森林雷击火特点和监测预警技术研究进展

张 媛，李胜男，张运生

（1.国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010；2.湖北省武当山航空护林站，湖北 十堰 442000；3.南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

1 国内外雷击火发生概况

林火是生态系统的重要组成部分，全球尺度上林火是重要的干扰因子，它影响着地球生物化学循环，在大气的化学循环和碳循环中起着重要作用[1]。作为天然火源重要部分的雷击火，它与其他因素导致的林火一同构成了全球的林火体系。雷暴及雷电在世界各地非常频繁，被认为是引发森林火灾最重要的自然因素之一，根据地球表面雷电风暴的分布，由雷击火引起森林火灾最多的国家，主要是美国、加拿大、俄罗斯、中国和澳大利亚等国。加拿大的雷击火占总数的76%；澳大利亚维多利亚州大约每年584场森林火灾中，大约26%的森林火灾是由雷击引起来的，过火面积几乎占过火面积总数的50%[2]。美国每年平均有1-1.5万次雷击火，美国西部山区大约有68%的森林火灾是由雷击火引起的[3，4]。俄罗斯每年发生的雷击火占森林火灾总数的16%左右。

我国的雷击火在少数地区也相当严重，其中以大兴安岭和呼盟林区尤为突出。大兴安岭地区几乎每年都有雷击火引起的林火，也是全国雷击火发生最多、最集中的区域[5]。雷击火发生次数最多的省份为内蒙古自治区和黑龙江省，主要分布在北纬49°-54°，东经120°-127°之间。统计1999-2007数据，这两个省份雷击火次数占全国雷击火总数的71.40%。受气候变化影响，雷击火1999-2007年有明显增加的趋势，雷击火次数占全国火灾次数的1.14%。后些年份雷击火次数增加更明显，2007年雷击火次数占当年火灾次数的2.55%，次数和比例均增加了1倍多。

2 影响雷击火发生的主要因素

雷击火是由雷暴形成的“连续电流”接触地面具备燃烧条件的可燃物发生的火灾。所有的正极放电均有连续电流，约20%的负极放电有连续电流[6]。可燃物是否点燃依赖于电流持续的时间和雷电击中可燃物的种类。对于较大的可燃物，雷击引发火灾比较依赖于可燃物的含水量，而对于细小可燃物则更依赖于半腐层厚度。在各种状况下，雷击火的蔓延均与可燃物的含水率密切相关[7]。

雷电是一种复杂的大气放电现象，它是雷暴天气的最基本特征之一，它的变化一定程度上反映了雷暴天气的活动规律。我国大部分地区年平均雷暴30年来有减少的趋势，以东南沿海为最，东北地区20世纪80年代以来雷暴频数居多，有明显的相反变化。利用大气环流模式对全球雷电活动进行模拟表明在全球范围内每分钟有79次雷击，陆海比为12.2，雷电活动多发生于北半球的夏季且具有明显的季节性特征。

雷击火的分布首先与雷暴系统的路径有关。受雷暴活动影响，雷暴有地方性雷暴和锋面雷暴。地方性雷暴是由于地形作用，只局限于一定的区域；锋面雷暴是由于冷气团的作用，暖气团抬高形成的雷暴，能在锋面上几处同时发生[8]。其次，雷击火分布受植被状况和地形的影响，沟塘、草甸、河谷草地最容易发生雷击火[9]；在高海拔地区发生雷击火频率较高，平原地区突出地面高的物体易遭雷击，在山脉相连接地带遭雷击的次数明显增多。我国黑龙江、内蒙古大兴安岭林区雷击火分布的平均海拔为663 m，峰值分布在452～753 m之间。最低海拔为226 m，最高海拔为1 280 m。与人为火相比，雷击火分布的海拔总体较高。因此，雷击火的预防与扑救难度要大。雷击火的发生还受气象因子影响，降水量和平均温度对雷击火发生起主导作用[10]。当降水量小于1 mm时，对可燃物含水率几乎没有影响，大兴安岭林区雷击火就多发生在降水量小于1 mm的干雷暴天气。降水量越大，越不易着火，当降水量大于5 mm时，一般不易发生森林火灾，就是已经发生的森林火灾，有时也会被浇灭或大大减弱而易于扑救。可燃物因子、地形因子和气象因子构成了雷击火发生的火环境。

3 雷击火监测预警

尽管雷电是自然现象，但其规律性还是可以掌握的。首先必须弄清不同雷电能量在各种植被、气象条件下着火与蔓延的规律，在实验室里能够完成这方面的研究。其次是雷电的监测，卫星云图可见光波段和红外波段范围都能提供雷暴云的信息，可在云图上勾划出可能发生雷击火的区域[11]。美国使用雷电探测定位系统，可探测半径400 km以内90%以上的闪电并自动记录闪电的时间、角度和次数，进行定位分析，计算出闪电的位置，确定闪电强度最大的地点，即落雷概率最高，可能发生雷击火的地点，然后对雷击进行预报。微波气象雷达可探测几百公里范围内的雷电活动情况。闪电计数器靠接收闪电辐射的电磁波，可记录50 km内的闪电发生次数，定性地估算雷暴活动的强度；雷电多站定位可以探测几千公里的雷电活动。目前单站定位也能够粗略地确定雷电的位置。确定了雷电的位置和当地的植被状况以及气象条件，就可确定闪电是否引发了森林火灾，从而及时采取有效的扑救措施。

美国和加拿大的国家森林火险等级系统中都涉及雷击火的预测预报模式。但这些预测模型还不成熟，只是在部分地区进行了应用。美国西北部门间合作中心采用可燃物干燥度、雷击概率预测和雷击数量评估模型结合作为一个预测因子输入逻辑斯谛回归模型，预测雷击事件概率，即实际可能发生大火的火险概率[12]。Magnussen根据雷击火发生的地点、时间，以及雷击数据、森林覆盖率、地表气象观测数据，大气稳定性指数和细小可燃物含水率指标（FFMC），采用二项Logistic模型模拟不列颠哥伦比亚省火灾发生概率[13]；Wotton等采用Logistic模型使用雷击、火灾天气、可燃物含水率、火行为指数、火灾数据模拟安大略省生态区雷击点燃引发阴燃火的概率和雷击点燃引发明火的概率[14]。加拿大基于雷击点燃模型建立了一个雷击火发生预测系统，并在加拿大部分地区得到应用。我国大兴安岭林区正在完善的雷电监测系统，将可以监测雷电发生的方位、强度、距离和频次。这些数据将为未来开展雷击火的预测预报研究提供基础数据[15]。多数雷击发生会伴有显著降水。但是，简单的预测雷击活动水平不能准确地确定潜在的火发生。雷击火的发生与可燃物类型、雷击类型、地形和植被结构都有密切关系。

雷击火点燃概率模型的基本过程是通过估计具有长时间连续电流的闪电的概率来进行计算点燃的概率、火源能进一步发展的概率以及闪电到达地面的概率。单独的概率模型与雷电、午时天气和森林清查数据一起用来预测点燃的数量、林火存活的数量和可探测火的数量，这个模型是空间火管理系统的一部分。雷击火的发生与雷电的时间分布和空间分布密切相关，在每个一公里的单元格上的点燃效率以每次放电为基础进行计算。如果效率比较高，则9次雷击会引发1次雷击火，在极端情况下，5次或更少次雷击就可引发森林火灾。

1976年，美国土地管理局与亚利桑那大学大气物理所签订合约开发雷电探测系统。1977年，首次试验性网络安装在阿拉斯加和大盆地。美国土地管理局与雷电定位与保护公司签订合同供应第一个可操作的自动雷电探测系统，到1979年，美国土地管理局已经在阿拉斯加和美国西部建立运作的自动雷电探测系统。目前，土地管理局、林务局、国家气象局和其他几个州已经与一个商业运营商签署了提供实时雷电探测信息的合同。1999年，美国林务局利用雷电位置数据和地方小尺度的空间数据对已有系统进行发展，对实时的雷电信息能够在地理信息上进行显示，这就是自动雷电显示系统。这个系统是基于ArcView扩展模块的一个客户端应用程序，能够下载和显示雷电信息。可以从西部气象中心得到有关雷电的历史数据。

4 雷击火预防与控制

雷击火常常引发地下火，对林木的根部危害极其严重，经济损失十分惨重。在雷击火高发区，可以人为消除云地闪电，从根本上消灭雷击火。目前采用的方法：一是采用喷气式飞机大角度着陆飞行产生拖带下沉气流，可使云层消散或云顶降低，或在云顶撒播黏土、盐粉等固体物质造成下沉气流并产生降水；二是破坏雷雨云的起电机制，采用飞机撒播碘化银，使雷雨云起电机制遭到破坏；三是消除或减弱云中电荷中心，抑制闪电的发生，如撒播金属丝等导电性较好的物质，减弱或中和云中的电荷中心，使云中电场减小，从而消除闪电,也可采用高速运动物体诱发云内闪电，破坏雷雨云的起电机制[16]。如从地面向云中发射带有长导线尾巴的小火箭诱发云内闪电，可以消除云地闪电，从而避免森林雷击火灾。消除闪电可彻底消灭雷击火，但其成本很高，如采用飞机干扰雷雨云、小型火箭引发云内闪电等。

美国农业部森林管理局在落基山脉北部进行了一系列试验。第一个人工影响闪电的系统性计划实施是1960年和1961年夏季在蒙大拿州西部进行的。最初的预备性实验是为了检验播撒作业对闪电频率的影响，并评估一下山区的闪电观测方法和云播撒作业技术。试验结果表明，作业日的云地放电数比非作业日减少38%，放电的电荷和电流变化可以通过整个放电过程中静电场的连续观测结果来计算。目前世界各国对雷火的控制，多是采用着火后进行及时有效扑救。因此，雷击火的预测、预报是防雷减灾的主要措施。

5 雷击火的生态意义和管理措施

森林火灾是北方林生态系统中重要的干扰因子，是北方林更新和恢复的基本驱动力。许多物种适应火影响生境，火对北方林的空间格局分布有多方面的影响[17]。长期以来，人们无限制地积极扑灭一切林火，无论是人为火，还是自然火。长时期的林火扑救工作导致林中可燃物非自然性的积累。在这种情况下，一旦发生火灾，极易发展为大面积的、不易扑救、破坏巨大的森林火灾。雷击火是一个平衡的生态系统中自然和健康的一部分，以正常周期发生的森林火灾可以有效地降低可燃物的载量，降低林火的破坏性；同时，地表火可以有效地烧毁枯草、灌木和一些病朽木，有助于成熟林的健康生长。

对自然火重要性的认识决定了计划火烧措施的实施。这意味着他们将继续扑灭人为火，而将自然火源引起的森林火灾限制在不威胁人们生命财产的限度内。事实上，人们有时有意地点燃一些林火以恢复森林中正常的火周期。美国的爱达荷州，有许多火烧迹地的斑块裸露在森林中，与其他不同生长阶段的森林一起成为森林生态系统的组成部分。当雷击火发生时，管理者首先根据当前或预期的天气和温度状况以及可以提供的扑救力量对林火进地估计。

在有些地区，比如美国的黄石公园，林火通常是促进N循环最有效的工具。在夏季的午后，发生雷击而没有伴随充足降水，如果可燃物足够干燥并且载量较大时，这些可燃物很容易被引燃，发生雷击火。尽管每年公园内发生雷击几千次，但它们一般很难引燃可燃物，一年中大约有58次森林火灾是雷击引起的，并且它们中的大部分由于可燃物过于分散或过于潮湿会自动熄灭。不同于细菌和真菌的缓慢分解，森林火灾对N的释放是快速的、爆发式的。

在黄石的草原区，雷击火是维系草原本身诸多因素中的一部分。当缺少火灾时，山艾树能生长形成郁闭的树冠，这时树木开始从周围的森林侵入草原，最终形成树丛连成一片[18]。

雷击火作为自然火在与森林协同发展过程中，成为森林生态系统中重要的组成部分。同时，随着这种发展，森林的结构、格局和组成也会协同雷击的分布相应的发展。因此，研究雷击火的分布、周期等对研究森林生态系统的进化是有意义的。

6 气候变化情景下雷击火发生特点和趋势

大的森林火灾往往发生在气候温暖时期。变暖会引起雷击火的发生次数增加，防火期延长。极端火险天气增加，会导致大面积森林火灾更加频繁。雷击火是太平洋西北部森林火灾的主要火源，特别是干雷暴。研究表明加拿大和阿拉斯加绝大部分大火灾是由雷击火引起的，雷击只在一定的区域内发生，并且当前的气候变化已使阿拉斯加地区的雷击火源增加。厄尔尼诺事件期间干雷暴和伴随的闪电活动增强，由雷击火引发的过火面积的比例大量增加[19]。

季节性降水量和湿度的减少对雷击火的多发起到决定性的作用。尤其降水减少的月份与雷击月份相一致。增多的雷击火源和季节性水分的不均衡性可能在湿润的气候状况下也会引发频繁的火灾。

在阿拉斯加内陆，温暖、干旱的条件增加了夏季野火发生的概率。1940年以来的火面积统计数据表明，17次大火灾中有15次发生在中等到强度厄尔尼诺事件后或间期内。这15年的火面积占到近58年来总火面积的63%。数据表明，厄尔尼诺事件期间干雷暴和伴随的闪电活动增强。在5次厄尔尼诺期间，由雷击火引发的火面积占总火面积的比例由不足40%增加到96%。

厄尔尼诺事件期间干雷暴和伴随的闪电活动增强，由雷击火引发的过火面积的比例大量增加，森林火灾的空间分布受火因、地形、人类活动、气候变化、可燃物分布等综合因素的影响[20]。某一区域多年的林火分布特征，是多年多种因素综合作用的结果，具有一定的稳定性，加拿大和阿拉斯加绝大部分大火灾是由雷击火引起的，雷击只在一定的区域内发生，并且当前的气候变化已使阿拉斯加地区的雷击火源增加。季节性降水量和湿度的减少对雷击火的多发起到决定性的作用。尤其降水减少的月份与雷击月份相一致。雷击火源和季节性水分的不均衡性可能在湿润的气候状况下也会引发频繁的火灾。

美国空间研究所利用大气环流模式研究了过去和未来气候变化对全球雷击频率的影响，设计了两种气候情景：一个是2倍CO2浓度预期气候情景下的气候（代表全球升温4.2℃），另一个是太阳常数下降2%（代表全球气温下降5.9℃）时的气候。研究结果显示，2倍CO2浓度预期气候情景下全球雷击活动增加30%，而在凉爽气候条件下，雷击活动下降24%，并认为气温每升高或降低1℃，全球的雷击活动频率将会有5%～6%的变化。空间研究所还对云内雷击和云-地雷击的频率进行了模拟，发现云-地雷击的频率对气候变化的敏感性要高于云内雷击的频率，而云-地雷击才是导致雷击火的根源。空间研究所的研究还表明，发生极端干旱条件的概率将从当前的1%增加到2060年的50%。

7 结论

雷电发生具有时空随机性、危险性、瞬时性，特别是不同地区之间闪电特征的差异性，这些都增加了对闪电、放电引燃物理过程和活动规律认识的难度。雷击火的发生与雷电发生、可燃物状况、气候条件、地形等因素密切相关，这些因素的共同作用，使得雷击火的分布具有一定的时空特征。全球气候变化对雷暴分布的影响、可燃物状况的综合影响对雷击火的影响以及气候变暖背景下我们所面临的与之相适应的林火管理策略是我们亟须研究的主要内容。

目前对我国雷击火活动规律的认识仍然不够全面，雷击火预报结果还不能满足林火管理需要，雷击火研究的突破性进展需依赖于对雷电起电、放电过程以及与森林火环境之间相关性的充分认识。因此，利用卫星、雷达和大气电场测量系统，人工引雷和野外点燃实验等手段，对我国雷击火引燃特征及其活动规律开展系统研究，加深对雷击火发生发展特征的认识和理解，建立雷击火多元发生预报模型，提高预报我国雷击火发生概率的准确度和精度，以期对雷击火进行有效的预防和控制。