泰山风景区闪电特征及林区雷击火灾风险分析

陈乐奇，徐 鑫，邬铭法，刘向科，邓 猛

(1.山东省气象灾害防御技术中心，山东 济南 250031；2.泰安市泰山风景名胜区管理委员会，山东 泰安 271000)

泰山是世界文化与自然双重遗产、世界地质公园、全国重点文物保护单位、国家重点风景名胜区和国家5A级景区为一体的世界著名旅游风景区。特殊的地势地貌造就了复杂多变的气候特征。尤其是雷击引发林区火灾、古建筑损坏、人员伤亡等灾害，对雷电的监测预警工作受到地方政府的极大重视。2002年7月，内蒙古大兴安岭北部原始林区发生特大雷击火，森林受灾面积超过1万hm2[1]；2019年3月30日，四川省凉山州木里县境内因雷击引发森林火灾，造成重大人员伤亡[2]。作为国家重要自然资源的森林及其景区，泰山起到维持和改善生态环境的作用，对开展森林旅游业和科学考察、教学、研究具有重要意义[3]。一旦发生火灾，将严重威胁人民生命财产安全，因此开展泰山风景区的闪电特征研究和林区的雷击火灾风险分析尤显迫切，以期提高泰山雷电灾害的预报预警能力，为有效开展防雷避雷及地方政府部门决策提供技术依据[4]。

泰安市泰山风景区位于山东省中部，坐标为116°58′～117°10′E，36°12′～36°22′N。地处暖温带大陆性季风气候区，属亚高山型湿润气候，其气候特征受地理地形、山脉体量、海拔高度、植被覆盖等自然条件影响[5]，易产生强对流天气和雷暴活动。其林区植物以暖温带落叶阔叶林为主，年均温6.0℃，年均降水量 1 031.3 mm[6]，年均雷暴日31.3 d[7]，属多雷区。

1 数据资料与处理方法

1.1 数据来源

采用2007—2018年山东省闪电定位系统监测的12年数据，一定程度上反映了泰山风景区的雷暴频繁程度和雷暴强度。

山东省地闪定位系统[8]于2006年6月布设完成，采用LD-II型闪电定位系统，由13个探测站点组成。资料包括地闪发生时间、经纬度、正负极性、峰值强度、雷电流上升陡度等参数。该系统定向精度为1°，时钟同步精度可达到10～7 s，山东省内大部分地区地闪探测效率理论值为95%，定位精度可达300 m。

山东省闪电定位系统监测数据均为地闪，且对泰山风景区造成影响的主要是地闪，故本报告分析数据均为地闪数据，未包含云闪。

1.2 处理方法

本文根据闪电定位数据资料，运用ArcGIS地理信息系统中的ArcMap组件，绘制地闪密度分布图、落雷区分布图等；利用视图工具中的创建图生成地闪活动的年、月、日变化图。对数据综合采用了回归分析、数理统计等方法进行分析统计。

2 数据分析与结果

2.1 地闪密度空间分布特征

根据数据统计分析，泰山景区(117°～117.2°E，36.2°～36.36°N，下同)累计发生地闪 6 899 次，其中正地闪182次，负地闪 6 717 次，年均落雷次数为575次，平均地闪电流强度为11.91 kA。泰山景区年均地闪密度为1.82次/(km2·a)，高出泰安市年均地闪密度1.39次/(km2·a)的30.9%，高出全省年均地闪密度1.27次/(km2·a)的43.3%(图1)。

与周边地区相比，泰山景区地闪密度明显偏高，其主要原因是山东省地处东亚季风区，属暖温带季风气候类型，夏季风携带丰沛的水汽北上，受到泰山山脉地形抬升作用，使得气流和水汽辐合上升，有利于雷暴云的形成。雷暴云中的电场是云粒子之间与降水粒子碰撞的结果，强烈的上升运动有利于粒子间的碰撞，从而进一步加强云中电场，导致泰山景区地闪密度明显偏高。

泰山景区地闪密度较高的区域主要位于桃花峪西侧、玉泉寺景区西侧，桃花源景区以东、南天门以北，其中桃花源景区以东、南天门以北区域地闪密度最高。

利用GIS技术对泰山景区地形和地闪密度进行综合对比分析，对地闪密度3.2次/(km2·a)以上区域进行填色处理分析。结果显示：闪电密度高值区与海拔高度呈正相关；闪电密度高值区基本位于海拔较高的区域附近；闪电密度的高低与海拔、地形有一定关系，总体上呈现闪电密度随海拔增高而逐渐增强特点(图2)。

2.2 闪电密度高值区及重点区域分析

泰山景区地闪密度高值区主要集中在泰山主峰及主峰偏东区域。根据景区情况对该区域进行重点分析，按照0.001°×0.001°网格进一步细分，发现闪电主要集中在玉皇顶至南天门附近，闪电密度高达7.5次/(km2·a)以上(图3)。

图1 泰山景区平均地闪密度分布

图2 泰山景区地闪密度遥感分布(西南方向)

2.3 地闪活动年变化特征分析

总闪电次数在2007年和2010年分别存在一个峰值，2010年峰值较强；2018年为明显低谷，其次为2014年72次。正闪次数2017年出现明显峰值；2009年最少为1次，其次为2012年6次。其中2010—2018年总闪呈现震荡减弱趋势(图4)。

将2007—2018年泰山景区实际落雷点与地形叠加分析，正地闪落雷点相对比较分散，负地闪落雷点在桃花峪西侧区域、玉泉寺景区西侧区域，桃花源景区以东、南天门以北区域，相对比较集中(图5)。

图3 泰山景区地闪密度高值区及落雷区分布(0.001°×0.001°网格)

图4 泰山景区地闪次数统计

2.4 地闪活动季节变化特征分析

泰山景区地闪活动的季节性分布特征明显(图6)：春季(3—5月)地闪活动开始逐渐增多，地闪次数约占总次数的10.11%；夏季(6—8月)是泰山地闪活动最频繁、最集中的时期，地闪次数约占86.86%；秋季(9—11月)地闪活动迅速减少，地闪次数约占3.03%；冬季仅2月出现过少量地闪，仅占0.42%，12月和1月没有出现地闪活动。8月泰山地区对流活动最旺盛，地闪活动最频繁，年均地闪次数约为 2 350 次，占地闪总数的34.44%，其次是7月和6月。另外，正闪比例最高出现在4月，占当月总次数的35%，远远高于其他月份。

2.5 地闪活动日变化特征分析

泰山景区地闪活动日变化特征：高峰时段为14∶00—17∶00和19∶00—21∶00，主峰值时段为19∶00—20∶00；早晨 6∶00—7∶00 出现地闪活动次高峰期，次峰值时间为 2∶00，地闪低发时段为 1∶00—6∶00 和 9∶00—13∶00。以上地闪活动变化规律可以总结为下午最频繁，早晨次之，夜晚和上午相对较少(图7)。地闪活动呈现如此特征是由于太阳辐射在中午达到最强，下垫面升温明显，层结易不稳定，增加了局地热对流的发生，因此地闪多发生在14∶00以后。日落后太阳辐射锐减，对流消散明显，造成地闪活动迅速减少，出现子夜时段的相对低谷区。

2.6 地闪强度特征分析

泰山景区地闪平均电流强度为11.91 kA，正闪的平均电流强度为45.42 kA，负闪的平均电流强度为11.01 kA。其中记录的景区内最大地闪强度出现在2016年8月14日14∶04∶38，位于中天门附近(36.24°N、117.08°E)，电流强度达-116.834 kA。

为进一步了解地闪的电流强度分布特征，将地闪根据电流强度绝对值以5 kA为间隔分为21个等级，不同等级的地闪百分率变化曲线显示(图8):电流强度在5～10 kA的地闪比例最大，约为31.28%，其次是0～10kA的地闪，约占24.95%，主要集中在0～20 kA，占地闪总数的92.43%。电流强度在15～20 kA的正闪占正闪总数的比例最大，约为20.83%，其次是20～25 kA的正闪，约占19.05%，主要集中在15～40 kA，占正闪总数的76.19%。电流强度在5～10 kA的负闪占负闪总数的比例最大，约为32.11%，其次是5～10 kA的负闪，约占25.62%，主要集中在0～20 kA，占负闪总数的93.86%。由于正地闪占总闪的比例极低，负地闪占绝大多数，导致总闪的电流强度分布曲线与负地闪接近。

图5 泰山景区2007—2018年地闪实况落区分布

图6 泰山景区地闪活动月变化

图7 泰山景区地闪活动日变化

3 林区雷击火灾风险分析

3.1 风险区划评价指标

张继权[9]提出致灾因子、孕灾环境、承载体和防灾减灾能力4个因素是特定区域气象灾害的最重要形成条件，其中致灾因子和孕灾环境是自然存在的，承载体则会受到外界因素的影响。在雷电灾害中，致灾因子是雷电的强度、密度等，孕灾环境是地理位置、地形地貌、植物资源等，承载体是建筑物和人员。

图8 泰山景区地闪强度变化

本研究结合泰山风景区雷电监测数据，采用包括雷击密度、位置因子、环境类型因子等指标来分析风景区内林区的雷击火灾风险。

3.2 林区雷击火灾风险分析

根据景区森林及植被情况，对红门、中天门、南天门、竹林寺、樱桃园、桃花峪、桃花源、天烛峰、玉泉寺、巴山林区进行雷击火灾风险分析，总面积 11 159.95 hm2。

中天门、南天门地闪平均密度较高，中天门区域地闪密度为2.5～4.0次/(km2·a)，南天门区域地闪密度在4.0次/(km2·a)以上，该区域属于泰山风景区高值区。

结合森林面积、地形、海拔高度、植被情况和闪电密度等因素，计算得出泰山林区雷击火灾风险区分布(表1)。

表1 泰山林区雷击火灾风险区划分

由表1可知，南天门、桃花峪、桃花源、天烛峰、巴山林区所在区域雷击火灾风险较高。

3.3 林场雷击火灾防护建议

1)雷雨天气时及时关注气象部门发布的雷电预警信息，及时掌握雷电活动情况。

2)重点关注4月初至5月中上旬及首次雷暴过程，为林区雷击火灾事故高发时间。该时间段中4月正地闪占比最高，电流强度大、放电通道温度高；且天气相对干燥，土壤电阻率大，林区植被易被引燃，应予以高度重视和重点关注。

3)在雷电活动高发季节，应重点关注每日的6∶00—7∶00和14∶00—21∶00，并结合当日的雷电预警信息采取应对措施。

4)在景区建立覆盖整个林区的地面大气电场监测站网，该监测网可通过短信或声光报警装置为林场巡护人员、防火部门提供预警信息。

5)利用FY-4探测仪和日本葵花8卫星实时观测，满足森林防火所需的时空分辨率要求，能有效监测、识别火源，为森林防火工作提供决策依据。

6)重点监控地闪密度较高的区域、泰山西南方[6]及迎风坡等风向和雷暴进入的方向、历史雷击着火点等。

7)采取主动防御的方法，在林场重点区域和地闪密度高值区安装直击雷防护装置。

4 小结

依据闪电定位监测资料、现场勘查资料，结合景区特点，分析了泰山景区雷电活动特征。

1)泰山风景区年均地闪密度为1.82次/(km2·a)，高出泰安市年均地闪密度30.9%，高出全省年均地闪密度43.3%。地闪密度较高的区域主要位于桃花峪西侧区域、玉泉寺景区西侧区域，桃花源景区以东、南天门以北区域，其中桃花源景区以东、南天门以北区域属于地闪密度极值区。

2)地闪活动年变化特征分析，2010—2018年总闪呈现震荡减弱趋势。

3)地闪活动季节性分布特征明显，8月是地闪活动最频繁月份，其次是7月和6月；其中4月正闪占比最高。

4)地闪活动日变化特征为高峰时段14∶00—17∶00 和19∶00—21∶00，主峰值时段为19∶00—20∶00，次高峰期为6∶00—7∶00。

5)地闪平均电流强度为11.91 kA，正闪平均电流强度为45.42 kA，负闪平均电流强度为11.01 kA。最大地闪强度出现在2016年8月14日14∶04∶38，位于中天门附近，电流强度达-116.834 kA。。

6)对各林区进行雷击火灾风险分析得出，南天门、桃花峪、桃花源、天烛峰、巴山林区所在区域雷击火灾风险较高。

对景区林场雷击火灾风险进行雷击密度、位置因子、环境类型因子等分析，并提出林场雷击火灾防护建议。