氣象條件異常對美國加利福尼亞州山火的影響

田永麗，王秋華

（1.云南省氣象服務(wù)中心，云南 昆明 650091；2.西南林業(yè)大學 土木工程學院，云南省森林災(zāi)害預(yù)警與控制重點實驗室，云南 昆明 650224）

2017年10月8日和2018年11月8日，兩場損失慘重的山火分別從美國加利福尼亞州（以下簡稱加州）北部開始燃燒，火災(zāi)不僅殃及大面積山林，還迅速蔓延到附近居民區(qū)，毀壞建筑、破壞城鎮(zhèn)，造成了大量人員傷亡，大批民眾流離失所。“10·8”加州山火事件嚴重程度被稱為加州歷史上排名第三的森林火災(zāi)，而“11·8”美國加州山火事件被稱為加州歷史上最具破壞性的一次火災(zāi)[1]。

加州位于美國西南部的太平洋沿岸，州內(nèi)多高山峽谷，西部有海岸山脈，中東部有內(nèi)華達山脈，南部有沙漠，因其所在的地理位置，每年干燥少雨期長，具有利于山火發(fā)生的氣象背景[2]，但連續(xù)發(fā)生破壞巨大的重型火災(zāi)仍屬罕見。已往的很多研究表明，氣象因素尤其是極端天氣對火災(zāi)次數(shù)、過火面積、人員傷亡等林火行為有很大影響[3-6]。Taylor等人[7]研究發(fā)現(xiàn)，在美國西部地區(qū)，年際和年代際氣候變化對內(nèi)華達山脈北部地區(qū)森林火災(zāi)活動有重要調(diào)節(jié)作用，大面積火災(zāi)與太平洋年代際濤動（PDO）的位相變化有關(guān)，PDO從正位相到負位相轉(zhuǎn)換期間，火災(zāi)最易發(fā)生。全球區(qū)域氣候異常變化的影響具有共性，本文從天氣氣候異常的角度出發(fā)，分析秋季造成加州林火多發(fā)的氣象條件，探討秋季東太平洋至北美西部地區(qū)高低空環(huán)流異常特征及其對美國加州天氣異常的影響機制，從氣象視角為區(qū)域林火防治工作提供參考。

1 加州的天氣氣候背景

加州位于太平洋東緣北美大陸西岸32°～42°的中緯度地區(qū)，南部與亞利桑那沙漠相接，東部是內(nèi)華達山脈。屬于典型地中海氣候，在副熱帶高壓和盛行西風的交替控制下形成了夏季炎熱干燥，冬季溫和濕潤的氣候特征[8]。這可以從平均高度場上看到。如圖1(a)所示，在夏季，副熱帶高壓勢力增強覆蓋北美大陸中南部，588脊線平均到達北緯30°N附近，最北可達40°N，整個加州在副高環(huán)流控制下，高壓內(nèi)部盛行下沉氣流，干燥晴朗。到了冬季，副高強度減弱面積收縮，588脊線南撤到25°N以南的洋面上，加州被強盛的中緯度西風帶控制（圖1（b）），盛行西風帶來太平洋上暖濕的水汽，在當?shù)匦纬山涤辍５?，此時西風帶風速偏大，上游是下墊面均勻的洋面，經(jīng)向度波動小，因此降水的量級較低緯度地區(qū)偏小。

圖1 1981-2010年北美地區(qū)500 hPa平均位勢高度場（單位：gpm）（a夏季 b冬季）

2 近1100年加州降水和氣溫的變化

在全球氣溫持續(xù)升高的氣候背景下，大氣圈內(nèi)能量增加導(dǎo)致全球氣溫不均勻上升，極端天氣頻繁[9-11]。2009-2018年近10年間，加州不同地區(qū)的氣溫均在連續(xù)上升，降水量距平值雖在不同地區(qū)表現(xiàn)不同，但連續(xù)下降的趨勢是一致的。這里選取加州中部（北好萊塢）和南部（洛杉磯國際機場）兩個代表站點采用距平分析法做時間序列圖，結(jié)果見圖2。從圖中可見，加州南部的洛杉磯國際機場的年降水量從2011年至2018年，連續(xù)8年為負距平，并呈現(xiàn)連續(xù)走低趨勢；氣溫曲線變化趨勢與降水相反，在10年間連續(xù)上升，2009-2010年較常年偏低，但從2012年轉(zhuǎn)為正距平，2014年后連續(xù)5年偏高幅度大于0.5℃。在加州中部的北好萊塢，年降水量在2012年之前為正距平，2013年開始到2018年在均值附近逐年波動，整體表現(xiàn)為下降趨勢。在氣溫方面，北好萊塢也是呈連續(xù)上升趨勢，同樣在2012年距平由負轉(zhuǎn)正，2013年至2018年氣溫偏高幅度在0.5～2℃之間，較南部的洛杉磯國際機場更高。

圖2 2009-2018年加州地區(qū)年平均氣溫及降水量變化趨勢（a）洛杉磯國際機場（b）北好萊塢

兩個代表站點表現(xiàn)出來的降雨量曲線與氣溫曲線反向變化趨勢表明，近10年加州地區(qū)的氣候有著雨量減少、氣溫上升的年代季特征。Fried等人的研究表明，在暖背景下氣溫上升可導(dǎo)致山火頻率增加一倍[12]。因此，這種少雨升溫的變化趨勢對于當?shù)厣只馂?zāi)的發(fā)生和持續(xù)顯然是有利條件。

3 大尺度環(huán)流異常對加州山火的影響

2017年10月和2018年11月加州兩次山火均出現(xiàn)在秋季，正處于夏季環(huán)流向冬季環(huán)流轉(zhuǎn)換時期，此時天氣系統(tǒng)調(diào)整頻繁，大氣環(huán)流穩(wěn)定度差，易發(fā)生異常表現(xiàn)引起天氣條件改變。

3.1 北美地區(qū)500 hPa高度場的異常表現(xiàn)

分析500 hPa月平均高度場及其距平場，可以較為直觀地考察中高層大尺度環(huán)流的月際特征。這里分別對2018年11月和2017年10月兩次火災(zāi)發(fā)生月北美地區(qū)的環(huán)流進行對比分析。

圖3給出了2018年11月500 hPa平均高度場的等值線數(shù)據(jù)。在北美洲經(jīng)向度較大，高度場上呈一槽一脊的長波分布，寬廣的北美大槽槽區(qū)西北向東南傾斜，位于大西洋中東部；北美中東部和太平洋中部則以緯向環(huán)流為主，平直等壓線上多短波擾動發(fā)生；北美大槽后部脊區(qū)位于北美洲西北部西經(jīng)160°～120°W，亦呈現(xiàn)西北東南向傾斜特征。由500 hPa高度距平場（圖3陰影區(qū)）可見，太平洋中東部至北美西部的距平場表現(xiàn)出一種明顯的準“東高西低”特征，北美洲西北部的正距平中心環(huán)繞著東北太平洋位于阿拉斯加和加拿大西部，高度場偏高80 gpm以上。正距平高度場南部到達墨西哥的下加利福尼亞半島北部，其中在加州附近偏高20～40 gpm。在太平洋中部170°～140°W，30°～45°N處存在一個閉合的負距平場，此處高度場較常年偏低10～20 gpm。距平場的異常表明，北美洲西部的西風暖脊區(qū)較常年更強，位置更偏南。

圖3 2018年11月北美地區(qū)500hPa位勢高度及距平場（單位：gpm）（等值線為平均場，陰影區(qū)為距平場）

圖4展示了2017年10月500 hPa平均高度場的等值線數(shù)據(jù)。在北美洲經(jīng)向度較小，高度場上呈弱的兩槽兩脊分布，兩個低壓槽區(qū)分別位于北美大陸中北部和大西洋中部；西部的高壓脊區(qū)位于150°～120°W太平洋東北部到北美大陸西部，強度和范圍均大于北美大陸東部的高壓脊。在2017年10月500 hPa高度距平場（圖4陰影區(qū)）上，太平洋中北部的正距平呈西北—東南走向，中心主體位于海上，該正距平中心位于北美西部高壓脊區(qū)的西部，在其東南部的美國西部附近（130°～110°W，28°～38°N）存在一個分裂的正距平副中心，強度稍弱。加州正好位于該副中心控制區(qū)域，高度場較常年偏高40～60 gpm。同時可以看到，在加州以西的太平洋中部存在一個范圍較小的負距平中心，大致位于160°～140°W，25°～45°N的區(qū)域內(nèi)，中心強度在10～20 gpm之間，此負距平中心與加州的正距平中心均位于30°N緯圈上（圖4矩形區(qū)域），呈東西向分布，因此也表現(xiàn)出了“東高西低”的特征。

圖4 2017年10月北美地區(qū)500 hPa位勢高度及距平場（單位：gpm）（等值線為平均場，陰影區(qū)為距平場）

對比2017年10月500 hPa月平均高度場距平和2018年11月500 hPa月平均高度場距平分析可見，兩次山火期間500 hPa高度場在東太平洋至北美洲西部表現(xiàn)出了較為相似的兩個特征。其一是北美洲西部加州及其以北地區(qū)高度場異常偏高。這將有利于東北太平洋高壓脊加強偏南發(fā)展，減緩副熱帶高壓南撤速度，推遲大尺度環(huán)流從夏季型向冬季型的季節(jié)轉(zhuǎn)換。另一個特征是中緯度30°N太平洋中部高度場較常年異常偏低，有利于太平洋中部對流活動加強。二者疊加后表現(xiàn)為在30°N太平洋中部和東部一種“東高西低”的高度場異常分布形態(tài)，在距平場上會強迫產(chǎn)生一個緯向的次級環(huán)流，環(huán)流上升支主要位于太平洋中部，向東在美洲大陸西岸附近下沉，從而加強加州地區(qū)秋季的下沉氣流。高度場異常、副高南退延遲影響大范圍水汽自西向東向美洲內(nèi)陸輸送，而次級下沉氣流將會削弱加州地區(qū)的動力抬升條件，不利于該區(qū)域降雨天氣的出現(xiàn)，直接給加州林火的防范和滅火工作帶來難度。

3.2 北美地區(qū)850 hPa風場的異常表現(xiàn)

為了考察大尺度高度場異常對加州附近中低層環(huán)流的影響，分別對2018年11月和2017年10月期間的850 hPa平均距平矢量風場進行分析。

分析表明，加州秋季（9～10月）的850 hPa平均流場受東太平洋反氣旋的東北邊緣環(huán)流控制，主要氣流為北偏西氣流。如圖5所示，在2018年11月的距平矢量風場中，50°N加拿大西南的洋面上有一個反氣旋環(huán)流，受其外圍偏北氣流影響，加州北部為東北風控制，翻越內(nèi)華達山后在加州中部偏東分量增加，內(nèi)陸的偏北風順著山脈南下至亞利桑那州，在內(nèi)華達山脈南端轉(zhuǎn)向為東南風，覆蓋加州南部。

圖6為在2017年10月850 hPa的距平矢量風場。東太平洋上的反氣旋環(huán)流位置更偏西，但北美太平洋沿岸地區(qū)仍在其外圍環(huán)流控制下，北風較常年明顯偏強。可以看到，加州北部地區(qū)主導(dǎo)風向為順著海岸山脈的北偏東風，中部地區(qū)轉(zhuǎn)為東北風和翻越內(nèi)華達山脈的偏東風，到了加州南部主導(dǎo)風向變?yōu)轫樦醒牍鹊啬舷碌谋逼珫|風。

圖5 2018年11月北美西部地區(qū)850 hPa月平均距平矢量風場（單位：m/s）

兩個秋季850 hPa風場上都表現(xiàn)出兩個相同的特征：一是在太平洋東岸、美洲大陸西岸的低層反氣旋環(huán)流較常年偏強；二是美國西岸加州地區(qū)的低層東風分量較常年偏強。低層異常偏強的反氣旋不利于東北太平洋海拔1500 m以下的暖濕水汽向東輸送。加州地區(qū)異常偏強的低層東風分量給當?shù)貛砹烁痈稍锏膬?nèi)陸氣流，該氣流在翻過內(nèi)華達山脈后會在背風坡因為“焚風效應(yīng)”進一步增溫干燥。當東太平洋低層的反氣旋更偏東時（見圖6），外圍東風還會繞過內(nèi)華達山脈，從加州南部的荒漠地區(qū)轉(zhuǎn)為東南風進入加州中南部地區(qū)，促使加州地區(qū)“圣安娜風”（SAWs）爆發(fā)和維持，對當?shù)厣交甬a(chǎn)生間接影響[13-14]。

圖6 2017年10月北美西部地區(qū)850 hPa月平均距平矢量風場（單位：m/s）

4 結(jié)論

從長期氣候角度來看，近10年美國加州地區(qū)的氣候有著雨量減少、氣溫上升的年代季特征，這種異常表現(xiàn)對于當?shù)厣只馂?zāi)的發(fā)生和持續(xù)具有明顯推動作用。在此氣候背景下，若考慮人為影響因子和可燃物影響因子不變，極端林火事件的概率必然上升。因此，在制定地區(qū)長期的森林防火戰(zhàn)略規(guī)劃時，必須考慮局地氣候變化特征及其未來發(fā)展趨勢。

環(huán)流異常導(dǎo)致水汽減少、空氣干燥、風速增加，會直接加劇加州當?shù)亓只鸱乐蔚膰谰蝿?。大尺度大氣環(huán)流異常削弱水汽輸送，減弱大氣斜壓性，不利于降雨天氣出現(xiàn)。在秋季的美國西部地區(qū)，500 hPa高度場異常偏高會導(dǎo)致副熱帶高壓位置偏北，同期若在30°N太平洋中部和東部存在“東高西低”異常分布，會額外加強加州地區(qū)的下沉輻散氣流，不利降水的形成。東太平洋北美西部地區(qū)850 hPa低層風場異常更會直接影響加州地區(qū)的降雨天氣。加強的北風東風分量不僅不利于西部洋面水汽到達陸地，還會帶來更干燥的內(nèi)陸氣流，促發(fā)“圣安娜風”的建立和維持。

資料來源說明：文中使用的資料為NECP的合成再分析500 hPa位勢高度場月平均資料及中國氣象局國家氣候中心全球極端氣候事件監(jiān)測資料及全球大氣環(huán)流監(jiān)測資料。