《Earth's Future》：Anthropogenic Warming Weakens Mild Offshore Winds in Southern California but Not the Extreme Fire-Weather Winds
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南加州最具破坏性的火灾由强劲的离岸风驱动，包括2025年洛杉矶野火，这是加州历史上最致命的火灾之一。然而，人为气候变化（Anthropogenic Climate Change, ACC）对极端风事件的影响仍不明确。利用高分辨率模拟，研究人员研究了中尺度下坡气
南加州最具破坏性的火灾由强劲的离岸风驱动，包括2025年洛杉矶野火，这是加州历史上最致命的火灾之一。然而，人为气候变化（Anthropogenic Climate Change, ACC）对极端风事件的影响仍不明确。利用高分辨率模拟，研究人员研究了中尺度下坡气压梯度力（Katabatic Pressure Gradient Forcing, KPGF），即这些风的主要热力学驱动因素。研究表明，这种驱动力源于内陆与沿海区域之间的差异性加热，并在近几十年来促成了最强的风事件及相关的火灾危险。利用动力降尺度的第六次耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）预估数据，其中ACC削弱了平均陆地–海洋温度梯度，研究人员发现这种效应仅减少了弱和中等强度的离岸风事件，极端事件不受影响。观测分析揭示了历史记录中的这一ACC指纹。结合由增温驱动的、确凿的大气干燥度增加，这些发现表明，尽管平均气压梯度力减弱，南加州极端风驱动的野火威胁仍将加剧。
南加州最具破坏性的野火多发生于凉季（10月至次年1月），由强劲且干燥的离岸风（常称为圣安娜风Santa Ana winds）驱动。这类风事件以中尺度气象现象为主，其地表风速对精细地形特征高度敏感，使得低分辨率全球气候模式难以直接评估人为气候变化（Anthropogenic Climate Change, ACC）的影响。尽管已有部分基于单一全球模式降尺度或统计降尺度的研究一致预估圣安娜风活动频率将因内陆–海洋温度梯度减弱而下降，但ACC如何影响整个风事件强度谱系——尤其是驱动最具破坏性火灾的极端事件——仍是一个悬而未决的关键问题。这一知识空白源于此前缺乏既具备高分辨率天气模式中尺度真实性、又能涵盖足够多地球系统模式（Earth System Model, ESM）以跨越结构性不确定性的模拟资料组合。
针对上述问题，研究人员利用一套新近可用的、来自13个ESM的动力降尺度历史和未来模拟资料，引入了一种动力调整（Dynamical Adjustment）技术，将每日离岸风分解为天气尺度环流驱动的动力分量（Dynamic Component）和中尺度热力学残余分量（Thermodynamic Component），后者承载了下坡气压梯度力（Katabatic Pressure Gradient Forcing, KPGF）的信号。研究人员旨在阐释ACC在近期历史（包括驱动2025年1月洛杉矶大火的极端事件）中是否以及如何影响极端离岸风事件，并评估这种效应在未来几十年可能如何演变。进而，研究人员将分析扩展至CMIP6降尺度预估，解析整个事件强度分布上的响应，以揭示最极端事件——而非平均事件——所承载的极端火灾天气风险是否及如何发生变化。
研究采用的主要关键技术方法包括：（1）基于ERA5再分析资料，利用天气研究与预报模式（Weather Research and Forecasting, WRF）进行动力降尺度，构建3 km分辨率的中尺度气候数据集（1951–2024年凉季）和9 km分辨率数据集（1951年1月至2025年1月），以捕捉中尺度风场和热力学过程；（2）采用基于构建环流相似法（Constructed Circulation Analogs）的动力调整技术，将每日地表风场和温度场分解为天气尺度动力分量和包含KPGF的中尺度热力学分量；（3）使用收敛交叉映射（Convergent Cross Mapping, CCM）方法识别热力学风分量与内陆–海岸温度梯度之间的因果关系；（4）利用13个经偏差校正的CMIP6 ESM的9 km动力降尺度模拟（历史时期1980–2014年；SSP3-7.0情景2015–2100年），评估ACC对未来圣安娜风分布的影响；（5）使用梯度理查森数（Gradient Richardson Number, Ri）诊断严重下坡风条件。
**热力学风分量对火灾发生的作用**
研究人员将南加州凉季（10–1月）日风距平分解为动力分量和热力学分量。结果显示，总风速与热力学分量的相关性（r = 0.81）远高于与动力分量的相关性（r = 0.61），而两分量间相关性较弱（r = 0.11），证实中尺度热力学分量主导风速变率。相应地，沿海南加州日火灾数量与热力学分量的关联强于动力分量，并且2025年1月Palisades和Eaton火灾、2017年Thomas火灾、2007年Witch火灾和2003年Cedar火灾发生日均表现出强烈的热力学风分量，表明极端火灾事件主要受中尺度热力学过程控制。
**下坡气压梯度力在极端风中的作用**
研究人员进一步考察KPGF这一热力学分量的核心驱动机制。以沿海暖空气与沙漠冷空气在海拔2 km处的位温差（Δθ）表征KPGF强度，发现Δθ与风速呈强正相关（r = 0.75）。2025年1月火灾发生时的Δθ达到历史第95百分位，Thomas火灾和Witch火灾的Δθ更超过第99百分位。同时，梯度理查森数（Ri）诊断显示，四个极端火灾事件均出现Ri < 0.25的临界层条件，表明存在大振幅山地波和超临界流驱动的严重下坡风，进一步佐证了极端热力学强迫与最强破坏性风事件之间的内在联系。
**风场的局地热力学驱动因素**
通过回归分析风场热力学分量与日最高温度热力学分量（Tmax
(TH)），研究人员发现一个清晰的内陆–海岸偶极模态：内陆增温对应风速增强，沿海增温对应风速减弱。利用CCM方法对热力学风分量与内陆–海岸温度梯度进行因果关系检测，结果表明温度梯度对风的因果驱动效应强于风对温度梯度的反向影响，证实局地差异性表面加热通过中尺度热力学过程主导性地影响风速。分位数回归进一步揭示，南加州历史上最大的风驱动野火（燃烧面积≥8,100 ha）集中分布于ΔTmax和Δθ分布的高端（约0.95分位数），表明第95百分位的Δθ可作为极端风驱动火灾潜势的近似阈值。
**气候变化对极端风事件频率的影响**
基于13个动力降尺度ESM的预估分析表明，从1980–2025年至2055–2100年，除一个模式外，所有模式均显示离岸风日（Δθ为正）频率下降，多模式平均降幅约5%。然而，这一下降几乎全部来自弱至中等强度事件（Δθ低于历史第75百分位），极端事件（Δθ超过第95百分位）的频率变化在统计上不显著。相应地，ΔTmax在弱至中等事件中呈现稳健的减弱趋势，而在极端事件中未显示出差异性增温的减弱，解释了为何极端圣安娜风未被削弱。在历史观测记录中，将后35年（1990–2024年）与前35年（1952–1986年）进行对比，同样呈现出弱至中等Δθ事件频率略微下降、强事件频率基本不变的模式，且该变化源自热力学风分量的减弱，被动力风分量的轻微增强部分抵消——这一ACC指纹与模式预估一致。
**讨论与结论**
综上所述，尽管多模式预估显示世纪末离岸风总频次约有5%的微弱下降，但最极端事件的频率和强度均未出现统计显著的减少。ACC驱动的平均陆地–海洋温度对比减弱仅作用于弱至中等事件，而极端事件对应的强温度梯度并未减弱，这是极端圣安娜风得以维持的根本热力学原因。值得关注的是，即使平均气压梯度减弱，ACC通过增温驱动的大气干燥度增加不可忽视：在Δθ超过第95百分位的极端圣安娜风事件中，未来平均水汽压亏缺（Vapor Pressure Deficit, VPD）较历史时期预计升高约22 ± 9%。同时，模式倾向于显示ACC将导致冬季降水起始延迟，这可能使风驱动野火风险期向圣安娜风气候态更强、更频发的凉季深处延伸。因此，尽管ACC可能减少弱至中等圣安娜风事件的发生频次，但它不太可能削弱对南加州社区构成重大威胁的极端风驱动火灾事件的强度。研究人员据此强调，需在10月之后重点关注针对性策略，包括意外点火预防、住宅加固和早期预警系统的建设，以减缓火灾相关灾害。
