东北大兴安岭引燃闪电的物理和降水特征
文摘
科学
2024-06-13 07:31
湖北
北方针叶林是陆地上最大生物群落，可燃物密集且连续，是野火的高发区。闪电引燃是天然野火的最主要诱因，但是引燃概率极低，60多万次雷云向大地的放电，引燃次数只有200余次[1]。因此，探索闪电引燃的放电和天气特征对于雷击火的预警至关重要。在中国东北的大兴安岭地区——这个中国面积最大的北方针叶林区和最频繁雷击火的地区，相关研究尚未展开。识别哪些闪电引燃火灾是雷击火研究的第一步。通过闪电和雷击火在时间和空间上的相近程度[2]，我们确认了2019-2021年232起雷击火对应的引燃闪电。![]()
图1：识别引燃闪电的常用方法示意图[1]
结果显示：约80%的雷击火发生在引燃闪电发生后的24小时以及1公里半径范围内，侧面印证了闪电和雷击火数据的时空精准度和引燃闪电识别的准确性。![]()
图2：从闪电到火灾引燃的滞留时间和直接距离
从闪电到火灾发生时间超过24小时的火灾，被认定为滞留火，在本研究中仅占20%。其以阴燃的形式存在，在合适的时机才会发展为明火。![]()
云地闪根据电流方向不同，分为正闪和负闪。闪电的电流强度、电压和持续时间等都会影响引燃概率，而且不同地区引燃闪电的物理特征差异极大。
图4：闪电的类型和极性 （图片源自网络）
我们的结果显示，林区绝大部分云地闪都是负闪、正负闪电的电流分布情况显著不同、闪电的正负极性对引燃概率没有显著影响。反直觉的是：那些低电流、闪放电持续时间比较长的闪电反而更易引燃 [3]。![]()
图5：引燃闪电和非引燃闪电的正负极性比例和平均峰值电流
为了弄清楚什么时间段的闪电活动对雷击火发生有影响，我们检查了雷击火发生前1-7天（0-168小时）距离起火点不同半径的云地闪密度。在火灾发生前的一天，闪电密度要高得多，而且闪电密度随着距离起火点距离的增大而逐渐减小。这些结果同样证明了闪电和火灾数据在空间和时间上的高精确度。![]()
雷击引燃的降水条件
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图7：雷暴天气常常伴随着闪电和强降雨
干雷暴，即打雷时降水很少或没有降水，往往更容易引燃火灾。过去干雷暴的定义是闪电发生日的总降水量低于2.5毫米[4]。我们的研究结果表明，与非引燃闪电相比，引燃闪电在其发生前后的降水都要少得多[5]。在东北大兴安岭林区，闪电发生前后 4 小时的降水强度均低于 0.5 毫米/小时。即云地闪发生前降水过多不容易引燃，云地闪发生以后降水过多会浇灭已经引燃的火灾。
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如果仅仅是闪电密度高也不会发生引燃，因为频繁的闪电活动通常伴随着更大的降水量（更潮湿的可燃物）。我们的结果表明，随着日降水量的增加，虽然闪电密度增加了，但是引燃概率降低。而干雷暴引燃了 60%的雷击火。闪电密度与降水量高度正相关，因此出现了闪电密度低，引燃概率反而高的现象。![]()
图9：日降水量区间vs.引燃闪电次数和引燃概率。红色▲定义干雷暴的日降水阈值![]()
图10：日闪电密度区间对应的日降水量
对雷击火灾预测和预防的启示
本研究也为雷击火灾的预测和预防提供了一些建议[5]。首先，需要特别关注六七月午后，此时太阳辐射加热和对流性大气运动强烈，可燃物水分含量低，闪电活动频繁，雷击引燃的频率高、滞留时间短。其次， 闪电前后 4 小时的降水强度小于 0.5 毫米/小时，极易引燃。此外，由于雷击火滞留时间短、蔓延速度快，因此急需对闪电、雷击火和天气进行实时监测，以便及早控制火势和及时扑灭。该研究成果已发表于林学、大气科学领域核心期刊《Agricultural and Forest Meteorology》，详见阅读全文。![]()
相关链接文献
[1] Moris et al. (2020) Lightning-caused fires in the Alps:
Identifying the igniting strokes. Agric. For. Meteorol. 290,
107990.[2] Larjavaara et al. (2005) Lightning that ignites forest fires in Finland. Agric.
For. Meteorol. 132, 171–180.[3] Pérez-Invernón et al (2021) Lightning-ignited wildfires and long
continuing current lightning in the Mediterranean Basin: preferential
meteorological conditions. Atmos. Chem. Phys. 21, 17529–57.
[4] Dowdy et al. (2012) Atmospheric and Fuel Moisture
Characteristics Associated with Lightning-Attributed Fires. J Appl.
Meteorol. Clim. 51, 2025–2037.[5] Gao et al. (2024) Igniting lightning and wildfire
probability in the boreal forest of northeast China, Agricultural and Forest Meteorology, 354,
110081.主要作者介绍
高聪：香港大学博士生，研究方向为野火与气候变化。
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石春明：北京师范大学副教授，从事火生态学、树木年轮古气候、森林生态研究。
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黄鑫炎：香港理工大学副教授、博士生导师，研究领域包括基础燃烧科学和火灾安全应用。
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图文 | 高 聪
审核 | 黄鑫炎
