森林流場文獻

現 今 有 關 通 過 樹 木 植 栽 的 風 場 研 究 頗 多 ， 但 多 針 對 樹 林 群 (森 林 ) 探 討。由 於 樹 林 群 分 布 特 性 可 將 三 維 的 流 場 問 題 轉 化 為 二 維 甚 至 一 維 的 問 題 ， 大 幅 降 低 流 場 分 析 時 的 困 難 度 。

樹 林 中 的 紊 流 運 動 受 到 較 大 的 渦 流 所 影 響 ， 關 於 前 人 的 研 究 中 ， 有 許 多 學 者 對 植 被 的 研 究 提 供 許 多 統 計 與 測 量 方 法 ， Raupach [25]在 風 洞 中 模 擬 森 林 流 場 以 進 行 研 究，Finnigan [9]則 是 對 於 麥 類 植 物 之 風 場 特 性 做 一 連 串 的 研 究 ， Gradiner [12]對 於 森 林 中 流 場 作 風 場 的 量 測。森 林 上 方 的 流 場 為 混 合 層 流，在 混 合 層 流 中 可 以 發 現 速 度 剖 面 會 發 生 突 變 之 處，並 且 可 知 其 特 性 是 受 到 整 體 樹 林 的 高 度 所 影 響，故 可 推 測 樹 林 之 上 的 流 場 會 引 起 大 尺 度 的 渦 流，使 樹 頂 之 上 的 邊 界 層 往 上 增 加，混 合 層 流 的 分 析 提 供 一 個 方 法，可 把 三 維 的 流 場 問 題 轉 化 為 一 維 的 問 題 ， 而 前 人 的 量 測 值 也 顯 示 出 森 林 紊 流 隨 著 時 間 變 動 的 特 性 ， 但 對 於 空 間 變 動 所 造 成 流 場 變 動 還 不 完 善 。

有 關 森 林 中 流 場 特 性 的 研 究 (Finnigan [7])， 其 研 究 方 式 大 多 以 現 場 量 測 的 方 式 來 探 討 大 氣 與 森 林 之 間 的 傳 輸。雖 然 現 場 量 測 是 瞭 解 實 際 流 況 最 直 接 的 方 式 ， 但 現 場 量 測 卻 十 分 地 耗 費 人 力 、 經 費 和 時 間 。 並 且 會 影 響 現 場 流 況 的 外 在 因 素 太 多、太 複 雜，使 得 現 場 流 況 具 有 很 大 的 變 異 性，往 往 不 易 由 量 測 結 果 深 入 瞭 解 流 場 現 象 背 後 的 機 制。在 研 究 森 林 流 場 課 題 上，許 多 研 究 者 將 其 量 測 之 風 速 剖 面，利 用 森 林 的 特 性 參 數 加 以 回 歸，求 得 風 速 剖 面 的 經 驗 公 式，以 下 整 理 一 些 相 關 的 研 究 。

壹 、 風 洞 實 驗

(1) Cionco 等 [4]建 議 森 林 中 風 速 剖 面 ：

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第三章 文獻回顧

菱 形 排 列 高 6 公 分、長 1 公 分，寬 0.1 公 分 的 條 狀 物，量 測 模 型 的

第三章 文獻回顧

方 的 區 域 受 到 大 尺 度 渦 流 所 擾 亂 並 會 產 生 穿 透 流 (bleed flow)， 風 會 間 歇 性 的 穿 透 遮 蔽 物 ， 在 後 方 風 場 渦 流 大 小 主 要 受 到 遮 蔽 物 的 寬 度 和 密 度 的 影 響 ， 且 當 植 物 密 度 些 微 的 改 變 時 ， 紊 流 將 劇 烈 的 改 變 。

(10) Ghisalberti and Nepf [13]在 水 槽 中 研 究 擺 動 水 草 中 的 流 場 特 性 ， 其 研 究 結 果 指 出 ， 當 水 流 經 過 植 物 時 ， 植 物 之 上 的 流 場 屬 於 混 合 層 流 (Mixing layer flow)， 其 縱 向 平 均 流 速 可 以 混 合 層 流 的 流 速 剖 面 來 描 述 。 在 水 流 的 作 用 下 ， 水 草 會 產 生 週 期 性 的 搖 晃 ， 類 似 風 吹 過 水 稻 田 所 產 生 的 ｢稻 浪 ｣， 此 搖 晃 會 造 成 流 速 週 期 性 的 變 化 ， 可 由 流 速 的 頻 譜 分 析 找 出 其 搖 晃 頻 率 ， 且 此 頻 率 符 合 混 合 層 流 的 渦 流 頻 率 。 植 物 的 搖 晃 也 會 促 進 混 合 層 流 中 動 量 、 質 量 的 垂 向 傳 輸 。

(11) Flesch and Wilson[34]利 用 風 洞 實 驗 評 估 樹 木 受 風 特 性 ， 發 現 樹 木 擺 動 與 下 游 風 場 特 性 成 比 例 ， 並 探 討 樹 林 對 下 游 提 供 之 保 護 區 域 大 小 及 減 風 效 果 。

(12) 方 德 偉 [35]利 用 風 洞 實 驗 驗 證 出 透 過 樹 林 之 風 速 剖 面 可 由 迴 歸 公 式 表 示 之 。 並 於 風 洞 實 驗 時 ， 放 置 模 型 樹 於 紊 流 邊 界 層 之 中 ， 改 變 樹 木 的 疏 密 度 和 排 列 方 式 ， 在 不 同 的 下 風 距 離 量 測 平 均 風 速 和 紊 流 參 數 ， 並 在 相 鄰 的 兩 點 同 時 量 測 紊 流 流 速 ， 以 瞭 解 紊 流 流 場 的 相 關 性 。

貳 、 數 值 模 擬

(1) Wilson and Flesch[34]採 用 二 維 數 值 模 式 探 討 通 過 森 林 之 速 度 剖 面 變 化 ， 在 與 Raynor[27]所 量 得 之 現 場 實 驗 結 果 比 對 後 得 到 不 錯 的 吻 合 度 ， 並 進 一 步 設 計 多 排 森 林 組 合 模 擬 試 驗 ， 探 討 其 紊 流 流 場 效 應 。

(2) Sládek 等 [32]利 用 數 值 方 法 探 討 二 維 及 三 維 大 氣 邊 界 層 通 過 含 樹 林 之 複 雜 地 況，並 於 動 量 方 程 式 中 加 入 源 項 (Source term)以 模 擬 非 均 勻 (Non-Homogeneous) 之 樹 林 群 。 而 在 無 樹 林 位 置 附 以 低 矮 植 栽 ， 再 以 表 面 糙 度 參 數 模 擬 之 。 研 究 中 於 樹 林 區 加 入 之 源 項 為 不

同 高 度 之 阻 力 係 數，其 分 布 特 性 如 圖 3-1所 示，另 以 公 式 表 示 之 ：