0. 引言
风云起苍黄。
2019-2020年发生的“黑天鹅”事件实在是太多，本欲一口气研磨清楚，反而一团乱麻，不如逐个击破。本文先讲澳洲的山火。
太阳能是地球的唯一能量来源。植物通过光合作用储存了入射的太阳光能量，并缓慢释放以维持生命活动。但是地球储存的能量在短时间内剧烈地释放就是另外一副光景了，例如林火和火山爆发。
澳大利亚丛林大火 (Bush fires in Australia) 是澳大利亚炎热干燥季节频繁发生的野外火灾。2019年9月以来，澳洲经历了数十年以来最严重的高温和干旱。在2019年12月18日，澳大利亚大部分地区遭受强烈热浪袭击，创下有记录以来最热的一天，平均最高气温为41.9 °C。澳大利亚的领土上主要是大片的沙漠，而植被类型主要是桉树，其树皮富含桉油脂，脱落后堆积在地面，气温达到40 °C时就会自燃。正常年份澳洲的夏季 (12月-2月) 期间虽然也存在高温，但雨水也不间断。所以山火整体是可以控制的。
但是，这次的澳洲山火非同寻常，自2019年9月一直持续到2020年2月的雨季。且自2019年11月以来，澳洲山火开始全面失控。大量的浓烟从澳大利亚东部海岸流向太平洋。这些烟雾上升、冷却，凝结成数个焦积云，这个过程将大量的气体和颗粒物抬升到距离地面10公里以上的高空，也是是说烟雾已经进入了平流层。一旦进入平流层，这些烟雾气溶胶将在大气中停留数年之久，并向全球传播。1月23日这些烟雾的顶部已经上升到了距地面约25公里的位置，成为卫星观测记录中烟羽抬升的最高记录。以下是美国航空航天局 (NASA) 的观测报告：
利用日本九州大学提供的气溶胶光学厚度反演算法和产品，能同时看到云层和气溶胶厚度随着时间的变化：
向日葵8号卫星，亦即Himawari-8 (H8) 卫星，是由日本气象厅发射的新一代静止气象卫星，可实现10 min/次的高频次对地观测，搭载的AHI (Advanced Himawari Imager) 传感器设置有与MODIS气溶胶反演算法所需的类似波段，能清楚地看到云层、火山灰、泥沙的运动轨迹，10分钟一张照片。
要想明白未来将会是什么样、现在为什么是这样，得先明白过去是怎么样变化的。
1. The past is the past
澳大利亚这个地方孤悬在太平洋，受亚欧大陆人为排放的大气污染源影响较小，是研究气候变化导致的大气和海洋流动异常的最佳对象。
从1973年到2017年，澳大利亚的林火风险指数在波动上升，上升的趋势在上个世纪更加明显。这种波动是由于气候因子的年际变化造成的。
2019年9月，澳大利亚罕见地所有州都进入了山火季，高温且干燥。相似的情形发生在2009年2月7日的“黑色星期六”，澳大利亚的维多利亚州同时有400多场火灾，气温达到了46.4 °C[1]。控制南半球山火发生风险的主要气候因子是厄尔尼诺-南方涛动 (El Niño-Southern Oscillation)，年代际太平洋振荡指数(Inter-decadal Pacific Oscillation Index, IPO), 南方环形模式 (Southern Annular Mode, SAM)，印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD)[2]。 ENSO是山火的主要驱动力，但其主要发生在南半球的春季，从而对后续的夏季有至关重要的影响。从1788-2012年之间的统计来看，IPO指数是和澳大利亚的干旱呈现显著相关的，能解释50%以上的山火活动变化[3]。但是IPO指数与澳洲山火的联系在1976年之后开始减弱。统计1973到2017年45年间IPO指数和山火指数, 发现两者并不显著相关。Power等提出的IPO的气候效应理论并没有与澳洲山火一致，这是因为1990年之后IPO指数呈现冷相位的模态，这说明山火不仅仅是受干旱控制，还受大气环流强度和方向、植被本身因素、人为因素的影响[4] 。
图片来源: ABC Weather Kate Doyle。图左侧棕色为印度洋正偶极，右侧棕色为厄尔尼诺，上方橙色为太平洋弱季风，下方橙色为正相南方环流模式。
先从最广为熟知的厄尔尼诺事件说起。厄尔尼诺是指南美洲秘鲁、厄瓜多尔以西的特定海域太平洋海温持续性、异常增高的现象。厄尔尼诺-拉尼娜两相波动的周期一般是2-3年。在2015-2016年强厄尔尼诺事件之后，2018年6月，赤道东部太平洋的海温再一次突破正常值。2018年9月，国家气候中心宣布，赤道中东太平洋的海温上升至厄尔尼诺状态。2018-2019年的海温上升持续时间超过了半年，故国家气候中心于2019年2月将其定义为厄尔尼诺事件。厄尔尼诺时变暖的海域靠近秘鲁和厄瓜多尔，海水升温使气流通过热对流上升，所以这一带会上升气流盛行，形成强对流降水；而与上升气流对称的下沉气流，会来到澳大利亚和菲律宾，这里就容易高温干旱。
ENSO 主要是通过改变哈德来环流来增加澳洲的山火风险[5]。哈德来环流是一个热力驱动的环流，将赤道地区的空气上升至15 km的高度，朝着极地移动，并在亚热带地区下沉。哈德来环流的变动只受ENSO控制，且只对春季的南半球环流和冬季的北半球环流有影响[6]。哈德来环流的下沉支流给南北半球都带来了高温和干燥天气。在地表面的空气中，它带来了亚热带的高压暖脊，其所在区域降水量偏低，蒸发量偏大。事实上，全球大部分干旱和半干旱地区位于哈德来环流的下沉支。在夏至和冬至，哈德来环流倾向于只有一个环流比较明显，但是范围扩大，例如在12月份，也就是南半球的夏季，形成一个穿越赤道的气流。而在春分和秋分，在南北半球的两个环流都存在。在南半球的夏季，南半球的哈德来环流的下沉气流，带来的高压暖脊覆盖了澳大利亚国土。持续的高温和干旱使星星之火燎原。
在此有必要指出，大气环流是准纬向的、质量守恒的、动量平衡的。它有如下几个含义：
哈德来环流是经向环流，也就是当空气在经向剖面中流动。根据质量守恒，对于全球任意水平面 (纬圈)，哈德来环流通过该纬圈向北的输送应等于向南的质量输送，通过向上的总质量输送应等于向下的总质量输送。哈德来环流的上升分支是在热带的中央，携带水汽上升到上层空气中，凝结成降水，而哈德来环流的下沉分支在热带的边缘，也就是在亚热带的澳洲，带来了干燥的气流。
由于水平方向上的动量平衡，哈德来环流区的变窄必然伴随着环流的增强。在ENSO的暖相，也就是厄尔尼诺事件中，哈德来环流区倾向于变窄，但是强度变大。也就是说，促进了澳洲山火的蔓延但是抑制了山火烟雾气溶胶的经向 (南北半球间) 传输。哈德来环流的区域边界直接决定热带的边界。全球变暖让哈德来环流的边界移动，让亚热带干旱地区向极地扩展，减少亚热带地区如澳大利亚的降水量和土壤湿度。ENSO还会导致水平尺度更大的Brewer-Dobson 环流在热带区域垂直向上的移动，从对流层上升至平流层，会加剧对流层增温和平流层冷却[7; 8]。
大气环流是准纬向的，亦即与东西方向夹角较小。在中纬度区域，表面风从西向东，以及剧烈的上升气流，形成了高空急流，高空9-15公里之间一条较窄的高速气流带，水平尺度可达上万公里。ENSO带来的高空急流的改变，会带来降水类型强度的改变[9]。南半球的高空急流向南极移动[10]，中纬度的风暴中心路径向极地移动，尤其是在南半球[11; 12]。后果就是除了赤道地区会降水增多之外，亚热带和中纬度地区都会变干旱。
南方环状模式 (SAM) 和ENSO具有同等级别影响的环流变化，主要发生在南半球的热带以南，但是能影响到哈德来环流。南方环形模式对南半球降水分布有很大影响，和澳洲的野火活动也有相关性。正相的SAM导致南半球的西风带朝着极地运动，促进高压系统的发展，减少降雨的发生。负相的SAM导致南半球西风带的向赤道的扩展，带来低压中心和风暴轨迹[13]。南方环形模式主要是在澳大利亚的南方几个州发挥作用，并关系到降雨冷锋深入澳洲大陆的程度[14; 15]。但是在2019-2020年的这次山火中，SAM的影响并不明显，山火主要在东部地区。
印度洋偶极子 (IOD)是印度洋地区的海气耦合现象。它的正相位意味着印度洋东部的赤道地区的海温降低，而西部的海温升高。这就导致印度洋东部的正常对流降水区域移动至非洲东部，带来大量降水，但是给印度尼西亚、菲律宾、澳大利亚带来严重的干旱和林火。2019-2020年的春夏两季，正相位的IOD影响力大于厄尔尼诺，使得印度尼西亚至澳大利亚一大片的海岸地区持续干旱，而位于印度洋西部的非洲和中东国家则发生严重洪灾[16]。
BBC在采访澳大利亚气象局时，其回应也是IOD的作用是澳洲山火肆虐的主要气候原因。见该BBC新闻报道，可能需要翻墙。BBC: Australia fires: A visual guide to the bushfire crisis。
2. The current threat
此次澳洲山火的威胁是什么呢？牵一发，首先是头疼，然后是全身也指不定哪疼。澳洲山火对于附近地区乃至全球影响深远。
首先看对局地的影响。对于空气质量的影响就不必多说了，澳洲东部地区地面的PM2.5浓度普遍超过了100 µg/m3，欲与我大天朝试比高。然而山火释放的气溶胶绝对不止对局地的地面有影响。美国CALIPSO卫星记录数据显示，从2019年12月29日至2020年1月4日期间，在野火连续爆发后，在9 km以上的天空出现过多场“热积雨云”。虽然在热带地区，热积雨云非常普遍，但是由于澳大利亚迅猛的野火，澳大利亚附近的热积雨云和强度和数量是有史以来最多的。图片来源： NASA’s CALIPSO Satellite Animation Shows Smoke from Australian Fires, Spreading High and Far East.
山火是剧烈的能量释放过程，大量的热量使烟羽迅速上升，随着烟羽的高度越来越高，伴随着大气压力的降低，导致烟羽气团膨胀。因体积膨胀，烟羽气团而对外作功，从而导致空气本身温度的降低。这个过程称之为绝热冷却。绝热冷却是引起水汽凝结或凝华成云雾的最重要的过程。上升至一定高度，烟羽气团形成大块的积云。由于凝结过程会释放潜热，这使积云的温度更高，继续上浮移动，这样会导致继续膨胀和冷却，这样一来会出现更多水分凝结，而积云又会进一步加速向上运动，形成正反馈。直到在9 km高度以上的对流层顶、平流层底部的稀缺的水汽量或者温度不足以支撑水汽凝结，这个过程才停止，这种云被称为“热积雨云”。由于高空的温度能到-20摄氏度以下，所以热积雨云中大量水汽结成冰晶。
对流现象显著的积雨云一般会产生显著的雷电。在积雨云中积聚着大量的冰晶和过冷水滴，冰晶的凇附、水滴的分解以及空气对流等，使积雨云中产生电荷。电荷主要来源于冷热空气对流造成的冰晶和水滴碰撞和摩擦。冷空气中夹带着冰晶，热空气中裹挟着水滴，两者密度不同，冷空气急速下降，热空气急速上升，两个云团相遇碰撞、摩擦。碰撞摩擦的过程，使二者都带上了电荷。对流现象越明显，云层越厚大，产生的电荷越多，形成了极性的雷雨云。其中重量较轻、带正电的堆积在云层上方；较重、带负电的聚集在云层底部。这么巨大的正负电极，当让要通过剧烈的闪电来释放电荷，产生雷暴。另外，热积雨云在上升过程中能产生强烈湍流，湍流和闪电对于空中的各种飞行器和对地面的生产生活都会产生威胁。
和海洋一样，大气是流体。除了对局地的影响之外，山火释放的气溶胶能够向下游地区传输。由于澳洲处于西风带，高空急流将气溶胶向东太平洋传输。根据数值模式和卫星反演结果，澳洲山火气溶胶已经环绕完地球一周，返回澳洲东岸，向东漂流了数万公里。环绕地球一圈，穿越了南美洲，到达南极洲。
值得一提的是，西风带的高空急流在南北半球的中纬度地区都存在。例如2020年1月12日，菲律宾塔阿尔火山爆发，火山灰气溶胶的水平传播路径也是向东传输，进入太平洋。
NASA的MODIS/Aqua卫星给出了自2019年12月以来监测到的一氧化碳、黑碳气溶胶等物质高值的地点和日期。数据显示，2020年1月烟雾穿过南太平洋到达南美洲，1月26日山火到达南印度洋和南极洲上空。
山火烟羽气溶胶之所以能传播这么长的距离，是因为其进入了平流层，在9-15 km的高度上有西风急流，中心风速可达50-80 m/s，最强时可达100-150 m/s。气溶胶一旦进入平流层，烟雾将在大气中停留数年之久。它既可以后向散射和吸收太阳短波辐射，就像蒙上一层面纱一样，也可以改变云的形成和云反射特性来影响气候。烟雾进入平流层后，带来两个物质上的改变，一个颗粒物，二是水汽，都会使平流层增温、对流层降温，从而减轻温室效应的影响。从下图也可以看出，澳大利亚、东南亚的气溶胶厚度较大，导致其向上的长波辐射通量较大，亦即向上的辐射增大，阳伞效应减少了太阳光的入射，从而对全球变暖进行负反馈。
3. The future risk
有没有对“文明进步”更客观的定义呢？这里我们想把进步定义为增加对生活环境的控制。——威尔·杜兰特《历史的教训》
从1979年有卫星观测资料以来至2013年，气候变化诱导了全球野火的增多。野火面积占到了全球植被面积的25.3%，且增加了一倍以上。野火释放的二氧化碳是化石燃料的燃烧释放的50%以上[17]。东南亚的野火是亚洲主要的有机碳和元素碳的来源，分别占到全球排放的2/3和1/2[18; 19]。根据全球化学模式GEOS-Chem的模拟结果，在3-4月份的时候亚洲的生物质燃烧，例如野火焚烧和农田焚烧，达到峰值，与亚洲人为排放气溶胶质量相当。
从H8卫星图像可以看出，除了澳大利亚地区的气溶胶较厚之外，东南亚地区的野火气溶胶厚度也同样较厚。东南亚和印度洋上空的棕色云团在冬季是持久存在的[18]。亚洲污染物的传输主要是靠寒潮南下时的冷锋前边缘的锋面抬升过程，例如地形抬升和锋面抬升。这是中国中东部地区污染物能到达距离地面排放源1-3 km高度以上的自由大气层中、从而能够远距离传输的主要过程。而东南亚地区的污染物传输过程包括了强对流天气、西风带带来的西南风、锋面抬升等过程。正是由于亚洲-西太平环流的独特性、背风坡 (leeside)的存在以及东南亚地区的强对流，污染物穿过边界层顶到达自由大气层 (1500米高度以上)的通量才会很大，然后通过高空传输影响到中国的华南、台湾、南海地区[20]。
在全球变暖的背景之下，会诱发更多的降水。很多地方的降水虽然会增大，但是，蒸发的速度也会增大，且蒸发的量大于降水的量。干旱的地方会越干旱，湿润的地方会更加湿润[21]。比较可气的是，变得更干旱的地方大多是发展中国家 (如印尼、菲律宾)，变得更湿润的地方大多是发达国家 (如美国、英国)。这正是“穷者越穷、富者越富”的马太定律的自然写照。
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