Hvad den komplekse matematik af brandmodellering fortæller os om fremtiden for Californiens skove

Californiens brande bliver større og sværere at forudsige. Den eneste måde at tæmme dem på er måske at lave selve landskabet om.

David Ryder/Getty Images

ved

• Saul Elbein arkiv side

18. januar 2021

På højden af ​​Californiens værste naturbrandsæson nogensinde, Geoff Marshall kiggede ned på sin computer og indså, at en enorm brand var ved at overraske brandmændene .

Marshall leder brandforudsigelsesholdet ved California Department of Forestry and Fire Protection (kendt som Cal Fire), med hovedkvarter i Sacramento, hvilket giver ham et stadig sværere job: at forudse opførsel af skovbrande, der bliver mindre forudsigelige hvert år.

Problemet var indlysende, hvor Marshall sad: Californiens skove var fanget mellem et forvaltningsregime, der var dedikeret til at dyrke tykke bevoksninger af træer - og udrydde den lavintensive brand, der engang havde ryddet dem - og et hurtigt opvarmende, stadig mere ustabilt klima.

Som følge heraf krydsede flere og flere brande en dårligt forstået tærskel fra typiske naturbrande - en del af en normal afbrændingscyklus for et landskab som Californiens - til monstrøse, meget ødelæggende flammer. Nogle gange kaldet megabrande (et videnskabeligt meningsløst udtryk, der løst refererer til brande, der brænder mere end 100.000 acres), forekommer disse massive ildebrande oftere rundt om i verden og sprænger over store dele af Californien, Chile, Australien, Amazonas og Middelhavsområdet .

I det særlige øjeblik i Californien i september sidste år opstod adskillige hidtil usete brande var brændende samtidigt . Sammen ville de fordoble det rekordstore areal i 2018-sæsonen for skovbrande på mindre end en måned. Men lige så bekymrende for Marshall som deres størrelse var, at de største brande ofte opførte sig på uventede måder, hvilket gjorde det sværere at forudsige deres bevægelser.

For at møde denne nye æra havde Marshall et nyt værktøj til sin rådighed: Naturbrandanalytiker , et brandforudsigelses- og modelleringsprogram i realtid, som Cal Fire først licenserede fra et Californien-baseret firma kaldet TechnoSylva i 2019.

Arbejdet med at forudsige, hvordan brande spredte sig, havde længe været et spørgsmål om håndtegnede ellipser og modeller, så langsomme analytikere satte dem inden sengetid og håbede, at de var færdige om morgenen. Wildfire Analyst, på den anden side, tragter data fra snesevis af forskellige feeds: vejrudsigter, satellitbilleder og målinger af fugt i et givet område. Så projicerer den alt det på en elegant grafisk overlejring af brande, der brænder over Californien.

Et modelleringsværktøj kaldet Wildfire Analyst viser, hvordan en brand i Californien kan sprede sig over en periode på otte timer. De røde genstande er bygninger.

Hver nat, mens brandvæsenet sover, sår Wildfire Analyst disse digitale skove med millioner af testforbrændinger og forudberegner deres spredning, så menneskelige analytikere som Marshall kan lave simuleringer på få sekunder og skabe kørsler, de kan overføre til Google Maps for at vise. deres overordnede, hvor de største risici er. Men denne særlige risiko, indså Marshall pludselig, var smuttet forbi programmet.

Displayet viste nu en klynge af lyse lyserøde og grønne polygoner, der krybede over den østlige flanke af Sierras, nær byen Big Creek. Polygonerne, et af de mange feeds, der overføres direkte til Wildfire Analyst, var fra FireGuard, et realtidsfeed fra det amerikanske forsvarsministerium der estimerer alle naturbrandes nuværende placeringer. De spredte sig, langt hurtigere end de burde have været, op ad Big Creek-afvandingen.

I sine beregninger havde Wildfire Analyst gjort en række antagelser. Den så på den anden side af Big Creek en tæt bevoksning af tungt tømmer. Sådanne bevoksninger blev traditionelt anset for at hindre den hurtige spredning af ild, som modeller i vid udstrækning tilskriver fine brændstoffer som fyrrehalm.

Men Marshall indså pludselig, som de algoritmer, der driver Wildfire Analyst, ikke havde, at dræningen holdt alle ingredienserne til en perfekt ildstorm. Det tunge tømmer, vidste han, var i virkeligheden et stort plet af døde træer, svækket af biller, dræbt af tørke og bagt af to uger med 100 °F varme til billedskønt brænde. Og Big Creek-dalen ville fokusere vinden på bålet som en bælg. Uden nogen vejrstation ved åens udmunding kunne programmet ikke se alt det.

Marshall gik tilbage til sin computer og kørte nogle tal igen med de nye variabler indregnet. Han så på sin skærm, mens ilden spredte sig med skræmmende hastighed over Sierra. Jeg gik hen til operationstraileren og fortalte mine overdel: Jeg tror, ​​den kommer til at springe over San Joaquin-floden, husker han. Og hvis det gør det, kommer det til at løbe stort.

Dette var i det øjeblik en vidtløftig påstand - ingen brand i Californien havde nogensinde kørt ni mil i tungt tømmer, uanset hvor tørt det var. Men i dette tilfælde skabte træernes forbrænding kraftige faner af overophedet luft, der drev ilden videre. Den sprang over floden og løb gennem tømmeret til et reservoir kendt som Mammoth Pool , hvor en luftbro i sidste øjeblik gemt 200 campister fra ilddød.

The Creek Fire var et casestudie i den udfordring, som nutidens brandanalytikere står over for, som forsøger at forudsige bevægelserne af brande, der er langt mere alvorlige end dem, der blev set for bare ti år siden. Da vi forstår så lidt om, hvordan ild virker, bruger de matematiske værktøjer, der er bygget på forældede antagelser, såvel som teknologiske platforme, der ikke kan fange usikkerheden i deres arbejde. Programmer som Wildfire Analyst giver, selvom de er nyttige, et indtryk af præcision og nøjagtighed, der kan være vildledende.

At komme foran de mest ødelæggende brande kræver ikke blot nye beregningsværktøjer, men en gennemgribende ændring i, hvordan skovene forvaltes. Sammen med klima forandring generationer af land- og miljøforvaltningsbeslutninger – beregnet på at bevare de skove, som mange californiere føler en pligt til at beskytte – har utilsigtet skabt denne nye tidsalder med hyperdestruktiv ild.

Men hvis disse massive brande fortsætter, kan Californien se Sierras skove blive slettet lige så grundigt som skovene i Australiens Blue Mountains . At undgå dette mareridtsscenarie vil kræve et paradigmeskift. Beboere, brandledere og politiske ledere skal skifte fra en tankegang om at forebygge eller kontrollere naturbrande til at lære at leve med den. Det vil betyde at omfavne brandhåndteringsteknikker, der tilskynder til hyppigere forbrændinger - og i sidste ende tillade brande for evigt at forvandle de landskaber, de elsker.

Rystende antagelser

I slutningen af ​​oktober delte Marshall sin skærm og tog mig med på en rundvisning i Wildfire Analyst. Vi så de fluorescerende FireGuard-polygoner af en ny flammefinger bryde ud fra den ulmende august kompleks . Med et par klik lagde han fire små virtuelle bål langs den rigtige ilds kant, på den anden side af ildlinjen, der havde blokeret dens fremgang. Få sekunder senere blomstrede ilden hen over det simulerede landskab. Under de nuværende forhold, estimerede modellen, kunne en brand, der brød ud på disse punkter, blæse ud til 8.000 acres - et løb på næsten tre mil - inden for 24 timer.

For Marshall og resten af ​​Cal Fires analytikere tilbyder Wildfire Analyst en standardiseret platform, hvorpå de kan dele data fra brande, de ser, prognoser om de løb, de kan lave, og hacks til at få en simuleret brand til at tilnærme adfærden af ​​en rigtig brand. . Med den information forsøger de at forudse, hvor en brand vil gå videre, hvilket i teorien kan drive beslutninger om, hvor man skal sende besætninger eller hvilke regioner, der skal evakueres.

Som enhver model er Wildfire Analyst kun så god som de data, der fodrer den - og disse data er kun så gode som vores videnskabelige forståelse af det pågældende fænomen. Når det kommer til mekanikken bag vildmarksbrand, er denne forståelse middelalderlig, siger Mark Finney , direktør for US Forest Service's Missoula Fire Lab .

Vores nuværende tilgang til brandmodellering, som driver enhver analyseplatform i realtid, inklusive TechnoSylvas Wildfire Analyst, er bygget på et bestemt sæt ligninger at en forsker ved navn Richard Rothermel udledte ved Fire Lab for næsten et halvt århundrede siden for at beregne, hvor hurtigt ild ville bevæge sig, med givne vindforhold, gennem givne brændstoffer.

Rothermels nøgleantagelse – måske en nødvendig én, givet de tilgængelige beregningsværktøjer på det tidspunkt, men en vi nu ved er falsk – var, at brande kun spredte sig gennem stråling, da fronten af ​​flammen fanger fint brændstof (fyrehalm, bladaffald, kviste) på jorden.

Denne spredning, fandt Rothermel, kørte udad i en tynd, ekspanderende kant langs en ellipse. For at finde ud af, hvordan en brand ville vokse, brugte brandmænd i marken nomogrammer : forudlavede grafer, der tildelte specifikke værdier for vindhastighed, hældning og brændstofforhold for at afsløre en gennemsnitlig spredningshastighed.

US DEPARTMENT OF Agriculture

I sine tidlige dage i marken, siger Finney, spredte du din mappe med nomogrammer på motorhjelmen på din pickup og lavede dine projektioner med tyk blyant, og kortlagde på et topokort, hvor ilden ville være om en time eller to, eller tre. Rothermels ligninger gjorde det muligt for analytikere at modellere ild som et spil Go, på tværs af homogene celler i et todimensionelt landskab.

Det er her, tingene har stået i årtier. Wildfire Analyst og lignende værktøjer repræsenterer en ompakning af denne tilgang mere end en grundlæggende forbedring af den. (TechnoSylva svarede ikke på flere interviewanmodninger.) Det, der er brug for nu, er mindre en teknik til forudsigelse i realtid end en grundlæggende genvurdering af, hvordan ild virker – og en fælles indsats for at genoprette Californiens landskaber til noget, der nærmer sig en naturlig ligevægt.

Komplikationer

Problemet for produkter som Wildfire Analyst og for analytikere som Marshall er let at angive og svært at løse. En brand er ikke et lineært system, der går fra årsag til virkning. Det er et koblet system, hvor årsag og virkning er viklet sammen. Selv på skalaen fra en lys , tænding starter en selvopretholdende reaktion, der deformerer miljøet omkring det, og ændrer hele systemet yderligere - brændstof henfalder til flammer, suger mere vind ind, hvilket fyrer ilden yderligere og nedbryder mere brændstof.

Sådanne systemer er notorisk følsomme over for selv små ændringer, hvilket gør dem djævelsk svære at modellere. En lille varians i startdataene kan, som med Creek Fire-beregningerne, føre til et svar, der er eksponentielt forkert. Med hensyn til denne form for ikke-lineær kompleksitet ligner ild meget vejret - men de beregningsmæssige væskedynamiske modeller, der bruges til at opbygge prognoser for f.eks. National Weather Service, kræver supercomputere. De modeller, der forsøger at fange kompleksiteten af ​​en vildmarksbål, er typisk hundredvis af gange enklere.

Relateret historie

Mød forskerne, der forsøger at forstå verdens værste naturbrande Det bliver ikke nemt at opdatere den 47-årige standard for at forudsige, hvad brande vil gøre - men det vil redde liv.

Banebrydende videnskabsmænd som Rothermel håndterede dette vanskelige problem ved at ignorere det. I stedet søgte de efter faktorer, såsom vindhastighed og hældning, der kunne hjælpe dem med at forudsige en brands næste træk i realtid.

Når man ser tilbage, siger Finney, er det et mirakel, at Rothermels ligninger overhovedet virker for naturbrande. Der er den store forskel i skala - Rothermel udledte sine ligninger fra små, kontrollerede brande i 18-tommer brændstoflejer. Men der er også mere grundlæggende fejl. Mest iøjnefaldende var Rothermels antagelse om, at ild kun spredes ved stråling, i stedet for gennem de konvektionsstrømme, som du ser, når et lejrbål flimrer.

Denne antagelse er ikke sand, og alligevel for nogle brande, selv store brande 2017's Northwest Oklahoma Complex , som brændte mere end 780.000 acres, synes Rothermels spredningsligninger stadig at virke. Men i visse skalaer og under visse forhold skaber ild en ny slags system, der trodser ethvert sådant forsøg på at beskrive det.

Creek-branden i Californien blev for eksempel ikke bare stor. Det skabte en sky af varm luft, der samlede sig under stratosfæren, som damp mod låget på en trykkoger. Så det dukkede op til 50.000 fod , suger luft ind nedefra, der drev flammerne videre, og skabte et stormsystem – komplet med lyn- og ildtornadoer – hvor ingen storm skulle have været.

Andre enorme, ødelæggende brande ser ud til at rive vejret, eller hinanden, af på kaotiske måder. Brande er normalt stille om natten, men i 2020 brød to af de største løb i Californien ud om natten. Da varmen stiger, brænder brande normalt op ad bakke, men i Bjørneild , kørte to enorme flammehoveder 22 miles ned ad bakke, en række tornadiske faner snurrede mellem dem.

Finney siger, at vi ikke ved, om intensiteten forårsagede den mærkelige adfærd eller omvendt, eller om begge steg fra en dybere dynamik. Et mål for vores uvidenhed er efter hans opfattelse, at vi ikke engang kan stole på det: Det ville være rigtig rart at vide, hvornår vores nuværende modeller vil fungere, og hvornår de ikke vil, siger han.

Illusioner

For Finney og andre brandforskere er faren ved produkter som Wildfire Analyst ikke nødvendigvis, at de er unøjagtige. Alle modeller er. Det er, at de gemmer løsninger inde i en sort boks, og - langt vigtigere - fokuserer på det forkerte problem.

I modsætning til Wildfire Analyst krævede den ældre generation af værktøjer, at analytikere præcist vidste, hvilke afdækninger og antagelser de gjorde. De nye værktøjer overlader alt det til computeren. Sådanne produkter spiller ind i feltets besættelse af modellering, fortalte videnskabsmand efter videnskabsmand, på trods af at ingen model kan forudsige, hvad ild vil gøre.

Du kan altid kalibrere systemet bagefter for at matche dine observationer, siger Brandon Collins , en naturbrandforsker ved UC Berkeley. Men kan du forudsige det på forhånd?

At gøre det er et spørgsmål om videnskab snarere end teknologi: det ville kræve primær forskning at udvikle og teste en ny teori om flamme. Men sådan et arbejde er dyrt, og de fleste penge til naturbrandforskning bevilges til at løse specifikke tekniske problemer. Missoula Fire Lab overlever på resterne af et budget fra Great Society-æraen; dets søsteranlæg, den Macon Fire Lab i Georgia, blev lukket ned i 1990'erne.

Collins og Finney gør, hvad de kan med de midler, de har til rådighed. De er begge en del af en offentlig-privat brandvidenskabelig arbejdsgruppe kaldet Pyregens det er at omdanne en kornsilo til en ovn for at se, hvordan store træstammer, som det nedfaldne tømmer på Big Creek, spreder ild.

I mellemtiden arbejder Finneys team på Missoula Fire Lab på at udvikle et datasæt, der besvarer grundlæggende spørgsmål om brand - et potentielt grundlag for nye modeller. De har til formål at beskrive, hvordan vind på ulmende træstammer driver nye flammefronter; kvantificere sandsynligheden for, at gløder kastet af en flamme vil opdage eller antænde nye brande; og studere den rolle, som fyrreskove ser ud til at spille for at fremme deres egen afbrænding.

Pointen med disse modeller er mindre at se, hvor en bestemt brand vil gå hen, når den er brudt ud, og mere at tjene som et planlægningsværktøj til at hjælpe californiere med bedre at styre det brandudsatte, brandhæmmede landskab, de lever i.

Ligesom økosystemerne i Chile, Portugal, Grækenland og Australien – alle regioner, der for nylig har set flere megabrande – har Californiens nåleskove udviklet sig over tusinder af år, hvor naturlige og menneskeskabte brande med jævne mellemrum ryddede overskydende brændstof ud og skabte plads og næringsstoffer til nye vækst.

Før det 19. århundrede menes indfødte amerikanere bevidst at have brændt omtrent lige så meget af Californien hvert år som brændt der i 2020. Lignende praksis overlevede indtil så sent som i 1970'erne - ranchere i Sierra-foden ville brænde børster for at fremme ny vækst for deres dyr at spise. Skovhuggere trak tonsvis af tømmer fra skove, der blev plejet til at producere enorme mængder af det, og brændte affaldet på plads.

JOSH BERENDES / USPLASH

Så, da ranchere gik i stykker og solgte deres jord til udviklere, blev græsmarker til beboelsessamfund. Forskrifter for ren luft afskrækkede de resterende ranchere fra at brænde. Og årtiers konflikt mellem miljøorganisationer og skovhugstvirksomheder endte i 1990'erne med, at skovhuggere forlod de skove, de engang havde ryddet.

I Sierra - som i disse andre regioner, der nu er udsat for enorme, ødelæggende brande - blev et stærkt ændret landskab, der for længe siden blev revet fra enhver naturlig ligevægt, stort set forladt. Millioner af hektar fyr voksede ind, pakket og tørstigt. Til sidst blev mange dræbt af tørke og barkbiller, der akkumulerede til en overvægt af brændstof. Brande, der kunne have ryddet landet og nulstillet skoven, blev slukket af US Forest Service og Cal Fire, hvis primære mål var blevet engrosbrandbekæmpelse.

At bryde fri af denne arv vil ikke være let. Den fremtid, Finney arbejder hen imod, er en, hvor folk kan sammenligne forskellige modeller og beslutte, hvilken der vil fungere bedst i en given situation. Han og hans team håber, at bedre data vil føre til bedre planlægningsmodeller, som, siger han, kunne give os selvtillid til at lade nogle brande brænde og udføre vores arbejde for os.

Alligevel, siger han, risikerer man, at fokusere for meget på modeller, at gå glip af et vigtigere spørgsmål: Hvad hvis vi ignorerer det grundlæggende aspekt af naturbrand - at vi har brug for mere ild, ordentlig ild, så vi ikke lader naturbrande overraske og ødelægge os?

At leve med skovbrande

I 2014 Kongeilden rasede tværs over California Sierra og efterlod et forbrændingsar, hvor træerne stadig ikke er vokset tilbage. I stedet, siger Skovvæsenets skovbruger Dana Walsh , er de blevet erstattet af tykke måtter af chaparral, en brandfarlig busk, der har presset skovens tilbagevenden ud.

Folk spørger, hvad der sker, hvis vi bare lader naturen gå sin gang efter en stor brand, siger Walsh. Du får 30.000 acres chaparral.

Dette er den fare, som landskaber fra Pyrenæerne til California Sierra til Australiens Blue Mountains nu står over for, siger Marc Castellnou , en catalansk brandforsker, der er konsulent for TechnoSylva. I løbet af de sidste to årtier har han studeret stigningen af ​​megabrande rundt om i verden og set, hvordan de smadrer rekorder for længde eller hastighed af løbeture.

For længe, ​​siger han, har Californiens brand- og skovpolitik modstået en uundgåelig ændring i landskabet. Staten har ikke brug for fejlfrie forudsigelsesværktøjer for at se, hvor dens skove er på vej hen, siger han: Brændstoffet bygges op, energien bygges op, atmosfæren bliver varmere. Landskabet vil rebalancere sig selv.

Relateret historie

Undertrykkelse af brande er mislykket. Her er, hvad Californien skal gøre i stedet for. Det er tid til at vende et århundredes brandstyringspolitik. Det vil kræve gennemgribende reguleringsreformer og tonsvis af penge.

Californiens valg – som i Catalonien, hvor Castellnou er chefforsker for den autonome provinss 4.000 mand store brandkorps – er enten at flytte med den ændring og have en chance for at påvirke den, eller blive kastet over af megabrande.

Målet er mindre at regenerere oprindelige skove i disse områder - som Castellnou mener er blevet forældet af klimaændringer - end at arbejde med landskabet for at udvikle en ny type skov, hvor naturbrande er mindre tilbøjelige til at blæse ud i massive flammer.

I vid udstrækning ligger hans tilgang i at vende tilbage til gamle jordforvaltningsteknikker. Landbefolkningen i hans region kontrollerede engang ødelæggende brande ved at starte eller tillade hyppige, lavintensive brande og bruge husdyr til at spise ned børste i mellemtiden. De plantede bevoksninger af brandsikre hårdttræsarter, der stod som vagtposter og blokerede flammebølger.

For Castellnou betyder det dog også at træffe politisk vanskelige valg. I juli 2019, lige uden for Tivissa, Spanien, så jeg ham forklare en gruppe catalanske borgmestre og olivenbønder på landet, hvorfor han havde ladet området omkring deres byer brænde.

Han var bekymret for, at hvis besætninger bremsede de catalanske brande, kunne de få det til at danne en pyrocumulonimbus - en voldsom sky af ild, torden og vind som den, der blev dannet over Creek-branden. Sådan et fænomen kunne have ansporet ilden, indtil den tog byerne alligevel. Nu, siger han og peger på forbrændingsarret, havde byerne et brandforsvar i stedet for et ansvar. Det var endnu en flise i et mosaiklandskab af græsgange, skov og gamle brandar, der kunne afbryde en naturbrand.

Så hårde som planlagte forbrændinger er for mange at sluge, er det et endnu sværere salg at lade skovbrande brænde gennem byer – selv evakuerede. Og at erstatte uberørte Sierra Nevada-skove med et landskab, der er i stand til at overleve både tørke og de mest ødelæggende brande – f.eks. åbne bevoksninger af ponderosafyr præget af græsmarker, plukket over af geder eller kvæg – kan føles som et tab.

At gøre noget af dette godt betyder at vedtage en ændring i filosofi, der er lige så stor som enhver ændring i forudsigende teknologi eller videnskab - en, der ville byde ild tilbage som en naturlig del af miljøet. Vi forsøger ikke at redde landskabet, siger Castellnou. Vi forsøger at være med til at skabe det næste landskab. Vi er her ikke for at bekæmpe flammer. Vi er her for at sikre, at vi har en skov i morgen.