內蒙古森林草原雷擊火災時空分布特征1)

張恒 張鑫 趙鵬武 周梅 殷繼艷

(內蒙古農業大學，呼和浩特，010019) (中國消防救援學院)

雷電是引發森林草原火災的重要自然原因之一[1]，雷暴天氣在世界各地的高頻發率也成為雷擊火的主要原因。森林草原火災主要分為人為火和天然火兩種類型，而雷擊火則是天然火的重要組成部分，每年世界各地都會發生由雷擊引起的森林草原火災。在20世紀70年代，Barden[2]分析了雷擊火發生的機理，Komarek[3]對地球表面雷電風暴進行了空間分布研究，美國、加拿大、俄羅斯和澳大利亞等國是雷擊火引起森林火災最多的國家。在這些國家由雷擊引起的森林火災占引發森林火災總火源的7%～10%[4]。我國的雷擊火也較為嚴重，據統計，內蒙古自治區近40a發生的森林草原雷擊火占森林草原火災總數的1/3以上，其中主要分布于大興安嶺林區[5-7]。趙俊卉等[8]、烏秋力等[9]、于成龍等[10]通過對區域內閃電分布和雷擊火分布數據分析得出大興安嶺雷擊火并不受雷電直接影響。降雨、雷擊次數和雷電流強度才是影響雷火發生的主要因素，植被類型和地理變量是次要因素[11]。孫瑜等[12]應用MAXENT模型，對各環境變量進行共線性診斷，再利用累積正則化增益法和Jackknife方法評價了環境變量的重要性，使雷擊火火險的預測精度達到中等。

通過整理統計1981—2018年內蒙古森林草原雷擊火歷史數據，分別從年份、季節、節氣、月份、日期以及時刻等多個不同時間尺度在火災起數和過火面積等方面探討規律；并從地域、海拔和等級等方面分析雷擊火特點，為內蒙古森林草原雷擊火的防控部署和撲救指揮提供依據。

1 研究區概況

內蒙古自治區地處中國北部邊疆，東經97°～126°，北緯37°～53°，東西距離2 400 km，南北跨度1 700 km。全區基本上是一個高原型的地區，大部分地區海拔1 000 m以上[13]。以溫帶大陸性季風氣候為主。全年降水量在350～450 mm，主要集中在6—8月[14]，內蒙古東部山地森林以次生林和人工林為主，主要有樟子松(Pinussylvestris)、興安落葉松(Larixgmelini)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等。植被類型從東北—西南一線依次為森林、草原和荒漠[15]。草原上生長著100多種飼用價值高的植物群，主要有羊茅(FestucaovinaL.)、無芒雀麥(Bromusinermis)等豆科和禾本科牧草。

2 研究方法

對內蒙古地區1981—2018年的森林草原雷擊火災的起滅時間、過火面積、地理位置以及火災起數進行數據整理，使用Microsoft Office Excel 2007進行統計分析，得到38 a間不同時間維度的具體數據，使用Origin2017進行制圖，研究不同時間條件下森林草原雷擊火發生規律的顯著差異，根據經緯度地理信息，利用地理信息系統軟件ArcGIS10.2對內蒙古地區行政區劃圖進行處理，建立森林草原雷擊火火點點狀圖層(圖略)，分析雷擊火的地區、海拔等的分布規律。

3 結果與分析

3.1 雷擊火發生的時間特點

3.1.1 年變化規律

根據1981—2018年內蒙古森林草原雷擊火起數和火災面積的統計，共發生森林雷擊火406起，過火面積125 037 hm2，草原雷擊火41起，過火面積450 378 hm2(表1)。在2010年森林雷擊火發生起數最多，有74起，2016年過火面積最大，有53 791 hm2；草原火在1992年發生5起，1981年過火面積最大，達到了240 500 hm2。38年間草原雷擊火發生次數十分平穩，但森林雷擊火在2000年之后開始增多，分別在2002、2004、2007、2010年達到峰值，次數分別為43、42、45次，在2010年達到最高值74次。雖然在2014年左右有所下降，但在近幾年有呈上升趨勢，應當重點防范。

從過火面積來看，森林雷擊火過火面積在2000年后相對之前較大，變化趨勢明顯。過火面積達124 596 hm2，占38年森林總過火面積的99%。草原雷擊火雖然發生次數較少，過火面積反而較大，1981年出發生了3次雷擊火總過火面積就達到240 500 hm2的大面積火災，之后又在1992、2000年分別達到2個小峰值83 675、47 900 hm2?？傮w來看草原雷擊火的過火面積，平均每年達11 852 hm2，每次達10 984 hm2。

表1 1981—2018年內蒙古自治區森林草原雷擊火成災起數及過火面積

3.1.2 不同季節與月份下雷擊火變化規律

內蒙古森林草原雷擊火在季節性變化上主要集中在春夏兩季(春季3—5月、夏季6—8月，表2)。其中森林雷擊火春季發生88次，占全年的21.78%，過火面積59 207 hm2，占全年的47.35%；夏季發生火災次數298次，占全年的73.76%，過火面積達到55 764 hm2，占全年的44.60%。草原雷擊火更以春季為主，具有明顯差距。春季發生雷擊火20次，過火面積高達386 179 hm2，占全年的85.75%。平均每次雷擊火過火面積19 309 hm2，給草原資源和生態系統造成了極大損失。雷擊火在春夏兩季高頻率發生的主要原因是由于氣候因素和可燃物因素導致，內蒙古地區屬于溫帶季風性氣候，一年四季普遍降雨較少，尤其是春季，降水少大風天氣多，可燃物含水率較低，雷暴天氣又尤為顯著；而夏季雖然降水量相對增加，但也是雷暴天氣高發期，這就導致春夏兩季雷擊火顯著增高。而隨著秋冬兩季來臨，氣溫下降，雷擊天氣越來越少，發生雷擊火概率也會明顯降低。

表2 1981—2018年內蒙古自治區不同季節森林草原雷擊火成災起數及過火面積

在月份變化上，森林雷擊火集中于5、6、7、8月(表3)，4個月中共發生雷擊火385次，占全年總次數95.30%，過火面積114 956 hm2，占全年總過火面積91.94%。草原雷擊火在4、5、6月出現明顯的高峰，發生雷擊火33次，占全年總次數的80.49%，過火面積435 284 hm2，占全年總過火面積的96.65%。4—8月是內蒙古雷暴天氣高發期，80%～90%的雷擊火都發生于這種天氣系統下[16]。

3.1.3 不同節氣變化規律

雷擊火主要受氣象因素影響，研究不同溫度時期以及不同物候時期的雷擊火動態變化具有相對重要的意義。節氣方面森林雷擊火在芒種時發生火災最多，達到83次，占總起數20.34%(表4)。其中一般、較大、重大、特大火災過火面積所占比例較高。小滿期間過火面積出現峰值，達到57 292 hm2，占總過火面積的45.96%。這是由于在春夏兩季相交時降水相對較少，溫度上升氣候干燥，雷暴天氣增多，極易發生雷擊火。草原雷擊火主要分布于2個時間段內，高峰集中于清明、谷雨、立夏、小滿、芒種5個物候期內，發生雷擊火次數雖然相對森林雷擊火較少，但過火面積達到435 284 hm2，值得引起重視。尤其在芒種期內，無論是火災次數還是過火面積都出現最高值，分別占全年總數的42.50%、67.89%。草原雷擊火在秋分、寒露期內還出現一個小波動，這是在秋冬相交之間也是火災高發期，氣候干燥，出現小波動雷擊火，在此期間內也應加強防護措施。

3.1.4 日期變化特點

日期變化中森林雷擊火在6、27日發生火災起數最多，接下來是在4、22、23日，其余基本在20次以下(表5)。過火面積方面在16、24日出現兩個小高峰，分別達到18 666、36 430 hm2。草原雷擊火在9、15、22日出現峰值，過火面積在15、22日出現兩個小波動，在30日達到峰值255 000 hm2。出現這種現象的原因主要與內蒙古氣候特征有關。

表3 1981—2018年內蒙古自治區不同月份森林草原雷擊火成災起數及過火面積

表4 1981—2018內蒙古自治區不同節氣森林草原雷擊火成災起數及過火面積

續(表4)

表5 1981—2018內蒙古自治區不同日期森林草原雷擊火成災起數及過火面積

3.1.5 每日時刻變化規律

每日時刻變化方面，森林雷擊火中除01:00這個時段出現最高峰外，火災起數呈現先增高后降低的趨勢，從02:00—09:00無明顯變化，在10:00后開始上升，15:00達到最高值48次，之后又平穩降低(表6)。過火面積呈現整體平穩，單點出現峰值的情況，平均每次森林火災受災面積310 hm2，且未與火災起數呈正比關系，這說明雷擊火的大小是不確定性的，防撲火人員需要對每一起火災給予足夠重視。

表6 1981—2018內蒙古自治區不同時刻森林草原雷擊火成災起數及過火面積

草原方面，火災起數在14:00—18:00相對較多，過火面積在13:00、21:00出現兩個小高峰。整體來看，草原雷擊火共發生38次，但單次過火面積平均11 852 hm2，遠遠大于森林單次受災面積，火強度極大，相關部門應加強對草原雷擊火的防火巡查，提高防火警惕。森林草原雷擊火主要集中于00:00、15:00左右，是因為在00:00時人們已經進入深度睡眠，防火警惕性差；在下午時段，隨著一天中溫度升高，可燃物含水率降低，又因為內蒙古地區常伴有大風天氣助長火勢，導致在此時間段內出現高峰。

3.2 雷擊火發生空間規律

3.2.1 地區變化規律

內蒙古森林草原雷擊火的空間分布規律。森林雷擊火主要集中于內蒙古東部地區，以呼倫貝爾為主，其中呼倫貝爾發生的383次雷擊火全部是在大興安嶺林區，過火面積達122 455 hm2。草原雷擊火主要分布在錫林郭勒大草原和呼倫貝爾大草原，其中錫林郭勒草原發生雷擊火29次，占全自治區的70.73%，過火面積412 388 hm2，占全自治區91.57%。兩大草原作為內蒙古著名草原，面積廣、可燃物蓄積量大，極易發生大面積火災。

3.2.2 不同等級下雷擊火變化規律

不同等級火災規律研究部分，依據森林及草原防火條例分為一般火災、較大火災、重大火災、特大火災4個部分(表7)。森林雷擊火方面較大火災發生頻率最高，占總數的65.59%，但更應該加強對重大、特大火災的防控，兩者過火面積達109 475 hm2，占總過火面積的87.55%。草原雷擊火中一般和重大火災發生頻率較高，分別占總數的39.02%、36.59%，火災面積與火災次數也無明顯關系，在重大、特大火災中過火面積大，應加強預警和撲救。

表7 1981—2018年內蒙古自治區不同等級森林草原雷擊火成災起數及過火面積

4 結論與討論

雷擊火的時空分布特征主要受氣象條件、地形、海拔等因素影響，具有時空動態分布特征。根據年變化規律，森林雷擊火在2000年之后有明顯的上升趨勢，火災起數和過火面積都有所增長；草原雷擊火的發生次數雖然趨于穩定，但過火面積卻有不確定性，易發生單次過火面積大的火災，應重點加以防控。季節性變化規律中，森林草原雷擊火主要集中于春夏兩季，尤以春夏之交最為嚴重，這是由于春夏兩季內蒙古地區大風天氣多、可燃物含水率低，并且來自西北方向的冷鋒穿過內蒙古地區上空，導致雷暴天氣增多，致使雷擊火集中；而秋冬兩季，雷暴天氣鮮有發生，氣候逐漸寒冷，森林草原被積雪所覆蓋，不易發生雷擊火。月份變化中4—7月是雷擊火相對集中的時段，其中5月最為突出[17]，此時正是春夏之交，氣候變化異常，容易發生雷擊，應在此時加強重點林區、草原的防控和監測[18]。日變化主要是受時間、溫度等影響。一天中最易發生雷擊火的時段是11:00—15:00，這段時間一天內溫度上升，可燃物含水率低，一旦發生雷擊火極易引發大面積火災，在00:00—02:00這段時間由于人的警惕性下降，發現火情晚，易造成大面積火災，也應該給予重視，重點防范。Li et al.[19]建立了基于ADTD雷電檢測數據的火災危險指數，并開發了森林雷電火災預報模型，內蒙古森林草原雷擊火在時間上的分布特征可結合此預報模型，將對提高內蒙古森林草原雷擊火預測精度具有重要意義。

根據空間分布規律，森林雷擊火主要集中于內蒙古東北部大興安嶺林區，尤其是大興安嶺北麓，這與劉松等[20]、張騫等[21]、倪長虹等[22]的研究結果相一致；王曉紅等[23]的研究表明，雷擊火雖然由閃電引發，但通過分析，大興安嶺地區雷擊火與閃電并無明顯關系。造成雷擊火的主要原因是因為大興安嶺地區屬于中高緯度地帶，平均海拔在800 m以上[24]，在每年的春夏之交時間段內，來自蒙古和俄羅斯的冷鋒氣旋在大興安嶺林區通過，在林區上空凝結成冷鋒面加之原始林區地形等因素極易造成雷暴天氣，并且原始林區大部分人跡罕至，倒木、枯死木較多，這也加大了發生雷擊火的可能性。草原雷擊火主要分散在錫林郭勒草原和呼倫貝爾草原。雷擊火一般發生在人跡罕至的原始林區，被發現時已經燃燒較長時間，雖然有瞭望塔監測、視頻監測等手段，但由于監測范圍有限，還是有很多不足，可以重點增加內蒙古大興安嶺地區的雷擊火成因研究，在不同方向和角度深入分析時間、地形、海拔、氣象條件等與雷擊火的數量關系，從雷擊火源頭提供科學可靠的預防手段，在雷擊火頻發時期應加強對特定地區的重點防控和宣傳，加大巡查力度，充分利用現代先進科技手段，視頻監測和地面監測有機結合，將火災控制在萌芽時期。