气象条件异常对美国加利福尼亚州山火的影响

田永丽，王秋华

（1.云南省气象服务中心，云南 昆明 650091；2.西南林业大学 土木工程学院，云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224）

2017年10月8日和2018年11月8日，两场损失惨重的山火分别从美国加利福尼亚州（以下简称加州）北部开始燃烧，火灾不仅殃及大面积山林，还迅速蔓延到附近居民区，毁坏建筑、破坏城镇，造成了大量人员伤亡，大批民众流离失所。“10·8”加州山火事件严重程度被称为加州历史上排名第三的森林火灾，而“11·8”美国加州山火事件被称为加州历史上最具破坏性的一次火灾[1]。

加州位于美国西南部的太平洋沿岸，州内多高山峡谷，西部有海岸山脉，中东部有内华达山脉，南部有沙漠，因其所在的地理位置，每年干燥少雨期长，具有利于山火发生的气象背景[2]，但连续发生破坏巨大的重型火灾仍属罕见。已往的很多研究表明，气象因素尤其是极端天气对火灾次数、过火面积、人员伤亡等林火行为有很大影响[3-6]。Taylor等人[7]研究发现，在美国西部地区，年际和年代际气候变化对内华达山脉北部地区森林火灾活动有重要调节作用，大面积火灾与太平洋年代际涛动（PDO）的位相变化有关，PDO从正位相到负位相转换期间，火灾最易发生。全球区域气候异常变化的影响具有共性，本文从天气气候异常的角度出发，分析秋季造成加州林火多发的气象条件，探讨秋季东太平洋至北美西部地区高低空环流异常特征及其对美国加州天气异常的影响机制，从气象视角为区域林火防治工作提供参考。

1 加州的天气气候背景

加州位于太平洋东缘北美大陆西岸32°～42°的中纬度地区，南部与亚利桑那沙漠相接，东部是内华达山脉。属于典型地中海气候，在副热带高压和盛行西风的交替控制下形成了夏季炎热干燥，冬季温和湿润的气候特征[8]。这可以从平均高度场上看到。如图1(a)所示，在夏季，副热带高压势力增强覆盖北美大陆中南部，588脊线平均到达北纬30°N附近，最北可达40°N，整个加州在副高环流控制下，高压内部盛行下沉气流，干燥晴朗。到了冬季，副高强度减弱面积收缩，588脊线南撤到25°N以南的洋面上，加州被强盛的中纬度西风带控制（图1（b）），盛行西风带来太平洋上暖湿的水汽，在当地形成降雨。但是，此时西风带风速偏大，上游是下垫面均匀的洋面，经向度波动小，因此降水的量级较低纬度地区偏小。

图1 1981-2010年北美地区500 hPa平均位势高度场（单位：gpm）（a夏季 b冬季）

2 近1100年加州降水和气温的变化

在全球气温持续升高的气候背景下，大气圈内能量增加导致全球气温不均匀上升，极端天气频繁[9-11]。2009-2018年近10年间，加州不同地区的气温均在连续上升，降水量距平值虽在不同地区表现不同，但连续下降的趋势是一致的。这里选取加州中部（北好莱坞）和南部（洛杉矶国际机场）两个代表站点采用距平分析法做时间序列图，结果见图2。从图中可见，加州南部的洛杉矶国际机场的年降水量从2011年至2018年，连续8年为负距平，并呈现连续走低趋势；气温曲线变化趋势与降水相反，在10年间连续上升，2009-2010年较常年偏低，但从2012年转为正距平，2014年后连续5年偏高幅度大于0.5℃。在加州中部的北好莱坞，年降水量在2012年之前为正距平，2013年开始到2018年在均值附近逐年波动，整体表现为下降趋势。在气温方面，北好莱坞也是呈连续上升趋势，同样在2012年距平由负转正，2013年至2018年气温偏高幅度在0.5～2℃之间，较南部的洛杉矶国际机场更高。

图2 2009-2018年加州地区年平均气温及降水量变化趋势（a）洛杉矶国际机场（b）北好莱坞

两个代表站点表现出来的降雨量曲线与气温曲线反向变化趋势表明，近10年加州地区的气候有着雨量减少、气温上升的年代季特征。Fried等人的研究表明，在暖背景下气温上升可导致山火频率增加一倍[12]。因此，这种少雨升温的变化趋势对于当地森林火灾的发生和持续显然是有利条件。

3 大尺度环流异常对加州山火的影响

2017年10月和2018年11月加州两次山火均出现在秋季，正处于夏季环流向冬季环流转换时期，此时天气系统调整频繁，大气环流稳定度差，易发生异常表现引起天气条件改变。

3.1 北美地区500 hPa高度场的异常表现

分析500 hPa月平均高度场及其距平场，可以较为直观地考察中高层大尺度环流的月际特征。这里分别对2018年11月和2017年10月两次火灾发生月北美地区的环流进行对比分析。

图3给出了2018年11月500 hPa平均高度场的等值线数据。在北美洲经向度较大，高度场上呈一槽一脊的长波分布，宽广的北美大槽槽区西北向东南倾斜，位于大西洋中东部；北美中东部和太平洋中部则以纬向环流为主，平直等压线上多短波扰动发生；北美大槽后部脊区位于北美洲西北部西经160°～120°W，亦呈现西北东南向倾斜特征。由500 hPa高度距平场（图3阴影区）可见，太平洋中东部至北美西部的距平场表现出一种明显的准“东高西低”特征，北美洲西北部的正距平中心环绕着东北太平洋位于阿拉斯加和加拿大西部，高度场偏高80 gpm以上。正距平高度场南部到达墨西哥的下加利福尼亚半岛北部，其中在加州附近偏高20～40 gpm。在太平洋中部170°～140°W，30°～45°N处存在一个闭合的负距平场，此处高度场较常年偏低10～20 gpm。距平场的异常表明，北美洲西部的西风暖脊区较常年更强，位置更偏南。

图3 2018年11月北美地区500hPa位势高度及距平场（单位：gpm）（等值线为平均场，阴影区为距平场）

图4展示了2017年10月500 hPa平均高度场的等值线数据。在北美洲经向度较小，高度场上呈弱的两槽两脊分布，两个低压槽区分别位于北美大陆中北部和大西洋中部；西部的高压脊区位于150°～120°W太平洋东北部到北美大陆西部，强度和范围均大于北美大陆东部的高压脊。在2017年10月500 hPa高度距平场（图4阴影区）上，太平洋中北部的正距平呈西北—东南走向，中心主体位于海上，该正距平中心位于北美西部高压脊区的西部，在其东南部的美国西部附近（130°～110°W，28°～38°N）存在一个分裂的正距平副中心，强度稍弱。加州正好位于该副中心控制区域，高度场较常年偏高40～60 gpm。同时可以看到，在加州以西的太平洋中部存在一个范围较小的负距平中心，大致位于160°～140°W，25°～45°N的区域内，中心强度在10～20 gpm之间，此负距平中心与加州的正距平中心均位于30°N纬圈上（图4矩形区域），呈东西向分布，因此也表现出了“东高西低”的特征。

图4 2017年10月北美地区500 hPa位势高度及距平场（单位：gpm）（等值线为平均场，阴影区为距平场）

对比2017年10月500 hPa月平均高度场距平和2018年11月500 hPa月平均高度场距平分析可见，两次山火期间500 hPa高度场在东太平洋至北美洲西部表现出了较为相似的两个特征。其一是北美洲西部加州及其以北地区高度场异常偏高。这将有利于东北太平洋高压脊加强偏南发展，减缓副热带高压南撤速度，推迟大尺度环流从夏季型向冬季型的季节转换。另一个特征是中纬度30°N太平洋中部高度场较常年异常偏低，有利于太平洋中部对流活动加强。二者叠加后表现为在30°N太平洋中部和东部一种“东高西低”的高度场异常分布形态，在距平场上会强迫产生一个纬向的次级环流，环流上升支主要位于太平洋中部，向东在美洲大陆西岸附近下沉，从而加强加州地区秋季的下沉气流。高度场异常、副高南退延迟影响大范围水汽自西向东向美洲内陆输送，而次级下沉气流将会削弱加州地区的动力抬升条件，不利于该区域降雨天气的出现，直接给加州林火的防范和灭火工作带来难度。

3.2 北美地区850 hPa风场的异常表现

为了考察大尺度高度场异常对加州附近中低层环流的影响，分别对2018年11月和2017年10月期间的850 hPa平均距平矢量风场进行分析。

分析表明，加州秋季（9～10月）的850 hPa平均流场受东太平洋反气旋的东北边缘环流控制，主要气流为北偏西气流。如图5所示，在2018年11月的距平矢量风场中，50°N加拿大西南的洋面上有一个反气旋环流，受其外围偏北气流影响，加州北部为东北风控制，翻越内华达山后在加州中部偏东分量增加，内陆的偏北风顺着山脉南下至亚利桑那州，在内华达山脉南端转向为东南风，覆盖加州南部。

图6为在2017年10月850 hPa的距平矢量风场。东太平洋上的反气旋环流位置更偏西，但北美太平洋沿岸地区仍在其外围环流控制下，北风较常年明显偏强。可以看到，加州北部地区主导风向为顺着海岸山脉的北偏东风，中部地区转为东北风和翻越内华达山脉的偏东风，到了加州南部主导风向变为顺着中央谷地南下的北偏东风。

图5 2018年11月北美西部地区850 hPa月平均距平矢量风场（单位：m/s）

两个秋季850 hPa风场上都表现出两个相同的特征：一是在太平洋东岸、美洲大陆西岸的低层反气旋环流较常年偏强；二是美国西岸加州地区的低层东风分量较常年偏强。低层异常偏强的反气旋不利于东北太平洋海拔1500 m以下的暖湿水汽向东输送。加州地区异常偏强的低层东风分量给当地带来了更加干燥的内陆气流，该气流在翻过内华达山脉后会在背风坡因为“焚风效应”进一步增温干燥。当东太平洋低层的反气旋更偏东时（见图6），外围东风还会绕过内华达山脉，从加州南部的荒漠地区转为东南风进入加州中南部地区，促使加州地区“圣安娜风”（SAWs）爆发和维持，对当地山火产生间接影响[13-14]。

图6 2017年10月北美西部地区850 hPa月平均距平矢量风场（单位：m/s）

4 结论

从长期气候角度来看，近10年美国加州地区的气候有着雨量减少、气温上升的年代季特征，这种异常表现对于当地森林火灾的发生和持续具有明显推动作用。在此气候背景下，若考虑人为影响因子和可燃物影响因子不变，极端林火事件的概率必然上升。因此，在制定地区长期的森林防火战略规划时，必须考虑局地气候变化特征及其未来发展趋势。

环流异常导致水汽减少、空气干燥、风速增加，会直接加剧加州当地林火防治的严峻形势。大尺度大气环流异常削弱水汽输送，减弱大气斜压性，不利于降雨天气出现。在秋季的美国西部地区，500 hPa高度场异常偏高会导致副热带高压位置偏北，同期若在30°N太平洋中部和东部存在“东高西低”异常分布，会额外加强加州地区的下沉辐散气流，不利降水的形成。东太平洋北美西部地区850 hPa低层风场异常更会直接影响加州地区的降雨天气。加强的北风东风分量不仅不利于西部洋面水汽到达陆地，还会带来更干燥的内陆气流，促发“圣安娜风”的建立和维持。

资料来源说明：文中使用的资料为NECP的合成再分析500 hPa位势高度场月平均资料及中国气象局国家气候中心全球极端气候事件监测资料及全球大气环流监测资料。