大兴安岭1980—2021 年雷击火时空分布特征*

李 威 舒立福 王明玉 李伟克 苑尚博 司莉青赵凤君 宋佳军 王亚惠

（1. 中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所 北京 100091；2. 国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京 100091；3. 中国科学院电工研究所 北京 100190）

雷击火是最常见的天然火，其发生和蔓延与雷电、天气、可燃物和地形有关（Bryson，2021）。雷击火具有随机性和隐蔽性。如发生在地形复杂、交通不便的偏远林区，难以及时发现并进行有效扑救，容易发展为大规模森林火灾。因此，虽然雷击火占所有森林火灾的比例较低，却造成了相对较大的燃烧面积，其危害相较其他森林火灾更大（Wottonet al.，2005；Nietoet al., 2012）。

由于雷击火对森林资源和社会经济造成了巨大损失，近年来国内外对雷击火进行了许多研究，主要包括驱动因素、预测模型和形成机理（舒洋等，2022）。如加拿大过火面积≥2 hm2的雷击火数量和活跃日数在1959—2018 年间在大多数地区呈上升趋势（Cooganet al.,2020）；西班牙东北部的雷击火发生比例与日降雨量大小有关，25%为无降水，40%为0～2.5 mm（干雷暴天气），60%为2.5～4 mm，90%为4～10 mm（Pinedaet al., 2017）。Read 等（2018）使用logistic 回归模型预测了澳大利亚维多利亚州的雷击火发生概率，并提出一种新的模型选择方法，输入变量减少了37.5%，但几乎不影响预测精度（AUC=0.859）。杜春英等（2010）发现黑龙江大兴安岭的雷击火在1966—2006 年间存在周期性震荡，且火场质心随时间延后向东南偏移。郭福涛等（2009）等发现黑龙江大兴安岭1988—2005 年的雷击火呈聚集分布且存在热点区。臧桐汝等（2022）研究了黑龙江大兴安岭1968—2010 年的雷击火分布规律与驱动因素，认为引发雷击火的闪电多为负闪，而与雷电流释放能量无明显关系，但主要受气温的影响；确定雷击火多发地为落叶松（Larix）林、坡度0～10°和海拔300～900 m 的地区。周长明等（2022）基于2006—2015 年的大兴安岭林区闪电定位数据、逐时降水数据和雷击火数据，分析了干雷暴次数和发生时间与雷击火特征的相关性，认为干雷暴天气与雷击火发生存在紧密关系。冯俊伟等（2021）利用冲击电流发生器人工制造闪电来模拟自然雷击火发生过程，测量了不同种类可燃物击穿电压的差异，发现泥土含灰率和电阻率的关系，认为人工烧除迹地更易遭受雷击。郭福涛等（2010）使用负二项和零膨胀负二项回归模型建立了黑龙江大兴安岭1980—2005 年雷击火与气象因子的关系，发现后者的拟合度与预测水平均高于前者。王晓红等（2017）利用2005—2011 年的黑龙江大兴安岭雷击火数据、闪电和气象数据，建立了适于该地的Logistic 回归雷击火预测模型，选择变量包括前7 天的细小可燃物湿度码（fine fuel moisture code，FFMC）均值、前3 天的地闪次数、前7 天的平均降水量，经受试者特征曲线（receiver operating characteristic curve，ROC）曲线评价，表明预测效果较理想。孙瑜等（2014）用MAXENT 模型预测了黑龙江大兴安岭的雷击火风险，发现日降雨量、云地闪数量、云地闪回击电流强度是最重要的3 个影响因子，采用最大Kappa值和AUC 值检验后表明模型预测精度为中等水平。

一个地区的雷击火数量和分布是由该地区的闪电活动、火险天气和可燃物类型等决定的，深入了解雷击火时空变化规律对准确预报和预防雷击火有重要意义（Brysonet al.，2021）。大兴安岭是我国雷击火最多的地区，几乎每年都发生，不仅造成巨大的经济损失，也严重威胁当地生态安全（舒立福等，2003；Gaoet al.，2021）。鉴于此，本研究分析1980—2021 年大兴安岭雷击火在不同时间尺度上沿经纬度、海拔、坡度及坡向的分布特征以及42 年间的动态变化规律，以期为该地区雷击火预报和防控提供科学依据。

1 研究区概况

研究区包括黑龙江大兴安岭和内蒙古大兴安岭林区（119.60°—127.02° E，47.05°—53.56° N）。该地区属寒温带大陆性季风气候，冬季寒冷而漫长，夏季炎热而短暂，年均气温-2.8 ℃，年均降水量450～500 mm。地势起伏不大，西部、中部高，东部、北部和南部低。平均海拔573 m，最高海拔1 528 m。属寒温带森林土壤(徐化成，1998)。大兴安岭林区森林类型是以兴安落叶松(Larix gmelinii)为主的混交林，主要树种有兴安落叶松、樟子松（Pinus sylvestrisvar.mongolica）、白桦(Betula platyphylla) 、蒙古栎(Quercus mongolica) 、山杨(Populus davidiana)和柳树（Salix matsudana)等针叶和阔叶树种(田晓瑞等，2010)。

2 材料与方法

2.1 数据来源

大兴安岭雷击火火情统计资料数据（1980—2021 年）源于防火部门，包括起火时间、火场经纬度坐标、过火面积等信息。研究区30 m×30 m 的数字高程模型DEM 数据源自地理空间数据云（https://www.gscloud.cn/）。

2.2 研究方法

统计1980—2021 年的大兴安岭雷击火数量与过火面积，用Arcgis 10.8 软件的空间分析工具处理研究区30 m×30 m 的DEM 数据，得到研究区的海拔、坡度和坡向分布等信息并计算其对应面积，导入雷击火经纬度坐标，分析其空间分布特征，使用SPSS 25 软件进行相关分析。由Origin 2018 完成作图。

3 结果与分析

3.1 大兴安岭雷击火1980—2021 年的时间分布特征

3.1.1 年分布特征 在1980—2021 年间，大兴安岭（包括黑龙江大兴安岭与内蒙古大兴安岭）共发生雷击火1 651 起，其中有详细过火面积记录的1 571 起，过火总面积473 088.8 hm2；年均雷击火数量约为39 起，年均过火面积约为11 264 hm2（图1）。2000 年后的雷击火数量显著上升，约为1980—1999 年的3.5 倍，但存在一定波动性；过火面积没有随时间而增加的趋势，但在个别极端干旱年份较大，如2006、1987、2000 年过火总面积分别占总量的47.7%、14.2%和10.7%。

总体上，26.5%的雷击火过火面积小于1 hm2，属一般森林火灾；62.9%的雷击火过火面积在1～100 hm2，属较大森林火灾；8%的雷击火过火面积在100～1 000 hm2，属重大森林火灾；2.6%的雷击火过火面积超过1 000 hm2，属特别重大森林火灾。

3.1.2 日分布特征 大兴安岭雷击火数量与过火面积在1980—2021 年间的日均值如图2 所示。95.9%的雷击火发生在5—8 月，占过火总面积的83.6%。其中，6 月雷击火次数最多，占总量的40.1%；7 月次之，为28.5%；5 月占16.6%；8 月最少，占10.7%。雷击火发生最早在4 月19 日，最晚在11 月30 日。雷击火数量从5 月3 日开始逐渐增加，在6 月1 日出现第一个高峰，6 月15 日春季防火期结束前有一定回落，但春季防火期结束后的几天内雷击火数量迅速增加了近3 倍。

图2 1980—2021 年大兴安岭雷击火数量与面积日分布Fig. 2 Distribution of the daily number and area of lightning fires in the Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.1.3 小时分布特征 大兴安岭起火时间精确到小时的雷击火记录在1980—2021 年间共1 106 起，过火总面积326 934.4 hm2（图3）。23:00 至次日5:00 的时段内雷击火频率最低，仅占总数的0.4%。在5:00—13:00 之间，随着气温升高和相对湿度降低，雷击火逐渐增多，占总数的28.3%。13:00—16:00 是一天中雷击火最多的时段，占总数的52%。16:00 之后随着入夜气温逐渐降低，相对湿度升高，雷击火数量持续下降，占总数的19.3%。

图3 1980—2021 年大兴安岭雷击火数量与面积的日内分布Fig. 3 Intraday distribution of the number and area of lightning fires in Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.2 大兴安岭1980—2021 年的雷击火空间分布特征

3.2.1 经纬度分布 大兴安岭具有完成空间信息记录的雷击火在1980—2021 年共1 575 起。在经度分布上，雷击火集中在121.2°E 和122.5°E 2 个中心附近；124°E 以东雷击火较少，仅占总数23.3%。在纬度分布上，大多数雷击火集中于高纬度地区，特别是51°N—53.5°N 之间，聚集了80%的雷击火；而49.1°N 以南雷击火很少，仅占总数的1.4%（图4）。

图4 1980—2021 年大兴安岭雷击火的经纬度分布Fig. 4 Lightning fires distribution along latitude and longitude in the Da xing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.2.2 林业局分布 大兴安岭 1980—2021 年雷击火数量与面积在42 个林业局/县的分布如表1 所示，不同行政区存在很大差异。内蒙古大兴安岭中，乌玛的雷击火数量最多，雷击火密度也最大，雷击火面积排名第4 位，雷击火面积占比排名第5 位；绰尔的雷击火数量最少，雷击火密度也最低，雷击火面积与雷击火面积占比均排倒数第2 位；雷击火面积最大的区域为阿尔山，雷击火面积占比最大的区域为汗马，雷击火面积与雷击火面积占比最小的区域均为伊图里河。黑龙江大兴安岭中，呼中的雷击火数量最多，雷击火密度最大，雷击火面积与雷击火面积占比排第2 位；塔河县的雷击火数量最少，加格达奇的雷击火密度最低；雷击火面积与雷击火面积占比最大的区域均为松岭，雷击火面积与雷击火面积占比最小的区域均为漠河。1980—2021 年间，黑龙江大兴安岭16 个林业局/县与内蒙古26 个林业局/县对比，黑龙江的雷击火在总计指标与平均指标上（雷击火数量、雷击火面积、雷击火密度、雷击火面积占比）都显著高于内蒙古。

表1 1980—2021 年大兴安岭不同林业局/县雷击火数量与面积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 将研究区海拔以200 m间隔划分为6 级（200～400、400～600、600～800、800～1 000、1 000～1 200、＞1 200 m），各自的雷击火数量分别为147、359、524、380、144、21 起。海拔600～800 m范围内雷击火最多，占总数的33.2%；只有1.3%的雷击火发生在海拔＞1 200 m 的地点。总体上，雷击火的海拔分布为中间高、两头低的格局（图5a）。

雷击火数量在坡度4°～6°最多，为202 起（图5b），占比12.8%；在坡度大于4°时，雷击火数量大体呈现随坡度增大而减少的趋势；770 起（48.9%）雷击火分布于坡度4°～12°，坡度＞25°的雷击火较少，只有4.6%。

以45°方位角为间隔划分为8 个坡向，分别为北N（0°～ 22.5°，337.5°～360°）、东北NE（22.5°～67.5°）、东E（67.5°～112.5°）、东南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°），雷击火的坡向分布总体上为南较北多，东较西多，其中西南坡雷击火最多，为219 起，占比13.9%；西北坡雷击火最少，为177 起，占比11.2%（图6）。坡向差异对雷击火分布的影响明显，可能是不同坡向的云层活动、可燃物特征等因素导致的。

图6 1980—2021 年大兴安岭雷击火的坡向分布Fig. 6 Distribution of number of lightning fires along slope aspect in the Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.2.4 雷击火数量与空间因素的相关分析 为进一步探索雷击火数量与空间因素的关系，将经度、纬度、海拔、对应海拔面积、坡度、对应坡度面积、对应坡向面积、林业局面积等8 个因子与相应的雷击火数量进行Person 相关性分析。结果如图7 所示，雷击火数量与经度极显著负相关（P≤0.001），但相关性很低（R= -0.155）；与纬度、海拔基本不相关；但与坡度存在极显著负相关（R= -0.523，P≤0.001）。雷击火数量与对应海拔面积（R=0.336，P≤0.001）、林业局面积（R=0.559，P≤0.001）极显著正相关，与对应坡度面积（R=0.734，P≤0.05）显著正相关，而与对应坡向面积没有显著相关。除坡向外，雷击火的空间分布总体表现为面积越大，雷击火数量越多。

图7 雷击火数量与空间因素的Person 相关性分析Fig. 7 Person correlation analysis between the number of lightning fires and spatial factor

3.3 大兴安岭1980—2021 年雷击火动态过程

3.3.1 逐年动态 每年雷击火起始日至终止日的这段时间称为雷击火活跃期，期间的日数称为雷击火活跃日数（d·a-1）。由图8 可看出，雷击火活跃日数在1980—1985 年期间最低（35±16.1）d·a-1； 在1986—1997 年期间的12 年内有4 个年份远超平均水平（77.3±58.5）d·a-1，分别为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 年期间，雷击火活跃日数大幅增加（112.1±47.9）d·a-1，远低于平均水平的年份在14 年内仅有2001 年（47 d·a-1）、2003 年（30 d·a-1）、2009 年（17 d·a-1）3 年。在2012—2021 年期间，雷击火活跃日数又大幅度降低（68.1±33.2）d·a-1，仅2014 年（121 d·a-1）和2015 年（105 d·a-1）远高于平均水平。雷击火峰值日是雷击火活跃期内雷击火最多的一天，可能出现在雷击火活跃日内的任意时间，没有明显规律（图8）。总体上，雷击火活跃日数的年份变化大致可分为4 个时期，体现“平缓—上升—高峰—回落”的趋势。

图8 1980—2021 年大兴安岭雷击火动态特征Fig. 8 Dynamic features of lightning fires in the Daxing’anling Mountains from 1980 to 2021

3.3.2 5 年均值动态 将1980—2021 年以5 年为间隔划分为8 个时期，分析雷击火分布特征和结构差异。在第1～4 个5 年期间（1980—1999 年），雷击火峰值日逐渐前移（图9）。第8 个5 年时期（2015—2021 年）的雷击火数量明显远高于其他时期，但过火面积并没有显著增加，说明近年来该地区对雷击火的控制手段较以前有了很大提高。在1990—2014 年的5 个5 年期间，雷击火第一次高峰日存在逐渐前移现象。从第3 个5 年期间（1990—1994 年）至第7 个5 年期间（2010—2014 年），雷击火第一次高峰日分别提前了4、3、7、10 天（图10），共提前了24 天；但在第8 个5 年期间又延后了5 天。

图9 1980—2021 年大兴安岭雷击火数量与面积不同5 年期间的逐日分布Fig. 9 Daily distribution of the number and area of lightning fires in the Daxing’anling Mountains in different periaaods from 1980 to 2021

图10 1980—2021 年大兴安岭雷击火第一次峰值日不同5 年期间的变化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 讨论

全球气候变暖会导致闪电活动加剧、火灾季节延长、林区气候出现暖干化趋势，是许多地区野火风险显著增加的主要原因，其中以北半球高纬度地区最显著（Flanniganet al.，2013；Reeveet al.，2010；Shiet al.，2021; Fauriaet al.，2015）。决定雷击火动态特征的气候变化是个长期过程，因此，在1980—2021 年的42 年内，大兴安岭雷击火数量自2000 年后显著上升，雷击火活跃日数的明显变化大致分为4 个时期，即1980—1985 年保持低谷、1986—1997 年阶段式上升、1998—2011 年达到高峰、2012—2021 年逐渐回落，这种变化可能受大尺度气候活动调控。同时，雷击火第一次雷击火峰值日也在1990—2014 年逐渐前移，这表明1980—2021 年大兴安岭地区的气候发生了较大变化，受全球变暖影响明显（田晓瑞等，2012；2017；Podschwitet al.，2021）。总体来看，表现为雷击火数量和雷击火活跃日数都在增加，雷击火高峰日在提前（赵凤君等，2009）。大兴安岭雷击火数量在春季防火期结束后增加幅度较大，当地防火期可能也应延长以适应气候变化的影响。

有研究揭示了大兴安岭雷击火的时空分布规律（田晓瑞等，2009；2010），与本研究的大部分结果相似。本研究中雷击火的数量分布与经纬度没有表现出明显相关性，其在空间上聚集在某些地区的原因可能是因为落雷对环境具有一定的选择性（Taylor，1974）。研究发现黑龙江大兴安岭比内蒙古大兴安岭的雷击火更多更密集，火烧面积也更大，可能是因为黑龙江地区的闪电活动更加频繁，森林火险较高，需要进一步研究。由于阴坡和阳坡的植被特征、日辐射量、林下环境均差异很大，雷击火更易在阳坡发生和蔓延。而澳大利亚堪培拉的雷击火分布与海拔、坡度、坡向等都无关（McRae，1992），可能是地区差异导致雷击火分布与影响因素的不同。

雷击火数量的高峰区间与火烧面积不一致，原因可能是一小部分特别严重的雷击火造成了大部分的燃烧面积；火烧面积大小除了受人为扑救措施的控制以外，还受极端天气影响较大，如持续高温、长期干旱、大风等天气，因此，其时空分布没有规律，需结合气象要素、地形、扑救力度等因素进行分析（Jollyet al.，2015）。

5 结论

通过研究1980—2021 年大兴安岭雷击火时空分布特征，得到以下结论：

1）2000 年以后的雷击火次数总体较2000 年以前明显增加，绝大多数雷击火的面积在100 hm2以内。雷击火发生最早日期为4 月19 日，最晚为11 月30 日，绝大多数雷击火发生在5—8 月，其中6 月最多，8 月最少。春季防火期结束前后雷击火数量变化幅度较大。一天中13:00—16:00 为高风险时段，雷击火发生最多，23:00 至次日5:00 风险最低，几乎没有雷击火发生。

2）雷击火数量与经纬度、海拔没有明显关系，与坡度显著负相关。不同坡向的雷击火分布差异明显，相差幅度最多达23.7%，总体上为南较北多，东较西多。雷击火在空间分布表现出一定的聚集性，但除坡向外，其他空间类型的面积是影响雷击火数量的主要原因。

3）雷击火活跃日数的年份变化大致可分为4 个时期，体现“平缓—上升—高峰—回落”的趋势。雷击火峰值日的出现日期没有明显规律。基于5 年均值的分析，雷击火的第一次高峰日在1990—2014 年期间逐渐前移。