NASAs Wildfire Digital Twin er banebrydende for nye AI-modeller og streamingdatateknikker til at forudsige brand og røg

NASAs "Wildfire Digital Twin"-projekt vil udstyre brandmænd og naturbrandledere med et overlegent værktøj til at overvåge naturbrande og forudsige skadelige luftforureningshændelser og hjælpe forskere med at observere globale naturbrandtendenser mere præcist.

Værktøjet vil bruge kunstig intelligens og maskinlæring til at forudsige potentielle forbrændingsveje i realtid, ved at flette data fra in situ, luftbårne og rumbårne sensorer for at producere globale modeller med høj præcision.

Mens nuværende globale modeller, der beskriver spredningen af ​​naturbrande og røg har en rumlig opløsning på omkring 10 kilometer pr. pixel, ville Wildfire Digital Twin producere regionale ensemblemodeller med en rumlig opløsning på 10 til 30 meter pr. pixel, en forbedring på to størrelsesordener .

Disse modeller kunne genereres i løbet af få minutter. Til sammenligning kan nuværende globale modeller tage timer at producere.

Modeller med så høj rumlig opløsning produceret ved denne hastighed ville være uhyre værdifulde for første-respondere og naturbrandledere, der forsøger at observere og begrænse dynamiske forbrændinger.

Milton Halem, professor i datalogi og elektroteknik ved University of Maryland, Baltimore County, leder Wildfire Digital Twin-projektet, som omfatter et hold på mere end 20 forskere fra seks universiteter.

"Vi ønsker at være i stand til at forsyne brandmændene med nyttig og rettidig information," sagde Halem og tilføjede, at i marken, "er der generelt ikke noget internet og ingen adgang til store supercomputere, men med vores API-version af modellen kunne de Kør den digitale tvilling ikke bare på en bærbar computer, men endda en tablet," sagde han.

NASA's FireSense-projekt er fokuseret på at udnytte agenturets unikke geovidenskabelige og teknologiske muligheder for at opnå forbedret styring af naturbrande i hele USA.

NASA's Earth Science Technology Office understøtter denne indsats med sit nyeste programelement, Technology Development for support of Wildfire Science, Management, and Disaster Mitigation (FireSense Technology), som er dedikeret til at udvikle nye observationsfunktioner til forudsigelse og styring af naturbrande - inklusive teknologier som Jorden System Digital Twins.

Earth System Digital Twins er dynamiske softwareværktøjer til modellering og forudsigelse af klimahændelser i realtid. Disse værktøjer er afhængige af datakilder fordelt på flere domæner for at skabe ensembleforudsigelser, der beskriver alt fra oversvømmelser til hårdt vejr.

Ud over at hjælpe førstehjælpere vil en Earth System Digital Twin dedikeret til modellering af naturbrande også være værdifuld for forskere, der overvåger tendenser til naturbrande globalt. Især håber Halem, at Wildfire Digital Twins vil forbedre vores evne til at studere skovbrande på tværs af globale boreale skove af koldhårde nåletræer, som binder enorme mængder kulstof.

Når disse skove brænder, frigives alt det kulstof tilbage til atmosfæren. En undersøgelse, udgivet i august 2023, viste, at boreale naturbrande alene tegnede sig for 25 % af al global CO₂ emissioner for det år til dato.

"Årsagen til CO₂ emissioner fra boreal skovbrande finder sted med en stigende årlig hastighed, fordi den globale opvarmning stiger hurtigere på høje breddegrader end resten af ​​planeten, og som et resultat heraf bliver de boreale somre længere," sagde Halem. "Mens resten af planeten er muligvis blevet varmet en grad celsius siden den førindustrielle revolution, denne region er blevet varmet godt over to grader."

Halems arbejde bygger på andre skovbrandsmodeller, især NASA-Unified Weather Research and Forecasting (NUWRF)-modellen, udviklet af NASA, og WRF-SFIRE, udviklet af et team af forskere med støtte fra National Science Foundation. Disse modeller simulerer fænomener som vindhastighed og skydække, hvilket gør dem til det perfekte grundlag for en Wildfire Digital Twin.

Helt konkret arbejder Halems team på nye satellitdataassimileringsteknikker, der vil blande information fra rumbaserede fjernsensorer ind i deres Wildfire Digital Twin, hvilket muliggør forbedrede globale dataprognoser, der vil være nyttige til både nødsituationer og videnskabelige missioner.

I oktober deltog Halems hold i den første FireSense-feltkampagne i samarbejde med National Forest Service's Fire and Smoke Model Evaluation Experiment (FASMEE) for at observere røg, mens den rejste mere end 10 miles under en kontrolleret forbrænding i Utah ved hjælp af et ceilometer. Nu fører holdet disse data ind i deres modelleringssoftware for at hjælpe dem med at spore faner mere præcist.

De er især interesserede i at spore partikler mindre end 2,5 mikrometer, som er små nok til at passere gennem en persons lunger og komme ind i blodbanen. Disse partikler, også kendt som PM 2.5, kan forårsage alvorlige helbredsproblemer, selvom en person ikke er i nærheden af ​​en aktiv forbrænding.

"Når disse brande antændes og begynder at brænde, producerer de røg, og denne røg rejser betydelige afstande. Det påvirker mennesker ikke kun lokalt, men også i afstande på tusinder af kilometer eller mere," sagde Halem.

Data fra den kontrollerede forbrænding vil også hjælpe Halem og hans team med at kvantificere forholdet mellem aerosoler og nedbør. Øgede aerosoler fra naturbrande har en enorm indflydelse på skydannelsen, som igen påvirker, hvordan nedbøren opstår nedstrøms for en berørt brandforbrænding.

Det er vigtigt at assimilere al denne information, når den streames fra sensorer i realtid, for at kunne beskrive den fulde virkning af naturbrande på lokal, regional og global skala.

Leveret af NASA