营造防护林的最主要目的是降低林网内贴地层风的破坏力。贴地层指距离地面最近的一层，风沙运动的输沙量绝大多数在这一层内，作物、地膜、劳作人员等被防护目标也基本处在这一层内，因而其上界在2 m 左右。风的破坏力包括对直立作物的推力和对地膜等地面目标物的水平拖曳力。当风进入林网区边缘第1条林带时，林带后贴地层相对风速与林带透风系数α基本相当，体现的是林带结构的特征; 而当风进入林网区内部时，贴地层相对风速还与林带间距、树高等林网结构因素相关。林带结构与防风效应的研究已经较为成熟，有关文献都有集中论述(曹新孙，1983 ; 朱廷曜等，2001 ; 朱金兆等，2010 ; 王志刚等，2012 ; 任昱等，2013); 高尚武等(1990)对大范围绿洲建设的环境效益作了成体系的跟踪研究，但未涉及深入的机制研究; 朱廷曜等(1992 ; 1993 a; 1993 b; 2001)对林网区防风效应的估算方法进行了开创性研究，但不够简明，不便应用，国内高等院校教材中也未见详细介绍。

动力速度v_*的物理含义，是对因地面摩擦阻力而产生的风速梯度的衡量。动力速度与地表单位面积上的摩擦阻力τ、空气密度ρ的关系为${{v}_{*}}=\sqrt{\tau /\rho }$。风速越大，地面的阻力越大，动力速度v_*越大。当某一高度z上的风速v一定时，按照普朗特-冯·卡门(L． Prandtl-Von Kármán)的对数分布律v=v_*/kln(z/z₀)，地面越粗糙摩擦阻力越大，所以动力速度又称为摩阻速度(丁国栋，2010)。林网区上层(林带高度以上服从对数分布律的气层，其上界高度可达100~300 m)动力速度的变化，是上层气流对防护林阻力的响应，也是林网区内部贴地层相对风速估算的一个重要因素。

风在相同下垫面上的稳定流动过程中，受下垫面的摩擦作用形成的对数分布律可以看做是恒定的。但当下垫面粗糙度 z₀发生改变时，风速廓线将发生改变。光滑地面上的风遇到粗糙地面时，粗糙地面对气流的阻力在2种下垫面交界处会突然增大，增大的阻力用于改变风速廓线的结构，贴地层的风速首先被拖慢; 在粗糙度的影响下，动量的涡旋传递加强，上层的风速也相应渐渐被拖慢，直到达成新的平衡。林网区也是一种下垫面，林带是林网区的一种粗糙元，上层气流在进入林网区一定距离(一般在2~4条林带)后也会与粗糙元达成新的平衡，这种平衡的状态仍然符合对数分布律的形式; 但是，在林网区上层形成的对数廓线，其动力速度v_*与旷野动力速度v_*0的比值，究竟是否增大及增大了多少，却存在一定的争议。一种说法是林网区上层的动力速度v_*与旷野动力速度v_*0基本相等，风在不同下垫面过渡区形成的动力速度骤变只在交界处一定距离存在，而在达成新的平衡时v_*又基本恢复到原来的水平，被拖慢的气流流量和动能对于整个大气运动来说，是微不足道的(马玉明等，2004); 另一种说法是林网区的粗糙元比一般的粗糙元显著增大，上层的动力速度v_*比旷野动力速度v_*0要大得多，林网区上层动力速度可达到旷野的1.7~2倍，甚至出现3倍以上的例子(朱廷曜等，2001)。我国建筑结构抗风设计中使用的不同下垫面粗糙度 z₀与相对动力速度v_*/v_*0的对应关系见表 1(Emil et al.，1996)，其中，不同下垫面相应的粗糙度分别是，沙漠0.01 m，树木稀少的乡村0.05 m，树木密集的乡村0.3 m，中高层建筑密集地区和起伏较大的丘陵1.0 m。依此推测，在从沙漠(z₀ =0.01 m)过渡为林网区(z₀ = 0.3 m)的情形下，v_*/v_*0 = 1.15 /0.844 = 1.36，即林网区动力速度增大到沙漠的1.36倍。本文试图从林网区上层向下传输的动力与林带和地面的阻力平衡出发，较准确地估算上层相对动力速度，阐明林网区贴地层相对风速与林网结构要素之间的简明关系。

表 1 不同下垫面粗糙度及相应的相对动力速度 Tab.1 Roughness at various underlying surfaces and its relative wind speed

表 1 不同下垫面粗糙度及相应的相对动力速度 Tab.1 Roughness at various underlying surfaces and its relative wind speed 粗糙度 Roughness z0/ m 0.005 0.01 0.05 0.07 0.3 1.00 2.5 相对动力速度 Relative power speed v */ v *0 0.83 0.844 0.948 1.00 1.15 1.33 1.46

为使问题简化，本文将动力平衡验算的情景设为主风向来流与主林带方向垂直，忽略副林带阻力。林网区阻力由林带和地面阻力2部分组成，截取一个网格中“宽度为单位林带长度、沿气流方向长度为一个林带间距范围的林网区”作为动力分析的“微元”，则林网区内部可以看成很多“微元”的重复排列。计算林带阻力时，每一个微元包含的林带长度为1，林带迎流截面积与树高H数值相同; 计算地面阻力和上层气流的拖曳力时，微元地面宽度为1，长度为林带间距L，面积与林带间距L数值相同。若将林带间距以树高倍数 l表示，则微元面积为L= lH。

按照动力速度的定义，上层气流对林带高度以下地物(包括林带和地面)的拖曳力F_τ可表示为

$ {{F}_{\tau }}=\rho {{v}_{*}}^{2}lH。 $

式中:ρ为空气密度，v_*0为林网区上层的动力速度，l为林带间距(以林带高度的倍数表示)，H为林带高度。

若旷野来流动力速度为v_*0，林网区贴地层风速较旷野平均降低率为Δ%，相对风速γ= 1-Δ%，则林网区贴地层动力速度的地面阻力分量为γv_*0 。单位宽度、距离为一个林带间距范围的林网区地面对气流的阻力F_τD可表示为

$ {{F}_{\tau D}}=\rho {{\gamma }^{2}}{{v}_{*0}}^{2}lH。 $

若旷野来流在林带高度以下的平均风速为v₀，则林网区在林带高度以下的平均风速为γv₀。

若林带透风系数为α，林网区的平均风速为γv₀，则林带所处位置的风速背景值应为γv₀/α。风速背景值的含义是: 假设将该林带从所处位置移除，该位置的风速将在上层高速气流传递的动量补充下，速度达到γv₀/α。反过来理解，若将透风系数为α的林带置于来流风速为γv₀/α的位置，气流受5.75v_* lg(z/z₀)可求得该比值。方法是将各高度风到该林带的阻力作用，林带背风面林缘风速降低为α(γv₀/α)=γv₀。

根据伯努利原理，单位长度林带对气流的阻力F_D可表示为

$ {{F}_{D}}=\left(1-{{\alpha }^{2}} \right)\frac{1}{2}\rho {{\left(\gamma {{v}_{0}}/\alpha \right)}^{2}}H。 $

旷野来流在林带高度以下的平均风速 v₀与动力速度v_*0总是成比例的，其比值取决于林带高度H和地表粗糙度 z₀ 。令比值为A，则A =v₀/v_*0，v₀ =Av_*00 。林带阻力为

$ {{F}_{D}}=\left(1-{{\alpha }^{2}} \right)\frac{1}{2}\rho {{\left(\gamma A{{v}_{*0}}/\alpha \right)}^{2}}H。 $

根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相等，则上层气流对林网区水平拖曳力F_τ的量值等于地面阻力F_τD与林带阻力 F_D之和，即F_τ=F_τD+ F_D。将3个分量的算式代入，则

$ \rho {{v}_{*0}}^{2}lH=\rho {{\gamma }^{2}}{{v}_{*0}}^{2}lH+\left(1-{{\alpha }^{2}} \right)\frac{1}{2}\rho {{\left(\gamma A{{v}_{*0}}/\alpha \right)}^{2}}H， $

简化则有

$ {{v}_{*}}/{{v}_{*0}}=\gamma /\alpha \sqrt{2{{\alpha }^{2}}l+\left(1-{{\alpha }^{2}} \right){{A}^{2}}/2l}。 $

林带高度以下旷野平均风速v₀与动力速度v_*00的比值A，取决于林带高度H和地表粗糙度z₀。以风速廓线方程v= 5.75v_*lg(z/z₀)可求得该比值。方法是将各高度风速按高度积分，求取林带高度以下平均风速，公式变形为v= 5.75v_*(lgz-lgz₀)，则有:

$ \begin{matrix} {{v}_{0}}=\frac{1}{H}\int\limits_{{{z}_{0}}}^{H}{5.75{{v}_{*0}}\left(\lg z-\lg {{z}_{0}} \right)\text{d}z=} \ 5.75\frac{1}{H}{{v}_{*0}}\int\limits_{{{z}_{0}}}^{H}{\left(\lg z-\lg {{z}_{0}} \right)\text{d}z，} \ \end{matrix} $

$ A={{v}_{*}}/{{v}_{*0}}=5.75[\frac{1}{H}\int\limits_{{{z}_{0}}}^{H}{(\lg z)\text{d}z-\lg {{z}_{0}}}]。 $

由上式可见，该比值A 以树高H的对数积分为特征，为简明起见，也可称为树高的对数积分特征值。从按上式计算的A 值列表(表 2)，可以看出:树木越高A 值越大，但树高对A 值的影响不十分大; 下垫面粗糙度对A 值影响很大，为负相关。

表 2 不同林带高度旷野来流平均风速(v₀)与动力速度(v_*00)的比值(A) Tab.2 RatioA of the average wind speedv₀and power speedv_*0 for wilderness stream below different forest belt height

表 2 不同林带高度旷野来流平均风速(v0)与动力速度(v*00)的比值(A) Tab.2 Ratio A of the average wind speed v0and power speedv*0 for wilderness stream below different forest belt height 粗糙度 Roughness( z0/ m 林带高度 Forest belt height / m 4 m 5 m 6 m 8 m 10 m 12 m 14 m 16 m 18 m 20 m 0.001 18.7 19.1 19.5 20.1 20.6 21.1 21.4 21.7 22.0 22.2 0.002 16.9 17.4 17.8 18.4 18.9 19.3 19.7 20.0 20.3 20.4 0.003 15.9 16.4 16.7 17.4 17.9 18.3 18.7 19.0 19.3 19.5 0.005 14.6 15.1 15.5 16.1 16.6 17.0 17.4 17.7 18.0 18.1 0.008 13.5 13.9 14.3 14.9 15.4 15.9 16.2 16.6 16.8 17.0 0.01 12.9 13.4 13.7 14.3 14.9 15.3 15.7 16.0 16.3 16.5 0.025 10.6 11.1 11.5 12.1 12.6 13.0 13.4 13.7 14.0 14.2 0.05 8.9 9.3 9.7 10.4 10.9 11.3 11.7 12.0 12.3 12.5 0.10 7.2 7.6 8.0 8.6 9.1 9.6 9.9 10.2 10.5 10.8

不同粗糙度的A 值含义不同: 当选取绿洲外围下垫面的粗糙度时，林网区相对风速γ的含义相应为林网区贴地层风速与旷野贴地层风速之比，反映绿洲与周围环境的风力差异; 当选取绿洲内部下垫面粗糙度时，林网区相对风速γ的含义相应为林网区贴地层风速与无林网农田贴地层风速之比，反映防护林对绿洲区风力改变的贡献。为与防护林动力效应目标运算具有匹配性，应选取背景风力观测站点所在地的粗糙度。

立木疏透度S'的估算采用定义公式(王志刚等，1998)

$ S'=nS/LH。 $

式中:n为标准段内的总株数，S为单株标准木的总树体表面积，L为标准段林带长度，H为林带高度。

疏透度通过换算公式 S'=-πlnβ导出β=exp(-S'/π)。

多行林带透风系数采用α= β^0.55导出，两行林带用α= β^0.6导出(任昱等，2013)。

林网区贴地层风速用8通道自记风速仪(AV-30 WS，启动风速0.5 m·s^-1，精度± 0.5 m·s^-1)计测，风杯高度2 m，在2个相邻主林带间沿来流方向均匀布置，各测点的风速平均后即为林网区贴地层平均风速v₂; 旷野同时段风速利用设在旷野(地表粗糙度 z₀ = 0.025 m)的地面气象站自记风速仪记录，换算成2 m 高度作为对照风速 v₀₂; 林网区贴地层相对风速为γ=v₂/ v₀₂。

林带间距l为相邻2个主林带中心线之间的距离，用树高(H)的倍数表示。

利用磴口荒漠生态定位站设在旷野(沙漠)和绿洲内部的对应通量观测塔数据(风速仪型号AV-30 WS，启动风速0.5 m·s^-1，精度± 0.3 m·s^-1)，对冬季相、夏季相大风天风速廓线进行模拟计算，模拟廓线公式为: 荒漠v= 5.75v_*0(lgz-lgz₀₀); 绿洲v= 5.75v_*(lgz-lgz₀)，或带有零平面位移高度d的公式v= 5.75v_*[lg(z-d)-lgz₀]。

4个观测林网均选自中国林业科学研究院沙漠林业实验中心下属实验场，其中1号网格取自第1实验场，2号网格取自第3实验场，3号和4号网格取自第2实验场。基础数据如表 3所示，实测网格内贴地层相对风速如表 4所示，相对动力速度估算结果见表 5 。

表 3 防风效能实测网格基础数据 Tab.3 Measured grid basic data of windproof performance

表 3 防风效能实测网格基础数据 Tab.3 Measured grid basic data of windproof performance 网格号 Grid No． 树种 Species 树龄 Age/a 胸径 DB H/cm 树高 H/m 间距 Span shelterbelt 株距 Plantspacing/m 行数 Number of rows 保存率 Preservation rate(%) S' 1 新疆杨 P． alba var． pyramidalis 27 37.4 25.3 9.5 H 1 2 45.7 0.768 2 新疆杨 P． alba var． pyramidalis 9 17.4 14.9 9.3 H 1 2 97.5 1.043 3 箭杆杨 P． nigra var． thevestina 23 29.4 16.9 7.7 H 4 8 35.0 0.784 4 二白杨 P． gansuensis 23 25.7 11.7 11.1 H 4 8 70.0 1.785

表 4 相对风速(γ=v₂/ v₀₂)的实测值 Tab.4 Measured values of relative wind speed(γ=v₂/ v₀₂)

表 4 相对风速(γ=v2/ v02)的实测值 Tab.4 Measured values of relative wind speed(γ=v2/ v02) % 网格号 Grid No． 测点 Measuring point 平均 Mean 1 2 3 4 5 6 7 8 1 54.4 57.3 57.2 57.5 55.9 51.2 49.7 47.2 53.8 2 54.9 55.9 54.0 54.3 54.4 54.6 52.7 52.7 54.2 3 55.9 58.2 54.6 59.2 56.3 58.0 61.3 65.8 58.6 4 43.6 44.7 44.9 43.2 41.3 47.0 50.6 67.6 47.5

表 5 林网区上层相对动力速度v_*/v_*0估算(z₀ = 0.025 m) Tab.5 Relative power speedv_*/v_*0 estimate(z₀ = 0.025 m)at the upper shelterbelts

表 5 林网区上层相对动力速度v*/v*0估算(z0 = 0.025 m) Tab.5 Relative power speedv*/v*0 estimate(z0 = 0.025 m) at the upper shelterbelts 网格号 Grid No． S' β α γ l H/ m A v */ v *0 1 0.768 0.78 0.862 0.538 9.5 H 25.3 14.7 1.20 2 1.043 0.72 0.821 0.542 9.3 H 14.9 13.6 1.31 3 0.784 0.78 0.872 0.586 7.7 H 16.9 13.9 1.30 4 1.785 0.57 0.734 0.475 11.1 H 11.7 12.9 1.29

冬季相时3次大风廓线拟合效果见表 6，7，8，夏季相拟合效果见表 9，10，11。

表 6 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合 ^① Tab.6 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-04-0114 :00 -18 :50)

表 6 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合 ① Tab.6 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-04-0114 :00 -18 :50) (m·s-1) 风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m ①旷野 Wilderness: z00 = 0. 023 m，v*00 = 0. 62 m·s-1 ; 林网区 Shelternets area:z0 = 0. 25 m，v*0=0.83 m·s-1 。v* /v*0 = 0.83 /0.62 = 1.34。冬季相 Hiemal aspect．风向方位角300° Az. of wind direction 300 ° ． 旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 6.2 7.2 8.1 9.2 9.6 10.4 10.9 11.5 11.5 旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 5.9 7.0 8.1 9.1 9.8 10.2 10.8 11.5 11.9 林网实测风速 Shelternets measured wind speed 2.2 4.2 6.9 7.7 8.0 8.6 9.4 10.4 10.9 林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 2.9 4.3 5.8 7.2 8.0 8.6 9.5 10.3 10.9

表 7 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合 ^① Tab.7 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-04-18 22:40-25:10)

表 7 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合 ① Tab.7 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-04-18 22:40-25:10) (m·s-1) 风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m ①旷野 Wilderness:z00= 0. 029 m，v*00 = 0. 72m·s-1 ;林网区 Shelternets area:z0 = 0.3 m，v = 0. 96 m·s-1 。v*/v*0 = 0.96 /0. 72= 1.33。冬季相 Heimal aspect．风向方位角300 ° Az.of wind direction 300 °. 旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 6.0 7.8 8.8 10.0 10.6 11.6 12.3 13.1 13.3 旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 6.4 7.6 8.9 10.1 10.8 11.4 12.1 12.8 13.3 林网实测风速 Shelternets measured wind speed 2.8 4.7 7.3 8.1 8.5 9.2 10.2 11.5 12.2 林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 2.9 4.5 6.2 7.9 8.8 9.5 10.5 11.5 12.2

表 8 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合 ^① Tab.8 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-04-10 10:00-15:50)

表 8 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合 ① Tab.8 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-04-10 10:00-15:50) (m·s-1) 风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m ①旷野 Wildernessz00= 0.025 m，v*00= 0.72 m·s -1。林网高度 Shelternet height 1~8 m:z01 = 0.37 m，v*01 = 1.15 m·s-1 ; 林网高度 Shelternet height 12~48 m:z0 = 0.20 m，v*0= 0.81 m·s-1。 v*/v*0 = 0.81/0.72 = 1.13 。冬季相Hiemal aspect. 风向方位角55° Az. of wind direction 55°. 旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 6.8 7.7 9.3 10.7 10.4 12.5 13.0 13.7 11.9 旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 6.6 7.9 9.1 10.4 11.1 11.6 12.3 13.1 13.6 林网实测风速 Shelternets measured wind speed 2.9 4.8 8.1 8.7 8.3 9.8 10.4 11.1 8.9 林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 2.9 4.8 6.8 8.8 8.3 8.9 9.7 10.5 11.1

表 9 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合^① Tab.9 Wilderness and shelternets area windprofile fitting at different height(2012-05-06 17:50-19:10)

表 9 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合① Tab.9 Wilderness and shelternets area windprofile fitting at different height(2012-05-06 17:50-19:10) (m·s-1) 风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m ①旷野 Wilderness: z 00= 0. 025 m， v *00= 0. 73m·s -1 。林网高度 Shelternet height 1~8 m: z 01 = 0.15 m，v *1 = 0.68 m·s-1 ;林网高度Shelternet height 12~48 m: z0= 0. 3 m，d = 7 m，v *= 0. 92 m·s -1。v*/v*0 = 0.92 /0.73 = 1.26 。夏季相 Aestival aspect．风向方位角190° Az. of wind direction 190°. 旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 6.5 8.4 9.3 10.5 11.1 11.8 12.5 13.2 13.7 旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 6.7 8.0 9.3 10.5 11.3 11.8 12.5 13.3 13.8 林网实测风速 Shelternets measured wind speed 3.3 5.1 5.6 6.2 6.8 7.4 8.6 10.3 12.2 林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 3.2 4.4 5.6 6.8 6.5 7.8 9.3 10.5 11.3

表 10 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合^① Tab.10 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-05-10 14:00-19:50)

表 10 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合① Tab.10 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-05-10 14:00-19:50) (m·s-1) 风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m ①旷野 Wilderenss z 00= 0.025 m， v *00= 0.55 m ·s -1。林网高度 Shelte rnet height 1~ 8 m: z 0 = 0.25 m，d = 3 m， v *0·s -1 = 0.70 林网高度 m·s -1。v */ v *0=0.70/0.55=1.27。夏季相 Aestival aspect．风向方位角300° Az.of wind direction 300°. 旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 5.1 5.8 6.6 7.6 8.0 8.9 9.5 10.2 10.4 旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 5.1 6.0 7.0 7.9 8.5 8.9 9.4 10.0 10.4 林网实测风速 Shelternets measured wind speed 2.7 4.2 5.6 6.3 6.7 7.0 7.7 8.6 9.1 林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 2.8 4.2 5.5 7.0 6.3 6.9 7.7 8.5 9.1

表 11 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合^① Tab.11 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-05-27 04:10-07:40)

表 11 旷野与林网区不同高度的风速廓线拟合① Tab.11 Wilderness and shelternets area wind profile fitting at different height(2012-05-27 04:10-07:40) (m·s-1) 风速 Wind speed 1 m 2 m 4 m 8 m 12 m 16 m 24 m 36 m 48 m ①旷野 Wilderness: z 00= 0. 029 m， v *00= 0. 72m·s -1 。林网高度 Shelte rnet height 1~ 8 m: z 01 = 0.24 m，v *1 = 0.9 m·s-1 ;林网高度Shelternet height 12~48 m:z0 = 0.35 m，v*0= 0.95·s-1。v*/v*0 = 0.95 /0.72 = 1.32 。夏季相 Aestival aspect. 风向方位角330° Az.of wind direction 330°. 旷野实测风速 Wilderness measured wind speed 5.9 7.7 8.6 9.7 10.4 11.4 12.1 12.7 13.1 旷野拟合风速 Wilderness analog wind speed 6.4 7.6 8.9 10.1 10.8 11.4 12.1 12.8 13.3 林网实测风速 Shelternets measured wind speed 3.2 5.2 6.8 7.5 8.1 8.5 9.4 10.6 11.5 林网拟合风速 Shelternets analog wind speed 3.2 4.8 6.3 7.9 7.4 8.4 9.6 10.7 11.5

冬季相时，用廓线拟合测量得到的绿洲内部上层3次大风的相对动力速度分别为1.34，1.33，1.13，平均为1.27(表 6，7，8)，夏季相时，3次大风的相对动力速度分别为1.26，1.27，1.32(表 9，10，11)，这与国家建筑抗风设计规范采用的参考数据基本吻合。4，5月是我国西北沙区风力最强劲的时段，也是农作物播种、出苗的关键季节，上述观测结果对绿洲防护林区域防风效应的评价和结构设计应用具有较好的适配性。林带树种为新疆杨，放叶时间在4月20日—5月1日，此时期由冬季相转为夏季相，林带疏透度明显减小。而从观测结果看，绿洲区大风天的防风效应未见明显增强，这一方面是由于5月的叶量还不够大，另一方面说明叶片在防风效应上的贡献远不及同等表面积的树干和枝条。

用动力平衡法测量计算的4个网格上层相对动力速度分别为1.20，1.31，1.30，1.29(表 5)，与廓线拟合结果基本相同。如按常用的公式(α= β^0.4)换算透风系数，则得到的相对动力速度约等于1.01~1.14，比廓线拟合结果偏小; 而按照林带结构特征较准确地选取换算公式(冬季相多行林带用α=β^0.55 、两行林带用α=β^0.6)后，得到的动力速度与廓线拟合法接近，这也从一个侧面反映了林带结构与防风效应的密切关系。为准确评估防护林体系防风效应水平，应考虑林带的具体结构，准确选取透风系数的换算公式。动力平衡法物理意义明确，趋势和数值与廓线拟合法差异不大，它将林带和林网结构与动力效应联系起来，在结构设计方面有重要的参考价值。

大型林网区内部上层相对动力速度是一个十分稳定的参数，实测的4个网格在结构参数(立木疏透度、高度等)发生成倍变化时，相对动力速度也只发生很小的响应: 从沙漠到绿洲，地面障碍物几何高度从不足1 m 的小灌木沙堆到高达12~25 m 的杨树林带，动力粗糙度从0.025 m 到0.25 m，增大到10倍，相对动力速度也只增大到1.3左右。这与传统的空气动力学阐述基本一致，其机制在于大气边界层厚度相对于地面粗糙元高度来说发展空间很大，不同于管道、风洞等有限空间的模拟边界层。

风从沙漠吹向绿洲，在绿洲边缘区林带的阻挡下，近地面风速下降。按照质量守恒原理，一部分气流将被抬升，加速从林带上方翻越，绿洲边缘的林带将承受比绿洲内部更大的风力，其上方将产生更大的风速梯度，边缘区上层动力速度远高于绿洲区内部。

按照透风系数和贴地层相对风速的定义，绿洲边缘区最外层网格对应的透风系数与贴地层相对风速基本相等。假设将本文所测的4个网格置于绿洲最外侧，仍用表 5的算法，将透风系数代入贴地层相对风速栏进行计算，则林网区边缘第一层网格的贴地层相对风速为0.71~0.86，尚不能形成良好的防护效果，而上层相对动力速度已达1.83~1.94 ; 若希望最外层网格内地面目标得到有效保护，贴地层相对风速降低到0.5，将表 5中的透风系数和贴地层相对风速均替换为0.5，估算得到上层相对动力速度达2.4~3.1 。从受力原理来分析，上层向下输送的动力主要由林带来承担，上层动力速度只是在林带上方存在最大值，其数值还可能达到林网区上方平均动力速度的数倍。

受土地类型镶嵌分布的局限，现实中的林网区规模有大有小，规模越大，边缘区所占比例越小，上层平均相对动力速度越小。因此，林网区内部上层相对动力速度的概念只有在较大的林网区才适用，在廓线发育不完全的林网区观测到上层动力速度较大的现象是正常的，但需要与充分发展的平衡廓线动力速度相区别。

一般意义上的动力速度v_*与地表单位面积上的摩擦阻力τ的关系为${{v}_{*}}=\sqrt{\tau /\rho }$，但在林网区下边界层(林网内树高以下、地面以上的气层)，气流接受的阻力是由地面和林带共同提供的，下边界层对数廓线显示的动力速度并不单纯反映气流对林网区内地面的拖曳力。如本文所用的6次大风的资料，除表 8所显示的林带高度以下(1~8 m)廓线动力速度比旷野动力速度略小外，其余5次大风均比旷野动力速度还要大，但并不说明林网内地面目标物(如地膜)会接受比旷野更大的破坏力。反证之，若林网内风对地面目标物的破坏力与旷野相同或比旷野更大，林网的防护作用就无法理解。林网区下边界层动力速度的这种伪态来源于粗糙度的伪态，林网区粗糙度是林带和地面粗糙程度的综合反映，并不单纯反映地面的粗糙程度。本文所用的林网区地面阻力公式${{F}_{\tau D}}=\rho {{\gamma }^{2}}{{v}_{*0}}^{2}lH$，是基于地面阻力与地上直立障碍物的绕流阻力成正比推演而来，应符合实际情况(推演过程略)。

1)林网区内部上层相对动力速度是大气运动对下垫面粗糙度的响应，是一个变数，但与粗糙度的变化相比，其量值更为稳定，并在粗糙度突变的绿洲边缘出现最大值，可达1.8~3.1 ; 稳定于绿洲内部的相对动力速度可视为常数，其量值在1.3左右，这与使用我国建筑抗风设计规范进行套算的结果基本一致。

2)林网区上层相对动力速度可以通过地面风力解析获得，其表达式为

$ {{v}_{*}}/{{v}_{*0}}=\gamma /\alpha \sqrt{2{{\alpha }^{2}}l+\left(1-{{\alpha }^{2}} \right){{A}^{2}}/2l}。 $

结构相同的网格，处在绿洲上风部最外层位置时接受的风力最大，其上层相对动力速度可取得极大值${{v}_{*}}/{{v}_{*0}}=\sqrt{[2{{\alpha }^{2}}l+\left(1-{{\alpha }^{2}} \right){{A}^{2}}]/(2l)}$。

3)若将大型林网区内部上层相对动力速度视为常数，记作v_*'=v_*/v_*0，则林网结构参数与防风效应参数的关系为$\gamma =v{{'}_{*}}\alpha =\sqrt{2l/[2{{\alpha }^{2}}l+\left(1-{{\alpha }^{2}} \right){{A}^{2}}]}$。由该式可以看出，林网区内部贴地层相对风速γ与林带透风系数α正相关，与以树高倍数表示的林带间距 l正相关，与树高H负相关(H越大A 值越大，γ越小，参见表 2)。与朱廷曜等(1993 a)的研究结果相比，趋势相同，但本文的关系式更为简明。该公式所含子项均可由林网和地面的特征参数运算获得，可用于已有的林网区防风效应直观评估，也可以运用该公式进行林网区规划设计成果的预评估。