多源气象资料在森林雷击火辨识中的应用

钱 勇，邱贵强，张华明，李 强，崔 蕾，李云飞

（1. 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2. 山西省气象台，山西 太原 030006；3. 山西省气象灾害防御技术中心，山西 太原 030032；4. 山西省防灾减灾保障中心，山西 太原 030001；5. 山西省大气探测技术保障中心，山西 太原 030002）

引 言

森林火灾的起火原因可分为人为火源和自然火源，其中，自然火源主要为雷击火、火山爆发、泥炭发酵自燃、地表植被物堆积发酵自燃等。起火原因判定历来是森林火灾事故调查的重点和难点，特别是有天气过程存在时，如何准确判定是自然火源还是人为火源，一直是研究关注的课题［1］。

在气候变化大背景下，加强火源管控使人为森林火灾明显减少，而雷击森林火灾的比率相应上升。近年来，发生的重特大森林火灾中，由雷击引发的火灾占比由原先的不足5%上升到60%以上［2］。同时，温室效应导致雷电活动逐步增多、许多少雷区变为多雷区，未来雷击森林火灾形势越来越严峻［3-4］。雷击虽然是引发森林火灾的一大原因，但是开展森林火灾事故调查时应科学合理，不要让雷击灾害成为逃避责任的避风港。如四川省凉山州西昌市“3·30”森林火灾事故，起先认定是雷击火导致的，随后根据详细调查分析，认定火灾性质是一起受特定风力风向作用导致电力故障引发的森林火灾。

雷击引起森林火灾的原因主要是雷暴，特别是干雷暴。干雷暴一般降水少、地面增温、相对湿度较低，若可燃物干燥、风力较大，一旦发生雷击，很容易着火并蔓延成灾，所以气象资料在雷击森林火灾调查中具有重要作用［5］。如杜野［6］根据内蒙古北部原始林区森林公安局查办的雷击火案例，分析了森林火灾中雷击火的相关判定依据，认为在雷击森林火灾调查中需要结合气象资料、现场环境以及对雷击特点与规律的综合分析。杨淑香等［7］从雷击火发生环境，雷击火与云地闪、干旱的关系方面，总结出雷击火主要发生在火险比较高、闪电活动频繁且无有效降雨的区域。

根据认定的雷击森林火灾案例，分析其气象要素演变特征，对雷击火预测模型建立、森林雷击火灾风险评估区划等工作有重要意义［8-10］。如雷小丽等［11］分析了大兴安岭地区森林雷击火与闪电的关系，发现雷击火与闪电次数呈正相关，并据此发展了基于闪电定位数据的火险指数算法。王晓红等［12］利用大兴安岭林区的雷击火灾、闪电定位数据和其他气象数据，建立了该地区雷击火预报的二项Logistic回归模型，通过检验发现模型预测效果较理想。

综上所述，气象资料在雷击森林火灾认定和雷击森林火险预警模型建立方面均有着非常重要的作用。本文主要根据山西省沁源县“6·5”森林火灾事故，利用多源气象资料详细分析此次事故原因，并分析此次雷击森林火灾中的气象要素演变特征，以期为雷击火预测模型的建立、森林雷击火灾的风险评估区划等工作提供参考依据。

1 数 据

考虑到大部分森林火灾发生在原始森林里，交通不便，人员稀少，自动气象站不能实现有效覆盖［13］。因此气象要素数据使用的是欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代全球大气再分析产品——ERA5 的小时数据，其空间分辨率为0.1°×0.1°；闪电数据来源于山西省气象局活动目录拓扑图（active divectory topology diagrammer，ADTD）闪电监测定位系统，能够实时提供闪电发生时间、地理位置、电流强度等［14］；卫星资料来源于风云四号卫星的热源点（fire hot spot，FHS）检测数据产品；雷达资料来源于长治雷达站。

文中附图涉及地图是基于国家测绘地理信息局审核批准的审图号为GS（2017）3320号的标准地图制作，底图无修改。

2 事故背景及现场勘查情况

2020年6月5日下午，山西长治市沁源县交口乡发生森林火灾事故，市政府成立沁源县“6·5”森林火灾灾后调查评估组。16：48（北京时，下同）村民发现南洪林村山背后冒烟，判断可能着火，随后报警。根据事故区域附近村民介绍，6 月5 日中午，事发地乌云密布，且一直有雷声，当日气温较高、有风、有降水但雨量不大。调查组通过现场勘查，事故区域土地利用类型主要是林地，起火树种主要是油松，燃烧后的草木灰深可没足，附近未燃烧区域的油松腐植层较厚，属于易燃区域。周围无开垦种植情况，林内无工程施工痕迹，无“电猫”、铁圈、弹壳等狩猎痕迹，无高压线路及用电设施，地貌陡峭且非景区，人员到达非常困难。火场内有树皮明显剥落（图1），符合雷击树木的表现。调查组可以确定的一处起火点，位于交口乡信仪村段家沟西岭（112.425758°E，36.580563°N），图2为起火点周边地形。

图1 火场内树皮剥落Fig.1 The bark peeled off inside the fire

图2 起火点周边地形Fig.2 Terrain around the fire site

3 结果分析

3.1 天气背景

2020 年6 月5 日14：00，500 hPa 亚欧中高纬为两槽一脊的环流形势，山西南部受高空槽后西北气流影响（图3），着火点及其附近出现相对湿度60%~80%的高值区；对应700 hPa 山西东南部主要受西南气流影响，整体表现为辐散下沉运动［图4（a）］，而850 hPa 山西东南部存在东南风和西南风的风向辐合以及风速辐合［图4（b）］，表明存在一定的动力抬升条件，但上升运动伸展高度整体较低；从温度场（图略）来看，中低层均处于河套附近的暖区控制中，湿度条件都比较差；对应地面，内蒙古中西部有低压发展，山西南部处于其前部，有利于午后升温，热力条件较好。综合来看，山西南部存在对流性天气的可能性，且以热力对流为主。另外，山西南部存在K指数大于25 ℃的区域，这也进一步说明局地有对流性天气的可能性。

图3 2020年6月5日14：00 500 hPa位势高度场（等值线，单位：dagpm）、风场（风矢，单位：m·s-1）和海平面气压场（彩色填色区，单位：hPa）（★为起火点，下同）Fig.3 500 hPa geopotential height field（isolines，Unit：dagpm），wind field（wind vector，Unit：m·s-1）and sea level pressure field（color shaded areas，Unit：hPa）at 14：00 BST on June 5，2020（The black star represents the fire site. the same as below）

图4 2020年6月5日14：00 700 hPa（a）和850 hPa（b）风场（风矢，单位：m·s-1）、散度场（彩色填色区，单位：10-4s-1）、K指数（等值线，单位：℃）的叠加Fig.4 The superposition of 700 hPa（a）and 850 hPa（b）wind field（wind vector，Unit：m·s-1），divergence field（color shaded areas，Unit：10-4 s-1），K index（isolines，Unit：℃）at 14：00 BST on June 5，2020

3.2 雷达监测情况

图5为2020 年6 月5 日午后长治站雷达组合反射率因子的演变情况。可以看出，13：53 沁源北部出现对流单体，回波强度开始超过35 dBZ，之后逐渐向东南方向移动，14：38 回波强度缓慢增强至50 dBZ 左右，之后在该回波强度逐渐减弱的同时，沁源中部偏东的地区开始有超过35 dBZ 的回波发展，且强度逐渐增强，范围逐渐扩大，15：46 最强回波达50 dBZ，起火点正好位于较强回波的边缘，16：05 该回波东移出沁源。进一步通过雷达组合反射率因子垂直剖面（图6）看出，超过45 dBZ 的回波伸展高度较低，主要位于2 km 高度以下，没有强对流特征，对流强度整体较弱，属于弱局地对流性单体，存在强降水可能性较小。

图5 2020年6月5日13：53（a）、14：38（b）、15：46（c）和16：05（d）长治站雷达组合反射率因子（单位：dBZ）Fig.5 The composite reflectivity factor from Changzhi radar station at 13：53 BST（a），14：38 BST（b），15：46 BST（c）and 16：05 BST（d）on June 5，2020（Unit：dBZ）

图6 沿图5（c）中黑实线的雷达组合反射率因子垂直剖面（单位：dBZ）Fig.6 Vertical profile of radar composite reflectivity factor along the black solid line in Fig. 5（c）（Unit：dBZ）

3.3 闪电监测情况

图7为2020 年6 月5 日不同时段起火点周围10 km 内的闪电空间分布。可以发现，15：00—16：00 有两次闪电发生，其中一次闪电距离起火点只有430 m，并且此次闪电为正极性地闪，发生时间为6 月5 日15：39，电流强度42.2 kA，电流陡度7.9 kA·us-1。长时间连续放电是能够引燃可燃物的云地闪电具有的重要特征，负地闪伴随长时间连续放电的概率约为20%，而正地闪约为85%［15］。综上，此次闪电事件在时间、空间闪电极性上均能较好地解释此次火灾事故。

图7 2020年6月5日不同时段起火点周围10 km闪电空间分布（向北向东为正，向南向西为负）Fig.7 The spatial distribution of lightning within a ten-kilometre radius of the fire site in different period on June 5，2020（the northward and eastward are positive，the southward and westward are negative）

图8为2020 年6 月5 日15：30、15：36、15：42 雷达组合反射率因子与对应体扫内的闪电空间分布。可以看出，起火点处于对流云边缘，闪电发生时刻对流云团正处于发展旺盛阶段，但雷击点并未处于对流云团强回波区域，这和以往的认知有所差别，可能是此次闪电本身就起始于弱回波区域，或者起始于强回波区域，通过在云层中水平发展，最后雷击点落到弱回波区域，类似于“晴空霹雳”的现象，这种情况在雷击森林火灾调查时也需要注意。

图8 2020年6月5日15：30（a）、15：36（b）和15：42（c）雷达组合反射率因子（单位：dBZ）与对应体扫内的闪电分布（加号为正极性云地闪）Fig.8 The spatial distribution of radar composite reflectivity（Unit：dBZ）at 15：30 BST（a），15：36 BST（b），15：42 BST（c）on June 5，2020 and lightning in the corresponding volume scan（The plus sign represents positive cloud-to-ground）

3.4 气象因子

雷击火灾前提是地表有干燥的可燃物［16］，因此提取了事故前3 d 的降水和气温资料，6 月2 日起火点累计降水量18.0 mm，平均气温19.0 ℃，3日、4日没有降水，平均气温分别为21℃、23℃。图9为2020年6 月5 日12：00—17：00 2 m 气温空间分布。可以看出，火灾发生之前起火点增温明显，气温为30~33 ℃。由于天气较为干燥，提高了地表的干燥度，雷击火源后，地面腐殖质容易燃烧。

图9 2020年6月5日12：00（a）、13：00（b）、14：00（c）、15：00（d）、16：00（e）和17：00（f）2 m气温空间分布（单位：℃）Fig.9 The spatial distribution of 2 m temperature at 12：00 BST（a），13：00 BST（b），14：00 BST（c），15：00 BST（d），16：00 BST（e），and 17：00 BST（f）on June 5，2020（Unit：℃）

雷击火发生时的降雨是雷击火发展最重要的限制因素，一般把过程降雨量为2.0~2.5 mm 的雷暴过程定义为干雷暴［17-18］。干雷暴是一种形成于大气对流层的特殊天气过程，其可以在没有明显降雨的情况下产生云地闪电，是引发森林雷击火的重要原因。图10 为2020 年6 月5 日12：00—17：00 小时降水量空间分布，闪电发生时段（15：00—16：00）起火点所在区域降水量小于0.1 mm，随后一个时段内的降水量也小于0.1 mm，长时间较小的降水量非常利于雷击火的发展。

图10 2020年6月5日12：00（a）、13：00（b）、14：00（c）、15：00（d）、16：00（e）和17：00（f）降水量空间分布（单位：mm）Fig10 The spatial distribution of precipitation at 12：00 BST（a），13：00 BST（b），14：00 BST（c），15：00 BST（d），16：00 BST（e）and 17：00 BST（f）on June 5，2020（Unit：mm）

图11为6 月5 日12：00—17：00 10 m 风速空间分布。可以看出，事故发生前后起火点所在区域都有微风，根据黑龙江省对大兴安岭雷击火灾的调查，发现雷击森林火灾具有延迟性，被击燃烧物会经过一段时间的隐藏式缓慢燃烧，形成火势后引燃周围可燃物，这个隐藏式缓慢燃烧时间为1～48 h，个别的甚至超过一周［2］。此次起火点区域的微风可能更有利于隐藏式缓慢燃烧这段过程。

图11 2020年6月5日12：00（a）、13：00（b）、14：00（c）、15：00（d）、16：00（e）和17：00（f）10 m风速空间分布（单位：m·s-1）Fig11 The spatial distribution of 10 m wind speed at 12：00 BST（a），13：00 BST（b），14：00 BST（c），15：00 BST（d），16：00 BST（e），17：00 BST（f）on June 5，2020（Unit：m·s-1）

此外，风云四号卫星监测到此次火灾的时间是6 月5 日20：30 左右，而16：48 就有村民发现南洪林村山背后冒烟，说明卫星资料对火情的初期监测有延迟性，同时，也说明开展人工瞭望塔监测的必要性。雷暴发生后，在雷暴移动路径区域开展监测瞭望，争取早发现、早出动、早扑救。

4 讨论与结论

通过对天气形势、雷达监测、闪电监测等多源气象资料的分析发现，此次森林火灾由弱的局地对流性单体发展产生的一次正地闪导致，闪电发生时间为6 月5 日15：39，电流强度为42.2 kA。前期起火点所在区域连续2 d 未发生降水，当日火灾发生之前地面增温明显，温度为30~33 ℃，天气较为干燥，雷击火源后，地面腐殖质容易燃烧。雷击点处于对流云边缘，所在区域降水量较小，微风，利于雷击火初始阶段发展。雷击起火树种主要是油松，起火区域油松腐植层较厚，属于易燃区域，利于雷击火火势蔓延。