從科學視角審視那場謎一樣的大興安嶺大火

4月30日，內蒙古大興安嶺烏瑪林業局伊木河林場發生森林火災。5月2日，內蒙古自治區大興安嶺畢拉河北大河林場發生森林火災。這兩場大火發生的時間，幾乎與30年前「5·6」大火相同。這僅僅是巧合嗎？

凡是重大的超過社會控制能力的災情，都有氣候變化的貢獻，30年前的大興安嶺大火，就是一場典型的氣候變化造成的重大災情，有著森林火災的特殊性和火災動力學的典型性。今天，我們就來重新認識30年前的那場火災。

失火之謎

常見的說法是，那場大火源於一位林場工人啟動割灌機引燃了地上的汽油，後來熄滅的明火死灰復燃。但我們知道，這次火災在大興安嶺地區的西林吉(漠河縣）、圖強（圖強鎮）、阿木爾（勁濤鎮）和塔河4個林業局所屬的幾處林場同時發生。衛星遙感圖，火災發生時，俄羅斯的火場面積比大興安嶺5月6日當天的火場面積大數十倍。這說明當時的氣候有利於災情，不利於火災控制。

1963年的某一天（具體日子記不清了），美國東北部幾個州全面爆發火災，80%的消防隊伍都出動了，奮戰在撲滅野火的第一線。第二天，所有的火災都被撲滅了。神秘地發生，神秘地消亡。類似的災情，發生在公元前524年的某一天，「（召公十八年，524BC）夏五月，火始昏見。丙子，風。梓慎曰：「是謂融風，火之始也。七日，其火作乎!」戊寅，風甚。壬午，大甚。宋、衛、陳、鄭皆火。梓慎登大庭氏之庫以望之，曰：「宋、衛、陳、鄭也。」數日，皆來告火」。

所以，我們應當認識到一點，那就是當時的特殊性氣候是導致重大災情的關鍵，某人失誤，某人放火，都不是成災的關鍵性因素。「5·6」大火的失控原因是當時氣候條件的便利性，這一點難以察覺，卻是難以控制的關鍵性因素。

加拿大森林火災

美國科學家於1996年發現 「拉馬德雷」現象。「拉馬德雷」是一種高空氣壓流，亦稱太平洋十年濤動，分別以「暖位相」和「冷位相」兩種形式交替在太平洋上空出現，每種現象持續20年至30年。近100多年來，「拉馬德雷」已出現了兩個完整的周期。第一周期的「冷位相」發生在1890—1924年，而「暖位相」發生在1925—1945年；第二周期的「冷位相」發生在1946—1976年，而「暖位相」發生在1977—1999年。2000年進入第三周期的「冷位相」。

美國加州森林火災

所以，最近，聽說俄羅斯的森林大火燒入中國，我立刻想到這是大興安嶺大火之後的30年，也是冷位相氣候的高峰年，因此失火是可以預期的，但成災則不會，因為這是冷位相氣候周期，沒有大風的幫助，火災比較容易控制。冷位相氣候與暖位相氣候的最大差異在於火場的蔓延速度不同，1666年的倫敦大火只有6人死亡，206年（3.5個周期）之後的芝加哥大火卻有300人死亡。氣候脈動是導致火災形勢突發的重要推手，雖然其中的因果關係邏輯鏈條仍然沒有認識清楚。

1987年大興安嶺大火

大興安嶺大火雖然發生在春天，卻是一次典型的暖位相火災，其典型的特徵是火嘯和火暴，往往和火場的氣流不穩定有關，因此是伴隨暖位相氣候的特徵。暖位相氣候的火災通常蔓延快，火場傷亡高，因此很容易造成很大的傷亡。1987年的大興安嶺大火，與1871年的芝加哥大火和Peshtigo大火非常相似，前者燒死300多人，後者燒死1500多人，這是典型的暖位相火災導致的難以逃生局面。大興安嶺大火發生在116年之後，幾乎是完整的2個氣候周期，因此傷亡很重。

歷史上的美國野火災情，首當其衝的失火原因是鐵路火車，由於燃燒不完全的爐灰和排煙，經常會導致森林火災。不過更常見的一種火災是無法調查原因的，比如早晨樹葉尖部的露珠，有可能像凸透鏡那樣對光線發生匯聚作用，如果匯聚點落在熱薄型材料上（比如火媒、纖維材料等），就會發生火災。也就是說，這種完全沒有失火線索可以調查的火災，來源於臨時形成的偶然發生的一滴露珠，這是野火失控難以調查的關鍵性因素。所以，火災的發生有可能是偶然的意外的，火災的控制才是專業的、需要投入資金、技術和人力的專業領域。對此，我國「控人即控火」的觀念還比較初級，不能完全控制各種突發火災。

蔓延之謎

火災蔓延的前提是要將新鮮燃料加熱到可燃的溫度。在此溫度下，固體燃料釋放出可以燃燒的氣體，真正燃燒的只能是氣體。劃一根火柴，可以輕易地用嘴吹滅，但如果火點的溫度提高以後，放熱增加，火場抗風速的能力就會增加。因為風速快，火焰向一邊傾斜，導致火焰向新鮮燃料的預熱能力增加。幾乎所有的燃料都必須經過加熱，乾燥，釋放可燃質和點燃幾個階段，而強烈的火焰傳熱（以輻射為主）將這一過程大為縮短，所以，火焰快速傳遞是有可能的。這裡的風速是火的流動造成的，與平常的地表風有別。

大風期間的順風蔓延模式，有利於火焰拉長、預熱和蔓延。

森林火災的快速蔓延，除了與風速有關以外，還與一種特殊蔓延現象——飛火有關。林火燃燒中，產生一些碎木片，這些燃燒著的碎木片，隨著強烈的羽流上騰，脫離地表邊界層之後，受到環境風力的影響，降落在遠處，這種跳躍式的火災蔓延方式，是林火特有的現象。1987年5月7日23時，黑龍江馬林林場有一條小河，並沒有阻擋火勢的蔓延，那些隨著大風漫天飛舞的碎木頭，很快點燃了馬林林場，2個小時之後全部林場被燒完。

森林火災中的飛火現象（1991年美國灣區大火）。

唐代詩人白居易在《山枇杷》中寫道「深山老去惜年華，況對東溪野枇杷。火樹風來翻絳焰，瓊枝日出曬紅紗。回看桃李都無色，映得芙蓉不是花。爭奈結根深石底，無因移得到人家」。雖然描述的是山枇杷，也可以理解成森林大火的火場現象：樹冠火。對於某些樹木，樹梢、樹葉比樹榦更容易點火。樹梢、樹葉被乾燥後，點燃的過程可以是迅速的，形成一種快速點火燃燒現象，俗稱「火嘯」。

1991年，美國灣區大火中發生飛火現象的碎屑燃料，直徑可達5厘米。

火嘯之謎

對大興安嶺大火的描述，經常提到一種「火嘯」現象。從新聞和回憶錄中對該現象的描述，可以和平常室內火災的轟然現象相類比。通常我們理解的火焰按常規逐步蔓延，是基於火災規模比較小，通過地表傳熱和少量的輻射來進行。當火源達到一定的規模後，輻射強度大為增加，所以有人說火焰是從空中過來，泛黃、泛紅（顏色代表溫度，這是物理學中的普朗特定律或維恩定律），四面八方一片。林間樹葉「噼啪」作響，說明輻射強度大。當水分被烤乾以後，剩下的可燃物開始升溫，並放出可燃質。因為是一片樹林受到煎烤，可燃質積累到一定程度，突然被點燃，發出「呼」的一聲，整座樹林被點燃了。這時候，撲滅這等規模的林火是不可能的，只能等燃料燒盡，自動熄火。這種現象通常發生在室內或爐膛內，如著名的題壁詩「一團茅草亂蓬蓬，驀地燒天驀地空」，描述的就是這種「火嘯」現象，只不過發生在爐膛內。

大興安嶺大火中，煙氣層對附近燃料的輻射，是導致「火嘯」的關鍵。

那麼，為什麼會產生「火嘯」現象呢？

第一，燃料乾燥，這一點是當地氣象條件決定的。每年春季，來自西伯利亞的冷風是乾燥的，來自南方的氣流是溫暖的，兩者共同決定環境濕度和燃料乾燥度。當年漠河地區的降雨量只為平常年份的30%，5月份的溫度從8攝氏度一下上升到24攝氏度。

第二，大量的濃煙產生一定的輻射強度，持續乾燥和預熱附近新鮮的木材（燃料），燃料發生熱解過程，產生大量的氣相燃料；

第三，一旦條件具備，預混預熱之後的燃料氣體同時被點燃，產生強烈的擾動和發出巨大的聲音，就是「火嘯」。

1987年大興安嶺大火

大興安嶺大火，是我國近代歷史上最著名的一次林區大火。關於那一次災難的描述，可以說汗牛充棟。可是，有幾個關鍵的火場現象，與火場流動有關，需要特殊的解釋。那就是風力突變，從四五級陡升到八九級，有的地方瞬時風力達到十二級。

事後，一個很常見的觀點是，火場大風沒有預報。記錄中的預報是「火險級」，就是大約五級大風，而有人報道火場大風達14級，這不是浮誇，前者是自然風速，後者是火場大風，由火災自己造成的。大自然對能量釋放的反應是產生流動，火場大風是火災的結果而不是原因。

大家知道，氣體受熱會膨脹並密度減少。在地球重力場中，密度小的氣體會上升，周圍的氣體會被卷吸過來，形成一股上升的衝力。當火源很小且沒有外在擾動的時候，「大漠孤煙直」。當火源有一定的規模, 就會對周圍氣流產生擾動，「狼煙滾滾」。當能量達到一定的規模以後，就會形成衝天而上的火球和蘑菇雲。所以，1987年5月6日的大火，會在一天以後的5月7日形成大風，火借風勢，風助火威，形成重大的災害。其核心在於燃料的堆積和火場的非線性發展。所謂非線性，就是指即使在穩定的火焰傳播速度下，過火面積是速度的平方，再加上其他的因素如風速和風向，地勢和燃料乾燥程度，火場發展是無法預測的。

藝術家想像中導致大量傷亡的東京大地震「火災龍捲風」。

但凡失控的林火，總是要提到一種暴風，導致火勢無法控制。其實這種暴風是火災本身造成的，是火災發展到一定階段的產物。火焰龍捲風又叫火怪、火旋風、火暴，是指當火情發生時，空氣的溫度和熱能梯度滿足某些條件，火苗形成一個垂直的漩渦，旋風般直插入天空的罕見現象。旋轉火焰多發生在灌木林火，火苗的高度在9-60米不等，持續的時間也有限，一般只有幾分鐘，但如果風力強勁能持續更長的時間。

1991年，美國灣區大火發生的蔓延形勢，受當時的氣象條件的影響。

火焰龍捲風的形成需要具備一定條件：一是強烈的熱量生成，導致向上的羽流；二是上升氣流與供風氣流的不對稱性相結合，一起形成旋轉的空氣渦流。火焰龍捲風的形成必須在火焰燃燒產生高溫造成熱對流上升後。如果上升時供風不對稱，上升的氣流會開始旋轉，便可能形成所謂的火焰龍捲風。在外觀上，這些旋轉的氣流可收緊形成類似於龍捲風的結構，邊旋轉，邊吸入，邊燃燒，邊上升。火的熱力令空氣上升，周圍的空氣從四方八面湧入，形成卷吸，火焰龍捲風便形成了。

火旋風

最著名的天然火旋風，莫過於著名的1923年東京大地震，震後發生大火，在廣場避難的38000人，因為周圍建築的大火產生了火旋風快速消耗了氧氣，導致窒息而死。地震、大火、火旋風三者共同導致傷亡10萬人以上。

火旋風

最常見的火旋風，是森林大火中的火旋風。火焰龍捲風夾卷著火焰，像一條火龍一樣旋轉前進，所到之處皆為灰燼。其大風威力足以將一棵小樹連根拔起，可持續推進1小時以上，其帶來的大火難以撲滅。在這種氣象條件下，逃生是必然和講究策略的。

火旋風的產生條件：1. 火焰（能量釋放）；2. 上升羽流； 3.非對稱的氣流供給，形成渦流。

歷史上著名的火旋風還有1871年10月8日，一場森林大火席捲了美國威斯康星州東北部的格林貝灣兩岸，總共大約有1500人喪生。那晚，兩處主要的森林大火從格林貝城附近向東北方推進。儘管居民們全力撲救，試圖阻止大火蔓延，可是烈火無情，所經之處毀掉了大量的住宅。

在實驗室條件下，通過改變供風方式，人為製造火旋風。

1987年5月7日風速突變之後的大興安嶺大火就可以稱作火旋風。1988年黃石公園大火也有一個失控的轉折點，是以風向突然改變，消防隊員措手不及為標誌。

1991年加州灣區大火，事後伯克利教授帕格尼使用鮑姆與麥卡福瑞的火致流動理論，根據氣象資料複製了火場氣象流動的變化，證實了火旋風的生成是火災能量釋放與大氣環境互動的結果。

1923年，東京大地震發生之後的火勢蔓延與風向變化形勢（日本學者的研究結果）。

所以，火場發展具有難以預測性，這是因為風助火勢，火致流動相互耦合的影響，很難預報。林區火災的預報，應當是中長期的天氣預報，根據燃料的乾燥程度，確定火災風險，並相應地準備應急隊伍。現在我國的新聞聯播也開始預報林區火災風險指數了，這是學習美國的經驗之一。

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