魏超 鄔銘法 孫忠欣

摘要：? 為了解與分析森林雷擊火災(zāi)的動態(tài)行為，進(jìn)行森林雷擊火災(zāi)風(fēng)險評估分析，以減少或避免因雷電而引發(fā)的森林火災(zāi)、人員傷亡和設(shè)備毀壞所造成的損失，本文以2007—2018年山東省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料、閃電監(jiān)測資料、天氣和氣候觀測資料、林場高程數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘查資料和客戶所提供的相關(guān)資料等為依據(jù)，采用統(tǒng)計分析法、相關(guān)分析、疊置分析和緩沖區(qū)分析等多種分析方法，對徂徠山地區(qū)雷電活動時空分布特征進(jìn)行分析，并以地閃密度空間分布與最大地閃強(qiáng)度空間分布的疊置作為雷電風(fēng)險的主要評價指標(biāo)，對徂徠山地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)域進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，徂徠山林場閃電密度較高的區(qū)域主要位于馬頭山溝以北和主峰太平頂周圍。同時，結(jié)合森林雷擊火災(zāi)原因、特點(diǎn)和地形特征，提出了一套符合實際的森林雷擊火災(zāi)風(fēng)險分析方法。該研究對森林雷電災(zāi)害的防護(hù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：? 森林防火; 地閃; 雷電災(zāi)害; 風(fēng)險; 評估

中圖分類號： P429? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是全球氣候的主要調(diào)節(jié)者，影響著全球的生態(tài)環(huán)境。在生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天，森林不但具有緩解地球“溫室效應(yīng)”、防治荒漠化、涵養(yǎng)水源、保持水土、防災(zāi)減災(zāi)、確保農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、維護(hù)生物多樣性等方面的功能，而且還提供豐富的林產(chǎn)品，幫助貧困地區(qū)人民脫貧致富，增加社會就業(yè)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，所以森林資源是人類生活和生產(chǎn)所必需的一種資源，是人類賴以生存的重要基礎(chǔ)。但森林經(jīng)常受到各種災(zāi)害的破壞，在危害森林的諸多因子中，尤以森林火災(zāi)為其最主要的因子[1] 。因此，加強(qiáng)森林雷擊火災(zāi)的技術(shù)研究，對預(yù)防和及早制止森林火災(zāi)的發(fā)生有著重要的現(xiàn)實意義。從20世紀(jì)初至今，對森林火災(zāi)的預(yù)測和預(yù)報已有將近一百年的歷史了。一般公認(rèn)的最早提出林火預(yù)測這一概念的是美國的道鮑思（Dubois），他于1914年提出關(guān)于森林火災(zāi)預(yù)測預(yù)報的概念，并論述了關(guān)于森林火災(zāi)預(yù)報的氣象要素。我國林業(yè)部門也一直在加強(qiáng)對森林火災(zāi)的預(yù)報研究，2000年，國家森林防火辦建立了全國森林防火信息系統(tǒng)，此項目是建立在局域信息中心計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和局域森林防火辦公室林火監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，采用Clientserver數(shù)據(jù)庫技術(shù)、WWW技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)林火監(jiān)測、預(yù)測預(yù)報、輔助決策、信息發(fā)布等功能，為我國森林防火信息領(lǐng)域的進(jìn)一步合作打下了基礎(chǔ)，是中國高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程，該工程完成后具有實用的實時運(yùn)行系統(tǒng)，具有很好的示范作用[2] 。目前，國內(nèi)外關(guān)于雷擊森林火災(zāi)的研究較少，而且仍停留在過火面積、火災(zāi)次數(shù)的統(tǒng)計上，還沒有形成一套科學(xué)合理的森林雷擊火災(zāi)風(fēng)險評估技術(shù)。由于森林資源的地域性及構(gòu)成的復(fù)雜性，森林雷擊受地形、海拔、風(fēng)向等影響因素眾多[3] ，而建立森林雷擊火災(zāi)風(fēng)險評估體系是適應(yīng)森林雷擊火災(zāi)經(jīng)濟(jì)研究和加強(qiáng)雷擊火災(zāi)管理的需要?；诖耍疚囊葬迯粕搅謪^(qū)作為風(fēng)險評估研究對象，采用統(tǒng)計分析等方法，對徂徠山地區(qū)雷電易發(fā)區(qū)域進(jìn)行研究。該研究為我國森林雷擊災(zāi)害風(fēng)險評估提供了參考依據(jù)。

1 徂徠山林場地理條件

徂徠山林場位于山東省中部，地屬泰安市，是魯中山地丘陵區(qū)的中心位置。徂徠山屬泰沂山脈，孤立于泰萊平原，山脈東西走向，最高海拔1 027.8 m。地理范圍為東經(jīng)117°16′～117°20′，北緯36°02′～36°07′，長約30 km，北起岱岳區(qū)徂徠鎮(zhèn)的櫻桃園村，南至岱岳區(qū)良莊鎮(zhèn)的高胡莊村，寬約15 km。根據(jù)資料[4] 統(tǒng)計分析可知，泰安市年平均地閃密度為1.39次/（km2 ·a），高于山東省年地閃密度平均值1.94次/（km2 ·a）。泰安市地閃密度分布整體呈現(xiàn)西低東高的特點(diǎn)，泰安市高值區(qū)主要集中在泰山、徂徠山和蓮花山山脈附近[10] 。泰安市地閃密度分布圖如圖1所示。

通過綜合考慮泰安市地閃密度、雷電流強(qiáng)度分布、地形起伏度、河網(wǎng)密度、人口密度、農(nóng)村人口比例、第三產(chǎn)業(yè)比例、人均GDP、醫(yī)療衛(wèi)生水平等參數(shù)，從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力等因子，對泰安市雷電災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行區(qū)劃，按高風(fēng)險區(qū)、次高風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)、次低風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)等5個等級進(jìn)行劃分[5 6] ，得到泰安市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖如圖2所示。泰安西部位于次低等風(fēng)險區(qū)域，中部地區(qū)位于中等風(fēng)險區(qū)域，北部和東部位于高風(fēng)險區(qū)域;徂徠山林場位于雷電災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)域。

2 徂徠山林場地閃活動特征

2.1 地閃活動的年變化特征

對2007—2018年徂徠山林場閃電次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，徂徠山林場閃電次數(shù)統(tǒng)計圖如圖3所示。由圖3可以看出，2012年總閃電次數(shù)最多，為569次，其次是2009年，為472次，2015年最少，為68次，而2014和2017年均為92次。正閃次數(shù)2016年最多，為33次，其次是2018年，為20次，而2009和2010年最少，為3次。

2.2 地閃活動的季節(jié)變化特征

徂徠山林場地閃活動的季節(jié)性分布特征明顯，在春季（3～5月），徂徠山林場地閃活動的頻率逐漸增加，該季節(jié)地閃活動占總量的8.31%。徂徠山林場地閃活動最頻繁的時間段集中在夏季（6～8月），該季節(jié)地閃活動占總量的88.06%。而每到秋季（9～11月），地閃活動的頻率迅速減少，該季節(jié)地閃活動占總量的3.2%，而冬季只有在2月出現(xiàn)過地閃，該季節(jié)地閃活動僅占總量的0.44%。由于徂徠山林場對流活動最活躍、雷電活動最頻繁的月份為8月，每年該月平均地閃頻率約為1309次，占地閃活動總量的38.41%，7月和6月頻率略低。此外，4月份正閃發(fā)生率最高，占當(dāng)月總次數(shù)的27%，遠(yuǎn)高于其他月份。徂徠山林場地閃活動月變化如圖4所示。

2.3 地閃活動日變化

徂徠山林場地閃活動高峰時段是16～21時，但19時有突降，主峰值時間為20時;早晨5～8時出現(xiàn)地閃活動次高峰期，次峰值時間為4時，地閃低發(fā)時段為1～4時和10～15時。上述地閃活動的變化可以概括為傍晚前后最頻繁，其次是凌晨，而深夜和上午相對較少。這是由于太陽輻射中午達(dá)到最大值，下墊面溫度升高，層結(jié)極易失穩(wěn)，增加了局部地?zé)釋α鞯陌l(fā)生[7 8] 。結(jié)果表明，大部分地閃發(fā)生在14時后，日落后太陽輻射急劇減少，對流明顯消散，導(dǎo)致地閃活動迅速減少，午夜時地閃活動相對較低。徂徠山林場地閃次數(shù)日變化如圖5所示。

2.4 地閃強(qiáng)度特征

徂徠山林場地閃平均電流強(qiáng)度為11.92 kA，正地閃平均電流強(qiáng)度為39.51 kA，負(fù)地閃平均電流強(qiáng)度為10.85 kA。根據(jù)山東省閃電定位系統(tǒng)記錄，在2016年8月7日14時28分58秒時，出現(xiàn)了最大強(qiáng)度的地面閃光，該位置位于太平頂西北方向（36.05°N，117.33°E），電流強(qiáng)度達(dá)到-126.791 kA。

為更深入了解徂徠山林場地閃情況，對徂徠山林場地閃電流強(qiáng)度的分布進(jìn)一步分析和計算。根據(jù)電流強(qiáng)度在5 kA間隔的絕對值，將地閃分為21個級別，地閃變化級別不同，徂徠山林場地閃強(qiáng)度也不同，徂徠山林場地閃強(qiáng)度變化曲線如圖6所示[9] 。由圖6可以看出，地閃電流強(qiáng)度在5～10 kA的范圍內(nèi)比例最大，約為33.04%，其次是0～5 kA范圍內(nèi)的比例，約為27.55%，地閃主要集中在0～20 kA，占總面積的91.87%。

正閃電流強(qiáng)度最大區(qū)間在15～20 kA，約為34.60%，其次是20～25 kA范圍的正閃，約為15.08%，正地閃主要分布在15～40 kA，該占比達(dá)到了正地閃總數(shù)的72.22%;負(fù)閃電流強(qiáng)度最大區(qū)間在5～10 kA，約為33.01%，其次是電流強(qiáng)度在0～5 kA的負(fù)閃，約占27.52%，負(fù)地閃主要分布在0～20 kA，該占比達(dá)到了負(fù)地閃總數(shù)的90.14%。由于正地閃占總地閃的比例較低，負(fù)地閃占多數(shù)，所以總地閃的電流分布曲線與負(fù)地閃的電流分布曲線接近[10] 。

2.5 地閃海拔高度特征分析

將海拔高度按200 m劃分高度間隔，與徂徠山地區(qū)2007—2018年均地閃密度（0.01°×0.01°網(wǎng)格）進(jìn)行分析，利用非線性回歸方法擬合海拔高度（x）與地閃密度（y）的關(guān)系

y=1×10-8 x3-2×10-5 x2+0.008x+0.027 9，

其R2=0.272 4進(jìn)行分析[11] 。發(fā)現(xiàn)地閃密度隨海拔上升呈現(xiàn)上升趨勢，地閃密度與海拔的變化特征如圖7所示，海拔高度<800 m的區(qū)域，地閃密度隨海拔增加呈緩慢上升趨勢，平均值在1.8次/（km2·a）左右;海拔高度>800 m的區(qū)域，地閃密度隨海拔增加呈明顯上升趨勢，地閃密度與海拔高度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)[12] 。

2.6 雷暴來向分析

利用山東省氣象局1967—2011年共45年123個氣象觀測站的雷暴日人工觀測資料，分析得到林場所在區(qū)域雷暴過程由西北進(jìn)入所占比例最高，達(dá)23.18%，雷暴過程由西南方向進(jìn)入占19.31%，東南和正北方向進(jìn)入的雷暴過程占11.59%，由東北和正西方向進(jìn)入的雷暴過程占10.30%，徂徠山林場雷暴過程來向玫瑰圖如圖8所示。該區(qū)域劇烈天氣活動主要來自西北和西南方向，因此在采取雷電防護(hù)措施時，應(yīng)特別注重被保護(hù)物西北和西南方向的防護(hù)[13] 。

2.7 徂徠山林場地閃密度空間變化

對2007—2018年山東省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，徂徠山林場累計發(fā)生閃電3408次，該區(qū)域年平均地閃密度為1.42次/（km2·a），閃電密度均值略高于泰安市均值。林場位于泰安市高值區(qū)西側(cè)邊緣，且林場主峰太平頂及主峰東側(cè)年均地閃電密度值高于泰安市，其中正閃126次，負(fù)閃3282次，平均強(qiáng)度為11.91kA。徂徠山林場與周邊地區(qū)相比，地閃密度明顯偏高，形成該現(xiàn)象的主要原因是山東省屬于暖溫帶季風(fēng)氣候類型。該種氣候類型將使夏季風(fēng)向北攜帶豐富的水汽，并被徂徠山地形抬升，使氣流會聚，水汽上升，導(dǎo)致雷暴云的形成。根據(jù)地閃理論，雷暴云中電場的形成主要是云粒子與降水粒子碰撞的結(jié)果，而該氣候?qū)е碌纳仙\(yùn)動，促進(jìn)了粒子之間的碰撞，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了云中的電場，導(dǎo)致徂徠山林場地閃密度明顯偏高。徂徠山林場閃電密度較高的區(qū)域主要位于馬頭山溝以北和主峰太平頂周圍[14 15] ，其中馬頭山溝以北區(qū)域閃電密度最高。徂徠山林場地閃密度遙感分布圖（正北方向）如圖9所示。

3 徂徠山林場雷擊火災(zāi)防護(hù)措施

由于森林覆蓋面積大，防雷裝置的保護(hù)范圍有限，其雷電防護(hù)有別于建筑物、石油化工設(shè)施的防護(hù)，采取 主動防御的措施難以實現(xiàn)，森林在防御雷擊方面存在先天性不足。為此，根據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果，結(jié)合林場實際，提出以下防護(hù)思路：制度健全，責(zé)任落實;監(jiān)測預(yù)警，提前預(yù)防;重點(diǎn)區(qū)域，主動防御;火情監(jiān)控，及時處置[16] 。

3.1 雷電活動監(jiān)測和預(yù)警

及時掌握雷電活動情況是做好林場森林雷擊火災(zāi)防護(hù)的前提條件。雷電活動主要包括雷電發(fā)生的時間，雷電來向，雷電活動范圍，雷電強(qiáng)度，雷電持續(xù)時間以及地閃發(fā)生的時間、地點(diǎn)、強(qiáng)度和次數(shù)等[17] 。只有及時掌握雷電活動情況，才能做到提前預(yù)判，提前預(yù)防，提前部署，及時啟動應(yīng)急預(yù)案。

3.2 林場雷擊起火火源監(jiān)控

雷電是林場起火的一個重要的自然引火源，50%以上的森林火災(zāi)事故是由雷擊引起。盡管前面采取了一些主動防御雷擊的措施，但由于森林覆蓋面積大，接閃器保護(hù)范圍又十分有限，僅只是在一定程度上對局部區(qū)域降低了雷擊風(fēng)險。根據(jù)上述分析，徂徠山林場森林雷擊火災(zāi)風(fēng)險非常高，因而管理部門和防火部門在作好常規(guī)火情監(jiān)控的同時，要高度重視雷擊火情的監(jiān)控工作。結(jié)合前面風(fēng)險區(qū)劃、海拔高度對雷電活動的影響以及雷暴主要來向分析等，對以下區(qū)域和部位做好重點(diǎn)監(jiān)控。

1） 地閃密度較高區(qū)域。徂徠山林場閃電密度較高的區(qū)域主要位于馬頭山溝以北和主峰太平頂周圍區(qū)域，其中馬頭山溝以北區(qū)域閃電密度最高，這些區(qū)域雷電活動相當(dāng)頻繁，發(fā)生雷擊的概率非常大，應(yīng)對這些區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)火情監(jiān)控。

2） 重點(diǎn)監(jiān)控方向。根據(jù)雷暴來向和典型雷暴過程分析，雷暴過程主要由西北和西南方向進(jìn)入。因而在雷雨天人工監(jiān)測火情時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注西北和西南方向以及迎風(fēng)坡方向。

3） 歷史雷擊著火點(diǎn)。一些歷史雷擊著火點(diǎn)不一定位于地閃密度高值區(qū)域，但可能受地表腐殖層、地形、所處位置（如位于迎風(fēng)坡、雷暴來向位置）等影響，風(fēng)險相對較高，因而也應(yīng)將歷史雷擊起火點(diǎn)作為重點(diǎn)區(qū)域和部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，尤其是太平頂保護(hù)站區(qū)域，在2019年3月和7月27日兩次遭到雷電破壞[18] 。

4） 實時監(jiān)測落雷點(diǎn)。閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)α謭鰞?nèi)發(fā)生地閃的經(jīng)緯度、電流強(qiáng)度、波形陡度等參數(shù)進(jìn)行適時監(jiān)測記錄，據(jù)此可以根據(jù)閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測情況，對地閃發(fā)生位置所處區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。需要說明的是，由于閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)存在一定的定位誤差，有時也存在一定漏報、誤報，因而不能完全依賴監(jiān)測系統(tǒng)，在重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測到的落雷點(diǎn)區(qū)域時，也應(yīng)照顧其他區(qū)域。

3.3 重點(diǎn)監(jiān)控時機(jī)

通過對徂徠山林場雷電活動特征分析可以看出，徂徠山林場雷電活動季節(jié)性分布特征明顯，8月份是地閃活動最頻繁月份，其次是7月份和6月份;地閃活動日變化特征為地閃活動高峰時段16～21時，主峰值時間為20時;次高峰期為早晨5～8時，次峰值時間為4時。

在雷電活動高發(fā)季節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注每日的16～21時和4～8時，并結(jié)合當(dāng)日的雷電預(yù)警信息，合理組織和調(diào)度防火資源，加強(qiáng)該時段的應(yīng)急值守和巡查。

需要特別指出的是，通過前面地閃活動季節(jié)變化特征分析可以看出，4月份正地閃占比最高，占當(dāng)月總地閃次數(shù)的27%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他月份。由于正地閃相對于負(fù)地閃來說，電流強(qiáng)度更大，放電通道溫度更高，極易誘發(fā)森林火災(zāi)事故。另外，每年4月初至5月中上旬，天氣相對干燥，風(fēng)力大，地面含水量低，土壤電阻率大，造成雷電流沿地表泄放時的溫度較高，加之地面植被干燥，容易被引燃[19 20] 。因而，每年4月初至5月中上旬以及首次雷暴過程，為森林雷擊火災(zāi)事故高發(fā)時間，其風(fēng)險性甚至高于雷電活動最頻繁的8月份，也應(yīng)予以高度重視和重點(diǎn)關(guān)注，做好充分的應(yīng)急準(zhǔn)備工作。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)徂徠山林場的特征和現(xiàn)狀，依據(jù)有關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過詳細(xì)的現(xiàn)場勘查和對歷史資料的細(xì)致分析，結(jié)合林場特點(diǎn)，提出了合理的風(fēng)險評估模型及保護(hù)措施和建議。需要指出的是，由于地閃發(fā)生過程的復(fù)雜性，其成因和發(fā)展的一些具體細(xì)節(jié)仍在研究中，其破壞方式眾多，給保護(hù)工作帶來一定困難。同時，根據(jù)國家防雷標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計指導(dǎo)原則，考慮到經(jīng)濟(jì)性和性價比，提出的防護(hù)建議具有一定的針對性和可操作性，但不能達(dá)到100%的防雷效果，只能通過這次評估和分區(qū)，盡最大努力找出合理、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、有效的防護(hù)措施，最大限度地預(yù)防和減少雷擊事故的發(fā)生。本研究基于2007—2018年山東省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，隨著監(jiān)測設(shè)備精確度的提高和監(jiān)測水平的提升，可提取森林植被、腐殖物等影響因子進(jìn)行分析，使徂徠山林場雷電災(zāi)害風(fēng)險評估分析精準(zhǔn)性有較大提升。森林火災(zāi)風(fēng)險評價是一項十分復(fù)雜的工作，目前的研究程度低，沒有形成切實有效的指標(biāo)評價體系和方法，后期將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索創(chuàng)新，使森林風(fēng)險評價取得更加豐碩的成果，森林火災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急能力更有成效。

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Risk Analysis and Assessment of Lightning Strike Disaster of Mountain Cu Lai Forest Farm

WEI Chao， WU Mingfa， SUN Zhongxin

（Meteorological Disaster Prevention Technology Center of Shandong Province， Jinan 250031， China）

Abstract：? In order to understand and analyze the dynamic behavior of forest lightning fire， the risk assessment of forest lightning fire was carried out. In order to reduce or avoid the losses caused by forest fire， casualties and equipment damage caused by lightning， this paper takes the monitoring data of lightning positioning system in Shandong Province， lightning monitoring data， weather and climate observation data， forest farm elevation data， geographic information data， field survey data and relevant information provided by customers from 2007 to 2018 as the basis. This paper analyzes the spatial and temporal distribution characteristics of lightning activities in mountain Cu Lai area by using various analysis methods， such as analysis method， correlation analysis， overlay analysis and buffer analysis. The overlap of spatial distribution of ground lightning density and maximum lightning intensity is taken as the main evaluation index of lightning risk， and the lightning prone areas in the area are studied. The results showed that the areas with high lightning density were mainly located in the north of Matoushan Gully and around Taiping Peak. At the same time， combined with the causes， characteristics and terrain characteristics of forest lightning fire， a set of practical forest lightning fire risk analysis method is proposed. This study is of great significance to the protection of forest lightning disaster.

Key words： Forest fire prevention; ground lightning; lightning disaster; risk; assessment