內蒙古森林草原雷擊火災時空分布特征1)

張恒 張鑫 趙鵬武 周梅 殷繼艷

(內蒙古農(nóng)業(yè)大學，呼和浩特，010019) (中國消防救援學院)

雷電是引發(fā)森林草原火災的重要自然原因之一[1]，雷暴天氣在世界各地的高頻發(fā)率也成為雷擊火的主要原因。森林草原火災主要分為人為火和天然火兩種類型，而雷擊火則是天然火的重要組成部分，每年世界各地都會發(fā)生由雷擊引起的森林草原火災。在20世紀70年代，Barden[2]分析了雷擊火發(fā)生的機理，Komarek[3]對地球表面雷電風暴進行了空間分布研究，美國、加拿大、俄羅斯和澳大利亞等國是雷擊火引起森林火災最多的國家。在這些國家由雷擊引起的森林火災占引發(fā)森林火災總火源的7%～10%[4]。我國的雷擊火也較為嚴重，據(jù)統(tǒng)計，內蒙古自治區(qū)近40a發(fā)生的森林草原雷擊火占森林草原火災總數(shù)的1/3以上，其中主要分布于大興安嶺林區(qū)[5-7]。趙俊卉等[8]、烏秋力等[9]、于成龍等[10]通過對區(qū)域內閃電分布和雷擊火分布數(shù)據(jù)分析得出大興安嶺雷擊火并不受雷電直接影響。降雨、雷擊次數(shù)和雷電流強度才是影響雷火發(fā)生的主要因素，植被類型和地理變量是次要因素[11]。孫瑜等[12]應用MAXENT模型，對各環(huán)境變量進行共線性診斷，再利用累積正則化增益法和Jackknife方法評價了環(huán)境變量的重要性，使雷擊火火險的預測精度達到中等。

通過整理統(tǒng)計1981—2018年內蒙古森林草原雷擊火歷史數(shù)據(jù)，分別從年份、季節(jié)、節(jié)氣、月份、日期以及時刻等多個不同時間尺度在火災起數(shù)和過火面積等方面探討規(guī)律；并從地域、海拔和等級等方面分析雷擊火特點，為內蒙古森林草原雷擊火的防控部署和撲救指揮提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內蒙古自治區(qū)地處中國北部邊疆，東經(jīng)97°～126°，北緯37°～53°，東西距離2 400 km，南北跨度1 700 km。全區(qū)基本上是一個高原型的地區(qū)，大部分地區(qū)海拔1 000 m以上[13]。以溫帶大陸性季風氣候為主。全年降水量在350～450 mm，主要集中在6—8月[14]，內蒙古東部山地森林以次生林和人工林為主，主要有樟子松(Pinussylvestris)、興安落葉松(Larixgmelini)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等。植被類型從東北—西南一線依次為森林、草原和荒漠[15]。草原上生長著100多種飼用價值高的植物群，主要有羊茅(FestucaovinaL.)、無芒雀麥(Bromusinermis)等豆科和禾本科牧草。

2 研究方法

對內蒙古地區(qū)1981—2018年的森林草原雷擊火災的起滅時間、過火面積、地理位置以及火災起數(shù)進行數(shù)據(jù)整理，使用Microsoft Office Excel 2007進行統(tǒng)計分析，得到38 a間不同時間維度的具體數(shù)據(jù)，使用Origin2017進行制圖，研究不同時間條件下森林草原雷擊火發(fā)生規(guī)律的顯著差異，根據(jù)經(jīng)緯度地理信息，利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.2對內蒙古地區(qū)行政區(qū)劃圖進行處理，建立森林草原雷擊火火點點狀圖層(圖略)，分析雷擊火的地區(qū)、海拔等的分布規(guī)律。

3 結果與分析

3.1 雷擊火發(fā)生的時間特點

3.1.1 年變化規(guī)律

根據(jù)1981—2018年內蒙古森林草原雷擊火起數(shù)和火災面積的統(tǒng)計，共發(fā)生森林雷擊火406起，過火面積125 037 hm2，草原雷擊火41起，過火面積450 378 hm2(表1)。在2010年森林雷擊火發(fā)生起數(shù)最多，有74起，2016年過火面積最大，有53 791 hm2；草原火在1992年發(fā)生5起，1981年過火面積最大，達到了240 500 hm2。38年間草原雷擊火發(fā)生次數(shù)十分平穩(wěn)，但森林雷擊火在2000年之后開始增多，分別在2002、2004、2007、2010年達到峰值，次數(shù)分別為43、42、45次，在2010年達到最高值74次。雖然在2014年左右有所下降，但在近幾年有呈上升趨勢，應當重點防范。

從過火面積來看，森林雷擊火過火面積在2000年后相對之前較大，變化趨勢明顯。過火面積達124 596 hm2，占38年森林總過火面積的99%。草原雷擊火雖然發(fā)生次數(shù)較少，過火面積反而較大，1981年出發(fā)生了3次雷擊火總過火面積就達到240 500 hm2的大面積火災，之后又在1992、2000年分別達到2個小峰值83 675、47 900 hm2?？傮w來看草原雷擊火的過火面積，平均每年達11 852 hm2，每次達10 984 hm2。

表1 1981—2018年內蒙古自治區(qū)森林草原雷擊火成災起數(shù)及過火面積

3.1.2 不同季節(jié)與月份下雷擊火變化規(guī)律

內蒙古森林草原雷擊火在季節(jié)性變化上主要集中在春夏兩季(春季3—5月、夏季6—8月，表2)。其中森林雷擊火春季發(fā)生88次，占全年的21.78%，過火面積59 207 hm2，占全年的47.35%；夏季發(fā)生火災次數(shù)298次，占全年的73.76%，過火面積達到55 764 hm2，占全年的44.60%。草原雷擊火更以春季為主，具有明顯差距。春季發(fā)生雷擊火20次，過火面積高達386 179 hm2，占全年的85.75%。平均每次雷擊火過火面積19 309 hm2，給草原資源和生態(tài)系統(tǒng)造成了極大損失。雷擊火在春夏兩季高頻率發(fā)生的主要原因是由于氣候因素和可燃物因素導致，內蒙古地區(qū)屬于溫帶季風性氣候，一年四季普遍降雨較少，尤其是春季，降水少大風天氣多，可燃物含水率較低，雷暴天氣又尤為顯著；而夏季雖然降水量相對增加，但也是雷暴天氣高發(fā)期，這就導致春夏兩季雷擊火顯著增高。而隨著秋冬兩季來臨，氣溫下降，雷擊天氣越來越少，發(fā)生雷擊火概率也會明顯降低。

表2 1981—2018年內蒙古自治區(qū)不同季節(jié)森林草原雷擊火成災起數(shù)及過火面積

在月份變化上，森林雷擊火集中于5、6、7、8月(表3)，4個月中共發(fā)生雷擊火385次，占全年總次數(shù)95.30%，過火面積114 956 hm2，占全年總過火面積91.94%。草原雷擊火在4、5、6月出現(xiàn)明顯的高峰，發(fā)生雷擊火33次，占全年總次數(shù)的80.49%，過火面積435 284 hm2，占全年總過火面積的96.65%。4—8月是內蒙古雷暴天氣高發(fā)期，80%～90%的雷擊火都發(fā)生于這種天氣系統(tǒng)下[16]。

3.1.3 不同節(jié)氣變化規(guī)律

雷擊火主要受氣象因素影響，研究不同溫度時期以及不同物候時期的雷擊火動態(tài)變化具有相對重要的意義。節(jié)氣方面森林雷擊火在芒種時發(fā)生火災最多，達到83次，占總起數(shù)20.34%(表4)。其中一般、較大、重大、特大火災過火面積所占比例較高。小滿期間過火面積出現(xiàn)峰值，達到57 292 hm2，占總過火面積的45.96%。這是由于在春夏兩季相交時降水相對較少，溫度上升氣候干燥，雷暴天氣增多，極易發(fā)生雷擊火。草原雷擊火主要分布于2個時間段內，高峰集中于清明、谷雨、立夏、小滿、芒種5個物候期內，發(fā)生雷擊火次數(shù)雖然相對森林雷擊火較少，但過火面積達到435 284 hm2，值得引起重視。尤其在芒種期內，無論是火災次數(shù)還是過火面積都出現(xiàn)最高值，分別占全年總數(shù)的42.50%、67.89%。草原雷擊火在秋分、寒露期內還出現(xiàn)一個小波動，這是在秋冬相交之間也是火災高發(fā)期，氣候干燥，出現(xiàn)小波動雷擊火，在此期間內也應加強防護措施。

3.1.4 日期變化特點

日期變化中森林雷擊火在6、27日發(fā)生火災起數(shù)最多，接下來是在4、22、23日，其余基本在20次以下(表5)。過火面積方面在16、24日出現(xiàn)兩個小高峰，分別達到18 666、36 430 hm2。草原雷擊火在9、15、22日出現(xiàn)峰值，過火面積在15、22日出現(xiàn)兩個小波動，在30日達到峰值255 000 hm2。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要與內蒙古氣候特征有關。

表3 1981—2018年內蒙古自治區(qū)不同月份森林草原雷擊火成災起數(shù)及過火面積

表4 1981—2018內蒙古自治區(qū)不同節(jié)氣森林草原雷擊火成災起數(shù)及過火面積

續(xù)(表4)

表5 1981—2018內蒙古自治區(qū)不同日期森林草原雷擊火成災起數(shù)及過火面積

3.1.5 每日時刻變化規(guī)律

每日時刻變化方面，森林雷擊火中除01:00這個時段出現(xiàn)最高峰外，火災起數(shù)呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢，從02:00—09:00無明顯變化，在10:00后開始上升，15:00達到最高值48次，之后又平穩(wěn)降低(表6)。過火面積呈現(xiàn)整體平穩(wěn)，單點出現(xiàn)峰值的情況，平均每次森林火災受災面積310 hm2，且未與火災起數(shù)呈正比關系，這說明雷擊火的大小是不確定性的，防撲火人員需要對每一起火災給予足夠重視。

表6 1981—2018內蒙古自治區(qū)不同時刻森林草原雷擊火成災起數(shù)及過火面積

草原方面，火災起數(shù)在14:00—18:00相對較多，過火面積在13:00、21:00出現(xiàn)兩個小高峰。整體來看，草原雷擊火共發(fā)生38次，但單次過火面積平均11 852 hm2，遠遠大于森林單次受災面積，火強度極大，相關部門應加強對草原雷擊火的防火巡查，提高防火警惕。森林草原雷擊火主要集中于00:00、15:00左右，是因為在00:00時人們已經(jīng)進入深度睡眠，防火警惕性差；在下午時段，隨著一天中溫度升高，可燃物含水率降低，又因為內蒙古地區(qū)常伴有大風天氣助長火勢，導致在此時間段內出現(xiàn)高峰。

3.2 雷擊火發(fā)生空間規(guī)律

3.2.1 地區(qū)變化規(guī)律

內蒙古森林草原雷擊火的空間分布規(guī)律。森林雷擊火主要集中于內蒙古東部地區(qū)，以呼倫貝爾為主，其中呼倫貝爾發(fā)生的383次雷擊火全部是在大興安嶺林區(qū)，過火面積達122 455 hm2。草原雷擊火主要分布在錫林郭勒大草原和呼倫貝爾大草原，其中錫林郭勒草原發(fā)生雷擊火29次，占全自治區(qū)的70.73%，過火面積412 388 hm2，占全自治區(qū)91.57%。兩大草原作為內蒙古著名草原，面積廣、可燃物蓄積量大，極易發(fā)生大面積火災。

3.2.2 不同等級下雷擊火變化規(guī)律

不同等級火災規(guī)律研究部分，依據(jù)森林及草原防火條例分為一般火災、較大火災、重大火災、特大火災4個部分(表7)。森林雷擊火方面較大火災發(fā)生頻率最高，占總數(shù)的65.59%，但更應該加強對重大、特大火災的防控，兩者過火面積達109 475 hm2，占總過火面積的87.55%。草原雷擊火中一般和重大火災發(fā)生頻率較高，分別占總數(shù)的39.02%、36.59%，火災面積與火災次數(shù)也無明顯關系，在重大、特大火災中過火面積大，應加強預警和撲救。

表7 1981—2018年內蒙古自治區(qū)不同等級森林草原雷擊火成災起數(shù)及過火面積

4 結論與討論

雷擊火的時空分布特征主要受氣象條件、地形、海拔等因素影響，具有時空動態(tài)分布特征。根據(jù)年變化規(guī)律，森林雷擊火在2000年之后有明顯的上升趨勢，火災起數(shù)和過火面積都有所增長；草原雷擊火的發(fā)生次數(shù)雖然趨于穩(wěn)定，但過火面積卻有不確定性，易發(fā)生單次過火面積大的火災，應重點加以防控。季節(jié)性變化規(guī)律中，森林草原雷擊火主要集中于春夏兩季，尤以春夏之交最為嚴重，這是由于春夏兩季內蒙古地區(qū)大風天氣多、可燃物含水率低，并且來自西北方向的冷鋒穿過內蒙古地區(qū)上空，導致雷暴天氣增多，致使雷擊火集中；而秋冬兩季，雷暴天氣鮮有發(fā)生，氣候逐漸寒冷，森林草原被積雪所覆蓋，不易發(fā)生雷擊火。月份變化中4—7月是雷擊火相對集中的時段，其中5月最為突出[17]，此時正是春夏之交，氣候變化異常，容易發(fā)生雷擊，應在此時加強重點林區(qū)、草原的防控和監(jiān)測[18]。日變化主要是受時間、溫度等影響。一天中最易發(fā)生雷擊火的時段是11:00—15:00，這段時間一天內溫度上升，可燃物含水率低，一旦發(fā)生雷擊火極易引發(fā)大面積火災，在00:00—02:00這段時間由于人的警惕性下降，發(fā)現(xiàn)火情晚，易造成大面積火災，也應該給予重視，重點防范。Li et al.[19]建立了基于ADTD雷電檢測數(shù)據(jù)的火災危險指數(shù)，并開發(fā)了森林雷電火災預報模型，內蒙古森林草原雷擊火在時間上的分布特征可結合此預報模型，將對提高內蒙古森林草原雷擊火預測精度具有重要意義。

根據(jù)空間分布規(guī)律，森林雷擊火主要集中于內蒙古東北部大興安嶺林區(qū)，尤其是大興安嶺北麓，這與劉松等[20]、張騫等[21]、倪長虹等[22]的研究結果相一致；王曉紅等[23]的研究表明，雷擊火雖然由閃電引發(fā)，但通過分析，大興安嶺地區(qū)雷擊火與閃電并無明顯關系。造成雷擊火的主要原因是因為大興安嶺地區(qū)屬于中高緯度地帶，平均海拔在800 m以上[24]，在每年的春夏之交時間段內，來自蒙古和俄羅斯的冷鋒氣旋在大興安嶺林區(qū)通過，在林區(qū)上空凝結成冷鋒面加之原始林區(qū)地形等因素極易造成雷暴天氣，并且原始林區(qū)大部分人跡罕至，倒木、枯死木較多，這也加大了發(fā)生雷擊火的可能性。草原雷擊火主要分散在錫林郭勒草原和呼倫貝爾草原。雷擊火一般發(fā)生在人跡罕至的原始林區(qū)，被發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)燃燒較長時間，雖然有瞭望塔監(jiān)測、視頻監(jiān)測等手段，但由于監(jiān)測范圍有限，還是有很多不足，可以重點增加內蒙古大興安嶺地區(qū)的雷擊火成因研究，在不同方向和角度深入分析時間、地形、海拔、氣象條件等與雷擊火的數(shù)量關系，從雷擊火源頭提供科學可靠的預防手段，在雷擊火頻發(fā)時期應加強對特定地區(qū)的重點防控和宣傳，加大巡查力度，充分利用現(xiàn)代先進科技手段，視頻監(jiān)測和地面監(jiān)測有機結合，將火災控制在萌芽時期。