預測森林大火與阻止火勢蔓延的實驗

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美國林務局的芬尼(Mark Finney)和同事們有時會做些不可思議的事——去灌木叢裏放火。但他們可不是什麼縱火犯,火勢也不會肆意蔓延,或者帶來巨大破壞。這些都是對真實植被進行的有控制的燃燒,以便科學家們更好地了解火焰的傳遞,從而幫助預測真實火情如何蔓延。

芬尼及其團隊會測定火焰在一個區域內的燃燒時間、在植被中的蔓延速度,以及在這個過程中有哪些熱交換。這些實驗在新西蘭進行,燃燒區域用障礙物隔開,以防火勢失控。

「我們動用了無人機拍攝空中角度,還有用鋁質絶緣材料保護的攝像頭,可以把它們放在火裏面拍攝,」他說。「通常需要一天甚至更多時間來凖備好所有設備,當然,還得老天爺配合。」

這是現代人類的一項探索——了解火的原理。火的「發現」是人類進化史上的一個關鍵時刻。但在此很久之前,火就一直在地球上自然存在著。今天,火還遠非我們所能控制,而且經常是人為釀成的災難。在美國,80%的大火都是人類引發,通常是出於意外。

今年跟去年一樣,地球上許多地方夏天都異常炎熱乾燥,一有明火,釀成大火的機率大大增加。

在希臘、瑞典和西伯利亞等火災熱點地區的林地都有火情發生。美國西南部的加利福尼亞州剛剛錄得有史以來最嚴重的大火。

如果我們能提前知道火災發生的時間和地點呢?又或是知道火勢是如何增強以及減弱的?如果我們掌握了這些知識,肯定能夠更好地保護城鎮和社區免遭大火破壞。

芬尼希望他的實驗數據能夠改善現有預測火勢蔓延的模型。他說現在的一些模型太過簡單。

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Image caption 美國林務局採取特別預防措施,確保測試性的火災不會失控。

「很多參數目前無法用在模型中——比如風的變化。風的速度和方向從來不是恆定的,」他說。「然而,我們的模型太簡陋了,只有一個風的變量設定。」

不過,隨著時間的推移,這些工具的凖確度肯定會越來越高。今年7月,有一篇文章分析了澳大利亞預測大火蔓延的模型,發現近年來這類模型的凖確性有了顯著提高,預測誤差減少了50%以上。

在火災發生之前就做出預測怎麼樣?雖然不可能進行精確預測,但科學為我們提供了新方法,能更好地計算火災風險,幫助我們了解一旦大火開始會如何發展。

約瑟夫(Max Joseph)知道,數據中藏著秘密。他和科羅拉多大學博爾德分校地球實驗室的同事們搜集了一系列令人吃驚的說法——從疾病如何傳播到氣候變化對動物數量的影響,包羅萬象。但最近,他把注意力轉向了火。

不久前,他跟人合著了一篇研究論文,探討了是否可以根據生態系統和天氣特徵來預測美國大陸哪些地區會發生大火,文章目前正在接受同行的評審。

他們搜集了自1984年以來的天氣數據以及大火的信息,用計算機模型分析了天氣和火災爆發的關係。他們發現,一般來說,低濕度(即空氣乾燥)和高溫往往預示著火災風險係數高,比降雨量更有指示作用。

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Image caption 2018年7、8月間在美國加州卡爾發生的火災蔓延了930平方公里。

「生態區」的地形和植被不同,對火災的影響也大相徑庭。但借助1984至2010年的數據,該模型可以凖確預測隨後5年某些地區的火災情況。

「模型可以非常凖確地預測出這些地區中一個月內的火災數量,」約瑟夫說。「正確率達99%。」

預測火災的大小更是難上加難,但這個模型給了約瑟夫希望。只要事先有了凖確的天氣數據,我們確實可以更好地知道在某段時期哪些區域可能發生大量火災。

約瑟夫說:「如果天氣預報凖確的話,我們也許就能基於這個模型很好地掌握下一年的火災情況。」

美國俄勒岡州立大學的氣候學家巴切萊特(Dominique Bachelet)肯定了該研究小組的努力,不過她也指出,可能有更為巧妙的方法來分析這項研究所評估的另一個因素:房屋密度。你可能認為火災風險與一個地區的人口和房屋數量成正比,但這也取決於可以燃燒的植被。居民稀少的地區如果位於有很多易燃植物的火災易發區,可能火災更加頻發。

火災統計分析的因素和方法多種多樣。例如今年2月發表的另一項研究發現,美國西部降雨量超過2.54毫米的天數與大火之間存在聯繫。

這跟約瑟夫團隊使用的衡量標凖略有不同,但雙方的研究結果一致:降雨量少意味著可蒸發的水少,濕度低。因此空氣乾燥,是引發火災的一個因素。

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Image caption 2018年8月,美國加州發生的大火被稱為"聖火",圖為現場的圍觀者。

正如文章作者所言:「如果夏季降水繼續減少,那麼夏天很可能會持續乾燥炎熱,就會導致越來越嚴重的火災季。」

美國哥倫比亞大學拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的威廉姆斯(Park Williams)說,炎熱的夏季預示著今年加州會出現嚴重火災。

「今年夏天,加州很多地方都出現了破紀錄的高溫天氣,」他解釋說。「高溫到了這個程度,就很可能發生一些特大火災。」

定位火災熱點

對於直接受到大火影響的人來說,真正關心的是提前知曉自己居住的地區是否會受到威脅。天氣難料是一個複雜的因素,但燃料,也就是可供燃燒的植被,也很難量化。那片森林的密度究竟幾何?今年夏天落下的樹枝有多幹?當然,人們正在想法設法去更好地評定這些因素,但還有許多工作要做。

最重要的是,人類和閃電幾乎是所有大火的起因,要凖確預測何時何地有火災發生,即使不是不可能,也是極其困難的。但這並不意味著我們完全無能為力。

一些機構會用目前最為凖確的天氣預報(提前幾天的預報)來繪製美國潛在火災熱點圖。

芬尼說:「每天都會繪製熱點圖,並且依據天氣情況中對火災條件至關重要的幾個預測進行更新。」

這可以幫助當局及時疏散民眾,或者為需要的地方提供消防資源。

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Image caption 美國林務局的團隊在嚴格控制下進行實驗,以測量火災蔓延的速率。

紅區分析公司(RedZone Analytics)的格雷頓(Ellie Graeden)對火災蔓延興趣濃厚,她負責為包括保險公司在內的商業客戶提供火情分析。她的系統所考量的三個主要因素分別是風、燃料獲取程度和起火地區的地勢。

紅區分析公司的保險公司客戶在受保財產有可能從大火中救出時,有時會派出自己的滅火隊,或者幫助投保人保護自己的財產。火情蔓延的數據也可以用來估算一場毀滅性的大火會給保險公司帶來多大損失——這對於規劃理賠非常重要。

「出現火災時,我們會用自己的模型來評估火情,」格雷頓說。「火災結束後,我們會檢查模型的凖確度如何。」

格雷頓說,去年,公司的模型預測了加州科菲公園住宅區有哪些房子會在那場毀滅性的大火中被吞噬,凖確率超過90%,大火總計燒燬了3500間房屋。

但這個凖確率也還有改進空間。格雷頓說,目前還缺乏可靠的量化數據,來說明各類房屋是如何起火以及燃燒的。例如,我們知道瀝青以及土質的屋頂不像木頭屋頂那樣容易燃燒,但這些屋頂在火災時的差異究竟如何,還沒有精確的量化數據。

未來的大火會是什麼樣?情況顯然喜憂參半。全球來看,由於農田的擴張,每年的過火面積實際上在減少。然而,在局部地區,氣候變化導致的幹熱夏季,預計將繼續在緊鄰城市的開發區等地引起火災­——雖然我們本來也不想有這些開發區。

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Image caption 德國消防隊員最近在距離柏林僅50公里的森林大火中奮戰。科學家擔心,這樣的火災會越來越多。

巴切萊特認為,現在正是一個非同尋常的過渡期。當前的夏天是幾個世紀以來最為炎熱乾燥的,繁茂的森林面對氣候變化也做出了反應——燃燒。

「火災後重新長出的植被將更加適應現有條件,因此火災時的可燃材料可能會減少,」巴切萊特說。她表示這些地區的生態系統正在「重置」。

威廉姆斯補充說,在加州這樣的地方,與火災的常年搏鬥以及對山林的人為保護,使得森林變得異常茂密,這也放大了氣候變化對這些林區的影響。

他說:「人為茂密起來的森林也確實令氣候變暖對火災的影響有所增強。」

火是生態系統的自然組成部分,但近些年起火的頻率和性質無疑受到了人類活動的影響。巴切萊特說:「人們不該對發生火災感到奇怪。」

隨著氣候逐漸變暖,大火對我們生活方式的威脅越來越大,也一如既往地威脅著大城小鎮。我們無法阻止火勢蔓延,也永遠無法凖確預測到每一個火災,但也許我們可以更好地控制大火,更好地逃離火場。

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