我國西南森林雷電環(huán)境研究

宋蝶 楊艷蓉 王圣燕 等

摘要 利用四川木里地區(qū)歷史氣候觀測資料（1960—2013年）及IPCC對未來（2010—2039年）的氣候預(yù)估，研究該地森林氣候環(huán)境;結(jié)合森林雷擊火發(fā)生的必要條件即云地閃數(shù)據(jù)（2009—2015年），分析氣候變化背景下森林云地閃狀況。結(jié)果表明，木里地區(qū)氣候呈變干變暖的趨勢;該地氣溫呈較強增加趨勢，未來增溫趨勢略有下降;該地降水量呈弱減少趨勢，未來這種減少趨勢增強。云地閃有明顯的時空變化規(guī)律;在年時間尺度上，以2014年為拐點，之前云地閃數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢，之后增加;在季節(jié)分布上，云地閃次數(shù)夏季>秋季>春季>冬季;主要分布在4—10月，其中6月份最多，占年總量的33.9%;在空間分布上，隨著春、夏、秋季節(jié)變化，以該地區(qū)28.6°N和100.8°E中軸線為參照線，春秋季云地閃核心區(qū)集中在地勢相對較低的東南部區(qū)域，夏季則擴散到整個地區(qū)。云地閃在3、8、10、12月均呈現(xiàn)出與氣溫變化強正相關(guān)、與降水量較弱負相關(guān)性，其中尤以3、10月最為突出。因此，隨著氣候的干暖化，云地閃增加導(dǎo)致的森林雷擊災(zāi)害極有可能增加。

關(guān)鍵詞 氣候變化;云地閃;森林雷擊災(zāi)害;森林雷擊火;四川木里地區(qū)

中圖分類號 S429;P429文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）04-0219-05

Abstract Taking Muli area of Sichuan province as an example， used historical climate observations during 1960-2013 and the Intergovernmental Panel on Climate Change prediction during 2010-2039 to research the climate change in Muli area， combining with the cloudtoground lightning data in 2009-2015 to analyze the change of cloudtoground lightning （CG） under regional climate change， the CG was the essential condition of lightning caused forest disasters. The results showed that the climate trends in Muli showed warmer and dryer. The temperature in the area showed a strong increase trend， and the trend of warming in the future decreased slightly;the precipitation showed weak decreasing trend in the past and this trend increased in the future. The CG presented obvious spatial and temporal distribution characteristics. On yearly time scale， regarding the year of 2014 as the inflection point， before this year the CG showed a decreasing trend and after it showed rising trend. For seasonal distribution， the average number of CG change showed in the order of summer > autumn > spring >winter， mainly concentrating from April to October， especially in June， accounting for 33.9% of the whole year. For spatial distribution， taking 28.6 °N and 100.8 °E as the reference line， the core area of CG changed from the southeast in spring to spread to the whole area in summer and then were back to the southeast in autumn. The cloudtoground lightning was positively correlated with the temperature and at the same time negatively correlated with precipitation in March， August， October and December， especially in March and October. Therefore， with the climate becomes dry and warm， lightning caused forest hazards by increased CG will very likely to increase in the future.

Key words Climate change;Cloudtoground lightning;Lightning caused forest disasters;Lightning caused forest fires;Muli area of Sichuan Province

政府間氣候變化委員會（IPCC）報告指出，20 世紀全球表面平均氣溫升高了 0.6 ℃，而且自 1976 年以來增溫率為 0.17 ℃/10 a[1]，我國氣候變暖與全球氣候變暖基本同步[2]。越來越明顯的氣候變暖，是異常氣候事件頻發(fā)的主因，也是森林氣象災(zāi)害的主要原因。從我國西南區(qū)域來說，近48年（1960—2007年）西南地區(qū)年降水量總體上呈弱的減少趨勢，其中春、冬季的降水量呈增多趨勢，而夏、秋季的降水量則呈減少趨勢[3];近20年（1981—2000年）西南地區(qū)平均氣溫呈上升趨勢，并且上升速率達 0.035 5 ℃/a[4];20世紀90年代西南地區(qū)升溫最劇烈，近50 年降水略有減少[5]。西南區(qū)域的氣候有“暖干化”的變化趨勢，這種趨勢在進入21世紀以后有進一步加劇的跡象[6]。

木里藏族自治縣位于青藏高原東南緣，橫斷山脈中段，地理坐標為100°03′～101°40′E、27°40′～29°10′N[7]，主要有三大地貌，即西北部的山原地貌、東南部中山深切割山地貌和西南部的高山深切割山貌。木里林區(qū)森林資源豐富，林業(yè)用地面積94.14萬hm 其中天然林面積 79.62萬hm 占當?shù)厣挚偯娣e的85%，森林蓄積量1.17億m3[8]，是長江上游重要的水源涵養(yǎng)林，也是我國僅存不多的成片原始林區(qū)之一[9]。

包括四川木里地區(qū)在內(nèi)的西南地區(qū)作為我國天然森林資源的重要分布區(qū)域，氣候變化正朝著“暖而干”的方向進行。研究表明，氣候變暖可使閃電頻率增加30%～40%[10]，隨著云地閃數(shù)量的上升，尤其是干雷暴的頻發(fā)，雷擊火所需的氣象條件充足[11]，森林雷擊火發(fā)生頻率會增加[12]。因此從森林火災(zāi)的防御角度出發(fā)，對于形成雷擊火必備的氣候條件變化、云地閃特征等的研究就顯得尤為重要。這方面研究在我國天然林分布的東北地區(qū)很多[13-14]，但在西南地區(qū)的相關(guān)研究鮮見報道。筆者以四川木里天然林區(qū)為研究對象，在氣候變化導(dǎo)致西南天然林雷擊氣象災(zāi)害頻發(fā)的背景下，研究該地云地閃變化，對于西南地區(qū)天然林雷擊災(zāi)害預(yù)防、西南天然林保護具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

歷史氣候資料來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）1960—2013年木里氣象站記錄的氣溫和降水等氣象要素，未來氣候變化預(yù)估來自IPCC氣候模型MPI-ESM-LR在B2情景下預(yù)測的2010—2039年的氣溫和降水資料。云地閃資料來自木里觀測站2009—2015年的閃電定位系統(tǒng)（lightning location system）記錄的云地閃（cloud to ground lightning，簡稱CG）數(shù)據(jù)，由于該觀測系統(tǒng)建立的較晚，因此數(shù)據(jù)時間跨度較短。

1.2 分析方法

數(shù)據(jù)分析采用時間統(tǒng)計方法，結(jié)合氣象繪圖軟件GrADS（grid analysis and display system）分析數(shù)據(jù)空間分布，最終得到木里云地閃時空變化特征。

2 四川木里地區(qū)氣候變化

2.1 歷史氣候

從圖1可看出，1960—2013年四川木里地區(qū)年平均氣溫、年平均最高氣溫及年平均最低氣溫都呈上升趨勢。單從平均氣溫變化來看，其增幅為0.73 ℃/10 a，高于IPCC對于我國的評估以及西南地區(qū)增溫統(tǒng)計[1，4]，以1980年改革開放為節(jié)點，在之前的20年，平均氣溫增幅很小（R2=0.004），圍繞11.5 ℃上下波動;在20世紀80年代之后，隨著改革開放和經(jīng)濟高速發(fā)展，平均氣溫增加顯著（R2=0.840），增加幅度達0.842 ℃/10 a，明顯高于前20年氣溫的增速，這比同時段西南地區(qū)平均升溫率（0.036 ℃/a）[4]高出137.2%，說明木里地區(qū)為我國西南的增溫顯著區(qū)。其中，上升趨勢從高到低依次為平均最低氣溫（R2=0.809）、平均氣溫（R2=0.758）、平均最高氣溫（R2=0.743），這種排序與我國近50多年氣候變化[15]及四川盆地氣候[16]的研究結(jié)論一致。由此導(dǎo)致了西南地區(qū)年溫度較差減少，減少速率約為0.014 ℃/a，體現(xiàn)出相對的“暖冬”趨勢[17]及 “冬暖夏涼”的特點[18]。

2.2 未來氣候

由圖3可見，2010—2039年木里地區(qū)的年均氣溫呈上升趨勢（R2=0.539），其增溫幅度（0.461 ℃/10 a）小于歷史氣溫增溫幅度（圖1）。在這30年中，21世紀30年代增溫最顯著，其中的最低溫（14.63 ℃）比2010—2029年的平均氣溫（14.28 ℃）還要高0.35 ℃。圖4顯示，木里地區(qū)從過去50年到未來30年一直呈現(xiàn)增溫趨勢。

圖3僅反映出木里站點的氣溫變化趨勢，由于是模擬預(yù)估，該研究用木里地區(qū)整個面積上的氣溫變化模擬做進一步輔助分析，關(guān)注趨勢變化，如圖5所示，重點分析木里地區(qū)氣溫趨勢變化。由圖5可見，在未來30年中，整個地區(qū)的氣溫變化與圖3結(jié)論類似，也呈現(xiàn)增高的趨勢。2010—2014年木里地區(qū)年平均氣溫在12 ℃等溫線附近，而5年后12 ℃等溫線開始逐漸向北移動，至2035—2039年該地區(qū)的年均溫已逼近15 ℃等溫線，比2010—2014年均溫上升了約2 ℃左右。

從未來30年木里氣象站逐年降水量變化（圖6）可看出，2010—2039年該地區(qū)降水量總體呈波動下降趨勢（R2=0.107），減少率為63.0 mm/10 a，遠大于歷史降水量的減少率（圖2）。將歷史和未來變化對比（圖7）可以看出，該地區(qū)從過去50年到未來30年持續(xù)呈現(xiàn)降水量的下降趨勢。

對整個木里及周邊地區(qū)的降水量分布進行輔助分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖8），整個木里及其附近地區(qū)的年降水量是波動變化的，前10年間減少的最為顯著。其中木里地區(qū)在2010—2014年年總降水量為900～1 000 mm（圖8a），之后降水量下降至600～900 mm（圖8b），期間900 mm等降水線逐漸北移（圖8b～e），之后緩慢回歸（圖8f），但仍在800 mm附近波動，這表明木里地區(qū)的降水量將在未來30年間逐漸略減少，與之前通過對過去50多年該地區(qū)歷史氣象資料分析所得出的結(jié)論相符。

總體來看，木里地區(qū)未來30年的氣候變化與歷史趨勢相符，也體現(xiàn)出相對較強的變暖、相對較弱的變干趨勢，但是相比50年間的歷史氣候，未來30年的變暖趨勢略有所緩解，但干旱趨勢加劇。

3 四川木里地區(qū)云地閃變化

3.1 云地閃的時空分布

由國家氣象局大氣探測中心所得到的2009—2015年的云地閃數(shù)據(jù)（其中由于2013年6—9月數(shù)據(jù)缺失，因此2013年不納入統(tǒng)計）來看（圖9a），2014年云地閃次數(shù)最少，為5 920次，其他5年云地閃年均總次數(shù)均在9 678上下波動。以2014年為界，之前的云地閃次數(shù)呈現(xiàn)弱減少趨勢（R2=-0.185），而2015年相比于2014年有大幅度的增加，比這6年的平均次數(shù)還要多371次。

從云地閃的季節(jié)性變化（圖9b）來看，云地閃次數(shù)從多到少依次為夏季（7 494次）、秋季（1 622次）、春季（559次）、冬季（4次），夏季在全年中所占比重達77.4%，秋季占16.8%。云地閃多發(fā)生在4—10月，在1、2、12月云地閃幾乎不發(fā)生，因此冬季不予考慮。其中6月份次數(shù)最多，占全年的33.9%。

為了研究云地閃空間分布，根據(jù)季節(jié)分為春、夏、秋季，同時以木里地區(qū)中軸線28.6°N和100.8°E為參照線劃分出4個象限，即東北部象限I、西北部象限Ⅱ、西南部象限Ⅲ以及東南部象限IV，得到云地閃分布（圖10）。從圖10可以看出，在春季，云地閃核心區(qū)在第IV象限，即木里東南區(qū)域;到夏季云地閃增加了2 529.28%，整個地區(qū)分布均比較密集，核心區(qū)不顯著;而到秋季明顯下降，核心區(qū)重回第IV象限。春、秋季正是森林雷擊火高發(fā)季，對應(yīng)的云地閃多發(fā)生在28.6°N以南、100.8°E以東的東南地區(qū)，這里也是木里地區(qū)相對海拔較低的區(qū)域，包括喬瓦鎮(zhèn)、牦牛坪鄉(xiāng)、項腳蒙古族鄉(xiāng)等地。

3.2 云地閃與氣象因子的關(guān)系

有研究表明，閃電活動對氣溫季度平均值的年際變化有靈敏的正響應(yīng)[20]。該研究以氣溫和降水因子作為與云地閃關(guān)系密切的氣候因子進行研究。氣候資料亦取2009—2015年資料進行分析。其中，平均氣溫和降水量與云地閃次數(shù)擬合相關(guān)性如表1。

需要說明的是，每個月的云地閃-降水量與云地閃-氣溫未必表現(xiàn)為統(tǒng)一關(guān)系，但在季節(jié)代表性月份12月（冬季）、3月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季），正好出現(xiàn)了云地閃與氣溫呈現(xiàn)較強的正相關(guān)，同時與降水量呈現(xiàn)相對較弱負相關(guān)的關(guān)系。因此，與之前的分析對應(yīng)，木里地區(qū)的逐漸升溫與緩慢干旱共同作用，會使這些月份云地閃呈現(xiàn)增長趨勢，特別是春季的3月和秋季的10月，也正是傳統(tǒng)森林雷擊火的高發(fā)季。

4 結(jié)論與討論

（1）歷史氣候資料（1960—2013年）和未來預(yù)估資料（2010—2039年）均顯示，木里地區(qū)年平均氣溫呈現(xiàn)增加趨勢，但未來年平均氣溫的增加趨勢和增幅略減。對于降水量，無論是實測資料還是預(yù)估資料均顯示降水量呈略下降趨勢，且未來降水量減少將更為顯著。

（2）以2014年為拐點，之前的云地閃數(shù)量總體遞減，之后遞增。具體而言，在季節(jié)上，夏季云地閃次數(shù)最多，其次為秋季、春季，冬季最少。云地閃主要集中在4—10月，6月最多。在空間分布上，云地閃隨著春季、夏季、秋季的變化，顯示出以28.6°N和100.8°E為參照線的東南部向整個區(qū)域擴散、隨后再向東南方向縮減的趨勢。

（3）在代表性月份，12月（冬季）、3月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）均出現(xiàn)了云地閃與氣溫正相關(guān)、與降水量反相關(guān)的關(guān)系，因此隨著氣候干暖化，在這些月份的云地閃會呈增長趨勢。

研究表明，1 ℃的增溫將導(dǎo)致5%～6%的閃電活動增加[10]，云地閃也會隨之增加[21]，這在我國東北大興安嶺地區(qū)已有體現(xiàn)[22];在西南地區(qū)，包含木里地區(qū)在內(nèi)的干旱趨勢也已經(jīng)明晰，這種變暖、變干的趨勢極有利于林木雷擊火災(zāi)害的發(fā)生[12]。相關(guān)統(tǒng)計表明，2005—2008年木里的森林火災(zāi)中，雷擊火占46.7%[7]。另一方面，云地閃擊形成瞬時極端高溫（達6 000～10 000 ℃），導(dǎo)致被擊中樹木體內(nèi)水分迅速汽化，會造成樹木倒伏、炸裂、枯死，形成林窗，改變森林群落的結(jié)構(gòu)和演替動態(tài)，同時可能在來年引起病蟲害[23]，是促使樹木直接死亡的重要自然因素[24]。由此可見，森林雷擊災(zāi)害是該地未來天然林自然災(zāi)害的重要來源，特別是云地閃相對多且較為干燥的3月、10月，尤其應(yīng)該關(guān)注森林雷擊火問題，以氣溫、降水變化作為雷擊火防控的重要指征，特別是氣溫增加、降水量減少的氣候條件，更需關(guān)注。在空間上，應(yīng)主要關(guān)注木里地區(qū)東南部的喬瓦鎮(zhèn)、牦牛坪鄉(xiāng)、項腳蒙古族鄉(xiāng)、李子坪鄉(xiāng)、列瓦鄉(xiāng)、下麥地鄉(xiāng)、三角埡鄉(xiāng)等地。

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