Lab udvikler en hidtil uset langsigtet forudsigelsesmodel for naturbrande

Wildfire-indekser og klimamodeller i høj opløsning kombinerer til at producere en detaljeret historisk analyse af naturbrandbegivenheder i hele USA og tyder på potentialet for mere alvorlige og hyppige brande i sidste halvdel af århundredet.

Listen er lang, nogle af de kendte navne:Solsikke, Paradis, Whitewater-Baldy, Æble, Pinecreek. Navne, der påkalder billeder af pastorale pusterum væk fra den travle verden.

Nu er disse navne synonyme med naturbrande.

Antallet og sværhedsgraden af ​​naturbrande skaber overskrifter over hele kloden, fra det vestlige USA til Brasilien, fra Sibirien til Australien. Skovbrande ødelægger miljøet, decimere enorme skår af land- og dyrelivsbestande - det anslås, for eksempel, at en halv milliard dyr omkom i megafyrene, der for nylig fejede Australien. Ud over deres indvirkning på naturen, skovbrande tager også en vejafgift på luftkvaliteten, infrastruktur, hjem og menneskeliv.

Kombination af data fra veletablerede brandindekser og historiske klimaregistre, forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory kortlægger en prognose for brandehændelser i de sammenhængende USA og Alaska, der strækker sig over resten af ​​århundredet. De anvender også denne prognose til at forudsige, hvordan naturbrande kan påvirke vigtig infrastruktur, især landets elektriske net.

Forstå deres placering, frekvens og sværhedsgrad kan hjælpe infrastrukturoperatører, landforvaltningsagenturer og lokale regeringer udvikler planer for at afbøde ødelæggelserne forårsaget af fremtidige naturbrande.

At blusse interessens flammer op

I 2007, Yan Feng var postdoktor ved University of California i San Diego, da hun var vidne til sin første løbeild, en begivenhed, der er alvorlig nok til at lukke skolen i flere dage.

"Folk havde masker på, fordi luftkvaliteten var så dårlig, du kunne se asken flyde overalt, "mindede Feng, nu en af ​​de vigtigste atmosfæriske og klimaforskere i Argonnes afdeling for miljøvidenskab (EVS). "Men det var en så imponerende begivenhed, at jeg blev interesseret i naturbrande."

Hun sluttede sig til laboratoriet i 2010, udeladt denne interesse i et par år, indtil et forskningsinstitut søgte Argonnes ekspertise og supercomputbare ressourcer til at udvikle en klimamodel i høj opløsning og et brandfarekort over det vestlige USA.

Fengs arbejde med dette projekt vakte hendes interesse for naturbrande igen, og hun begyndte at skrive finansieringsforslag for at fortsætte forskning om emnet. Snart ville hun opdage, at andre på Argonne delte i hendes sysler.

En af dem var Mark Petri, direktør for Argonnes elektriske elnetprogram, hvis arbejde omfatter analyse af kritisk infrastrukturresiliens. En af måderne til at teste denne modstandsdygtighed er at identificere og forstå eksterne farer, som ekstremt vejr, der kan påvirke nettet og anden væsentlig infrastruktur.

Det viser sig, Argonne havde allerede opbygget en temmelig stor videnbase om disse farer, gem en især.

"Vi klarer os godt med orkaner og isstorme, derechos og nordøstere, "sagde Petri, "men det eneste område, hvor vi syntes at mangle, var naturbrande."

Og hvad de ville, mere specifikt, var data, der fokuserede på, hvordan ændringer i klimaet påvirker naturbrande.

Reenter Feng.

Arbejde gennem Argonne Laboratory Directed Research and Development (LDRD) finansiering opnået af Petri, hun og kollegerne Jiali Wang og Emily Brown udgav et papir i tidsskriftet Miljøforskningsbreve der undersøger brændende tendenser i løbet af de sidste 30 år. Ved hjælp af det velkendte Keetch-Byram tørkeindeks (KBDI) og usædvanligt højopløselige klimaobservationer fra steder i hele landet, de illustrerede, hvordan disse tendenser kunne påvirke fremtidige begivenheder.

KBDI måler mængden af ​​fugt, der er tilgængelig for lokal vegetation i øvre jordlag og den nedbrydende organiske materialematrix, eller dyb duff, der hviler over disse lag. Et indekspunkt på nul tyder på, at jorden er godt mættet; ved 800, tørkeforholdene hersker.

Mens andre tidligere har udført historiske analyser af brande tendenser ved hjælp af KBDI, Argonne -forskerne var de første til at opnå en i en hidtil uset opløsning og over så stort et område og en tidsperiode.

Hvis du tænker på et gitter, de fleste gitterpunkter brugt i aktuelle undersøgelser tegner sig for et område, eller rumlig opløsning, i intervallet 10 til 50 km. Fengs team brugte observationer, der omfattede områder på kun 4 km over det sammenhængende USA, for perioden 1982 til 2017.

Men fordi KBDI og andre brandindeks hovedsageligt fungerer som forudsigende indikatorer for naturbrande, de måtte finde en måde at knytte indekset til faktiske brande, hvilket de gjorde ved at finde historiske data for brande, der opstod i denne periode.

"Så, vi foretog denne korrelationsanalyse og fandt betydelige sammenhænge mellem brandindekset og det observerede brændende område fra naturbrande i løbet af de sidste 36 år, "sagde Feng." Det gav os tillid til at bruge dette forudsigelsesindeks til fremtidige skøn. "

Indekset blev derefter anvendt på regionale klimamodeller produceret af Jiali Wang og miljøvidenskabelige kollega Rao Kotamarthi ved hjælp af en Weather Research and Forecast (WRF) -model med en netafstand på 12 km. Efter en business-as-usual tilgang, der overvejede usikkerheder fra forskellige inputdatakilder, de var i stand til at forudsige hyppigheden og sværhedsgraden af ​​fremtidige naturbrande fra midten til slutningen af ​​det 21. århundrede i både de sammenhængende USA og Alaska.

Det er mere kompliceret

I sammenligning med andre klimainducerede fænomener, som mere intense orkaner eller hyppigere og ekstreme storme, naturbrande er mere komplicerede.

Ud over de regionale vejrforhold, forskere skal overveje andre vigtige miljøfaktorer, der kan fremme og sprede en brand. Der er topografi - dybest set jordens lægning - og jordforvaltning; en hældning, der vender mod vinden, får en brand til at sprede sig hurtigere, og en overflade fyldt med tørt træ, blade og buske tilføjer bogstaveligt talt brændstof til ilden.

Forskellige indeks overvejer blot nogle af disse variabler, og hver har sine fordele og ulemper, bemærkede Wang, en argonne atmosfærisk og jordforsker og medforfatter af papiret. KBDI, for eksempel, fokuserer på temperatur og nedbør, men tager ikke højde for vind, som som vi har set, er kritisk for brandspredning.

"Vi startede med et ret simpelt brandindeks, der giver dig risikoen, men kan ikke forudsige ilden lige så præcist som vejrudsigten, "Sagde Wang." Det er ret godt i regioner, der har rig brændstof, men for områder, der ikke har det, vi er nødt til at se på andre indekser med færre begrænsninger og muligvis bedre forudsigelsesmuligheder. "

På trods af disse begrænsninger, holdet var i stand til at bruge sine historiske data som en solid grundlinje til at forudsige potentiale for brande i sidste halvdel af dette århundrede. Udsigten er bekymrende, mildest talt, hovedsagelig drevet af stigende temperaturer.

Allerede, ekstreme temperaturer, kraftig vind og tørke i Vesten giver et grumt eksempel på de kommende ting. I slutningen af ​​september, skovbrande havde skabt en enorm ødelæggelse fra det sydlige Californien mod nord gennem Oregon og Washington, brænder rekordstore 4 millioner hektar alene i Californien.

"Baseret på vores og andre undersøgelser, der er en stigning med hensyn til hyppigheden og sværhedsgraden af ​​de brande, der opstår i nutiden i forhold til for to eller tre årtier siden, "sagde Feng.

Og ifølge forskningen, tingene bliver kun værre.

"Vi kørte WRF -modellerne mange gange, og alle output projekterer flere, hyppigere og mere ekstreme brandhændelser, især i Vesten, hvor der allerede er mange brande, "tilføjede Wang. Det samme gælder for Syd og Sydøst, allerede udsat for skader fra orkaner og andre ekstreme farer.

De fandt også ud af, at potentialet for ekstreme brande kunne strække sig til dele af landet, hvor naturbrande tidligere udgjorde ringe risiko, ligesom Midtvesten, nordøst og Alaska.

Selvom det typisk ignoreres i sådanne undersøgelser på grund af mangel på observationsdata og beregningskravene for at tilføje det til simuleringer, Alaska var inkluderet i holdets papir, hvor de skrev, at staten "har varmet dobbelt så hurtigt som resten af ​​nationen, og oplever permafrost temperaturstigning, hvilket kan føre til flere brande. "

De resulterende data vil blive brugt af Argonne -teamet til at bygge en brandrisikoindikator ind i deres infrastrukturrisikovurderingsmodel, en, der allerede henvender sig til den anden, mere omfattende undersøgt ekstreme farer.

Modellen fungerer som en slags fareplan, give forsyningsselskaber og andre infrastrukturoperatører langtrækkende fareprognoser, hvad enten det er ild eller orkan. At kende den potentielle timing og sværhedsgrad af en af ​​disse kan hjælpe dem med at udvikle en bedre forvaltningsplan for sikkerheden af ​​vigtig infrastruktur, især landets elnet.

Det kan betyde bedre arealforvaltning, som at fælde træer og buske omkring forsyningsselskaber, eller flytte kraftledninger, hvor det er muligt. Der arbejdes på at udvikle smartere strategier til nedlukning af strømmen, når systemer risikerer overophedning, undgå afbrydelser som dem, som et af Californiens største forsyningsselskaber blev kritiseret for under brande, der skyllede det nordlige Californien, sidste år.

"Det arbejde, Argonne-teamet har produceret, vil hjælpe med at forstærke de faremodstandsdygtighedsmodeller, vi udvikler for at give gennemtænkte strategier for sikkerheden for nationens folk, jord og infrastruktur, "sagde Petri." Det vil også tjene som et aktiv for andre, der arbejder med strategier til at reducere brande i hele laboratoriet. "

Denne undersøgelse blev offentliggjort online som "U.S. wildfire potential:a historic view and future projection using high-resolution climb data" in Miljøforskningsbreve , 22. juli kl. 2020.