大兴安岭1980—2021年雷击火时空分布特征.pdf

doi：10.11707/j.1001-7488.LYKX20220419大兴安岭 19802021 年雷击火时空分布特征*李威1,2舒立福1,2王明玉1,2李伟克1,2苑尚博3司莉青1,2赵凤君1,2宋佳军3王亚惠3（1.中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所北京 100091；2.国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京 100091；3.中国科学院电工研究所北京 100190）摘要：【目的】分析 19802021 年大兴安岭雷击火发生历史，了解该地区雷击火的时空分布规律以及 42 年间的动态变化，为雷击火防控提供科学依据。【方法】基于 19802021 年大兴安岭雷击火统计资料、研究区行政区划、DEM数字高程模型，计算得到研究区的海拔、坡向和坡度分布图及对应面积，结合研究区划图，分析雷击火的空间分布特征与动态变化趋势。【结果】1）在 19802021 年间，大兴安岭地区共发生雷击火 1 651 起，过火总面积 473 088.8 hm2。89.4%的雷击火过火面积在 100 hm2以内。20002021 年雷击火数量约为 19801999 年的 3.5 倍。95.9%的雷击火发生在 58 月，52%的雷击火发生在 13，007100雷击火数量在 6 月 15 日春季防火期结束的几天内迅速增加。经度上，雷击火集中在 121.2E 和 122.5E 2 个中心附近；纬度上，80%的雷击火集中于 51N53.5N 之间。不同行政区划的雷击火密度和雷击火面积比差异显著，总体上黑龙江全面高于内蒙古。雷击火集中于坡度 412，占总数 48.9%；坡度大于 4时，雷击火数量出现随坡度升高而减少的趋势。海拔范围 600800 m 内的雷击火最多，占总数 33.2%；只有 1.3%的雷击火发生在海拔 1 200 m 以上地区。西南坡雷击火最多，为 219 起（13.9%）；西北坡雷击火最少，为 177 起（11.2%）。2）有关因子与雷击火数量的 Pearson 相关分析表明，雷击火数量与经度（R=0.155，P0.001）、坡度（R=0.523，P0.001）存在极显著负相关，与对应海拔面积（R=0.336，P0.001）、林业局面积（R=0.559，P0.001）存在极显著正相关，与对应坡度面积（R=0.734，P0.05）存在显著正相关，与纬度、海拔、对应坡向面积不存在显著相关。3）雷击火活跃日数在 19801985 年 最 少（3516.1）天，19861997 年 开 始 上 升（77.358.5）天，19982011 年 达 到 高 峰（112.147.9）天，20122021 年出现回落（68.133.2）天。以 5 年为间隔将 19802021 年划为 8 个时期后，第 37 个 5 年时期中的雷击火第一次高峰日存在逐渐前移的现象。【结论】大兴安岭的雷击火数量从 2000 年开始出现明显上升，一年中 6 月最多而 8 月最少，一天中以 13 006100最多而 23 00500最少；雷击火在空间上的分布有聚集趋势，除坡向外，其他空间类型基本符合面积越大，雷击火数量越多的规律。雷击火在不同坡向分布的差异明显，主要表现为南较北多，东较西多；在19802021 年间的 4 个时期（19801985、19861997、19982011、20122021 年）雷击火活跃日呈“平缓上升高峰回落”的动态变化。雷击火第一次峰值日在年尺度上无明显规律，但在 5 年尺度上从第 37 个 5 年期间累积提前了 24 天。关键词：大兴安岭；雷击火；时空分布；动态特征中图分类号：S762.1文献标识码：A文章编号：10017488(2023)10002210Temporal and Spatial Distribution and Dynamic Characteristics of Lightning Fires in theDaxinganling Mountains from 1980 to 2021Li Wei1,2Shu Lifu1,2Wang Mingyu1,2Li Weike1,2Yuan Shangbo3Si Liqing1,2Zhao Fengjun1,2Song Jiajun3Wang Yahui3（1.Ecology and Nature Conservation Institute,Chinese Academy of ForestryBeijing 100091；2.Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of NationalForestry and Grassland AdministrationBeijing 100091；3.Institute of Electrical Engineering of the Chinese Academy of SciencesBeijing 100190）Abstract：【Objective】This study aims to understand the spatial and temporal distribution of lightning fires in the Daxinganling Mountains and the dynamic changes over the past 42 years by analyzing the occurrence history of lightning fires in theregion from 1980 to 2021,so as to provide a scientific basis for the prevention and control of lightning fires.【Method】Based on 收稿日期：20220617；修回日期：20230518。基金项目：中国林业科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（CAFYBB2021ZB001）；国家林业和草原局森林雷击火防控揭榜挂帅项目（2023132032）。*王明玉为通讯作者。第 59 卷 第 10 期林业科学 Vol.59，No.102 0 2 3 年 1 0 月SCIENTIA SILVAE SINICAEOct.，2 0 2 3the statistical data of lightning fires in the Daxinganling Mountains from 1980 to 2021,the administrative division of the studyarea and the DEM digital elevation model,the elevation,aspect and slope distribution maps and corresponding areas of the studyarea were obtained by processing the DEM data and calculating the corresponding areas.Combined with the study zoning map,thespatial-temporal distribution characteristics and dynamic change trend of lightning fires were analyzed.【Result】1)From 1980 to2021,a total of 1 651 lightning fires occurred in the Daxinganling Mountains,with a total area of 473 088.8 hm2.Approximately89.4%of lightning fires burned within 100 hm2.The number of lightning fires from 2000 to 2021 was about 3.5 times that of from1980 to 1999.Around 95.9%of the lightning fires occurred from May to August,and 52%of the lightning fires occurred from13:00 to 17:00.The number of lightning fires increased rapidly in the days following the end of the spring fire prevention period onJune 15.In terms of longitude,lightning fires were mainly concentrated near the two centers of 121.2E and 122.5E.In terms oflatitude,80%of lightning fires were concentrated between 51N and 53.5N.There were significant differences in the lightning firedensity and lightning fire area ratio among different administrative divisions,with Heilongjiang being overall higher than InnerMongolia.The lightning fires were concentrated on slopes of 412,accounting for 48.9%of the total.When the slope was greaterthan 4,the number of lightning fires decreased with the increase of the slope.The most lightning fires occurred within 600800 maltitude,accounting for 33.2%of the total,while only 1.3%of lightning fires occurred in areas above 1 200 m.The southwest slopehad the largest number of lightning fires,with 219(13.9%).The northwest slope had the fewest lightning fires,with 177(11.2%).2)The result of Pearson correlation analysis between impact factors and lightning fires showed that there was a highly significantnegative correlation between the number of lightning fires and longitude(R=0.155,P0.001),slope(R=0.523,P0.001),thecorresponding elevation area (R=0.336,P0.001),forest bureau area (R=0.559,P0.001),the corresponding slope area(R=0.734,P0.05).There was no significant correlation between the number of lightning fires with latitude,altitude and thecorresponding aspect area.From 1980 to 1985,the number of active days of lightning fires was the least and the most stable(3516.1)days.3)From 1986 to 1997,the number of active days of lightning fires began to rise to(77.358.5)days.3)From 1998to 2011,the number of active days of lightning fires reached the peak of(112.147.9)days,and from 2012 to 2021,the number ofactive days of lightning fires decreased to(68.133.2)days.The period 19802021 was divided into 8 periods with a 5-yearinterval.From the third period to the seventh period,the first peak day of lightning fires gradually moved forward.【Conclusion】The number of lightning fires has significantly increased since 2000,with the most lightning fires in June and theleast in August of the year,and with the most at 13:0016:00 and least at 23:005:00.The spatial distribution of lightning fires hasa tendency to gather,and except slope,all other spatial types basically conform to the law that the larger the area,the more thenumber of lightning fires.There is obvious difference in the distribution of lightning fires in different aspect,mainly manifested asmore in the south than in the north,and more in the east than in the west.The active days of lightning fires from 1980 to 2021 canbe roughly divided into four periods,namely 19801985,19861997,19982011,and 20122021,reflecting the dynamic changeof“flat,rising,peak and fall”.On the annual scale,there is no obvious regularity on the day of the first peak of lightning fire,buton the scale of 5-years,from the beginning of the third period to the end of the seventh period,the date of the first peak of lightningfires accumulatively advances by 24 days.Key words：Daxinganling Mountains；lightning fires；spatiotemporal distribution；dynamic characteristics 雷击火是最常见的天然火，其发生和蔓延与雷电、天气、可燃物和地形有关（Bryson，2021）。雷击火具有随机性和隐蔽性。如发生在地形复杂、交通不便的偏远林区，难以及时发现并进行有效扑救，容易发展为大规模森林火灾。因此，虽然雷击火占所有森林火灾的比例较低，却造成了相对较大的燃烧面积，其危害相较其他森林火灾更大（Wotton et al.，2005；Nieto etal.,2012）。由于雷击火对森林资源和社会经济造成了巨大损失，近年来国内外对雷击火进行了许多研究，主要包括驱动因素、预测模型和形成机理（舒洋等，2022）。如加拿大过火面积2 hm2的雷击火数量和活跃日数在 19592018 年间在大多数地区呈上升趋势（Cooganet al.,2020）；西班牙东北部的雷击火发生比例与日降雨量大小有关，25%为无降水，40%为 02.5 mm（干雷暴天气），60%为 2.54 mm，90%为 410 mm（Pinedaet al.,2017）。Read 等（2018）使用 logistic 回归模型预测了澳大利亚维多利亚州的雷击火发生概率，并提出一种新的模型选择方法，输入变量减少了 37.5%，但几乎不影响预测精度（AUC=0.859）。杜春英等（2010）发第 10 期李威等：大兴安岭 19802021 年雷击火时空分布特征23 现黑龙江大兴安岭的雷击火在 19662006 年间存在周期性震荡，且火场质心随时间延后向东南偏移。郭福涛等（2009）等发现黑龙江大兴安岭 19882005 年的雷击火呈聚集分布且存在热点区。臧桐汝等（2022）研究了黑龙江大兴安岭 19682010 年的雷击火分布规律与驱动因素，认为引发雷击火的闪电多为负闪，而与雷电流释放能量无明显关系，但主要受气温的影响；确定雷击火多发地为落叶松（Larix）林、坡度 010和海拔 300900 m 的地区。周长明等（2022）基于20062015 年的大兴安岭林区闪电定位数据、逐时降水数据和雷击火数据，分析了干雷暴次数和发生时间与雷击火特征的相关性，认为干雷暴天气与雷击火发生存在紧密关系。冯俊伟等（2021）利用冲击电流发生器人工制造闪电来模拟自然雷击火发生过程，测量了不同种类可燃物击穿电压的差异，发现泥土含灰率和电阻率的关系，认为人工烧除迹地更易遭受雷击。郭福涛等（2010）使用负二项和零膨胀负二项回归模型建立了黑龙江大兴安岭 19802005 年雷击火与气象因子的关系，发现后者的拟合度与预测水平均高于前者。王晓红等（2017）利用 20052011 年的黑龙江大兴安岭雷击火数据、闪电和气象数据，建立了适于该地的 Logistic 回归雷击火预测模型，选择变量包括前 7 天的细小可燃物湿度码（fine fuel moisture code，FFMC）均值、前 3 天的地闪次数、前 7 天的平均降水量，经受试者特征曲线（receiver operating characteristiccurve，ROC）曲线评价，表明预测效果较理想。孙瑜等（2014）用 MAXENT 模型预测了黑龙江大兴安岭的雷击火风险，发现日降雨量、云地闪数量、云地闪回击电流强度是最重要的 3 个影响因子，采用最大 Kappa值和 AUC 值检验后表明模型预测精度为中等水平。一个地区的雷击火数量和分布是由该地区的闪电活动、火险天气和可燃物类型等决定的，深入了解雷击火时空变化规律对准确预报和预防雷击火有重要意义（Bryson et al.，2021）。大兴安岭是我国雷击火最多的地区，几乎每年都发生，不仅造成巨大的经济损失，也严重威胁当地生态安全（舒立福等，2003；Gaoet al.，2021）。鉴于此，本研究分析 19802021 年大兴安岭雷击火在不同时间尺度上沿经纬度、海拔、坡度及坡向的分布特征以及 42 年间的动态变化规律，以期为该地区雷击火预报和防控提供科学依据。1研究区概况研究区包括黑龙江大兴安岭和内蒙古大兴安岭林区（119.60127.02 E，47.0553.56 N）。该地区属寒温带大陆性季风气候，冬季寒冷而漫长，夏季炎热而短暂，年均气温2.8，年均降水量 450500 mm。地势起伏不大，西部、中部高，东部、北部和南部低。平均海拔 573 m，最高海拔 1 528 m。属寒温带森林土壤(徐化成，1998)。大兴安岭林区森林类型是以兴安落叶松(Larix gmelinii)为主的混交林，主要树种有兴安落叶松、樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、白桦(Betula platyphylla)、蒙古栎(Quercus mongolica)、山杨(Populus davidiana)和柳树（Salix matsudana)等针叶和阔叶树种(田晓瑞等，2010)。2材料与方法 2.1数据来源大 兴 安 岭 雷 击 火 火 情 统 计 资 料 数 据（19802021 年）源于防火部门，包括起火时间、火场经纬度坐标、过火面积等信息。研究区 30 m30 m 的数字高程模型 DEM 数据源自地理空间数据云（https:/ 19802021 年的大兴安岭雷击火数量与过火面积，用 Arcgis 10.8 软件的空间分析工具处理研究区 30 m30 m 的 DEM 数据，得到研究区的海拔、坡度和坡向分布等信息并计算其对应面积，导入雷击火经纬度坐标，分析其空间分布特征，使用 SPSS 25 软件进行相关分析。由 Origin 2018 完成作图。3结果与分析 3.1大兴安岭雷击火 19802021 年的时间分布特征 3.1.1年分布特征在 19802021 年间，大兴安岭（包括黑龙江大兴安岭与内蒙古大兴安岭）共发生雷击火 1 651 起，其中有详细过火面积记录的 1 571 起，过火总面积 473 088.8 hm2；年均雷击火数量约为 39 起，年均过火面积约为 11 264 hm2（图 1）。2000 年后的雷击火数量显著上升，约为 19801999 年的 3.5 倍，但存在一定波动性；过火面积没有随时间而增加的趋势，但在个别极端干旱年份较大，如 2006、1987、2000 年过火总面积分别占总量的 47.7%、14.2%和 10.7%。总体上，26.5%的雷击火过火面积小于 1 hm2，属一般森林火灾；62.9%的雷击火过火面积在 1100 hm2，属较大森林火灾；8%的雷击火过火面积在 1001 000hm2，属重大森林火灾；2.6%的雷击火过火面积超过1 000 hm2，属特别重大森林火灾。3.1.2日分布特征大兴安岭雷击火数量与过火面积在 19802021 年间的日均值如图 2 所示。95.9%24林业科学59 卷 的雷击火发生在 58 月，占过火总面积的 83.6%。其中，6 月雷击火次数最多，占总量的 40.1%；7 月次之，为 28.5%；5 月占 16.6%；8 月最少，占 10.7%。雷击火发生最早在 4 月 19 日，最晚在 11 月 30 日。雷击火数量从 5 月 3 日开始逐渐增加，在 6 月 1 日出现第一个高峰，6 月 15 日春季防火期结束前有一定回落，但春季防火期结束后的几天内雷击火数量迅速增加了近 3 倍。3.1.3小时分布特征大兴安岭起火时间精确到小时的雷击火记录在 19802021 年间共 1 106 起，过火总面积 326 934.4 hm2（图 3）。23:00 至次日 5:00 的时段内雷击火频率最低，仅占总数的 0.4%。在 5:0013:00 之间，随着气温升高和相对湿度降低，雷击火逐渐增多，占总数的 28.3%。13:0016:00 是一天中雷击火最多的时段，占总数的 52%。16:00 之后随着入夜气温逐渐降低，相对湿度升高，雷击火数量持续下降，占总数的 19.3%。050100150200雷击火数量Number of lightning fires050100150200250雷击火面积Area of lightning fires/103 hm2数量 Number面积 Area时间 Time00:0002:0004:0006:0008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:0024:00图 319802021 年大兴安岭雷击火数量与面积的日内分布Fig.3Intraday distribution of the number and area of lightning firesin Daxinganling Mountains from 1980 to 2021 3.2大兴安岭 19802021 年的雷击火空间分布特征 3.2.1经纬度分布大兴安岭具有完成空间信息记录的雷击火在 19802021 年共 1 575 起。在经度分布上，雷击火集中在 121.2E 和 122.5E 2 个中心附近；124E 以东雷击火较少，仅占总数 23.3%。在纬度分布上，大多数雷击火集中于高纬度地区，特别是 51N53.5N 之间，聚集了 80%的雷击火；而 49.1N 以南雷击火很少，仅占总数的 1.4%（图 4）。3.2.2林业局分布大兴安岭 19802021 年雷击火数量与面积在 42 个林业局/县的分布如表 1 所示，不同行政区存在很大差异。内蒙古大兴安岭中，乌玛的 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020020406080100120140160180200数量 Number雷击火数量Number of lightning fires年份 Year050100150200250面积 Area雷击火面积Area of lightning fires/103 hm2图 119802021 年大兴安岭雷击火数量与过火面积的年分布Fig.1The distribution of annual number and area of lightning firesin Daxinganling Mountains from 1980 to 2021 00.51.01.52.0雷击火数量Number of lightning fires数量 Number日期 Date010103010501070109011101面积 Area0.10.30.20.41.41.35.05.25.15.35.4雷击火面积Area of lightning fires/103 hm2图 219802021 年大兴安岭雷击火数量与面积日分布Fig.2Distribution of the daily number and area of lightning fires inthe Daxinganling Mountains from 1980 to 2021 E120E121E122E123经度 Longitude/()经度 Latitude/()E124E125E126E127040206010014018080120160200雷击火数量Number of lightning firesN47N48N49N50N51N52N53N54050100150200250300350图 419802021 年大兴安岭雷击火的经纬度分布Fig.4Lightning fires distribution along latitude and longitude in the Da xinganling Mountains from 1980 to 2021第 10 期李威等：大兴安岭 19802021 年雷击火时空分布特征25 雷击火数量最多，雷击火密度也最大，雷击火面积排名第 4 位，雷击火面积占比排名第 5 位；绰尔的雷击火数量最少，雷击火密度也最低，雷击火面积与雷击火面积占比均排倒数第 2 位；雷击火面积最大的区域 表 119802021 年大兴安岭不同林业局/县雷击火数量与面积Tab.1The number and area of lightning fires in different forestry bureau/counties in the Daxinganling Mountains from 1980 to 2021区域Region林业局/县Forestry bureau/county面积Area/hm2雷击火数量Number oflightning fires雷击火面积Area of lightningfire/hm2雷击火密度Density of lightning fire/times(104 hm2)1雷击火面积占比Area ratio of lightningfire(%)内蒙古Inner Mongolia阿尔山 Aershan483 1821112 401.400.2282.567永安山 Yonganshan283 525668 709.792.3283.072汗马 Hanma107 332148 490.701.3047.911乌玛 Wuma375 7951178 239.583.1132.193奇乾 Qiqian287 834477 612.841.6332.645根河 Genhe630 129436 395.120.6821.015满归 Mangui389 948735 546.021.8721.422图里河 Tulihe379 201215 051.600.5541.332金河 Jinhe517 038384 989.180.7350.965毕拉河 Bilahe471 175153 725.560.3180.791大杨树 Dayangshu790 291192 816.530.2400.356莫尔道嘎 Moerdaoga454 378722 636.651.5850.580乌尔旗汉 Uerqihan593 177192 531.550.3200.427阿龙山 Alongshan357 061402 171.861.1200.608吉文 Jiwen361 573271 678.390.7470.464甘河 Ganhe357 390271 417.870.7550.397克一河 Keyihe214 442211 227.200.9790.572北大河 Beidahe363 77012908.870.3300.250库都尔 Kuduer501 70530793.820.5980.158诺敏经营所 Nuomin Management Station148 79216544.301.0750.366额尔古纳 Erguna124 41717480.041.3660.386得耳布尔 Derbur255 4229438.640.3520.172绰源 Chuoyuan313 2764104.930.1280.033阿里河 Alihe468 3661166.200.2350.014绰尔 Chuor426 245426.660.0940.006伊图里河Yitulihe144 45864.610.4150.003总计Total77989 009.89均值Average29.963 423.460.8890.011黑龙江Heilongjiang松岭 Songling676 36159229 511.670.87233.933呼中 Huzhong769 52213227 600.011.7153.587西林吉Xilinji731 62410810 758.441.4761.470十八站 Shibazhan633 165448 373.120.6951.322加格达奇 Jiagedaqi965 844327 540.230.3310.781塔河 Tahe922 620816 792.310.8780.736呼中自然保护区 Huzhong Nature Reserve167 627245 906.171.4323.523韩家园 Hanjiayuan906 314614 180.530.6730.461呼玛县 Huma County251 026133 642.950.5181.451阿木尔 Amur554 721572 392.781.0280.431南瓮河自然保护区 Nanwenghe NatureReserve229 03092 217.010.3930.968图强 Tuqiang505 791701 776.111.3840.351新林 Xinlin869 681911 485.331.0460.171双河自然保护区 Shuanghe Nature Reserve88 8619995.871.0131.121塔河县 Tahe County36 860346.450.8140.126漠河县 Mohe County36 409311.680.8240.032总计Total796313 230.70均值Average49.7519 576.960.9430.03226林业科学59 卷 为阿尔山，雷击火面积占比最大的区域为汗马，雷击火面积与雷击火面积占比最小的区域均为伊图里河。黑龙江大兴安岭中，呼中的雷击火数量最多，雷击火密度最大，雷击火面积与雷击火面积占比排第 2 位；塔河县的雷击火数量最少，加格达奇的雷击火密度最低；雷击火面积与雷击火面积占比最大的区域均为松岭，雷击火面积与雷击火面积占比最小的区域均为漠河。19802021 年间，黑龙江大兴安岭 16 个林业局/县与内蒙古 26 个林业局/县对比，黑龙江的雷击火在总计指标与平均指标上（雷击火数量、雷击火面积、雷击火密度、雷击火面积占比）都显著高于内蒙古。3.2.3海拔、坡度、坡向分布将研究区海拔以 200 m间隔划分为 6 级（200400、400600、600800、8001 000、1 0001 200、1 200 m），各自的雷击火数量分别为 147、359、524、380、144、21 起。海拔 600800 m范围内雷击火最多，占总数的 33.2%；只有 1.3%的雷击火发生在海拔1 200 m 的地点。总体上，雷击火的海拔分布为中间高、两头低的格局（图 5a）。2004006008001 000 1 200 1 400 1 600050100150200250300ab雷击火数量Number of lightning fires海拔 Altitude/m0481216202428323640050100150200坡度 Slope/()图 519802021 年大兴安岭雷击火的海拔与坡度分布Fig.5Distribution of lightning fires along slope gradient and altitude in the Daxinganling Mountains from 1980 to 2021 雷击火数量在坡度 46最多，为 202 起（图 5b），占比 12.8%；在坡度大于 4时，雷击火数量大体呈现随坡度增大而减少的趋势；770 起（48.9%）雷击火分布于坡度 412，坡度25的雷击火较少，只有 4.6%。以 45方位角为间隔划分为 8 个坡向，分别为北N（0 22.5，337.5360）、东北 NE（22.567.5）、东E（67.5112.5）、东南SE（112.5157.5）、南S（157.5202.5）、西南SW（202.5247.5）、西W（247.5292.5）、西北 NW（292.5337.5），雷击火的坡向分布总体上为南较北多，东较西多，其中西南坡雷击火最多，为219 起，占比 13.9%；西北坡雷击火最少，为 177 起，占比 11.2%（图 6）。坡向差异对雷击火分布的影响明显，可能是不同坡向的云层活动、可燃物特征等因素导致的。3.