森林雷擊火特點(diǎn)和監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展

張 媛，李勝男，張運(yùn)生

（1.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010；2.湖北省武當(dāng)山航空護(hù)林站，湖北 十堰 442000；3.南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 國內(nèi)外雷擊火發(fā)生概況

林火是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，全球尺度上林火是重要的干擾因子，它影響著地球生物化學(xué)循環(huán)，在大氣的化學(xué)循環(huán)和碳循環(huán)中起著重要作用[1]。作為天然火源重要部分的雷擊火，它與其他因素導(dǎo)致的林火一同構(gòu)成了全球的林火體系。雷暴及雷電在世界各地非常頻繁，被認(rèn)為是引發(fā)森林火災(zāi)最重要的自然因素之一，根據(jù)地球表面雷電風(fēng)暴的分布，由雷擊火引起森林火災(zāi)最多的國家，主要是美國、加拿大、俄羅斯、中國和澳大利亞等國。加拿大的雷擊火占總數(shù)的76%；澳大利亞維多利亞州大約每年584場森林火災(zāi)中，大約26%的森林火災(zāi)是由雷擊引起來的，過火面積幾乎占過火面積總數(shù)的50%[2]。美國每年平均有1-1.5萬次雷擊火，美國西部山區(qū)大約有68%的森林火災(zāi)是由雷擊火引起的[3，4]。俄羅斯每年發(fā)生的雷擊火占森林火災(zāi)總數(shù)的16%左右。

我國的雷擊火在少數(shù)地區(qū)也相當(dāng)嚴(yán)重，其中以大興安嶺和呼盟林區(qū)尤為突出。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[5]。雷擊火發(fā)生次數(shù)最多的省份為內(nèi)蒙古自治區(qū)和黑龍江省，主要分布在北緯49°-54°，東經(jīng)120°-127°之間。統(tǒng)計(jì)1999-2007數(shù)據(jù)，這兩個(gè)省份雷擊火次數(shù)占全國雷擊火總數(shù)的71.40%。受氣候變化影響，雷擊火1999-2007年有明顯增加的趨勢，雷擊火次數(shù)占全國火災(zāi)次數(shù)的1.14%。后些年份雷擊火次數(shù)增加更明顯，2007年雷擊火次數(shù)占當(dāng)年火災(zāi)次數(shù)的2.55%，次數(shù)和比例均增加了1倍多。

2 影響雷擊火發(fā)生的主要因素

雷擊火是由雷暴形成的“連續(xù)電流”接觸地面具備燃燒條件的可燃物發(fā)生的火災(zāi)。所有的正極放電均有連續(xù)電流，約20%的負(fù)極放電有連續(xù)電流[6]?？扇嘉锸欠顸c(diǎn)燃依賴于電流持續(xù)的時(shí)間和雷電擊中可燃物的種類。對于較大的可燃物，雷擊引發(fā)火災(zāi)比較依賴于可燃物的含水量，而對于細(xì)小可燃物則更依賴于半腐層厚度。在各種狀況下，雷擊火的蔓延均與可燃物的含水率密切相關(guān)[7]。

雷電是一種復(fù)雜的大氣放電現(xiàn)象，它是雷暴天氣的最基本特征之一，它的變化一定程度上反映了雷暴天氣的活動規(guī)律。我國大部分地區(qū)年平均雷暴30年來有減少的趨勢，以東南沿海為最，東北地區(qū)20世紀(jì)80年代以來雷暴頻數(shù)居多，有明顯的相反變化。利用大氣環(huán)流模式對全球雷電活動進(jìn)行模擬表明在全球范圍內(nèi)每分鐘有79次雷擊，陸海比為12.2，雷電活動多發(fā)生于北半球的夏季且具有明顯的季節(jié)性特征。

雷擊火的分布首先與雷暴系統(tǒng)的路徑有關(guān)。受雷暴活動影響，雷暴有地方性雷暴和鋒面雷暴。地方性雷暴是由于地形作用，只局限于一定的區(qū)域；鋒面雷暴是由于冷氣團(tuán)的作用，暖氣團(tuán)抬高形成的雷暴，能在鋒面上幾處同時(shí)發(fā)生[8]。其次，雷擊火分布受植被狀況和地形的影響，溝塘、草甸、河谷草地最容易發(fā)生雷擊火[9]；在高海拔地區(qū)發(fā)生雷擊火頻率較高，平原地區(qū)突出地面高的物體易遭雷擊，在山脈相連接地帶遭雷擊的次數(shù)明顯增多。我國黑龍江、內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)雷擊火分布的平均海拔為663 m，峰值分布在452～753 m之間。最低海拔為226 m，最高海拔為1 280 m。與人為火相比，雷擊火分布的海拔總體較高。因此，雷擊火的預(yù)防與撲救難度要大。雷擊火的發(fā)生還受氣象因子影響，降水量和平均溫度對雷擊火發(fā)生起主導(dǎo)作用[10]。當(dāng)降水量小于1 mm時(shí)，對可燃物含水率幾乎沒有影響，大興安嶺林區(qū)雷擊火就多發(fā)生在降水量小于1 mm的干雷暴天氣。降水量越大，越不易著火，當(dāng)降水量大于5 mm時(shí)，一般不易發(fā)生森林火災(zāi)，就是已經(jīng)發(fā)生的森林火災(zāi)，有時(shí)也會被澆滅或大大減弱而易于撲救?？扇嘉镆蜃?、地形因子和氣象因子構(gòu)成了雷擊火發(fā)生的火環(huán)境。

3 雷擊火監(jiān)測預(yù)警

盡管雷電是自然現(xiàn)象，但其規(guī)律性還是可以掌握的。首先必須弄清不同雷電能量在各種植被、氣象條件下著火與蔓延的規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室里能夠完成這方面的研究。其次是雷電的監(jiān)測，衛(wèi)星云圖可見光波段和紅外波段范圍都能提供雷暴云的信息，可在云圖上勾劃出可能發(fā)生雷擊火的區(qū)域[11]。美國使用雷電探測定位系統(tǒng)，可探測半徑400 km以內(nèi)90%以上的閃電并自動記錄閃電的時(shí)間、角度和次數(shù)，進(jìn)行定位分析，計(jì)算出閃電的位置，確定閃電強(qiáng)度最大的地點(diǎn)，即落雷概率最高，可能發(fā)生雷擊火的地點(diǎn)，然后對雷擊進(jìn)行預(yù)報(bào)。微波氣象雷達(dá)可探測幾百公里范圍內(nèi)的雷電活動情況。閃電計(jì)數(shù)器靠接收閃電輻射的電磁波，可記錄50 km內(nèi)的閃電發(fā)生次數(shù)，定性地估算雷暴活動的強(qiáng)度；雷電多站定位可以探測幾千公里的雷電活動。目前單站定位也能夠粗略地確定雷電的位置。確定了雷電的位置和當(dāng)?shù)氐闹脖粻顩r以及氣象條件，就可確定閃電是否引發(fā)了森林火災(zāi)，從而及時(shí)采取有效的撲救措施。

美國和加拿大的國家森林火險(xiǎn)等級系統(tǒng)中都涉及雷擊火的預(yù)測預(yù)報(bào)模式。但這些預(yù)測模型還不成熟，只是在部分地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。美國西北部門間合作中心采用可燃物干燥度、雷擊概率預(yù)測和雷擊數(shù)量評估模型結(jié)合作為一個(gè)預(yù)測因子輸入邏輯斯諦回歸模型，預(yù)測雷擊事件概率，即實(shí)際可能發(fā)生大火的火險(xiǎn)概率[12]。Magnussen根據(jù)雷擊火發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間，以及雷擊數(shù)據(jù)、森林覆蓋率、地表氣象觀測數(shù)據(jù)，大氣穩(wěn)定性指數(shù)和細(xì)小可燃物含水率指標(biāo)（FFMC），采用二項(xiàng)Logistic模型模擬不列顛哥倫比亞省火災(zāi)發(fā)生概率[13]；Wotton等采用Logistic模型使用雷擊、火災(zāi)天氣、可燃物含水率、火行為指數(shù)、火災(zāi)數(shù)據(jù)模擬安大略省生態(tài)區(qū)雷擊點(diǎn)燃引發(fā)陰燃火的概率和雷擊點(diǎn)燃引發(fā)明火的概率[14]。加拿大基于雷擊點(diǎn)燃模型建立了一個(gè)雷擊火發(fā)生預(yù)測系統(tǒng)，并在加拿大部分地區(qū)得到應(yīng)用。我國大興安嶺林區(qū)正在完善的雷電監(jiān)測系統(tǒng)，將可以監(jiān)測雷電發(fā)生的方位、強(qiáng)度、距離和頻次。這些數(shù)據(jù)將為未來開展雷擊火的預(yù)測預(yù)報(bào)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[15]。多數(shù)雷擊發(fā)生會伴有顯著降水。但是，簡單的預(yù)測雷擊活動水平不能準(zhǔn)確地確定潛在的火發(fā)生。雷擊火的發(fā)生與可燃物類型、雷擊類型、地形和植被結(jié)構(gòu)都有密切關(guān)系。

雷擊火點(diǎn)燃概率模型的基本過程是通過估計(jì)具有長時(shí)間連續(xù)電流的閃電的概率來進(jìn)行計(jì)算點(diǎn)燃的概率、火源能進(jìn)一步發(fā)展的概率以及閃電到達(dá)地面的概率。單獨(dú)的概率模型與雷電、午時(shí)天氣和森林清查數(shù)據(jù)一起用來預(yù)測點(diǎn)燃的數(shù)量、林火存活的數(shù)量和可探測火的數(shù)量，這個(gè)模型是空間火管理系統(tǒng)的一部分。雷擊火的發(fā)生與雷電的時(shí)間分布和空間分布密切相關(guān)，在每個(gè)一公里的單元格上的點(diǎn)燃效率以每次放電為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。如果效率比較高，則9次雷擊會引發(fā)1次雷擊火，在極端情況下，5次或更少次雷擊就可引發(fā)森林火災(zāi)。

1976年，美國土地管理局與亞利桑那大學(xué)大氣物理所簽訂合約開發(fā)雷電探測系統(tǒng)。1977年，首次試驗(yàn)性網(wǎng)絡(luò)安裝在阿拉斯加和大盆地。美國土地管理局與雷電定位與保護(hù)公司簽訂合同供應(yīng)第一個(gè)可操作的自動雷電探測系統(tǒng)，到1979年，美國土地管理局已經(jīng)在阿拉斯加和美國西部建立運(yùn)作的自動雷電探測系統(tǒng)。目前，土地管理局、林務(wù)局、國家氣象局和其他幾個(gè)州已經(jīng)與一個(gè)商業(yè)運(yùn)營商簽署了提供實(shí)時(shí)雷電探測信息的合同。1999年，美國林務(wù)局利用雷電位置數(shù)據(jù)和地方小尺度的空間數(shù)據(jù)對已有系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)展，對實(shí)時(shí)的雷電信息能夠在地理信息上進(jìn)行顯示，這就是自動雷電顯示系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是基于ArcView擴(kuò)展模塊的一個(gè)客戶端應(yīng)用程序，能夠下載和顯示雷電信息?？梢詮奈鞑繗庀笾行牡玫接嘘P(guān)雷電的歷史數(shù)據(jù)。

4 雷擊火預(yù)防與控制

雷擊火常常引發(fā)地下火，對林木的根部危害極其嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失十分慘重。在雷擊火高發(fā)區(qū)，可以人為消除云地閃電，從根本上消滅雷擊火。目前采用的方法：一是采用噴氣式飛機(jī)大角度著陸飛行產(chǎn)生拖帶下沉氣流，可使云層消散或云頂降低，或在云頂撒播黏土、鹽粉等固體物質(zhì)造成下沉氣流并產(chǎn)生降水；二是破壞雷雨云的起電機(jī)制，采用飛機(jī)撒播碘化銀，使雷雨云起電機(jī)制遭到破壞；三是消除或減弱云中電荷中心，抑制閃電的發(fā)生，如撒播金屬絲等導(dǎo)電性較好的物質(zhì)，減弱或中和云中的電荷中心，使云中電場減小，從而消除閃電,也可采用高速運(yùn)動物體誘發(fā)云內(nèi)閃電，破壞雷雨云的起電機(jī)制[16]。如從地面向云中發(fā)射帶有長導(dǎo)線尾巴的小火箭誘發(fā)云內(nèi)閃電，可以消除云地閃電，從而避免森林雷擊火災(zāi)。消除閃電可徹底消滅雷擊火，但其成本很高，如采用飛機(jī)干擾雷雨云、小型火箭引發(fā)云內(nèi)閃電等。

美國農(nóng)業(yè)部森林管理局在落基山脈北部進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。第一個(gè)人工影響閃電的系統(tǒng)性計(jì)劃實(shí)施是1960年和1961年夏季在蒙大拿州西部進(jìn)行的。最初的預(yù)備性實(shí)驗(yàn)是為了檢驗(yàn)播撒作業(yè)對閃電頻率的影響，并評估一下山區(qū)的閃電觀測方法和云播撒作業(yè)技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)日的云地放電數(shù)比非作業(yè)日減少38%，放電的電荷和電流變化可以通過整個(gè)放電過程中靜電場的連續(xù)觀測結(jié)果來計(jì)算。目前世界各國對雷火的控制，多是采用著火后進(jìn)行及時(shí)有效撲救。因此，雷擊火的預(yù)測、預(yù)報(bào)是防雷減災(zāi)的主要措施。

5 雷擊火的生態(tài)意義和管理措施

森林火災(zāi)是北方林生態(tài)系統(tǒng)中重要的干擾因子，是北方林更新和恢復(fù)的基本驅(qū)動力。許多物種適應(yīng)火影響生境，火對北方林的空間格局分布有多方面的影響[17]。長期以來，人們無限制地積極撲滅一切林火，無論是人為火，還是自然火。長時(shí)期的林火撲救工作導(dǎo)致林中可燃物非自然性的積累。在這種情況下，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易發(fā)展為大面積的、不易撲救、破壞巨大的森林火災(zāi)。雷擊火是一個(gè)平衡的生態(tài)系統(tǒng)中自然和健康的一部分，以正常周期發(fā)生的森林火災(zāi)可以有效地降低可燃物的載量，降低林火的破壞性；同時(shí)，地表火可以有效地?zé)龤Э莶荨⒐嗄竞鸵恍┎⌒嗄?，有助于成熟林的健康生長。

對自然火重要性的認(rèn)識決定了計(jì)劃火燒措施的實(shí)施。這意味著他們將繼續(xù)撲滅人為火，而將自然火源引起的森林火災(zāi)限制在不威脅人們生命財(cái)產(chǎn)的限度內(nèi)。事實(shí)上，人們有時(shí)有意地點(diǎn)燃一些林火以恢復(fù)森林中正常的火周期。美國的愛達(dá)荷州，有許多火燒跡地的斑塊裸露在森林中，與其他不同生長階段的森林一起成為森林生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。當(dāng)雷擊火發(fā)生時(shí)，管理者首先根據(jù)當(dāng)前或預(yù)期的天氣和溫度狀況以及可以提供的撲救力量對林火進(jìn)地估計(jì)。

在有些地區(qū)，比如美國的黃石公園，林火通常是促進(jìn)N循環(huán)最有效的工具。在夏季的午后，發(fā)生雷擊而沒有伴隨充足降水，如果可燃物足夠干燥并且載量較大時(shí)，這些可燃物很容易被引燃，發(fā)生雷擊火。盡管每年公園內(nèi)發(fā)生雷擊幾千次，但它們一般很難引燃可燃物，一年中大約有58次森林火災(zāi)是雷擊引起的，并且它們中的大部分由于可燃物過于分散或過于潮濕會自動熄滅。不同于細(xì)菌和真菌的緩慢分解，森林火災(zāi)對N的釋放是快速的、爆發(fā)式的。

在黃石的草原區(qū)，雷擊火是維系草原本身諸多因素中的一部分。當(dāng)缺少火災(zāi)時(shí)，山艾樹能生長形成郁閉的樹冠，這時(shí)樹木開始從周圍的森林侵入草原，最終形成樹叢連成一片[18]。

雷擊火作為自然火在與森林協(xié)同發(fā)展過程中，成為森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分。同時(shí)，隨著這種發(fā)展，森林的結(jié)構(gòu)、格局和組成也會協(xié)同雷擊的分布相應(yīng)的發(fā)展。因此，研究雷擊火的分布、周期等對研究森林生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化是有意義的。

6 氣候變化情景下雷擊火發(fā)生特點(diǎn)和趨勢

大的森林火災(zāi)往往發(fā)生在氣候溫暖時(shí)期。變暖會引起雷擊火的發(fā)生次數(shù)增加，防火期延長。極端火險(xiǎn)天氣增加，會導(dǎo)致大面積森林火災(zāi)更加頻繁。雷擊火是太平洋西北部森林火災(zāi)的主要火源，特別是干雷暴。研究表明加拿大和阿拉斯加絕大部分大火災(zāi)是由雷擊火引起的，雷擊只在一定的區(qū)域內(nèi)發(fā)生，并且當(dāng)前的氣候變化已使阿拉斯加地區(qū)的雷擊火源增加。厄爾尼諾事件期間干雷暴和伴隨的閃電活動增強(qiáng)，由雷擊火引發(fā)的過火面積的比例大量增加[19]。

季節(jié)性降水量和濕度的減少對雷擊火的多發(fā)起到?jīng)Q定性的作用。尤其降水減少的月份與雷擊月份相一致。增多的雷擊火源和季節(jié)性水分的不均衡性可能在濕潤的氣候狀況下也會引發(fā)頻繁的火災(zāi)。

在阿拉斯加內(nèi)陸，溫暖、干旱的條件增加了夏季野火發(fā)生的概率。1940年以來的火面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，17次大火災(zāi)中有15次發(fā)生在中等到強(qiáng)度厄爾尼諾事件后或間期內(nèi)。這15年的火面積占到近58年來總火面積的63%。數(shù)據(jù)表明，厄爾尼諾事件期間干雷暴和伴隨的閃電活動增強(qiáng)。在5次厄爾尼諾期間，由雷擊火引發(fā)的火面積占總火面積的比例由不足40%增加到96%。

厄爾尼諾事件期間干雷暴和伴隨的閃電活動增強(qiáng)，由雷擊火引發(fā)的過火面積的比例大量增加，森林火災(zāi)的空間分布受火因、地形、人類活動、氣候變化、可燃物分布等綜合因素的影響[20]。某一區(qū)域多年的林火分布特征，是多年多種因素綜合作用的結(jié)果，具有一定的穩(wěn)定性，加拿大和阿拉斯加絕大部分大火災(zāi)是由雷擊火引起的，雷擊只在一定的區(qū)域內(nèi)發(fā)生，并且當(dāng)前的氣候變化已使阿拉斯加地區(qū)的雷擊火源增加。季節(jié)性降水量和濕度的減少對雷擊火的多發(fā)起到?jīng)Q定性的作用。尤其降水減少的月份與雷擊月份相一致。雷擊火源和季節(jié)性水分的不均衡性可能在濕潤的氣候狀況下也會引發(fā)頻繁的火災(zāi)。

美國空間研究所利用大氣環(huán)流模式研究了過去和未來氣候變化對全球雷擊頻率的影響，設(shè)計(jì)了兩種氣候情景：一個(gè)是2倍CO2濃度預(yù)期氣候情景下的氣候（代表全球升溫4.2℃），另一個(gè)是太陽常數(shù)下降2%（代表全球氣溫下降5.9℃）時(shí)的氣候。研究結(jié)果顯示，2倍CO2濃度預(yù)期氣候情景下全球雷擊活動增加30%，而在涼爽氣候條件下，雷擊活動下降24%，并認(rèn)為氣溫每升高或降低1℃，全球的雷擊活動頻率將會有5%～6%的變化?？臻g研究所還對云內(nèi)雷擊和云-地雷擊的頻率進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)云-地雷擊的頻率對氣候變化的敏感性要高于云內(nèi)雷擊的頻率，而云-地雷擊才是導(dǎo)致雷擊火的根源?？臻g研究所的研究還表明，發(fā)生極端干旱條件的概率將從當(dāng)前的1%增加到2060年的50%。

7 結(jié)論

雷電發(fā)生具有時(shí)空隨機(jī)性、危險(xiǎn)性、瞬時(shí)性，特別是不同地區(qū)之間閃電特征的差異性，這些都增加了對閃電、放電引燃物理過程和活動規(guī)律認(rèn)識的難度。雷擊火的發(fā)生與雷電發(fā)生、可燃物狀況、氣候條件、地形等因素密切相關(guān)，這些因素的共同作用，使得雷擊火的分布具有一定的時(shí)空特征。全球氣候變化對雷暴分布的影響、可燃物狀況的綜合影響對雷擊火的影響以及氣候變暖背景下我們所面臨的與之相適應(yīng)的林火管理策略是我們亟須研究的主要內(nèi)容。

目前對我國雷擊火活動規(guī)律的認(rèn)識仍然不夠全面，雷擊火預(yù)報(bào)結(jié)果還不能滿足林火管理需要，雷擊火研究的突破性進(jìn)展需依賴于對雷電起電、放電過程以及與森林火環(huán)境之間相關(guān)性的充分認(rèn)識。因此，利用衛(wèi)星、雷達(dá)和大氣電場測量系統(tǒng)，人工引雷和野外點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)等手段，對我國雷擊火引燃特征及其活動規(guī)律開展系統(tǒng)研究，加深對雷擊火發(fā)生發(fā)展特征的認(rèn)識和理解，建立雷擊火多元發(fā)生預(yù)報(bào)模型，提高預(yù)報(bào)我國雷擊火發(fā)生概率的準(zhǔn)確度和精度，以期對雷擊火進(jìn)行有效的預(yù)防和控制。