泰山風(fēng)景區(qū)閃電特征及林區(qū)雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

陳樂奇，徐 鑫，鄔銘法，劉向科，鄧 猛

(1.山東省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，山東 濟(jì)南 250031；2.泰安市泰山風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì)，山東 泰安 271000)

泰山是世界文化與自然雙重遺產(chǎn)、世界地質(zhì)公園、全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位、國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)和國(guó)家5A級(jí)景區(qū)為一體的世界著名旅游風(fēng)景區(qū)。特殊的地勢(shì)地貌造就了復(fù)雜多變的氣候特征。尤其是雷擊引發(fā)林區(qū)火災(zāi)、古建筑損壞、人員傷亡等災(zāi)害，對(duì)雷電的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作受到地方政府的極大重視。2002年7月，內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)發(fā)生特大雷擊火，森林受災(zāi)面積超過1萬hm2[1]；2019年3月30日，四川省涼山州木里縣境內(nèi)因雷擊引發(fā)森林火災(zāi)，造成重大人員傷亡[2]。作為國(guó)家重要自然資源的森林及其景區(qū)，泰山起到維持和改善生態(tài)環(huán)境的作用，對(duì)開展森林旅游業(yè)和科學(xué)考察、教學(xué)、研究具有重要意義[3]。一旦發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此開展泰山風(fēng)景區(qū)的閃電特征研究和林區(qū)的雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析尤顯迫切，以期提高泰山雷電災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警能力，為有效開展防雷避雷及地方政府部門決策提供技術(shù)依據(jù)[4]。

泰安市泰山風(fēng)景區(qū)位于山東省中部，坐標(biāo)為116°58′～117°10′E，36°12′～36°22′N。地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，屬亞高山型濕潤(rùn)氣候，其氣候特征受地理地形、山脈體量、海拔高度、植被覆蓋等自然條件影響[5]，易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣和雷暴活動(dòng)。其林區(qū)植物以暖溫帶落葉闊葉林為主，年均溫6.0℃，年均降水量 1 031.3 mm[6]，年均雷暴日31.3 d[7]，屬多雷區(qū)。

1 數(shù)據(jù)資料與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用2007—2018年山東省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的12年數(shù)據(jù)，一定程度上反映了泰山風(fēng)景區(qū)的雷暴頻繁程度和雷暴強(qiáng)度。

山東省地閃定位系統(tǒng)[8]于2006年6月布設(shè)完成，采用LD-II型閃電定位系統(tǒng)，由13個(gè)探測(cè)站點(diǎn)組成。資料包括地閃發(fā)生時(shí)間、經(jīng)緯度、正負(fù)極性、峰值強(qiáng)度、雷電流上升陡度等參數(shù)。該系統(tǒng)定向精度為1°，時(shí)鐘同步精度可達(dá)到10～7 s，山東省內(nèi)大部分地區(qū)地閃探測(cè)效率理論值為95%，定位精度可達(dá)300 m。

山東省閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為地閃，且對(duì)泰山風(fēng)景區(qū)造成影響的主要是地閃，故本報(bào)告分析數(shù)據(jù)均為地閃數(shù)據(jù)，未包含云閃。

1.2 處理方法

本文根據(jù)閃電定位數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用ArcGIS地理信息系統(tǒng)中的ArcMap組件，繪制地閃密度分布圖、落雷區(qū)分布圖等；利用視圖工具中的創(chuàng)建圖生成地閃活動(dòng)的年、月、日變化圖。對(duì)數(shù)據(jù)綜合采用了回歸分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

2.1 地閃密度空間分布特征

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，泰山景區(qū)(117°～117.2°E，36.2°～36.36°N，下同)累計(jì)發(fā)生地閃 6 899 次，其中正地閃182次，負(fù)地閃 6 717 次，年均落雷次數(shù)為575次，平均地閃電流強(qiáng)度為11.91 kA。泰山景區(qū)年均地閃密度為1.82次/(km2·a)，高出泰安市年均地閃密度1.39次/(km2·a)的30.9%，高出全省年均地閃密度1.27次/(km2·a)的43.3%(圖1)。

與周邊地區(qū)相比，泰山景區(qū)地閃密度明顯偏高，其主要原因是山東省地處東亞季風(fēng)區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)氣候類型，夏季風(fēng)攜帶豐沛的水汽北上，受到泰山山脈地形抬升作用，使得氣流和水汽輻合上升，有利于雷暴云的形成。雷暴云中的電場(chǎng)是云粒子之間與降水粒子碰撞的結(jié)果，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)有利于粒子間的碰撞，從而進(jìn)一步加強(qiáng)云中電場(chǎng)，導(dǎo)致泰山景區(qū)地閃密度明顯偏高。

泰山景區(qū)地閃密度較高的區(qū)域主要位于桃花峪西側(cè)、玉泉寺景區(qū)西側(cè)，桃花源景區(qū)以東、南天門以北，其中桃花源景區(qū)以東、南天門以北區(qū)域地閃密度最高。

利用GIS技術(shù)對(duì)泰山景區(qū)地形和地閃密度進(jìn)行綜合對(duì)比分析，對(duì)地閃密度3.2次/(km2·a)以上區(qū)域進(jìn)行填色處理分析。結(jié)果顯示：閃電密度高值區(qū)與海拔高度呈正相關(guān)；閃電密度高值區(qū)基本位于海拔較高的區(qū)域附近；閃電密度的高低與海拔、地形有一定關(guān)系，總體上呈現(xiàn)閃電密度隨海拔增高而逐漸增強(qiáng)特點(diǎn)(圖2)。

2.2 閃電密度高值區(qū)及重點(diǎn)區(qū)域分析

泰山景區(qū)地閃密度高值區(qū)主要集中在泰山主峰及主峰偏東區(qū)域。根據(jù)景區(qū)情況對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)分析，按照0.001°×0.001°網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)分，發(fā)現(xiàn)閃電主要集中在玉皇頂至南天門附近，閃電密度高達(dá)7.5次/(km2·a)以上(圖3)。

圖1 泰山景區(qū)平均地閃密度分布

圖2 泰山景區(qū)地閃密度遙感分布(西南方向)

2.3 地閃活動(dòng)年變化特征分析

總閃電次數(shù)在2007年和2010年分別存在一個(gè)峰值，2010年峰值較強(qiáng)；2018年為明顯低谷，其次為2014年72次。正閃次數(shù)2017年出現(xiàn)明顯峰值；2009年最少為1次，其次為2012年6次。其中2010—2018年總閃呈現(xiàn)震蕩減弱趨勢(shì)(圖4)。

將2007—2018年泰山景區(qū)實(shí)際落雷點(diǎn)與地形疊加分析，正地閃落雷點(diǎn)相對(duì)比較分散，負(fù)地閃落雷點(diǎn)在桃花峪西側(cè)區(qū)域、玉泉寺景區(qū)西側(cè)區(qū)域，桃花源景區(qū)以東、南天門以北區(qū)域，相對(duì)比較集中(圖5)。

圖3 泰山景區(qū)地閃密度高值區(qū)及落雷區(qū)分布(0.001°×0.001°網(wǎng)格)

圖4 泰山景區(qū)地閃次數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 地閃活動(dòng)季節(jié)變化特征分析

泰山景區(qū)地閃活動(dòng)的季節(jié)性分布特征明顯(圖6)：春季(3—5月)地閃活動(dòng)開始逐漸增多，地閃次數(shù)約占總次數(shù)的10.11%；夏季(6—8月)是泰山地閃活動(dòng)最頻繁、最集中的時(shí)期，地閃次數(shù)約占86.86%；秋季(9—11月)地閃活動(dòng)迅速減少，地閃次數(shù)約占3.03%；冬季僅2月出現(xiàn)過少量地閃，僅占0.42%，12月和1月沒有出現(xiàn)地閃活動(dòng)。8月泰山地區(qū)對(duì)流活動(dòng)最旺盛，地閃活動(dòng)最頻繁，年均地閃次數(shù)約為 2 350 次，占地閃總數(shù)的34.44%，其次是7月和6月。另外，正閃比例最高出現(xiàn)在4月，占當(dāng)月總次數(shù)的35%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他月份。

2.5 地閃活動(dòng)日變化特征分析

泰山景區(qū)地閃活動(dòng)日變化特征：高峰時(shí)段為14∶00—17∶00和19∶00—21∶00，主峰值時(shí)段為19∶00—20∶00；早晨 6∶00—7∶00 出現(xiàn)地閃活動(dòng)次高峰期，次峰值時(shí)間為 2∶00，地閃低發(fā)時(shí)段為 1∶00—6∶00 和 9∶00—13∶00。以上地閃活動(dòng)變化規(guī)律可以總結(jié)為下午最頻繁，早晨次之，夜晚和上午相對(duì)較少(圖7)。地閃活動(dòng)呈現(xiàn)如此特征是由于太陽輻射在中午達(dá)到最強(qiáng)，下墊面升溫明顯，層結(jié)易不穩(wěn)定，增加了局地?zé)釋?duì)流的發(fā)生，因此地閃多發(fā)生在14∶00以后。日落后太陽輻射銳減，對(duì)流消散明顯，造成地閃活動(dòng)迅速減少，出現(xiàn)子夜時(shí)段的相對(duì)低谷區(qū)。

2.6 地閃強(qiáng)度特征分析

泰山景區(qū)地閃平均電流強(qiáng)度為11.91 kA，正閃的平均電流強(qiáng)度為45.42 kA，負(fù)閃的平均電流強(qiáng)度為11.01 kA。其中記錄的景區(qū)內(nèi)最大地閃強(qiáng)度出現(xiàn)在2016年8月14日14∶04∶38，位于中天門附近(36.24°N、117.08°E)，電流強(qiáng)度達(dá)-116.834 kA。

為進(jìn)一步了解地閃的電流強(qiáng)度分布特征，將地閃根據(jù)電流強(qiáng)度絕對(duì)值以5 kA為間隔分為21個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)的地閃百分率變化曲線顯示(圖8):電流強(qiáng)度在5～10 kA的地閃比例最大，約為31.28%，其次是0～10kA的地閃，約占24.95%，主要集中在0～20 kA，占地閃總數(shù)的92.43%。電流強(qiáng)度在15～20 kA的正閃占正閃總數(shù)的比例最大，約為20.83%，其次是20～25 kA的正閃，約占19.05%，主要集中在15～40 kA，占正閃總數(shù)的76.19%。電流強(qiáng)度在5～10 kA的負(fù)閃占負(fù)閃總數(shù)的比例最大，約為32.11%，其次是5～10 kA的負(fù)閃，約占25.62%，主要集中在0～20 kA，占負(fù)閃總數(shù)的93.86%。由于正地閃占總閃的比例極低，負(fù)地閃占絕大多數(shù)，導(dǎo)致總閃的電流強(qiáng)度分布曲線與負(fù)地閃接近。

圖5 泰山景區(qū)2007—2018年地閃實(shí)況落區(qū)分布

圖6 泰山景區(qū)地閃活動(dòng)月變化

圖7 泰山景區(qū)地閃活動(dòng)日變化

3 林區(qū)雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)

張繼權(quán)[9]提出致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承載體和防災(zāi)減災(zāi)能力4個(gè)因素是特定區(qū)域氣象災(zāi)害的最重要形成條件，其中致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境是自然存在的，承載體則會(huì)受到外界因素的影響。在雷電災(zāi)害中，致災(zāi)因子是雷電的強(qiáng)度、密度等，孕災(zāi)環(huán)境是地理位置、地形地貌、植物資源等，承載體是建筑物和人員。

圖8 泰山景區(qū)地閃強(qiáng)度變化

本研究結(jié)合泰山風(fēng)景區(qū)雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用包括雷擊密度、位置因子、環(huán)境類型因子等指標(biāo)來分析風(fēng)景區(qū)內(nèi)林區(qū)的雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 林區(qū)雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)景區(qū)森林及植被情況，對(duì)紅門、中天門、南天門、竹林寺、櫻桃園、桃花峪、桃花源、天燭峰、玉泉寺、巴山林區(qū)進(jìn)行雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析，總面積 11 159.95 hm2。

中天門、南天門地閃平均密度較高，中天門區(qū)域地閃密度為2.5～4.0次/(km2·a)，南天門區(qū)域地閃密度在4.0次/(km2·a)以上，該區(qū)域?qū)儆谔┥斤L(fēng)景區(qū)高值區(qū)。

結(jié)合森林面積、地形、海拔高度、植被情況和閃電密度等因素，計(jì)算得出泰山林區(qū)雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布(表1)。

表1 泰山林區(qū)雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分

由表1可知，南天門、桃花峪、桃花源、天燭峰、巴山林區(qū)所在區(qū)域雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高。

3.3 林場(chǎng)雷擊火災(zāi)防護(hù)建議

1)雷雨天氣時(shí)及時(shí)關(guān)注氣象部門發(fā)布的雷電預(yù)警信息，及時(shí)掌握雷電活動(dòng)情況。

2)重點(diǎn)關(guān)注4月初至5月中上旬及首次雷暴過程，為林區(qū)雷擊火災(zāi)事故高發(fā)時(shí)間。該時(shí)間段中4月正地閃占比最高，電流強(qiáng)度大、放電通道溫度高；且天氣相對(duì)干燥，土壤電阻率大，林區(qū)植被易被引燃，應(yīng)予以高度重視和重點(diǎn)關(guān)注。

3)在雷電活動(dòng)高發(fā)季節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注每日的6∶00—7∶00和14∶00—21∶00，并結(jié)合當(dāng)日的雷電預(yù)警信息采取應(yīng)對(duì)措施。

4)在景區(qū)建立覆蓋整個(gè)林區(qū)的地面大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，該監(jiān)測(cè)網(wǎng)可通過短信或聲光報(bào)警裝置為林場(chǎng)巡護(hù)人員、防火部門提供預(yù)警信息。

5)利用FY-4探測(cè)儀和日本葵花8衛(wèi)星實(shí)時(shí)觀測(cè)，滿足森林防火所需的時(shí)空分辨率要求，能有效監(jiān)測(cè)、識(shí)別火源，為森林防火工作提供決策依據(jù)。

6)重點(diǎn)監(jiān)控地閃密度較高的區(qū)域、泰山西南方[6]及迎風(fēng)坡等風(fēng)向和雷暴進(jìn)入的方向、歷史雷擊著火點(diǎn)等。

7)采取主動(dòng)防御的方法，在林場(chǎng)重點(diǎn)區(qū)域和地閃密度高值區(qū)安裝直擊雷防護(hù)裝置。

4 小結(jié)

依據(jù)閃電定位監(jiān)測(cè)資料、現(xiàn)場(chǎng)勘查資料，結(jié)合景區(qū)特點(diǎn)，分析了泰山景區(qū)雷電活動(dòng)特征。

1)泰山風(fēng)景區(qū)年均地閃密度為1.82次/(km2·a)，高出泰安市年均地閃密度30.9%，高出全省年均地閃密度43.3%。地閃密度較高的區(qū)域主要位于桃花峪西側(cè)區(qū)域、玉泉寺景區(qū)西側(cè)區(qū)域，桃花源景區(qū)以東、南天門以北區(qū)域，其中桃花源景區(qū)以東、南天門以北區(qū)域?qū)儆诘亻W密度極值區(qū)。

2)地閃活動(dòng)年變化特征分析，2010—2018年總閃呈現(xiàn)震蕩減弱趨勢(shì)。

3)地閃活動(dòng)季節(jié)性分布特征明顯，8月是地閃活動(dòng)最頻繁月份，其次是7月和6月；其中4月正閃占比最高。

4)地閃活動(dòng)日變化特征為高峰時(shí)段14∶00—17∶00 和19∶00—21∶00，主峰值時(shí)段為19∶00—20∶00，次高峰期為6∶00—7∶00。

5)地閃平均電流強(qiáng)度為11.91 kA，正閃平均電流強(qiáng)度為45.42 kA，負(fù)閃平均電流強(qiáng)度為11.01 kA。最大地閃強(qiáng)度出現(xiàn)在2016年8月14日14∶04∶38，位于中天門附近，電流強(qiáng)度達(dá)-116.834 kA。。

6)對(duì)各林區(qū)進(jìn)行雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析得出，南天門、桃花峪、桃花源、天燭峰、巴山林區(qū)所在區(qū)域雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高。

對(duì)景區(qū)林場(chǎng)雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行雷擊密度、位置因子、環(huán)境類型因子等分析，并提出林場(chǎng)雷擊火災(zāi)防護(hù)建議。