我国西南森林雷电环境研究

�/�w��馒&���"http://www.yuhuipay.com/a/baogao/" target="_blank" class="keylink">报告指出，20 世纪全球表面平均气温升高了 0.6 ℃，而且自 1976 年以来增温率为 0.17 ℃/10 a[1]，我国气候变暖与全球气候变暖基本同步[2]。越来越明显的气候变暖，是异常气候事件频发的主因，也是森林气象灾害的主要原因。从我国西南区域来说，近48年（1960—2007年）西南地区年降水量总体上呈弱的减少趋势，其中春、冬季的降水量呈增多趋势，而夏、秋季的降水量则呈减少趋势[3];近20年（1981—2000年）西南地区平均气温呈上升趋势，并且上升速率达 0.035 5 ℃/a[4];20世纪90年代西南地区升温最剧烈，近50 年降水略有减少[5]。西南区域的气候有“暖干化”的变化趋势，这种趋势在进入21世纪以后有进一步加剧的迹象[6]。

木里藏族自治县位于青藏高原东南缘，横断山脉中段，地理坐标为100°03′～101°40′E、27°40′～29°10′N[7]，主要有三大地貌，即西北部的山原地貌、东南部中山深切割山地貌和西南部的高山深切割山貌。木里林区森林资源丰富，林业用地面积94.14万hm 其中天然林面积 79.62万hm 占当地森林总面积的85%，森林蓄积量1.17亿m3[8]，是长江上游重要的水源涵养林，也是我国仅存不多的成片原始林区之一[9]。

包括四川木里地区在内的西南地区作为我国天然森林资源的重要分布区域，气候变化正朝着“暖而干”的方向进行。研究表明，气候变暖可使闪电频率增加30%～40%[10]，随着云地闪数量的上升，尤其是干雷暴的频发，雷击火所需的气象条件充足[11]，森林雷击火发生频率会增加[12]。因此从森林火灾的防御角度出发，对于形成雷击火必备的气候条件变化、云地闪特征等的研究就显得尤为重要。这方面研究在我国天然林分布的东北地区很多[13-14]，但在西南地区的相关研究鲜见报道。笔者以四川木里天然林区为研究对象，在气候变化导致西南天然林雷击气象灾害频发的背景下，研究该地云地闪变化，对于西南地区天然林雷击灾害预防、西南天然林保护具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

历史气候资料来自中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）1960—2013年木里气象站记录的气温和降水等气象要素，未来气候变化预估来自IPCC气候模型MPI-ESM-LR在B2情景下预测的2010—2039年的气温和降水资料。云地闪资料来自木里观测站2009—2015年的闪电定位系统（lightning location system）记录的云地闪（cloud to ground lightning，简称CG）数据，由于该观测系统建立的较晚，因此数据时间跨度较短。

1.2 分析方法

数据分析采用时间统计方法，结合气象绘图软件GrADS（grid analysis and display system）分析数据空间分布，最终得到木里云地闪时空变化特征。

2 四川木里地区气候变化

2.1 历史气候

从图1可看出，1960—2013年四川木里地区年平均气温、年平均最高气温及年平均最低气温都呈上升趋势。单从平均气温变化来看，其增幅为0.73 ℃/10 a，高于IPCC对于我国的评估以及西南地区增温统计[1，4]，以1980年改革开放为节点，在之前的20年，平均气温增幅很小（R2=0.004），围绕11.5 ℃上下波动;在20世纪80年代之后，随着改革开放和经济高速发展，平均气温增加显著（R2=0.840），增加幅度达0.842 ℃/10 a，明显高于前20年气温的增速，这比同时段西南地区平均升温率（0.036 ℃/a）[4]高出137.2%，说明木里地区为我国西南的增温显著区。其中，上升趋势从高到低依次为平均最低气温（R2=0.809）、平均气温（R2=0.758）、平均最高气温（R2=0.743），这种排序与我国近50多年气候变化[15]及四川盆地气候[16]的研究结论一致。由此导致了西南地区年温度较差减少，减少速率约为0.014 ℃/a，体现出相对的“暖冬”趋势[17]及 “冬暖夏凉”的特点[18]。

2.2 未来气候

由图3可见，2010—2039年木里地区的年均气温呈上升趋势（R2=0.539），其增温幅度（0.461 ℃/10 a）小于历史气温增温幅度（图1）。在这30年中，21世纪30年代增温最显著，其中的最低温（14.63 ℃）比2010—2029年的平均气温（14.28 ℃）还要高0.35 ℃。图4显示，木里地区从过去50年到未来30年一直呈现增温趋势。

图3仅反映出木里站点的气温变化趋势，由于是模拟预估，该研究用木里地区整个面积上的气温变化模拟做进一步辅助分析，关注趋势变化，如图5所示，重点分析木里地区气温趋势变化。由图5可见，在未来30年中，整个地区的气温变化与图3结论类似，也呈现增高的趋势。2010—2014年木里地区年平均气温在12 ℃等温线附近，而5年后12 ℃等温线开始逐渐向北移动，至2035—2039年该地区的年均温已逼近15 ℃等温线，比2010—2014年均温上升了约2 ℃左右。

从未来30年木里气象站逐年降水量变化（图6）可看出，2010—2039年该地区降水量总体呈波动下降趋势（R2=0.107），减少率为63.0 mm/10 a，远大于历史降水量的减少率（图2）。将历史和未来变化对比（图7）可以看出，该地区从过去50年到未来30年持续呈现降水量的下降趋势。

对整个木里及周边地区的降水量分布进行辅助分析，结果发现（图8），整个木里及其附近地区的年降水量是波动变化的，前10年间减少的最为显著。其中木里地区在2010—2014年年总降水量为900～1 000 mm（图8a），之后降水量下降至600～900 mm（图8b），期间900 mm等降水线逐渐北移（图8b～e），之后缓慢回归（图8f），但仍在800 mm附近波动，这表明木里地区的降水量將在未来30年间逐渐略减少，与之前通过对过去50多年该地区历史气象资料分析所得出的结论相符。

总体来看，木里地区未来30年的气候变化与历史趋势相符，也体现出相对较强的变暖、相对较弱的变干趋势，但是相比50年间的历史气候，未来30年的变暖趋势略有所缓解，但干旱趋势加剧。

3 四川木里地区云地闪变化

3.1 云地闪的时空分布

由国家气象局大气探测中心所得到的2009—2015年的云地闪数据（其中由于2013年6—9月数据缺失，因此2013年不纳入统计）来看（图9a），2014年云地闪次数最少，为5 920次，其他5年云地闪年均总次数均在9 678上下波动。以2014年为界，之前的云地闪次数呈现弱减少趋势（R2=-0.185），而2015年相比于2014年有大幅度的增加，比这6年的平均次数还要多371次。

从云地闪的季节性变化（图9b）来看，云地闪次数从多到少依次為夏季（7 494次）、秋季（1 622次）、春季（559次）、冬季（4次），夏季在全年中所占比重达77.4%，秋季占16.8%。云地闪多发生在4—10月，在1、2、12月云地闪几乎不发生，因此冬季不予考虑。其中6月份次数最多，占全年的33.9%。

为了研究云地闪空间分布，根据季节分为春、夏、秋季，同时以木里地区中轴线28.6°N和100.8°E为参照线划分出4个象限，即东北部象限I、西北部象限Ⅱ、西南部象限Ⅲ以及东南部象限IV，得到云地闪分布（图10）。从图10可以看出，在春季，云地闪核心区在第IV象限，即木里东南区域;到夏季云地闪增加了2 529.28%，整个地区分布均比较密集，核心区不显著;而到秋季明显下降，核心区重回第IV象限。春、秋季正是森林雷击火高发季，对应的云地闪多发生在28.6°N以南、100.8°E以东的东南地区，这里也是木里地区相对海拔较低的区域，包括乔瓦镇、牦牛坪乡、项脚蒙古族乡等地。

3.2 云地闪与气象因子的关系

有研究表明，闪电活动对气温季度平均值的年际变化有灵敏的正响应[20]。该研究以气温和降水因子作为与云地闪关系密切的气候因子进行研究。气候资料亦取2009—2015年资料进行分析。其中，平均气温和降水量与云地闪次数拟合相关性如表1。

需要说明的是，每个月的云地闪-降水量与云地闪-气温未必表现为统一关系，但在季节代表性月份12月（冬季）、3月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季），正好出现了云地闪与气温呈现较强的正相关，同时与降水量呈现相对较弱负相关的关系。因此，与之前的分析对应，木里地区的逐渐升温与缓慢干旱共同作用，会使这些月份云地闪呈现增长趋势，特别是春季的3月和秋季的10月，也正是传统森林雷击火的高发季。

4 结论与讨论

（1）历史气候资料（1960—2013年）和未来预估资料（2010—2039年）均显示，木里地区年平均气温呈现增加趋势，但未来年平均气温的增加趋势和增幅略减。对于降水量，无论是实测资料还是预估资料均显示降水量呈略下降趋势，且未来降水量减少将更为显著。

（2）以2014年为拐点，之前的云地闪数量总体递减，之后递增。具体而言，在季节上，夏季云地闪次数最多，其次为秋季、春季，冬季最少。云地闪主要集中在4—10月，6月最多。在空间分布上，云地闪随着春季、夏季、秋季的变化，显示出以28.6°N和100.8°E为参照线的东南部向整个区域扩散、随后再向东南方向缩减的趋势。

（3）在代表性月份，12月（冬季）、3月（春季）、8月（夏季）、10月（秋季）均出现了云地闪与气温正相关、与降水量反相关的关系，因此随着气候干暖化，在这些月份的云地闪会呈增长趋势。

研究表明，1 ℃的增温将导致5%～6%的闪电活动增加[10]，云地闪也会随之增加[21]，这在我国东北大兴安岭地区已有体现[22];在西南地区，包含木里地区在内的干旱趋势也已经明晰，这种变暖、变干的趋势极有利于林木雷击火灾害的发生[12]。相关统计表明，2005—2008年木里的森林火灾中，雷击火占46.7%[7]。另一方面，云地闪击形成瞬时极端高温（达6 000～10 000 ℃），导致被击中树木体内水分迅速汽化，会造成树木倒伏、炸裂、枯死，形成林窗，改变森林群落的结构和演替动态，同时可能在来年引起病虫害[23]，是促使树木直接死亡的重要自然因素[24]。由此可见，森林雷击灾害是该地未来天然林自然灾害的重要来源，特别是云地闪相对多且较为干燥的3月、10月，尤其应该关注森林雷击火问题，以气温、降水变化作为雷击火防控的重要指征，特别是气温增加、降水量减少的气候条件，更需关注。在空间上，应主要关注木里地区东南部的乔瓦镇、牦牛坪乡、项脚蒙古族乡、李子坪乡、列瓦乡、下麦地乡、三角垭乡等地。

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