Vad den komplexa matematiken för brandmodellering säger oss om framtiden för Kaliforniens skogar

Kaliforniens bränder blir större och svårare att förutse. Det enda sättet att tämja dem kan vara att göra om själva landskapet.

David Ryder/Getty Images

förbi

• Saul Elbein arkivsida

18 januari 2021

På höjden av Kaliforniens värsta skogsbränder någonsin, Geoff Marshall tittade ner på sin dator och insåg att en enorm brand var på väg att överraska brandmännen .

Marshall driver brandförutsägelseteamet vid California Department of Forestry and Fire Protection (känd som Cal Fire), med huvudkontor i Sacramento, vilket ger honom ett allt svårare jobb: att förutse beteendet hos skogsbränder som blir mindre förutsägbara för varje år.

Problemet var uppenbart där Marshall satt: Kaliforniens skogar var fångade mellan en förvaltningsregim ägnad åt att odla tjocka trädbestånd – och utrota den lågintensiva elden som en gång hade rensat dem – och ett snabbt värmande, allt mer instabilt klimat.

Som ett resultat av detta passerade fler och fler bränder en dåligt förstådd tröskel från typiska skogsbränder – en del av en normal brinncykel för ett landskap som Kaliforniens – till monstruösa, mycket destruktiva eldsvådor. Ibland kallas megabränder (en vetenskapligt meningslös term som löst hänvisar till bränder som brinner mer än 100 000 hektar), dessa massiva eldsvådor inträffar oftare runt om i världen och spränger över stora delar av Kalifornien, Chile, Australien, Amazonas och Medelhavsområdet. .

I det specifika ögonblicket i Kalifornien i september förra året inträffade flera aldrig tidigare skådade bränder var brinnande samtidigt . Tillsammans skulle de fördubbla rekordarealen för 2018 års skogsbränder på mindre än en månad. Men lika oroande för Marshall som deras storlek var att de största bränderna ofta betedde sig på oväntade sätt, vilket gjorde det svårare att förutse deras rörelser.

För att möta denna nya era hade Marshall ett nytt verktyg till sitt förfogande: Skogsbrandanalytiker , ett brandförutsägelse- och modelleringsprogram i realtid som Cal Fire först licensierade från ett Kalifornien-baserat företag som heter TechnoSylva under 2019.

Arbetet med att förutsäga hur bränder spred sig hade länge varit en fråga om handritade ellipser och modeller, så långsamma analytiker lade dem innan sängen och hoppades att de var klara på morgonen. Wildfire Analyst, å andra sidan, kanalisera data från dussintals distinkta flöden: väderprognoser, satellitbilder och mätningar av fukt i ett givet område. Sedan projicerar den allt detta på en elegant grafisk överlagring av bränder som brinner över Kalifornien.

Ett modelleringsverktyg kallat Wildfire Analyst visar hur en eldsvåda i Kalifornien kan sprida sig under en period på åtta timmar. De röda föremålen är byggnader.

Varje natt, medan räddningspersonal sover, såddar Wildfire Analyst de digitala skogarna med miljontals testbrännskador, förberäknar deras spridning så att mänskliga analytiker som Marshall kan göra simuleringar på några sekunder och skapa körningar som de kan porta till Google Maps för att visa deras överordnade där de största riskerna finns. Men just denna risk, insåg Marshall plötsligt, hade glidit förbi programmet.

Displayen visade nu ett kluster av ljust rosa och gröna polygoner som kryper över Sierras östra flanker, nära staden Big Creek. Polygonerna, en av de många flöden som portades direkt till Wildfire Analyst, kom från FireGuard, ett realtidsflöde från USA:s försvarsdepartement som uppskattar alla skogsbränders nuvarande platser. De spred sig, mycket snabbare än de borde ha varit, uppför Big Creek-dräneringen.

I sina beräkningar hade Wildfire Analyst gjort ett antal antaganden. Den såg, på andra sidan Big Creek, ett tätt bestånd av tungt timmer. Sådana bestånd ansågs traditionellt hindra den snabba spridningen av brand, vilket modeller till stor del tillskriver fina bränslen som tallhalm.

Men Marshall insåg plötsligt, eftersom algoritmerna som driver Wildfire Analyst inte hade det, att dräneringen innehöll alla ingredienser för en perfekt eldstorm. Det där tunga virket, visste han, var i själva verket en stor del av döda träd som försvagats av skalbaggar, dödats av torka och bakats av två veckors 100 °F värme till en perfekt ved. Och Big Creek-dalen skulle fokusera vinden på elden som en bälg. Utan någon väderstation vid bäckens mynning kunde programmet inte se allt det.

Marshall gick tillbaka till sin dator och körde om några siffror med de nya variablerna inkluderade. Han såg på sin skärm när elden spred sig i skrämmande hastighet över Sierra. Jag gick till operationstrailern och sa till mina överdelar: Jag tror att den kommer att hoppa över San Joaquin River, minns han. Och om det gör det kommer det att bli stort.

Detta var, i det ögonblicket, ett långsökt påstående - ingen brand i Kalifornien hade någonsin gjort en nio mil lång körning i tungt timmer, hur torrt det än var. Men i det här fallet skapade trädens förbränning kraftfulla plymer av överhettad luft som drev elden vidare. Den hoppade över floden och rusade genom virket till en reservoar känd som Mammoth Pool , där en flygbro i sista minuten sparat 200 campare från brinnande död.

The Creek Fire var en fallstudie i utmaningen som dagens brandanalytiker står inför, som försöker förutsäga rörelser av bränder som är mycket allvarligare än de som sågs för bara ett decennium sedan. Eftersom vi förstår så lite om hur eld fungerar, använder de matematiska verktyg som bygger på föråldrade antaganden, såväl som tekniska plattformar som inte lyckas fånga osäkerheten i deras arbete. Program som Wildfire Analyst, även om de är användbara, ger ett intryck av precision och noggrannhet som kan vara missvisande.

Att ta sig före de mest destruktiva bränderna kräver inte bara nya beräkningsverktyg utan en genomgripande förändring av hur skog sköts. Tillsammans med klimatförändring , generationer av mark- och miljöförvaltningsbeslut – avsedda att bevara skogarna som många kalifornier känner en plikt att skydda – har oavsiktligt skapat denna nya tidsålder av hyperdestruktiv eld.

Men om dessa massiva bränder fortsätter, kan Kalifornien se skogarna i Sierra raderas lika grundligt som de i Australiens Blue Mountains . Att undvika detta mardrömsscenario kommer att kräva ett paradigmskifte. Invånare, brandbefäl och politiska ledare måste byta från att förebygga eller kontrollera skogsbränder till att lära sig leva med den. Det kommer att innebära att anamma brandhanteringstekniker som uppmuntrar till tätare brännskador – och i slutändan tillåta bränder att för alltid förvandla landskapen som de älskar.

Skakiga antaganden

I slutet av oktober delade Marshall sin skärm och tog mig med på en turné i Wildfire Analyst. Vi såg de fluorescerande FireGuard-polygonerna i ett nytt flamfinger bryta ut från det glödande Augusti komplex . Med några få klick lade han fyra små virtuella eldar längs den riktiga eldens kant, på bortre sidan av eldlinjen som hade blockerat dess framfart. Några sekunder senare blommade eld över det simulerade landskapet. Under nuvarande förhållanden, uppskattade modellen, kunde en brand som bröt ut vid dessa punkter blåsa ut till 8 000 hektar - en nästan tre mil lång körning - inom 24 timmar.

För Marshall och resten av Cal Fires analytiker tillhandahåller Wildfire Analyst en standardiserad plattform för att dela data från bränder som de tittar på, prognoser om de löpningar de kan göra och hacks för att få en simulerad brand att approximera beteendet hos en riktig brand. . Med den informationen försöker de förutse vart en brand kommer att gå härnäst, vilket i teorin kan styra beslut om vart man ska skicka besättningar eller vilka regioner som ska evakueras.

Som vilken modell som helst är Wildfire Analyst bara så bra som den data som matar den – och den data är bara så bra som vår vetenskapliga förståelse av fenomenet i fråga. När det kommer till mekaniken i vildmarksbrand, är den förståelsen medeltida, säger Mark Finney , chef för US Forest Service Missoula Fire Lab .

Vår nuvarande strategi för brandmodellering, som driver varje analysplattform i realtid inklusive TechnoSylvas Wildfire Analyst, bygger på en speciell uppsättning ekvationer som en forskare vid namn Richard Rothermel härledde vid Fire Lab för nästan ett halvt sekel sedan för att beräkna hur snabbt eld skulle röra sig, med givna vindförhållanden, genom givna bränslen.

Rothermels nyckelantagande – kanske nödvändigt, med tanke på de beräkningsverktyg som fanns tillgängliga vid den tiden, men ett som vi nu vet är falskt – var att bränder spreds endast genom strålning när lågans framsida fångar upp fina bränslen (tallhalm, lövströ, kvistar) på marken.

Den spridningen, fann Rothermel, körde utåt i en tunn, expanderande kant längs en ellips. För att ta reda på hur en brand skulle växa använde brandmän på fältet nomogram : förgjorda grafer som tilldelade specifika värden för vindhastighet, lutning och bränsleförhållanden för att avslöja en genomsnittlig spridningshastighet.

US DEPARTMENT OF Agriculture

Under sina tidiga dagar på fältet, säger Finney, spred du din mapp med nomogram på huven på din pickup och gjorde dina projektioner med tjock penna, kartlägga på en topokarta var elden skulle vara om en timme eller två, eller tre. Rothermels ekvationer gjorde det möjligt för analytiker att modellera eld som ett spel Go, över homogena celler i ett tvådimensionellt landskap.

Det är här saker och ting har stått i decennier. Wildfire Analyst och liknande verktyg representerar en ompaketering av detta tillvägagångssätt mer än en grundläggande förbättring av det. (TechnoSylva svarade inte på flera intervjuförfrågningar.) Vad som behövs nu är mindre en teknik för realtidsförutsägelse än en grundläggande omvärdering av hur eld fungerar – och en samlad ansträngning för att återställa Kaliforniens landskap till något som närmar sig en naturlig jämvikt.

Komplikationer

Problemet för produkter som Wildfire Analyst, och för analytiker som Marshall, är lätt att ange och svårt att lösa. En brand är inte ett linjärt system som går från orsak till verkan. Det är ett kopplat system där orsak och verkan trasslar ihop. Även på skalan av en ljus , tändning startar en självuppehållande reaktion som deformerar miljön runt den, vilket förändrar hela systemet ytterligare - bränsle förmultnar till lågor, suger in mer vind, vilket eldar upp elden ytterligare och bryter ner mer bränsle.

Sådana system är notoriskt känsliga för även små förändringar, vilket gör dem jävligt svåra att modellera. En liten varians i startdata kan leda, som med Creek Fire-beräkningarna, till ett svar som är exponentiellt fel. När det gäller den här typen av icke-linjär komplexitet är eld mycket som väder — men de beräkningsvätskedynamiska modellerna som används för att bygga prognoser för, säg, National Weather Service kräver superdatorer. Modellerna som försöker fånga komplexiteten i en vildmarksflamma är vanligtvis hundratals gånger enklare.

Relaterad berättelse

Möt forskarna som försöker förstå världens värsta skogsbränder Det kommer inte att vara lätt att uppdatera den 47-åriga standarden för att förutsäga vad bränder kommer att göra – men det kommer att rädda liv.

Banbrytande forskare som Rothermel hanterade detta svårlösta problem genom att ignorera det. Istället sökte de efter faktorer, som vindhastighet och lutning, som kunde hjälpa dem att förutsäga en brands nästa drag i realtid.

När jag ser tillbaka, säger Finney, är det ett mirakel att Rothermels ekvationer överhuvudtaget fungerar för skogsbränder. Det finns den stora skillnaden i skala - Rothermel härledde sina ekvationer från små, kontrollerade bränder i 18-tums bränslebäddar. Men det finns också mer grundläggande fel. Mest iögonfallande var Rothermels antagande att eld sprids endast genom strålning, istället för genom konvektionsströmmarna som du ser när en lägereld flimrar.

Detta antagande är inte sant, och ändå för vissa bränder, till och med stora sådana 2017:s Northwest Oklahoma Complex , som brände mer än 780 000 hektar, verkar Rothermels spridningsekvationer fortfarande fungera. Men i vissa skalor, och under vissa förhållanden, skapar eld en ny typ av system som trotsar alla sådana försök att beskriva det.

Creek-branden i Kalifornien, till exempel, blev inte bara stor. Det skapade en plym av varm luft som samlades under stratosfären, som ånga mot locket på en tryckkokare. Sedan det dök upp till 50 000 fot , suger in luft underifrån som drev lågorna vidare och skapade ett stormsystem – komplett med blixtar och eldtornado – där ingen storm borde ha varit.

Andra enorma, destruktiva bränder tycks riva av vädret, eller varandra, på kaotiska sätt. Bränder brukar tystna på natten, men 2020 bröt två av de största körningarna i Kalifornien ut på natten. Eftersom värmen stiger, bränder vanligtvis uppförsbacke, men i Björneld , två enorma flamhuvuden tävlade 22 miles nedför, en rad tornadic plymer snurrade mellan dem.

Finney säger att vi inte vet om intensiteten orsakade de konstiga beteendena eller vice versa, eller om båda steg från någon djupare dynamik. Ett mått på vår okunnighet, enligt hans uppfattning, är att vi inte ens kan lita på det: Det skulle vara riktigt trevligt att veta när våra nuvarande modeller kommer att fungera och när de inte kommer att fungera, säger han.

Illusioner

För Finney och andra brandforskare är faran med produkter som Wildfire Analyst inte nödvändigtvis att de är felaktiga. Alla modeller är. Det är att de gömmer lösningar i en svart låda, och - mycket viktigare - fokuserar på fel problem.

Till skillnad från Wildfire Analyst krävde den äldre generationens verktyg analytiker att veta exakt vilka säkringar och antaganden de gjorde. De nya verktygen lämnar allt detta till datorn. Sådana produkter spelar in i fältets besatthet av modellering, sa vetenskapsman efter vetenskapsman till mig, trots att ingen modell kan förutsäga vad eld kommer att göra.

Du kan alltid kalibrera systemet efteråt för att matcha dina observationer, säger Brandon Collins , en skogsbrandforskare vid UC Berkeley. Men kan du förutsäga det i förväg?

Att göra det är en fråga om vetenskap snarare än teknik: det skulle kräva primär forskning för att utveckla och testa en ny teori om flamma. Men ett sådant arbete är dyrt, och de flesta pengar för skogsbrandsforskning går ut för att lösa specifika tekniska problem. Missoula Fire Lab överlever på resterna av en budget från Great Society-era; dess systeranläggning, den Macon Fire Lab i Georgia, lades ner på 1990-talet.

Collins och Finney gör vad de kan med de medel som är tillgängliga för dem. De ingår båda i en offentlig-privat brandvetenskapsarbetsgrupp som kallas Pyregens det är att omvandla en spannmålssilo till en ugn för att se hur stora stockar, som det nedfallna virket på Big Creek, sprider eld.

Samtidigt arbetar Finneys team på Missoula Fire Lab med att utveckla en datamängd som svarar på grundläggande frågor om brand – en potentiell grund för nya modeller. De syftar till att beskriva hur vind på pyrande stockar driver fram nya flamfronter; kvantifiera sannolikheten för att glöd som kastats av en låga kommer att upptäcka eller antända nya bränder; och studera vilken roll tallskogar verkar spela för att uppmuntra sin egen bränning.

Poängen med dessa modeller är mindre att se vart en viss brand kommer att ta vägen när den väl har brutit ut, och mer att fungera som ett planeringsverktyg för att hjälpa kalifornier att bättre hantera det brandbenägna, brandundertryckta landskapet de lever i.

Liksom ekosystemen i Chile, Portugal, Grekland och Australien – alla regioner som nyligen har sett fler megabränder – har Kaliforniens barrskogar utvecklats under tusentals år där naturliga och mänskliga bränder med jämna mellanrum rensade ut överskottsbränsle och skapade utrymme och näringsämnen för nya tillväxt.

Före 1800-talet tros indianer medvetet ha bränt ungefär lika mycket av Kalifornien varje år som brändes där 2020. Liknande metoder överlevde till så sent som på 1970-talet – ranchägare vid Sierra foten brände borstar för att uppmuntra ny tillväxt för deras djur att äta. Skogshuggare drog tonvis av timmer från skogar som sköts för att producera enorma volymer av det och brände skräpet på plats.

JOSH BERENDES / UNSPLASH

Sedan, när ranchägare gick i konkurs och sålde sin mark till utvecklare, blev betesmarker bostadssamhällen. Regler för ren luft avskräckte de återstående ranchägarna från att brinna. Och årtionden av konflikter mellan miljöorganisationer och avverkningsföretag slutade, på 1990-talet, med att skogshuggare lämnade de skogar som de en gång hade kalhygget.

I Sierra – liksom i dessa andra regioner som nu är utsatta för enorma, destruktiva bränder – övergavs till stor del ett kraftigt förändrat landskap som för länge sedan slets från alla naturliga balanser. Miljontals hektar tall växte in, packade och törstiga. Så småningom dödades många av torka och barkbaggar, som ackumulerades till en övervägande del av bränsle. Bränder som kunde ha rensat marken och återställt skogen släcktes av US Forest Service och Cal Fire, vars primära mål hade blivit grossistbrandbekämpning.

Att bryta sig loss från detta arv kommer inte att vara lätt. Framtiden som Finney arbetar mot är en där människor kan jämföra olika modeller och bestämma vilken som fungerar bäst för en given situation. Han och hans team hoppas att bättre data kommer att leda till bättre planeringsmodeller som, säger han, kan ge oss förtroendet att låta några bränder brinna och göra vårt arbete åt oss.

Ändå, säger han, att fokusera för mycket på modeller riskerar att missa en viktigare fråga: Vad händer om vi ignorerar den grundläggande aspekten av en löpeld – att vi behöver mer eld, ordentlig eld, så att vi inte låter en löpeld överraska och förstöra oss?

Att leva med skogsbränder

Under 2014, kungens eld rasade över Kalifornien Sierra och lämnade ett brännmärke där träden fortfarande inte har återväxt. Istället, säger skogsvårdsodlare Dana Walsh , de har ersatts av tjocka mattor av chaparral, en eldbenägen buske som har pressat ut skogens återkomst.

Folk frågar vad som händer om vi bara låter naturen ta sin gång efter en stor brand, säger Walsh. Du får 30 000 hektar chaparral.

Detta är faran som landskap från Pyrenéerna till Kalifornien Sierra till Australiens Blue Mountains nu står inför, säger Marc Castellnou , en katalansk brandforskare som är konsult till TechnoSylva. Under de senaste två decennierna har han studerat uppkomsten av megabränder runt om i världen och sett hur de slår rekord för längd eller hastighet på löpningar.

För länge, säger han, har Kaliforniens brand- och skogspolitik motstått en oundviklig förändring i landskapet. Staten behöver inte felfria prediktiva verktyg för att se vart dess skogar är på väg, säger han: Bränslet byggs upp, energin byggs upp, atmosfären blir varmare. Landskapet kommer att återbalansera sig.

Relaterad berättelse

Att undertrycka bränder har misslyckats. Här är vad Kalifornien behöver göra istället. Det är dags att vända ett sekel av brandhanteringspolitik. Det kommer att kräva genomgripande regelreformer och massor av pengar.

Kaliforniens val – som i Katalonien, där Castellnou är chefsforskare för den autonoma provinsens brandkår med 4 000 personer – är att antingen gå med på den förändringen och ha en viss chans att påverka den, eller att kastas över av megabränder.

Målet är mindre att återskapa inhemska skogar i dessa områden – som Castellnou tror har blivit föråldrade av klimatförändringarna – än att arbeta med landskapet för att utveckla en ny typ av skog där det är mindre troligt att skogsbränder blåser ut i massiva bränder.

Till stor del ligger hans tillvägagångssätt i att återgå till gamla markförvaltningstekniker. Landsbygdsbefolkningen i hans region kontrollerade en gång destruktiva bränder genom att starta eller tillåta frekventa, lågintensiva bränder och använda boskap för att äta ner borste under tiden. De planterade bestånd av brandsäkra lövträarter som stod som vaktposter och blockerade lågor.

För Castellnou innebär detta dock också att göra politiskt svåra val. I juli 2019, strax utanför Tivissa, Spanien, såg jag honom förklara för en grupp katalanska borgmästare och olivbönder på landsbygden varför han hade låtit området runt deras städer brinna.

Han hade oroat sig för att om besättningar bromsade de katalanska bränderna, skulle de kunna få det att bilda en pyrocumulonimbus – ett våldsamt moln av eld, åska och vind som det som bildades över Creek Fire. Ett sådant fenomen kunde ha sporrat elden tills den tog städerna ändå. Nu, säger han och gör en gest mot brännsåren, hade städerna ett brandförsvar i stället för ett ansvar. Det var ytterligare en platta i ett mosaiklandskap av betesmark, skog och gamla brandärr som kunde avbryta en löpeld.

Så tuffa som planerade brännskador är för många att svälja, är det en ännu tuffare försäljning att låta skogsbränder brinna genom städer – även evakuerade. Och att ersätta orörda Sierra Nevada-skogar med ett landskap som kan överleva både torka och de mest destruktiva bränderna – t.ex. öppna bestånd av ponderosatall som avbryts av gräsfält, plockade över av getter eller boskap – kan kännas som en förlust.

Att göra något av detta bra innebär att anta en förändring i filosofin lika stor som någon förändring inom förutsägande teknik eller vetenskap – en som skulle välkomna eld tillbaka som en naturlig del av miljön. Vi försöker inte rädda landskapet, säger Castellnou. Vi försöker hjälpa till att skapa nästa landskap. Vi är inte här för att bekämpa lågor. Vi är här för att se till att vi har en skog imorgon.