，年平均日照時數為2206.6h，年平均降雨量為1029mm，降水量年際變化較大，年蒸發量2056.7mm，年平均相對濕度80%，干濕季明顯，干旱頻度大。夏季多臺風，年平均5.1次；秋冬盛行東北風，年平均風速大于6.0m.s-1。土壤為沙壤土。木麻黃基干林帶營造于前沿的沙灘上，常見植被有老鼠艻（Spinifexlittoreus）、黃花月見草（Oenotheraglazioviana）、厚藤（ Ipomoeapes-caprae）或單葉蔓荊（Vitextrifoliavar.simpticifolia）等聚集分布。

2研究方法

2.1觀測儀器設置

超聲波風速風向傳感器分別安裝在監測站建設的6個氣象觀測塔上，水平梯度上距離林帶前沿靠?？諘绲?2m（1倍樹高，記為-1H）設置為1號塔，林帶寬度160m，中央設置為2號塔，林后按照1H、5H、10H、20H分別設置為3號塔、4號塔、5號塔和6號塔；垂直梯度上2號塔設置3層風速風向傳感器，高度分別為3、10和17m，其他5個觀測塔設置2層，高度分別為3m和10m。各觀測塔由太陽能系統獨立供電，經由采集器利用GPRS傳輸到監測站數據管理平臺。

2.2數據修訂

觀測數據首先需進行數據質量檢查，因供電系統電壓波動，數據采集通道擁堵或測量環節故障容易導致數據異常、失真甚至丟失，若直接使用異常數據進行研究會導致分析結果產生較大誤差，嚴重影響評估結果的準確度[8]。因此，對數據中出現的異常值予以剔除，0值進行篩選識別或儀器檢修無數據的情況做缺失值處理。

2.3風速風向計算

風速采用算術平均法按公式（1）計算，風向采用矢量平均法[9]計算。

u=1n∑ni=1uii=（1，2，…，n）（1）

式中，u為風速的算術平均值，n為規定時段內的采樣次數，ui為第i次的采樣結果。

風速劃分0～2m.s-1、>2～4m.s-1、>4～6m.s-1和>6m.s-1四個等級，風向頻率統計根據國標GB/T35227-2017規定，以正北方向為0°，將風向按22.5°順時針劃分16個方位：正北、北東北、東北、東東北、東、東東南、東南、南東南、南、南西南、西南、西西南、西、西西北、西北、北西北，對應的符號分別為N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW。

2.4防風效能計算

防風效能按公式（2）[10]計算：Exz=u1z-uxzu1z×100%（x=2，3，4，5，6）（2）

式中：Exz為防風效能，是指2～6號塔、高度為z處的平均風速比對照1號塔平均風速減少的百分數，u1z表示1號塔高度z處的平均風速，uxz表示2～6號塔高度z處的平均風速。

2.5數據統計方法

數據來源于2021年1月1日—2021年12月31日采集時間間隔10min風速、風向的觀測值，分別按照小時、天、季節進行統計。季節劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—2月）。數據輸入、存儲使用Excel軟件，風速、風向數據處理及計算作圖等使用R語言軟件（版本4.1.3），加載openair和ggplot2程序包。

3結果與分析

3.1年風速風向頻率分析

選擇木麻黃林帶前沿1號塔的數據分析林分所處環境的風速、風向特征，因10m高的傳感器部分時段出現故障維護導致較多的缺失值，因此采用高度3m的年序列數據進行分析，年平均風向玫瑰圖見圖1。

由圖1可以看出，風速年平均值為5.07m.s-1，風向頻率排序前5名分別是NNE、NE、SSW、SW和ENE，占全年風向的78.1%，圖中林帶方向位于坐標軸2、4象限，以此劃分，主風向以北東北、東北和東東北為主，風頻占55.6%，方向由海上吹向陸地，其次以南西南、西南風為主，風頻占22.5%，方向反之。從風速等級來看，風向NNE、NE、ENE且風速>6m.s-1分別占16.9%、15.6%和3.3%，而SSW、SW風向且風速>6m.s-1沒有頻率分布，說明在主風向上高風速等級頻率也大，因此基干林帶作為沿海第一道防護屏障，在防御風害方面起到關鍵的作用。

3.2不同季節防風效能研究

不同季節平均風速統計結果見圖2。從圖2可以看出，以1號塔為對照點，春季、秋季和冬季防護林帶在不同防護距離上對風速有明顯的減弱作用，這是因為當風經過林帶時，部分氣流被林帶阻礙而抬升至林帶上方，越過林帶后，這部分氣流在上空形成高風速區域，而在林后，由于上方氣流下沉與通過林帶的那部分氣流相遇形成渦流，使林帶背后形成低風速區域[10]。但夏季林帶后的4～6號塔位置卻出現風速回升大于對照點的情況，因此進一步計算不同季節的防風效能，結果見表1。

從表1數據可以看出，夏季高度3m林后10H、20H處，高度10m林后5H、10H和20H處防風效能均為負值，究其原因，夏季主風向風頻以南西南、西南風為主，即風由內陸吹往海上，風向的改變從而導致統計結果出現偏差。其他季節主風向以北東北、東北風為主，呈現平均風速等級越大，防風效能越高，隨著防護距離的增加，防風效能呈減弱的趨勢，因此在本研究地點秋冬季出現風害的頻率大于春夏季。

3.3不同風向防風效能研究

研究林帶防風效能僅考慮風速不考慮風向的變化會造成統計偏差，甚至導致相反的結果。根據圖1分析結果，將1號塔高度3m年序列數據按照N、NNE、NE、ENE和E等5個風向進行劃分，由于風向產生的時間在原始序列數據中不是連續的，因此以1號塔為基準，篩選出上述5個風向的數據按照季節和風向兩個因素分別統計平均風速，同時在2～6號塔中尋找與1號塔匹配的相同時間數據分季節和風向統計年平均風速，具體計算結果見圖3（圖中虛線為年平均風速5.0m.s-1的參考線）。

從圖1和圖3可得知，在季節的基礎上分析的5種風向均為海上穿越林帶進入內陸，剔除其他風向的干擾，結果符合預期，沒有出現防風效能為負的情況。4個季節中N和E所占風向和風速頻率較小，平均風速均小于5.0m.s-1，夏季僅NNE風向大于平均風速。在主風向上選擇NNE、NE和ENE3種風向計算的防風效能見表2。通過圖像角度測量，NNE與林帶夾角48°，NE與林帶夾角72°，ENE與林帶夾角91°。由表2的結果可以看出，垂直方向上，不同風向表現出隨著高度增加，風速增加，防風效能降低的現象，林帶內高度3m處防風效能從大到小排序為NNE>NE>ENE，說明風向對林帶內風速有明顯影響，風向ENE垂直于林帶，氣流進入林帶到達測點傳感器距離最短，防風效能最小，而隨著角度的減少，距離逐漸加長，相對運動阻力增加，防風效能逐漸增大；林帶內高度10m處防風效能從大到小排序為NNE>ENE>NE，與高度3m有所差異，可能的原因是NE風向時傳感器周圍的樹冠結構在風力的作用下發生變化，疏透度增加，風速增大，防風效能降低。

水平方向上，林帶后1～20H不同風向的防風效能從大到小排序為ENE>NE>NNE，垂直于林帶的風向ENE防風效能最大，隨著角度的減少，防風效能逐漸減小，原因應是風向與主林帶垂直時，氣流越過林帶后形成較大的渦流減速區，風向與主林帶夾角變小時，防護林防護作用的減小表現為減速區域面積的減小和防風效能減弱導致風速數值的上升[11]。林帶后1H防風效能最大，同為高度3m處，垂直于林帶的風向ENE在春季、秋季和冬季時防風效能比不考慮風向同季節的防風效能增加21.21%、8.69%和8.89%，與林帶夾角最小主風向NNE相比，防風效能在高度3m處分別提高了12.38%、9.9%和11.75%，在高度10m處分別提高了18.17%、16.72%和17.44%。林帶后5～20H隨著距離的增加防風效能下降，但趨勢變緩。

4結論

本研究木麻黃基干林帶所處的風口環境中，年風向頻率主風向以NNE、NE和ENE為主，風頻占55.6%，其次以SSW和SW為主，風頻占22.5%，主風向上風速等級高頻率也大。林帶防風效能應考慮風向對其的影響，否則會導致統計結果出現偏差。主風向上NNE、NE和ENE3種風向在不同季節垂直方向上，隨著高度增加，風速增加，防風效能降低；林帶內風向對林帶內風速有明顯影響，垂直于林帶的風向，防風效能最小，而隨著角度的減少，防風效能逐漸增大；水平方向上，林帶后1H防風效能最大，垂直于林帶的風向防風效能最大，隨著角度的減少，防風效能逐漸減小，林帶后5～20H隨著距離的增加防風效能下降，但趨勢變緩。

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