是什么助燃了如今的极端火灾事件？——地球物理学家解密野火火灾产生因素

编译 舒愉棉

提笔撰写本文的时候正值7月之末，美国12个州有79处野火正熊熊燃烧。在俄勒冈州，巨火吞噬掉了近40万英亩的土地——接近罗德岛（希腊第四大岛）面积的一半——并摧毁了成百上千的建筑与车辆，其中包括160多所住宅。美洲西半部大陆野火产生的烟雾让东部城市（包括我所身处的多伦多市）暗无天日，居住在波士顿、纽约和华盛顿特区的人们在满是烟雾、朦胧昏暗的天空下苦苦挣扎。

关于野火的新闻报道频出，这意味着在气候变化的推波助澜下，野火的发生正日趋频繁，燃烧得也日益猛烈。珍妮丝•科恩（Janice Coen）是位于科罗拉多州博尔德市的美国国家大气研究中心的项目科学家，她在整个职业生涯中都致力于研究野火及其与气候系统和大气之间的复杂关系。她运用红外图像与计算机模型来尝试预测野火会在何处点燃、如何随着时间推移演变以及其与气候之间的联系。

在线上采访中，科恩告诉我，气候变化在野火中扮演着重要的角色。然而，她提到，“这不像‘世界越来越热’或‘世界越来越干燥’那么明显”。野火的地球物理学原理是复杂的，但科恩享受解密它们的挑战。她说，她的研究中心“正试图让我提供给媒体30秒的声音小茶点”，但她笑着补充道，她的回答“更像是感恩节晚餐”。

这一晚餐无比滋养，随着我们探讨“火旋风”，野火如何制造专属的气候系统、指定的燃烧地以及我们日益升温的世界，科恩带着她专业的权威与清晰的条理将科学原理阐述得栩栩如生。

消防队员 研究野火的科学家组成了一个“非常奇怪的领域”，珍妮丝•科恩说道。在研究大气科学的领域中，很多人都有着相似的背景，但大多都是林业工作者；研究的也不是物理学，而是生态学。他们研究世界并试图寻找因果关系，当你谈论计算机流体力学模型时会在一定程度上让他们感到困惑。每周都会有利用机器学习为火灾建模的人打电话给我，这个领域里有许多事物聚合在了一起

野火是否变得更加的极端或者频繁了？还是说二者兼而有之？

这其实存在年份与年份之间的差异。在一些年份里，野火的燃烧面积高于平均水平，而另一些年份里则低于平均水平。我们一般不会报道这些，这并不是头条新闻内容。但趋势可以一次性持续几十年。重要的是，即使你是在查阅全球平均温度，要记住，这个数字可能在接下来50年会持续上升，但这并不意味着人类正在对气候产生影响；这个数字也可能在接下来的50年保持不变，这也并不意味着我们没有对气候产生影响。这其中有很多的自然变异性，而人类正在加剧这一变异性。

至少通常看上去，这个世界似乎正四处燃烧。

我们之中几乎所有现在尚未退休的人都只会生活在这气候总体在变暖的时期。尽管这对个别火灾的影响会有不同，但确实会对野火火灾产生整体影响。例如，我们曾目睹过地球高空急流向北移动，并产生动态影响。加利福尼亚州就曾遭遇过包括暗黑风（Diablo winds）和魔鬼风（Santa Ana winds）在内的更多暴风，这些暴风出现时正值美国大盆地内华达州境内上空有高气压，这会将空气向大海推挤，在山脉和沿海范围形成这些暴风。但随着这些高空急流向北移动，可以预言我们在未来不会再遇到这么多暴风。此外，当我们谈论野火火灾时，绝大多数探讨的都是幂律分布现象，只有百分之几的野火火灾会燃烧超过100公顷，而这些少数派烧毁的面积占总烧毁面积的85%以上。所以我们真的讨论的是少数极端事件。

那我们是否知道是什么触发了这些极端事件呢？

原因通常会落在频谱的两侧末尾，一端是由风驱动的野火，即强风将野火向下坡方向推动，另一端则是由于天气干燥炎热，但风力弱且风向可能是自海向陆。如果野火在某个机缘巧合的位置被点燃，比如在峡谷的底部，那么野火就会开始燃烧并释放能量，在其上空形成一股向上漂浮的空气，这会将周围空气拽向此处，让火焰燃烧得更加旺盛，并将火势向前推动，制造更强的羽流。这种内部动态反馈回路可以让火势快速往山上蔓延。所以这常常会形成两种极端情况。

当我们研究到这些极端情况时，它们通常是潜在火灾易感性的——我讨厌这个术语——“完美风暴”。这可能是一个持续的干旱期，遇上刚好能够扩大火势的当地气候模式。2020年，整个西南地区都存在较高的蒸汽压亏缺，然后祸不单行地出现了偶然点火。在加州东北角，火灾则通常是由雷暴泄流引起的。

但当我们研究气候历史的时候，我们能够鉴定出引发野火的模式有哪些。在我所居住的科罗拉多，能引发野火的气候模式就有着相似的特性。这里在过去发生过的大事件莫过于非季节性下坡风：风自西北部来，穿过落基山，由此会产生有意思的重力波动力学现象，这会驱动着风顺着东面山坡而下，达到时速90至100英里。科罗拉多的气候模式让这样的风力事件通常发生在11月和12月，但如果发生在7月，遇上正值野火火灾季节也就是当地“一点就着”，那么一粒火星，不论来自闪电还是人为，我们都会遭遇灾难性的火灾。

最近我读到名为“火积云风暴”（pyroCb）的现象，那是什么现象呢？

当火通过植被燃烧，释放的热量与水蒸气（水的气体形态）会进入上空，这让上空的空气相较于区域外的气体更易上升，上升后产生一种“火流”（ fire flow）。如果火流足够潮湿且火势足够强盛，那么就会促使其达到能够扩散并冷却的一个位点，引起空气中的水蒸气凝结形成火焰上方的云层，这被称为火积云。

就像近年不列颠哥伦比亚省的大火一样，如果火势足够强，那么就能驱动火积云向上进入大气层，形成冰粒，甚至还能再向上进入平流层，形成深厚积云，一路越过喷气式飞机飞行的地方，产生的这些烟流上升到空气快速向东移动的位置。这有可能形成能够产生烟雾的羽流，产生的烟雾会下降到东海岸的某处。

从长远来看，这会有问题，因为火积云和冰粒的产生会转为降水，落下并蒸发，形成阵风锋。阵风锋可以改变风向，火势就可能突然掉头转向消防队员。这与野火火灾引起的大量死亡事件有关，包括2013年在亚利桑那州发生的亚内尔山火灾。

火灾形成专属的气候系统意味着什么呢？

尽管这个话题主要是在讨论极端气候时会被提及，但事实上即便是一个小型的草地起火也会对大气产生影响。举例来说，如果你从匀质燃料中起燃火焰，即使沿着直线方向点燃，均匀的风也在推动着火焰前进，但火势并不会沿着笔直的方向前进，而是会下弯形成一个椭圆形。这一现象产生是由于对流的本质：比起沿着直线上升，火势更容易蹋下形成柱形。所以这真的是火焰行为的基本特质。

但这个术语也会在我们讨论极端事件时出现，在这些事件中风推着羽流攀升得比火焰本身更快。在这些大型羽流驱动的事件中，我们测量出火内的风速超过每小时100英里。这些扩散火势的风完全是由火焰本身产生，我们将其称为“火引风”，这些风能够比火焰周围的风强十倍及以上，能够连腰折断粗壮的大树，能够将树从地上连根拔起。

再给我们多讲讲“火焰龙卷风”或者“火龙卷”吧。

它们也被称为“火旋风”。我已经能模拟出其中的一部分，例如几年前在加利福尼亚州雷丁郊外的卡尔火灾。那是一个风速超过每小时100英里的巨型火旋风，其形成源于来自西部沿海区域的风一路向下，抵达位于萨克拉门托山谷顶部的雷丁，与朝着山谷北部向上过来的风交汇，形成一个风从四面八方而来的剪切带。当山火经过此处时，剪切带将旋涡的方向转为垂直向，并形成持久、极为强势的火旋风，并在穿过雷丁镇时，持续蔓延了好几分钟，造成了巨大的破坏。所以，这就是另一种完全由因火而生的风所造成的现象。

您能预测诸如火旋风一类的特异现象可能会在何时何地发生吗？

我们能预测很多这类火灾现象，诸如火旋风，有时候一对旋转的火柱朝向火焰前锋倾斜，它们相遇的位置能够加速或者减缓彼此之间的火焰。当直升机越过此间的高压带，有时会遭遇下降气流，会让飞机下落100英尺左右，这非常危险，因为这个起点位置并不高。这种突然的下降就是由于火引风造成的，这能被我们的模型捕捉到。能够实现这一现象的捕捉非常复杂，需要专业人士完成，但这能让风向改变预测以及后续事件进展预判等这些非常了不起的事成为可能。我认为在未来十年内，我们应该能够预测火旋风可能形成的位置。

让我们回到这些极端野火火灾事件和全球气候改变之间的联系，您还有什么其他要补充的吗？

每当发生大火时，人们要么说，“哦，这是燃料堆积造成的”，或者说，“这是气候变化引起的”，但其实火灾的发生是由于各种因素齐头并进，其中一部分因素会以相较于其他因素更慢的周期发生变化。当我们将其拆解开来探究这些变化速度较慢的因素，我们发现其中这些因素某些特定方面会受到气候的影响，例如树冠含水量。树冠会受到诸如干旱虫害与季节性变化等变化缓慢事件的影响。这些事件能够影响特定类型的火灾，而对于其他的则影响甚微。要将火灾行为归因于气候其实是因“灾”而异的。

我们必须要注意到，气候模式是随着时间发生了变化的。当我的同事安德烈•普瑞因（Andreas Prein）研究下坡风事件的历史记录时发现，在过去50年间，这些事件有上升的趋势。这意味着如果你住在温哥华、华盛顿或俄勒冈州，你也许会经历更多这样的下坡风事件。我们还必须要考虑气候尤其是干燥气候，如果下坡风事件的发生正好与干旱期重叠，也就是如果夏日气候延迟进入到秋季，再遇上下坡风事件，那么我们也许会遇到更多的极端火灾事件，就像去年俄勒冈州和华盛顿州发生的火灾一样。这些不同尺度的事件如何会聚集在一起并在不同地区制造出极端火灾，这确实很复杂，而不像“世界正变得越来越热”或“世界正变得越来越干燥”说得那么简单。

我曾读到，当火灾产生的烟雾开始阻隔阳光，温度会出现下降的情况，请问这个现象明显吗？

是的。火灾产生的烟雾能够弥漫扩散得很远。我记得2002年科罗拉多海曼火灾期间，有一股由下坡风事件产生的烟流深入到大气层，强风将这一烟流拉扯着横跨科罗拉多东部，在这一烟流影响下，温度下降约12摄氏度，所以烟流下方温度更凉快，而这毫无疑问对天气产生了影响。因此，这能成为占主导地位的地区气候因素。

2018年不列颠哥伦比亚省大火产生的烟流持续时间如此之长，以至于当地居民声称发现烟流下方的农作物减产现象。由此可见，持续燃烧的深火可能会对当地区域气候产生扰动，不仅影响身边风的气候，还影响入口的食物。

计划火烧（以可控方式、人为刻意点燃的火）作为减轻野火潜在危害的应对策略，其重要性如何呢？

生态系统中，火灾是一种自然干预，对于自然而言是有益处的，而计划火烧是用于减少生态系统中的可燃物。我们需要学会当看向窗外、看见烟流时说，“这是一场有益处的火灾，正对窗外之景做着有益处的事情”。我们不喜欢某些火灾，因为它们对我们的城市、社区和荒野产生影响。但这些火灾中的许多都服从于一个好的目的，但伴随它们而来的也有风险。在科罗拉多就曾发生过后来我们失去控制的计划火烧。这并不罕见，但却害死了居民，并且阻碍了计划火烧这一工具的使用，让土地管理者退而求助其他那些也许更笨拙、效果更差的工具，例如机械疏伐。

人们想要更多地使用机械疏伐，但我认为这作为一种解决方案被过分夸大了。2018年加州天堂镇营地大火是一场极具破坏性的火灾，造成死亡人数超过85人。在这一案例中，火势沿着之前火灾留下的火疤再横扫了一次，因为当地气候模式的原因，火疤成了非常多风的位点。营地大火在早期主要沿着草地蔓延，那里有之前火灾留下的火疤。所以我们不能将每场灾难性的火灾都归因于机械疏伐做得还不够多。

作为一名科学家，您想极尽可能去了解更多关于这些复杂系统的信息，但显然，决策制定者和政治家们也有工作要做。科学家与决策者之间应该发生怎样的相互作用，从而减轻这些火灾造成的危害呢？

在我们的联邦政府中，有许多机构都与火灾有利害关系，但没有哪个单独的机构能够控制火灾。私营部门在新工具引进与新事物尝试方面做了大量的工作，但现在我们沉溺于新工具，每一个新工具都被信誓旦旦地保证说具有创新性、能解决火灾问题。如今资金满天飞，当下时代有趣又纷纷扰扰。于我而言，野火火灾显然就是气候问题和物理学问题，但大多政策是运用已经过时的模型来制定的。通过我们已有的工具，我们应该能够对诸如计划火烧等做出更好的预测。许多人都会说这类问题并非是技术的缺乏，而是在于诸如政策和监管等其他因素。而政治文化比技术更具挑战性。

资料来源Nautilus