2014—2018年內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)干雷電時(shí)空分布特征

曲學(xué)斌1 王彥平1 楊淑香1 宋海清2 趙岳冀1 鄒曉華

(1.呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.內(nèi)蒙古大興安嶺林管局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

引言

雷擊是重要的自然火源，當(dāng)云地閃擊中干枯的樹(shù)木、草原后極易發(fā)生火災(zāi)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1976—2001年，雷擊火占加拿大安大略省森林火災(zāi)總數(shù)的43%[2]；1980—2004年，雷擊火占美國(guó)阿拉斯加州森林火災(zāi)總數(shù)的52%[3]；1966—2006年，雷擊火占中國(guó)大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)的36%[4]。隨著森林管理部門(mén)對(duì)防火期火源的管理逐步嚴(yán)格，人為火災(zāi)的發(fā)生概率在逐漸減少，雷擊火已逐漸成為我國(guó)森林生態(tài)環(huán)境的主要威脅之一[5]。大興安嶺是中國(guó)北方的重要生態(tài)屏障，近年來(lái)大興安嶺地區(qū)雷擊火災(zāi)頻發(fā)[6]，2018年6月1日19時(shí)，汗馬自然保護(hù)區(qū)突發(fā)雷擊火，經(jīng)過(guò)7670名撲火人員的全力撲救多日才全部撲滅，過(guò)火面積達(dá)51 km2；2018年6月21日大興安嶺北部的永安山、烏瑪、奇乾連續(xù)出現(xiàn)7起雷擊火災(zāi)，過(guò)火面積達(dá)1.4 km2；2019年6月19日，金河林業(yè)局秀山林場(chǎng)等多地突發(fā)雷擊火，近5000名撲火人員連續(xù)奮戰(zhàn)4天3夜才將所有火點(diǎn)撲滅。

目前我國(guó)大興安嶺火災(zāi)的研究主要針對(duì)林火發(fā)生規(guī)律、時(shí)空動(dòng)態(tài)分布和影響因素等[7-8]，王曉紅等[9]利用雷電及大興安嶺6個(gè)氣象站的氣象要素建立雷擊火預(yù)測(cè)模型；田曉瑞等[10]利用大興安嶺及周邊11個(gè)氣象站分析雷擊火發(fā)生時(shí)的氣象條件。上述研究均表明雷擊火常發(fā)生在雷電活動(dòng)頻繁且無(wú)有效降水的區(qū)域，即干雷電發(fā)生的區(qū)域，而多數(shù)雷電出現(xiàn)時(shí)均伴隨降水，因此無(wú)法利用雷電代替干雷電進(jìn)行雷擊火研究。目前干雷電的降水判別主要依靠周邊氣象站點(diǎn)降水資料，而大興安嶺地區(qū)山巒起伏，常出現(xiàn)局地對(duì)流性天氣，氣象站點(diǎn)又非常稀疏，難以精確判別并篩選干雷電。隨著衛(wèi)星遙感及氣象數(shù)值模式的發(fā)展，通過(guò)同化技術(shù)獲取格點(diǎn)化的氣象要素實(shí)況已成為可能[11]。因此，本文將利用高時(shí)空分辨率的格點(diǎn)實(shí)況降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)篩選干雷電，并分析其在大興安嶺地區(qū)的時(shí)空分布特征，為大興安嶺雷擊火監(jiān)測(cè)和預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東北部(119.10°—125.40°E、47.06°—53.33°N)，包括內(nèi)蒙古大興安嶺重點(diǎn)國(guó)有林管理局所屬19個(gè)林業(yè)局、1個(gè)管護(hù)局及呼倫貝爾市所屬位于大興安嶺地區(qū)的6個(gè)林業(yè)局，面積為1.1×105km2，平均海拔為784 m，最高海拔為1680 m(圖1)。研究區(qū)是大興安嶺的主體部分，主要植被是以落葉松為主的混交林，中南部及東部為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，北部為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為-0.9 ℃，年平均降水量為455.3 mm[12]。

圖1 大興安嶺地區(qū)海拔高度、林業(yè)局及氣象臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of altitudes,Forestry services,and meteorological stations in the Greater Khingan Mountains

1.2 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介及來(lái)源

中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)是利用數(shù)據(jù)融合與同化技術(shù)，對(duì)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感資料和數(shù)值模式產(chǎn)品等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，獲取格點(diǎn)化氣象要素產(chǎn)品，與傳統(tǒng)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)相比具有高時(shí)空分辨率等諸多優(yōu)勢(shì)[13-14]。本次研究使用的是CLDAS逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，由國(guó)家氣象信息中心提供，其空間分辨率為0.0625°×0.0625°。雷電數(shù)據(jù)來(lái)自大興安嶺地區(qū)的10臺(tái)ADTD閃電定位系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)范圍已覆蓋整個(gè)研究區(qū)。該系統(tǒng)是中國(guó)科學(xué)院研制開(kāi)發(fā)，由定位儀、數(shù)據(jù)處理站、數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及終端顯示等組成，采用時(shí)差法和定向時(shí)差法對(duì)云地閃進(jìn)行定位，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)到雷電的時(shí)間、經(jīng)緯度、電流強(qiáng)度、陡度等，系統(tǒng)定位精度在500 m以內(nèi)[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)CLDAS降水?dāng)?shù)據(jù)在大興安嶺地區(qū)的適用性進(jìn)行檢驗(yàn)，利用研究區(qū)內(nèi)5個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站5—9月逐日降水?dāng)?shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)所在地的CLDAS格點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，繪制散點(diǎn)圖并計(jì)算當(dāng)站點(diǎn)出現(xiàn)不同量級(jí)降水時(shí)CLDAS降水的誤差，分析CLDAS的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)及能否用于干雷電的篩選。之后利用ArcGIS的“值提取至點(diǎn)”工具，提取每一次雷電發(fā)生時(shí)其所在地對(duì)應(yīng)的CLDAS日降水量值，根據(jù)雷電發(fā)生時(shí)的降水特點(diǎn)，結(jié)合大興安嶺植被及前人研究結(jié)論確定干雷電發(fā)生時(shí)的降水閾值并據(jù)此篩選干雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。最后對(duì)大興安嶺地區(qū)雷電及干雷電發(fā)生次數(shù)、電流強(qiáng)度的時(shí)空分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，利用ArcGIS的“點(diǎn)密度”、“核密度”工具繪制雷電發(fā)生次數(shù)及雷電流強(qiáng)度的空間分布圖。

2 結(jié)果分析

2.1 CLDAS降水產(chǎn)品的適用性

研究區(qū)內(nèi)5個(gè)氣象站2014—2018年5—9月累計(jì)出現(xiàn)降水1266 d，提取氣象站所在經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的CLDAS格點(diǎn)降水量，并與站點(diǎn)降水量共同繪制散點(diǎn)圖(圖2)。由圖2可見(jiàn)，CLDAS降水與站點(diǎn)降水的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.873，兩者具有很好的一致性。一元線性回歸的趨勢(shì)線斜率小于1，常數(shù)項(xiàng)大于0，與1∶1線相交于3.7 mm，說(shuō)明CLDAS在少量降水(<3.7 mm)時(shí)存在對(duì)降水量的高估，而在較大量級(jí)降水(>3.7 mm)時(shí)存在對(duì)降水量的低估。

圖中實(shí)線為散點(diǎn)圖的趨勢(shì)線，虛線為1∶1線圖2 2014—2018年每年5—9月大興安嶺氣象站降水與CLDAS降水散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of precipitation between the meteorological stations and the CLDAS in the Greater Khingan Mountains from May to September during 2014 to 2018

分雨量統(tǒng)計(jì)CLDAS與站點(diǎn)降水的誤差(表1)。氣象站點(diǎn)未出現(xiàn)降水的天數(shù)中，CLDAS誤判為有降水的日數(shù)占站點(diǎn)未出現(xiàn)降水的27%，平均降水量誤差為0.2 mm且僅有1%的站點(diǎn)未出現(xiàn)降水時(shí)CLDAS誤判的降水量超過(guò)了5 mm。在站點(diǎn)降水為0.1—5.0 mm時(shí)，CLDAS降水的平均誤差為0.4 mm，其中誤判為無(wú)降水的日數(shù)占站點(diǎn)降水0.1—5.0 mm的10.6%，誤判為5 mm以上降水的日數(shù)占站點(diǎn)降水0.1—5.0 mm的7.6%。站點(diǎn)降水為5—10 mm時(shí)，CLDAS降水的平均誤差為-0.6 mm，其中誤判為5 mm以下降水的日數(shù)占站點(diǎn)降水5—10 mm的27.0%，誤判為10 mm以上降水的日數(shù)占站點(diǎn)降水5—10 mm的13%。站點(diǎn)降水為10—25 m時(shí)，CLDAS降水的平均誤差為-2.0 mm，誤判為5 mm以下降水量的日數(shù)占站點(diǎn)降水10—25 m的7.3%。對(duì)于25—50 mm和≥50 mm降水來(lái)說(shuō)，CLDAS誤判

表1 2014—2018年每年5—9月大興安嶺不同量級(jí)站點(diǎn)降水與CLDAS降水的誤差對(duì)比Table 1 Error of precipitation between the meteorological stations and the CLDAS in the Greater Khingan Mountains from May to September during 2014 to 2018

為5 mm以下降水量的日數(shù)為0，降水的平均誤差分別為-9.4 mm和-10.9 mm。

對(duì)于利用降水篩選干雷電,以提高雷擊火防范效率來(lái)說(shuō)，降水高估會(huì)造成部分濕雷電被誤判別為干雷電，從而增加防火工作成本，降水低估則會(huì)造成濕雷電誤判為干雷電，造成與雷擊火相關(guān)的干雷電被遺漏，相比之下降水低估對(duì)干雷電篩選和森林防火的影響更大。由以上分析可知，CLDAS降水與站點(diǎn)降水的平均誤差較低，但存在少量降水高估而大量級(jí)降水低估的現(xiàn)象。CLDAS會(huì)將27%的5—10 mm降水和7.3%的10—25 mm降水誤判為5 mm以下，但僅有7.6%的0.1—5.0 mm降水和1%的無(wú)降水誤判為5 mm以上，雖然CLDAS篩選干雷電仍存在一定誤差，但多數(shù)是將濕雷電誤判為干雷電，對(duì)森林防火影響有限，且在現(xiàn)有實(shí)況氣象產(chǎn)品中，CLDAS的高時(shí)空分辨率優(yōu)勢(shì)明顯，因此可以使用CLDAS進(jìn)行干雷電的篩選。

2.2 雷電發(fā)生概況

大興安嶺地區(qū)年平均雷電次數(shù)為36013.4次，其中正地閃3351.4次(占9.3%)，最大電流強(qiáng)度為892.6 kA；負(fù)地閃32662次(占90.7%)，最大電流強(qiáng)度為-981.4 kA。大興安嶺地區(qū)的日雷電次數(shù)最多為6581次，出現(xiàn)在2017年6月28日，每年大興安嶺地區(qū)有雷電出現(xiàn)的日數(shù)平均為110.4 d，主要集中在每年5—9月，占全年總雷電出現(xiàn)日數(shù)的92.4%。大興安嶺地區(qū)的年平均雷電密度為0.34次/km2，每平方公里的年平均絕對(duì)雷電流強(qiáng)度(雷電流強(qiáng)度取絕對(duì)值)為14.7 kA，其空間分布見(jiàn)圖3a和圖3b。大興安嶺東側(cè)為夏季風(fēng)的迎風(fēng)坡，受地形抬升作用影響，該地區(qū)更易發(fā)生對(duì)流性天氣，具體而言在南木、巴林、綽爾、大楊樹(shù)、阿里河、吉文、甘河、阿龍山、汗馬自然保護(hù)區(qū)、永安山等地均有年平均雷電次數(shù)超過(guò)0.6次/km2，上述地區(qū)的絕對(duì)雷電流強(qiáng)度也普遍偏強(qiáng)，是大興安嶺地區(qū)的雷電高發(fā)區(qū)。金河和莫爾道嘎等地由于地處大興安嶺西側(cè)的夏季風(fēng)背風(fēng)坡，雷電次數(shù)相對(duì)較少，絕對(duì)電流強(qiáng)度也普遍偏弱。

圖3 2014—2018年大興安嶺地區(qū)年平均雷電次數(shù)(a)及絕對(duì)雷電流強(qiáng)度分布(b)Fig.3 Spatial distributions of annual average thunder frequency (a) and absolute thunder current intensity (b) in the Greater Khingan Mountains from 2014 to 2018

2.3 干雷電發(fā)生情況分析

2.3.1 干雷電的降水閾值

根據(jù)雷電發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)當(dāng)天的CLDAS逐日降水來(lái)看，有42.3%雷電發(fā)生時(shí)的日降水量小于5 mm，19.1%雷電發(fā)生時(shí)的日降水量在5—10 mm，26.8%雷電發(fā)生時(shí)的日降水量在10—25 mm，11.8%雷電發(fā)生時(shí)的日降水量大于25 mm。目前干雷電定義的降水閾值并不統(tǒng)一，也缺乏明確的計(jì)算方法。Dowdy和Mills[16]在澳大利亞?wèn)|南部研究表明，如果以降雨量4—7 mm時(shí)單次云地閃電的引燃概率為標(biāo)準(zhǔn)值，則降水量小于2 mm的引燃概率為標(biāo)準(zhǔn)值的2倍，降雨量小于1 mm時(shí)的引燃概率為標(biāo)準(zhǔn)值的4倍。Rorig等[17]將1個(gè)對(duì)流雷暴過(guò)程發(fā)生且降雨量小于2.54 mm作為太平洋西北地區(qū)的干雷電日標(biāo)準(zhǔn)；趙可新等[18]對(duì)比大興安嶺地區(qū)134起雷擊火和周邊氣象站點(diǎn)降水發(fā)現(xiàn)，雷擊火發(fā)生時(shí)的站點(diǎn)日降水基本均小于5 mm，僅有6次雷擊火對(duì)應(yīng)的降水量大于5 mm。綜合考慮前人研究成果以及大興安嶺地區(qū)森林密度較高，少量級(jí)降水會(huì)被樹(shù)木截留難以落地等因素，將5 mm作為大興安嶺地區(qū)干雷電發(fā)生的閾值。

2.3.2 干雷電時(shí)間分布特點(diǎn)

2014—2018年干雷電和非干雷電的年變化和月變化見(jiàn)圖4a和圖4b，年平均干雷電發(fā)生次數(shù)為15229.8次，其中2018年干雷電次數(shù)最少(11344次)，2017年干雷電次數(shù)最多(18121次)，干雷電次數(shù)占總雷電次數(shù)的32.2%—50.5%。干雷電的平均絕對(duì)電流強(qiáng)度為45.7 kA，比雷電平均絕對(duì)電流強(qiáng)度高2.2 kA。從雷電和干雷電的各月變化來(lái)看，6月的年平均雷電發(fā)生次數(shù)最多(13427.2次)，7月的年平均干雷電出現(xiàn)次數(shù)最多(6288.6次)，對(duì)比雷電流絕對(duì)強(qiáng)度可以看出，5月和9月的雷電流絕對(duì)強(qiáng)度要明顯高于6—8月，且干雷電的絕對(duì)電流強(qiáng)度也要高于同期的雷電流平均強(qiáng)度。干雷電年、月發(fā)生次數(shù)與對(duì)應(yīng)降水量的相關(guān)分析見(jiàn)圖4c和圖4d，年干雷電的發(fā)生次數(shù)與年降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.745(P<0.01)，存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而月干雷電的發(fā)生次數(shù)與月降水量的相關(guān)系數(shù)為0.917(P<0.01)，呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明在年尺度上，降水量越少的年份干雷電發(fā)生次數(shù)越多，但在月尺度上，降水越多的月份干雷電發(fā)生次數(shù)也越多。

圖4 2014—2018年大興安嶺地區(qū)干雷電發(fā)生次數(shù)與絕對(duì)雷電流強(qiáng)度年變化(a)和月變化(b)、年干雷電次數(shù)與年降水量的相關(guān)性(c)、月干雷電次數(shù)與月降水量的相關(guān)性(d)Fig.4 Annual (a) and monthly (b) variations of the number of dry thunder and the absolute thunder current intensity and correlation analysis of annual (c) and monthly (d) dry thunder with the corresponding precipitation in the Greater Khingan Mountains from 2014 to 2018

2.3.3 干雷電空間分布特點(diǎn)

大興安嶺地區(qū)干雷電年平均發(fā)生次數(shù)及電流絕對(duì)強(qiáng)度空間分布見(jiàn)圖5a和圖5b。干雷電出現(xiàn)較多且雷電流較強(qiáng)區(qū)域多處于大興安嶺地區(qū)南部、東部和東北部，其中永安山東部、滿歸南部、阿龍山東部、汗馬自然保護(hù)區(qū)北部、甘河?xùn)|部、阿里河西部、吉文北部、大楊樹(shù)東南部、巴林南部、南木、綽爾東部等地的年平均干雷電次數(shù)達(dá)到0.4次/km2，是干雷電高發(fā)區(qū)，上述大部分地區(qū)每平方公里的雷電流絕對(duì)強(qiáng)度也在12 kA以上，是雷擊火的重點(diǎn)防范區(qū)域。中東部地區(qū)的干雷電相對(duì)較少，莫爾道嘎、金河、根河、得耳布爾等地的年平均干雷電發(fā)生次數(shù)小于0.1次/km2，每平方公里的雷電流絕對(duì)強(qiáng)度一般也都小于4 kA。

圖5 2014—2018年大興安嶺地區(qū)年平均干雷電次數(shù)(a)及絕對(duì)雷電流強(qiáng)度分布(b)Fig.5 Spatial distributions of the annual average number of dry thunder (a) and absolute thunder current intensity (b) in the Greater Khingan Mountains from 2014 to 2018

3 結(jié)論

(1)CLDAS與站點(diǎn)降水相比在少量降水時(shí)存在對(duì)降水量的高估，而在較大量級(jí)降水時(shí)存在對(duì)降水量的低估。但整體誤差較小，且具有較高的時(shí)空分辨率，可以滿足大興安嶺地區(qū)雷電監(jiān)測(cè)中對(duì)干雷電篩選的需求。

(2)大興安嶺地區(qū)的年平均雷電次數(shù)為36013.4次，以負(fù)地閃為主，年平均雷電日數(shù)為110.4 d，且主要集中在每年5—9月。大興安嶺地區(qū)的雷電有42.3%在發(fā)生時(shí)的日降水量小于5 mm，綜合考慮大興安嶺植被及前人研究成果，宜將5 mm作為大興安嶺地區(qū)干雷電發(fā)生的閾值。

(3)2014—2018年，年平均干雷電發(fā)生次數(shù)為15229.8次，干雷電的雷電流強(qiáng)度比雷電平均電流強(qiáng)度高，且在降水偏少的年份干雷電反而有偏多的趨勢(shì)。每年6月的年平均雷電發(fā)生次數(shù)最多，7月年平均干雷電出現(xiàn)次數(shù)最多，雷電流的平均強(qiáng)度在5月和9月較強(qiáng)。

(4)大興安嶺地區(qū)的林業(yè)局中，永安山東部、滿歸南部、阿龍山東部、汗馬自然保護(hù)區(qū)北部、甘河?xùn)|部、阿里河西部、吉文北部、大楊樹(shù)東南部、巴林南部、南木、綽爾東部等地的年平均干雷電次數(shù)達(dá)到0.4次/km2，且上述地區(qū)的雷電流絕對(duì)強(qiáng)度也普遍偏強(qiáng)，是大興安嶺干雷電的高發(fā)區(qū)域。