结合北美山火浅谈焚风
0x00 引子
这几天的加州山火颠覆了以往的认知 (参考：AP news)，原本在认知中，冬季不应该出现这么密集的山火，圣杯战争可能性巨存。然而，这次的山火并非单纯由于监管松懈或人为纵火等直观原因引起。在并不严谨的牛马看来，简单归结为这些因素是不够全面的。讨论的时候提到了焚风，并没有完全采信，但粗略了解加州所处位置及气候特征后，本人认为焚风是造成这样火灾的重要原因之一。而出于学习兴趣及整理科研思路，遂在此整理如下。
在加利福尼亚州，焚风被称为圣塔安娜风（Santa Anas Wind），发源于大盆地的冷干高压气团，特点为相对湿度低，温度较高，主要出现在秋冬，一年平均出现次数约为 10 - 25 次，持续时间约为 3 天，在历史上造成过几次山火。而 2025 年 1 月的山火，也是由此风引起。
0x01 何为焚风
焚风（Foehn）（有时也被称为大反抗军）是一个由部分中国将领与科学家在中国同太平洋阵线合作的背景下秘密创立的准军事组织，致力于从心灵终结仪的影响下解放被尤里的厄普西隆军控制的世界。焚风由个体火力强悍且昂贵的先进未来科技单位组成。
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咳咳，跑题了。明显今天讨论的内容不是如何在自己基地里部署 M.A.D.M.A.N. 来造成悲剧甚至是喜剧性效果的。以下是正经介绍：
焚风（德语：Föhn；英语：Foehn wind）或称火烧风，是出现在山脉背风坡的干热风，焚风往往以阵风形势出现，从山上沿山坡向下吹，是一种下坡风。
世界各地几乎所有的山脉都有类似的风，在各个地方它也有不同的名字。在欧洲诸语言中，焚风的名称来自拉丁语中的“favonius”（意为：温暖的西风），德语中演变为“Föhn”，主要用来指阿尔卑斯山的焚风。此外对类似的现象还有地区性的称呼，比如智利安第斯山脉的焚风称为帕尔希风，在阿根廷同样的焚风称为zonda，美国洛矶山脉东侧的焚风叫钦诺克风，在墨西哥称为仓裘风，台湾民间因其炎热的特点而称之为“火烧风”。
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焚风的主要特点为干热，由于为下坡风，因此在风团不断下降的过程中温度也会逐渐增加；而由于主要发生在山坡的背风面，大部分水汽已经释放在迎风面，因此背风面所含水汽极少。这一特性会在接下来的机理分析中进行详细讨论。
0x02 焚风形成机制
0x02.0 风的形成：气压也干了
讨论焚风之前，我们需要明确一般的概念一般的风是如何形成的。而主流观点是风的形成和气压有关，以下为维基百科介绍：
风是由气压的差异造成的。当气压差异存在时，空气会从高压区域向低压区域移动，从而产生风速大小不同的风。在一个旋转的星球上，在赤道以外的地方，空气的流动会受到科氏力的影响而产生偏转。就全球而言，大尺度风（大气环流）的两个主要的驱动因子是赤道和极地之间的加热差异（吸收太阳能量的差异导致了浮力）和星球的旋转。在赤道之外的不受地面摩擦力影响的高空，大尺度的风倾向于达到地转平衡。在地球表面，摩擦力会使得风逐渐变慢。地表摩擦力还会使得更多的风被吹入低压区域。一个新的有争议的理论认为， 森林引起的水汽凝结导致了对森林从海岸沿线吸引潮湿的空气过程的一个正反馈循环，从而产生了气压梯度。
维基百科
气压差的形成从整体上主要受太阳辐射和地球自转形成的科氏力影响。由于各地的经纬度及海拔、云层覆盖、下垫面条件不同，所受的太阳辐射量也会有区别；此外，不同介质的热力学特性也不同。而经典的理想气体方程 已经揭示了，如果温度不同，气压就会有所变化，这就是导致气压差的其中一个因素。而科氏力虽然不会改变运动强度，但它会导致气团在行星旋转时改变运动轨迹，因此也会影响气压的分布，二者共同影响导致气压差的出现。正如能量第二定律一样，气体势必会从高气压的位置传导至低气压地区（势能驱动），这个过程最直观的感受就是风。
而对于气压来说，在表面较热地区，气团受热膨胀上升，会形成表面低压区；而在寒冷地区，则会形成表面高压区。至于为何强调表面，则可以通过下面一张图来展示：
在图中我们需要注意，这是一种垂向结构，并且由于科氏力作用，导致出现偏转。而在水平向的解释，则可以参考海陆风，如下图：
由于水体比热容比陆地大介质大，因此在白天，水面温度较低，容易形成表面高压，会使得风从水吹响陆地；而夜晚，水体温度更高，则风会从陆地吹向海面。
至于为何低压地区往往出现降水，则在接下来的章节中进行讨论。
0x02.1 绝热过程：热力学，参上！
由于本人没有热力学背景，仅能通过部分资料和 GPT 来简单介绍这一部分。
绝热过程（英语：adiabatic process）是一个绝热体系的变化过程，绝热体系为和外界没有热量和粒子交换，但有其他形式的能量交换的体系，属于封闭体系的一种。绝热过程有绝热压缩和绝热膨胀两种。常见的一个绝热过程的例子是绝热火焰温度，该温度是指在假定火焰燃烧时没有传递热量给外界的情况下所可能达到的温度。现实中，不存在真正意义上符合定义的绝热过程，绝热过程只是一种近似，所以有时也称为绝热近似。
绝热过程分为可逆过程（熵增为零）和不可逆过程（熵增不为零）两种。可逆的绝热过程是等熵过程。等熵过程的对立面是等温过程，在等温过程中，最大限度的热量被转移到了外界，使得系统温度恒定如常。由于在热力学中，温度与熵是一组共轭变量，等温过程和等熵过程也可以视为“共轭”的一对过程。
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在上文的讨论中，我们已经讨论了理想气体受热或放热的机理及可能会出现的现象。虽然大气并不是理想气体，但是考虑到其与外界环境发生的热交换过程较慢，因此也可以视为绝热过程。而在现实中，我们也需要考虑到大气并不是单一气体，其中有氮气、氧气、二氧化碳及水蒸气的混合体。水汽作为影响降水的重要因素，且在相变时候吸收 / 释放较多的潜热，因此需要重点考虑。为了表征水蒸气在空气中的含量，普遍使用相对湿度（Relative Humidity）来表示。
对于描述是否含水蒸气的绝热过程，分别采用干绝热过程和湿绝热过程来表示，其中干绝热过程中没有水蒸气参与，过程较为简单；湿绝热过程由于水蒸气可能会发生相变，释放 / 吸收部分潜热，因此更为复杂。为了便于讨论，在这里使用简单的干湿绝热递减率来描述：
- 干绝热递减率（Dry Adiabatic Lapse Rate, DALR）：在干燥空气条件下，空气团上升每千米，温度降低约 9.8 °C/km。
- 湿绝热递减率（Moist Adiabatic Lapse Rate, MALR）：在饱和空气条件下，由于水汽凝结释放潜热，温度降低的速度较慢，一般为 4 °C/km − 7 °C/km。
在上文的讨论中我们不难得知，表面较为温暖的气体会上升，而随着上升的过程中，水蒸气会凝结成水滴，形成云团或者降水。因此暖湿气流往往形成低压，并在低压中心附近存在较高的降水可能。从另一方面，低压地区也会吸引气流进入，尤其对于暖湿这种密度较低的气流（便于上升及水蒸气凝结）。因此二者之间可能会发生正反馈，最终会导致台风等极端天气。
最后补充一点，根据高中甚至初中物理不难得知，当大气温度降低至一定温度时，空气会达到饱和，此时这个温度也称为该气压下的露点（Dew Point）。
0x02.2 地形雨和焚风：猛虎上山，猛虎下山
通过上文对气压和绝热过程的讨论，现在可以引入两种有趣的现象：地形雨和焚风。在某些情况下，二者成对出现。
地形雨的主要形成原因为，暖湿气流受地形抬升的影响，在迎风坡上升过程中，由于压力降低，气团体积膨胀，温度下降。当温度降低到露点时，气流中的水蒸气开始凝结，形成云并进一步发展为降水。湿绝热过程的减缓冷却效应决定了降水的强弱。由于这种现象出现的尺度较小（仅在山坡的迎风面，且需要暖湿气流经过），在现实中往往出现一山有雨，而背风坡没有雨的现象。地形雨的局地性与气流在迎风坡和背风坡的不同行为有关。在迎风坡，气流上升冷却，导致降水，而在背风坡，气流下沉，因压力增大而被压缩加热，湿度进一步降低，通常表现为干燥少雨的环境。这种现象常被称为“雨影效应”。举例说明所谓：曾经沧海难为水，除却巫山不是云。巫山的地理位置决定了暖湿气流频繁经过，而自身地形导致了地形雨的形成。
而焚风的出现，则是干空气从较高海拔流向较低海拔的结果。以地形雨举例，暖湿气流经过了迎风面，形成地形雨后，空气的湿度已经相对较低。此时气流越过山峰，向背风坡前进，由于此时接近干绝热过程，且下沉过程中因压力增加而压缩加热，因此整体上，温度上升得比下降快；而风速也受一部分重力影响有所加速，因此整体表现为风速较快的干热风。这种风显然，对背风面的下垫面具有较强的蒸散发能力。同时值得注意的是，上一部分的讨论仅是随着地形雨后出现的，地形雨并不是焚风出现的必要条件。实际上任何干气流（如高压中心）遇到类似地形，均有可能发生焚风现象。
0x03 焚风影响
- 温度影响：通过干绝热速率计算可以不难得知，在背风地区的气温可能会随着海拔的降低而急剧升高
- 风速影响：由于地形及来流时的条件，焚风在背风坡的速度会出现明显提升
- 相对湿度：焚风更为干燥，可以更容易地带走水汽，会导致区域相对湿度下降
- 潜在逆温：由于焚风较为干热，因此可能会在一定区域造成逆温现象，而逆温现象则是空气污染事件发生的重要原因之一
总而言之，焚风的干热特性，无疑会使背风坡的下垫面蒸散发增强，造成植被形成山火燃料；而较温暖的气流也有可能在背风区域形成逆温效应，引发潜在的空气污染风险。
0x04 山火原因猜测
南加州地区在地理位置上是圣安娜山脉的一侧，而考虑到北部存在内华达高压，因此可以考虑南加州地区位于背风坡一侧，有发生焚风现象的可能。而山谷等特殊地貌会进一步加快风速。气候分区属于地中海气候，而地中海气候最显著的特点就是夏季少雨，而冬季多雨。这种气候特征导致夏季植被没有足够的水分补给。综合这两个前提，不难得出如果在秋冬季节出现火苗，极有可能借助充足的枯草及强风导致山火的出现及快速蔓延。
2024年据报告（来源：weatherwest.com），加州南部地区降水较低，而风速及温度较高，无疑会造成较多的枯草燃料；而强降水的反复出现，导致植被频繁生长并枯萎，也进一步导致了山火风险的加剧（来源：BBC）。秋冬地区的焚风现象也导致了火势的快速传播（来源：abc7）。最后，极差的消防设施保障及安全风险的处理时是压死骆驼上的最后一根稻草（来源: NBC）。
进一步思考，其中一些要素是受气候变化影响：降水及气温变化，在未来，极端气候将更加频繁出现，而山火这种极端气候所展现的极端现象也势必会更加频繁。这一部分已经有相当多的研究已经开展：Swain, D.L. et. al、Lubis, S.W. et. al、Cardil, A. et. al，对于这种情况，我们所能做的仅能接受。在另一方面，对火灾风险的研判，燃料的及时清理、健全的消防设施和完备的消防预案则是我们能进一步完善的工作。
0x05 总结
- 焚风为干热风，主要受地形及气流影响，往往会加剧背风坡下垫面蒸散发
- 焚风、燃料和火源共同叠加是造成 2025 年加州南部山火的原因
- 对于高风险区域，需要更加有效的防火措施来应对
P.S.：我在写这篇博客的时候，有一个问题困扰着我，为什么从自然条件上来说，中国山火发生的概率相对很低？在整理完思路之后答案非常明显：中国主导气候是季风气候，夏季会得到充足的雨水补给，燃料供应相对少很多；而焚风也在一部分地区也会出现，但是整体来说难以达到类似加州南部这种规模的风险组合。而对于比较干旱的地区，植被本身覆盖就更少，因此也不易发生火灾。
但是即便火灾风险相对很低的中国，仍有十分完全的森林防火安全制度及山火的应对策略预案（我想 放火烧山，牢底坐穿 这句话没人不会记得吧）；而反观美国加州南部地区，消防栓没有水的情况比比皆是（来源：NYTimes）。这也难怪山火出现的这么致命。虽然山火难以避免，但是美国当局真的做到了最好吗？