基于三維閃電的涼山州森林火災(zāi)高危區(qū)雷電活動(dòng)特征分析

羅可妮，張 琨

(四川省防雷中心，四川 成都 610072)

0 引言

隨著氣溫升高，全球發(fā)生閃電的次數(shù)日益增多，特別是在春末夏初季節(jié)，天氣干燥炎熱，雷電引起的火災(zāi)時(shí)有發(fā)生。雷擊火往往發(fā)生在深山叢林，容易擊中干枯的樹葉、草原等，若雨水不能到達(dá)地面，或因雨量太少不能熄滅雷擊引起的火源時(shí)[1]，森林雷擊火發(fā)生概率會(huì)增加[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年1—5月全國共發(fā)生森林火災(zāi)744起(重大火災(zāi)6起)，受害森林面積達(dá)4 209 hm2，死亡34人；四川省發(fā)生森林火災(zāi)109起[3]，占全國的14.7%，位居第2。四川常年雷電發(fā)生較高的區(qū)域主要位于涼山州、甘孜州、宜賓、達(dá)州等區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)森林覆蓋面積較高，一旦發(fā)生森林雷擊火災(zāi)，后果極為嚴(yán)重，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全都有嚴(yán)重的威脅。因此從森林雷擊火災(zāi)的預(yù)防角度出發(fā)[4]，針對(duì)雷擊火頻發(fā)地區(qū)的雷電活動(dòng)規(guī)律的研究就顯得尤為重要。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

涼山州位于四川省西南部，地勢(shì)西北高，東南低，北部高，南部低，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候干燥降水量少并且容易蒸發(fā)，植被茂密，每年發(fā)生閃電頻次高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，涼山州年平均雷暴日數(shù)高達(dá)200 d/a以上，最大放電電流高達(dá)500 kA，屬于典型的高雷暴區(qū)，而雷擊起火是山火頻發(fā)的最大源頭。

根據(jù)《四川省森林防火規(guī)劃》(2016—2025年)，涼山州共有11個(gè)森林火險(xiǎn)區(qū)劃為森林火災(zāi)高危區(qū)，分別為德昌縣、會(huì)理縣、冕寧縣、木里縣、西昌市、鹽源縣、會(huì)東縣、寧南縣、普格縣、喜德縣、昭覺縣[5]。由于雷擊火的發(fā)生受氣溫與降水的影響，月均氣溫高、降水量少的地區(qū)，雷擊火次數(shù)明顯多[6]，所以，本文主要就木里縣和鹽源縣進(jìn)行研究。木里縣位居涼山彝族自治州的西北，地理坐標(biāo)為東經(jīng)100°03′～101°40′，北緯27°40′～29°10′，海拔在2 500 m左右，屬高原亞溫帶濕潤氣候，常年均氣溫在12.4 ℃，平均降雨量830 mm，呈變干變暖的趨勢(shì)。鹽源縣位于四川省青藏高原東南緣，雅礱江下游西岸，地理坐標(biāo)為東經(jīng)100°42′～102°03′，北緯27°06′～28°16′，其年溫差小，日溫差大，由于受高空西風(fēng)環(huán)流的南支流和印度洋氣流所控制，年均氣溫12.1 ℃，最高溫度30.7 ℃，最低溫度零下11.3 ℃，全縣冬春干旱，夏秋雨量集中，雨熱同季，日照充足[7]。

1.2 資料來源

近年來，四川省氣象部門對(duì)于雷電的觀測(cè)水平有了很大程度的提高，從原先的人工定性觀測(cè)發(fā)展到目前的自動(dòng)化定量觀測(cè)，積累了多年的雷電觀測(cè)數(shù)據(jù)。四川省三維閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)按照60～80 km布局三維閃電監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)計(jì)，其中圍繞涼山州森林火災(zāi)多發(fā)重發(fā)區(qū)域布設(shè)8套DDW1型閃電定位儀，DDW1閃電定位儀中心站軟件是涼山州地區(qū)DDW1型雷電定位網(wǎng)核心數(shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)涼山州地區(qū)DDW1型閃電定位儀云閃、地閃數(shù)據(jù)接收、顯示、存儲(chǔ)，定位計(jì)算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，監(jiān)測(cè)范圍已覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，能夠滿足當(dāng)?shù)貙?duì)于森林雷擊火雷電方面監(jiān)測(cè)。本文選取了由四川省氣象部門提供的2018—2020年四川省三維閃電數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)資料包括雷電發(fā)生時(shí)間、經(jīng)緯度、正負(fù)極性、強(qiáng)度、發(fā)生高度和陡度等參數(shù)[8]。

近年來，隨著社會(huì)需求和防雷氣象服務(wù)發(fā)展的需求增加，三維閃電建設(shè)日趨完善，三維閃電數(shù)據(jù)資料越來越精確和完整，防雷中心利用三維閃電數(shù)據(jù)開展了在強(qiáng)天氣過程中的應(yīng)用研究，使雷電數(shù)據(jù)資料在災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)、雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、森林火災(zāi)高危區(qū)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究中也能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

1.3 研究方法

雷擊火作為天然火源是一種難以控制的自然現(xiàn)象，其形成機(jī)制極為復(fù)雜[9]。本文利用近3 a三維閃電數(shù)據(jù)資料，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算研究區(qū)域雷電密度，結(jié)合ArcGIS技術(shù)，統(tǒng)計(jì)分析涼山州森林火災(zāi)高危區(qū)木里縣、鹽源縣2地的雷電活動(dòng)時(shí)空分布規(guī)律，繪制雷電密度分布圖、線型規(guī)律圖和柱狀圖等，按照不同年份進(jìn)行歸類分析及逐年對(duì)比，準(zhǔn)確掌握其雷電活動(dòng)變化特征。

2 雷電活動(dòng)分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

三維閃電原始數(shù)據(jù)未經(jīng)過地域分類或數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)量較大，無法直接操作，本文利用MATLAB對(duì)雷電數(shù)據(jù)做提取、查詢、整理、統(tǒng)計(jì)，得出閃電頻次、雷電密度、雷暴日數(shù)、各月份的雷電次數(shù)等信息，直觀地了解木里縣和鹽源縣的雷電活動(dòng)時(shí)間分布特征。統(tǒng)計(jì)出兩地2018、2019、2020年正閃、負(fù)閃、總閃次數(shù)，繪制三維閃電頻次變化圖。

木里縣、鹽源縣2018—2020年三維閃電頻次變化如圖1所示。從三維閃電年發(fā)生頻次的分布特征來看，木里縣2020年雷電頻次最高，為62 163次；2018年雷電頻次最低，為56 189次。鹽源縣2018年雷電頻次最高，為56 103次；2019年雷電頻次最低，為54 175次。對(duì)2018—2020年正負(fù)地閃數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，兩地負(fù)閃數(shù)均明顯大于正閃數(shù)，正負(fù)閃之比均趨近于1∶3。

a.木里縣2018—2020年三維閃電頻次變化

b.鹽源縣2018—2020年三維閃電頻次變化圖1 木里縣和鹽源縣2018—2020年三維閃電頻次變化

2018—2020年木里縣和鹽源縣三維閃電絕對(duì)數(shù)如圖2所示。

木里縣、鹽源縣雷電活動(dòng)覆蓋全年1—12月，2018—2020年兩地有共同特征，1—3月、11—12月雷電閃擊次數(shù)較少，4—10月發(fā)生雷電次數(shù)較多。

a.木里縣2018—2020年三維閃電絕對(duì)數(shù)

b.鹽源縣2018—2020年三維閃電絕對(duì)數(shù)圖2 木里縣和鹽源縣2018—2020年三維閃電絕對(duì)數(shù)

雷電活動(dòng)季節(jié)性分布特征明顯，其中，木里縣3 a來雷電發(fā)生次數(shù)分布特點(diǎn)：從多到少依次為夏季(128 199次)、秋季(39 412次)、春季(9 841次)、冬季(42次)，主要以夏季為主，在全年中所占比重達(dá)72.2%，秋季占22.2%，6月份次數(shù)最多，占全年的36.9%；鹽源縣3 a來發(fā)生雷電次數(shù)從多到少依次為夏季(108 888次)、秋季(37 886次)、春季(18 237次)、冬季(176次)，夏季在全年中所占比重達(dá)65.9%，秋季占22.9%，6月份次數(shù)最多，占全年的27.8%。

2.2 雷電發(fā)生情況

ArcGIS是對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、編輯、存儲(chǔ)、分析和輸出的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，本文借助ArcGIS平臺(tái)，對(duì)木里縣、鹽源縣雷電活動(dòng)進(jìn)行空間區(qū)劃分析。

通過3 a的三維閃電數(shù)據(jù)分析，2018年，木里縣三維閃電雷暴日數(shù)最高可達(dá)39 d/a，鹽源縣雷暴日數(shù)最高可達(dá)52 d/a；2019年，木里縣三維閃電雷暴日數(shù)最高可達(dá)37 d/a，鹽源縣雷暴日數(shù)最高可達(dá)40 d/a；2020年，木里縣三維閃電雷暴日數(shù)最高可達(dá)22 d/a，鹽源縣雷暴日數(shù)最高可達(dá)23 d/a。

利用ArcGIs軟件對(duì)三維閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知木里縣整體雷暴活動(dòng)頻發(fā)區(qū)域分布較廣。其中，分布較多的地區(qū)主要集中在中部、北部和東部，主要包括東朗鄉(xiāng)、沙灣鄉(xiāng)、卡拉鄉(xiāng)、麥地龍鄉(xiāng)、唐央鄉(xiāng)、博窩鄉(xiāng)。

近3 a鹽源縣年均雷暴日數(shù)分布差異較大，2018年和2020年年均雷暴日數(shù)較多的地區(qū)較為集中，主要分布于南部邊緣地區(qū)，包括黃草鎮(zhèn)、藤橋鄉(xiāng)、樹河鎮(zhèn)、馬鹿鄉(xiāng)；2019年雷暴高頻區(qū)較多，年均雷暴日數(shù)分布比較分散，較多的地區(qū)主要包括鹽井鎮(zhèn)、黃草鎮(zhèn)、大草鄉(xiāng)、桃子鄉(xiāng)、白烏鎮(zhèn)、阿薩鄉(xiāng)。

通過2018—2020年的三維閃電數(shù)據(jù)分析，2018年，木里縣三維閃電平均密度為4.52 次/(km2·a)，鹽源縣平均密度為6.92 次/(km2·a)；2019年，木里縣三維閃電平均密度為4.72 次/(km2·a)，鹽源縣平均密度為7.24 次/(km2·a)；2020年，木里縣三維閃電平均密度為5.12 次/(km2·a)，鹽源縣平均密度為7.24 次/(km2·a)。

2018年木里縣中部和南部地區(qū)雷電密度較高，以沙灣鄉(xiāng)、固增苗族鄉(xiāng)、博科鄉(xiāng)、卡拉鄉(xiāng)、白碉苗族鄉(xiāng)、牦牛坪鄉(xiāng)為主；2019年主要集中分布在東部和南部地區(qū)，以屋腳蒙古族鄉(xiāng)、倮波鄉(xiāng)、卡拉鄉(xiāng)為主；2020年主要集中分布在東部地區(qū)，以倮波鄉(xiāng)、卡拉鄉(xiāng)為主。

2018年和2019年鹽源縣雷電密度最高地區(qū)，主要集中分布在南部，以藤橋鄉(xiāng)、樹河鎮(zhèn)、黃草鎮(zhèn)、博大鄉(xiāng)為主；2020年主要集中分布在南部和東部邊緣地區(qū)，以阿薩鄉(xiāng)、巴折鄉(xiāng)為主。

3 結(jié)論

涼山州氣候干燥、降水量少，有變暖、變干的趨勢(shì)，是極利于林木雷擊火災(zāi)發(fā)生的環(huán)境?；?018—2020年四川省三維閃電數(shù)據(jù)資料，研究分析涼山州森林火災(zāi)高危區(qū)的雷電活動(dòng)特征，為進(jìn)一步研究涼山州森林火災(zāi)高危區(qū)雷電風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和預(yù)防雷擊火提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：

1)2018—2020年木里縣和鹽源縣雷電發(fā)生頻次均在5萬次以上，在四川省縣級(jí)地區(qū)屬于較高頻次，兩地負(fù)閃數(shù)均明顯大于正閃數(shù)，近3 a正負(fù)閃之比均趨近于1∶3。木里縣閃電頻次逐年增長，鹽源縣變化平緩。兩地雷電發(fā)生頻次較高的季節(jié)均是夏季，夏季的雷電發(fā)生次數(shù)是秋季的3倍，其中6月份次數(shù)最多。

2)2018—2020年，木里縣年均雷暴日數(shù)較多區(qū)域主要集中分布于中部、北部和東部的東朗鄉(xiāng)、沙灣鄉(xiāng)、卡拉鄉(xiāng)、麥地龍鄉(xiāng)、唐央鄉(xiāng)、博窩鄉(xiāng)。木里縣雷電密度最高主要分布在中部、南部和東部地區(qū)，以沙灣鄉(xiāng)、固增苗族鄉(xiāng)、博科鄉(xiāng)、卡拉鄉(xiāng)、白碉苗族鄉(xiāng)、牦牛坪鄉(xiāng)、屋腳蒙古族鄉(xiāng)、倮波鄉(xiāng)為主。

鹽源縣2018年和2020年年均雷暴日數(shù)較多的地區(qū)主要分布于南部邊緣地區(qū)，包括黃草鎮(zhèn)、藤橋鄉(xiāng)、樹河鎮(zhèn)、馬鹿鄉(xiāng)；2019年年均雷暴日數(shù)較多的地區(qū)主要包括鹽井鎮(zhèn)、黃草鎮(zhèn)、大草鄉(xiāng)、桃子鄉(xiāng)、白烏鎮(zhèn)、阿薩鄉(xiāng)。2018—2020年鹽源縣雷電密度最高主要分布在南部和東部邊緣地區(qū)，其中以藤橋鄉(xiāng)、樹河鎮(zhèn)、黃草鎮(zhèn)、博大鄉(xiāng)、阿薩鄉(xiāng)、巴折鄉(xiāng)為主。

3)總體來看，涼山州森林火災(zāi)高危地區(qū)是四川省雷電發(fā)生的高頻區(qū)，雷電活動(dòng)頻繁、森林覆蓋面廣，極易導(dǎo)致森林雷擊火災(zāi)的發(fā)生。通過對(duì)涼山州森林火災(zāi)高危地區(qū)的雷電活動(dòng)規(guī)律的研究，后期進(jìn)一步對(duì)雷擊火發(fā)生的年變化和時(shí)空分布進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上[10]，掌握雷電發(fā)生的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，提高雷電災(zāi)害的預(yù)警和及時(shí)性，結(jié)合我國不斷進(jìn)步的閃電定位技術(shù)、區(qū)域防雷理論等，可采取有針對(duì)性的雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)急管理措施[11]，最大程度地降低涼山州森林火災(zāi)高危區(qū)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。