农田防护林带三维结构及其空气动力学特征

农田防护林是农林复合系统的一个重要组分，而农田防护林结构是防护林研究的核心，其三维结构的测度就成为防护林结构研究关键的内容。迄今，有关农田防护林二维结构的各类研究及报道较多，但对于三维结构的数学模型研究较少。表面积密度和体积密度的空间函数是表征防护林带三维空气动力学结构的两个重要指标。然而，我国对于防护林带三维结构模型中的树体表面积、体积以及二者在林带空间的分布函数一直没有科学地定义，无法准确反映林带的立体结构对空气动力学效应的影响，成为该研究领域的难点和前沿问题。本研究以主要造林树种—杨树，所营建的防护林带为研究对象，基于实测的杨树树体结构和林带结构配置模式，通过多个典型样带调查和不同径级的标准木树干解析实测数据分析，建立了杨树总表面积/总体积函数、树体不同组分（干、枝、叶）表面积/体积函数以及两者在林带空间上的分布函数等子模型，并求解得到了每个模型所需参数，从而得到适用于描述我国北方典型杨树农田防护林带的三维空气动力结构。同时利用经典物理学的原理，以常用的空气动力学方程为基础，结合林带表面积和体积的数量及空间分布，推导并改进了在防护林带三维结构下空气的运动方程和连续方程。新推导得到的模型不仅考虑了林带表面积同时考虑了林带的体积。并且通过不同林带类型的风洞模拟进行了模型的验证。研究结果发现，利用林带表面积和体积密度空间矩阵Gamma函数的形状参数和尺度参数的综合表达来作为林带防护效果（最小防护距离、最小防护距离的位置以及有效防护距离）的有效表征参数。本研究所得到的模型不但可较为准确地检验干、枝、叶等不同组分对大气边界层流场的影响，而且可揭示林带整体空气动力学特征，同时可表达与杨树林带结构相似的其他树种组成的林带的三维结构，客观地阐明林带的空气动力学机理，从而提高林带作用下的边界层流数值模拟的精度，为合理地调控防护林带结构、充分发挥其防护功能提供依据。