徂徕山林场雷击灾害风险分析与评估

魏超 邬铭法 孙忠欣

摘要：  为了解与分析森林雷击火灾的动态行为，进行森林雷击火灾风险评估分析，以减少或避免因雷电而引发的森林火灾、人员伤亡和设备毁坏所造成的损失，本文以2007—2018年山东省闪电定位系统监测数据资料、闪电监测资料、天气和气候观测资料、林场高程数据、地理信息数据、现场勘查资料和客户所提供的相关资料等为依据，采用统计分析法、相关分析、叠置分析和缓冲区分析等多种分析方法，对徂徕山地区雷电活动时空分布特征进行分析，并以地闪密度空间分布与最大地闪强度空间分布的叠置作为雷电风险的主要评价指标，对徂徕山地区雷电易发区域进行研究。研究结果表明，徂徕山林场闪电密度较高的区域主要位于马头山沟以北和主峰太平顶周围。同时，结合森林雷击火灾原因、特点和地形特征，提出了一套符合实际的森林雷击火灾风险分析方法。该研究对森林雷电灾害的防护具有重要意义。

关键词：  森林防火; 地闪; 雷电灾害; 风险; 评估

中图分类号： P429  文献标识码： A

森林是陆地生态系统的主体，是全球气候的主要调节者，影响着全球的生态环境。在生态环境日益恶化的今天，森林不但具有缓解地球“温室效应”、防治荒漠化、涵养水源、保持水土、防灾减灾、确保农业稳产、维护生物多样性等方面的功能，而且还提供丰富的林产品，帮助贫困地区人民脱贫致富，增加社会就业，促进区域经济发展，所以森林资源是人类生活和生产所必需的一种资源，是人类赖以生存的重要基础。但森林经常受到各种灾害的破坏，在危害森林的诸多因子中，尤以森林火灾为其最主要的因子[1] 。因此，加强森林雷击火灾的技术研究，对预防和及早制止森林火灾的发生有着重要的现实意义。从20世纪初至今，对森林火灾的预测和预报已有将近一百年的历史了。一般公认的最早提出林火预测这一概念的是美国的道鲍思（Dubois），他于1914年提出关于森林火灾预测预报的概念，并论述了关于森林火灾预报的气象要素。我国林业部门也一直在加强对森林火灾的预报研究，2000年，国家森林防火办建立了全国森林防火信息系统，此项目是建立在局域信息中心计算机网络和局域森林防火办公室林火监测网络基础之上，采用Clientserver数据库技术、WWW技术、地理信息系统和遥感技术，能够实现林火监测、预测预报、辅助决策、信息发布等功能，为我国森林防火信息领域的进一步合作打下了基础，是中国高技术产业化示范工程，该工程完成后具有实用的实时运行系统，具有很好的示范作用[2] 。目前，国内外关于雷击森林火灾的研究较少，而且仍停留在过火面积、火灾次数的统计上，还没有形成一套科学合理的森林雷击火灾风险评估技术。由于森林資源的地域性及构成的复杂性，森林雷击受地形、海拔、风向等影响因素众多[3] ，而建立森林雷击火灾风险评估体系是适应森林雷击火灾经济研究和加强雷击火灾管理的需要。基于此，本文以徂徕山林区作为风险评估研究对象，采用统计分析等方法，对徂徕山地区雷电易发区域进行研究。该研究为我国森林雷击灾害风险评估提供了参考依据。

1 徂徕山林场地理条件

徂徕山林场位于山东省中部，地属泰安市，是鲁中山地丘陵区的中心位置。徂徕山属泰沂山脉，孤立于泰莱平原，山脉东西走向，最高海拔1 027.8 m。地理范围为东经117°16′～117°20′，北纬36°02′～36°07′，长约30 km，北起岱岳区徂徕镇的樱桃园村，南至岱岳区良庄镇的高胡庄村，宽约15 km。根据资料[4] 统计分析可知，泰安市年平均地闪密度为1.39次/（km2 ·a），高于山东省年地闪密度平均值1.94次/（km2 ·a）。泰安市地闪密度分布整体呈现西低东高的特点，泰安市高值区主要集中在泰山、徂徕山和莲花山山脉附近[10] 。泰安市地闪密度分布图如图1所示。

通过综合考虑泰安市地闪密度、雷电流强度分布、地形起伏度、河网密度、人口密度、农村人口比例、第三产业比例、人均GDP、医疗卫生水平等参数，从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力等因子，对泰安市雷电灾害风险进行区划，按高风险区、次高风险区、中等风险区、次低风险区和低风险区等5个等级进行划分[5 6] ，得到泰安市雷电灾害风险区划图如图2所示。泰安西部位于次低等风险区域，中部地区位于中等风险区域，北部和东部位于高风险区域;徂徕山林场位于雷电灾害高风险区域。

2 徂徕山林场地闪活动特征

2.1 地闪活动的年变化特征

对2007—2018年徂徕山林场闪电次数进行统计，徂徕山林场闪电次数统计图如图3所示。由图3可以看出，2012年总闪电次数最多，为569次，其次是2009年，为472次，2015年最少，为68次，而2014和2017年均为92次。正闪次数2016年最多，为33次，其次是2018年，为20次，而2009和2010年最少，为3次。

2.2 地闪活动的季节变化特征

徂徕山林场地闪活动的季节性分布特征明显，在春季（3～5月），徂徕山林场地闪活动的频率逐渐增加，该季节地闪活动占总量的8.31%。徂徕山林场地闪活动最频繁的时间段集中在夏季（6～8月），该季节地闪活动占总量的88.06%。而每到秋季（9～11月），地闪活动的频率迅速减少，该季节地闪活动占总量的3.2%，而冬季只有在2月出现过地闪，该季节地闪活动仅占总量的0.44%。由于徂徕山林场对流活动最活跃、雷电活动最频繁的月份为8月，每年该月平均地闪频率约为1309次，占地闪活动总量的38.41%，7月和6月频率略低。此外，4月份正闪发生率最高，占当月总次数的27%，远高于其他月份。徂徕山林场地闪活动月变化如图4所示。

2.3 地闪活动日变化

徂徕山林场地闪活动高峰时段是16～21时，但19时有突降，主峰值时间为20时;早晨5～8时出现地闪活动次高峰期，次峰值时间为4时，地闪低发时段为1～4时和10～15时。上述地闪活动的变化可以概括为傍晚前后最频繁，其次是凌晨，而深夜和上午相对较少。这是由于太阳辐射中午达到最大值，下垫面温度升高，层结极易失稳，增加了局部地热对流的发生[7 8] 。结果表明，大部分地闪发生在14时后，日落后太阳辐射急剧减少，对流明显消散，导致地闪活动迅速减少，午夜时地闪活动相对较低。徂徕山林场地闪次数日变化如图5所示。

2.4 地闪强度特征

徂徕山林场地闪平均电流强度为11.92 kA，正地闪平均电流强度为39.51 kA，负地闪平均电流强度为10.85 kA。根据山东省闪电定位系统记录，在2016年8月7日14时28分58秒时，出现了最大强度的地面闪光，该位置位于太平顶西北方向（36.05°N，117.33°E），电流强度达到-126.791 kA。

为更深入了解徂徕山林场地闪情况，对徂徕山林场地闪电流强度的分布进一步分析和计算。根据电流强度在5 kA间隔的绝对值，将地闪分为21个级别，地闪变化级别不同，徂徕山林场地闪强度也不同，徂徕山林场地闪强度变化曲线如图6所示[9] 。由图6可以看出，地闪电流强度在5～10 kA的范围内比例最大，约为33.04%，其次是0～5 kA范围内的比例，约为27.55%，地闪主要集中在0～20 kA，占总面积的91.87%。

正闪电流强度最大区间在15～20 kA，约为34.60%，其次是20～25 kA范围的正闪，约为15.08%，正地闪主要分布在15～40 kA，该占比达到了正地闪总数的72.22%;负闪电流强度最大区间在5～10 kA，约为33.01%，其次是电流强度在0～5 kA的负闪，约占27.52%，负地闪主要分布在0～20 kA，该占比达到了负地闪总数的90.14%。由于正地闪占总地闪的比例较低，负地闪占多数，所以总地闪的电流分布曲线与负地闪的电流分布曲线接近[10] 。

2.5 地闪海拔高度特征分析

将海拔高度按200 m劃分高度间隔，与徂徕山地区2007—2018年均地闪密度（0.01°×0.01°网格）进行分析，利用非线性回归方法拟合海拔高度（x）与地闪密度（y）的关系

y=1×10-8 x3-2×10-5 x2+0.008x+0.027 9，

其R2=0.272 4进行分析[11] 。发现地闪密度随海拔上升呈现上升趋势，地闪密度与海拔的变化特征如图7所示，海拔高度<800 m的区域，地闪密度随海拔增加呈缓慢上升趋势，平均值在1.8次/（km2·a）左右;海拔高度>800 m的区域，地闪密度随海拔增加呈明显上升趋势，地闪密度与海拔高度呈现较好的正相关[12] 。

2.6 雷暴来向分析

利用山东省气象局1967—2011年共45年123个气象观测站的雷暴日人工观测资料，分析得到林场所在区域雷暴过程由西北进入所占比例最高，达23.18%，雷暴过程由西南方向进入占19.31%，东南和正北方向进入的雷暴过程占11.59%，由东北和正西方向进入的雷暴过程占10.30%，徂徕山林场雷暴过程来向玫瑰图如图8所示。该区域剧烈天气活动主要来自西北和西南方向，因此在采取雷电防护措施时，应特别注重被保护物西北和西南方向的防护[13] 。

2.7 徂徕山林场地闪密度空间变化

对2007—2018年山东省闪电定位系统监测数据进行统计，徂徕山林场累计发生闪电3408次，该区域年平均地闪密度为1.42次/（km2·a），闪电密度均值略高于泰安市均值。林场位于泰安市高值区西侧边缘，且林场主峰太平顶及主峰东侧年均地闪电密度值高于泰安市，其中正闪126次，负闪3282次，平均强度为11.91kA。徂徕山林场与周边地区相比，地闪密度明显偏高，形成该现象的主要原因是山东省属于暖温带季风气候类型。该种气候类型将使夏季风向北携带丰富的水汽，并被徂徕山地形抬升，使气流会聚，水汽上升，导致雷暴云的形成。根据地闪理论，雷暴云中电场的形成主要是云粒子与降水粒子碰撞的结果，而该气候导致的上升运动，促进了粒子之间的碰撞，从而进一步加强了云中的电场，导致徂徕山林场地闪密度明显偏高。徂徕山林场闪电密度较高的区域主要位于马头山沟以北和主峰太平顶周围[14 15] ，其中马头山沟以北区域闪电密度最高。徂徕山林场地闪密度遥感分布图（正北方向）如图9所示。

3 徂徕山林场雷击火灾防护措施

由于森林覆盖面积大，防雷装置的保护范围有限，其雷电防护有别于建筑物、石油化工设施的防护，采取 主动防御的措施难以实现，森林在防御雷击方面存在先天性不足。为此，根据风险评估结果，结合林场实际，提出以下防护思路：制度健全，责任落实;监测预警，提前预防;重点区域，主动防御;火情监控，及时处置[16] 。

3.1 雷电活动监测和预警

及时掌握雷电活动情况是做好林场森林雷击火灾防护的前提条件。雷电活动主要包括雷电发生的时间，雷电来向，雷电活动范围，雷电强度，雷电持续时间以及地闪发生的时间、地点、强度和次数等[17] 。只有及时掌握雷电活动情况，才能做到提前预判，提前预防，提前部署，及时启动应急预案。

3.2 林场雷击起火火源监控

雷电是林场起火的一个重要的自然引火源，50%以上的森林火灾事故是由雷击引起。尽管前面采取了一些主动防御雷击的措施，但由于森林覆盖面积大，接闪器保护范围又十分有限，仅只是在一定程度上对局部区域降低了雷击风险。根据上述分析，徂徕山林场森林雷击火灾风险非常高，因而管理部门和防火部门在作好常规火情监控的同时，要高度重视雷击火情的监控工作。结合前面风险区划、海拔高度对雷电活动的影响以及雷暴主要来向分析等，对以下区域和部位做好重点监控。

1） 地闪密度较高区域。徂徕山林场闪电密度较高的区域主要位于马头山沟以北和主峰太平顶周围区域，其中马头山沟以北区域闪电密度最高，这些区域雷电活动相当频繁，发生雷击的概率非常大，应对这些区域进行重点火情监控。

2） 重点监控方向。根据雷暴来向和典型雷暴过程分析，雷暴过程主要由西北和西南方向进入。因而在雷雨天人工监测火情时，应重点关注西北和西南方向以及迎风坡方向。

3） 历史雷击着火点。一些历史雷击着火点不一定位于地闪密度高值区域，但可能受地表腐殖层、地形、所处位置（如位于迎风坡、雷暴来向位置）等影响，风险相对较高，因而也应将历史雷击起火点作为重点区域和部位进行重点监控，尤其是太平顶保护站区域，在2019年3月和7月27日两次遭到雷电破坏[18] 。

4） 实时监测落雷点。闪电定位监测系统能够对林场内发生地闪的经纬度、电流强度、波形陡度等参数进行适时监测记录，据此可以根据闪电定位系统监测情况，对地闪发生位置所处区域进行重点监控。需要说明的是，由于闪电定位监测系统存在一定的定位误差，有时也存在一定漏报、误报，因而不能完全依赖监测系统，在重点关注监测到的落雷点区域时，也应照顾其他区域。

3.3 重点监控时机

通过对徂徕山林场雷电活动特征分析可以看出，徂徕山林场雷电活动季节性分布特征明显，8月份是地闪活动最频繁月份，其次是7月份和6月份;地闪活动日变化特征为地闪活动高峰时段16～21时，主峰值时间为20时;次高峰期为早晨5～8时，次峰值时间为4时。

在雷电活动高发季节，应重点关注每日的16～21时和4～8时，并结合当日的雷电预警信息，合理组织和调度防火资源，加强该时段的应急值守和巡查。

需要特别指出的是，通过前面地闪活动季节变化特征分析可以看出，4月份正地闪占比最高，占当月总地闪次数的27%，远远高于其他月份。由于正地闪相对于负地闪来说，电流强度更大，放电通道温度更高，极易诱发森林火灾事故。另外，每年4月初至5月中上旬，天气相对干燥，风力大，地面含水量低，土壤电阻率大，造成雷电流沿地表泄放时的温度较高，加之地面植被干燥，容易被引燃[19 20] 。因而，每年4月初至5月中上旬以及首次雷暴过程，为森林雷击火灾事故高发时间，其风险性甚至高于雷电活动最频繁的8月份，也应予以高度重视和重点关注，做好充分的应急准备工作。

4 结束语

本文根据徂徕山林场的特征和现状，依据有关国家技术标准，通过详细的现场勘查和对历史资料的细致分析，结合林场特点，提出了合理的风险评估模型及保护措施和建议。需要指出的是，由于地闪发生过程的复杂性，其成因和发展的一些具体细节仍在研究中，其破坏方式众多，给保护工作带来一定困难。同时，根据国家防雷标准的设计指导原则，考虑到经济性和性价比，提出的防护建议具有一定的针对性和可操作性，但不能达到100%的防雷效果，只能通过这次评估和分区，尽最大努力找出合理、经济、科学、有效的防护措施，最大限度地预防和减少雷击事故的发生。本研究基于2007—2018年山东省闪电定位系统监测数据，随着监测设备精确度的提高和监测水平的提升，可提取森林植被、腐殖物等影响因子进行分析，使徂徕山林场雷电灾害风险评估分析精准性有较大提升。森林火灾风险评价是一项十分复杂的工作，目前的研究程度低，没有形成切实有效的指标评价体系和方法，后期将在现有基础上，继续探索创新，使森林风险评价取得更加丰硕的成果，森林火灾减灾应急能力更有成效。

参考文献：

[1] 柴造坡， 田常兰， 李凤芝， 等. 黑河地区林火分布规律[J]. 林业科技， 2009， 34（4）： 38 41.

[2] 常玮， 周梅. 我国森林火灾应急预案存在缺点及对策研究[J]. 森林防火， 2010（2）： 20 25.

[3] 蔡忠周， 胡亚男， 金欣. 基于层次分析模型的西宁地区雷电灾害风险区划[J]. 中国农学通报， 2020， 36（15）： 74 80.

[4] 冯桂力， 陈文选， 刘诗军， 等. 山东地区闪电的特征分析[J]. 应用气象学报， 2002， 13（3）： 347 355.

[5] 王延慧， 张建涛， 叶文军， 等. 基于ArcGIS的新疆雷电灾害风险区划研究[J]. 沙漠与绿洲气象， 2013， 13（6）： 96 104.

[6] 程向阳， 陶寅， 邱陽阳. 安徽省雷电易发区域划分[J]. 气象科技， 2018， 46（4）： 785 791.

[7] 徐瑞利， 朱秀红. 基于 GIS 的鲁东南山区雷电灾害风险评估与区划技术[J]. 中国农学通报， 2014， 30（5）： 292 296.

[8] 朱涯， 鲁韦坤， 余凌翔， 等. 玉溪市雷电灾害风险区划研究[J]. 中国农业资源与区划， 2017， 38（11）： 159 164.

[9] 吴安坤. 贵州省雷电灾害风险评价与区划研究[J]. 中国农业资源与区划， 2018， 39（2）： 88 93.

[10] 吴安坤， 田鹏举， 黄天福， 等. 基于人口/GDP 数据空间化的雷电灾害风险评价[J]. 气象科技， 2018， 46（5）： 1026 1031.

[11] 黄肖寒， 黄卓帆， 李有为， 等. 河池市雷电时空分布特征及雷击灾害风险区划 [J]. 气象研究与应用， 2016， 37（4）： 102 105， 133.

[12] 张雷， 涂慰云， 李天诚， 等. 基于层次分析法的福建省雷电灾害风险区划[J]. 武夷学院学报， 2017， 36（9）： 53 59.

[13] 程萌， 陈楠. 菏泽市雷电灾害风险区划[J]. 中国农学通报， 2016， 32（27）： 156 160.

[14] 顾丽华， 蔡云泉， 李嘉鹏， 等. 德清县雷电时空分布特征及雷击灾害风险区划[J]. 气象与环境学报， 2012， 28（4）： 73 78.

[15] 程向阳， 谢五三， 王凯， 等. 雷电灾害风险区划方法研究及其在安徽省的应用[J]. 气象科学， 2012， 32（1）： 80 85.

[16] 程丽丹. 层次分析法和 GIS 技术在河南省雷电灾害风险区划中的应用[J]. 南京信息工程大学学报： 自然科学版， 2019， 11（2）： 234 240.

[17] 王延慧， 张建涛， 买买提艾力·买买提依明， 等. 2013—2016 年新疆地闪活动特征分析 [J]. 沙漠与绿洲气象， 2018， 12（2）： 43 49.

[18] Yang Xinlin， Sun Jianhua， Li Wanli. An analysis of cloud-to-ground lightning in China during 2010 13[C]∥19th EGU General Assembly. Vienna Austria： EGU， 2017.

[19] 張前东， 史春彦. 济南市长清区暴雨洪涝灾害风险区划[J]. 沙漠与绿洲气象， 2018， 12（3）： 64 69.

[20] 彭九慧， 王多， 赵岩， 等. 基于 GIS 的承德市冰雹灾害风险区划[J]. 沙漠与绿洲气象， 2019， 13（1）： 105 109.

Risk Analysis and Assessment of Lightning Strike Disaster of Mountain Cu Lai Forest Farm

WEI Chao， WU Mingfa， SUN Zhongxin

（Meteorological Disaster Prevention Technology Center of Shandong Province， Jinan 250031， China）

Abstract：  In order to understand and analyze the dynamic behavior of forest lightning fire， the risk assessment of forest lightning fire was carried out. In order to reduce or avoid the losses caused by forest fire， casualties and equipment damage caused by lightning， this paper takes the monitoring data of lightning positioning system in Shandong Province， lightning monitoring data， weather and climate observation data， forest farm elevation data， geographic information data， field survey data and relevant information provided by customers from 2007 to 2018 as the basis. This paper analyzes the spatial and temporal distribution characteristics of lightning activities in mountain Cu Lai area by using various analysis methods， such as analysis method， correlation analysis， overlay analysis and buffer analysis. The overlap of spatial distribution of ground lightning density and maximum lightning intensity is taken as the main evaluation index of lightning risk， and the lightning prone areas in the area are studied. The results showed that the areas with high lightning density were mainly located in the north of Matoushan Gully and around Taiping Peak. At the same time， combined with the causes， characteristics and terrain characteristics of forest lightning fire， a set of practical forest lightning fire risk analysis method is proposed. This study is of great significance to the protection of forest lightning disaster.

Key words： Forest fire prevention; ground lightning; lightning disaster; risk; assessment