是什么助燃了如今的極端火災事件？
——地球物理學家解密野火火災產生因素

編譯 舒愉棉

提筆撰寫本文的時候正值7月之末，美國12個州有79處野火正熊熊燃燒。在俄勒岡州，巨火吞噬掉了近40萬英畝的土地——接近羅德島（希臘第四大島）面積的一半——并摧毀了成百上千的建筑與車輛，其中包括160多所住宅。美洲西半部大陸野火產生的煙霧讓東部城市（包括我所身處的多倫多市）暗無天日，居住在波士頓、紐約和華盛頓特區的人們在滿是煙霧、朦朧昏暗的天空下苦苦掙扎。

關于野火的新聞報道頻出，這意味著在氣候變化的推波助瀾下，野火的發生正日趨頻繁，燃燒得也日益猛烈。珍妮絲?科恩（Janice Coen）是位于科羅拉多州博爾德市的美國國家大氣研究中心的項目科學家，她在整個職業生涯中都致力于研究野火及其與氣候系統和大氣之間的復雜關系。她運用紅外圖像與計算機模型來嘗試預測野火會在何處點燃、如何隨著時間推移演變以及其與氣候之間的聯系。

在線上采訪中，科恩告訴我，氣候變化在野火中扮演著重要的角色。然而，她提到，“這不像‘世界越來越熱’或‘世界越來越干燥’那么明顯”。野火的地球物理學原理是復雜的，但科恩享受解密它們的挑戰。她說，她的研究中心“正試圖讓我提供給媒體30秒的聲音小茶點”，但她笑著補充道，她的回答“更像是感恩節晚餐”。

這一晚餐無比滋養，隨著我們探討“火旋風”，野火如何制造專屬的氣候系統、指定的燃燒地以及我們日益升溫的世界，科恩帶著她專業的權威與清晰的條理將科學原理闡述得栩栩如生。

消防隊員 研究野火的科學家組成了一個“非常奇怪的領域”，珍妮絲?科恩說道。在研究大氣科學的領域中，很多人都有著相似的背景，但大多都是林業工作者；研究的也不是物理學，而是生態學。他們研究世界并試圖尋找因果關系，當你談論計算機流體力學模型時會在一定程度上讓他們感到困惑。每周都會有利用機器學習為火災建模的人打電話給我，這個領域里有許多事物聚合在了一起

野火是否變得更加的極端或者頻繁了？還是說二者兼而有之？

這其實存在年份與年份之間的差異。在一些年份里，野火的燃燒面積高于平均水平，而另一些年份里則低于平均水平。我們一般不會報道這些，這并不是頭條新聞內容。但趨勢可以一次性持續幾十年。重要的是，即使你是在查閱全球平均溫度，要記住，這個數字可能在接下來50年會持續上升，但這并不意味著人類正在對氣候產生影響；這個數字也可能在接下來的50年保持不變，這也并不意味著我們沒有對氣候產生影響。這其中有很多的自然變異性，而人類正在加劇這一變異性。

至少通常看上去，這個世界似乎正四處燃燒。

我們之中幾乎所有現在尚未退休的人都只會生活在這氣候總體在變暖的時期。盡管這對個別火災的影響會有不同，但確實會對野火火災產生整體影響。例如，我們曾目睹過地球高空急流向北移動，并產生動態影響。加利福尼亞州就曾遭遇過包括暗黑風（Diablo winds）和魔鬼風（Santa Ana winds）在內的更多暴風，這些暴風出現時正值美國大盆地內華達州境內上空有高氣壓，這會將空氣向大海推擠，在山脈和沿海范圍形成這些暴風。但隨著這些高空急流向北移動，可以預言我們在未來不會再遇到這么多暴風。此外，當我們談論野火火災時，絕大多數探討的都是冪律分布現象，只有百分之幾的野火火災會燃燒超過100公頃，而這些少數派燒毀的面積占總燒毀面積的85%以上。所以我們真的討論的是少數極端事件。

那我們是否知道是什么觸發了這些極端事件呢？

原因通常會落在頻譜的兩側末尾，一端是由風驅動的野火，即強風將野火向下坡方向推動，另一端則是由于天氣干燥炎熱，但風力弱且風向可能是自海向陸。如果野火在某個機緣巧合的位置被點燃，比如在峽谷的底部，那么野火就會開始燃燒并釋放能量，在其上空形成一股向上漂浮的空氣，這會將周圍空氣拽向此處，讓火焰燃燒得更加旺盛，并將火勢向前推動，制造更強的羽流。這種內部動態反饋回路可以讓火勢快速往山上蔓延。所以這常常會形成兩種極端情況。

當我們研究到這些極端情況時，它們通常是潛在火災易感性的——我討厭這個術語——“完美風暴”。這可能是一個持續的干旱期，遇上剛好能夠擴大火勢的當地氣候模式。2020年，整個西南地區都存在較高的蒸汽壓虧缺，然后禍不單行地出現了偶然點火。在加州東北角，火災則通常是由雷暴泄流引起的。

但當我們研究氣候歷史的時候，我們能夠鑒定出引發野火的模式有哪些。在我所居住的科羅拉多，能引發野火的氣候模式就有著相似的特性。這里在過去發生過的大事件莫過于非季節性下坡風：風自西北部來，穿過落基山，由此會產生有意思的重力波動力學現象，這會驅動著風順著東面山坡而下，達到時速90至100英里。科羅拉多的氣候模式讓這樣的風力事件通常發生在11月和12月，但如果發生在7月，遇上正值野火火災季節也就是當地“一點就著”，那么一粒火星，不論來自閃電還是人為，我們都會遭遇災難性的火災。

最近我讀到名為“火積云風暴”（pyroCb）的現象，那是什么現象呢？

當火通過植被燃燒，釋放的熱量與水蒸氣（水的氣體形態）會進入上空，這讓上空的空氣相較于區域外的氣體更易上升，上升后產生一種“火流”（ fire flow）。如果火流足夠潮濕且火勢足夠強盛，那么就會促使其達到能夠擴散并冷卻的一個位點，引起空氣中的水蒸氣凝結形成火焰上方的云層，這被稱為火積云。

就像近年不列顛哥倫比亞省的大火一樣，如果火勢足夠強，那么就能驅動火積云向上進入大氣層，形成冰粒，甚至還能再向上進入平流層，形成深厚積云，一路越過噴氣式飛機飛行的地方，產生的這些煙流上升到空氣快速向東移動的位置。這有可能形成能夠產生煙霧的羽流，產生的煙霧會下降到東海岸的某處。

從長遠來看，這會有問題，因為火積云和冰粒的產生會轉為降水，落下并蒸發，形成陣風鋒。陣風鋒可以改變風向，火勢就可能突然掉頭轉向消防隊員。這與野火火災引起的大量死亡事件有關，包括2013年在亞利桑那州發生的亞內爾山火災。

火災形成專屬的氣候系統意味著什么呢？

盡管這個話題主要是在討論極端氣候時會被提及，但事實上即便是一個小型的草地起火也會對大氣產生影響。舉例來說，如果你從勻質燃料中起燃火焰，即使沿著直線方向點燃，均勻的風也在推動著火焰前進，但火勢并不會沿著筆直的方向前進，而是會下彎形成一個橢圓形。這一現象產生是由于對流的本質：比起沿著直線上升，火勢更容易蹋下形成柱形。所以這真的是火焰行為的基本特質。

但這個術語也會在我們討論極端事件時出現，在這些事件中風推著羽流攀升得比火焰本身更快。在這些大型羽流驅動的事件中，我們測量出火內的風速超過每小時100英里。這些擴散火勢的風完全是由火焰本身產生，我們將其稱為“火引風”，這些風能夠比火焰周圍的風強十倍及以上，能夠連腰折斷粗壯的大樹，能夠將樹從地上連根拔起。

再給我們多講講“火焰龍卷風”或者“火龍卷”吧。

它們也被稱為“火旋風”。我已經能模擬出其中的一部分，例如幾年前在加利福尼亞州雷丁郊外的卡爾火災。那是一個風速超過每小時100英里的巨型火旋風，其形成源于來自西部沿海區域的風一路向下，抵達位于薩克拉門托山谷頂部的雷丁，與朝著山谷北部向上過來的風交匯，形成一個風從四面八方而來的剪切帶。當山火經過此處時，剪切帶將旋渦的方向轉為垂直向，并形成持久、極為強勢的火旋風，并在穿過雷丁鎮時，持續蔓延了好幾分鐘，造成了巨大的破壞。所以，這就是另一種完全由因火而生的風所造成的現象。

您能預測諸如火旋風一類的特異現象可能會在何時何地發生嗎？

我們能預測很多這類火災現象，諸如火旋風，有時候一對旋轉的火柱朝向火焰前鋒傾斜，它們相遇的位置能夠加速或者減緩彼此之間的火焰。當直升機越過此間的高壓帶，有時會遭遇下降氣流，會讓飛機下落100英尺左右，這非常危險，因為這個起點位置并不高。這種突然的下降就是由于火引風造成的，這能被我們的模型捕捉到。能夠實現這一現象的捕捉非常復雜，需要專業人士完成，但這能讓風向改變預測以及后續事件進展預判等這些非常了不起的事成為可能。我認為在未來十年內，我們應該能夠預測火旋風可能形成的位置。

讓我們回到這些極端野火火災事件和全球氣候改變之間的聯系，您還有什么其他要補充的嗎？

每當發生大火時，人們要么說，“哦，這是燃料堆積造成的”，或者說，“這是氣候變化引起的”，但其實火災的發生是由于各種因素齊頭并進，其中一部分因素會以相較于其他因素更慢的周期發生變化。當我們將其拆解開來探究這些變化速度較慢的因素，我們發現其中這些因素某些特定方面會受到氣候的影響，例如樹冠含水量。樹冠會受到諸如干旱蟲害與季節性變化等變化緩慢事件的影響。這些事件能夠影響特定類型的火災，而對于其他的則影響甚微。要將火災行為歸因于氣候其實是因“災”而異的。

我們必須要注意到，氣候模式是隨著時間發生了變化的。當我的同事安德烈?普瑞因（Andreas Prein）研究下坡風事件的歷史記錄時發現，在過去50年間，這些事件有上升的趨勢。這意味著如果你住在溫哥華、華盛頓或俄勒岡州，你也許會經歷更多這樣的下坡風事件。我們還必須要考慮氣候尤其是干燥氣候，如果下坡風事件的發生正好與干旱期重疊，也就是如果夏日氣候延遲進入到秋季，再遇上下坡風事件，那么我們也許會遇到更多的極端火災事件，就像去年俄勒岡州和華盛頓州發生的火災一樣。這些不同尺度的事件如何會聚集在一起并在不同地區制造出極端火災，這確實很復雜，而不像“世界正變得越來越熱”或“世界正變得越來越干燥”說得那么簡單。

我曾讀到，當火災產生的煙霧開始阻隔陽光，溫度會出現下降的情況，請問這個現象明顯嗎？

是的。火災產生的煙霧能夠彌漫擴散得很遠。我記得2002年科羅拉多海曼火災期間，有一股由下坡風事件產生的煙流深入到大氣層，強風將這一煙流拉扯著橫跨科羅拉多東部，在這一煙流影響下，溫度下降約12攝氏度，所以煙流下方溫度更涼快，而這毫無疑問對天氣產生了影響。因此，這能成為占主導地位的地區氣候因素。

2018年不列顛哥倫比亞省大火產生的煙流持續時間如此之長，以至于當地居民聲稱發現煙流下方的農作物減產現象。由此可見，持續燃燒的深火可能會對當地區域氣候產生擾動，不僅影響身邊風的氣候，還影響入口的食物。

計劃火燒（以可控方式、人為刻意點燃的火）作為減輕野火潛在危害的應對策略，其重要性如何呢？

生態系統中，火災是一種自然干預，對于自然而言是有益處的，而計劃火燒是用于減少生態系統中的可燃物。我們需要學會當看向窗外、看見煙流時說，“這是一場有益處的火災，正對窗外之景做著有益處的事情”。我們不喜歡某些火災，因為它們對我們的城市、社區和荒野產生影響。但這些火災中的許多都服從于一個好的目的，但伴隨它們而來的也有風險。在科羅拉多就曾發生過后來我們失去控制的計劃火燒。這并不罕見，但卻害死了居民，并且阻礙了計劃火燒這一工具的使用，讓土地管理者退而求助其他那些也許更笨拙、效果更差的工具，例如機械疏伐。

人們想要更多地使用機械疏伐，但我認為這作為一種解決方案被過分夸大了。2018年加州天堂鎮營地大火是一場極具破壞性的火災，造成死亡人數超過85人。在這一案例中，火勢沿著之前火災留下的火疤再橫掃了一次，因為當地氣候模式的原因，火疤成了非常多風的位點。營地大火在早期主要沿著草地蔓延，那里有之前火災留下的火疤。所以我們不能將每場災難性的火災都歸因于機械疏伐做得還不夠多。

作為一名科學家，您想極盡可能去了解更多關于這些復雜系統的信息，但顯然，決策制定者和政治家們也有工作要做。科學家與決策者之間應該發生怎樣的相互作用，從而減輕這些火災造成的危害呢？

在我們的聯邦政府中，有許多機構都與火災有利害關系，但沒有哪個單獨的機構能夠控制火災。私營部門在新工具引進與新事物嘗試方面做了大量的工作，但現在我們沉溺于新工具，每一個新工具都被信誓旦旦地保證說具有創新性、能解決火災問題。如今資金滿天飛，當下時代有趣又紛紛擾擾。于我而言，野火火災顯然就是氣候問題和物理學問題，但大多政策是運用已經過時的模型來制定的。通過我們已有的工具，我們應該能夠對諸如計劃火燒等做出更好的預測。許多人都會說這類問題并非是技術的缺乏，而是在于諸如政策和監管等其他因素。而政治文化比技術更具挑戰性。

資料來源Nautilus