朱炜 吴惠忠 李茂瑾 苏亲桂

摘要福建省沙地木麻黄基干防护林带是沿海地区抵御风沙的生态屏障，在改善沿海地区的生态环境中发挥了重要作用。通过建立的生态定位监测站，利用长期观测的年序列数据针对沿海风口木麻黄基干林带不同季节、风向的防风效能进行统计分析，结果表明：春季、秋季和冬季主风向以NNE、NE和ENE为主，夏季以SSW、SW为主，主风向上风速等级高频率也大。主风向在不同季节垂直方向上，随着高度增加，风速增加，防风效能降低；林带内垂直于林带的风向，防风效能最小，而随着角度的减少，防风效能逐渐增大；水平方向上，林带后1H防风效能最大，垂直于林带的风向防风效能最大，随着角度的减少，防风效能逐渐减小，林带后5～20H随着距离的增加防风效能下降，但趋势变缓。

关键词木麻黄；基干林带；防风效能；风向；风速

中图分类号：S792.93;S727.26文献标识码：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

福建省海岸處于陆海交替地带，是台风、海潮、风暴潮等自然灾害多发区，沙质海岸线由于受大风、流沙和干旱等恶劣生态条件的影响，特别是风口地段的风速大，风力等级高，时常遭受台风直接或间接的危害，因此，防风治沙是目前沿海防护林体系建设的关键环节之一[1]。木麻黄（Casuarinaequisetifolia）作为我国东南沿海的防护林树种，尤其是良好的适应性和抗逆性，使之成为最重要的防护林造林树种，这不仅为人民生活需要提供了急需的木材和燃料，更重要的是减免了风、沙、潮水灾害造成的威胁，改善了福建省滨海地区生态环境，促进了工农业生产的发展[2]。

木麻黄基干林带地处海岸风口生境条件十分困难的地段，能有效削弱风能，减轻风害，同时抑制风蚀和风沙活动的发生。众多学者对防护林的防风效能进行了相关的研究，叶功富等[3-5]以不同林带结构、发育阶段木麻黄林带为观测对象，设置多条测线定时进行风速测定，探讨风速变化规律和对防风效能的影响；杜鹤强等[6]在不同距地高度和疏透度条件下对农田片状林在有效距离内的防风效能进行观测与分析；魏龙等[7]通过设置定位站分析比较典型木麻黄防护林带的风场特征及其防风效能。由于受限于人力、财力等因素，许多研究存在观测时间不连续、时距短等问题，难以在时间序列上长期进行系统分析研究，相关的文献少见报道。基于此，本研究利用福建省惠安赤湖国有防护林场的生态定位监测站，开展海岸木麻黄基干林带防风效能的长期定位监测研究，相关的分析结果将为今后沿海防护林的减灾防灾生态系统服务功能和效益评价提供技术支撑，为沿海防护林的合理布局与可持续经营提供科学依据。

1试验点概况

生态定位监测站位于福建省惠安赤湖国有防护林场净峰工区，属于惠安县崇武半岛，地理位置118°55′E，24°35′N，属于南亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.8℃，最高气温36.6℃，最低气温3.6℃，年平均日照时数为2206.6h，年平均降雨量为1029mm，降水量年际变化较大，年蒸发量2056.7mm，年平均相对湿度80%，干湿季明显，干旱频度大。夏季多台风，年平均5.1次；秋冬盛行东北风，年平均风速大于6.0m.s-1。土壤为沙壤土。木麻黄基干林带营造于前沿的沙滩上，常见植被有老鼠艻（Spinifexlittoreus）、黄花月见草（Oenotheraglazioviana）、厚藤（ Ipomoeapes-caprae）或单叶蔓荆（Vitextrifoliavar.simpticifolia）等聚集分布。

2研究方法

2.1观测仪器设置

超声波风速风向传感器分别安装在监测站建设的6个气象观测塔上，水平梯度上距离林带前沿靠海空旷地12m（1倍树高，记为-1H）设置为1号塔，林带宽度160m，中央设置为2号塔，林后按照1H、5H、10H、20H分别设置为3号塔、4号塔、5号塔和6号塔；垂直梯度上2号塔设置3层风速风向传感器，高度分别为3、10和17m，其他5个观测塔设置2层，高度分别为3m和10m。各观测塔由太阳能系统独立供电，经由采集器利用GPRS傳输到监测站数据管理平台。

2.2数据修订

观测数据首先需进行数据质量检查，因供电系统电压波动，数据采集通道拥堵或测量环节故障容易导致数据异常、失真甚至丢失，若直接使用异常数据进行研究会导致分析结果产生较大误差，严重影响评估结果的准确度[8]。因此，对数据中出现的异常值予以剔除，0值进行筛选识别或仪器检修无数据的情况做缺失值处理。

2.3风速风向计算

风速采用算术平均法按公式（1）计算，风向采用矢量平均法[9]计算。

u=1n∑ni=1uii=（1，2，…，n）（1）

式中，u为风速的算术平均值，n为规定时段内的采样次数，ui为第i次的采样结果。

风速划分0～2m.s-1、>2～4m.s-1、>4～6m.s-1和>6m.s-1四个等级，风向频率统计根据国标GB/T35227-2017规定，以正北方向为0°，将风向按22.5°顺时针划分16个方位：正北、北东北、东北、东东北、东、东东南、东南、南东南、南、南西南、西南、西西南、西、西西北、西北、北西北，对应的符号分别为N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNW。

2.4防风效能计算

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

式中：Exz为防风效能，是指2～6号塔、高度为z处的平均风速比对照1号塔平均风速减少的百分数，u1z表示1号塔高度z处的平均风速，uxz表示2～6号塔高度z处的平均风速。

2.5数据统计方法

数据来源于2021年1月1日—2021年12月31日采集时间间隔10min风速、风向的观测值，分别按照小时、天、季节进行统计。季节划分为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—2月）。数据输入、存储使用Excel软件，风速、风向数据处理及计算作图等使用R语言软件（版本4.1.3），加载openair和ggplot2程序包。

3结果与分析

3.1年风速风向频率分析

选择木麻黄林带前沿1号塔的数据分析林分所处环境的风速、风向特征，因10m高的传感器部分时段出现故障维护导致较多的缺失值，因此采用高度3m的年序列数据进行分析，年平均风向玫瑰图见图1。

由图1可以看出，风速年平均值为5.07m.s-1，风向频率排序前5名分别是NNE、NE、SSW、SW和ENE，占全年风向的78.1%，图中林带方向位于坐标轴2、4象限，以此划分，主风向以北东北、东北和东东北为主，风频占55.6%，方向由海上吹向陆地，其次以南西南、西南风为主，风频占22.5%，方向反之。从风速等级来看，风向NNE、NE、ENE且风速>6m.s-1分别占16.9%、15.6%和3.3%，而SSW、SW风向且风速>6m.s-1没有频率分布，说明在主风向上高风速等级频率也大，因此基干林带作为沿海第一道防护屏障，在防御风害方面起到关键的作用。

3.2不同季节防风效能研究

不同季节平均风速统计结果见图2。从图2可以看出，以1号塔为对照点，春季、秋季和冬季防护林带在不同防护距离上对风速有明显的减弱作用，这是因为当风经过林带时，部分气流被林带阻碍而抬升至林带上方，越过林带后，这部分气流在上空形成高风速区域，而在林后，由于上方气流下沉与通过林带的那部分气流相遇形成涡流，使林带背后形成低风速区域[10]。但夏季林带后的4～6号塔位置却出现风速回升大于对照点的情况，因此进一步计算不同季节的防风效能，结果见表1。

从表1数据可以看出，夏季高度3m林后10H、20H处，高度10m林后5H、10H和20H处防风效能均为负值，究其原因，夏季主风向风频以南西南、西南风为主，即风由内陆吹往海上，风向的改变从而导致统计结果出现偏差。其他季节主风向以北东北、东北风为主，呈现平均风速等级越大，防风效能越高，随着防护距离的增加，防风效能呈减弱的趋势，因此在本研究地点秋冬季出现风害的频率大于春夏季。

3.3不同风向防风效能研究

研究林带防风效能仅考虑风速不考虑风向的变化会造成统计偏差，甚至导致相反的结果。根据图1分析结果，将1号塔高度3m年序列数据按照N、NNE、NE、ENE和E等5个风向进行划分，由于风向产生的时间在原始序列数据中不是连续的，因此以1号塔为基准，筛选出上述5个风向的数据按照季节和风向两个因素分别统计平均风速，同时在2～6号塔中寻找与1号塔匹配的相同时间数据分季节和风向统计年平均风速，具体计算结果见图3（图中虚线为年平均风速5.0m.s-1的参考线）。

从图1和图3可得知，在季节的基础上分析的5种风向均为海上穿越林带进入内陆，剔除其他风向的干扰，结果符合预期，没有出现防风效能为负的情况。4个季节中N和E所占风向和风速频率较小，平均风速均小于5.0m.s-1，夏季仅NNE风向大于平均风速。在主风向上选择NNE、NE和ENE3种风向计算的防风效能见表2。通过图像角度测量，NNE与林带夹角48°，NE与林带夹角72°，ENE与林带夹角91°。由表2的结果可以看出，垂直方向上，不同风向表现出随着高度增加，风速增加，防风效能降低的现象，林带内高度3m处防风效能从大到小排序为NNE>NE>ENE，说明风向对林带内风速有明显影响，风向ENE垂直于林带，气流进入林带到达测点传感器距离最短，防风效能最小，而随着角度的减少，距离逐渐加长，相对运动阻力增加，防风效能逐渐增大；林带内高度10m处防风效能从大到小排序为NNE>ENE>NE，与高度3m有所差异，可能的原因是NE风向时传感器周围的树冠结构在风力的作用下发生变化，疏透度增加，風速增大，防风效能降低。

水平方向上，林带后1～20H不同风向的防风效能从大到小排序为ENE>NE>NNE，垂直于林带的风向ENE防风效能最大，随着角度的减少，防风效能逐渐减小，原因应是风向与主林带垂直时，气流越过林带后形成较大的涡流减速区，风向与主林带夹角变小时，防护林防护作用的减小表现为减速区域面积的减小和防风效能减弱导致风速数值的上升[11]。林带后1H防风效能最大，同为高度3m处，垂直于林带的风向ENE在春季、秋季和冬季时防风效能比不考虑风向同季节的防风效能增加21.21%、8.69%和8.89%，与林带夹角最小主风向NNE相比，防风效能在高度3m处分别提高了12.38%、9.9%和11.75%，在高度10m处分别提高了18.17%、16.72%和17.44%。林带后5～20H随着距离的增加防风效能下降，但趋势变缓。

4结论

本研究木麻黄基干林带所处的风口环境中，年风向频率主风向以NNE、NE和ENE为主，风频占55.6%，其次以SSW和SW为主，风频占22.5%，主风向上风速等级高频率也大。林带防风效能应考虑风向对其的影响，否则会导致统计结果出现偏差。主风向上NNE、NE和ENE3种风向在不同季节垂直方向上，随着高度增加，风速增加，防风效能降低；林带内风向对林带内风速有明显影响，垂直于林带的风向，防风效能最小，而随着角度的减少，防风效能逐渐增大；水平方向上，林带后1H防风效能最大，垂直于林带的风向防风效能最大，随着角度的减少，防风效能逐渐减小，林带后5～20H随着距离的增加防风效能下降，但趋势变缓。

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