臧桐汝,舒立福,王明玉,赵凤君,同小娟,司莉青,陈 锋
(1 北京林业大学 生态与自然保护学院, 北京 100083;2 中国林业科学研究院 森林生态环境与自然保护研究所 国家林业和草原局森林生态环境重点实验室,北京 100091)
森林火灾是当今世界最为严重的自然灾害之一,不仅严重损害森林资源,而且破坏生态和环境,对国民经济可持续发展和生态安全造成巨大威胁[1]。根据火源类型不同可以将林火分为自然火源和人为火源,雷击火是自然火源中最为常见的一种。世界各地每年都有由雷击而导致的森林火灾,在美国、加拿大、俄罗斯等地区,由雷击引起的森林火灾占全部森林火灾的7%~10%。我国每年的森林雷击火灾也时有发生,其中大兴安岭地区雷击火最为集中,且表现出一定的时空聚集性[2]。
雷击火是由干雷暴形成的具有“连续电流”的闪电击中地面上干燥可燃物而引发的火灾[3]。雷击火的发生主要受到雷电活动分布、可燃物条件、地形、海拔以及温度、湿度、风速、降水等气象条件的影响,其中云地闪电是雷击火发生的先决条件和主要预测依据[4]。雷击火作为严重的自然灾害,在时间和空间上有着独特的发生和分布规律。掌握森林雷击火的时空分布特点,对预测森林雷击火的发生和降低火灾损失具有重要作用[5]。
早在20世纪60年代, Komarek[6]就对地球表面的雷电分布进行了研究,由此开启了对全球性雷击火发生的研究。可燃物含水率影响森林火灾的发生概率,且云地闪电和降水之间也具有相关性,因此有研究认为,雷击火发生时的气象规律与时间尺度密切相关[7-8]。观测数据表明,近年来北美北部大面积被烧毁的林区与异常气候引发的雷击火灾有关,因此认为闪电是森林雷击火的主要驱动因素[9]。对大兴安岭雷击火发生时的雷电条件进行分析发现,引发雷击火的雷电流强度绝对值基本为1~10 kA,且主要集中在6-8月份[10]。但也有研究发现虽然6-8月份雷暴频发,但雷击火却主要发生在5和6月份,因此认为雷暴与雷击火发生之间是必要不充分的关系[11]。雷击火的发生存在一定的滞后性,当雷击发生后,如果地面可燃物足够干燥,同时气候条件适宜,那么火势立刻蔓延;相反,如果可燃物含水量较高,火灾可能不会即时发生,而是闷燃为“滞留火”[12]。而阴燃可以持续数天,直到可燃物足够干燥才会持续燃烧[13]。此前,澳大利亚曾使用3 d的延期标准来确定雷击对引发火灾的影响[14]。人们发现并不是所有闪电都能引发雷击火,可引发林火的闪电主要为云地闪电,早期的一些研究表明,正闪比负闪更易引发森林火灾,虽然近年一些研究支持此观点,但多数的研究结果并不能证实正闪有更大的引发火灾的概率[15]。
周长明等[16]采用GIS空间分析和AHP层次分析法,对引发黑龙江大兴安岭森林雷击火的云地闪密度、强度及地形、植被等致灾因子进行分析,并对区域危险性进行划分,得出漠河、塔河、呼中、新林大部分区域和呼玛中部危险性较高,加格达奇危险性较低。郭福涛等[17-18]运用逻辑斯蒂回归模型对大兴安岭塔河地区雷击火的空间分布进行描述,并且首次应用空间点模式方法对大兴安岭地区雷击火的空间分布格局进行研究,结果表明大兴安岭地区雷击火呈聚集分布,1988-2005年存在雷击火分布热点地区。陈亮等[19]对大兴安岭地区雷击火环境的研究表明,控制雷击火发生的主要环境变量为日降雨量、闪电数量及闪电强度。贾丙瑞等[20]对1972-2005年黑龙江大兴安岭林区雷击火发生特征与干旱指数的关系进行分析后认为,干旱指数可以显著影响雷击火发生次数及过火面积,其中Keetch-Byram干旱指数更适合描述大兴安岭地区的雷击火险特征。杜春英等[11]根据1966-2005年大兴安岭雷击火数据与地形数据,对该地区森林雷击火发生环境进行分析,结果表明300~800 m的中海拔地区为雷击火高发区域,平坡和阳坡的雷击火发生次数最多,雷击火在坡度1°~4°山地发生的次数占总次数的84.99%,雷击火主要发生的林分类型为落叶松林和落叶阔叶林。许多学者也通过分析研究后得出,降水量、温度、坡度和海拔等因素能够影响大兴安岭雷击火的发生概率[21-22]。这也说明了雷击火发生的复杂性,因此在研究雷击火发生规律时,应考虑植被类型、雷电活动、气象因子、地形和海拔等多个因素的影响作用[17]。
本研究基于近些年大兴安岭地区的雷击火历史统计数据、雷电定位监测数据、气象数据、森林资源二类清查数据、DEM数据等,分析大兴安岭地区雷击火的时空分布规律,研究雷电活动关键参数、气象条件、可燃物类型、地形条件等对雷击火发生的影响,探讨雷击火发生的规律及关键影响因素,以期为大兴安岭林区雷击火的防控提供参考依据。
大兴安岭林区是中国面积最大且保存比较完整的原始林区[23],位于我国最北部,地处黑龙江省西北部,内蒙古自治区东北部,地理坐标为50°10′-53°33′ N,121°12′-127°00′ E。大兴安岭地区地势呈西高东低,海拔180~2 100 m,年平均降水量428.6~526.8 mm,且相对集中于6-8月份,年平均空气相对湿度60%~70%,属于温带大陆性季风气候,冬季寒冷、夏季温暖,冬季持续时间长,且昼夜温差较大。
大兴安岭地区林地面积为646.36万hm2,活立木蓄积5.29亿m3,森林覆盖率为75.2%[24],主要森林类型是以兴安落叶松为优势树种的混交林,除此之外还包括樟子松、云杉、山杨、偃松、白桦等其他阔叶和针叶树种[25]。该林区的森林类型按照受人类影响的程度可以分为原始林、次生林和人工林3类。大兴安岭地区草本和灌木比较多,在火险期易于燃烧,且易导致火势快速蔓延[26]。
黑龙江省大兴安岭地区夏季雷暴活动频繁,为我国森林雷击火灾的高发区,森林雷击火灾数量和森林受害面积居全国之首。据统计,1965-2002年黑龙江省大兴安岭地区共发生1 233起森林火灾,其中雷击火达389起,占林火发生总数的31.5%,夏季是雷击火高发时期,占全年雷击火次数的75.85%。雷击引发的森林火灾损失与危害极大,常常导致成片森林被毁。2000-2010年大兴安岭地区由烧荒等其他人为因素造成的林火平均过火面积仅为26.64 hm2/起,而由于雷击火造成的林火平均过火面积则达到了198.61 hm2/起[27]。
本研究所需的雷电监测定位数据来源于黑龙江省气象局布设在大兴安岭地区的8个ADTD二维闪电定位监测系统,闪电数据包括每次闪电回击发生的时间、地理位置(经纬度)、雷电流强度、闪电极性和能量等,监测范围覆盖整个研究区域。1968-2010年森林雷击火发生的历史记录数据来源于黑龙江省大兴安岭林业集团公司森林防火办公室,火灾信息包括起火的经纬度坐标、火灾发生时间、火灾面积等;2005-2010年的气象观测数据来源于国家气象数据共享网的每日气象数据集,研究区内有5个气象站点(漠河、塔河、呼玛、新林、大兴安岭),气象要素包括气温、降水量、相对湿度和风速等;大兴安岭森林资源二类清查小班数据来自黑龙江省大兴安岭林业集团公司;DEM数据来自SRTM(NASA Shuttle Radar Topography Mission)的DEM数据产品。
基于1968-2010年黑龙江省大兴安岭逐次雷击火发生统计数据,根据雷击火发生的时间分别按照年、月、日不同尺度进行统计,绘制直方图展示雷击火在不同时间尺度的分布特征;将发生雷击火的地理坐标输入到Arcmap中,绘制大兴安岭雷击火发生频率空间分布图,研究雷击火的空间分布特征。
采用近邻分析对2005-2010年发生的雷击火及其发生当天和前2天观测到的雷电数据地理坐标进行处理,以获取距离雷击火发生位置最近的雷电参数信息,分析雷电活动对雷击火发生的影响。
对大兴安岭地区每次发生闪电的雷电流强度进行分级,参考曾山泊等[28]按照绝对值对雷电流强度进行分级的方法,将雷电流强度(I,kA)划分为|I|<1 kA、1 kA≤|I|<10 kA、10 kA≤|I|<20 kA、20 kA≤|I|<30 kA和|I|≥30 kA 5个等级,同法将陡度(α,kA/μs)分为5级,统计不同等级的雷电流强度和陡度、不同电荷极性(正负闪)的雷电发生频率,研究雷电流强度、陡度、电荷极性对雷击火发生的影响。将每次火灾发生的日期按照儒略日方式进行编号,即2005年1月1日为第1天,2月1日为第32天,依此类推,统计火灾发生日的雷电能量分布,研究雷电能量与雷击火发生的关系。
为分析大兴安岭地区气象因子与雷击火发生之间的关系,对漠河、塔河、呼玛、新林、大兴安岭5个气象站收集到的2005-2010年温度、降水量、相对湿度和风速4个气象因子数据进行分析。
统计雷击火发生当日内火灾总次数,提取逐次雷击火发生当天以及前7天内的气象数据。使用 SPSS软件中的多元线性回归对气象因子间的共线性进行分析,采用Pearson相关系数对森林雷击火灾发生与气象要素进行相关分析,筛选出显著影响雷击火发生的气象因子。
基于黑龙江省大兴安岭森林资源二类清查小班数据,将研究区林分类型分为落叶松林、阔叶林、针阔混交林和其他(包括灌木林)等类型,将1968-2010年逐次雷击火发生位置与所在小班的林分类型相对应,统计不同林分类型雷击火发生的次数,研究林分类型对雷击火发生的影响。
利用Arcmap表面分析对DEM数据进行坡度和坡向提取,并对坡向进行重分类,将其划分为4类:阴坡(337.5°~67.5°)、半阴坡(292.5°~337.5°,67.5°~112.5°)、阳坡(157.5°~247.5°)和半阳坡(247.5°~292.5°,112.5°~157.5°),统计1968-2010年各坡向雷击火发生的频率。将逐次雷击火发生的位置与DEM高程数据相叠加,以100 m为间隔对大兴安岭地区海拔进行划分,统计不同海拔范围内雷击火的发生频率,研究海拔对雷击火发生的影响。
森林雷击火是一种受气候因子影响的火灾,其发生特征随气候条件而表现出较明显的时间性[29]。在不同时间尺度上,雷击火的发生也表现出明显规律性。
4.1.1 雷击火年尺度发生规律 在1968-2010年,大兴安岭地区共发生雷击火508次。由图1可以看出,雷击火在2000年时达到峰值,当年发生了62次。在1979,2000,2002,2005年,雷击火发生次数均超过30次,且明显高于其他年份,这是由于这几年均有高温、干旱、雷暴以及大风等极端异常的天气出现[27]。
图1 1968-2010年大兴安岭雷击火历年发生次数
4.1.2 雷击火月尺度发生规律 在月尺度下对43年间大兴安岭地区雷击火的发生情况进行统计,结果(图2)显示,雷击火多发生于每年的夏季,即5-8月份,其中6月是雷击火集中发生的月份,共发生雷击火248次,占总发生次数的48.8%。大兴安岭地区11月至次年3月气温低且地表被冰雪覆盖,该时段内一般不会发生森林火灾[30]。
图2 1968-2010年大兴安岭雷击火月累计发生次数
4.1.3 雷击火日尺度发生规律 从图3可以看出,雷击火主要发生时段为10:00-17:00,其中13:00-16:00为雷击火集中发生时段,在这一时段内发生的雷击火灾占全天的50%,其原因是午后地表温度增加,可升高至全天最高温,此时地表可燃物湿度最小,因此一旦有火源出现就非常容易发生森林火灾[31]。
图3 1968-2010年大兴安岭雷击火发生次数的日变化
由图4可以看出,雷击火在大兴安岭地区全区均有发生,但主要集中在阿木尔、塔河、呼中、新林和松岭5个区,其中呼中区发生次数最多,且总过火面积和有林地过火面积分别为3.52万和2.83万hm2。其原因是呼中地区多为原始林区,交通不便且人为活动少,夏季雷电较为频繁。
图4 1965-2010年大兴安岭雷击火的分布
4.3.1 雷电发生特征 从表1可以看出,1 kA≤|I|<10 kA的雷电次数最多,占85.519%。
表1 2005-2010年大兴安岭地区不同等级雷电流强度的发生频率分布
对月尺度下各等级雷电流强度的发生次数进行统计分析,由统计结果(图5)可以看出,6-8月份为雷电活动的高发期,雷电流强度在1 kA≤|I|<10 kA等级内发生的闪击次数呈现单峰分布,波动较为明显,其中峰值出现在8月份。可见,月尺度下雷电与雷击火的高发期基本一致。
图5 2005-2010年大兴安岭地区不同等级雷电流强度闪击次数的月尺度变化
除此之外,在不同等级雷电流强度下分别对大兴安岭发生雷电的正闪和负闪进行统计,结果发现各强度等级雷电流发生的负闪次数显著多于正闪次数,且随着雷电流强度的不断增强,正闪次数呈减少趋势,而负闪次数则相对增加。
4.3.2 雷电因子与雷击火发生的关系 常用的描述雷电因子的参数有雷电频率及雷电流的强度、陡度、电荷量、能量,下文将从这5个方面对雷电活动与雷击火发生的关系进行分析。
(1)雷电频率与雷击火。从图6可以看出,雷电多发的年份不一定发生较多雷击火,二者之间并不存在显著正相关关系。雷击火通常在雷电活动频繁且无有效降水的区域发生,也就是干雷电发生的地区。因此,若仅研究闪电次数与雷击火发生的关系,得出的结论并不准确,还应考虑其他环境因素对雷击火发生的影响。
图6 2005-2010年大兴安岭地区雷击火与雷电发生次数的关系
(2)雷电流强度与雷击火。由图7可以看出,除|I|<1 kA外,其他4个雷电流强度等级均有雷击火发生,但是随着雷电流强度等级的增高,雷击火发生次数递减。雷电流强度绝对值为1~10 kA时雷击火发生次数最多,近80次,占总火灾次数的81%,其中雷电流强度为负值情况下发生了75次雷击火灾。
图7 2005-2010年大兴安岭地区不同等级雷电流强度引发的雷击火次数
(3)雷电流陡度与雷击火。由图8可以看出,当雷电流陡度绝对值为1~10 kA/μs时雷击火发生次数最多,共92次,占总火灾次数的93%,远多于其他雷电流陡度等级内雷击火的发生次数,其中陡度为负值时发生80次雷击火灾。
图8 2005-2010年大兴安岭地区不同等级雷电流陡度与雷击火发生次数的关系
(4)雷电极性与雷击火。由云体向地面输送负电荷的闪电称为负闪,反之则为正闪。由图9可以看出,负闪时雷击火发生次数较多,占总火灾次数的71%,因此可以认为引发雷击火的闪电多为负闪。
(5)雷电流能量与雷击火。在统计的99次雷电中,释放的能量最高为10.842 26×104kJ。由图10可以看出,折线变化随机性较强,各次雷电释放的能量存在较大差异,有12次引发雷击火的电流能量高于1×104kJ,其余的电流能量均低于1×104kJ。因此认为,雷电流释放的能量对雷击火发生的影响规律不明显。
图10 2005-2010年大兴安岭地区逐次雷击火发生当天雷电流能量的儒略日变化
通过对不同雷电参数与雷击火发生关系的分析可以得出,引发雷击火的闪电多为负闪,且电流强度和陡度的数值也基本为负值,分别集中在-10~-1 kA和-10~-1 kA/μs内,且引发雷击火的雷电流释放的能量大部分低于1×104kJ。
在一定的地理条件下,雷击火的发生与气象条件密切相关,温度较高且降水量少的干燥气候能够为雷击火的发生提供有利的气象条件。
在对气象因子与雷击火发生次数进行多元线性回归前,先判断降水量、风速、相对湿度和气温4个气象因子之间是否存在多重共线性,若存在作用相同且相关性高的因子则会引起模型振荡,不适合一起分析。在年尺度下对4个气象因子数据进行回归分析,结果如表2所示。从表2可以看出,4个气象因子的方差膨胀因子(variance inflation factor,VIF)均小于10,认为数据之间并不存在多重共线性的问题,可以在一起进行分析。
表2 2005-2010年大兴安岭地区雷击火发生前7 d的气象因子共线性分析
从表3可以看出,在降水量小于10 mm、气温高于20 ℃、风速小于3 m/s且相对湿度为30%~80%的条件下易于发生雷击火。
表3 2005-2010年大兴安岭地区雷击火发生前7 d气象数据统计
将雷击火发生次数与4个气象因子进行相关性分析,结果如表4所示。由表4可以看出,雷击火发生次数与气温呈极显著正相关,相关系数为0.225;与降水量和相对湿度呈负相关,与风速呈正相关,但相关性均不显著。
表4 2005-2010年大兴安岭地区气象因子与雷击火的相关性
对1968-2010年大兴安岭地区不同林分类型下雷击火的发生次数进行分析,结果见表5。由表5可以看出,落叶松林发生雷击火的次数最多,共327次,占雷击火总发生次数的64.37%;其次是针阔混交林,共94次,占总次数的18.50%;再次是阔叶林,共55次,占总次数的10.83%;其他类型林分雷击火发生次数较少,共32次,仅占雷击火总发生次数的6.30%。
表5 1968-2010年大兴安岭地区不同林分类型下雷击火的发生次数
4.6.1 坡度与雷击火发生 落雷在不同的环境中具有选择性,坡度大小能够对降水的径流速度和地表可燃物的干湿程度产生直接影响,因此森林雷击火的发生与地形之间密切相关[32]。大兴安岭地区的坡度为0°~45°。对1968-2010年大兴安岭地区发生的雷击火按照各个坡度分类进行统计分析,结果如图11所示。从图11可以看出,坡度0°~10°的山地雷击火发生次数最多,占总发生次数的78.90%。
图11 1968-2010年大兴安岭地区雷击火发生与坡度的关系
4.6.2 坡向与雷击火发生 坡向能够直接影响地表接收的太阳辐射量,进而使不同坡向气温出现明显差异,而地面温度较高且空气干燥的地区火险较高。对重分类后不同坡向雷击火发生次数进行统计,结果见表6。由表6可知,阳坡和半阳坡雷击火发生次数分别为132和120次,阴坡和半阴坡雷击火发生次数分别为126和130次,表明坡向对雷击火的发生影响不明显。
表6 1968-2010年大兴安岭地区不同坡向雷击火的发生占比
4.6.3 海拔与雷击火发生 大兴安岭地区的海拔高度为137~1 485 m。1968-2010年大兴安岭地区雷击火发生与海拔的关系如图12所示。从图12可以看出,雷击火基本发生在海拔200~1 200 m的区域,其中海拔300~900 m区域为雷击火高发区,火灾次数占比为90%,可能是此海拔范围内气温相对比较高,降水量少且易蒸发,植物含水量相对较低。而当海拔高于900 m时,随海拔的升高气温逐渐降低、湿度增加、植物含水量相对较高,所以雷击火灾的发生次数逐渐减少。
图12 1968-2010年大兴安岭地区雷击火发生与海拔的关系
对1968-2010年黑龙江省大兴安岭地区发生的雷击火进行统计分析,可知1979、2000、2002和2005年为雷击火高发年份。年际尺度上雷击火高发与当年异常气候有关,与雷电发生的频率无明显关系。如 1979年春夏交替之际出现了不同程度的干旱,导致春、夏两季发生森林火灾78起,其中雷击火37起[33]。2002年我国东北大部分地区降水严重偏少,导致夏季森林火灾增多,其中7月28日内蒙古大兴安岭林区发生了建国以来最大的夏季雷击火灾,持续至8月19日才被扑灭,这场火灾造成13 808 hm2森林受害[34]。本研究对2005-2010年大兴安岭林区雷电发生频率与雷击火发生次数进行分析,发现2005年雷电次数相对较少,雷击火次数却最多;而2006年闪电发生次数高达95万次,但当年雷击火仅发生6起。王晓红等[4]研究表明,雷击火虽然由闪电引发,但分析后发现大兴安岭地区的雷击火与闪电之间并无明显关系。本研究显示,雷击火主要发生在夏季,其中6月份发生的次数最多,占全部雷击火次数的48.82%,与张恒等[35]的研究结果(5-8月是大兴安岭雷击火的主要发生月份,其中6月为高发月份)一致。本研究结果表明,雷击火灾每日发生的时间多为10:00-17:00,其中13:00-16:00为雷击火发生最集中的时段;空间上大兴安岭全区均有雷击火发生,但发生较频繁且受灾严重的主要是阿尔木、塔河、呼中、新林和松岭这5个区域。前人研究也显示呼中自然保护区雷击火发生尤为频繁[5];1966-2006年大兴安岭地区雷击火质心随时间变化在空间上有向东南方向偏移的趋势,即由漠河向加格达奇移动,引发此现象的原因可能是当地过多的人为干扰[36]。
月和日尺度上的雷电活动及气象条件在一定程度上会影响雷击火发生。本研究对2005-2010年大兴安岭发生雷击火前的雷电活动和气象因子进行统计分析,发现闪电在8月份发生次数最多,且负闪远多于正闪,当雷电流强度(kA)和陡度(kA/μs)数值为-10~-1时易发生雷击火。在4个气象因子中,对雷击火发生起主要作用的是气温和降水,其中气温与雷击火呈极显著正相关,降水量与雷击火呈负相关,风速和相对湿度对雷击火的发生影响不明显,这与相关研究得出的降水和气温是雷击火发生的主要气象因子的结论[25,31]一致。最近一项研究表明,北美北部闪电的增加与气温和降水的增加密切相关[9]。雷击火的点燃实际上依赖于干雷暴,大兴安岭近年的气候变化是否会导致更多林区雷击火灾,将是未来的一个重要研究方向。
火灾的发生不仅受气候条件的影响,同样也与可燃物和地形有关。可燃物是森林火灾燃烧、传播和蔓延的主要载体,雷暴产生的高温能够使地面干燥的可燃物产生剧烈燃烧,而不同植被类型所提供的可燃物不同,引发雷击火的难易程度也有所差异。大兴安岭林区主要的林分类型为落叶松林和针阔混交林,雷击火主要发生在落叶松-偃松林、落叶松-白桦林内,其原因是偃松富含油脂,并且林下细小可燃物较多,在干旱少雨的气候条件下极易被雷击引燃造成森林火灾[3]。本研究发现,坡度为0°~10°的山坡较易发生雷击火,该结果与前人研究得出的平坡温度较高、空气较为干燥、雷击火发生次数最多的结果[11]相一致。本研究显示,无论哪个坡向,雷击火发生次数相差不大。但也有研究表明,阳坡容易发生雷击火灾,而阴坡发生火灾的次数多于半阳坡和半阴坡发生的总次数[11],出现这一反常现象的原因可能与研究区植被类型的分布特点有关。本研究中,海拔300~900 m区域是雷击火发生的集中区域,这与刘珂珍等[37]研究得出的海拔250~850 m区域发生雷击火次数较多的结论基本一致。大兴安岭位于中高纬度地带,平均海拔在800 m以上,一般认为纬度越高的林区雷击火发生的次数越多[24],但这仅是根据已有数据统计得出的结果,并没有明确的理论依据作为支撑[38]。有研究认为,在海拔800 m以上山脉腹部或山顶的落叶松-偃松林和樟子松-偃松林,雷击火的发生较为集中[39]。由此可知,影响雷击火发生的环境因素非常复杂,同一个影响因素在不同时间和不同地区可能会产生完全不同的结果。
掌握雷击火时空分布格局及其主要驱动因子是林火预测预报、科学管理的关键[40]。由于存在人为判定失误、落雷后火灾发生滞后性等多种因素影响,对于森林雷击火灾的统计也存在一定误差。根据连续性监测闪电和林火获得的结果来确定雷击火,得到的结果精确性更高[25]。黑龙江大兴安岭地区在2005年开始建设雷电定位系统,但目前仅收集到2005-2010年研究区内的闪电定位监测数据和雷击火数据,仅凭这些数据尚难以判断研究区雷击火发生与雷电活动之间深层次的规律性,期望未来能够基于长时间序列的雷电定位监测数据,对大兴安岭地区雷击火的发生规律进行更加深入的分析。