司莉青 王明玉 陳 鋒 舒立福 趙鳳君 李偉克

（1. 中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護研究所 國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室 北京 100091；2. 北京林業(yè)大學生態(tài)與自然保護學院 北京 100083）

森林火災是全球生態(tài)系統(tǒng)的重要干擾因素，不僅會影響森林生態(tài)系統(tǒng)的地球化學和生物循環(huán)，而且在大氣的化學和碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。閃電是引發(fā)森林火災的最重要自然原因之一，特別在夏季干旱和對流活動較強的高海拔地區(qū)（Mulleret al., 2017）。作為天然火源重要部分的雷擊火，具有自組織臨界性特點，是全球林火體系的重要組成部分（Bowmanet al.,2019; Rompset al.,2014）。在美國西部，尤其內華達山脈地區(qū)在內的許多野火都是由雷擊引起的（Short,2017）。加拿大的雷擊火占林火總數的45%，占總燃燒面積的85%以上（Abdollahiet al.,2019）。1973—2014年間澳大利亞維多利亞州的雷擊火占森林火災總數的11%，但燒毀的土地面積卻達到70%；2003 年維多利亞州阿爾卑斯山地區(qū)的大火是由冷鋒產生的雷暴引發(fā)，當冷鋒及其鋒前低壓槽經過時，形成高空雷暴，這次冷鋒導致的雷暴過程引發(fā)87 起雷擊火災，并燒毀大約110 萬hm2的土地（Stephenson, 2010）。在北美，近年發(fā)生的大型森林火災均由閃電引起。根據Veraverbeke 等（2017）和 Balch 等（2017）的數據，1992—2013 年，閃電引發(fā)的野火占美國大陸所有野火的16%，占總燒毀面積的56%。我國的雷擊火在少數地區(qū)也相當嚴重，其中以大興安嶺和呼倫貝爾盟林區(qū)尤為突出，尤其大興安嶺地區(qū)幾乎每年都有雷擊火引起的林火，也是全國雷擊火發(fā)生最多最集中的區(qū)域（臧桐汝等，2022；杜春英等，2010），且密集型雷電過程引發(fā)的群發(fā)雷擊火占雷擊火數量的多數。大興安嶺的山脊附近更易發(fā)生雷擊火（Changet al.,2013; Liet al.,2012），而且雷擊火有季節(jié)性趨勢和模式，主要發(fā)生在5—6 月，其火災面積較大，發(fā)生時間較早（Weiet al.,2020; Zhaoet al.,2020）。

雷擊引起野火的風險受多種因素影響，如空氣濕度、地面坡度、地表氣溫、風向和地表壓力等（Shuet al.,2022; Huet al., 2014）。短期天氣模式影響雷擊的頻率和時間，雷擊在地理和地形上也存在差異。在季節(jié)性尺度到年際時間尺度上，降水量和溫度通過對林下植被和可燃物水分的相互作用影響著火概率（Littellet al.,2009），且森林火災與干旱期和雷擊時間相吻合（Podschwitet al., 2020）。由于各地植被組成和結構在空間尺度上及年際到年代際的時間周期上都有變化（Hanberry, 2014），閃電發(fā)生和著火概率可能經常表現出相當大的空間和時間變化，它們的相互作用可能在某些情況下增加風險，而在另一些情況下則降低風險。閃電活動在短時間尺度上與地表溫度呈正相關，因此，未來氣候變暖預測中的一個關鍵問題是未來全球變暖對閃電、雷暴和其他惡劣天氣的影響。研究表明，云地閃隨氣候變暖而顯著增加（Abatzoglouet al.,2016; Fisheret al.,2014），氣溫每增加1 ℃，閃電活動次數增加了30%～40%（Tippettet al.,2015）。厄爾尼諾現象也會導致閃電活動增加（Sahaet al.,2017）。此外，由于云地閃對氣候變化的響應比云內閃更敏感（Priceet al., 1994），在氣候變暖條件下，云地閃造成的災害增加，特別在林區(qū)，如在北美和東北亞等北部高緯度地區(qū)，云地閃引發(fā)雷擊火造成的燃燒面積顯著增加（Krauseet al.,2014; Lutzet al.,2009）。閃電與雷擊火的緊密發(fā)生，在全球氣候變暖的背景下探究閃電發(fā)生規(guī)律及其與雷擊火之間的關系十分必要。雷擊火的預測與防控必須建立在掌握當地雷電活動規(guī)律的基礎上，從時間、空間上分析閃電活動規(guī)律，可以有效地開展森林雷擊火防御工作，特別是對森林雷擊火的發(fā)生、定位與預測預報提供參考。

1 雷電分布特征

1.1 雷電特征

閃電不僅造成可燃燒物燃燒，還會對樹木造成物理傷害，引起昆蟲和病害的攻擊，進而引起森林群落的退化（Yanoviaket al.,2017）。閃電是由云中正負電荷分離引起的導致10～100 MV 級電壓差的高能放電（Williams, 1989）。云內閃電是連接雷云偶極子上正電荷和下負電荷的放電，完全包含在云中，因此對地面火災發(fā)生沒有任何影響，云地閃作為引發(fā)森林火災的重要因子，有待進一步討論。全世界大約90%的云地閃會將負電荷轉移到地面上，10%是正電荷，如2011 年1 月—2019 年6 月間，澳大利亞塔斯馬尼亞州每年的負地閃與正地閃發(fā)生次數比率為78∶22（Nampaket al.,2021）。正地閃和負地閃的持續(xù)電流特征具有顯著差異，絕大多數正地閃是單擊，閃電幾乎都有持續(xù)電流；大多數負地閃是多沖程，其中約一半伴有持續(xù)的電流（Yusopet al.,2019; Kuleshovet al.,2011）。鑒于正地閃的能量性質和它們表現出持續(xù)電流的高概率，研究人員普遍認為這種閃電類型是森林火災的主要引發(fā)者。然而，Flannigan 等（1991）對此觀點提出質疑，認為應該關注具有持續(xù)電流的大量負地閃。閃電引發(fā)火災的可能性也被錯誤地建立在依靠判斷其視覺外觀的基礎上——“熱”閃電是明亮的白色或藍色的光，而“冷”閃電是暗紅色的外觀，“熱”閃電更容易引發(fā)野火。對閃電光譜的定量分析（穆亞利等，2016）表明，所有回程通道（閃電光的主要來源）的固有光譜顯示出廣闊的光學區(qū)域，類似于陽光，長期高溫所產生的熱效應是許多閃電災害的主要原因。這也說明閃電引發(fā)森林火災的最關鍵參數是持續(xù)電流出現及其持續(xù)時間，而不是雷電等離子體的溫度。

森林雷擊火是由云地閃電流的熱效應所導致，引燃與否的關鍵與閃電的極性、電流強度等特征密切相關，這也是雷擊火引燃機制比人為火更復雜的主要原因（張宏民等，2022）。雷電是雷暴天氣的重要組成部分，是雷暴天氣的一種表現。閃電是自然大氣中極強且長時間的放電現象，對地的峰值電流通常為數萬安培，甚至超過10 萬安培。閃電發(fā)生具有時間隨機性和瞬時性特點，在空間上其危險性特征隨地域不同而變，因此，對閃電及放電點火物理過程和活動規(guī)律的認知難度較大（Vecín-Ariaset al.,2016; Wapler, 2013）。

1.2 閃電密度影響因素

云地閃是指云內帶電核心與地面以及地面物體直接發(fā)生放電過程的現象，根據云內電荷不同分為正地閃和負地閃，是云與大地間的放電現象，因此，雷電災害主要就是由云地閃引起。云地閃又稱直擊雷，云地閃密度指每年每平方公里發(fā)生的云地閃次數。Golde（1945）分析認為全球溫帶氣候的云地閃密度和年雷暴日之間存在線性關系；Brooks（1925）認為這種線性關系可應用到全球的溫帶和熱帶氣候區(qū)。我國學者20 世紀60 年代得出地面年落雷密度Ng與雷電日Td的經驗關系表達式Ng=0.023Td1.3，一直沿用至今（何金良等，2013）。近年來，隨著遙感影像和ADTD閃電定位系統(tǒng)的建立，云地閃密度測定更準確，如胡亞男等（2022）研究發(fā)現強云地閃更易產生于林地上，晝間云地閃活動較夜間明顯強烈。Dowdy（2015）研究表明，850～500 hPa 溫度遞減和850 hPa 露點降低對預測干雷暴（伴隨降水量小于2.5 mm 的雷暴）有影響，而利用對流有效位能指數（convective available potential energy, CAPE）預測閃電發(fā)生更為普遍。

閃電密度還受海拔、植被及火燒跡地等因素的影響，海拔可引起強制對流，從而導致雷擊；地形效應在確定植被類型方面起著重要作用，閃電在澳大利亞北領地的北部地區(qū)（1.21 times·km-2a-1）比南部地區(qū)（0.58 times·km-2a-1）和沿海地區(qū)（0.71 times·km-2a-1）更多，其差異就是由于植被覆蓋度的差異；大型火燒跡地（＞ 500 m）通過增強自由對流或中尺度環(huán)流引發(fā)雷擊（Kilincet al., 2007）。而Bourscheidt 等（2009）研究表明坡度對雷暴發(fā)生和閃電活動影響大于海拔，且土地利用和土壤類型不同時的云地閃密度也明顯不同（Sisniegaet al.,2018），同時閃電和雷擊密度還受到氣溶膠含量影響，雷電活躍日的大氣中粉塵和煙霧氣溶膠更豐富（Proestakiset al.,2016）。Dissing 等（2003）研究閃電分布與植被的關系，發(fā)現2 種植被類型的加熱差異引發(fā)的中尺度環(huán)流很可能產生閃電。同時，森林火災也會影響閃電發(fā)生，火災產生的煙霧會在大面積區(qū)域內引發(fā)反向閃電和雷暴?；鸱e云由森林大火或火山爆發(fā)等現象形成，火積云會因為強大的上升氣流而產生閃電，如在2021 年的火災高發(fā)季節(jié)，希臘發(fā)生多起野火，利用SEVIRI 衛(wèi)星數據對高溫對流研究證實，存在持久的熱對流，其中火積云存在數小時（Papavasileiouet al., 2022）。與“正?！狈e云的閃電相比，火積云有較高比例的正地閃（Latham, 1991），這可能會引發(fā)又一場火災。

1.3 我國雷暴日規(guī)律

全球年均雷暴日數量的地理分布情況通常與大氣環(huán)流方向、海陸空間分布、地形地貌差異、冷暖洋流方向及其他局地條件有關，具有3 個特征：一是年均雷暴日數隨緯度增加呈減少趨勢；二是大陸雷暴年均日數普遍大于同緯度海域；三是大陸濕潤地區(qū)年均雷暴日數普遍大于同緯度干旱地區(qū)。我國各地年均雷暴日數與當地所處的緯度及距海洋遠近有關（王學良等，2016）。其中，105°E 以東地區(qū)的平均雷暴持續(xù)時期隨緯度減小而遞增，但長江以北地區(qū)這一特征不太明顯。東南沿海地區(qū)的平均雷暴持續(xù)時期小于同緯度離海岸較遠的地區(qū)，而小島嶼的平均雷暴持續(xù)時期又小于沿海岸地區(qū)，這與年均雷暴日相似。新疆、甘肅、內蒙古的沙漠地區(qū)和柴達木盆地，氣候干燥，平均雷暴持續(xù)時期較短，而在地勢高、地形復雜的青藏高原和云貴高原地區(qū)，平均雷暴持續(xù)時期常高于同緯度其他地區(qū)（黃禮忠，2018）。研究表明，大興安嶺地區(qū)雷暴日數的年內分布與測站地理位置及緯度有關，加格達奇最多；大興安嶺地區(qū)雷暴日數的月際變化呈單峰分布，主要集中在6—8 月，峰值在7 月。大興安嶺地區(qū)的雷暴表現出明顯的季節(jié)性特征，即雷暴多發(fā)生在夏季，春秋季次之（于淑潔等，2010；舒立福等，2003）。

2 雷擊火發(fā)生規(guī)律

有研究表明，超過40%的有記錄的野外火源歸咎于閃電（Hallet al., 2006），雷擊火引起的森林可燃物燃燒在生態(tài)系統(tǒng)平衡維持和演化中起著重要作用。與其他火源不同，雷擊火通常發(fā)生在偏遠且難以接近的地方，這使得其探測和撲滅極具挑戰(zhàn)性（Kourtzet al.,1992）。此外，雷擊可能引起大量火災聚集在同一空間內，導致火災撲救工作無法順利進行（Poduret al.,2003）。由于這些因素，雷擊火燒毀的土地面積與數量不成比例。例如，在加拿大安大略省，大約40%的野火是由閃電引起的，但燒毀面積占到總燃燒面積的70%（Flanniganet al., 1991）。大多數雷擊發(fā)生時會伴有明顯的降水，但簡單地預測雷擊活動水平并不能精準地確定潛在的火災發(fā)生情況。雷擊火發(fā)生及其火行為特征與可燃物類型和濕度（Duffet al.,2017）、雷擊類型、地形、植被結構（Fernandeset al.,2022）都有密切關系，這些因素的共同作用使雷擊火分布具有一定的時空特征（Fenget al.,2019）。雷擊火更易發(fā)生在陽光充足的斜坡上，而高溫月份高溫天氣頻繁出現也會引發(fā)森林雷擊火（Petrieet al.,2022）。2019 年1 月發(fā)生在澳大利亞塔斯馬尼亞州南部的多次雷擊引發(fā)的火災燒毀森林約637.19 km2，表明地表以上的高海拔風對雷擊火災蔓延有更重要的作用（Ozakiet al.,2022）。

Woolford 等（2014）研究表明，在加拿大安大略省西北部由閃電引起的森林火災風險不斷增加，并與溫度和火險天氣異常有關，如果這種趨勢持續(xù)，預計21世紀中葉的雷擊森林火災風險上升期的持續(xù)時間將增加50%以上。近年來，我國的雷擊火研究主要集中于大興安嶺林區(qū)，據統(tǒng)計在2010—2015 年共發(fā)生的148 起森林火災中，雷擊火為136 起，占火災總數的91.89%。在1980—2021 年，黑龍江大興安嶺和內蒙古大興安嶺林區(qū)發(fā)生雷擊火1 533 次，年均近40 次。

3 雷擊火預警和預測

前人研究證明，閃電引起的野火主要對應電流強度小于20 kA 的負地閃（Vanúciaet al.,2022; Pinedaet al., 2014），它點燃了森林地面上的細小可燃物（如松針），或將樹木擊倒或炸成碎片，從而引燃地表可燃物。除了放電時間外，可燃物的含水量和厚度分別是決定西黃松（Pinus ponderosa）和花旗松（Pseudotsuga menziesii）點火的主要變量（Lathamet al., 2001）。關于閃電引起野火的最早研究可以追溯到20 世紀六七十年代，研究人員推測放電的長持續(xù)電流（在放電回程中持續(xù)超過40 ms 的閃電電流）在引發(fā)閃電點火中起著關鍵作用（Fuquay, 1967; Fuquayet al.,1972）?；谶@一發(fā)現，Latham 等（1989）設計了一個閃電模擬裝置，并通過數千次實驗室測試，得到了不同可燃物類型和含水率的森林可燃物點火概率表達式，并認為點火概率只取決于電弧的持續(xù)時間，與電流和直徑不相關。Zhu 等（2012）基于一系列試驗結果提出了與可燃物含水率、環(huán)境濕度和模擬閃電放電參數相關的著火概率公式。Anderson 等（2000）將閃電引起野火的初始過程分為3 個不同階段：雷擊發(fā)生、雷擊引起的點火以及火災蔓延直到被探測到，并通過綜合所有階段的概率建立了概率模型。最新研究表明，閃電點火是個非常特殊的過程，包括放電加熱、熱反饋和自燃火焰3 個階段，不同于人工火種以及熱輻射點燃（Zhanget al.,2021）。雷擊火發(fā)生與可燃物類型、雷擊類型、地形和植被結構都有密切關系。厄爾尼諾事件期間干雷暴和伴隨的閃電活動增強，雷擊火引發(fā)的過火面積比例大量增加，森林火災的空間分布受火因、地形、人類活動、氣候變化、可燃物分布等因素的綜合影響（田曉瑞等，2012）。

大量研究表明，氣候變化會影響閃電的發(fā)生和點火概率（Finneyet al.,2018; Bajoccoet al.,2017；Priceet al., 1994），且氣溫升高和春季融雪提前已延長并加劇了生態(tài)系統(tǒng)干旱程度和野火活動周期。未來閃電發(fā)生次數和著火概率增加可能導致空間和時間上的火災風險增加（Westerling, 2016; Liuet al.,2013）。美國和加拿大使用的國家森林火災風險評級系統(tǒng)均涉及雷擊災的預測模型，但這些預測模型均不成熟，只在一些地區(qū)得到應用（肖志遠等，2011）。Podschwit 等（2020）對美國1984—2015 年野火發(fā)生模式和規(guī)律分析認為，最優(yōu)的模型應同時包括干燥度和閃電指標。在加拿大和美國預測森林火災危險的系統(tǒng)（Wanget al.,2017）以及俄羅斯的森林火災ISDM-Rosleskhoz 遠程監(jiān)測信息系統(tǒng)中，均考慮閃電活動因素（Podolskayaet al.,2011）。澳大利亞采用奧地利閃電探測和信息系統(tǒng)（ALDIS），該系統(tǒng)提供了多沖程中放電的坐標以及閃電極性等信息（Schulz, 2005）。瑞士使用了歐洲閃電探測網絡合作項目(EUCLID)，對每個放電，EUCLID提供坐標、日期和準確時間、放電類型，多重性、極性以及電流等信息（Moriset al.,2020; Vecín-Ariaset al.,2016）。許多研究者也關注閃電活動與降水的關系（Pinedaet al.,2017; Nietoet al.,2012），如在我國云南省采用云南閃電探測網絡(YNLDN)，該網絡由23 個傳感器組成，采用了綜合技術改進性能(IMPACT)方法（Xieet al.,2013）；馬來西亞研究人員使用了帶有8個傳感器的監(jiān)視和警報干涉無線電電力系統(tǒng)(SAFIR 300)（Chanet al., 2018）；在哥倫比亞，檢測閃電放電的LINET 方法用于分析閃電活動（Arangurenet al.,2017）。Read 等（2018）提出了一種新的邏輯斯諦回歸廣義加性模型來預測閃電引起的雷擊森林火災，該模型補充了現有的方法，通過比較3 個時間段內模型預測與觀測到的閃電引起的火災，證明了該模型在短期預測方面的實用性。Baranovskiy（2021）提出了預測森林火災危險的概率準則，綜合考慮了閃電活動、氣象資料和森林植被生長狀況，以及由云地閃放電引起的落葉樹和針葉樹的著火確定性數學模型。

我國大興安嶺林區(qū)的雷電監(jiān)測系統(tǒng)不斷完善，可以監(jiān)測雷電發(fā)生的方位、強度、距離和頻次，這些數據將為未來開展雷擊火預測預報研究提供基礎數據（李偉克等，2022）。馮俊偉等（2021）比較了典型植被結構中樹木和草的雷擊臨界著火特性，發(fā)現草比木片更易被雷電引燃。Yang 等（2018）利用中國閃電定位系統(tǒng)數據和全球閃電定位網絡數據分析了四川省木里縣云地閃特征及其與氣候變化的相關性，提出在每年的3 月，云地閃引起的森林火災可能會增加；Zhang等（2021）在大興安嶺調查了氣象、地形以及閃電等35 個因素，使用了地理和時間加權回歸（GTWR）模型來預測區(qū)域大規(guī)模雷擊火災的發(fā)生，并對火災易發(fā)氣候條件進行了重構；王金榮等（2015）基于空間網格和Logistic 回歸模型，建立了基于網格的大興安嶺雷擊火發(fā)生概率模型，可計算大興安嶺每個空間單元格的雷擊火發(fā)生概率。我國近年來構建的覆蓋大興安嶺的全波形三維雷電探測網和大興安嶺雷擊火感知系統(tǒng)，可以精準定位云地閃發(fā)生位置，同時獲取雷電強度、雷電極性等信息，實現了雷電預警監(jiān)測系統(tǒng)的及時監(jiān)測（王志增，2022）。

4 研究展望

從上述分析可見，在當前氣候變化背景下研究閃電及其雷擊火活動規(guī)律十分必要，然而目前對閃電發(fā)生規(guī)律、影響閃電密度的因素及其引燃雷擊森林火災機制的認識仍不夠全面，雷擊火預報結果不能滿足森林火災管理的需要。雷電分布時間具有隨機性和瞬時性，其引發(fā)火災的危險性具有空間差異，這是因為雷電分布受到地形、坡度、海拔、土地利用、土壤類型、氣溶膠含量等因子的影響。在我國大興安嶺，雷暴分布有明顯的時間和季節(jié)特征，一年中雷暴日數主要集中在6—8 月，峰值在7 月，雷暴多發(fā)生在夏季，春秋季次之?，F有研究一般采用閃電探測和信息系統(tǒng)、Logistic 回歸模型、地理和時間加權回歸模型以及全波形三維雷電探測網等來預測閃電引起的森林火災。研究雷擊火災，必須要充分認識閃電放電、引火過程及其與森林火環(huán)境的關系。在地球系統(tǒng)模型中，閃電發(fā)生情況往往沒得到嚴格評估，在全球火災模型中也很少得到反映（Hansonet al.,2016）。目前實現了閃電的參數化并證明了其重要性，特別是在閃電作為主要火源的地區(qū)，如北方森林和北極苔原地區(qū)（Pfeifferet al.,2013, Krauseet al.,2014），閃電會影響火災動力學并可能影響生物群落演替。今后研究應開發(fā)用于探測長期趨勢的閃電測量系統(tǒng)，并將閃電驅動過程納入全球地球系統(tǒng)模型，通過衛(wèi)星通信、無人機航拍、利用現有的大氣電場測量系統(tǒng)，同時結合人工引雷、野外點火等試驗手段，系統(tǒng)研究我國的雷擊火引燃特征及其活動規(guī)律，加深對雷擊火發(fā)生發(fā)展特征的認識，建立雷擊火智能化預報模型，提高我國雷擊火發(fā)生概率的預報精度，實現對雷擊火的有效防控。