当地时间1月7日，美国加利福尼亚州南部地区突发山火，火势在大风下迅速蔓延，美国第二大城市洛杉矶遭遇有记录以来破坏程度最严重的火灾。截止当地时间1月9日，山火已经造成至少7人遇难，数万栋房屋被毁，超过10万人被迫疏散。山火还波及到著名的好莱坞山，多名演员的豪宅被烧毁。
美国加州南部山火持续肆虐 （图片来源： 央视新闻）
当地时间1月8日，WorldView-3卫星拍摄的美国加利福尼亚州洛杉矶阿尔塔迪纳地区图像 （图片来源： Maxar）
引发山火的罪魁祸首——焚风
引发山火肆虐的直接原因是当地的著名干热风——圣塔安娜风（Santa Ana winds）。圣塔安娜风是沿着加州南部山口吹过的强风，风力经常达到8级以上，而且特别温暖干燥，因易于引发山火而被称为“魔鬼之风”（Devil Winds）。在圣塔安娜风影响下，加州南部几乎每年都会出现山火蔓延的灾情。
多角度成像光谱仪（MISR）拍摄的圣塔安娜风掀起空气尘埃的图像（图片来源：wikipedia）
在气象学上，圣塔安娜风实际上是一种焚风（foehn）。焚风是气流在山地迎风坡上升时发生物理变化，在背风坡下沉后形成的干热风，名字源于拉丁语的favonius，意为“温暖的西风”。
焚风形成过程的示意图 （图片来源： David Darling）
介绍焚风的形成原理之前，我们需要先了解气温垂直递减率，其分为干绝热垂直递减率和湿绝热垂直递减率，也就是说空气在不同湿度条件下随着海拔变化的幅度并不相同。
关于气温随海拔降低，可能很多人听说过这个说法：海拔每上升100m，气温平均下降约0.6℃。如果忽略其他热量交换的因素，只考虑海拔上升带来的温度变化，0.6℃/100m的变化率是在相对湿度100%的饱和湿空气中的湿绝热递减率。
而在不饱和的湿空气或者较为干燥的空气中，海拔每上升100m，气温平均下降约1℃，这就是干绝热递减率。湿绝热递减率更低的原因在于空气中的水汽达到饱和后，更多的水汽会凝结成水滴，而凝结会释放热量，这就导致了温度减少没那么快。
气流在翻越山脉时降温，直到温度降低到露点（空气中水蒸气达到饱和而凝结液态水所需的温度），空气中的水汽凝结成云或雨，这也是迎风坡降水或者地形雨的原理。此时空气湿度达到100%，参考湿绝热递减率低于干绝热递减率，空气接着以较慢的速度降温。等气流翻过山脉下沉，由于大部分水汽都在爬升过程中成云致雨了，所以这时候较为干燥的空气便以较快的增温速率下沉，在经过背风坡后气温较高且非常干燥，容易产生焚风效应。
背风坡（右侧）气温比迎风坡（左侧）更高 （图片来源： dailyECO）
我国川滇地区的干热河谷就是发生焚风效应的典型地区，来自印度洋方向的西南气流在翻越横断山脉以后就会下沉，导致这一带的河谷较为温暖干燥，是春季山火多发的重要原因。我国的太行山东麓地区在每年六月份前后容易出现干热高温天气，其中也有焚风效应的因素。
横断山区的干热河谷 （图片来源： 《气象知识》）
从内陆而来的“恶魔之风”
说回圣塔安娜风，这类风常常在每年秋季到次年初春季出现，这是由于这个时间段的加州内陆地区容易形成内陆高压，气流会从内陆向沿海流动，形成东北风。圣塔安娜风在翻越海岸山岭、内华达山脉等多个山脉产生焚风效应后，还要经过干燥的莫哈维沙漠，因此在到达处于背风坡的洛杉矶地区时格外干燥，极易引发山火。
东北风经过加州的山脉后形成焚风 （图片来源： USGS）
近两日的探空气球数据显示，在多方气象因素影响下，洛杉矶当地的气温递减率居然达到了-3.6℃/100m，远超正常的干绝热递减率，意味着圣塔安娜风从两三千米高的南部山脉下沉时，每下降100m气流温度就会上升3.6℃之多，达到城区时温度极高。
除了南加州的圣塔安娜风以外，北加州的大恶魔风（Diablo Wind）也是具有类似成因的焚风，主要影响旧金山地区。“魔鬼”和“大恶魔”两种焚风使得加州每年都会出现规模不小的山火。
南、北加州同时存在焚风引发山火的问题 （图片来源： CBS）
山火背后的拉尼娜效应
此次加州肆虐的山火与拉尼娜现象也存在联系。太平洋是世界第一大洋，热带太平洋的冷暖对全球气候有着非常显著的影响。赤道中东太平洋的表面温度异常增暖现象，叫做厄尔尼诺（El Nino），而其相反的异常变冷的现象，叫做拉尼娜（La niña）。
2024上半年，随着赤道信风的增强，赤道中东太平洋各区域的海温开始快速衰减，于2024年五月份进入偏冷状态，一次中等偏强的厄尔尼诺已于2024年春季末期结束；而随着后续信风的持续增强，赤道中东太平洋在最近一段时间已经显著偏冷，一次拉尼娜事件正在发展当中。
1月7日全球海表温度距平，赤道太平洋中部地区明显偏冷（图片来源：OISST）
而这次拉尼娜的发展和南加州地区持续干旱有密切联系，根据美国国家气象局（National Weather Service）的说法，2024年下半年洛杉矶经历了有记录以来最为干旱的时期之一：从5月6日~12月31日，洛杉矶市中心降雨量仅仅只有4.06mm，仅仅比1962年要高，是历史第二干旱的时期。
近日美国多地遭遇旱情，地图中颜色越深表示旱情越严重（图片来源：UNL）
拉尼娜导致太平洋东海岸出现寒冷水层，进而通过太平洋-北美遥相关机制影响到北美地区的气候。遥相关是一种特殊的大气现象，在复杂的海气相互作用机制或大气桥机制作用下，相隔数千公里的两地也有在气候要素上达到较高程度的相关性。
在太平洋-北美遥相关机制作用下，北美西部受到持续的西北气流影响，西风带的梯度风加强，导致中高纬度地区温暖湿润的太平洋海风进入山区后在迎风坡下雨，移动到低纬度地区则在背风坡下沉形成焚风，加剧当地的气候干燥程度。2024年下半年，美国南部地区出现罕见的干旱，北方地区出现分布不均的暴雨。
2021年，美国拉蒙特-多赫蒂地球观测站的内森·斯泰格(Nathan Steiger)和同事通过汇编两个半球的气候代用指标记录，将数据纳入一个气候模型。他们重建了北美地区特大干旱的发生模型，发现在过去千年内，北美西南部发生9次特大干旱，南美西南部发生12次，平均持续时间分别为31.8年或21.2年。其中，7次事件在两个地区同时发生，都是与拉尼娜气候事件有关的东太平洋海面温度较低所致。
而气候变化带来的影响不止于此，根据相关的研究表明，加州地区的气候近年来出现明显的雨量减少、气温上升的年代际特征变化，进一步加剧当地森林火灾风险。
洛杉矶机场2009-2018年的年降雨与年平均气温变化，呈现出高温、少雨的趋势 （图片来源： 参考文献[1]）
气候异常、长期干旱、突发强风，加之当地森林防火基础设施缺乏、消防组织能力不足，多方因素最终导致加州此次的山火灾情。在气候变化的大背景下，如何应对极端天气带来的气象灾害，终将是每个地球居民都要思考和面对的问题。
参考文献：
[1]田永丽,王秋华.气象条件异常对美国加利福尼亚州山火的影响[J].森林防火,2019,(03):21-25.
[2]Yufang Jin et al 2015 Environ. Res. Lett. 10 094005 DOI 10.1088/1748-9326/10/9/094005
[3]杨丹宁,罗德海.ENSO循环与太平洋—北美型遥相关事件的关系[J].气候与环境研究,2014,19(03):278-289.
作者：等风
作者单位：中国科学院大学地球与行星科学学院
来源：科学大院
编辑：姬子隰
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