多源气象资料的森林火灾监测与机理分析

Monitoring and Mechanism Analysis of Forest Fires Using Multi-source Meteorological Data

摘要

2019年3月31日18时四川省凉山州木里县雅砻江镇立尔村的森林火灾因突发山火导致林火爆燃，通过分析天气背景、卫星云图、地面观测、风矢—位温（V-3\theta）图、卫星遥感甲烷含量的垂直分布以及ERA5资料的垂直气流等特征，探索产生森林大火和爆燃的机制。结果表明：林火区域前期没有云和降水；大气垂直结构显示中层以下有热力不稳定；Aqua卫星AIRS的甲烷垂直分布可监测地球排气现象，31日甲烷柱含量的增加为爆燃提供了条件。逐小时ERA5资料显示火灾发生前后有明显的垂直升降气流，印证了31日18时的爆燃与地下喷发相关。

Abstract

A forest fire broke out in Lier Village, Yalongjiang Town, Muli County, Liangshan Prefecture, Sichuan Province at 18:00 on March 31, 2019,tragically resulting in the deaths of 31 firefighters. Taking this event as an example, this study discusses the monitoring and mechanisms of forest fires using multi-source meteorological data from atmospheric detection and remote sensing. The weather background, satellite cloud images, ground observations, wind vector potential temperature (V-3θ) plots, vertical methane distribution from satellite remote sensing, and vertical airflow from ERA5 data are analyzed. The results indicate that there were no thunderstorm in the early stage of the fire area; The vertical structure of the atmosphere shows significant thermal instability below the middle layer; The methane vertical profile of AIRS can monitor the Earth's exhaust phenomenon, and the increase in methane column content on March 31 provided conditions for detonation. The hourly ERA5 data shows significant vertical upward and downward airflow before and after the fire, confirmed the connection between the explosion at 18:00 on March 31 and the underground eruption.This study explores the changes in meteorological environment, atmospheric structure, and methane content from the interdisciplinary perspective of atmosphere and geology, revealing the relationship between wildfire explosions and Earth emissions, and providing a basis for scientific decision-making in fire prevention and disaster reduction.

Graphical abstract

关键词

森林大火 / 大气探测 / 大气遥感 / 地下排气 / 甲烷

Key words

forest fire / atmospheric sounding and observing / atmospheric remote sensing / underground exhaust / methane

2019年3月30日17时四川省凉山州木里县发生森林火灾，31日18时四川森林消防总队凉山州支队指战员和地方扑火队员共689人在海拔4 000多米的原始森林展开扑救，其间突发林火爆燃，瞬间形成巨大火球， 31名扑火人员牺牲。什么是林火爆燃？它发生的机理是什么？遥感监测森林火灾事件的演变，揭示其发生发展的深层原因，有助于灾害预警，为应急管理和科学决策服务。

自然灾害孕育、形成、发生和发展过程中所表现出的气候和气象异常、地质异常、地球物理和地球化学异常等就是灾害的先兆现象，各种自然灾害的前兆存在着关联性^[1]。山火形成的原因，除了雷电引发、用火不慎及电线短路，还有自然界的原因。凉山大火出现少见的爆燃，仅用风向突变难以解释瞬间形成巨大火球和蘑菇云团。杜乐天等^[2]、黄学等^[3]指出，地球排气作用是众多重大自然灾害深层次决定性的孕育因素；如果忽视地球排气作用，就不可能破译地震、大旱、大水、森林草原区域性大火等重大自然灾害的密码。陈荫祥^[4]认为，1984年4月29日晚10时，日本一架班机飞抵阿拉斯加时发现有巨大的蘑菇状烟云，并急剧向四周扩散，森林草原起火的现象也类似，由地球内部的喷气引起。强祖基等^[5]研究表明，“当地球受力时，地壳变形和破裂，气体(H₂、CH₄、CO等)从内向外溢出，可引起森林火灾和地震”。关于区域性森林大火，杜乐天^[6]指出：“真正起因于地球排气中易燃还原性气体在腐殖层的临界积聚（气体体积分数约为5%～6%）”。区域内岩石和地表的微破裂张开，使地下的Rn、CO₂、CH₄等混合气体在瞬变电场的作用下，增温能达到5～6℃，地壳突发性排气和低空静电场的异常同时出现，才会导致低空大气红外增温异常^[7]。红外遥感在监测地表高温干旱及大气温湿演变方面发挥了重要作用^[8-9]。

本文以2019年3月30日下午四川省凉山州木里县雅砻江镇立尔村发生森林火灾事件为例，通过分析天气背景、卫星云图、地面观测、大气结构、甲烷气体排放以及垂直气流等方面的特征，探索产生森林大火和爆燃的机制。

1 研究区域、资料及爆燃条件

1.1 研究区域

川滇地区是我国主要地质构造活动区域之一。陈荫祥^[4]研究重灾地内核动力地质构造背景时指出，川渝地区有木里动力中心（30°20'N，101°30’E），中心直径120 km。图1a是川滇地区地震构造图^[10]，木里县就在地质构造活动区域，许多断裂带都是沿着江河分布，是地下气体排放的通道，黄康等^[11]分析地震区域与甲烷排放的时空演化关系。图1b是木里县雅砻江镇立尔村的地形图，立尔村位于雅砻江右岸，研究^[12]表明河谷及山坡是排气带，当地下烃类气体受地内、外各种因素影响时，就会由此处喷发，影响大气特征。凉山是地震易发区域，有氢气从地下喷出，巨大的气压使气体易燃，一旦着火会产生巨大的蘑菇云。

1.2 资料

多源资料主要有：（1）2019年3月30日火灾和3月31日爆燃事件叠加了雷达回波的天气图；（2） 2019年3月30日FY-4A静止气象卫星云图；3）2019年3月30日6—18时火灾点附近18个地面自动气象站资料（经纬度跨度3º）；（4）2019年3月30日火灾点附近探空站数据；（5）2019年3月甲烷数据；（6）2019年3月30日8—18时欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA5再分析资料（分辨率0.25°×0.25°）。

1.3 产生爆燃的条件

爆燃是由于气体的压力和温度过高，可燃混合气体在没有点燃的情况下自行燃烧，且火焰以高于正常燃烧数倍的速度向外传播。爆燃产生的3要素：（1）有燃料和助燃空气的积存；（2）燃料和空气混合物达到了爆燃的浓度；（3）有足够的点火能源。传统的风向突变无法解释瞬间形成巨大火球和蘑菇云团.爆燃现象有地球科学的深层原因。针对地下气体排放引起的爆燃，本研究依据地球排气作用，分析这一地区森林火灾发生前后的环境背景。

2 天气背景分析

2.1 天气图分析

由2019年3月30—31日山火发生前后的地面天气图可知，30日17时起火时和31日18时爆燃时当地均处于低压系统中，无降水回波，局地大气有上升运动，是地下排气的间接反映。

2.2 卫星云图分析

由FY-4A静止卫星第1通道（0.47 μm）的可见光云图（图2a，分辨率为500 m）可知，起火点周围晴空少云，第2通道可见光（0.65 μm）和第3通道近红外（0.83 μm）云图特征相似。图2b是第12通道（\mathrm{10.8}\mathrm{\mu }\mathrm{m}）的长波红外云图，分辨率为4 km，对应着森林火灾开始时段，圆圈里的亮温为16.17 ℃，而周围云体的亮温为－23~0 ℃，圈内温度高的原因可能与地下排气作用有关。杜乐天等^[12]认为，地热异常正是地球强烈排气的产物，此地下气体是地核的强大氢流，喷射时随减压膨胀不断降温，到达地浅，会造成地温异常偏高，引发大旱与山火。强氢气流速极快，从外地核到高空只需1～2 h，是由气压差达百万大气压的强气流所驱动的超高速喷发。

图3是2019年3月31日17:53（北京时）FY4静止卫星云图。图3a是可见光第1通道（0.47 μm）的局部放大图，呈现云顶对流凸起的特征。图3b是红外第12通道（10.8 μm）的局部放大图，云体亮温为－52~ －42 ℃，说明云体高度较高。此时爆燃点上空被云层笼罩，与30日16:38的大气和云的特征明显不同。

2.3 地面气象观测分析

根据西昌火灾点附近18个地面自动气象站资料，分析了2019年3月30日6—18时逐小时的风、温、湿分布。由于火灾发生在高山上，火灾点附近自动站稀疏。图4是30日14、17时的风、温、湿分布。图4a、d是30日的风向分布，14时南面有朝向起火点的风（图中风矢箭头），17时风离开火灾点，反映了地面气流的辐合及辐散。14—17时火灾点南、北温度有所降低(图4b、e）。图4c、f是火灾点南、北的相对湿度，从14时的24%～36%增加到火灾发生时（17时左右）的36%～42%。

3 垂直结构分析

3.1 大气风矢—位温的垂直结构分析

用气象探空资料计算大气的3种位温廓线V-3\theta图^[13]，红线是位温，绿线是假相当位温，蓝线是饱和位温。诊断山火发生前后大气温度和湿度的垂直结构，可揭示火灾发生前的先兆信息。木里县在甘孜站和西昌站之间，甘孜在木里的上游，西昌在木里的下游。图5是甘孜站和西昌站2019年3月29、30、31日20时的V-3\theta图，分析两站的大气结构变化发现29日20时（30日17时燃烧之前的21 h），地表干热及对流层中层降温明显，为热力不稳定状态，与地震前的大气结构相似^[14]，印证了云图中地表温度高且晴空无云的状态（图2）。这种结构反映了地下排气的影响，当氢气、甲烷等烃类气体从地下以高压喷出时加热地面，气体上升时体积膨胀使中空降温^[15]。30日20时森林火灾开始后3 h，甘孜和西昌站的大气结构与29日20时相似，呈现地表干热及中空降温的强热力不稳定（见图中竖直的红绿线），不稳定程度比29日20时更强，表明地下排气仍在持续中。31日20时爆燃后2 h，不稳定程度降低且高空有云（图3）。

3.2 甲烷含量的垂直分布

地球排气^[7]主要排放氢气H_2、甲烷CH₄等烃类气体，目前受卫星观测波段限制无法直接监测H₂，而CH₄在地球排气中有显著影响，因此选择CH₄作为H₂及烃类物质的示踪物^[16]。利用Aqua卫星AIRS (Atmospheric Infrared Sounder）传感器的甲烷资料，可监测地球排气现象^[17]。甲烷含量在对流层发生剧烈变化的原因之一为地球排气使河谷或地质断裂带的微量气体突然喷发，大量的甲烷喷入对流层，影响大气温湿结构^[18-19]。3月30日，图6a上700 hPa以上甲烷体积混合比距平值约为1.5\times10^-8，甲烷体积混合比距平值为 10⁻⁸ cm^-²，200 hPa以上甲烷体积混合比距平值约为3\times10^-8cm^-²，图6b上31日200 hPa及以上高度甚至达到5\times10^-8 ；图6c上31日甲烷柱体积总量达到3.2\times10¹⁹ cm^-²，说明有甲烷迅速排出，含量在增加且随高度不断上升，31日甲烷柱总量的高值为30日17时火灾出现和31日18时发生爆燃提供了证据。

凉山木里山火事件中，地下的甲烷气体喷发是导致甲烷含量突变的主要原因（图6）。拉斯捷金^[3]研究发现，地下烃类气体的强大喷发，在与空气中气体结合时发生了爆炸。别斯科夫^[3] 认为，在强大压力作用下的气流冲入对流层中上层，由于放电而燃烧起来，此后火焰般的气体物质沿着气流向下“滚去”，在离地面不远处发生爆炸。图7为深入理解3月30日火灾和3月31日18时爆燃的机理提供依据。

3.3 <bold>ERA5</bold>资料的垂直气流结构

由2019年3月30日ERA5资料得到火灾发生前后（8—18时）逐时的垂直气流，分析发现13时地面已有上升气流冲向对流层中高层。16时（图7a）上升气流（蓝色）从森林的地面（700 hPa）冲到300 hPa以上，同时有下降气流（红色）从更高处下沉到地面（700 hPa），103°E附近有另一股垂直气流。17时（图7b）和18时（图7c）火灾点及附近都有显著的两股垂直气流，3张图火灾点上升气流的相对湿度都较大。图7印证了别斯科夫1992年^[3]的研究结论，31日18时的爆燃与地下喷发相关。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）从多源资料分析中获得了气象环境、大气结构及甲烷含量变化，火灾发生在4 km高山上，当时无雷暴，排除电线短路等人为因素，说明起火另有原因，是自然界山火迫切需要探索的机理。

（2）地下甲烷气体排放导致甲烷柱含量31日突增，烃类气体喷发到大气后膨胀放电燃烧，这是引起山火爆燃的一个重要原因，ERA5资料的垂直气流分布佐证了起火点的升降气流结构，为深入理解3月31日18时的爆燃机理提供了依据。

（3）地球由多圈层的固体和气体构成，本文从大气和地质的交叉学科视角，揭示山火爆燃与地球排气的关系，扩展对森林火灾爆发机理的认识。

4.2 讨论

（1）建议应急管理部门针对森林火灾及爆燃，加强专门的多源气象资料监测，重点关注区域精细化观测，为防森林火灾做好预防预警措施，减少人员和财产损失。

（2）随着遥感技术的发展，建议在卫星上增加氢探测的载荷，有助于监测氢气的排放。

（3）地球排气是众多重大自然灾害的深层次决定性的孕育因素。从大气和地质的交叉学科视角探索森林火灾等自然灾害的原因，用多源气象资料监测突发森林火灾，为防灾减灾提供新机遇。

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基金资助

国家自然科学基金项目(41675029)