引言
森林火灾的起火原因可分为人为火源和自然火源,其中,自然火源主要为雷击火、火山爆发、泥炭发酵自燃、地表植被物堆积发酵自燃等。起火原因判定历来是森林火灾事故调查的重点和难点,特别是有天气过程存在时,如何准确判定是自然火源还是人为火源,一直是研究关注的课题[1]。
综上所述,气象资料在雷击森林火灾认定和雷击森林火险预警模型建立方面均有着非常重要的作用。本文主要根据山西省沁源县“6·5”森林火灾事故,利用多源气象资料详细分析此次事故原因,并分析此次雷击森林火灾中的气象要素演变特征,以期为雷击火预测模型的建立、森林雷击火灾的风险评估区划等工作提供参考依据。
1 数据
考虑到大部分森林火灾发生在原始森林里,交通不便,人员稀少,自动气象站不能实现有效覆盖[13]。因此气象要素数据使用的是欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）第五代全球大气再分析产品——ERA5的小时数据,其空间分辨率为0.1°×0.1°;闪电数据来源于山西省气象局活动目录拓扑图（active divectory topology diagrammer, ADTD）闪电监测定位系统,能够实时提供闪电发生时间、地理位置、电流强度等[14];卫星资料来源于风云四号卫星的热源点（fire hot spot,FHS）检测数据产品;雷达资料来源于长治雷达站。
文中附图涉及地图是基于国家测绘地理信息局审核批准的审图号为 GS（2017） 3320号的标准地图制作,底图无修改。
2 事故背景及现场勘查情况
2020年6月5日下午,山西长治市沁源县交口乡发生森林火灾事故,市政府成立沁源县 “6·5”森林火灾灾后调查评估组。16：48（北京时,下同）村民发现南洪林村山背后冒烟,判断可能着火,随后报警。根据事故区域附近村民介绍,6月5日中午,事发地乌云密布,且一直有雷声,当日气温较高、有风、有降水但雨量不大。调查组通过现场勘查,事故区域土地利用类型主要是林地,起火树种主要是油松,燃烧后的草木灰深可没足,附近未燃烧区域的油松腐植层较厚,属于易燃区域。周围无开垦种植情况,林内无工程施工痕迹,无“电猫”、铁圈、弹壳等狩猎痕迹,无高压线路及用电设施,地貌陡峭且非景区,人员到达非常困难。火场内有树皮明显剥落（图1）,符合雷击树木的表现。调查组可以确定的一处起火点,位于交口乡信仪村段家沟西岭（112.425758°E,36.580563°N）,图2为起火点周边地形。
图1
图2
3 结果分析
3.1 天气背景
2020年6月5日14：00,500 hPa亚欧中高纬为两槽一脊的环流形势,山西南部受高空槽后西北气流影响（图3）,着火点及其附近出现相对湿度60%~80%的高值区;对应700 hPa山西东南部主要受西南气流影响,整体表现为辐散下沉运动[图4（a）],而850 hPa山西东南部存在东南风和西南风的风向辐合以及风速辐合[图4（b）],表明存在一定的动力抬升条件,但上升运动伸展高度整体较低;从温度场（图略）来看,中低层均处于河套附近的暖区控制中,湿度条件都比较差;对应地面,内蒙古中西部有低压发展,山西南部处于其前部,有利于午后升温,热力条件较好。综合来看,山西南部存在对流性天气的可能性,且以热力对流为主。另外,山西南部存在K指数大于25 ℃的区域,这也进一步说明局地有对流性天气的可能性。
图3
图3
2020年6月5日14：00 500 hPa位势高度场（等值线,单位：dagpm）、风场（风矢,单位：m·s-1）和海平面气压场（彩色填色区,单位：hPa）
（★为起火点,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）
图4
图4
2020年6月5日14：00 700 hPa（a）和850 hPa（b）风场（风矢,单位：m·s-1）、散度场（彩色填色区,单位：10-4s-1）、K指数（等值线,单位：℃）的叠加
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
3.2 雷达监测情况
图5为2020年6月5日午后长治站雷达组合反射率因子的演变情况。可以看出,13：53沁源北部出现对流单体,回波强度开始超过35 dBZ,之后逐渐向东南方向移动,14：38回波强度缓慢增强至 50 dBZ左右,之后在该回波强度逐渐减弱的同时,沁源中部偏东的地区开始有超过35 dBZ的回波发展,且强度逐渐增强,范围逐渐扩大,15：46最强回波达50 dBZ,起火点正好位于较强回波的边缘, 16：05该回波东移出沁源。进一步通过雷达组合反射率因子垂直剖面（图6）看出,超过45 dBZ的回波伸展高度较低,主要位于2 km高度以下,没有强对流特征,对流强度整体较弱,属于弱局地对流性单体,存在强降水可能性较小。
图5
图5
2020年 6月5日13：53（a）、14：38（b）、15：46（c）和16：05（d）长治站雷达组合反射率因子（单位：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）
图6
图6
沿
Fig.6
Vertical profile of radar composite reflectivity factor along the black solid line in
3.3 闪电监测情况
图7
图7
2020年6月5日不同时段起火点周围10 km闪电空间分布
（向北向东为正,向南向西为负）
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）
图8为2020年6月5日15：30、15：36、15：42雷达组合反射率因子与对应体扫内的闪电空间分布。可以看出,起火点处于对流云边缘,闪电发生时刻对流云团正处于发展旺盛阶段,但雷击点并未处于对流云团强回波区域,这和以往的认知有所差别,可能是此次闪电本身就起始于弱回波区域,或者起始于强回波区域,通过在云层中水平发展,最后雷击点落到弱回波区域,类似于“晴空霹雳”的现象,这种情况在雷击森林火灾调查时也需要注意。
图8
图8
2020年6月5日15：30（a）、15：36（b）和15：42（c）雷达组合反射率因子（单位：dBZ）与对应体扫内的闪电分布
（加号为正极性云地闪）
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）
3.4 气象因子
图9
图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气温空间分布（单位：℃）
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： ℃）
图10
图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）降水量空间分布（单位：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）
图11
图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风速空间分布（单位：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,风云四号卫星监测到此次火灾的时间是6月5日20：30左右,而16：48就有村民发现南洪林村山背后冒烟,说明卫星资料对火情的初期监测有延迟性,同时,也说明开展人工瞭望塔监测的必要性。雷暴发生后,在雷暴移动路径区域开展监测瞭望,争取早发现、早出动、早扑救。
4 讨论与结论
通过对天气形势、雷达监测、闪电监测等多源气象资料的分析发现,此次森林火灾由弱的局地对流性单体发展产生的一次正地闪导致,闪电发生时间为6月5日15：39,电流强度为42.2 kA。前期起火点所在区域连续2 d未发生降水,当日火灾发生之前地面增温明显,温度为30~33 ℃,天气较为干燥,雷击火源后,地面腐殖质容易燃烧。雷击点处于对流云边缘,所在区域降水量较小,微风,利于雷击火初始阶段发展。雷击起火树种主要是油松,起火区域油松腐植层较厚,属于易燃区域,利于雷击火火势蔓延。
参考文献
关于黑龙江省雷击火灾情况的调研报告
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Climate, lightning ignitions, and fire severity in Yosemite National Park, California, USA
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Biotic and abiotic regulation of lightning fire initiation in the mixedwood boreal forest
[J].
基于负二项和零膨胀负二项回归模型的大兴安岭地区雷击火与气象因素的关系
[J].
雷击火的发生与气象因子之间存在着密切的关系。该文选用符合大兴安岭地区林火发生数据结构的负二项(negative binomial, NB)和零膨胀负二项(zero-inflated negative binomial, ZINB)两种模型对大兴安岭林区1980–2005年间雷击火的发生与气象因素间的关系进行建模分析, 并与以往研究中所使用的最小二乘(OLS)回归方法相对比。使用SAS和R-Project统计软件进行模型拟合运算, 计算得出模型各参数。结果表明, NB和ZINB模型对数据拟合较好, 模型内各气象因子显著性水平较高, 对雷击火发生次数均具有较好的预测能力。运用AIC和Vuong等检验方法, 进一步比较了NB和ZINB模型对数据的拟合水平以及模型预测水平, 结果表明ZINB模型无论在数据拟合还是模型预测上都要优于NB模型。提出了大兴安岭地区林火发生与气象因子关系的最优模型。
Atmospheric states associated with the ignition of lightning-attributed fires
[R].
