錢 勇,邱貴強(qiáng),張華明,李 強(qiáng),崔 蕾,李云飛
(1. 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊 830002;2. 山西省氣象臺(tái),山西 太原 030006;3. 山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,山西 太原 030032;4. 山西省防災(zāi)減災(zāi)保障中心,山西 太原 030001;5. 山西省大氣探測技術(shù)保障中心,山西 太原 030002)
森林火災(zāi)的起火原因可分為人為火源和自然火源,其中,自然火源主要為雷擊火、火山爆發(fā)、泥炭發(fā)酵自燃、地表植被物堆積發(fā)酵自燃等。起火原因判定歷來是森林火災(zāi)事故調(diào)查的重點(diǎn)和難點(diǎn),特別是有天氣過程存在時(shí),如何準(zhǔn)確判定是自然火源還是人為火源,一直是研究關(guān)注的課題[1]。
在氣候變化大背景下,加強(qiáng)火源管控使人為森林火災(zāi)明顯減少,而雷擊森林火災(zāi)的比率相應(yīng)上升。近年來,發(fā)生的重特大森林火災(zāi)中,由雷擊引發(fā)的火災(zāi)占比由原先的不足5%上升到60%以上[2]。同時(shí),溫室效應(yīng)導(dǎo)致雷電活動(dòng)逐步增多、許多少雷區(qū)變?yōu)槎嗬讌^(qū),未來雷擊森林火災(zāi)形勢越來越嚴(yán)峻[3-4]。雷擊雖然是引發(fā)森林火災(zāi)的一大原因,但是開展森林火災(zāi)事故調(diào)查時(shí)應(yīng)科學(xué)合理,不要讓雷擊災(zāi)害成為逃避責(zé)任的避風(fēng)港。如四川省涼山州西昌市“3·30”森林火災(zāi)事故,起先認(rèn)定是雷擊火導(dǎo)致的,隨后根據(jù)詳細(xì)調(diào)查分析,認(rèn)定火災(zāi)性質(zhì)是一起受特定風(fēng)力風(fēng)向作用導(dǎo)致電力故障引發(fā)的森林火災(zāi)。
雷擊引起森林火災(zāi)的原因主要是雷暴,特別是干雷暴。干雷暴一般降水少、地面增溫、相對(duì)濕度較低,若可燃物干燥、風(fēng)力較大,一旦發(fā)生雷擊,很容易著火并蔓延成災(zāi),所以氣象資料在雷擊森林火災(zāi)調(diào)查中具有重要作用[5]。如杜野[6]根據(jù)內(nèi)蒙古北部原始林區(qū)森林公安局查辦的雷擊火案例,分析了森林火災(zāi)中雷擊火的相關(guān)判定依據(jù),認(rèn)為在雷擊森林火災(zāi)調(diào)查中需要結(jié)合氣象資料、現(xiàn)場環(huán)境以及對(duì)雷擊特點(diǎn)與規(guī)律的綜合分析。楊淑香等[7]從雷擊火發(fā)生環(huán)境,雷擊火與云地閃、干旱的關(guān)系方面,總結(jié)出雷擊火主要發(fā)生在火險(xiǎn)比較高、閃電活動(dòng)頻繁且無有效降雨的區(qū)域。
根據(jù)認(rèn)定的雷擊森林火災(zāi)案例,分析其氣象要素演變特征,對(duì)雷擊火預(yù)測模型建立、森林雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估區(qū)劃等工作有重要意義[8-10]。如雷小麗等[11]分析了大興安嶺地區(qū)森林雷擊火與閃電的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)雷擊火與閃電次數(shù)呈正相關(guān),并據(jù)此發(fā)展了基于閃電定位數(shù)據(jù)的火險(xiǎn)指數(shù)算法。王曉紅等[12]利用大興安嶺林區(qū)的雷擊火災(zāi)、閃電定位數(shù)據(jù)和其他氣象數(shù)據(jù),建立了該地區(qū)雷擊火預(yù)報(bào)的二項(xiàng)Logistic回歸模型,通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測效果較理想。
綜上所述,氣象資料在雷擊森林火災(zāi)認(rèn)定和雷擊森林火險(xiǎn)預(yù)警模型建立方面均有著非常重要的作用。本文主要根據(jù)山西省沁源縣“6·5”森林火災(zāi)事故,利用多源氣象資料詳細(xì)分析此次事故原因,并分析此次雷擊森林火災(zāi)中的氣象要素演變特征,以期為雷擊火預(yù)測模型的建立、森林雷擊火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估區(qū)劃等工作提供參考依據(jù)。
考慮到大部分森林火災(zāi)發(fā)生在原始森林里,交通不便,人員稀少,自動(dòng)氣象站不能實(shí)現(xiàn)有效覆蓋[13]。因此氣象要素?cái)?shù)據(jù)使用的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代全球大氣再分析產(chǎn)品——ERA5 的小時(shí)數(shù)據(jù),其空間分辨率為0.1°×0.1°;閃電數(shù)據(jù)來源于山西省氣象局活動(dòng)目錄拓?fù)鋱D(active divectory topology diagrammer,ADTD)閃電監(jiān)測定位系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)提供閃電發(fā)生時(shí)間、地理位置、電流強(qiáng)度等[14];衛(wèi)星資料來源于風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星的熱源點(diǎn)(fire hot spot,F(xiàn)HS)檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)品;雷達(dá)資料來源于長治雷達(dá)站。
文中附圖涉及地圖是基于國家測繪地理信息局審核批準(zhǔn)的審圖號(hào)為GS(2017)3320號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作,底圖無修改。
2020年6月5日下午,山西長治市沁源縣交口鄉(xiāng)發(fā)生森林火災(zāi)事故,市政府成立沁源縣“6·5”森林火災(zāi)災(zāi)后調(diào)查評(píng)估組。16:48(北京時(shí),下同)村民發(fā)現(xiàn)南洪林村山背后冒煙,判斷可能著火,隨后報(bào)警。根據(jù)事故區(qū)域附近村民介紹,6 月5 日中午,事發(fā)地烏云密布,且一直有雷聲,當(dāng)日氣溫較高、有風(fēng)、有降水但雨量不大。調(diào)查組通過現(xiàn)場勘查,事故區(qū)域土地利用類型主要是林地,起火樹種主要是油松,燃燒后的草木灰深可沒足,附近未燃燒區(qū)域的油松腐植層較厚,屬于易燃區(qū)域。周圍無開墾種植情況,林內(nèi)無工程施工痕跡,無“電貓”、鐵圈、彈殼等狩獵痕跡,無高壓線路及用電設(shè)施,地貌陡峭且非景區(qū),人員到達(dá)非常困難?;饒鰞?nèi)有樹皮明顯剝落(圖1),符合雷擊樹木的表現(xiàn)。調(diào)查組可以確定的一處起火點(diǎn),位于交口鄉(xiāng)信儀村段家溝西嶺(112.425758°E,36.580563°N),圖2為起火點(diǎn)周邊地形。
圖1 火場內(nèi)樹皮剝落Fig.1 The bark peeled off inside the fire
圖2 起火點(diǎn)周邊地形Fig.2 Terrain around the fire site
2020 年6 月5 日14:00,500 hPa 亞歐中高緯為兩槽一脊的環(huán)流形勢,山西南部受高空槽后西北氣流影響(圖3),著火點(diǎn)及其附近出現(xiàn)相對(duì)濕度60%~80%的高值區(qū);對(duì)應(yīng)700 hPa 山西東南部主要受西南氣流影響,整體表現(xiàn)為輻散下沉運(yùn)動(dòng)[圖4(a)],而850 hPa 山西東南部存在東南風(fēng)和西南風(fēng)的風(fēng)向輻合以及風(fēng)速輻合[圖4(b)],表明存在一定的動(dòng)力抬升條件,但上升運(yùn)動(dòng)伸展高度整體較低;從溫度場(圖略)來看,中低層均處于河套附近的暖區(qū)控制中,濕度條件都比較差;對(duì)應(yīng)地面,內(nèi)蒙古中西部有低壓發(fā)展,山西南部處于其前部,有利于午后升溫,熱力條件較好。綜合來看,山西南部存在對(duì)流性天氣的可能性,且以熱力對(duì)流為主。另外,山西南部存在K指數(shù)大于25 ℃的區(qū)域,這也進(jìn)一步說明局地有對(duì)流性天氣的可能性。
圖3 2020年6月5日14:00 500 hPa位勢高度場(等值線,單位:dagpm)、風(fēng)場(風(fēng)矢,單位:m·s-1)和海平面氣壓場(彩色填色區(qū),單位:hPa)(★為起火點(diǎn),下同)Fig.3 500 hPa geopotential height field(isolines,Unit:dagpm),wind field(wind vector,Unit:m·s-1)and sea level pressure field(color shaded areas,Unit:hPa)at 14:00 BST on June 5,2020(The black star represents the fire site. the same as below)
圖4 2020年6月5日14:00 700 hPa(a)和850 hPa(b)風(fēng)場(風(fēng)矢,單位:m·s-1)、散度場(彩色填色區(qū),單位:10-4s-1)、K指數(shù)(等值線,單位:℃)的疊加Fig.4 The superposition of 700 hPa(a)and 850 hPa(b)wind field(wind vector,Unit:m·s-1),divergence field(color shaded areas,Unit:10-4 s-1),K index(isolines,Unit:℃)at 14:00 BST on June 5,2020
圖5為2020 年6 月5 日午后長治站雷達(dá)組合反射率因子的演變情況??梢钥闯觯?3:53 沁源北部出現(xiàn)對(duì)流單體,回波強(qiáng)度開始超過35 dBZ,之后逐漸向東南方向移動(dòng),14:38 回波強(qiáng)度緩慢增強(qiáng)至50 dBZ 左右,之后在該回波強(qiáng)度逐漸減弱的同時(shí),沁源中部偏東的地區(qū)開始有超過35 dBZ 的回波發(fā)展,且強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),范圍逐漸擴(kuò)大,15:46 最強(qiáng)回波達(dá)50 dBZ,起火點(diǎn)正好位于較強(qiáng)回波的邊緣,16:05 該回波東移出沁源。進(jìn)一步通過雷達(dá)組合反射率因子垂直剖面(圖6)看出,超過45 dBZ 的回波伸展高度較低,主要位于2 km 高度以下,沒有強(qiáng)對(duì)流特征,對(duì)流強(qiáng)度整體較弱,屬于弱局地對(duì)流性單體,存在強(qiáng)降水可能性較小。
圖5 2020年6月5日13:53(a)、14:38(b)、15:46(c)和16:05(d)長治站雷達(dá)組合反射率因子(單位:dBZ)Fig.5 The composite reflectivity factor from Changzhi radar station at 13:53 BST(a),14:38 BST(b),15:46 BST(c)and 16:05 BST(d)on June 5,2020(Unit:dBZ)
圖6 沿圖5(c)中黑實(shí)線的雷達(dá)組合反射率因子垂直剖面(單位:dBZ)Fig.6 Vertical profile of radar composite reflectivity factor along the black solid line in Fig. 5(c)(Unit:dBZ)
圖7為2020 年6 月5 日不同時(shí)段起火點(diǎn)周圍10 km 內(nèi)的閃電空間分布??梢园l(fā)現(xiàn),15:00—16:00 有兩次閃電發(fā)生,其中一次閃電距離起火點(diǎn)只有430 m,并且此次閃電為正極性地閃,發(fā)生時(shí)間為6 月5 日15:39,電流強(qiáng)度42.2 kA,電流陡度7.9 kA·us-1。長時(shí)間連續(xù)放電是能夠引燃可燃物的云地閃電具有的重要特征,負(fù)地閃伴隨長時(shí)間連續(xù)放電的概率約為20%,而正地閃約為85%[15]。綜上,此次閃電事件在時(shí)間、空間閃電極性上均能較好地解釋此次火災(zāi)事故。
圖7 2020年6月5日不同時(shí)段起火點(diǎn)周圍10 km閃電空間分布(向北向東為正,向南向西為負(fù))Fig.7 The spatial distribution of lightning within a ten-kilometre radius of the fire site in different period on June 5,2020(the northward and eastward are positive,the southward and westward are negative)
圖8為2020 年6 月5 日15:30、15:36、15:42 雷達(dá)組合反射率因子與對(duì)應(yīng)體掃內(nèi)的閃電空間分布??梢钥闯觯鸹瘘c(diǎn)處于對(duì)流云邊緣,閃電發(fā)生時(shí)刻對(duì)流云團(tuán)正處于發(fā)展旺盛階段,但雷擊點(diǎn)并未處于對(duì)流云團(tuán)強(qiáng)回波區(qū)域,這和以往的認(rèn)知有所差別,可能是此次閃電本身就起始于弱回波區(qū)域,或者起始于強(qiáng)回波區(qū)域,通過在云層中水平發(fā)展,最后雷擊點(diǎn)落到弱回波區(qū)域,類似于“晴空霹靂”的現(xiàn)象,這種情況在雷擊森林火災(zāi)調(diào)查時(shí)也需要注意。
圖8 2020年6月5日15:30(a)、15:36(b)和15:42(c)雷達(dá)組合反射率因子(單位:dBZ)與對(duì)應(yīng)體掃內(nèi)的閃電分布(加號(hào)為正極性云地閃)Fig.8 The spatial distribution of radar composite reflectivity(Unit:dBZ)at 15:30 BST(a),15:36 BST(b),15:42 BST(c)on June 5,2020 and lightning in the corresponding volume scan(The plus sign represents positive cloud-to-ground)
雷擊火災(zāi)前提是地表有干燥的可燃物[16],因此提取了事故前3 d 的降水和氣溫資料,6 月2 日起火點(diǎn)累計(jì)降水量18.0 mm,平均氣溫19.0 ℃,3日、4日沒有降水,平均氣溫分別為21℃、23℃。圖9為2020年6 月5 日12:00—17:00 2 m 氣溫空間分布??梢钥闯觯馂?zāi)發(fā)生之前起火點(diǎn)增溫明顯,氣溫為30~33 ℃。由于天氣較為干燥,提高了地表的干燥度,雷擊火源后,地面腐殖質(zhì)容易燃燒。
圖9 2020年6月5日12:00(a)、13:00(b)、14:00(c)、15:00(d)、16:00(e)和17:00(f)2 m氣溫空間分布(單位:℃)Fig.9 The spatial distribution of 2 m temperature at 12:00 BST(a),13:00 BST(b),14:00 BST(c),15:00 BST(d),16:00 BST(e),and 17:00 BST(f)on June 5,2020(Unit:℃)
雷擊火發(fā)生時(shí)的降雨是雷擊火發(fā)展最重要的限制因素,一般把過程降雨量為2.0~2.5 mm 的雷暴過程定義為干雷暴[17-18]。干雷暴是一種形成于大氣對(duì)流層的特殊天氣過程,其可以在沒有明顯降雨的情況下產(chǎn)生云地閃電,是引發(fā)森林雷擊火的重要原因。圖10 為2020 年6 月5 日12:00—17:00 小時(shí)降水量空間分布,閃電發(fā)生時(shí)段(15:00—16:00)起火點(diǎn)所在區(qū)域降水量小于0.1 mm,隨后一個(gè)時(shí)段內(nèi)的降水量也小于0.1 mm,長時(shí)間較小的降水量非常利于雷擊火的發(fā)展。
圖10 2020年6月5日12:00(a)、13:00(b)、14:00(c)、15:00(d)、16:00(e)和17:00(f)降水量空間分布(單位:mm)Fig10 The spatial distribution of precipitation at 12:00 BST(a),13:00 BST(b),14:00 BST(c),15:00 BST(d),16:00 BST(e)and 17:00 BST(f)on June 5,2020(Unit:mm)
圖11為6 月5 日12:00—17:00 10 m 風(fēng)速空間分布。可以看出,事故發(fā)生前后起火點(diǎn)所在區(qū)域都有微風(fēng),根據(jù)黑龍江省對(duì)大興安嶺雷擊火災(zāi)的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)雷擊森林火災(zāi)具有延遲性,被擊燃燒物會(huì)經(jīng)過一段時(shí)間的隱藏式緩慢燃燒,形成火勢后引燃周圍可燃物,這個(gè)隱藏式緩慢燃燒時(shí)間為1~48 h,個(gè)別的甚至超過一周[2]。此次起火點(diǎn)區(qū)域的微風(fēng)可能更有利于隱藏式緩慢燃燒這段過程。
圖11 2020年6月5日12:00(a)、13:00(b)、14:00(c)、15:00(d)、16:00(e)和17:00(f)10 m風(fēng)速空間分布(單位:m·s-1)Fig11 The spatial distribution of 10 m wind speed at 12:00 BST(a),13:00 BST(b),14:00 BST(c),15:00 BST(d),16:00 BST(e),17:00 BST(f)on June 5,2020(Unit:m·s-1)
此外,風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星監(jiān)測到此次火災(zāi)的時(shí)間是6 月5 日20:30 左右,而16:48 就有村民發(fā)現(xiàn)南洪林村山背后冒煙,說明衛(wèi)星資料對(duì)火情的初期監(jiān)測有延遲性,同時(shí),也說明開展人工瞭望塔監(jiān)測的必要性。雷暴發(fā)生后,在雷暴移動(dòng)路徑區(qū)域開展監(jiān)測瞭望,爭取早發(fā)現(xiàn)、早出動(dòng)、早撲救。
通過對(duì)天氣形勢、雷達(dá)監(jiān)測、閃電監(jiān)測等多源氣象資料的分析發(fā)現(xiàn),此次森林火災(zāi)由弱的局地對(duì)流性單體發(fā)展產(chǎn)生的一次正地閃導(dǎo)致,閃電發(fā)生時(shí)間為6 月5 日15:39,電流強(qiáng)度為42.2 kA。前期起火點(diǎn)所在區(qū)域連續(xù)2 d 未發(fā)生降水,當(dāng)日火災(zāi)發(fā)生之前地面增溫明顯,溫度為30~33 ℃,天氣較為干燥,雷擊火源后,地面腐殖質(zhì)容易燃燒。雷擊點(diǎn)處于對(duì)流云邊緣,所在區(qū)域降水量較小,微風(fēng),利于雷擊火初始階段發(fā)展。雷擊起火樹種主要是油松,起火區(qū)域油松腐植層較厚,屬于易燃區(qū)域,利于雷擊火火勢蔓延。