Hva den komplekse matematikken for brannmodellering forteller oss om fremtiden til Californias skoger

Californias branner blir større og vanskeligere å forutsi. Den eneste måten å temme dem kan være å lage selve landskapet på nytt.

David Ryder/Getty Images

av

• Saul Elbein arkivside

18. januar 2021

På høyden av Californias verste brannsesong noensinne, Geoff Marshall så ned på datamaskinen sin og innså at en enorm brann var i ferd med å overraske brannmenn .

Marshall driver brannprediksjonsteamet ved California Department of Forestry and Fire Protection (kjent som Cal Fire), med hovedkontor i Sacramento, noe som gir ham en stadig vanskeligere jobb: å forutse oppførselen til skogbranner som blir mindre forutsigbare hvert år.

Problemet var åpenbart fra der Marshall satt: Californias skoger var fanget mellom et forvaltningsregime viet til å dyrke tykke trær – og utrydde den lavintensive brannen som en gang hadde ryddet dem – og et raskt oppvarmende, stadig mer ustabilt klima.

Som et resultat krysset flere og flere branner en dårlig forstått terskel fra typiske skogbranner – en del av en normal brannsyklus for et landskap som Californias – til monstrøse, svært ødeleggende branner. Noen ganger kalt megabranner (et vitenskapelig meningsløst begrep som løst refererer til branner som brenner mer enn 100 000 dekar), forekommer disse massive brannene oftere rundt om i verden, og sprenger over store deler av California, Chile, Australia, Amazonas og Middelhavsregionen .

I det spesielle øyeblikket i California i september i fjor, flere enestående branner var brennende samtidig . Sammen ville de doble det rekordstore arealet for skogbrannsesongen 2018 på mindre enn en måned. Men like bekymret for Marshall som størrelsen deres var at de største brannene ofte oppførte seg på uventede måter, noe som gjorde det vanskeligere å forutsi bevegelsene deres.

For å møte denne nye æraen hadde Marshall et nytt verktøy til rådighet: skogbrannanalytiker , et brannforutsigelses- og modelleringsprogram i sanntid som Cal Fire først lisensierte fra et California-basert firma kalt TechnoSylva i 2019.

Arbeidet med å forutsi hvordan branner spredte seg hadde lenge vært et spørsmål om håndtegnede ellipser og modeller, så sakte analytikere satte dem før sengetid og håpet at de var ferdige om morgenen. Wildfire Analyst, på den annen side, trakter data fra dusinvis av forskjellige feeds: værmeldinger, satellittbilder og målinger av fuktighet i et gitt område. Så projiserer den alt dette på et elegant grafisk overlegg av branner som brenner over California.

Et modelleringsverktøy kalt Wildfire Analyst viser hvordan en brann i California kan spre seg over en periode på åtte timer. De røde gjenstandene er bygninger.

Hver natt, mens brannmannskapene sover, sår Wildfire Analyst disse digitale skogene med millioner av testforbrenninger, og forhåndsberegner spredningen slik at menneskelige analytikere som Marshall kan gjøre simuleringer i løpet av sekunder, og lage løp de kan overføre til Google Maps for å vise. deres overordnede der den største risikoen er. Men denne spesielle risikoen, innså Marshall plutselig, hadde sluppet forbi programmet.

Displayet viste nå en klynge av knallrosa og grønne polygoner som kryper over østflanken av Sierras, nær byen Big Creek. Polygonene, en av de mange feedene som ble portert direkte inn i Wildfire Analyst, var fra FireGuard, en sanntidsfeed fra USAs forsvarsdepartement som anslår alle skogbranners nåværende plasseringer. De spredte seg, langt raskere enn de burde ha vært, oppover Big Creek-dreneringen.

I sine beregninger hadde Wildfire Analyst gjort en rekke antagelser. Den så, på den andre siden av Big Creek, et tett stativ av tungt tømmer. Slike stativer ble tradisjonelt antatt å hindre den raske spredningen av brann, som modeller i stor grad tilskriver fint brensel som furuhalm.

Men Marshall innså plutselig, ettersom algoritmene som driver Wildfire Analyst ikke hadde det, at dreneringen inneholdt alle ingrediensene for en perfekt brannstorm. Det tunge tømmeret, visste han, var faktisk en stor flekk med døde trær som ble svekket av biller, drept av tørke og bakt av to uker med 100 °F varme til bilde-perfekt ved. Og Big Creek-dalen ville fokusere vinden på bålet som en belg. Med ingen værstasjon ved munningen av bekken, kunne ikke programmet se alt dette.

Marshall gikk tilbake til datamaskinen sin og kjørte noen tall på nytt med de nye variablene tatt med. Han så på skjermen mens brannen spredte seg i en skremmende hastighet over Sierra. Jeg gikk til operasjonstraileren og sa til overdelene mine: Jeg tror den kommer til å hoppe over San Joaquin-elven, minnes han. Og hvis det gjør det, kommer det til å bli stort.

Dette var, i det øyeblikket, en langsøkt påstand – ingen brann i California hadde noen gang løpt ni mil i tungt tømmer, uansett hvor tørt det var. Men i dette tilfellet skapte trærnes forbrenning kraftige plumer av overopphetet luft som drev brannen videre. Den hoppet over elven og raste gjennom tømmeret til et reservoar kjent som Mammoth Pool , hvor en luftbro i siste øyeblikk lagret 200 campere fra brennende død.

Creek Fire var en casestudie i utfordringen dagens brannanalytikere står overfor, som prøver å forutsi bevegelsene til branner som er langt mer alvorlige enn de som ble sett for bare et tiår siden. Siden vi forstår så lite om hvordan brann fungerer, bruker de matematiske verktøy bygget på utdaterte forutsetninger, så vel som teknologiske plattformer som ikke klarer å fange opp usikkerheten i arbeidet deres. Selv om programmer som Wildfire Analyst er nyttige, gir de et inntrykk av presisjon og nøyaktighet som kan være misvisende.

Å komme i forkant av de mest ødeleggende brannene krever ikke bare nye beregningsverktøy, men en gjennomgripende endring i hvordan skoger forvaltes. Sammen med Klima forandringer , generasjoner av land- og miljøforvaltningsbeslutninger – ment å bevare skogene som mange kaliforniere føler en plikt til å beskytte – har utilsiktet skapt denne nye tidsalder med hyperdestruktiv brann.

Men hvis disse massive brannene fortsetter, kan California se skogene i Sierra bli slettet like grundig som skogene i Australias Blue Mountains . Å unngå dette marerittscenarioet vil kreve et paradigmeskifte. Beboere, brannsjefer og politiske ledere må bytte fra en tankegang om å forebygge eller kontrollere skogbrann til å lære å leve med den. Det vil bety å omfavne brannhåndteringsteknikker som oppmuntrer til hyppigere brannskader – og til slutt lar branner for alltid forandre landskapet de elsker.

Rystende antakelser

I slutten av oktober delte Marshall skjermen sin og tok meg med på en omvisning i Wildfire Analyst. Vi så de fluorescerende FireGuard-polygonene til en ny flammefinger bryte ut fra ulmingen august kompleks . Med noen få klikk la han fire små virtuelle branner langs den virkelige brannkanten, på den andre siden av brannlinjen som hadde blokkert fremdriften. Noen sekunder senere blomstret brann over det simulerte landskapet. Under nåværende forhold, estimerte modellen, kunne en brann som brøt ut på disse punktene blåse ut til 8000 dekar - en nesten tre mil lang løp - innen 24 timer.

For Marshall og resten av Cal Fires analytikere tilbyr Wildfire Analyst en standardisert plattform for å dele data fra branner de ser på, prognoser om løpene de kan gjøre, og hacks for å lage en simulert brann tilnærmet oppførselen til en ekte brann. . Med den informasjonen prøver de å forutse hvor en brann kommer til å gå videre, noe som i teorien kan drive beslutninger om hvor de skal sende mannskaper eller hvilke regioner som skal evakueres.

Som enhver modell er Wildfire Analyst bare så god som dataene som mater den – og disse dataene er bare like gode som vår vitenskapelige forståelse av fenomenet det gjelder. Når det kommer til mekanikken til villmarksbrann, er den forståelsen middelaldersk, sier Mark Finney , direktør for US Forest Service Missoula brannlab .

Vår nåværende tilnærming til brannmodellering, som driver hver sanntidsanalyseplattform inkludert TechnoSylvas Wildfire Analyst, er bygget på et bestemt sett med ligninger som en forsker ved navn Richard Rothermel utledet ved brannlaboratoriet for nesten et halvt århundre siden for å beregne hvor raskt brann ville bevege seg, med gitte vindforhold, gjennom gitt brensel.

Rothermels nøkkelantakelse – kanskje en nødvendig en, gitt beregningsverktøyene som var tilgjengelige på den tiden, men en vi nå vet er falsk – var at branner spredte seg bare gjennom stråling ettersom fronten av flammen fanger opp fint brensel (furuhalm, løvstrø, kvister) på bakken.

Denne spredningen, fant Rothermel, kjørte utover i en tynn, ekspanderende kant langs en ellipse. For å finne ut hvordan en brann ville vokse, brukte brannmenn i feltet nomogrammer : forhåndslagde grafer som tildelte spesifikke verdier for vindhastighet, helning og drivstoffforhold for å avsløre en gjennomsnittlig spredningshastighet.

US DEPARTMENT OF Agriculture

I sine tidlige dager i felten, sier Finney, spredte du mappen med nomogrammer på panseret på pickupen din og laget anslagene dine med tykk blyant, og kartla på et topokart hvor brannen ville være om en time eller to, eller tre. Rothermels ligninger tillot analytikere å modellere ild som et spill Go, på tvers av homogene celler i et todimensjonalt landskap.

Det er her ting har stått i flere tiår. Wildfire Analyst og lignende verktøy representerer en ompakking av denne tilnærmingen mer enn en grunnleggende forbedring av den. (TechnoSylva svarte ikke på flere intervjuforespørsler.) Det som trengs nå er mindre en teknikk for sanntidsprediksjon enn en grunnleggende omvurdering av hvordan brann fungerer – og en samlet innsats for å gjenopprette Californias landskap til noe som nærmer seg en naturlig likevekt.

Komplikasjoner

Problemet for produkter som Wildfire Analyst, og for analytikere som Marshall, er enkelt å si og vanskelig å løse. En brann er ikke et lineært system, som går fra årsak til virkning. Det er et koblet system der årsak og virkning er sammenfiltret. Selv på skalaen til en stearinlys , tenning starter en selvopprettholdende reaksjon som deformerer miljøet rundt det, og endrer hele systemet ytterligere - drivstoff forfaller til flammer, suger inn mer vind, noe som fyrer brannen ytterligere og bryter ned mer drivstoff.

Slike systemer er notorisk følsomme for selv små endringer, noe som gjør dem djevelsk vanskelige å modellere. En liten variasjon i startdataene kan føre, som med Creek Fire-beregningene, til et svar som er eksponentielt feil. Når det gjelder denne typen ikke-lineær kompleksitet, ligner brann mye på været - men de beregningsbaserte væskedynamiske modellene som brukes til å bygge prognoser for for eksempel National Weather Service krever superdatamaskiner. Modellene som prøver å fange kompleksiteten til en villmarksild er typisk hundrevis av ganger enklere.

Relatert historie

Møt forskerne som prøver å forstå verdens verste skogbranner Det vil ikke være lett å oppdatere den 47 år gamle standarden for å forutsi hva branner vil gjøre – men det vil redde liv.

Banebrytende forskere som Rothermel taklet dette vanskelige problemet ved å ignorere det. I stedet søkte de etter faktorer, som vindhastighet og helling, som kunne hjelpe dem å forutsi en branns neste trekk i sanntid.

Når vi ser tilbake, sier Finney, er det et mirakel at Rothermels ligninger fungerer for skogbranner i det hele tatt. Det er den store skalaforskjellen - Rothermel hentet ligningene sine fra små, kontrollerte branner satt i 18-tommers drivstoffsenger. Men det er også mer grunnleggende feil. Mest iøynefallende var Rothermels antakelse om at brann sprer seg bare ved stråling, i stedet for gjennom konveksjonsstrømmene du ser når et bål flimrer.

Denne antagelsen er ikke sann, og likevel for noen branner, til og med store branner 2017s Northwest Oklahoma Complex , som brant mer enn 780 000 dekar, ser Rothermels spredningsligninger fortsatt ut til å fungere. Men i visse skalaer, og under visse forhold, skaper ild en ny type system som trosser ethvert slikt forsøk på å beskrive det.

Creek-brannen i California, for eksempel, ble ikke bare stor. Det skapte en mengde varm luft som samlet seg under stratosfæren, som damp mot lokket på en trykkoker. Da det spratt gjennom til 50 000 fot , suger inn luft nedenfra som drev flammene videre, og skapte et stormsystem – komplett med lyn- og branntornadoer – der ingen storm skulle ha vært.

Andre enorme, destruktive branner ser ut til å rikosjettere været, eller hverandre, på kaotiske måter. Brannene stilner vanligvis om natten, men i 2020 brøt to av de største løpene i California ut om natten. Siden varmen stiger, brenner branner vanligvis oppoverbakke, men i Bjørn Brann , kjørte to enorme flammehoder 22 miles nedoverbakke, en rekke tornadiske skyer snurret mellom dem.

Finney sier at vi ikke vet om intensiteten forårsaket den merkelige oppførselen eller omvendt, eller om begge steg fra en dypere dynamikk. Et mål på vår uvitenhet, etter hans syn, er at vi ikke engang kan stole på det: Det ville være veldig fint å vite når våre nåværende modeller vil fungere og når de ikke vil, sier han.

Illusjoner

For Finney og andre brannforskere er ikke faren med produkter som Wildfire Analyst nødvendigvis at de er unøyaktige. Alle modellene er. Det er at de skjuler løsninger i en svart boks, og - langt viktigere - fokuserer på feil problem.

I motsetning til Wildfire Analyst, krevde den eldre generasjonen av verktøy analytikere å vite nøyaktig hvilke sikringer og forutsetninger de gjorde. De nye verktøyene overlater alt til datamaskinen. Slike produkter spiller inn i feltets besettelse av modellering, fortalte vitenskapsmann etter vitenskapsmann, til tross for at ingen modell kan forutsi hva brann vil gjøre.

Du kan alltid kalibrere systemet etterpå for å matche observasjonene dine, sier Brandon Collins , en skogbrannforsker ved UC Berkeley. Men kan du forutsi det på forhånd?

Å gjøre det er et spørsmål om vitenskap snarere enn teknologi: det ville kreve primær forskning for å utvikle og teste en ny teori om flamme. Men slikt arbeid er kostbart, og de fleste skogbrannforskningspengene tildeles for å løse spesifikke tekniske problemer. Missoula Fire Lab overlever på restene av et budsjett fra Great Society-æra; dets søsteranlegg, den Macon brannlab i Georgia, ble lagt ned på 1990-tallet.

Collins og Finney gjør det de kan med midlene som er tilgjengelige for dem. De er begge en del av en offentlig-privat brannvitenskapelig arbeidsgruppe kalt Pyregens det er å konvertere en kornsilo til en ovn for å se hvordan store tømmerstokker, som falt tømmer på Big Creek, sprer brann.

I mellomtiden jobber Finneys team ved Missoula Fire Lab med å utvikle et datasett som svarer på grunnleggende spørsmål om brann – et potensielt grunnlag for nye modeller. De tar sikte på å beskrive hvordan vind på ulmende stokker driver nye flammefronter; kvantifisere sannsynligheten for at glør kastet av en flamme vil oppdage, eller antenne, nye branner; og studere rollen som furuskog ser ut til å spille for å oppmuntre deres egen brenning.

Poenget med disse modellene er mindre å se hvor en bestemt brann vil gå når den har brutt ut, og mer å tjene som et planleggingsverktøy for å hjelpe kaliforniere bedre å håndtere det brannutsatte, brannundertrykte landskapet de bor i.

I likhet med økosystemer i Chile, Portugal, Hellas og Australia – alle regioner som nylig har sett flere megabranner – har Californias barskoger utviklet seg over tusenvis av år der naturlige og menneskeskapte branner med jevne mellomrom ryddet ut overflødig drivstoff og skapte plass og næringsstoffer for nye vekst.

Før 1800-tallet antas indianere bevisst å ha brent omtrent like mye av California hvert år som brent der i 2020. Lignende praksis overlevde til så sent som på 1970-tallet – ranchere ved foten av Sierra ville brenne børste for å oppmuntre til ny vekst for deres dyr å spise. Tømmerhoggere trakk tonnevis med tømmer fra skoger som ble preparert for å produsere enorme volumer av det, og brente ruskene på plass.

JOSH BERENDES / UNSPLASH

Etter hvert som ranchere gikk i stykker og solgte jordene sine til utviklere, ble beitemark boligsamfunn. Forskrifter om ren luft frarådet de gjenværende gårdbrukerne fra å brenne. Og tiår med konflikt mellom miljøorganisasjoner og hogstbedrifter endte på 1990-tallet med at tømmerhoggere forlot skogene de en gang hadde flathogst.

I Sierra – som i disse andre regionene som nå er utsatt for enorme, ødeleggende branner – ble et sterkt endret landskap som for lenge siden ble revet fra enhver naturlig likevekt stort sett forlatt. Millioner av dekar med furu vokste inn, pakket og tørst. Etter hvert ble mange drept av tørke og barkbiller, og samlet seg til en overvekt av drivstoff. Branner som kunne ha ryddet landet og tilbakestilt skogen ble slukket av US Forest Service og Cal Fire, hvis primære mål var å undertrykke engros brann.

Å løsrive seg fra denne arven vil ikke være lett. Fremtiden Finney jobber mot er en der folk kan sammenligne ulike modeller og bestemme hvilken som vil fungere best for en gitt situasjon. Han og teamet hans håper bedre data vil føre til bedre planleggingsmodeller som, sier han, kan gi oss selvtillit til å la noen branner brenne og gjøre jobben vår for oss.

Likevel sier han, å fokusere for mye på modeller risikerer å gå glipp av et viktigere spørsmål: Hva om vi ignorerer det grunnleggende aspektet ved skogbrann – at vi trenger mer ild, skikkelig ild, slik at vi ikke lar skogbrann overraske og ødelegge oss?

Å leve med skogbranner

I 2014, kongebrannen raste over California Sierra, og etterlot seg et brannsår der trær fortsatt ikke har vokst ut igjen. I stedet, sier Skogvesenet skogbruker Dana Walsh , de har blitt erstattet av tykke matter av chaparral, en brannutsatt busk som har presset ut skogens retur.

Folk spør hva som skjer hvis vi bare lar naturen gå sin gang etter en stor brann, sier Walsh. Du får 30 000 dekar med chaparral.

Dette er faren som landskap fra Pyreneene til California Sierra til Australias Blue Mountains nå står overfor, sier Marc Castellnou , en katalansk brannforsker som er konsulent for TechnoSylva. I løpet av de siste to tiårene har han studert fremveksten av megabranner rundt om i verden, og sett på hvordan de knuste rekorder for lengde eller hastighet på løpeturer.

For lenge, sier han, har Californias brann- og skogpolitikk motstått en uunngåelig endring i landskapet. Staten trenger ikke feilfrie prediktive verktøy for å se hvor skogene er på vei, sier han: Drivstoffet bygger seg opp, energien bygger seg opp, atmosfæren blir varmere. Landskapet vil rebalansere seg selv.

Relatert historie

Undertrykking av branner har mislyktes. Her er hva California trenger å gjøre i stedet. Det er på tide å snu et århundre med brannstyringspolitikk. Det vil kreve omfattende reguleringsreformer og tonnevis med penger.

Californias valg – som i Catalonia, hvor Castellnou er sjefforsker for den autonome provinsens brannkorps på 4000 personer – er å enten gå med denne endringen og ha en viss sjanse til å påvirke den, eller bli kastet over av megabranner.

Målet er mindre å regenerere innfødte skoger i disse områdene – som Castellnou mener har blitt foreldet av klimaendringer – enn å jobbe med landskapet for å utvikle en ny type skog hvor det er mindre sannsynlig at skogbranner vil blåse ut til massive branner.

I stor grad ligger tilnærmingen hans i å gå tilbake til gamle arealforvaltningsteknikker. Landlige folk i regionen hans kontrollerte en gang ødeleggende branner ved å starte eller tillate hyppige branner med lav intensitet, og bruke husdyr til å spise ned børste i mellomtiden. De plantet bestander av brannsikre løvtreslag som sto som vaktposter og blokkerte flammebølger.

For Castellnou betyr dette imidlertid også å ta politisk vanskelige valg. I juli 2019, like utenfor Tivissa, Spania, så jeg ham forklare for en gruppe katalanske borgermestre og olivenbønder på landsbygda hvorfor han hadde latt området rundt byene deres brenne.

Han var bekymret for at hvis mannskaper bremset de katalanske brannene, kunne de få den til å danne en pyrocumulonimbus - en voldsom sky av ild, torden og vind som den som ble dannet over Creek-brannen. Et slikt fenomen kunne ha ansporet brannen til den tok byene uansett. Nå, sier han, og gestikulerer til brannarret, hadde byene et brannforsvar i stedet for et ansvar. Det var nok en flis i et mosaikklandskap av beite, skog og gamle brannarr som kunne avbryte skogbrannen.

Så tøffe som planlagte brannskader er for mange å svelge, er det et enda tøffere salg å la skogbranner brenne gjennom byer – selv evakuerte. Og å erstatte uberørte Sierra Nevada-skoger med et landskap som er i stand til å overleve både tørke og de mest ødeleggende brannene – for eksempel åpne bevoksninger av ponderosa-furu avbrutt av gressfelt, plukket over av geiter eller storfe – kan føles som et tap.

Å gjøre noe av dette bra betyr å ta i bruk en endring i filosofi som er like stor som enhver endring i prediktiv teknologi eller vitenskap – en som vil ønske brann tilbake som en naturlig del av miljøet. Vi prøver ikke å redde landskapet, sier Castellnou. Vi prøver å bidra til å skape det neste landskapet. Vi er ikke her for å bekjempe flammer. Vi er her for å sørge for at vi har en skog i morgen.