Wat de complexe wiskunde van brandmodellering ons vertelt over de toekomst van de Californische bossen

De branden in Californië worden groter en moeilijker te voorspellen. De enige manier om ze te temmen is misschien door het landschap zelf opnieuw te maken.

David Ryder/Getty Images

door

• Saul Elbein archiefpagina

18 januari 2021

Op het hoogtepunt van Californië's ergste natuurbrandseizoen ooit, Geoff Marshall keek naar zijn computer en realiseerde zich dat een enorme brand de brandweerlieden zou verrassen .

Marshall leidt het brandvoorspellingsteam bij de California Department of Forestry and Fire Protection (bekend als Cal Fire), met het hoofdkantoor in Sacramento, wat hem een ​​steeds moeilijkere taak geeft: anticiperen op het gedrag van bosbranden die elk jaar minder voorspelbaar worden.

Het probleem was duidelijk van waar Marshall zat: de Californische bossen zaten gevangen tussen een managementregime dat zich toelegde op het kweken van dikke bomen - en het uitroeien van het vuur met lage intensiteit dat ze ooit had gedoofd - en een snel opwarmend, steeds onstabieler klimaat.

Als gevolg hiervan overschreden steeds meer branden een slecht begrepen drempel van typische bosbranden - onderdeel van een normale brandcyclus voor een landschap als dat van Californië - tot monsterlijke, zeer destructieve branden. Soms megafires genoemd (een wetenschappelijk betekenisloze term die losjes verwijst naar branden die meer dan 100.000 hectare branden), deze enorme branden komen vaker voor over de hele wereld, en blazen over enorme delen van Californië, Chili, Australië, de Amazone en het Middellandse Zeegebied .

Op dat specifieke moment in Californië afgelopen september waren er verschillende ongekende branden waren brandend tegelijkertijd . Samen zouden ze het recordareaal van het bosbrandseizoen 2018 in minder dan een maand verdubbelen. Maar net zo zorgwekkend voor Marshall als hun omvang, was dat de grootste branden zich vaak op onverwachte manieren gedroegen, waardoor het moeilijker werd om hun bewegingen te voorspellen.

Om dit nieuwe tijdperk het hoofd te bieden, had Marshall een nieuwe tool tot zijn beschikking: Analist wildvuur , een realtime brandvoorspellings- en modelleringsprogramma dat Cal Fire voor het eerst onder licentie heeft gekregen van een in Californië gevestigd bedrijf genaamd TechnoSylva anno 2019.

Het voorspellen van de verspreiding van branden was lange tijd een kwestie van met de hand getekende ellipsen en modellen, zodat trage analisten ze voor het slapengaan plaatsten en hoopten dat ze 's ochtends klaar waren. Wildfire Analyst daarentegen verzamelt gegevens van tientallen verschillende feeds: weersvoorspellingen, satellietbeelden en metingen van vocht in een bepaald gebied. Vervolgens projecteert het dat alles op een elegante grafische overlay van branden die door Californië branden.

Een modelleringstool genaamd Wildfire Analyst laat zien hoe een brand in Californië zich over een periode van acht uur zou kunnen verspreiden. De rode objecten zijn gebouwen.

Elke nacht, terwijl brandweerlieden slapen, zaait Wildfire Analyst die digitale bossen met miljoenen testbrandwonden, waarbij de verspreiding vooraf wordt berekend, zodat menselijke analisten zoals Marshall binnen enkele seconden simulaties kunnen uitvoeren, waardoor ze runs kunnen maken die ze kunnen overzetten naar Google Maps om te laten zien hun superieuren waar de grootste risico's zijn. Maar dit specifieke risico, realiseerde Marshall zich plotseling, was aan het programma voorbijgegaan.

Het scherm toonde nu een cluster van felroze en groene polygonen die over de oostflank van de Sierras kruipen, nabij de stad Big Creek. De polygonen, een van de vele feeds die rechtstreeks naar Wildfire Analyst zijn geport, waren afkomstig van FireGuard, een realtime feed van de Amerikaanse Ministerie van Defensie die de huidige locaties van alle bosbranden schat. Ze verspreidden zich, veel sneller dan ze hadden moeten zijn, langs de afwatering van de Big Creek.

Wildfire Analyst had in zijn berekeningen een aantal aannames gedaan. Hij zag aan de andere kant van Big Creek een dichte stapel zwaar hout. Traditioneel werd gedacht dat dergelijke tribunes de snelle verspreiding van vuur belemmeren, die modellen grotendeels toeschrijven aan fijne brandstoffen zoals dennenstro.

Maar Marshall realiseerde zich plotseling, in tegenstelling tot de algoritmen die Wildfire Analyst aanstuurden, dat de drainage alle ingrediënten bevatte voor een perfecte vuurstorm. Hij wist dat dat zware hout in feite een enorm stuk dode bomen was, verzwakt door kevers, gedood door droogte en gebakken door twee weken van 100 ° F hitte tot beeldschoon brandhout. En de Big Creek-vallei zou de wind als een balg op het vuur richten. Zonder weerstation aan de monding van de kreek kon het programma dat allemaal niet zien.

Marshall ging terug naar zijn computer en voerde een aantal getallen opnieuw uit met de nieuwe variabelen erin verwerkt. Hij keek op zijn scherm toe hoe het vuur zich met angstaanjagende snelheid over de Sierra verspreidde. Ik ging naar de operatietrailer en vertelde mijn bovenleer: ik denk dat het over de San Joaquin-rivier gaat springen, herinnert hij zich. En als dat zo is, gaat het groots worden.

Dit was op dat moment een vergezochte claim - geen enkele brand in Californië had ooit een tocht van negen mijl gemaakt in zwaar hout, hoe droog ook. Maar in dit geval veroorzaakte de verbranding van de bomen krachtige pluimen van oververhitte lucht die het vuur aandreven. Het sprong over de rivier en rende door het hout naar een stuwmeer dat bekend staat als Mammoetbad , waar een last-minute luchtbrug gered 200 kampeerders uit de vurige dood.

The Creek Fire was een casestudy in de uitdaging waarmee de brandanalisten van vandaag worden geconfronteerd, die de bewegingen van branden proberen te voorspellen die veel ernstiger zijn dan die van tien jaar geleden. Omdat we zo weinig begrijpen over hoe vuur werkt, gebruiken ze wiskundige tools die zijn gebaseerd op verouderde aannames, evenals technologische platforms die de onzekerheid in hun werk niet kunnen opvangen. Programma's zoals Wildfire Analyst, hoewel nuttig, geven een indruk van precisie en nauwkeurigheid die misleidend kan zijn.

Om de meest destructieve branden het hoofd te bieden, zijn niet alleen nieuwe rekenhulpmiddelen nodig, maar ook een ingrijpende verandering in de manier waarop bossen worden beheerd. Samen met klimaatverandering , hebben generaties land- en milieubeheerbeslissingen - bedoeld om de bossen te behouden die veel Californiërs moeten beschermen - onbedoeld dit nieuwe tijdperk van hypervernietigend vuur gecreëerd.

Maar als deze enorme branden aanhouden, zou Californië kunnen zien dat de bossen van de Sierra net zo grondig worden uitgewist als die van De Blue Mountains van Australië . Om dit nachtmerriescenario te vermijden, is een paradigmaverschuiving nodig. Bewoners, brandweercommandanten en politieke leiders moeten overschakelen van een mentaliteit van het voorkomen of beheersen van natuurbranden naar ermee leren leven. Dat betekent dat we technieken voor brandbeheer moeten omarmen die frequentere brandwonden aanmoedigen - en uiteindelijk toelaten dat branden de landschappen waar ze van houden voor altijd veranderen.

Wankele veronderstellingen

Eind oktober deelde Marshall zijn scherm en nam me mee op een tour in Wildfire Analyst. We zagen de fluorescerende FireGuard-polygonen van een nieuwe vlamvinger uit het smeulende breken Augustus Complex . Met een paar klikken legde hij vier kleine virtuele vuurtjes langs de rand van het echte vuur, aan de andere kant van de vuurlijn die de voortgang ervan had geblokkeerd. Een paar seconden later bloeide vuur over het gesimuleerde landschap. Onder de huidige omstandigheden, schat het model, zou een brand die op die punten uitbrak binnen 24 uur kunnen uitslaan tot 8.000 acres - een run van bijna drie mijl.

Voor Marshall en de rest van Cal Fire's analisten biedt Wildfire Analyst een gestandaardiseerd platform om gegevens te delen van branden die ze bekijken, projecties over de runs die ze zouden kunnen maken en hacks om een ​​gesimuleerde brand te maken die het gedrag van een echte brand benadert. . Met die informatie proberen ze te anticiperen waar een brand vervolgens naartoe gaat, wat in theorie beslissingen kan sturen over waar bemanningen naartoe moeten worden gestuurd of welke regio's moeten worden geëvacueerd.

Zoals elk model is Wildfire Analyst slechts zo goed als de gegevens waarmee het wordt gevoed - en die gegevens zijn slechts zo goed als ons wetenschappelijk begrip van het fenomeen in kwestie. Als het gaat om de mechanica van bosbranden, is dat begrip middeleeuws, zegt Mark Finney , directeur van de US Forest Service's Missoula Fire Lab .

Onze huidige benadering van brandmodellering, die elk realtime analyseplatform aandrijft, inclusief TechnoSylva's Wildfire Analyst, is gebaseerd op een bepaalde reeks vergelijkingen dat een onderzoeker genaamd Richard Rothermel bijna een halve eeuw geleden in het Fire Lab ontleende om te berekenen hoe snel vuur zou bewegen, met gegeven windomstandigheden, door bepaalde brandstoffen.

Rothermels belangrijkste veronderstelling - misschien een noodzakelijke, gezien de destijds beschikbare rekenhulpmiddelen, maar waarvan we nu weten dat deze onjuist is - was dat branden zich alleen door straling verspreiden als de voorkant van de vlam fijne brandstoffen vangt (dennenstro, bladafval, takjes) op de grond.

Die spreiding, ontdekte Rothermel, dreef naar buiten in een dunne, uitzettende rand langs een ellips. Om erachter te komen hoe een brand zou groeien, gebruikten brandweerlieden in het veld nomogrammen : vooraf gemaakte grafieken die specifieke waarden toekenden voor windsnelheid, helling en brandstofcondities om een ​​gemiddelde verspreidingssnelheid te onthullen.

AMERIKAANSE DEPARTEMENT VAN LANDBOUW

In zijn vroege dagen in het veld, zegt Finney, zou je je map met nomogrammen op de motorkap van je pick-up verspreiden en je projecties maken in dik potlood, op een topokaart in kaart brengen waar het vuur over een uur of twee zou zijn, of drie. De vergelijkingen van Rothermel stelden analisten in staat vuur te modelleren als een Go-spel, door homogene cellen van een tweedimensionaal landschap.

Dit is waar de dingen al tientallen jaren staan. Wildfire Analyst en vergelijkbare tools vertegenwoordigen een herverpakking van deze aanpak meer dan een fundamentele verbetering ervan. (TechnoSylva reageerde niet op meerdere interviewverzoeken.) Wat nu nodig is, is niet zozeer een techniek voor realtime voorspelling als wel een fundamentele herwaardering van hoe vuur werkt - en een gezamenlijke inspanning om het Californische landschap te herstellen tot iets dat een natuurlijk evenwicht benadert.

complicaties

Het probleem voor producten als Wildfire Analyst en voor analisten als Marshall is eenvoudig te formuleren en moeilijk op te lossen. Een brand is geen lineair systeem, van oorzaak naar gevolg. Het is een gekoppeld systeem waarin oorzaak en gevolg door elkaar lopen. Zelfs op de schaal van a kaars , ontsteekt ontsteking een zelfvoorzienende reactie die de omgeving eromheen vervormt, waardoor het hele systeem verder verandert - brandstof die in vlammen vergaat, meer wind aanzuigt, waardoor het vuur verder wordt aangewakkerd en meer brandstof wordt afgebroken.

Dergelijke systemen zijn notoir gevoelig voor zelfs kleine veranderingen, waardoor ze duivels moeilijk te modelleren zijn. Een kleine afwijking in de startgegevens kan, net als bij de Creek Fire-berekeningen, leiden tot een exponentieel fout antwoord. In termen van dit soort niet-lineaire complexiteit lijkt vuur veel op het weer, maar de computationele vloeistofdynamische modellen die worden gebruikt om voorspellingen te maken voor bijvoorbeeld de National Weather Service, vereisen supercomputers. De modellen die proberen de complexiteit van een natuurbrand vast te leggen, zijn doorgaans honderden keren eenvoudiger.

Verwant verhaal

Ontmoet de wetenschappers die proberen de ergste bosbranden ter wereld te begrijpen Het zal niet eenvoudig zijn om de 47 jaar oude standaard bij te werken om te voorspellen wat branden zullen doen, maar het zal levens redden.

Baanbrekende wetenschappers zoals Rothermel losten dit hardnekkige probleem op door het te negeren. In plaats daarvan zochten ze naar factoren, zoals windsnelheid en helling, die hen konden helpen de volgende zet van een brand in realtime te voorspellen.

Terugkijkend, zegt Finney, is het een wonder dat de vergelijkingen van Rothermel überhaupt werken voor bosbranden. Er is een groot verschil in schaal: Rothermel heeft zijn vergelijkingen afgeleid van kleine, gecontroleerde branden in 18-inch brandstofbedden. Maar er zijn ook meer fundamentele fouten. Het meest in het oog springend was Rothermels veronderstelling dat vuur zich alleen door straling verspreidt, in plaats van door de convectiestromen die je ziet als een kampvuur flikkert.

Deze veronderstelling is niet waar, en toch voor sommige branden, zelfs grote zoals Northwest Oklahoma Complex 2017 , die meer dan 780.000 acres verbrandden, lijken de verspreidingsvergelijkingen van Rothermel nog steeds te werken. Maar op bepaalde schalen en onder bepaalde omstandigheden creëert vuur een nieuw soort systeem dat elke poging om het te beschrijven trotseert.

De Creek Fire in Californië, bijvoorbeeld, werd niet zomaar groot. Het creëerde een pluim van hete lucht die zich onder de stratosfeer verzamelde, als stoom tegen het deksel van een snelkookpan. dan is het schoot door tot 50.000 voet , lucht aanzuigend van onderaf die de vlammen aanjaagde, waardoor een stormsysteem ontstond - compleet met bliksem en vuurtornado's - waar geen storm had moeten zijn.

Andere enorme, verwoestende branden lijken op chaotische manieren af ​​te slaan van het weer of van elkaar. Branden worden 's nachts meestal minder, maar in 2020 braken twee van de grootste runs in Californië 's nachts uit. Omdat warmte stijgt, branden branden meestal bergopwaarts, maar in de berenvuur raasden twee enorme vlamkoppen 35 kilometer bergafwaarts, een rij tornadopluimen ertussen.

Finney zegt dat we niet weten of de intensiteit het vreemde gedrag veroorzaakte of omgekeerd, of dat beide voortkwamen uit een diepere dynamiek. Een maatstaf voor onze onwetendheid is volgens hem dat we er niet eens op kunnen vertrouwen: het zou heel leuk zijn om te weten wanneer onze huidige modellen zullen werken en wanneer niet, zegt hij.

Illusies

Voor Finney en andere brandwetenschappers is het gevaar van producten zoals Wildfire Analyst niet noodzakelijkerwijs dat ze onnauwkeurig zijn. Alle modellen zijn. Het is dat ze oplossingen in een zwarte doos verbergen en - veel belangrijker - zich concentreren op het verkeerde probleem.

In tegenstelling tot Wildfire Analyst, moesten analisten voor de oudere generatie tools precies weten welke afdekkingen en aannames ze maakten. De nieuwe tools laten dat allemaal over aan de computer. Dergelijke producten spelen in op de obsessie van het veld met modelleren, vertelde wetenschapper na wetenschapper me, ondanks het feit dat geen enkel model kan voorspellen wat vuur zal doen.

Je kunt het systeem daarna altijd kalibreren om aan je waarnemingen te voldoen, zegt Brandon Collins , een natuuronderzoeker bij UC Berkeley. Maar kun je het van tevoren voorspellen?

Dit doen is eerder een kwestie van wetenschap dan van technologie: er zou primair onderzoek nodig zijn om een ​​nieuwe vlammentheorie te ontwikkelen en te testen. Maar dergelijk werk is duur, en het meeste onderzoeksgeld voor natuurbranden wordt toegekend om specifieke technische problemen op te lossen. Het Missoula Fire Lab overleeft op de overblijfselen van een budget uit het Great Society-tijdperk; haar zusterfaciliteit, de Macon Fire Lab in Georgië, werd in de jaren negentig gesloten.

Collins en Finney doen wat ze kunnen met de beschikbare middelen. Ze maken allebei deel uit van een publiek-private brandwetenschapswerkgroep genaamd Pyregence dat is een graansilo ombouwen tot een oven om te zien hoe grote boomstammen, zoals het gevallen hout op Big Creek, vuur verspreiden.

Ondertussen werkt het team van Finney in het Missoula Fire Lab aan de ontwikkeling van een dataset die fundamentele vragen over vuur beantwoordt - een mogelijke basis voor nieuwe modellen. Ze willen beschrijven hoe wind op smeulende boomstammen nieuwe vlamfronten aandrijft; kwantificeer de waarschijnlijkheid dat door een vlam geworpen sintels nieuwe vuren zullen ontdekken of doen ontbranden; en bestudeer de rol die dennenbossen lijken te spelen bij het aanmoedigen van hun eigen verbranding.

Het doel van die modellen is minder om te zien waar een bepaalde brand heen zal gaan als het eenmaal is uitgebroken, maar meer om te dienen als een planningstool om Californiërs te helpen het brandgevoelige, brandonderdrukte landschap waarin ze leven beter te beheren.

Net als ecosystemen in Chili, Portugal, Griekenland en Australië - alle regio's die recentelijk meer megabranden hebben gezien - zijn de naaldbossen van Californië in de loop van duizenden jaren geëvolueerd, waarin natuurlijke en door de mens veroorzaakte branden periodiek overtollige brandstof opruimden en de ruimte en voedingsstoffen creëerden voor nieuwe groei.

Men denkt dat inheemse Amerikanen vóór de 19e eeuw opzettelijk ongeveer evenveel van Californië hebben verbrand als daar in 2020. Soortgelijke praktijken bleven bestaan ​​tot in de jaren zeventig - ranchers in de uitlopers van de Sierra zouden struiken verbranden om nieuwe groei voor hun dieren te eten. Houthakkers haalden tonnen hout uit de bossen die waren geprepareerd om er enorme hoeveelheden van te produceren, waarbij ze het puin op hun plaats verbrandden.

JOSH BERENDES / UNSPLASH

Toen boeren failliet gingen en hun land aan ontwikkelaars verkochten, werden weiland woongemeenschappen. Regelgeving voor schone lucht ontmoedigde de overgebleven boeren om te verbranden. En decennia van conflicten tussen milieuorganisaties en houtkapbedrijven eindigden in de jaren negentig met houthakkers die de bossen verlieten die ze ooit hadden gekapt.

In de Sierra - net als in deze andere regio's die nu vatbaar zijn voor enorme, vernietigende branden - werd een sterk veranderd landschap dat lang geleden uit elk natuurlijk evenwicht was verscheurd, grotendeels verlaten. Miljoenen hectaren dennen groeiden erin, vol en dorstig. Uiteindelijk werden velen gedood door droogte en schorskevers, die zich ophoopten in een overwicht aan brandstof. Branden die het land hadden kunnen klaren en het bos hadden kunnen herstellen, werden geblust door de Amerikaanse boswachterij en Cal Fire, wiens hoofddoel grootschalige brandbestrijding was geworden.

Het zal niet gemakkelijk zijn om los te komen van deze erfenis. De toekomst waar Finney naar toe werkt, is er een waarin mensen verschillende modellen kunnen vergelijken en kunnen beslissen welke het beste werkt voor een bepaalde situatie. Hij en zijn team hopen dat betere gegevens zullen leiden tot betere planningsmodellen die, zegt hij, ons het vertrouwen kunnen geven om wat vuren te laten branden en ons werk voor ons te doen.

Maar, zegt hij, als we ons te veel op modellen concentreren, lopen we het risico een belangrijkere vraag te missen: wat als we het basisaspect van natuurbrand negeren - dat we meer vuur nodig hebben, goed vuur, zodat we ons niet laten verrassen en vernietigen door natuurbranden?

Leven met bosbranden

In 2014, het koningsvuur raasde over de Californische Sierra en liet een brandwond achter waar bomen nog steeds niet zijn teruggegroeid. In plaats daarvan, zegt bosbouwkundige van Forest Service Dana Walsh , zijn ze vervangen door dikke matten van chaparral, een brandgevoelige struik die de terugkeer van het bos heeft weggedrukt.

Mensen vragen wat er gebeurt als we de natuur gewoon zijn gang laten gaan na een grote brand, zegt Walsh. Je krijgt 30.000 hectare chaparral.

Dit is het gevaar waarmee landschappen van de Pyreneeën tot de Californische Sierra tot de Blue Mountains in Australië nu worden geconfronteerd, zegt Marc Castellnou , een Catalaanse brandwetenschapper die adviseur is van TechnoSylva. In de afgelopen twee decennia heeft hij de opkomst van megabranden over de hele wereld bestudeerd, kijkend hoe ze records verbraken wat betreft lengte of snelheid van runs.

Te lang, zegt hij, heeft het brand- en bosbeleid van Californië weerstand geboden aan een onvermijdelijke verandering in het landschap. De staat heeft geen feilloze voorspellende instrumenten nodig om te zien waar de bossen naartoe gaan, zegt hij: de brandstof stapelt zich op, de energie stapelt zich op, de atmosfeer wordt heter. Het landschap zal zichzelf weer in evenwicht brengen.

Verwant verhaal

Het onderdrukken van branden is mislukt. Dit is wat Californië in plaats daarvan moet doen. Het is tijd om een ​​eeuw aan brandbestrijdingsbeleid terug te draaien. Dat vereist ingrijpende hervormingen van de regelgeving en tonnen geld.

De keuze van Californië - zoals in Catalonië, waar Castellnou hoofdwetenschapper is voor het 4.000 man tellende brandweerkorps van de autonome provincie - is om ofwel mee te gaan met die verandering en enige kans te hebben om het te beïnvloeden, ofwel omvergeworpen te worden door megabranden.

Het doel is niet zozeer om inheemse bossen in deze gebieden te regenereren – die volgens Castellnou achterhaald zijn door klimaatverandering – dan om met het landschap samen te werken om een ​​nieuw type bos te ontwikkelen waar bosbranden minder snel uit zullen waaien in enorme branden.

Zijn aanpak ligt voor een groot deel in het terugkeren naar oude technieken voor landbeheer. Plattelandsmensen in zijn regio hadden ooit destructieve branden onder controle door frequente branden van lage intensiteit te starten of toe te staan ​​en in de tussentijd vee te gebruiken om de borstel op te eten. Ze plantten stands van brandwerende hardhoutsoorten die als schildwachten stonden en golven van vlammen blokkeerden.

Voor Castellnou betekent dit echter ook politiek moeilijke keuzes maken. In juli 2019, net buiten Tivissa, Spanje, zag ik hem uitleggen aan een groep landelijke Catalaanse burgemeesters en olijfboeren waarom hij het gebied rond hun steden had laten afbranden.

Hij was bang geweest dat als bemanningen de Catalaanse branden zouden vertragen, ze een pyrocumulonimbus zouden vormen - een gewelddadige wolk van vuur, donder en wind zoals die zich boven de Creek Fire vormde. Een dergelijk fenomeen had het vuur kunnen aanwakkeren totdat het toch de steden had veroverd. Nu, zegt hij, wijzend naar het brandwondlitteken, hadden de steden een brandverdediging in plaats van een verplichting. Het was weer een tegel in een mozaïeklandschap van weiland, bos en oude vuurlittekens die een natuurbrand konden onderbreken.

Zo zwaar als geplande brandwonden voor velen zijn om te slikken, is het nog moeilijker om door steden te laten branden - zelfs geëvacueerde - om te verkopen. En het vervangen van ongerepte bossen in de Sierra Nevada door een landschap dat zowel droogte als de meest verwoestende branden kan overleven - zeg maar open tribunes van ponderosa-dennen, onderbroken door grasvelden, geplukt door geiten of vee - zou als een verlies kunnen voelen.

Als je dit goed doet, moet je een verandering in de filosofie aannemen die even groot is als elke verandering in voorspellende technologie of wetenschap - een die vuur terug zou verwelkomen als een natuurlijk onderdeel van de omgeving. We proberen het landschap niet te redden, zegt Castellnou. We proberen het volgende landschap te helpen creëren. We zijn hier niet om vlammen te bestrijden. We zijn hier om ervoor te zorgen dat we morgen een bos hebben.