[科普中国]-森林气象学

发展简史

森林与气象或气候的相互关系的研究，始于18世纪，在19世纪末和20世纪初，随着工业化和城市化的发展，森林大面积减少，环境问题日益突出，使人们对森林气候问题研究进一步重视，并得以发展。1

我国古代人类很早就注意到森林树木和气候条件之间有着密切关系。中国西汉刘歆时期的《周礼·考工记》所述：“橘逾淮而北为枳”，是两千多年前，关于南北气候不同而引起的树种差异的记载。用仪器观测森林气候，也已有 200多年历史。3

国外的研究1745年，就有人在美国纽约进行树干内温度的研究。19世纪中叶，欧洲工业的发展，加速了对森林的砍伐，许多国家相继设置林内林外对比气象观测站，最早的一批是1862年在德国萨克森州建立的，称为双联森林站。1924年，德国的A.施毛斯和R.盖格尔为了进行林内气象要素铅直分布的研究，建立了历史上第一个森林气象观测塔（架）并进行“林分气候”观测，森林气象研究从此进入到范围较广的领域，也开始具备一门独立学科的特点。“林分气候”观测分林冠层、树干空间和林地土壤几个层次。尤其是对林冠层的研究，后来发展为冠层气象学。

盖格尔1927年出版的专著《近地层气候》中有七章涉及森林气象，如森林结构对小气候的影响；择伐和皆伐迹地气候特征；林缘和林间空地的气流；地表、树干间和林冠层的气象要素分布等。以后，A.鲍姆格特纳等在“林分气候”和产量模型方面做了大量的工作。

苏联的森林气象研究也开始较早。林学家A.A.莫尔恰诺夫作过系统研究，他的专著有《森林的水文作用》(1960)、《森林与气候》(1961)等。美国和加拿大的森林气象学从 20世纪 20年代开始，偏重于林火气象预报的研究。1978年，美国的R.李出版了专著《森林微气候学》，对森林中的能量输送讨论颇详。

1980年，又出版了他著的《森林水文学》。日本的森林气象研究大约由20世纪30年代开始。平田德太郎设计了纸面蒸发器以模拟叶面蒸腾；原田泰所著《森林气象学》(1951)，对光的研究有独到之处；门司正三和佐伯敏郎1953年发表了《对群体光能分布和同化作用的研究》的著名论文，开创了用数学分析方法对森林和植物群体光能利用规律的研究。

我国现代的研究与发展中国的森林气象研究工作始于1954年。当时为配合华南橡胶林的种植及辽西、冀西和苏北防护林的营造，开展了防护林小气候的研究；同年在东北小兴安岭林区设立了林内和林外的森林气象站(包括梯度观测塔)，对森林和林间空地的气候进行定期对比观测，也对红松苗圃进行了小气候的流动观测。60年代初开始人工林小气候的研究。1982年10月，中国第三次森林气象学术讨论会对森林气候、森林水文、森林能量平衡、防护林气象、林火气象、大气污染和城市绿化小气候，以及森林影响大气降水等问题进行了讨论。2

研究内容森林气候可分为冠层气象学和森林小气候两个部分。冠层气象学研究森林林冠内的大气物理过程。林冠是森林的主要作用面，林冠通过光合作用制造有机物质。它的结构（包括叶面积指数、叶角、叶形、叶和枝干的分布等几何结构和叶的光学性质等）直接影响着森林中的物质流和能量流。森林气象学中的三大平衡（能量、水量和动量）问题均集中在林冠层中。太阳辐射通过林冠时发生再分配；树木叶片对不同波长辐射的反射和吸收规律是不同的，红外光约有70%被反射，吸收的不多。而光合有效辐射仅有 6～12%被反射，吸收的可达70%以上。这种反射、吸收和透过林冠的不同波段辐射的比例，还同太阳高度角、林冠的几何结构有关。林冠每次可截留3～10毫米以下的降水，每年的截留量随树种、林冠的郁闭程度、该年的降水量、降水性质及降水的时间分配等而变。冠层气象学还研究林冠中二氧化碳的分布（有明显的日变和铅直变化）和枝叶对它的吸收，林冠层枝叶的蒸发和蒸腾，以及林冠中风的分布等。冠层气象学是利用森林调节气候和科学营造森林、提高森林生物生产力的理论基础。

森林小气候研究森林内的温、湿、光、水、风和空气成分的特征及其形成的机制。研究范围一般涉及林冠层以下的林中空间以及林地土壤。林冠的存在对林内温度的影响有两种作用：①正作用。林冠能阻挡射入的短波辐射和射出的长波辐射。因此白天和夏季林内温度比林外低，夜间和冬季林内温度比林外高。与此相伴随的是，在高纬度地区，林内的年平均温度比林外高，而在中、低纬度地区则相反。②负作用。林冠亦可能削弱风速和湍流交换作用，使林内外热量交换减少。因而白天和夏季林冠有保温作用，夜间和冬季，林冠有保冷作用。这种作用增大了林内温度的日振幅和年变化。观测证明，在大多数森林中，正作用大于负作用，其结果是林内温度变化比林外缓和；但在疏林中，也可观测到相反的情况。对于林中空气温度的影响也有类似的这两种作用。因此，在大部分情况下，森林小气候的特点（与空旷地相比）是：光照低、风速小、湿度大、最高气温低和最低气温高，林中空间和林地的温度日变化和年变化都比较小。但是对有些森林可能例外，这同该森林所在的地理位置、海拔高度和森林林冠的结构有关。

防护林带的气象效应研究林带、林网的结构、布局和配置方向的小气候效应，包括防止风砂、减弱风速、增加湿度、降低蒸发、减轻霜冻等作用。林带的防风效应是林带各种气象效应中起主导作用的。一般按林带的透风系数（背风面 1米处风速与空旷地风速之比）和疏透度（林带纵断面的相对透光面积）的大小，将林带划分为透风结构、疏透结构和紧密结构。疏透结构的林带，透风系数为0.4～0.5，疏透度为30～50%，大约有50%的空气流可以穿过这种林带内部，防风效果最好，背风面的有效防护距离可达树高的25倍左右。林带的防护效能还同林带和风向的交角（成正交时，效果好），林带宽度、高度、横断面形状（一般认为矩形效果好），地面粗糙度（光滑效果好）等有关；也随大气层结的稳定性质（见大气静力稳定度）而变，稳定时效果好。研究林带的动力效应可在野外进行观测，也可在室内利用风洞进行模型实验。

营林与气象研究各树种的气候型及其可塑性，引种中的气候类似法则，造林的立地条件和季节选择，苗床小气候调控，森林抚育的小气候效应及其对林木生长发育的影响，森林采伐的小气候效应及其对天然更新的影响，森林气候资源利用与林粮间作、林药间作及林间苗圃等。林木生长对气候条件的要求是多因子的。例如杉木的适生气候条件为年平均气温16～19°C，极端最低气温不低于-9°C，生长季（日均温≥6°C）310天，年雨量1300～2000毫米且分布较匀，各月相对湿度都在80%以上，年日照时数1300～1600小时，风力小于 2级。不同树种对气候条件的要求不同，各个气候因子中有些对林木生长起主要作用，称为主导因子。主导因子随地区和树种而不同，在干旱地区，水分是主导因子；在热带地区，光照条件往往是主导因子。在不同气候因子的综合影响下，光合和呼吸强度不同，有机物质的生产和积累也不同，这直接影响生物生产力。营林与气象的研究，已发展为从森林生态系统的角度来研究气象因子同系统结构和生产力的关系，以寻求最佳产量模型。

森林与大气污染研究树木、园林和森林给人类提供氧气、吸收二氧化碳及其他有害于人类健康的气体(如二氧化硫)、吸附烟尘和其他微粒、释放杀菌的挥发物质、削减噪声、增加空气中的负离子，以及增加绿感等有益于人类健康的功能。林木在夜间放出的二氧化碳仅为白天吸收的二十分之一左右。生产一单位干物质需1.83单位的二氧化碳，一片每公顷年产量为10吨干物质的森林，每年能吸收大气中的二氧化碳达18.3吨。现在全球森林占地球面积的10%和陆地面积的30%左右，因此森林对于抑制大气中二氧化碳的剧增（由人类活动引起）维持大气圈中的二氧化碳的平衡所起的作用是不容忽视的。森林与大气在物质交换过程中，一方面可净化大气、给人类提供舒适卫生的环境，森林本身也从大气中获得一部分养分(氮、磷、钾、钙、钠等)，促进其生长；另一方面，某些有害气体和物质在浓度超过限度时，会给森林生长带来严重危害。在工业发达国家，酸雨（见降水化学）已造成部分林木死亡。因此关于“森林与大气污染”问题的研究，正吸引着越来越多的科学工作者。

森林灾害与气象森林的灾害主要有病害、虫害、干旱、干热风、火灾、洪水、风倒、雪折，以及苗木的日灼、冻拔、生理干旱、霜冻、冰雹等，这些灾害无不直接或间接的与气象条件有关。研究灾害发生的原因及其发展的可能性，以及采取预防措施，也属于森林气象学的范围。对森林危害最严重的是森林火灾。1978年欧洲（苏联、罗马尼亚除外）发生的森林火灾达 4.3万余次，受灾面积达44万公顷，损失近 6亿美元。森林火灾的发生和蔓延与气象条件关系密切。除雷电可以直接引起森林火灾外，高温、干燥是易于成灾的重要气象条件。制定火险的气象指标，研究火灾的天气预报方法是这个领域的工作重点。森林火灾的预报可分为大区预报、分片预报和单点预报三类，各类预报都综合考虑可燃物湿度、相对湿度、气温、风速、风向、降雨量等因子。此外，研究森林中可燃物类型、森林潜在火行为与气象条件的关系、与森林火灾有关的人工影响天气（降水、雷电）以及森林火险的红外遥感探测方法等，也为各国森林气象工作者所重视。

树木年轮与气候利用树木年轮中储存的气候信息，通过年轮宽度的测定（经过一系列误差订正），可以重建过去的历史气候特征（见年轮气候学）。

森林生态系统的水热平衡与大气系统森林对大气候的影响问题， 从 19世纪中叶开始就被人们重视。在一个时期内争论的问题有：森林能否增加大气降水。山脊上的森林和多雾地区的森林能截持雾滴使降水量增多（称水平降水），这是事实。但是森林通过大量的蒸发与蒸腾，以及其他成雨作用，能否促进水分的小循环，以增加大气铅直降水，却没有定论。通过 100多年的争论，1965年美国宾夕法尼亚州召开的国际水文会议以及其他国际会议上，多数人认为这种增加降水的数量是不多的。他们认为某些林区测得的降水量多于空旷地，可能是测定方法有误。林多雨多，也可能因多雨地区森林易于生长所致，不足以证实森林增加了降水。但是在此以后，1975年美国马省理工学院的J.G.查尼和P.斯通从大气环流模式的系统分析中得出了植被引起的大气铅直降水的增加不容忽视的论点。森林对大气圈热量平衡的影响也是一个争论的问题。大量砍伐森林，可能影响对大气中二氧化碳的吸收量，有人认为大气中二氧化碳的剧增将产生温室效应，影响地-气系统的热量平衡，使气候朝着对人们不利的方向发展。也有人认为，二氧化碳的略增，亦有利于植被的恢复，这是一种负反馈作用，不致导向恶性循环。2

森林地区太阳辐射的反射率小，这已由人造地球卫星观测所证实。一般而言，针叶林反射率为10%左右，阔叶林为15%左右，然而，黄熟的谷物地可高达35%。因而森林吸收了较多的太阳辐射，其中大部分提供森林植物蒸发和蒸腾，通过这种途径影响大气系统的能量和水分收支。从而影响气候。G.波特经过模拟计算认为，如果砍去全部热带森林，能使热带对流层中部和上部变冷，北半球和南半球的5°～25°纬度范围降雨增多，北纬45°～85°和南纬40°～60°降雨减少，赤道和两极地区温度降低，全球变冷，造成气候显著变化。鲍姆格特纳的计算则相反，他指出如果全球没有森林，陆地对太阳辐射的反射率只提高0.5%，由于地球表面 71%为海洋所覆盖，森林的这种影响是在大气圈可负荷范围内的，不致引起气候的显著变化。

研究趋势世界气象组织农业气象学委员会1974年10月在华盛顿召开的第六次会议中，成立了森林气象组，并确定研究森林类型、特别是热带和副热带森林类型的气象效应。1979年 9月在索非亚召开的第七次会议中，成立了森林对全球二氧化碳、水分和能量平衡作用的研究组，同时还确定进行原始森林火险气象问题的研究。

1983年 3月在日内瓦召开的第八次会议，又确定1984～1993年研究森林采伐和更新为主的林业气象和酸雨对森林的影响，以及森林对二氧化碳的交换等。与此同时，森林气象的研究方法，也由单纯的直观的野外观察阶段，向观测、室内实验数值模拟和系统分析相结合的阶段发展，并向微观的树木生理气象方面深入发展。

现代林学是以森林生 态系统的营造、经营管理和利用为研究对象 ,以发挥森林生态系统的生态环境功能为核心 ,全面发挥森林生态系统的多种效益和多种功能为目的的学科 ;它经历了传统林学各阶段向现代林学的转变 ,使人们对森林的认识也发生了很大变化 .认为现代林学的确定为森林气象学在新世纪的发展提供了广阔领域和提出了更高要求 .森林气象学的研究必须适应新形势 ,针对大气 土壤 森林这个连续系统 ,从宏观到微观 ,从局地到全球开展森林生态系统与人类关系的深入研究 。4

相关学科3大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、应用气象学、农业气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。2