張 媛，李勝男，張運生

（1.國家林業(yè)和草原局林產工業(yè)規(guī)劃設計院，北京 100010；2.湖北省武當山航空護林站，湖北 十堰 442000；3.南京森林警察學院，江蘇 南京 210023）

1 國內外雷擊火發(fā)生概況

林火是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，全球尺度上林火是重要的干擾因子，它影響著地球生物化學循環(huán)，在大氣的化學循環(huán)和碳循環(huán)中起著重要作用[1]。作為天然火源重要部分的雷擊火，它與其他因素導致的林火一同構成了全球的林火體系。雷暴及雷電在世界各地非常頻繁，被認為是引發(fā)森林火災最重要的自然因素之一，根據地球表面雷電風暴的分布，由雷擊火引起森林火災最多的國家，主要是美國、加拿大、俄羅斯、中國和澳大利亞等國。加拿大的雷擊火占總數的76%；澳大利亞維多利亞州大約每年584場森林火災中，大約26%的森林火災是由雷擊引起來的，過火面積幾乎占過火面積總數的50%[2]。美國每年平均有1-1.5萬次雷擊火，美國西部山區(qū)大約有68%的森林火災是由雷擊火引起的[3，4]。俄羅斯每年發(fā)生的雷擊火占森林火災總數的16%左右。

我國的雷擊火在少數地區(qū)也相當嚴重，其中以大興安嶺和呼盟林區(qū)尤為突出。大興安嶺地區(qū)幾乎每年都有雷擊火引起的林火，也是全國雷擊火發(fā)生最多、最集中的區(qū)域[5]。雷擊火發(fā)生次數最多的省份為內蒙古自治區(qū)和黑龍江省，主要分布在北緯49°-54°，東經120°-127°之間。統(tǒng)計1999-2007數據，這兩個省份雷擊火次數占全國雷擊火總數的71.40%。受氣候變化影響，雷擊火1999-2007年有明顯增加的趨勢，雷擊火次數占全國火災次數的1.14%。后些年份雷擊火次數增加更明顯，2007年雷擊火次數占當年火災次數的2.55%，次數和比例均增加了1倍多。

2 影響雷擊火發(fā)生的主要因素

雷擊火是由雷暴形成的“連續(xù)電流”接觸地面具備燃燒條件的可燃物發(fā)生的火災。所有的正極放電均有連續(xù)電流，約20%的負極放電有連續(xù)電流[6]。可燃物是否點燃依賴于電流持續(xù)的時間和雷電擊中可燃物的種類。對于較大的可燃物，雷擊引發(fā)火災比較依賴于可燃物的含水量，而對于細小可燃物則更依賴于半腐層厚度。在各種狀況下，雷擊火的蔓延均與可燃物的含水率密切相關[7]。

雷電是一種復雜的大氣放電現象，它是雷暴天氣的最基本特征之一，它的變化一定程度上反映了雷暴天氣的活動規(guī)律。我國大部分地區(qū)年平均雷暴30年來有減少的趨勢，以東南沿海為最，東北地區(qū)20世紀80年代以來雷暴頻數居多，有明顯的相反變化。利用大氣環(huán)流模式對全球雷電活動進行模擬表明在全球范圍內每分鐘有79次雷擊，陸海比為12.2，雷電活動多發(fā)生于北半球的夏季且具有明顯的季節(jié)性特征。

雷擊火的分布首先與雷暴系統(tǒng)的路徑有關。受雷暴活動影響，雷暴有地方性雷暴和鋒面雷暴。地方性雷暴是由于地形作用，只局限于一定的區(qū)域；鋒面雷暴是由于冷氣團的作用，暖氣團抬高形成的雷暴，能在鋒面上幾處同時發(fā)生[8]。其次，雷擊火分布受植被狀況和地形的影響，溝塘、草甸、河谷草地最容易發(fā)生雷擊火[9]；在高海拔地區(qū)發(fā)生雷擊火頻率較高，平原地區(qū)突出地面高的物體易遭雷擊，在山脈相連接地帶遭雷擊的次數明顯增多。我國黑龍江、內蒙古大興安嶺林區(qū)雷擊火分布的平均海拔為663 m，峰值分布在452～753 m之間。最低海拔為226 m，最高海拔為1 280 m。與人為火相比，雷擊火分布的海拔總體較高。因此，雷擊火的預防與撲救難度要大。雷擊火的發(fā)生還受氣象因子影響，降水量和平均溫度對雷擊火發(fā)生起主導作用[10]。當降水量小于1 mm時，對可燃物含水率幾乎沒有影響，大興安嶺林區(qū)雷擊火就多發(fā)生在降水量小于1 mm的干雷暴天氣。降水量越大，越不易著火，當降水量大于5 mm時，一般不易發(fā)生森林火災，就是已經發(fā)生的森林火災，有時也會被澆滅或大大減弱而易于撲救?？扇嘉镆蜃印⒌匦我蜃雍蜌庀笠蜃訕嫵闪死讚艋鸢l(fā)生的火環(huán)境。

3 雷擊火監(jiān)測預警

盡管雷電是自然現象，但其規(guī)律性還是可以掌握的。首先必須弄清不同雷電能量在各種植被、氣象條件下著火與蔓延的規(guī)律，在實驗室里能夠完成這方面的研究。其次是雷電的監(jiān)測，衛(wèi)星云圖可見光波段和紅外波段范圍都能提供雷暴云的信息，可在云圖上勾劃出可能發(fā)生雷擊火的區(qū)域[11]。美國使用雷電探測定位系統(tǒng)，可探測半徑400 km以內90%以上的閃電并自動記錄閃電的時間、角度和次數，進行定位分析，計算出閃電的位置，確定閃電強度最大的地點，即落雷概率最高，可能發(fā)生雷擊火的地點，然后對雷擊進行預報。微波氣象雷達可探測幾百公里范圍內的雷電活動情況。閃電計數器靠接收閃電輻射的電磁波，可記錄50 km內的閃電發(fā)生次數，定性地估算雷暴活動的強度；雷電多站定位可以探測幾千公里的雷電活動。目前單站定位也能夠粗略地確定雷電的位置。確定了雷電的位置和當地的植被狀況以及氣象條件，就可確定閃電是否引發(fā)了森林火災，從而及時采取有效的撲救措施。

美國和加拿大的國家森林火險等級系統(tǒng)中都涉及雷擊火的預測預報模式。但這些預測模型還不成熟，只是在部分地區(qū)進行了應用。美國西北部門間合作中心采用可燃物干燥度、雷擊概率預測和雷擊數量評估模型結合作為一個預測因子輸入邏輯斯諦回歸模型，預測雷擊事件概率，即實際可能發(fā)生大火的火險概率[12]。Magnussen根據雷擊火發(fā)生的地點、時間，以及雷擊數據、森林覆蓋率、地表氣象觀測數據，大氣穩(wěn)定性指數和細小可燃物含水率指標（FFMC），采用二項Logistic模型模擬不列顛哥倫比亞省火災發(fā)生概率[13]；Wotton等采用Logistic模型使用雷擊、火災天氣、可燃物含水率、火行為指數、火災數據模擬安大略省生態(tài)區(qū)雷擊點燃引發(fā)陰燃火的概率和雷擊點燃引發(fā)明火的概率[14]。加拿大基于雷擊點燃模型建立了一個雷擊火發(fā)生預測系統(tǒng)，并在加拿大部分地區(qū)得到應用。我國大興安嶺林區(qū)正在完善的雷電監(jiān)測系統(tǒng)，將可以監(jiān)測雷電發(fā)生的方位、強度、距離和頻次。這些數據將為未來開展雷擊火的預測預報研究提供基礎數據[15]。多數雷擊發(fā)生會伴有顯著降水。但是，簡單的預測雷擊活動水平不能準確地確定潛在的火發(fā)生。雷擊火的發(fā)生與可燃物類型、雷擊類型、地形和植被結構都有密切關系。

雷擊火點燃概率模型的基本過程是通過估計具有長時間連續(xù)電流的閃電的概率來進行計算點燃的概率、火源能進一步發(fā)展的概率以及閃電到達地面的概率。單獨的概率模型與雷電、午時天氣和森林清查數據一起用來預測點燃的數量、林火存活的數量和可探測火的數量，這個模型是空間火管理系統(tǒng)的一部分。雷擊火的發(fā)生與雷電的時間分布和空間分布密切相關，在每個一公里的單元格上的點燃效率以每次放電為基礎進行計算。如果效率比較高，則9次雷擊會引發(fā)1次雷擊火，在極端情況下，5次或更少次雷擊就可引發(fā)森林火災。

1976年，美國土地管理局與亞利桑那大學大氣物理所簽訂合約開發(fā)雷電探測系統(tǒng)。1977年，首次試驗性網絡安裝在阿拉斯加和大盆地。美國土地管理局與雷電定位與保護公司簽訂合同供應第一個可操作的自動雷電探測系統(tǒng)，到1979年，美國土地管理局已經在阿拉斯加和美國西部建立運作的自動雷電探測系統(tǒng)。目前，土地管理局、林務局、國家氣象局和其他幾個州已經與一個商業(yè)運營商簽署了提供實時雷電探測信息的合同。1999年，美國林務局利用雷電位置數據和地方小尺度的空間數據對已有系統(tǒng)進行發(fā)展，對實時的雷電信息能夠在地理信息上進行顯示，這就是自動雷電顯示系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是基于ArcView擴展模塊的一個客戶端應用程序，能夠下載和顯示雷電信息?？梢詮奈鞑繗庀笾行牡玫接嘘P雷電的歷史數據。

4 雷擊火預防與控制

雷擊火常常引發(fā)地下火，對林木的根部危害極其嚴重，經濟損失十分慘重。在雷擊火高發(fā)區(qū)，可以人為消除云地閃電，從根本上消滅雷擊火。目前采用的方法：一是采用噴氣式飛機大角度著陸飛行產生拖帶下沉氣流，可使云層消散或云頂降低，或在云頂撒播黏土、鹽粉等固體物質造成下沉氣流并產生降水；二是破壞雷雨云的起電機制，采用飛機撒播碘化銀，使雷雨云起電機制遭到破壞；三是消除或減弱云中電荷中心，抑制閃電的發(fā)生，如撒播金屬絲等導電性較好的物質，減弱或中和云中的電荷中心，使云中電場減小，從而消除閃電,也可采用高速運動物體誘發(fā)云內閃電，破壞雷雨云的起電機制[16]。如從地面向云中發(fā)射帶有長導線尾巴的小火箭誘發(fā)云內閃電，可以消除云地閃電，從而避免森林雷擊火災。消除閃電可徹底消滅雷擊火，但其成本很高，如采用飛機干擾雷雨云、小型火箭引發(fā)云內閃電等。

美國農業(yè)部森林管理局在落基山脈北部進行了一系列試驗。第一個人工影響閃電的系統(tǒng)性計劃實施是1960年和1961年夏季在蒙大拿州西部進行的。最初的預備性實驗是為了檢驗播撒作業(yè)對閃電頻率的影響，并評估一下山區(qū)的閃電觀測方法和云播撒作業(yè)技術。試驗結果表明，作業(yè)日的云地放電數比非作業(yè)日減少38%，放電的電荷和電流變化可以通過整個放電過程中靜電場的連續(xù)觀測結果來計算。目前世界各國對雷火的控制，多是采用著火后進行及時有效撲救。因此，雷擊火的預測、預報是防雷減災的主要措施。

5 雷擊火的生態(tài)意義和管理措施

森林火災是北方林生態(tài)系統(tǒng)中重要的干擾因子，是北方林更新和恢復的基本驅動力。許多物種適應火影響生境，火對北方林的空間格局分布有多方面的影響[17]。長期以來，人們無限制地積極撲滅一切林火，無論是人為火，還是自然火。長時期的林火撲救工作導致林中可燃物非自然性的積累。在這種情況下，一旦發(fā)生火災，極易發(fā)展為大面積的、不易撲救、破壞巨大的森林火災。雷擊火是一個平衡的生態(tài)系統(tǒng)中自然和健康的一部分，以正常周期發(fā)生的森林火災可以有效地降低可燃物的載量，降低林火的破壞性；同時，地表火可以有效地燒毀枯草、灌木和一些病朽木，有助于成熟林的健康生長。

對自然火重要性的認識決定了計劃火燒措施的實施。這意味著他們將繼續(xù)撲滅人為火，而將自然火源引起的森林火災限制在不威脅人們生命財產的限度內。事實上，人們有時有意地點燃一些林火以恢復森林中正常的火周期。美國的愛達荷州，有許多火燒跡地的斑塊裸露在森林中，與其他不同生長階段的森林一起成為森林生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。當雷擊火發(fā)生時，管理者首先根據當前或預期的天氣和溫度狀況以及可以提供的撲救力量對林火進地估計。

在有些地區(qū)，比如美國的黃石公園，林火通常是促進N循環(huán)最有效的工具。在夏季的午后，發(fā)生雷擊而沒有伴隨充足降水，如果可燃物足夠干燥并且載量較大時，這些可燃物很容易被引燃，發(fā)生雷擊火。盡管每年公園內發(fā)生雷擊幾千次，但它們一般很難引燃可燃物，一年中大約有58次森林火災是雷擊引起的，并且它們中的大部分由于可燃物過于分散或過于潮濕會自動熄滅。不同于細菌和真菌的緩慢分解，森林火災對N的釋放是快速的、爆發(fā)式的。

在黃石的草原區(qū)，雷擊火是維系草原本身諸多因素中的一部分。當缺少火災時，山艾樹能生長形成郁閉的樹冠，這時樹木開始從周圍的森林侵入草原，最終形成樹叢連成一片[18]。

雷擊火作為自然火在與森林協(xié)同發(fā)展過程中，成為森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分。同時，隨著這種發(fā)展，森林的結構、格局和組成也會協(xié)同雷擊的分布相應的發(fā)展。因此，研究雷擊火的分布、周期等對研究森林生態(tài)系統(tǒng)的進化是有意義的。

6 氣候變化情景下雷擊火發(fā)生特點和趨勢

大的森林火災往往發(fā)生在氣候溫暖時期。變暖會引起雷擊火的發(fā)生次數增加，防火期延長。極端火險天氣增加，會導致大面積森林火災更加頻繁。雷擊火是太平洋西北部森林火災的主要火源，特別是干雷暴。研究表明加拿大和阿拉斯加絕大部分大火災是由雷擊火引起的，雷擊只在一定的區(qū)域內發(fā)生，并且當前的氣候變化已使阿拉斯加地區(qū)的雷擊火源增加。厄爾尼諾事件期間干雷暴和伴隨的閃電活動增強，由雷擊火引發(fā)的過火面積的比例大量增加[19]。

季節(jié)性降水量和濕度的減少對雷擊火的多發(fā)起到決定性的作用。尤其降水減少的月份與雷擊月份相一致。增多的雷擊火源和季節(jié)性水分的不均衡性可能在濕潤的氣候狀況下也會引發(fā)頻繁的火災。

在阿拉斯加內陸，溫暖、干旱的條件增加了夏季野火發(fā)生的概率。1940年以來的火面積統(tǒng)計數據表明，17次大火災中有15次發(fā)生在中等到強度厄爾尼諾事件后或間期內。這15年的火面積占到近58年來總火面積的63%。數據表明，厄爾尼諾事件期間干雷暴和伴隨的閃電活動增強。在5次厄爾尼諾期間，由雷擊火引發(fā)的火面積占總火面積的比例由不足40%增加到96%。

厄爾尼諾事件期間干雷暴和伴隨的閃電活動增強，由雷擊火引發(fā)的過火面積的比例大量增加，森林火災的空間分布受火因、地形、人類活動、氣候變化、可燃物分布等綜合因素的影響[20]。某一區(qū)域多年的林火分布特征，是多年多種因素綜合作用的結果，具有一定的穩(wěn)定性，加拿大和阿拉斯加絕大部分大火災是由雷擊火引起的，雷擊只在一定的區(qū)域內發(fā)生，并且當前的氣候變化已使阿拉斯加地區(qū)的雷擊火源增加。季節(jié)性降水量和濕度的減少對雷擊火的多發(fā)起到決定性的作用。尤其降水減少的月份與雷擊月份相一致。雷擊火源和季節(jié)性水分的不均衡性可能在濕潤的氣候狀況下也會引發(fā)頻繁的火災。

美國空間研究所利用大氣環(huán)流模式研究了過去和未來氣候變化對全球雷擊頻率的影響，設計了兩種氣候情景：一個是2倍CO2濃度預期氣候情景下的氣候（代表全球升溫4.2℃），另一個是太陽常數下降2%（代表全球氣溫下降5.9℃）時的氣候。研究結果顯示，2倍CO2濃度預期氣候情景下全球雷擊活動增加30%，而在涼爽氣候條件下，雷擊活動下降24%，并認為氣溫每升高或降低1℃，全球的雷擊活動頻率將會有5%～6%的變化?？臻g研究所還對云內雷擊和云-地雷擊的頻率進行了模擬，發(fā)現云-地雷擊的頻率對氣候變化的敏感性要高于云內雷擊的頻率，而云-地雷擊才是導致雷擊火的根源?？臻g研究所的研究還表明，發(fā)生極端干旱條件的概率將從當前的1%增加到2060年的50%。

7 結論

雷電發(fā)生具有時空隨機性、危險性、瞬時性，特別是不同地區(qū)之間閃電特征的差異性，這些都增加了對閃電、放電引燃物理過程和活動規(guī)律認識的難度。雷擊火的發(fā)生與雷電發(fā)生、可燃物狀況、氣候條件、地形等因素密切相關，這些因素的共同作用，使得雷擊火的分布具有一定的時空特征。全球氣候變化對雷暴分布的影響、可燃物狀況的綜合影響對雷擊火的影響以及氣候變暖背景下我們所面臨的與之相適應的林火管理策略是我們亟須研究的主要內容。

目前對我國雷擊火活動規(guī)律的認識仍然不夠全面，雷擊火預報結果還不能滿足林火管理需要，雷擊火研究的突破性進展需依賴于對雷電起電、放電過程以及與森林火環(huán)境之間相關性的充分認識。因此，利用衛(wèi)星、雷達和大氣電場測量系統(tǒng)，人工引雷和野外點燃實驗等手段，對我國雷擊火引燃特征及其活動規(guī)律開展系統(tǒng)研究，加深對雷擊火發(fā)生發(fā)展特征的認識和理解，建立雷擊火多元發(fā)生預報模型，提高預報我國雷擊火發(fā)生概率的準確度和精度，以期對雷擊火進行有效的預防和控制。