空气是一种流体,好像水一样能够流动。在同一平面上,因为所受的压力不同,有的地方压力高,有的地方压力低,空气就由压力高处流向压力低处,同水由高处向低处流一样。这就是形成风的主要原因。
在局部地区,气温高的地方,空气密度小,压力低。气温低的地方,空气密度大,压力高。因此,气温低的地方,空气往往向气温高的地方流。气温差别愈大,空气流动的速度就愈快。
当空气水平流动时,因为地面崎岖不平,流动的空气就会受到一定的阻力。阻力愈大,流动的速度就愈弱。在高空中,就不会有这种现象。愈近地面,愈近崎岖不平的地面,障碍作用愈显著,影响就愈大。
障碍物不但会减弱风速,也会改变风向。在城市中,有的街道是东西向的,有的街道是南北向的,街道两旁高大的房屋阻挡了空气的流动,南北向的街道中就不容易让正东风或正西风吹入。同样情况,在东西向的街道中,也不容易让正南风或正北风吹入。在南北向的街道中,常常吹北风或南风,在东西向的街道中,常常吹东风或西风。所以我们在街道中发现的风向,往往和旷野中不同,而且城市内风速小,旷野中风速大。这种事实,我们都经历过的。仔细想一想,就会知道这是地面情况不同所产生的结果。城市中的风速风向,都是因为建筑物的障碍作用而改变的。
森林区域树木密集,有高大的树干,有稠密的林冠,是空气流动的巨大障碍,它能改变风速、风向和风的构造。现在分水平的、垂直的、昼夜和季节的三个方面来谈。
水平方向的变化
水平运动着的空气在前进的道路上遇到森林时,在森林的迎风面,距林缘100米左右的地方,风速就发生变化;到了林缘,就会沿着林缘绕流并上升;而有一部分气流能突入林中。在林冠上前进的气流到达森林的背风面后,又重新下沉。现在就分别来谈谈森林迎风面和林冠上层风速的变化,风穿进森林后的变化,以及风越过森林后的变化。
在林缘附近,风的流动呈现波浪状,与林墙碰撞时,就好像海水撞击海岸一样,产生了空气运动的碎浪,这种碎浪造成了无数的小涡旋。一部分气流受林墙的反撞而沿着林墙上升,在森林上空流动。
森林顶部的林冠是高低不平的。在森林上空流动着的空气,受林冠的影响,就大大地改变了原来的构造。平流的空气中,激起了许多涡旋,使森林顶上的空气呈涡动状态。在飞机上观察这种增强的涡动作用,有200~300米高。在夏季,白天,风速大的时候,林冠上这种涡动作用最强。
风穿进森林后的变化。没有被森林阻挡住的风,穿进森林之后,风速很快地降低。
在深入林内228米处,风速仅及原风速的2%~3%。这一资料是从松林中测出的。这个松林中还有稠密的树层和榛树灌木林。树种不同,对于风速减低的效应颇不一致。据多处观测,云杉林使风速减低的作用特别大,在云杉林中,几乎永远都是平静无风,在一般森林内部的风,也很少超过每秒1米的速度。
为什么风入森林后,风速会这样地变小呢?原因是:林中的风力消散在树木的摇摆,树枝与树叶的阻挡,与使树枝发热的作用上。能力分散了,所以风速很快地减低。
风越过森林后的变化。当风由森林上空吹向旷野时,因为是从树冠上滑下的,所以形成一种下降气流,大约在树高10倍的距离处着地。有一部分气流,向各个方向流散。一部分在离林缘较远的地方集中起来,并逐渐加大自己的速度,约在远达树高50倍的地方时,恢复原无林地区的风速。
在森林背风面,森林对风速影响的距离远较迎风面为大。
风速受森林影响的距离,每因地方条件而不同。主要的是决定于森林的组成,树木的密闭度、年龄、高度,状态、结构以及地势等等。根据资料:在森林迎风一面,风速受森林影响而降低的距离,可以达到100米;在背风一面,森林对风速的影响,可以达到距林缘500~750米的距离;甚至在距森林1500米的范围内,也可看出森林的影响。
上面所举关于森林影响风速的距离,是一个概值。森林区的实际情况不同,这个数值变动很大。紧密结构的林带与稀疏结构的林带防风效应,就有显著的不同。前者在向风面减低风速的范围比后者大,可是在背风面则出现相反的情况。研究分析得出,以透风系数为:0.35,也就是能使1/3的风透过的林带,减低风速的效应最大。而这种林带的本身,要上部较密,下部较稀。林带的方向,最好与盛行风成90°的角度。
此外,森林除了减低风速以外,还能改变风的结构。风在地表空气层中移进,经常是涡动着的,它内部的波动、涡旋和滚动不断发生和消失着。风在接近地面层穿入森林后,它的垂直涡动就减小了,气流接近水平状态,这样就可以减弱林带内气流的垂直交换,使下层空气容易受森林地区的蒸发和蒸腾的影响而变得很湿润。森林带之所以能够抵抗干旱风的侵袭,这是最主要的原因。
垂直方面的变化
有风暴的时候,我们如果站在森林中,就会听到森林外阵风很强,在林冠之上狂风怒号。几秒钟后,就可以真看到树冠动摇,形成波浪。稍停,风才会沿树干下降,我们的面部才会感到有微风吹拂。由于树林的阻挡,林冠上虽是猛烈的强风,林中地面不过是轻微的软风而已。
林业专家盖格尔就森林中风的垂直分布,曾经作过观测。他在15米高的松林中,在不同的地方放了六个风速计,经过188小时的观测,得到平均风速。
树冠部分降低风速的作用最大。树冠以以下,一直到林中地面,风速都很小,都属一级软风。在这距离内,风速几乎没有多大的变化。风的动能,也同热能一样,大部分消耗于林冠区域,仅有一小部分深入林内。
上面的资料,如果把它画出图来,就更清楚了。下图是在三种不同风速的情况下的垂直分布的现象。小风时在林冠以下,风速就很快地减弱了。可是在大风时,一直到树干的部分,约在7米的高处,风速才会逐渐地减小。在近地面1米以下到达地面处,风速减少得更快。可见林中风的强弱,同它的原始风速有密切关系。
不但如此,林冠上树叶的多寡,对于林中风速的大小也是有关系的。在叶子未放出时,气流很容易穿进林内地面。但是因为林冠处有很多的树枝,所以风速在林冠处削弱的很多。到了树干处,风速虽仍然降低,可是差别很有限。在有叶子的时候,情况就不同了。树冠以上,风速很大,而树干部分,多属平静无风。所以,叶子愈多,林中空气愈平静。总的说来,森林中风速的垂直分布,是林冠以上风速大,林冠以下风速小。无叶时林内风速较大,有叶时林内风速更小。无叶时,风速降低最剧烈处在林冠区域;有叶时,风速降低最剧烈处在林冠表面。情况不同,风的垂直分布也不是一样的。
昼夜和季节方面变化
我们在前面说过,在局部地区,因为气温和气压的情况不同,风向是不同的。风总是由高气压处流向低气压处。在由热力作用影响气压高低的情况下,风大都由气温低处流向气温高处。因此,森林区域与无林地毗连的地方常常会产生一种特殊气流。这种气流,就好像海风和陆风,山风和谷风一样,是随着昼夜和季节而变化的。
在夏季白天,无林地下层空气增热较快,林中增热较慢。因此,无林地的气温常常比林中气温为高。二者的差数相当显著。在这种情况下,无林地的空气,因为气温高,体积膨胀,密度变小,就会发生上升运动。空气上升了,上空的空气因而发生堆积的现象。结果,在空中同一平面上,无林地的上空空气密度就较大,森林上空空气密度就较小。无林地上空气压就较高,森林上空气压就较低。因此,无林地上空的空气就会向森林上空流动,降落在森林上面。在地面上,因为无林地上空的空气向外流,空气质量减少了,地面上的气压因而降低。在森林内部,因为气温低,空气收缩,密度变大,上层又有无林地空气流入,增加了空气量,地面上的气压就增高,林内空气就会向无林地流动,因此造成了局部的循环系统。到了夜间,由于林内空气变冷慢,气温较林外温暖,引起了地面上的气流,由无林地流向林内,形成与白天相反的气流移动。
这种情况,夏季最显著,尤以下午4时~6时风速较大;其他季节,气温气压相差甚微。或者有这种现象,也是非常微弱,甚至不能产生。
森林区域,风的流动受到了阻碍,改变了方向,降低了速度。可是森林区域边缘的树木,天天受着强风的吹袭,在它的生理上和外形上,也就会发生变化。
有些地方,风力非常强烈,而且是常常朝着一个方向吹。以致这些地方的树木和树冠常呈不对称的状态;向着盛行风吹去的方向,成单面的发展。树干也会朝着风去的方向弯曲。其次,在盛行风的影响下,生长的树木,由于向着一个方向摇摆,树干就会产生不平均的内部构造。如果我们把树干锯下来,年轮是椭圆形的,中心是偏于一方的。在有盛行风的区域,森林边缘迎风面上的树木是常有这种现象的。不成林的树木,表现得最为显著。生长在海岸上和山上的树木,因为常受单向强风的吹袭,都有这种现象发生。在诺曼第半岛的沿海,在比萨拉比亚的草原中,在巴勒斯坦等地,都可以找到这种例证。巴勒斯坦多西北风,而且特别强,历而橄榄树多向东南方偏斜。
风向不定而风力很强的地方,树干往往是下粗上细。这样,树的中心就向下移,就有能力抵抗强风的吹袭。风力愈强,树干愈是下粗上细而且愈矮。树木的根系,同样地会受到风力的物理作用的影响。风力愈大,根系愈强愈深,分布的面积愈广。因此,森林边缘地带的树木,由于受到风的影响较大,树干较矮,下粗上细,根系发达。至于林内树木,树干就比较高,成圆柱状,根系也比较浅。
自然界中的一切事物是互相影响的,森林能影响风,风也能影响森林的生长和发育,二者是互相作用的。因此,研究气候的人,一方面可以在森林区域从事实际观测,了解风受森林的影响;另一方面,也可以从森林边缘树木的外形和内部构造,间接地了解这一区域气候的特性。树冠的偏斜等现象在气候学上有指示特性的作用,所以有人称之为“气候学上的风标”。