大興安嶺1980—2021 年雷擊火時空分布特征*

李 威 舒立福 王明玉 李偉克 苑尚博 司莉青趙鳳君 宋佳軍 王亞惠

（1. 中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所 北京 100091；2. 國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室北京 100091；3. 中國科學院電工研究所 北京 100190）

雷擊火是最常見的天然火，其發生和蔓延與雷電、天氣、可燃物和地形有關（Bryson，2021）。雷擊火具有隨機性和隱蔽性。如發生在地形復雜、交通不便的偏遠林區，難以及時發現并進行有效撲救，容易發展為大規模森林火災。因此，雖然雷擊火占所有森林火災的比例較低，卻造成了相對較大的燃燒面積，其危害相較其他森林火災更大（Wottonet al.，2005；Nietoet al., 2012）。

由于雷擊火對森林資源和社會經濟造成了巨大損失，近年來國內外對雷擊火進行了許多研究，主要包括驅動因素、預測模型和形成機理（舒洋等，2022）。如加拿大過火面積≥2 hm2的雷擊火數量和活躍日數在1959—2018 年間在大多數地區呈上升趨勢（Cooganet al.,2020）；西班牙東北部的雷擊火發生比例與日降雨量大小有關，25%為無降水，40%為0～2.5 mm（干雷暴天氣），60%為2.5～4 mm，90%為4～10 mm（Pinedaet al., 2017）。Read 等（2018）使用logistic 回歸模型預測了澳大利亞維多利亞州的雷擊火發生概率，并提出一種新的模型選擇方法，輸入變量減少了37.5%，但幾乎不影響預測精度（AUC=0.859）。杜春英等（2010）發現黑龍江大興安嶺的雷擊火在1966—2006 年間存在周期性震蕩，且火場質心隨時間延后向東南偏移。郭福濤等（2009）等發現黑龍江大興安嶺1988—2005 年的雷擊火呈聚集分布且存在熱點區。臧桐汝等（2022）研究了黑龍江大興安嶺1968—2010 年的雷擊火分布規律與驅動因素，認為引發雷擊火的閃電多為負閃，而與雷電流釋放能量無明顯關系，但主要受氣溫的影響；確定雷擊火多發地為落葉松（Larix）林、坡度0～10°和海拔300～900 m 的地區。周長明等（2022）基于2006—2015 年的大興安嶺林區閃電定位數據、逐時降水數據和雷擊火數據，分析了干雷暴次數和發生時間與雷擊火特征的相關性，認為干雷暴天氣與雷擊火發生存在緊密關系。馮俊偉等（2021）利用沖擊電流發生器人工制造閃電來模擬自然雷擊火發生過程，測量了不同種類可燃物擊穿電壓的差異，發現泥土含灰率和電阻率的關系，認為人工燒除跡地更易遭受雷擊。郭福濤等（2010）使用負二項和零膨脹負二項回歸模型建立了黑龍江大興安嶺1980—2005 年雷擊火與氣象因子的關系，發現后者的擬合度與預測水平均高于前者。王曉紅等（2017）利用2005—2011 年的黑龍江大興安嶺雷擊火數據、閃電和氣象數據，建立了適于該地的Logistic 回歸雷擊火預測模型，選擇變量包括前7 天的細小可燃物濕度碼（fine fuel moisture code，FFMC）均值、前3 天的地閃次數、前7 天的平均降水量，經受試者特征曲線（receiver operating characteristic curve，ROC）曲線評價，表明預測效果較理想。孫瑜等（2014）用MAXENT 模型預測了黑龍江大興安嶺的雷擊火風險，發現日降雨量、云地閃數量、云地閃回擊電流強度是最重要的3 個影響因子，采用最大Kappa值和AUC 值檢驗后表明模型預測精度為中等水平。

一個地區的雷擊火數量和分布是由該地區的閃電活動、火險天氣和可燃物類型等決定的，深入了解雷擊火時空變化規律對準確預報和預防雷擊火有重要意義（Brysonet al.，2021）。大興安嶺是我國雷擊火最多的地區，幾乎每年都發生，不僅造成巨大的經濟損失，也嚴重威脅當地生態安全（舒立福等，2003；Gaoet al.，2021）。鑒于此，本研究分析1980—2021 年大興安嶺雷擊火在不同時間尺度上沿經緯度、海拔、坡度及坡向的分布特征以及42 年間的動態變化規律，以期為該地區雷擊火預報和防控提供科學依據。

1 研究區概況

研究區包括黑龍江大興安嶺和內蒙古大興安嶺林區（119.60°—127.02° E，47.05°—53.56° N）。該地區屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷而漫長，夏季炎熱而短暫，年均氣溫-2.8 ℃，年均降水量450～500 mm。地勢起伏不大，西部、中部高，東部、北部和南部低。平均海拔573 m，最高海拔1 528 m。屬寒溫帶森林土壤(徐化成，1998)。大興安嶺林區森林類型是以興安落葉松(Larix gmelinii)為主的混交林，主要樹種有興安落葉松、樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、白樺(Betula platyphylla) 、蒙古櫟(Quercus mongolica) 、山楊(Populus davidiana)和柳樹（Salix matsudana)等針葉和闊葉樹種(田曉瑞等，2010)。

2 材料與方法

2.1 數據來源

大興安嶺雷擊火火情統計資料數據（1980—2021 年）源于防火部門，包括起火時間、火場經緯度坐標、過火面積等信息。研究區30 m×30 m 的數字高程模型DEM 數據源自地理空間數據云（https://www.gscloud.cn/）。

2.2 研究方法

統計1980—2021 年的大興安嶺雷擊火數量與過火面積，用Arcgis 10.8 軟件的空間分析工具處理研究區30 m×30 m 的DEM 數據，得到研究區的海拔、坡度和坡向分布等信息并計算其對應面積，導入雷擊火經緯度坐標，分析其空間分布特征，使用SPSS 25 軟件進行相關分析。由Origin 2018 完成作圖。

3 結果與分析

3.1 大興安嶺雷擊火1980—2021 年的時間分布特征

3.1.1 年分布特征 在1980—2021 年間，大興安嶺（包括黑龍江大興安嶺與內蒙古大興安嶺）共發生雷擊火1 651 起，其中有詳細過火面積記錄的1 571 起，過火總面積473 088.8 hm2；年均雷擊火數量約為39 起，年均過火面積約為11 264 hm2（圖1）。2000 年后的雷擊火數量顯著上升，約為1980—1999 年的3.5 倍，但存在一定波動性；過火面積沒有隨時間而增加的趨勢，但在個別極端干旱年份較大，如2006、1987、2000 年過火總面積分別占總量的47.7%、14.2%和10.7%。

總體上，26.5%的雷擊火過火面積小于1 hm2，屬一般森林火災；62.9%的雷擊火過火面積在1～100 hm2，屬較大森林火災；8%的雷擊火過火面積在100～1 000 hm2，屬重大森林火災；2.6%的雷擊火過火面積超過1 000 hm2，屬特別重大森林火災。

3.1.2 日分布特征 大興安嶺雷擊火數量與過火面積在1980—2021 年間的日均值如圖2 所示。95.9%的雷擊火發生在5—8 月，占過火總面積的83.6%。其中，6 月雷擊火次數最多，占總量的40.1%；7 月次之，為28.5%；5 月占16.6%；8 月最少，占10.7%。雷擊火發生最早在4 月19 日，最晚在11 月30 日。雷擊火數量從5 月3 日開始逐漸增加，在6 月1 日出現第一個高峰，6 月15 日春季防火期結束前有一定回落，但春季防火期結束后的幾天內雷擊火數量迅速增加了近3 倍。

圖2 1980—2021 年大興安嶺雷擊火數量與面積日分布Fig. 2 Distribution of the daily number and area of lightning fires in the Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.1.3 小時分布特征 大興安嶺起火時間精確到小時的雷擊火記錄在1980—2021 年間共1 106 起，過火總面積326 934.4 hm2（圖3）。23:00 至次日5:00 的時段內雷擊火頻率最低，僅占總數的0.4%。在5:00—13:00 之間，隨著氣溫升高和相對濕度降低，雷擊火逐漸增多，占總數的28.3%。13:00—16:00 是一天中雷擊火最多的時段，占總數的52%。16:00 之后隨著入夜氣溫逐漸降低，相對濕度升高，雷擊火數量持續下降，占總數的19.3%。

圖3 1980—2021 年大興安嶺雷擊火數量與面積的日內分布Fig. 3 Intraday distribution of the number and area of lightning fires in Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.2 大興安嶺1980—2021 年的雷擊火空間分布特征

3.2.1 經緯度分布 大興安嶺具有完成空間信息記錄的雷擊火在1980—2021 年共1 575 起。在經度分布上，雷擊火集中在121.2°E 和122.5°E 2 個中心附近；124°E 以東雷擊火較少，僅占總數23.3%。在緯度分布上，大多數雷擊火集中于高緯度地區，特別是51°N—53.5°N 之間，聚集了80%的雷擊火；而49.1°N 以南雷擊火很少，僅占總數的1.4%（圖4）。

圖4 1980—2021 年大興安嶺雷擊火的經緯度分布Fig. 4 Lightning fires distribution along latitude and longitude in the Da xing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.2.2 林業局分布 大興安嶺 1980—2021 年雷擊火數量與面積在42 個林業局/縣的分布如表1 所示，不同行政區存在很大差異。內蒙古大興安嶺中，烏瑪的雷擊火數量最多，雷擊火密度也最大，雷擊火面積排名第4 位，雷擊火面積占比排名第5 位；綽爾的雷擊火數量最少，雷擊火密度也最低，雷擊火面積與雷擊火面積占比均排倒數第2 位；雷擊火面積最大的區域為阿爾山，雷擊火面積占比最大的區域為汗馬，雷擊火面積與雷擊火面積占比最小的區域均為伊圖里河。黑龍江大興安嶺中，呼中的雷擊火數量最多，雷擊火密度最大，雷擊火面積與雷擊火面積占比排第2 位；塔河縣的雷擊火數量最少，加格達奇的雷擊火密度最低；雷擊火面積與雷擊火面積占比最大的區域均為松嶺，雷擊火面積與雷擊火面積占比最小的區域均為漠河。1980—2021 年間，黑龍江大興安嶺16 個林業局/縣與內蒙古26 個林業局/縣對比，黑龍江的雷擊火在總計指標與平均指標上（雷擊火數量、雷擊火面積、雷擊火密度、雷擊火面積占比）都顯著高于內蒙古。

表1 1980—2021 年大興安嶺不同林業局/縣雷擊火數量與面積Tab. 1 The number and area of lightning fires in different forestry bureau/counties in the Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.2.3 海拔、坡度、坡向分布 將研究區海拔以200 m間隔劃分為6 級（200～400、400～600、600～800、800～1 000、1 000～1 200、＞1 200 m），各自的雷擊火數量分別為147、359、524、380、144、21 起。海拔600～800 m范圍內雷擊火最多，占總數的33.2%；只有1.3%的雷擊火發生在海拔＞1 200 m 的地點。總體上，雷擊火的海拔分布為中間高、兩頭低的格局（圖5a）。

雷擊火數量在坡度4°～6°最多，為202 起（圖5b），占比12.8%；在坡度大于4°時，雷擊火數量大體呈現隨坡度增大而減少的趨勢；770 起（48.9%）雷擊火分布于坡度4°～12°，坡度＞25°的雷擊火較少，只有4.6%。

以45°方位角為間隔劃分為8 個坡向，分別為北N（0°～ 22.5°，337.5°～360°）、東北NE（22.5°～67.5°）、東E（67.5°～112.5°）、東南SE（112.5°～157.5°）、南S（157.5°～202.5°）、西南SW（202.5°～247.5°）、西W（247.5°～292.5°）、西北NW（292.5°～337.5°），雷擊火的坡向分布總體上為南較北多，東較西多，其中西南坡雷擊火最多，為219 起，占比13.9%；西北坡雷擊火最少，為177 起，占比11.2%（圖6）。坡向差異對雷擊火分布的影響明顯，可能是不同坡向的云層活動、可燃物特征等因素導致的。

圖6 1980—2021 年大興安嶺雷擊火的坡向分布Fig. 6 Distribution of number of lightning fires along slope aspect in the Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.2.4 雷擊火數量與空間因素的相關分析 為進一步探索雷擊火數量與空間因素的關系，將經度、緯度、海拔、對應海拔面積、坡度、對應坡度面積、對應坡向面積、林業局面積等8 個因子與相應的雷擊火數量進行Person 相關性分析。結果如圖7 所示，雷擊火數量與經度極顯著負相關（P≤0.001），但相關性很低（R= -0.155）；與緯度、海拔基本不相關；但與坡度存在極顯著負相關（R= -0.523，P≤0.001）。雷擊火數量與對應海拔面積（R=0.336，P≤0.001）、林業局面積（R=0.559，P≤0.001）極顯著正相關，與對應坡度面積（R=0.734，P≤0.05）顯著正相關，而與對應坡向面積沒有顯著相關。除坡向外，雷擊火的空間分布總體表現為面積越大，雷擊火數量越多。

圖7 雷擊火數量與空間因素的Person 相關性分析Fig. 7 Person correlation analysis between the number of lightning fires and spatial factor

3.3 大興安嶺1980—2021 年雷擊火動態過程

3.3.1 逐年動態 每年雷擊火起始日至終止日的這段時間稱為雷擊火活躍期，期間的日數稱為雷擊火活躍日數（d·a-1）。由圖8 可看出，雷擊火活躍日數在1980—1985 年期間最低（35±16.1）d·a-1； 在1986—1997 年期間的12 年內有4 個年份遠超平均水平（77.3±58.5）d·a-1，分別為1986 年（138 d·a-1）、1989 年（141 d·a-1）、1991 年（197 d·a-1）、1996 年（130 d·a-1）；在1998—2011 年期間，雷擊火活躍日數大幅增加（112.1±47.9）d·a-1，遠低于平均水平的年份在14 年內僅有2001 年（47 d·a-1）、2003 年（30 d·a-1）、2009 年（17 d·a-1）3 年。在2012—2021 年期間，雷擊火活躍日數又大幅度降低（68.1±33.2）d·a-1，僅2014 年（121 d·a-1）和2015 年（105 d·a-1）遠高于平均水平。雷擊火峰值日是雷擊火活躍期內雷擊火最多的一天，可能出現在雷擊火活躍日內的任意時間，沒有明顯規律（圖8）。總體上，雷擊火活躍日數的年份變化大致可分為4 個時期，體現“平緩—上升—高峰—回落”的趨勢。

圖8 1980—2021 年大興安嶺雷擊火動態特征Fig. 8 Dynamic features of lightning fires in the Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.3.2 5 年均值動態 將1980—2021 年以5 年為間隔劃分為8 個時期，分析雷擊火分布特征和結構差異。在第1～4 個5 年期間（1980—1999 年），雷擊火峰值日逐漸前移（圖9）。第8 個5 年時期（2015—2021 年）的雷擊火數量明顯遠高于其他時期，但過火面積并沒有顯著增加，說明近年來該地區對雷擊火的控制手段較以前有了很大提高。在1990—2014 年的5 個5 年期間，雷擊火第一次高峰日存在逐漸前移現象。從第3 個5 年期間（1990—1994 年）至第7 個5 年期間（2010—2014 年），雷擊火第一次高峰日分別提前了4、3、7、10 天（圖10），共提前了24 天；但在第8 個5 年期間又延后了5 天。

圖9 1980—2021 年大興安嶺雷擊火數量與面積不同5 年期間的逐日分布Fig. 9 Daily distribution of the number and area of lightning fires in the Daxing’anling Mountains in different periaaods from 1980 to 2021

圖10 1980—2021 年大興安嶺雷擊火第一次峰值日不同5 年期間的變化Fig. 10 Variation of the first peak date value of lightning fires in the Daxing’anling Mountains in different periods from 1980 to 2021

4 討論

全球氣候變暖會導致閃電活動加劇、火災季節延長、林區氣候出現暖干化趨勢，是許多地區野火風險顯著增加的主要原因，其中以北半球高緯度地區最顯著（Flanniganet al.，2013；Reeveet al.，2010；Shiet al.，2021; Fauriaet al.，2015）。決定雷擊火動態特征的氣候變化是個長期過程，因此，在1980—2021 年的42 年內，大興安嶺雷擊火數量自2000 年后顯著上升，雷擊火活躍日數的明顯變化大致分為4 個時期，即1980—1985 年保持低谷、1986—1997 年階段式上升、1998—2011 年達到高峰、2012—2021 年逐漸回落，這種變化可能受大尺度氣候活動調控。同時，雷擊火第一次雷擊火峰值日也在1990—2014 年逐漸前移，這表明1980—2021 年大興安嶺地區的氣候發生了較大變化，受全球變暖影響明顯（田曉瑞等，2012；2017；Podschwitet al.，2021）。總體來看，表現為雷擊火數量和雷擊火活躍日數都在增加，雷擊火高峰日在提前（趙鳳君等，2009）。大興安嶺雷擊火數量在春季防火期結束后增加幅度較大，當地防火期可能也應延長以適應氣候變化的影響。

有研究揭示了大興安嶺雷擊火的時空分布規律（田曉瑞等，2009；2010），與本研究的大部分結果相似。本研究中雷擊火的數量分布與經緯度沒有表現出明顯相關性，其在空間上聚集在某些地區的原因可能是因為落雷對環境具有一定的選擇性（Taylor，1974）。研究發現黑龍江大興安嶺比內蒙古大興安嶺的雷擊火更多更密集，火燒面積也更大，可能是因為黑龍江地區的閃電活動更加頻繁，森林火險較高，需要進一步研究。由于陰坡和陽坡的植被特征、日輻射量、林下環境均差異很大，雷擊火更易在陽坡發生和蔓延。而澳大利亞堪培拉的雷擊火分布與海拔、坡度、坡向等都無關（McRae，1992），可能是地區差異導致雷擊火分布與影響因素的不同。

雷擊火數量的高峰區間與火燒面積不一致，原因可能是一小部分特別嚴重的雷擊火造成了大部分的燃燒面積；火燒面積大小除了受人為撲救措施的控制以外，還受極端天氣影響較大，如持續高溫、長期干旱、大風等天氣，因此，其時空分布沒有規律，需結合氣象要素、地形、撲救力度等因素進行分析（Jollyet al.，2015）。

5 結論

通過研究1980—2021 年大興安嶺雷擊火時空分布特征，得到以下結論：

1）2000 年以后的雷擊火次數總體較2000 年以前明顯增加，絕大多數雷擊火的面積在100 hm2以內。雷擊火發生最早日期為4 月19 日，最晚為11 月30 日，絕大多數雷擊火發生在5—8 月，其中6 月最多，8 月最少。春季防火期結束前后雷擊火數量變化幅度較大。一天中13:00—16:00 為高風險時段，雷擊火發生最多，23:00 至次日5:00 風險最低，幾乎沒有雷擊火發生。

2）雷擊火數量與經緯度、海拔沒有明顯關系，與坡度顯著負相關。不同坡向的雷擊火分布差異明顯，相差幅度最多達23.7%，總體上為南較北多，東較西多。雷擊火在空間分布表現出一定的聚集性，但除坡向外，其他空間類型的面積是影響雷擊火數量的主要原因。

3）雷擊火活躍日數的年份變化大致可分為4 個時期，體現“平緩—上升—高峰—回落”的趨勢。雷擊火峰值日的出現日期沒有明顯規律。基于5 年均值的分析，雷擊火的第一次高峰日在1990—2014 年期間逐漸前移。