高緯度林區(qū)干雷暴與雷擊火時空分布特征及其相關分析

周長明，陳 亮，陸明明，韓盛濤，呂東波

（黑龍江省氣象災害防御技術中心，黑龍江哈爾濱 150030）

雷擊火是指由雷擊引起的森林火災，大興安嶺山脈東北部高緯度林區(qū)是國家重點生態(tài)功能區(qū)，也是我國雷擊火發(fā)生最集中的區(qū)域之一[1]。據(jù)國家林業(yè)與草原局統(tǒng)計，2020年7月1日—7月5日，大興安嶺林區(qū)相繼發(fā)生14 起雷擊火。干雷暴是一種形成于大氣對流層的特殊天氣過程，可在沒有明顯降雨的情況下產(chǎn)生閃電，是引發(fā)雷擊火的重要原因[2]。每年5— 8月，經(jīng)過我國高緯度地區(qū)的極地冷空氣在鋒面系統(tǒng)作用下，易引起強雷暴、大風和連續(xù)升溫等現(xiàn)象，因過境的冷空氣含水分較少，導致干雷暴天氣頻繁發(fā)生[2]。受全球氣候變化影響，厄爾尼諾、拉尼娜現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，降水不均，高緯度林區(qū)出現(xiàn)明顯的降雨段和干旱段等異常天氣[3]，進一步加劇雷擊火的發(fā)生。防范干雷暴引發(fā)的雷擊火已成為高緯度林區(qū)森林防火工作的重點和難點。

國內(nèi)外研究表明，雷擊火與干雷暴在時間和空間上存在強相關。Nauslar[4]研究發(fā)現(xiàn)，5 — 9月，在美國西部，干雷暴可在24 ～36 h 內(nèi)連續(xù)引燃數(shù)百個起火點；Rorig 等[5]利用干燥閃電預測模型對240 起由閃電引起的大火進行預測，58%雷擊火發(fā)生在概率等于或大于75%干雷暴發(fā)生的地方。Peterson等[6]對美國北方針葉林火災動態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)干雷暴只占所有雷暴的20%,但引發(fā)的火災面積占火災總面積的40%，干雷暴發(fā)生概率較高的地區(qū)火災發(fā)生次數(shù)也顯著增加。趙可新等[7]分析內(nèi)蒙古北部林區(qū)134 起雷擊火氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在降水量＜5 mm的雷暴日極易發(fā)生雷擊火。我國高緯度林區(qū)的雷擊火與干雷暴研究集中在林火發(fā)生規(guī)律、分布規(guī)律及影響因素[8-9]，雷擊火與干雷暴時空分布關系的定量分析較少。因干雷暴確定較復雜，現(xiàn)有研究多將雷電作為研究對象[10]，雷暴過程多伴有降雨，會對研究結果產(chǎn)生影響。曲學斌等[11]利用閃電定位儀監(jiān)測的雷電及CLDAS 逐日降水數(shù)據(jù)，研究2014 — 2018年內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)干雷電時空分布特征，但并未分析干雷電與雷擊火的相關性。雷擊火的發(fā)生與干雷電、氣象條件和下墊面環(huán)境密切相關，現(xiàn)有研究成果可做參考但較難應用于實踐，加上雷擊火實際發(fā)生時間極難確定，有必要直接開展高緯度林區(qū)雷擊火的時空分布特點及其與干雷暴時空關聯(lián)性的定量分析研究。

本研究通過閃電定位數(shù)據(jù)、逐小時降水量數(shù)據(jù)和雷擊火數(shù)據(jù)，構建網(wǎng)格數(shù)據(jù)，確定干雷暴過程閾值，篩選干雷暴；運用ArcGIS 分析干雷暴和雷擊火的時空分布特征，并研究其相關性，明確干雷暴天氣過程中雷擊火防范重點，可為高緯度林區(qū)雷擊火精準防范提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為大興安嶺山脈東北部林區(qū)（121°12′～127°00′E，50°10′ ～53°33′N），面積8.46 萬hm2，含7個區(qū)（縣）（圖1）。該地屬寒溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫-2.8 ℃，年均降水量460 mm，降水集中在7—9月；土層主要為巖石，土壤層薄且含水量低，下墊面植被含水率變化快且生長緩慢；平均海拔573 m，地貌主要為中山、低山、丘陵和山間盆地。森林類型以杜鵑（Rhododendron simsii）-興安落葉松（Larix gmelinii）林、越桔（Vaccinium vitis-idaea）-興安落葉松林、杜香（Ledum palustre）-興安落葉松林、草類-興安落葉松林及白樺（Betula platyphylla）-興安落葉松林等為主，海拔較高地區(qū)主要林型為偃松（Pinus pumila）-興安落葉松、蘚類-興安落葉松林和偃松矮曲林，透風、透光性強，偃松的油脂含量極高，苔蘚、地衣極易燃燒，導致該區(qū)域受雷擊后可燃性極高。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的逐小時降水數(shù)據(jù)來自25 個中國氣象局考核氣象站，含1、3、12、24、48 和72 h 降水量。閃電數(shù)據(jù)來自黑龍江省ADTD 閃電監(jiān)測網(wǎng)獲取的云地閃電數(shù)據(jù)，含云地閃電發(fā)生的時間、經(jīng)緯度、強度和陡度等。林火數(shù)據(jù)來自黑龍江省林草防火部門，包括林火發(fā)生地所屬林業(yè)局、起火地點、經(jīng)緯度、發(fā)現(xiàn)時間、過火面積和起火原因等。本研究所使用數(shù)據(jù)還包括從地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲得的ASTER GDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)和MOD13Q1 250M植被指數(shù)數(shù)據(jù)等。

1.3 構建網(wǎng)格數(shù)據(jù)

采用ArcGIS 創(chuàng)建漁網(wǎng)工具，按研究區(qū)域經(jīng)緯度覆蓋范圍，將研究區(qū)域劃分為0.1°×0.1°的細網(wǎng)格，共1 214 個細網(wǎng)格，并對地理網(wǎng)格編碼和質(zhì)心提取。網(wǎng)格化的目的是對各個數(shù)據(jù)進行更加標準化的統(tǒng)計，因各個網(wǎng)格位置受控，也有利于大量數(shù)據(jù)的對比與疊加計算。通過ArcGIS 泰森多邊形分析工具，空間剖分自動氣象站降水量數(shù)據(jù)影響范圍利用Arc-GIS 空間連接工具，將自動氣象站降水量數(shù)據(jù)關聯(lián)到細網(wǎng)格，形成網(wǎng)格降水數(shù)據(jù)序列。根據(jù)雷擊起火地點，結合研究區(qū)域劃分的細網(wǎng)格，創(chuàng)建雷擊火網(wǎng)格數(shù)據(jù)。地形、地表植被等下墊面情況是雷擊火空間分布的重要特征，通過ArcGIS 表面分析方法，采用ASTER GDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)提取雷擊火所在網(wǎng)格的高程、坡度和坡向等地形特征；采用ArcGIS相交分析方法，利用MOD13Q1 250M 植被指數(shù)數(shù)據(jù)提取網(wǎng)格的植被類型。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件對數(shù)據(jù)進行分析并作圖。

2 結果與分析

2.1 干雷暴分析

2.1.1 干雷暴閾值分析

干雷暴是一種小范圍短暫強對流天氣，可以在沒有明顯降雨的情況下產(chǎn)生云地閃電。Dowdy 等[12]在澳大利亞東南部的研究表明，如果以降水量4 ～7 mm 時單次云地閃電的引燃概率為標準值，則降水量小于2 mm 時單次云地閃電的引燃概率為標準值的2 倍，降水量小于1 mm 時的引燃概率為標準值的4 倍。Rorig 等[5]將1 個對流雷暴過程發(fā)生且降水量＜2.54 mm 作為太平洋西北地區(qū)的干雷電日標準。曲學斌等[11]將5 mm 作為大興安嶺地區(qū)干雷電發(fā)生的閾值。根據(jù)構建的網(wǎng)格降水量及雷擊火數(shù)據(jù)分析，雷擊火被發(fā)現(xiàn)前1、3、12、24、48 和72 h平均降水量分別為0.04、0.09、0.40、0.72、1.55 和1.94 mm。研究區(qū)域內(nèi)雷擊火發(fā)生前的降水量比前人研究中確定的降水閾值明顯偏低，本研究把降水量小于1.94 mm的雷暴過程定義為干雷暴。

2.1.2 干雷暴時間分布特征

通過分析網(wǎng)格降水量數(shù)據(jù)，對2006 — 2015年4 — 9月發(fā)生的雷暴進行篩選，共提取140 個干雷暴，占總雷暴數(shù)的9.78%。2006 — 2015年，年均干雷暴發(fā)生次數(shù)為10 次，其中2015年干雷暴發(fā)生次數(shù)最多（49 次），2008年最少（3 次）；除2013、2015年干雷暴發(fā)生次數(shù)占當年總雷暴數(shù)比例較高外，其他年份占比均較低（圖2a）。從月份來看，4月干雷暴發(fā)生次數(shù)較少，5— 8月較多，7月達到峰值，9月迅速減少；4 — 5月干雷暴發(fā)生次數(shù)占當月雷暴總數(shù)的比例相對較高，其中5月份干雷暴發(fā)生總次數(shù)遠大于4月（圖2b）。從干雷暴的發(fā)生時段來看，干雷暴多發(fā)生在14：00 ～20：00。研究區(qū)域內(nèi)的干雷暴過程持續(xù)時間長，干雷暴過程中云地閃電發(fā)生的主要時段最長可達6 ～8 h。

圖2 干雷暴年、月變化Fig.2 Annual and monthly variation of dry thunderstorms

2.1.3 干雷暴空間分布特征

分析干雷暴網(wǎng)格數(shù)據(jù)，發(fā)生過干雷暴的網(wǎng)格數(shù)占總網(wǎng)格數(shù)的95.3%，干雷暴主要集中在研究區(qū)域中部，部分區(qū)域達26次（圖3）。漠河縣中東部、塔河縣西南部、呼中區(qū)東北部、新林區(qū)和松嶺區(qū)大部分區(qū)域的干雷暴發(fā)生次數(shù)達12次以上，是干雷暴高發(fā)區(qū)；漠河縣西南部、塔河縣北部、呼瑪縣和加格達奇區(qū)大部分區(qū)域的干雷暴發(fā)生次數(shù)低于10 次。干雷暴高發(fā)區(qū)呈兩條明顯的高頻線路。高頻干雷暴網(wǎng)格區(qū)域與鄰近網(wǎng)格區(qū)域表現(xiàn)出明顯的差異性，干雷暴發(fā)生次數(shù)達24 次網(wǎng)格的臨近區(qū)域有5 次以下網(wǎng)格出現(xiàn)。這表明研究區(qū)域內(nèi)的干雷暴過程受周期性天氣影響具有明顯的移動路徑，同時受地形因素影響，干雷暴發(fā)生過程中，云地閃電的落點具有選擇性。通過計算干雷暴發(fā)生過程中云地閃電的經(jīng)緯度距離，1 次干雷暴發(fā)生過程中云地閃電的落點間隔可達上百公里。

圖3 干雷暴空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of dry thunderstorms

2.2 雷擊火分析

2.2.1 雷擊火時間分布特征

2006 — 2015年，研究區(qū)共發(fā)生188 次雷擊火。雷擊火受降水和氣候條件影響，各年間差異較大，2015年雷擊火發(fā)生最多（73 次），2012年最少（4 次）（圖4a）。夏季防火期雷擊火發(fā)生次數(shù)最多，占雷擊火總數(shù)的80.9%，其次為春季防火期（11.2%），7.9%的雷擊火發(fā)生在秋季防火期（圖4b）。雷擊火發(fā)生集中在5—7月，約占雷擊火總數(shù)的86.2%（圖4c）。因雷擊火的實際發(fā)生時間極難確定，雷擊火數(shù)據(jù)記錄的是發(fā)現(xiàn)時間，發(fā)現(xiàn)時間集中在1 ～12時，凌晨時段最容易發(fā)現(xiàn)雷擊火，同時雷擊火發(fā)現(xiàn)最佳時間也是降水與云地閃電發(fā)生最少的時間段（圖4d）。

圖4 雷擊火時間分布Fig.4 Time distribution of lightning fires

2.2.2 雷擊火空間分布特征

雷擊火發(fā)生的海拔為260 ～860 m，平均海拔575 m；坡度集中在20°以下，平均坡度7.57°；坡向分布較均勻。在雷擊火發(fā)生地區(qū)，針葉林、闊葉林、草甸和其他植被占植被總量的比例分別為69.5%、9.0%、16.0%和5.5%。雷擊火發(fā)生具有聚集性（圖5）。部分地點的雷擊火發(fā)生頻度、烈度遠超毗鄰區(qū)域，在呼中區(qū)西部和新林區(qū)東部均出現(xiàn)雷擊火次數(shù)為3次的區(qū)域，呼中區(qū)存在多處雷擊火發(fā)生高頻區(qū)，發(fā)生3 和2 次雷擊火區(qū)域面積分別占總面積的0.16%和1.57%；發(fā)生過雷擊火區(qū)域面積占總面積的13.26%；漠河縣發(fā)生2 次雷擊火區(qū)域面積較多。2010年6月27日—7月2日，呼中林業(yè)局記錄雷擊火發(fā)生25次。

圖5 雷擊火空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of lightning fires

2.3 相關性分析

2.3.1 雷擊火發(fā)現(xiàn)與干雷暴發(fā)生時間的相關分析

雷擊火是雷擊燃燒物后經(jīng)過一段時間的隱藏式緩慢燃燒過程，在風力的作用下形成火勢后引燃周圍可燃物蔓延形成的。這個隱藏式緩慢燃燒時間1 h ～2天不等，個別的超過1周時間。因此，該分析以7天為時間段。2006—2015年，雷擊火發(fā)現(xiàn)前1 天有干雷暴發(fā)生占比達63.83%，雷擊火發(fā)現(xiàn)前2天有干雷暴發(fā)生占比達74.47%，雷擊火發(fā)現(xiàn)前3 天有干雷暴發(fā)生占比達88.30%，雷擊火發(fā)現(xiàn)前4 天有干雷暴發(fā)生占比達94.68%，雷擊火發(fā)現(xiàn)前5 天有干雷暴發(fā)生占比達96.80%，雷擊火發(fā)現(xiàn)前6 天有干雷暴發(fā)生占比達97.87%，雷擊火發(fā)現(xiàn)前7 天有干雷暴發(fā)生占比達98.93%。相關分析表明，雷擊火發(fā)現(xiàn)與干雷暴發(fā)生時間呈極顯著正相關（P＜0.01），即7 天時間內(nèi)，干雷暴發(fā)生時間距離雷擊火發(fā)現(xiàn)越長，雷擊火發(fā)生概率越大（表1）。2006—2015年，所有雷擊火發(fā)生前7天均有干雷暴發(fā)生。

表1 雷擊火發(fā)現(xiàn)時間與干雷暴發(fā)生時間的相關分析Tab.1 Correlation analysis between discovery time of lightning fire and occurrence time of dry thunderstorm

2.3.2 雷擊火發(fā)現(xiàn)前降水時間與干雷暴發(fā)生時間的相關分析

一次干雷暴過程，往往會引起多處雷擊火的發(fā)生。雷擊火發(fā)生前普遍降水較少。據(jù)統(tǒng)計，雷擊火發(fā)生前1 h 降水占2.9%，前3 h 降水占9.6%，前12 h降水占27.9%，前24 h 降水占31.7%，前48 h 降水占59.6%，前72 h降水占73.1%。相關分析表明，干雷暴發(fā)生時間與雷擊火發(fā)現(xiàn)前1和3 h降水呈顯著正相關（P＜0.05），與雷擊火發(fā)現(xiàn)前12、24、48和72 h降水呈極顯著正相關（P＜0.01）（表2）。

表2 雷擊火發(fā)現(xiàn)前降水時間與干雷暴發(fā)生時間的相關分析Tab.2 Correlation analysis on precipitation time before lightning fire discovery time and occurrence time of dry thunderstorm

2.3.3 雷擊火次數(shù)與干雷暴次數(shù)相關分析

對雷擊火起火點進行分析，23.68%雷擊火發(fā)生在干雷暴發(fā)生15 次及以上區(qū)域，66.45%雷擊火發(fā)生在干雷暴發(fā)生10 次及以上區(qū)域，95.03%雷擊火發(fā)生在干雷暴發(fā)生5 次及以上區(qū)域；雷擊火發(fā)生3次的區(qū)域干雷暴平均發(fā)生8 次，雷擊火發(fā)生2 次的區(qū)域干雷暴平均發(fā)生10.7 次；雷擊火發(fā)生區(qū)域平均干雷暴發(fā)生11.3 次。對雷擊火起火點相鄰區(qū)域的干雷暴發(fā)生情況進行分析，在以雷擊火為中心的泰森多邊形內(nèi)，44.26%起火點所在網(wǎng)格的相鄰區(qū)域為干雷暴發(fā)生20 次以上的網(wǎng)格，67.08%起火點所在網(wǎng)格的相鄰區(qū)域為干雷暴發(fā)生15次以上的網(wǎng)格，97.51%起火點所在網(wǎng)格的相鄰區(qū)域為干雷暴發(fā)生10 次以上的網(wǎng)格，100%起火點所在網(wǎng)格的相鄰區(qū)域為干雷暴發(fā)生5次以上的網(wǎng)格（圖6）。

圖6 雷擊火次數(shù)與干雷暴次數(shù)分析Fig.6 Analysis on numbers of lightning fires and dry thunderstorms

雷擊火發(fā)生次數(shù)與泰森多邊形內(nèi)干雷暴發(fā)生次數(shù)及干雷暴發(fā)生最少次數(shù)相關性不顯著，與泰森多邊形內(nèi)干雷暴發(fā)生最多次數(shù)和干雷暴平均發(fā)生次數(shù)均呈極顯著正相關（P＜0.01）（表3）。

表3 雷擊火次數(shù)與干雷暴次數(shù)的相關分析Tab.3 Correlation analysis between number of lightning fires and number of dry thunderstorms

3 討論與結論

2006 — 2015年，研究區(qū)在4 — 5月的春季干雷暴年平均發(fā)生次數(shù)達3.4 次，其中5月達2.9 次；6—8月的夏季干雷暴年平均發(fā)生次數(shù)達9.3 次，其中7月達3.5 次。干雷暴的發(fā)生主要集中在研究區(qū)域中部，干雷暴區(qū)域呈明顯的雙帶狀分布。漠河縣中東部、塔河縣西南部、呼中區(qū)東北部、新林區(qū)和松嶺區(qū)大部分區(qū)域為干雷暴發(fā)生的高頻區(qū)域。研究區(qū)內(nèi)干雷暴的落點具有明顯的聚集性，這與雷電的選擇性相吻合，因落雷與地質(zhì)條件和地形地貌密切相關[13-14]。

2006 — 2015年，研究區(qū)內(nèi)雷擊火的發(fā)生具有明顯月份差異性，80%以上的雷擊火發(fā)生在夏季防火期，7月是雷擊火發(fā)生的高發(fā)期；1966—2006年，6月是大興安嶺雷擊火發(fā)生的高發(fā)期[8]，雷擊火高發(fā)期向后推遲。在雷擊火的防范中，夏季防火期最重要，7月應重點關注。雷擊火的高發(fā)區(qū)域呈擴散趨勢，1966—2006年，大興安嶺雷擊火主要集中在漠河縣[8]；2006—2015年，除漠河縣、新林區(qū)和呼中區(qū)是雷擊火的高發(fā)地區(qū)外，其他區(qū)域雷擊火也有所增加，并且雷擊火的發(fā)生區(qū)域表現(xiàn)出局部反復性。雷擊火的空間分布情況表明，漠河縣、新林區(qū)和呼中區(qū)應作為雷擊火重點防范區(qū)。同時為應對雷擊火發(fā)生范圍擴大的趨勢，需進一步加強干雷暴過程路徑的監(jiān)測和預測。

雖然雷擊火發(fā)現(xiàn)前1和3 h降水較少，但雷擊火發(fā)現(xiàn)前常會發(fā)生多次雷暴或降水過程；干雷暴發(fā)生時間與雷擊火發(fā)現(xiàn)前1和3 h降水呈顯著正相關，與前12、24、48 和72 h 降水呈極顯著正相關。結合雷擊火隱藏式緩慢燃燒特點，干雷暴發(fā)生后48 h 內(nèi)可作為雷擊火防范的重點時間段。雷擊火高發(fā)期與干雷暴高發(fā)期均集中于夏季防火期，雷擊火與干雷暴均在7月最高發(fā)。應將夏季防火期尤其是7月作為雷擊火防范的重點。

雷擊火發(fā)生區(qū)域平均干雷暴次數(shù)為11.3 次，以雷擊火起火點為中心的泰森多邊形區(qū)域內(nèi)，雷擊火起火點的網(wǎng)格并不是干雷暴發(fā)生次數(shù)最多的網(wǎng)格，起火點所在網(wǎng)格的臨近網(wǎng)格干雷暴發(fā)生次數(shù)達10次以上的概率為97.51%。雷擊火發(fā)生次數(shù)與其泰森多邊形內(nèi)干雷暴平均發(fā)生次數(shù)和干雷暴發(fā)生最多次數(shù)呈極顯著正相關，說明雷擊火發(fā)生區(qū)域及其鄰域內(nèi)應加強防范。雷擊火發(fā)生區(qū)域鄰域內(nèi)植被為針葉林和草甸，地形為260 ～460 m 的低山陽坡，可將此作為雷擊火的重點防范區(qū)。通過干雷暴空間分布特征可知，干雷暴高頻區(qū)域呈雙帶狀分布，可將其鄰域內(nèi)植被為針葉林和草甸的低山陽坡作為雷擊火的重點防范區(qū)。

在干雷暴發(fā)生后48 h 內(nèi)，以發(fā)生過雷擊火的區(qū)域及干雷暴高頻區(qū)域為中心，重點關注其鄰域內(nèi)植被為260 ～460 m 針葉林和草甸的低山陽坡，能極大提高發(fā)現(xiàn)雷擊火的時效性和準確性。同時，應在上述時間段和區(qū)域增加瞭望員監(jiān)測、無人機巡查和衛(wèi)星探測的頻次。本研究成果對高緯度林區(qū)雷擊火防范有一定參考作用，同時將其與高溫、大風等氣象因子相結合，可進一步推進高緯度林區(qū)雷擊火預防和干雷暴預警模型的研究。