2014—2018年内蒙古大兴安岭地区干雷电时空分布特征

曲学斌1 王彦平1 杨淑香1 宋海清2 赵岳冀1 邹晓华

(1.呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008； 2.内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051； 3.内蒙古大兴安岭林管局，内蒙古 呼伦贝尔 021008)

引言

雷击是重要的自然火源，当云地闪击中干枯的树木、草原后极易发生火灾[1]。据统计，1976—2001年，雷击火占加拿大安大略省森林火灾总数的43%[2]；1980—2004年，雷击火占美国阿拉斯加州森林火灾总数的52%[3]；1966—2006年，雷击火占中国大兴安岭地区森林火灾的36%[4]。随着森林管理部门对防火期火源的管理逐步严格，人为火灾的发生概率在逐渐减少，雷击火已逐渐成为我国森林生态环境的主要威胁之一[5]。大兴安岭是中国北方的重要生态屏障，近年来大兴安岭地区雷击火灾频发[6]，2018年6月1日19时，汗马自然保护区突发雷击火，经过7670名扑火人员的全力扑救多日才全部扑灭，过火面积达51 km2；2018年6月21日大兴安岭北部的永安山、乌玛、奇乾连续出现7起雷击火灾，过火面积达1.4 km2；2019年6月19日，金河林业局秀山林场等多地突发雷击火，近5000名扑火人员连续奋战4天3夜才将所有火点扑灭。

目前我国大兴安岭火灾的研究主要针对林火发生规律、时空动态分布和影响因素等[7-8]，王晓红等[9]利用雷电及大兴安岭6个气象站的气象要素建立雷击火预测模型；田晓瑞等[10]利用大兴安岭及周边11个气象站分析雷击火发生时的气象条件。上述研究均表明雷击火常发生在雷电活动频繁且无有效降水的区域，即干雷电发生的区域，而多数雷电出现时均伴随降水，因此无法利用雷电代替干雷电进行雷击火研究。目前干雷电的降水判别主要依靠周边气象站点降水资料，而大兴安岭地区山峦起伏，常出现局地对流性天气，气象站点又非常稀疏，难以精确判别并筛选干雷电。随着卫星遥感及气象数值模式的发展，通过同化技术获取格点化的气象要素实况已成为可能[11]。因此，本文将利用高时空分辨率的格点实况降水监测数据筛选干雷电，并分析其在大兴安岭地区的时空分布特征，为大兴安岭雷击火监测和预防提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古东北部(119.10°—125.40°E、47.06°—53.33°N)，包括内蒙古大兴安岭重点国有林管理局所属19个林业局、1个管护局及呼伦贝尔市所属位于大兴安岭地区的6个林业局，面积为1.1×105km2，平均海拔为784 m，最高海拔为1680 m(图1)。研究区是大兴安岭的主体部分，主要植被是以落叶松为主的混交林，中南部及东部为中温带大陆性季风气候，北部为寒温带大陆性季风气候，年平均气温为-0.9 ℃，年平均降水量为455.3 mm[12]。

图1 大兴安岭地区海拔高度、林业局及气象台站分布Fig.1 Distribution of altitudes,Forestry services,and meteorological stations in the Greater Khingan Mountains

1.2 数据简介及来源

中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)是利用数据融合与同化技术，对地面观测数据、卫星遥感资料和数值模式产品等多源数据进行同化，获取格点化气象要素产品，与传统地面观测数据相比具有高时空分辨率等诸多优势[13-14]。本次研究使用的是CLDAS逐日降水数据，由国家气象信息中心提供，其空间分辨率为0.0625°×0.0625°。雷电数据来自大兴安岭地区的10台ADTD闪电定位系统，监测范围已覆盖整个研究区。该系统是中国科学院研制开发，由定位仪、数据处理站、数据服务网络及终端显示等组成，采用时差法和定向时差法对云地闪进行定位，可以同时监测到雷电的时间、经纬度、电流强度、陡度等，系统定位精度在500 m以内[15]。

1.3 数据处理

首先对CLDAS降水数据在大兴安岭地区的适用性进行检验，利用研究区内5个国家级气象站5—9月逐日降水数据与气象站点所在地的CLDAS格点降水数据进行对比，绘制散点图并计算当站点出现不同量级降水时CLDAS降水的误差，分析CLDAS的监测特点及能否用于干雷电的筛选。之后利用ArcGIS的“值提取至点”工具，提取每一次雷电发生时其所在地对应的CLDAS日降水量值，根据雷电发生时的降水特点，结合大兴安岭植被及前人研究结论确定干雷电发生时的降水阈值并据此筛选干雷电监测数据。最后对大兴安岭地区雷电及干雷电发生次数、电流强度的时空分布特点进行分析，利用ArcGIS的“点密度”、“核密度”工具绘制雷电发生次数及雷电流强度的空间分布图。

2 结果分析

2.1 CLDAS降水产品的适用性

研究区内5个气象站2014—2018年5—9月累计出现降水1266 d，提取气象站所在经纬度对应的CLDAS格点降水量，并与站点降水量共同绘制散点图(图2)。由图2可见，CLDAS降水与站点降水的线性相关系数达0.873，两者具有很好的一致性。一元线性回归的趋势线斜率小于1，常数项大于0，与1∶1线相交于3.7 mm，说明CLDAS在少量降水(<3.7 mm)时存在对降水量的高估，而在较大量级降水(>3.7 mm)时存在对降水量的低估。

图中实线为散点图的趋势线，虚线为1∶1线图2 2014—2018年每年5—9月大兴安岭气象站降水与CLDAS降水散点图Fig.2 Scatter plot of precipitation between the meteorological stations and the CLDAS in the Greater Khingan Mountains from May to September during 2014 to 2018

分雨量统计CLDAS与站点降水的误差(表1)。气象站点未出现降水的天数中，CLDAS误判为有降水的日数占站点未出现降水的27%，平均降水量误差为0.2 mm且仅有1%的站点未出现降水时CLDAS误判的降水量超过了5 mm。在站点降水为0.1—5.0 mm时，CLDAS降水的平均误差为0.4 mm，其中误判为无降水的日数占站点降水0.1—5.0 mm的10.6%，误判为5 mm以上降水的日数占站点降水0.1—5.0 mm的7.6%。站点降水为5—10 mm时，CLDAS降水的平均误差为-0.6 mm，其中误判为5 mm以下降水的日数占站点降水5—10 mm的27.0%，误判为10 mm以上降水的日数占站点降水5—10 mm的13%。站点降水为10—25 m时，CLDAS降水的平均误差为-2.0 mm，误判为5 mm以下降水量的日数占站点降水10—25 m的7.3%。对于25—50 mm和≥50 mm降水来说，CLDAS误判

表1 2014—2018年每年5—9月大兴安岭不同量级站点降水与CLDAS降水的误差对比Table 1 Error of precipitation between the meteorological stations and the CLDAS in the Greater Khingan Mountains from May to September during 2014 to 2018

为5 mm以下降水量的日数为0，降水的平均误差分别为-9.4 mm和-10.9 mm。

对于利用降水筛选干雷电,以提高雷击火防范效率来说，降水高估会造成部分湿雷电被误判别为干雷电，从而增加防火工作成本，降水低估则会造成湿雷电误判为干雷电，造成与雷击火相关的干雷电被遗漏，相比之下降水低估对干雷电筛选和森林防火的影响更大。由以上分析可知，CLDAS降水与站点降水的平均误差较低，但存在少量降水高估而大量级降水低估的现象。CLDAS会将27%的5—10 mm降水和7.3%的10—25 mm降水误判为5 mm以下，但仅有7.6%的0.1—5.0 mm降水和1%的无降水误判为5 mm以上，虽然CLDAS筛选干雷电仍存在一定误差，但多数是将湿雷电误判为干雷电，对森林防火影响有限，且在现有实况气象产品中，CLDAS的高时空分辨率优势明显，因此可以使用CLDAS进行干雷电的筛选。

2.2 雷电发生概况

大兴安岭地区年平均雷电次数为36013.4次，其中正地闪3351.4次(占9.3%)，最大电流强度为892.6 kA；负地闪32662次(占90.7%)，最大电流强度为-981.4 kA。大兴安岭地区的日雷电次数最多为6581次，出现在2017年6月28日，每年大兴安岭地区有雷电出现的日数平均为110.4 d，主要集中在每年5—9月，占全年总雷电出现日数的92.4%。大兴安岭地区的年平均雷电密度为0.34次/km2，每平方公里的年平均绝对雷电流强度(雷电流强度取绝对值)为14.7 kA，其空间分布见图3a和图3b。大兴安岭东侧为夏季风的迎风坡，受地形抬升作用影响，该地区更易发生对流性天气，具体而言在南木、巴林、绰尔、大杨树、阿里河、吉文、甘河、阿龙山、汗马自然保护区、永安山等地均有年平均雷电次数超过0.6次/km2，上述地区的绝对雷电流强度也普遍偏强，是大兴安岭地区的雷电高发区。金河和莫尔道嘎等地由于地处大兴安岭西侧的夏季风背风坡，雷电次数相对较少，绝对电流强度也普遍偏弱。

图3 2014—2018年大兴安岭地区年平均雷电次数(a)及绝对雷电流强度分布(b)Fig.3 Spatial distributions of annual average thunder frequency (a) and absolute thunder current intensity (b) in the Greater Khingan Mountains from 2014 to 2018

2.3 干雷电发生情况分析

2.3.1 干雷电的降水阈值

根据雷电发生时对应当天的CLDAS逐日降水来看，有42.3%雷电发生时的日降水量小于5 mm，19.1%雷电发生时的日降水量在5—10 mm，26.8%雷电发生时的日降水量在10—25 mm，11.8%雷电发生时的日降水量大于25 mm。目前干雷电定义的降水阈值并不统一，也缺乏明确的计算方法。Dowdy和Mills[16]在澳大利亚东南部研究表明，如果以降雨量4—7 mm时单次云地闪电的引燃概率为标准值，则降水量小于2 mm的引燃概率为标准值的2倍，降雨量小于1 mm时的引燃概率为标准值的4倍。Rorig等[17]将1个对流雷暴过程发生且降雨量小于2.54 mm作为太平洋西北地区的干雷电日标准；赵可新等[18]对比大兴安岭地区134起雷击火和周边气象站点降水发现，雷击火发生时的站点日降水基本均小于5 mm，仅有6次雷击火对应的降水量大于5 mm。综合考虑前人研究成果以及大兴安岭地区森林密度较高，少量级降水会被树木截留难以落地等因素，将5 mm作为大兴安岭地区干雷电发生的阈值。

2.3.2 干雷电时间分布特点

2014—2018年干雷电和非干雷电的年变化和月变化见图4a和图4b，年平均干雷电发生次数为15229.8次，其中2018年干雷电次数最少(11344次)，2017年干雷电次数最多(18121次)，干雷电次数占总雷电次数的32.2%—50.5%。干雷电的平均绝对电流强度为45.7 kA，比雷电平均绝对电流强度高2.2 kA。从雷电和干雷电的各月变化来看，6月的年平均雷电发生次数最多(13427.2次)，7月的年平均干雷电出现次数最多(6288.6次)，对比雷电流绝对强度可以看出，5月和9月的雷电流绝对强度要明显高于6—8月，且干雷电的绝对电流强度也要高于同期的雷电流平均强度。干雷电年、月发生次数与对应降水量的相关分析见图4c和图4d，年干雷电的发生次数与年降水量的相关系数为-0.745(P<0.01)，存在一定的负相关关系，而月干雷电的发生次数与月降水量的相关系数为0.917(P<0.01)，呈现一定的正相关关系。说明在年尺度上，降水量越少的年份干雷电发生次数越多，但在月尺度上，降水越多的月份干雷电发生次数也越多。

图4 2014—2018年大兴安岭地区干雷电发生次数与绝对雷电流强度年变化(a)和月变化(b)、年干雷电次数与年降水量的相关性(c)、月干雷电次数与月降水量的相关性(d)Fig.4 Annual (a) and monthly (b) variations of the number of dry thunder and the absolute thunder current intensity and correlation analysis of annual (c) and monthly (d) dry thunder with the corresponding precipitation in the Greater Khingan Mountains from 2014 to 2018

2.3.3 干雷电空间分布特点

大兴安岭地区干雷电年平均发生次数及电流绝对强度空间分布见图5a和图5b。干雷电出现较多且雷电流较强区域多处于大兴安岭地区南部、东部和东北部，其中永安山东部、满归南部、阿龙山东部、汗马自然保护区北部、甘河东部、阿里河西部、吉文北部、大杨树东南部、巴林南部、南木、绰尔东部等地的年平均干雷电次数达到0.4次/km2，是干雷电高发区，上述大部分地区每平方公里的雷电流绝对强度也在12 kA以上，是雷击火的重点防范区域。中东部地区的干雷电相对较少，莫尔道嘎、金河、根河、得耳布尔等地的年平均干雷电发生次数小于0.1次/km2，每平方公里的雷电流绝对强度一般也都小于4 kA。

图5 2014—2018年大兴安岭地区年平均干雷电次数(a)及绝对雷电流强度分布(b)Fig.5 Spatial distributions of the annual average number of dry thunder (a) and absolute thunder current intensity (b) in the Greater Khingan Mountains from 2014 to 2018

3 结论

(1)CLDAS与站点降水相比在少量降水时存在对降水量的高估，而在较大量级降水时存在对降水量的低估。但整体误差较小，且具有较高的时空分辨率，可以满足大兴安岭地区雷电监测中对干雷电筛选的需求。

(2)大兴安岭地区的年平均雷电次数为36013.4次，以负地闪为主，年平均雷电日数为110.4 d，且主要集中在每年5—9月。大兴安岭地区的雷电有42.3%在发生时的日降水量小于5 mm，综合考虑大兴安岭植被及前人研究成果，宜将5 mm作为大兴安岭地区干雷电发生的阈值。

(3)2014—2018年，年平均干雷电发生次数为15229.8次，干雷电的雷电流强度比雷电平均电流强度高，且在降水偏少的年份干雷电反而有偏多的趋势。每年6月的年平均雷电发生次数最多，7月年平均干雷电出现次数最多，雷电流的平均强度在5月和9月较强。

(4)大兴安岭地区的林业局中，永安山东部、满归南部、阿龙山东部、汗马自然保护区北部、甘河东部、阿里河西部、吉文北部、大杨树东南部、巴林南部、南木、绰尔东部等地的年平均干雷电次数达到0.4次/km2，且上述地区的雷电流绝对强度也普遍偏强，是大兴安岭干雷电的高发区域。