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森林雷击火集中爆发发现难度大 国内首个雷击火感知系统在大兴安岭业务化运行

来源:中国森林草原防火 时间:2023-08-14 11:49:00

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近年来,雷击已成为我国大兴安岭林区森林火灾最主要的肇因,对森林生态安全造成极大威胁。在极端天气高发频发的影响下,雷电活动逐步增强、许多少雷区变为多雷区,未来的雷击森林火灾形势越来越严峻,雷击森林火灾防控问题已成为森林防火工作的重点和难点。


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雷击火的应对是世界性的难题


雷击火是严重的自然灾害,雷击火的监测、预警和防范是世界性的难题。雷击火的发生与雷电、气候、可燃物、地形等因素密切相关,多位于偏远林区,监测发现难、精准定位难、扑救处置难、影响破坏大。中国、美国、加拿大、俄罗斯和澳大利亚等国是雷击火发生较多的国家。受气候变化影响,近年来雷击火日趋严重,甚至北极夏季雷电活动引发大量雷击火,引起世界性的关注。


全球气候变暖对雷暴分布、可燃物状况等产生综合影响,进而影响了对雷击火的发生和分布。地球不同区域具有不同的雷电特征、地形特征、可燃物特征、天气条件、海陆影响等,气候变化引起雷电发生频率和分布的改变,引起了森林可燃物类型与可燃物载量的变化,雷击火发生概率变大,发生区域扩大,防火期延长,发生重特大森林火灾的危险性加大。


雷击火发生日趋严重


大兴安岭、新疆阿尔泰和西南林区是我国雷击火最严重的区域,雷电活动活跃、雷击火频发,受气候变化影响,雷击火发生日趋严重。不同区域具有不同的雷电特征、地形特征、可燃物特征、天气条件、海陆影响等,其发生特点和规律也明显不同。


2002年7月28日,内蒙古大兴安岭北部林区发生我国最严重的夏季雷击火,过火面积1.6万公顷,受害森林面积1.43万公顷,直接损失1.5亿元,过火后的偃松林至今尚未恢复。


1980—2022年间,黑龙江、内蒙古大兴安岭林区共发生雷击火1568次。


除了这三个区域,北京、天津、山东等地也有雷击火的发生,受气候变化和极端天气影响,雷击火的分布区有扩大的趋势。


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大兴安岭雷击火呈多点集中爆发态势


今年夏季以来,受气候变化、厄尔尼诺现象等影响,我国极端高温天气创历史新高,干旱、台风、洪水、雷电等气象灾害频发。整体看,我国大部分地区受降雨影响,森林草原火险等级偏低。但大兴安岭和新疆阿尔泰地区强对流天气高发,雷电活动频繁,加之持续干旱,导致雷击火发生风险持续升高。


入夏以后,大兴安岭林区持续干旱少雨,日平均气温突破20℃,部分地区出现35℃以上高温;大部地区降水偏少,加之强对流天气高发,雷电活动频繁,2023年7月6日0时至8月6日22时,黑龙江大兴安岭发生地闪122845次,内蒙古大兴安岭发生地闪91585次;2022年同期,黑龙江大兴安岭发生地闪95845次,内蒙古大兴安岭发生地闪85124次。2023年雷电明显偏多,特别是北部高纬度林区,高山植被偃松林含水率低、含油率高,发生雷击后极易燃烧。


研究表明,大兴安岭雷击火年均70余次,主要分布在北纬49º—54º,东经120º—127º之间,北纬53º是雷击火最集中的区域,6月下旬为雷击火高峰期,13时—17时是雷击火高发时段。近年来,雷电活动呈日数增加、开始日期提前和结束日期延后的趋势。2022年大兴安岭林区8月份和9月份各发生一次雷击火。然而,2023年雷击火高发期明显延后,仅8月份第一周就发生了25起雷击火,整体数量已经远超2022年。


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雷击火集中爆发的原因


雷电发生具有时空随机性、危险性、瞬时性,特别是不同地区之间闪电特有的差异性,这些都增加了对闪电、放电引燃物理过程和活动规律认识的难度。雷击火的发生与雷电发生、可燃物状况、气候条件、地形等因素密切相关,这些因素的共同作用,使得雷击火的分布具有一定的时空特征。


雷击火的发生与可燃物类型、雷击类型、地形和植被结构都有密切关系。季节性降水量减少和可燃物含水率的降低对雷击火的多发起到决定性的作用。尤其降水减少的月份与雷击月份相一致。雷击火源和季节性水分的不均衡性可能在湿润的气候状况下也会引发频繁的火灾。密集雷电过后,产生少量降水,但降水不足和不均匀导致可燃物仍然含水率,处于易燃状态。雷电活动和降水时空不同步或降水偏少,无法有效降低可燃物的易燃性,是导致雷击火的主要原因。


雷击火发生除了与雷电过程和天气条件有关,也与可燃物燃烧性,可燃物分布、地形特征、可燃物含水率等有关。大兴安岭林区可燃物丰富,地表枯落物和腐殖质层厚,为雷击火发生创造条件。雷击火是由雷暴形成的“连续电流”的闪电接触地面具备燃烧条件的可燃物发生的火灾。可燃物是否点燃依赖于电流持续的时间、闪电击中可燃物的类型,前期天气以及雷击发生时天气状况。降水偏少导致可燃物含水率偏低,腐殖质层和枯落物层极为干燥,一旦被雷电击中,可燃物易被引燃。


引发雷击火的密集型闪电发生前期多有个快速升温的过程,伴随空气湿度下降、风速变大的过程,最高气温和引发雷击火的闪电时间基本一致,也是相对湿度最低、风速最高的时间段。密集型雷电过程耦合天气和可燃物状况是引发大量雷击火的主要原因,占雷击火数量的多数,受雷电数量多和波及区域广的影响,表现为雷击火爆发时间集中,多区域多点接连爆发,雷击火潜伏期短,初始火蔓延速度和火强度高,对发现雷击火和快速扑救能力要求极高,扑救难度大。


极端的天气条件往往容易引发群发和大面积的雷击火灾。气候变暖和极端天气影响,干雷暴天气发生更加频繁,研究表明大兴安岭在不同气候情景下,雷击火发生概率均有所增加。气候变化导致异常天气增多,密集型雷电过程增多,群发雷击火频繁发生。


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雷击火潜伏期发现难度大


雷击火发生过程遵循闪电点燃可燃物—可燃物阴燃—有焰燃烧三个阶段。雷击火的发生高度依赖于可燃物干燥度和当时的火环境。从雷击点燃可燃物到雷击火被发现的这段时间称为雷击火潜伏期,受可燃物性质、闪电和天气特征的共同影响。由于雷击火发生初期的隐蔽性较高,且容易发生在偏僻、交通不便的林区,监测和扑救难度较大。


天气条件是影响雷击火潜伏期最主要的因素,通常在高温、干燥、大风的高火险天气,引燃后的潜伏期会相对更短,甚至直接燃烧引发火灾。在火险较高的时间段和区域潜伏期相对较短,主要受雷击发生时和潜伏期间细小可燃物的干燥程度的影响,潜伏期间干旱程度的变化也会影响潜伏期的长短。大兴安岭地区泥炭沼泽地丰富,如果被闪电引燃从而形成地下火,难以被人们发现,在相对潮湿的林区和生长期,潜伏期相对较长。2022年最长潜伏期超过19天,据不完全统计2023年最长时间潜伏期已经超过20天。


受气候变化、厄尔尼诺现象、干旱的影响,北部林区森林可燃物极端干燥。夏季是植被生长季节,相较于春季,易引发深层次的腐殖质和泥炭层蔓延,引发地下火。雷击火发生时的特殊火环境,如降水少、长期干旱、腐殖质层和泥炭层深厚且含水率低等,也都为雷击火引发地下火创造了有利条件。长期干旱不仅导致地表枯落物含水率非常低,还会使腐殖质层可燃物含水率大幅降低,一旦被雷电击中,可燃物易被引燃,且能快速在地表枯落物和腐殖质层中燃烧蔓延,不仅阴燃时间短,还极易出现多点爆发的状况,火场面积迅速扩大。


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内蒙古大兴安岭雷电活动(7月19日报告)

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黑龙江大兴安岭雷电活动(7月19日报告)

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内蒙古大兴安岭雷电活动(7月20日报告)

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黑龙江大兴安岭雷电活动(7月20日报告)

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内蒙古大兴安岭雷电活动(8月2日报告)

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黑龙江大兴安岭雷电活动(8月2日报告)


大兴安岭雷击火时空分布特征


大兴安岭雷击火的分布有明显的聚集性特征,大兴安岭雷击火的分布在经度方向和纬度方向具有一定的聚集性,但纬度方向聚集性更高。超过90%的雷击火分布在坡度0-20度内。海拔在200-800米区间,雷击火数量随海拔升高而增加。雷击火在不同坡向上的分布存在明显规律,总体上,南坡、东南坡、西南坡和东坡等阳坡的雷击火数量明显高于西坡、东北坡、西北坡和北坡等阴坡。


气象因子、可燃物因子和地形因子构成了雷击火发生的火环境,雷击火主要与雷暴的活动密切相连。雷暴有地方性雷暴和锋面雷暴。地方性雷暴是由于地形作用,只局限于一定的区域;锋面雷暴是由于冷气团的作用,暖气团抬高形成的雷暴,能在锋面上几处同时发生。雷击火的分布首先与雷暴系统的路径有关,其次与植被状况和地形的特性分不开,降水、平均温度对雷击火发生起主导作用。


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雷击木


雷击火的主要预警监测手段


随着全球气候变暖,气温异常变化等因素导致雷击火的可能性增大,灾害的突发性和异常性愈发明显。党和政府高度重视森林草原火灾防控,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面加强新形势下森林草原防灭火工作的意见》,明确提出“大力提升预警监测能力。建立上下贯通、左右衔接、融合集成的预警监测体系”,“开展雷击火监测应对科技攻关,抓紧建立重点林区雷击火预警系统”。国家林草局对雷击火防控工作高度关注,要求“组织研究雷击火监测预警科技攻关课题”,重大应急科技项目实施“揭榜挂帅”。2021年3月30日国家林草局“揭榜挂帅”项目“森林雷击火防控应急科技项目”启动。


历经2年研发建成国内首个以全波三维雷电探测网为主体的雷击火监测体系。项目组共安装全波三维闪电定位仪17台,研发了雷击火感知系统,已经在大兴安岭林区业务化运行。


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雷击火气象监测站搭建


雷击火发生趋势分析和应对措施


综合考虑历史火情、雷电活动、火源特征、前期天气背景、可燃物状况、天气变化趋势等因素,最近一段时间,预计黑龙江西北部、内蒙古北部、新疆北部的部分区域的森林草原火险等级为较高雷击火风险。其中,黑龙江大兴安岭大部、内蒙古大兴安岭大部和新疆阿尔泰部分区域的雷击火火险等级为高火险。


未来一段时间,黑龙江、内蒙古大兴安岭林区,新疆阿尔泰林区处于轻度干旱状况,雷电频繁,易形成干雷暴天气,雷击火危险性升高。各地需加强预警监测、瞭望值守工作。各地林草防火主管部门应密切关注天气变化,尤其是持续高温、干旱、大风、雷电等极端天气的出现,深入分析研判,加强防范部署、严格落实值班巡护,提早做好扑火准备工作,做到火灾隐患早发现、早处置,确保林区生产生活安全。



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