风驱动的林斑边缘温度梯度不对称性

《Forest Ecology and Management》：Wind-driven asymmetry in temperature gradients at the edges of a forest patch

　　• 边缘影响深度取决于边缘相对于风向的朝向。• 迎风边缘逐渐降温，符合幂函数关系。• 背风边缘急剧降温，符合指数形式。• 无人机激光雷达驱动辐射、冠层气流与传热耦合模型。• 仅凭距离布置的样线可能导致边缘影响深度估计产生偏差。**引言**森林边缘是破碎化和人工管理景观中的主导特征。它们使森林生物和更新过程暴露在与森林内部和周围开阔基质不同的微气候条件下，对林下植被、热生境质量、生物多样性保护以及保留地或采伐设计产生重要影响（Baker 等, 2016；Duchesne 等, 2023；Haddad 等, 2015；Hofmeister 等, 2019；Ma 等, 2023；Murcia, 1995；Tuff 等, 2016）。由于边缘效应可深入森林内部数十米甚至超过 100 米，影响全球森林的很大一部分（Haddad 等, 2015；Schmidt 等, 2017），因此准确解析森林边缘微气候对于边缘效应生态学和森林管理都至关重要。森林边缘微气候通常被分析为从边缘到内部的梯度，但这些梯度的形状仍难以概括。多项研究报告称，白天气温（特别是日最高气温）从较暖的森林边缘向较冷的内部降低，通常遵循近似指数模式（Didham 和 Ewers, 2014；Didham 和 Lawton, 2006；Ewers 和 Banks-Leite, 2013；Meeussen 等, 2021）。其他研究记录了近似线性的白天气温下降（Graham 等, 2021；Newmark, 2001）或无一致空间趋势（Dov?iak 和 Brown, 2014；Gehlhausen 等, 2000；Wright 等, 2010）。这些差异通常归因于太阳辐射、冠层结构、边缘对比度、朝向或周围土地利用（Arroyo-Rodríguez 等, 2017；Chen 等, 1995；Li 等, 2018；Meeussen 等, 2021；Schmidt 等, 2019）。然而，风直接控制边缘处的湍流交换、动量穿透和水平热平流，却往往观测稀疏或仅被隐式处理（图 1b）。风向可以改变边缘到内部样线的物理含义。Davies-Colley 等（2000）提出，风通过风驱动的对流传热塑造边缘温度梯度，数值和野外研究表明，气流在遇到冠层边缘时会减速、分离并变得湍流（Dupont 等, 2011；Li 等, 1990；Markfort 等, 2014）。在迎风侧，来流空气可以在被冠层阻力完全抑制之前穿透冠层，从而维持水平平流和暖冷空气混合。在背风侧，微弱或分离的流动无法促进有效的对流交换，使扩散成为热调整的主要途径。这些对比过程意味着，即使冠层结构和背景天气相同，同一林斑的两个边缘也可能表现出不同的降温模式（图 1），这还可能进一步改变边缘影响深度和内部微气候。这一风方向问题对破碎森林的监测和管理具有现实意义。边缘研究、保留林地、采伐-更新界面和缓冲区评估通常将边缘影响视为距森林边界距离的函数。如果忽略主导风向和边缘朝向，样线可能仅采样到迎风或背风的边缘微气候表现，从而可能高估或低估外部热条件的渗透距离。对该机制的严谨评估需要空间连续的微气候场，明确解析冠层结构和气流，但此类观测在森林垂直剖面上和随时间变化时难以获得。由三维森林结构驱动的过程型微气候模型提供了一种测试该机制的方式，同时保留与野外观测的联系。传统的一维模型在许多应用中仍然有用，但它们在解析水平风调整、地形引起的压力梯度和边缘尺度热交换方面能力有限（Abd Latif 和 Blackburn, 2010；Li 等, 1990；Maclean 和 Klinges, 2021；Wang 和 Yi, 2012）。近期研究已将计算流体力学或多物理场耦合纳入森林冠层内外及周围的风模拟改进（Belcher 等, 2012；Dupont 等, 2011；Queck 等, 2014），但少有研究将这些流场与破碎森林边缘处可指导野外采样和管理解释的时空温度梯度联系起来。本文使用由无人机激光雷达衍生的冠层和地形结构驱动的辐射-气流-传热耦合模型，并结合野外气温观测进行验证，探讨风向是否改变破碎森林林斑中从边缘到内部的温度梯度。具体而言，我们的目标是：（1）将二维过程型微气候模型与基准冠层气流模拟以及多日近地面气温观测进行对比评估；（2）量化理想化和现场林斑模拟中迎风边缘与背风边缘从边缘到内部温度梯度的差异；（3）检验风驱动的对流是否改变了边缘到内部降温曲线的预期函数形式，并解读其对风感知微气候监测在破碎和管理森林中的意义。**研究区与野外数据获取**野外观测于 2022 年夏季（2022 年 8 月 13 日至 16 日）在位于加拿大安大略省 Joker Hill 科弗尔科学保护区（KSR）西南部的一个红松林斑进行（图 2a）。该保护区的土地利用历史形成了独特的破碎化景观，为模型测试提供了理想的场所。森林以针叶树为主，少量阔叶树分布在南侧边缘。额外的长期……**模型性能评估**耦合气流微气候模型成功复现了使用 OpenFOAM 获得的理想化针叶林斑基准冠层气流场。水平风分量、湍流动能及其耗散率的横断面模式和垂直剖面在整个林斑范围内与参考解密切吻合（图 5、图 6）。观察到的小差异主要局限于迎风侧林下地表附近湍流动能略强……**风塑造了边缘到内部的温度梯度**本研究揭示了迎风与背风森林边缘之间从边缘到内部温度梯度的不对称性。此前已有关于风向影响的微气候梯度差异报告（Davies-Colley 等, 2000），但本分析提供了一种过程性解释，将气流、传热机制和梯度形式联系起来，从而增强了我们将边缘效应变率放大到景观尺度并在未来气候下预测其动态的能力……**结论**本研究通过辐射、气流和热传递的综合数值模拟，探讨了风如何影响森林边缘温度梯度。模拟表明，应将边缘影响视为非方向性的距离效应：迎风边缘和背风边缘可以表现不同的传热机制，从而产生不同的边缘到内部热梯度。主要发现总结如下。1）迎风边缘与……之间观察到不同的热行为……**作者贡献声明****陈启飞：** 撰写——原稿、可视化、软件、方法学。**王斌：** 撰写——审阅与编辑、调查研究、概念化。**Cameron Proctor：** 撰写——审阅与编辑、资源提供。**景传宝：** 撰写——审阅与编辑。**刘文军：** 撰写——审阅与编辑。**张志明：** 撰写——审阅与编辑、资金获取、概念化。**利益冲突声明**作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。**致谢**本研究由**国家自然科学基金区域创新发展联合基金**（U25A20641）、**国家自然科学基金委员会**（32260291 和 32602255）、**云南省基础研究重点项目**（202101BC070002）以及**第二次青藏高原科学考察研究**（2019QZKK0308）资助。感谢位于 Joker Hill 的科弗尔科学保护区提供的野外工作支持。感谢 De Frenne 等人，其插图启发了本文的图表设计……陈启飞 | 王斌 | Cameron Proctor | 景传宝 | 刘文军 | 张志明