徂徠山林場雷擊災害風險分析與評估

魏超 鄔銘法 孫忠欣

摘要：? 為了解與分析森林雷擊火災的動態行為，進行森林雷擊火災風險評估分析，以減少或避免因雷電而引發的森林火災、人員傷亡和設備毀壞所造成的損失，本文以2007—2018年山東省閃電定位系統監測數據資料、閃電監測資料、天氣和氣候觀測資料、林場高程數據、地理信息數據、現場勘查資料和客戶所提供的相關資料等為依據，采用統計分析法、相關分析、疊置分析和緩沖區分析等多種分析方法，對徂徠山地區雷電活動時空分布特征進行分析，并以地閃密度空間分布與最大地閃強度空間分布的疊置作為雷電風險的主要評價指標，對徂徠山地區雷電易發區域進行研究。研究結果表明，徂徠山林場閃電密度較高的區域主要位于馬頭山溝以北和主峰太平頂周圍。同時，結合森林雷擊火災原因、特點和地形特征，提出了一套符合實際的森林雷擊火災風險分析方法。該研究對森林雷電災害的防護具有重要意義。

關鍵詞：? 森林防火; 地閃; 雷電災害; 風險; 評估

中圖分類號： P429? 文獻標識碼： A

森林是陸地生態系統的主體，是全球氣候的主要調節者，影響著全球的生態環境。在生態環境日益惡化的今天，森林不但具有緩解地球“溫室效應”、防治荒漠化、涵養水源、保持水土、防災減災、確保農業穩產、維護生物多樣性等方面的功能，而且還提供豐富的林產品，幫助貧困地區人民脫貧致富，增加社會就業，促進區域經濟發展，所以森林資源是人類生活和生產所必需的一種資源，是人類賴以生存的重要基礎。但森林經常受到各種災害的破壞，在危害森林的諸多因子中，尤以森林火災為其最主要的因子[1] 。因此，加強森林雷擊火災的技術研究，對預防和及早制止森林火災的發生有著重要的現實意義。從20世紀初至今，對森林火災的預測和預報已有將近一百年的歷史了。一般公認的最早提出林火預測這一概念的是美國的道鮑思（Dubois），他于1914年提出關于森林火災預測預報的概念，并論述了關于森林火災預報的氣象要素。我國林業部門也一直在加強對森林火災的預報研究，2000年，國家森林防火辦建立了全國森林防火信息系統，此項目是建立在局域信息中心計算機網絡和局域森林防火辦公室林火監測網絡基礎之上，采用Clientserver數據庫技術、WWW技術、地理信息系統和遙感技術，能夠實現林火監測、預測預報、輔助決策、信息發布等功能，為我國森林防火信息領域的進一步合作打下了基礎，是中國高技術產業化示范工程，該工程完成后具有實用的實時運行系統，具有很好的示范作用[2] 。目前，國內外關于雷擊森林火災的研究較少，而且仍停留在過火面積、火災次數的統計上，還沒有形成一套科學合理的森林雷擊火災風險評估技術。由于森林資源的地域性及構成的復雜性，森林雷擊受地形、海拔、風向等影響因素眾多[3] ，而建立森林雷擊火災風險評估體系是適應森林雷擊火災經濟研究和加強雷擊火災管理的需要。基于此，本文以徂徠山林區作為風險評估研究對象，采用統計分析等方法，對徂徠山地區雷電易發區域進行研究。該研究為我國森林雷擊災害風險評估提供了參考依據。

1 徂徠山林場地理條件

徂徠山林場位于山東省中部，地屬泰安市，是魯中山地丘陵區的中心位置。徂徠山屬泰沂山脈，孤立于泰萊平原，山脈東西走向，最高海拔1 027.8 m。地理范圍為東經117°16′～117°20′，北緯36°02′～36°07′，長約30 km，北起岱岳區徂徠鎮的櫻桃園村，南至岱岳區良莊鎮的高胡莊村，寬約15 km。根據資料[4] 統計分析可知，泰安市年平均地閃密度為1.39次/（km2 ·a），高于山東省年地閃密度平均值1.94次/（km2 ·a）。泰安市地閃密度分布整體呈現西低東高的特點，泰安市高值區主要集中在泰山、徂徠山和蓮花山山脈附近[10] 。泰安市地閃密度分布圖如圖1所示。

通過綜合考慮泰安市地閃密度、雷電流強度分布、地形起伏度、河網密度、人口密度、農村人口比例、第三產業比例、人均GDP、醫療衛生水平等參數，從致災因子危險性、孕災環境敏感性、承災體易損性和防災減災能力等因子，對泰安市雷電災害風險進行區劃，按高風險區、次高風險區、中等風險區、次低風險區和低風險區等5個等級進行劃分[5 6] ，得到泰安市雷電災害風險區劃圖如圖2所示。泰安西部位于次低等風險區域，中部地區位于中等風險區域，北部和東部位于高風險區域;徂徠山林場位于雷電災害高風險區域。

2 徂徠山林場地閃活動特征

2.1 地閃活動的年變化特征

對2007—2018年徂徠山林場閃電次數進行統計，徂徠山林場閃電次數統計圖如圖3所示。由圖3可以看出，2012年總閃電次數最多，為569次，其次是2009年，為472次，2015年最少，為68次，而2014和2017年均為92次。正閃次數2016年最多，為33次，其次是2018年，為20次，而2009和2010年最少，為3次。

2.2 地閃活動的季節變化特征

徂徠山林場地閃活動的季節性分布特征明顯，在春季（3～5月），徂徠山林場地閃活動的頻率逐漸增加，該季節地閃活動占總量的8.31%。徂徠山林場地閃活動最頻繁的時間段集中在夏季（6～8月），該季節地閃活動占總量的88.06%。而每到秋季（9～11月），地閃活動的頻率迅速減少，該季節地閃活動占總量的3.2%，而冬季只有在2月出現過地閃，該季節地閃活動僅占總量的0.44%。由于徂徠山林場對流活動最活躍、雷電活動最頻繁的月份為8月，每年該月平均地閃頻率約為1309次，占地閃活動總量的38.41%，7月和6月頻率略低。此外，4月份正閃發生率最高，占當月總次數的27%，遠高于其他月份。徂徠山林場地閃活動月變化如圖4所示。

2.3 地閃活動日變化

徂徠山林場地閃活動高峰時段是16～21時，但19時有突降，主峰值時間為20時;早晨5～8時出現地閃活動次高峰期，次峰值時間為4時，地閃低發時段為1～4時和10～15時。上述地閃活動的變化可以概括為傍晚前后最頻繁，其次是凌晨，而深夜和上午相對較少。這是由于太陽輻射中午達到最大值，下墊面溫度升高，層結極易失穩，增加了局部地熱對流的發生[7 8] 。結果表明，大部分地閃發生在14時后，日落后太陽輻射急劇減少，對流明顯消散，導致地閃活動迅速減少，午夜時地閃活動相對較低。徂徠山林場地閃次數日變化如圖5所示。

2.4 地閃強度特征

徂徠山林場地閃平均電流強度為11.92 kA，正地閃平均電流強度為39.51 kA，負地閃平均電流強度為10.85 kA。根據山東省閃電定位系統記錄，在2016年8月7日14時28分58秒時，出現了最大強度的地面閃光，該位置位于太平頂西北方向（36.05°N，117.33°E），電流強度達到-126.791 kA。

為更深入了解徂徠山林場地閃情況，對徂徠山林場地閃電流強度的分布進一步分析和計算。根據電流強度在5 kA間隔的絕對值，將地閃分為21個級別，地閃變化級別不同，徂徠山林場地閃強度也不同，徂徠山林場地閃強度變化曲線如圖6所示[9] 。由圖6可以看出，地閃電流強度在5～10 kA的范圍內比例最大，約為33.04%，其次是0～5 kA范圍內的比例，約為27.55%，地閃主要集中在0～20 kA，占總面積的91.87%。

正閃電流強度最大區間在15～20 kA，約為34.60%，其次是20～25 kA范圍的正閃，約為15.08%，正地閃主要分布在15～40 kA，該占比達到了正地閃總數的72.22%;負閃電流強度最大區間在5～10 kA，約為33.01%，其次是電流強度在0～5 kA的負閃，約占27.52%，負地閃主要分布在0～20 kA，該占比達到了負地閃總數的90.14%。由于正地閃占總地閃的比例較低，負地閃占多數，所以總地閃的電流分布曲線與負地閃的電流分布曲線接近[10] 。

2.5 地閃海拔高度特征分析

將海拔高度按200 m劃分高度間隔，與徂徠山地區2007—2018年均地閃密度（0.01°×0.01°網格）進行分析，利用非線性回歸方法擬合海拔高度（x）與地閃密度（y）的關系

y=1×10-8 x3-2×10-5 x2+0.008x+0.027 9，

其R2=0.272 4進行分析[11] 。發現地閃密度隨海拔上升呈現上升趨勢，地閃密度與海拔的變化特征如圖7所示，海拔高度<800 m的區域，地閃密度隨海拔增加呈緩慢上升趨勢，平均值在1.8次/（km2·a）左右;海拔高度>800 m的區域，地閃密度隨海拔增加呈明顯上升趨勢，地閃密度與海拔高度呈現較好的正相關[12] 。

2.6 雷暴來向分析

利用山東省氣象局1967—2011年共45年123個氣象觀測站的雷暴日人工觀測資料，分析得到林場所在區域雷暴過程由西北進入所占比例最高，達23.18%，雷暴過程由西南方向進入占19.31%，東南和正北方向進入的雷暴過程占11.59%，由東北和正西方向進入的雷暴過程占10.30%，徂徠山林場雷暴過程來向玫瑰圖如圖8所示。該區域劇烈天氣活動主要來自西北和西南方向，因此在采取雷電防護措施時，應特別注重被保護物西北和西南方向的防護[13] 。

2.7 徂徠山林場地閃密度空間變化

對2007—2018年山東省閃電定位系統監測數據進行統計，徂徠山林場累計發生閃電3408次，該區域年平均地閃密度為1.42次/（km2·a），閃電密度均值略高于泰安市均值。林場位于泰安市高值區西側邊緣，且林場主峰太平頂及主峰東側年均地閃電密度值高于泰安市，其中正閃126次，負閃3282次，平均強度為11.91kA。徂徠山林場與周邊地區相比，地閃密度明顯偏高，形成該現象的主要原因是山東省屬于暖溫帶季風氣候類型。該種氣候類型將使夏季風向北攜帶豐富的水汽，并被徂徠山地形抬升，使氣流會聚，水汽上升，導致雷暴云的形成。根據地閃理論，雷暴云中電場的形成主要是云粒子與降水粒子碰撞的結果，而該氣候導致的上升運動，促進了粒子之間的碰撞，從而進一步加強了云中的電場，導致徂徠山林場地閃密度明顯偏高。徂徠山林場閃電密度較高的區域主要位于馬頭山溝以北和主峰太平頂周圍[14 15] ，其中馬頭山溝以北區域閃電密度最高。徂徠山林場地閃密度遙感分布圖（正北方向）如圖9所示。

3 徂徠山林場雷擊火災防護措施

由于森林覆蓋面積大，防雷裝置的保護范圍有限，其雷電防護有別于建筑物、石油化工設施的防護，采取 主動防御的措施難以實現，森林在防御雷擊方面存在先天性不足。為此，根據風險評估結果，結合林場實際，提出以下防護思路：制度健全，責任落實;監測預警，提前預防;重點區域，主動防御;火情監控，及時處置[16] 。

3.1 雷電活動監測和預警

及時掌握雷電活動情況是做好林場森林雷擊火災防護的前提條件。雷電活動主要包括雷電發生的時間，雷電來向，雷電活動范圍，雷電強度，雷電持續時間以及地閃發生的時間、地點、強度和次數等[17] 。只有及時掌握雷電活動情況，才能做到提前預判，提前預防，提前部署，及時啟動應急預案。

3.2 林場雷擊起火火源監控

雷電是林場起火的一個重要的自然引火源，50%以上的森林火災事故是由雷擊引起。盡管前面采取了一些主動防御雷擊的措施，但由于森林覆蓋面積大，接閃器保護范圍又十分有限，僅只是在一定程度上對局部區域降低了雷擊風險。根據上述分析，徂徠山林場森林雷擊火災風險非常高，因而管理部門和防火部門在作好常規火情監控的同時，要高度重視雷擊火情的監控工作。結合前面風險區劃、海拔高度對雷電活動的影響以及雷暴主要來向分析等，對以下區域和部位做好重點監控。

1） 地閃密度較高區域。徂徠山林場閃電密度較高的區域主要位于馬頭山溝以北和主峰太平頂周圍區域，其中馬頭山溝以北區域閃電密度最高，這些區域雷電活動相當頻繁，發生雷擊的概率非常大，應對這些區域進行重點火情監控。

2） 重點監控方向。根據雷暴來向和典型雷暴過程分析，雷暴過程主要由西北和西南方向進入。因而在雷雨天人工監測火情時，應重點關注西北和西南方向以及迎風坡方向。

3） 歷史雷擊著火點。一些歷史雷擊著火點不一定位于地閃密度高值區域，但可能受地表腐殖層、地形、所處位置（如位于迎風坡、雷暴來向位置）等影響，風險相對較高，因而也應將歷史雷擊起火點作為重點區域和部位進行重點監控，尤其是太平頂保護站區域，在2019年3月和7月27日兩次遭到雷電破壞[18] 。

4） 實時監測落雷點。閃電定位監測系統能夠對林場內發生地閃的經緯度、電流強度、波形陡度等參數進行適時監測記錄，據此可以根據閃電定位系統監測情況，對地閃發生位置所處區域進行重點監控。需要說明的是，由于閃電定位監測系統存在一定的定位誤差，有時也存在一定漏報、誤報，因而不能完全依賴監測系統，在重點關注監測到的落雷點區域時，也應照顧其他區域。

3.3 重點監控時機

通過對徂徠山林場雷電活動特征分析可以看出，徂徠山林場雷電活動季節性分布特征明顯，8月份是地閃活動最頻繁月份，其次是7月份和6月份;地閃活動日變化特征為地閃活動高峰時段16～21時，主峰值時間為20時;次高峰期為早晨5～8時，次峰值時間為4時。

在雷電活動高發季節，應重點關注每日的16～21時和4～8時，并結合當日的雷電預警信息，合理組織和調度防火資源，加強該時段的應急值守和巡查。

需要特別指出的是，通過前面地閃活動季節變化特征分析可以看出，4月份正地閃占比最高，占當月總地閃次數的27%，遠遠高于其他月份。由于正地閃相對于負地閃來說，電流強度更大，放電通道溫度更高，極易誘發森林火災事故。另外，每年4月初至5月中上旬，天氣相對干燥，風力大，地面含水量低，土壤電阻率大，造成雷電流沿地表泄放時的溫度較高，加之地面植被干燥，容易被引燃[19 20] 。因而，每年4月初至5月中上旬以及首次雷暴過程，為森林雷擊火災事故高發時間，其風險性甚至高于雷電活動最頻繁的8月份，也應予以高度重視和重點關注，做好充分的應急準備工作。

4 結束語

本文根據徂徠山林場的特征和現狀，依據有關國家技術標準，通過詳細的現場勘查和對歷史資料的細致分析，結合林場特點，提出了合理的風險評估模型及保護措施和建議。需要指出的是，由于地閃發生過程的復雜性，其成因和發展的一些具體細節仍在研究中，其破壞方式眾多，給保護工作帶來一定困難。同時，根據國家防雷標準的設計指導原則，考慮到經濟性和性價比，提出的防護建議具有一定的針對性和可操作性，但不能達到100%的防雷效果，只能通過這次評估和分區，盡最大努力找出合理、經濟、科學、有效的防護措施，最大限度地預防和減少雷擊事故的發生。本研究基于2007—2018年山東省閃電定位系統監測數據，隨著監測設備精確度的提高和監測水平的提升，可提取森林植被、腐殖物等影響因子進行分析，使徂徠山林場雷電災害風險評估分析精準性有較大提升。森林火災風險評價是一項十分復雜的工作，目前的研究程度低，沒有形成切實有效的指標評價體系和方法，后期將在現有基礎上，繼續探索創新，使森林風險評價取得更加豐碩的成果，森林火災減災應急能力更有成效。

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Risk Analysis and Assessment of Lightning Strike Disaster of Mountain Cu Lai Forest Farm

WEI Chao， WU Mingfa， SUN Zhongxin

（Meteorological Disaster Prevention Technology Center of Shandong Province， Jinan 250031， China）

Abstract：? In order to understand and analyze the dynamic behavior of forest lightning fire， the risk assessment of forest lightning fire was carried out. In order to reduce or avoid the losses caused by forest fire， casualties and equipment damage caused by lightning， this paper takes the monitoring data of lightning positioning system in Shandong Province， lightning monitoring data， weather and climate observation data， forest farm elevation data， geographic information data， field survey data and relevant information provided by customers from 2007 to 2018 as the basis. This paper analyzes the spatial and temporal distribution characteristics of lightning activities in mountain Cu Lai area by using various analysis methods， such as analysis method， correlation analysis， overlay analysis and buffer analysis. The overlap of spatial distribution of ground lightning density and maximum lightning intensity is taken as the main evaluation index of lightning risk， and the lightning prone areas in the area are studied. The results showed that the areas with high lightning density were mainly located in the north of Matoushan Gully and around Taiping Peak. At the same time， combined with the causes， characteristics and terrain characteristics of forest lightning fire， a set of practical forest lightning fire risk analysis method is proposed. This study is of great significance to the protection of forest lightning disaster.

Key words： Forest fire prevention; ground lightning; lightning disaster; risk; assessment