Το WildEngine είναι ο πυρήνας nowcasting φωτιάς και καπνού του οικοσυστήματος Wildcaster. Υπολογίζει μια πλήρη πρόβλεψη 24 ωρών της συμπεριφοράς μιας δασικής πυρκαγιάς σε ένα έως τρία δευτερόλεπτα, εξ ολοκλήρου στη συσκευή στην οποία εκτελείται, χωρίς σύνδεση σε κανένα δίκτυο και χωρίς εξειδικευμένο εξοπλισμό.
Ιστορικά, μια πρόβλεψη της συμπεριφοράς μιας πυρκαγιάς παραγόταν σε ένα κέντρο διοίκησης ή ένα ερευνητικό ίδρυμα, σε ισχυρούς υπολογιστές, από εξειδικευμένους αναλυτές, και έφτανε στο πεδίο μόνο αν το επέτρεπαν ο χρόνος και η συνδεσιμότητα. Το WildEngine εξαλείφει αυτή την εξάρτηση. Είναι ένας μηχανισμός nowcasting: εκεί όπου μια συμβατική πρόβλεψη παράγεται από απόσταση και περιγράφει τις επόμενες μέρες, ένα nowcast είναι μια άμεση, μικρής εμβέλειας προβολή χτισμένη από τις συνθήκες που συμβαίνουν αυτή τη στιγμή, απαντώντας στο τι θα κάνει αυτή η πυρκαγιά, με αυτόν τον άνεμο και σε αυτό το έδαφος, τις επόμενες ώρες, υπολογισμένο επιτόπου.
Δύο ιδιότητες το καθιστούν σημαντικό στην πράξη. Η πρώτη είναι η καθαρή ταχύτητα: μια ολόκληρη ημέρα εξάπλωσης φωτιάς υπολογισμένη σε δευτερόλεπτα κρατά την πρόβλεψη στον ρυθμό της φωτιάς αντί πίσω από αυτήν. Η δεύτερη, και για έναν οργανισμό ίσως η σημαντικότερη, είναι ότι λειτουργεί εντελώς εκτός σύνδεσης. Επειδή ο μηχανισμός δεν χρειάζεται διακομιστές, ούτε συνδεσιμότητα, ούτε εξειδικευμένη υποδομή, η ίδια προσομοίωση που κάποτε ανήκε στα κέντρα διοίκησης μπορεί να τεθεί στα χέρια όλων ταυτόχρονα, από τον διευθυντή πολιτικής προστασίας που διαμορφώνει την επιχείρηση μέχρι τον επικεφαλής ομάδας στη γραμμή. Εκδημοκρατίζει την πρόσβαση στην ευφυΐα για τις πυρκαγιές.
Προσομοιώστε σύνθετα σενάρια πυρκαγιάς
Στη συσκευήΕντελώς εκτός σύνδεσης1 έως 3 δευτερόλεπτα
Είσοδοι μοντέλου01
ΈδαφοςDEM, Κλίση και ΈκθεσηΚαιρόςΆνεμος, Θερμοκρασία, ΥγρασίαΚαύσιμαΚάλυψη γης, Μοντέλα, Υγρασίααπό διαστημικά δεδομένα Copernicus, ESA και VIIRS / MODIS
Είσοδοι συμβάντων02
ΑναφλέξειςΣημεία και ΠεριοχέςΚαμένες περιοχέςΕνέργειες κατάσβεσης
Επηρεαζόμενα κρίσιμα σημεία ανά ώραΚαμένη επιφάνεια ανά τύποΔυναμικό ωριαίο nowcast
Πώς το WildEngine μετατρέπει ζωντανές εισόδους σε ένα τακτικό nowcast, στη συσκευή, σε δευτερόλεπτα.
Τι κάνει το WildEngine
Κάθε πυρκαγιά είναι μια συνομιλία ανάμεσα σε τέσσερα πράγματα, και ο μηχανισμός τα παρακολουθεί όλα ταυτόχρονα: το καύσιμο στο έδαφος, από το ξερό χορτάρι που εξαπλώνει τη φωτιά γρήγορα μέχρι το βαρύ ξύλο και τα υπολείμματα υλοτομίας που καίγονται για πολύ και δυνατά· το έδαφος, καθώς η φωτιά ανεβαίνει τις πλαγιές πολύ ταχύτερα απ' ό,τι τις κατεβαίνει και διοχετεύεται μέσα από αυχένες και ρεματιές· τον καιρό, και κυρίως τον άνεμο, που παρακολουθείται ώρα με την ώρα μέσα στην ημέρα· και την ίδια τη φωτιά, δηλαδή πού βρίσκεται αυτή τη στιγμή, που είναι η γραμμή εκκίνησης από την οποία ο μηχανισμός αναπτύσσει τη φωτιά προς τα εμπρός στον χρόνο.
Τα δεδομένα που τροφοδοτούν αυτούς τους υπολογισμούς προέρχονται από τη διαστημική υποδομή και τη γεωσκόπηση της Ευρώπης. Τα καύσιμα και η κάλυψη γης, το έδαφος και ο καιρός που καθοδηγεί την πρόβλεψη προέρχονται από τις υπηρεσίες Copernicus και άλλους πόρους του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, ενώ η ανίχνευση ενεργού φωτιάς στηρίζεται σε δεδομένα δορυφορικών εστιών από όργανα όπως τα VIIRS και MODIS. Αυτή η αγκύρωση σε συνεχώς ενημερωμένα διαστημικά δεδομένα επιτρέπει στον μηχανισμό να ξεκινά από μια ρεαλιστική εικόνα του τοπίου και της πυρκαγιάς σε όλη την περιοχή επιχείρησής του.
Από αυτά τα συστατικά, το WildEngine προωθεί τη φωτιά μέσα στο τοπίο και επιστρέφει απαντήσεις πάνω στις οποίες μια τακτική ομάδα μπορεί να δράσει άμεσα:
Πού θα βρίσκεται η φωτιά, ως μια ακολουθία ωριαίων περιμέτρων που δείχνουν τη στιγμή εκτός από το αποτύπωμα: πότε η κεφαλή φτάνει σε έναν δρόμο, πότε απειλεί έναν οικισμό, και πόσο χρόνο έχετε πραγματικά.
Με πόση ταχύτητα και ένταση καίγεται κατά μήκος κάθε τμήματος του άκρου της, ξεχωρίζοντας ένα πλευρό που μπορείτε να συγκρατήσετε από μια κεφαλή που δεν μπορείτε.
Πότε ανεβαίνει στις κόμες και γίνεται πυρκαγιά κόμης, η μετάβαση που αλλάζει τα πάντα στον τρόπο αντιμετώπισης της φωτιάς.
Πού μπορεί να πηδήξει, εκτοξεύοντας τις καύτρες που παρασύρονται από τον άνεμο και ξεκινούν νέες εστίες μπροστά από το μέτωπο και υπερφαλαγγίζουν τα πληρώματα.
Είναι πλήρες με την έννοια που μετράει επιχειρησιακά, μοντελοποιώντας όλο το φάσμα της συμπεριφοράς της φωτιάς, επιφανείας, κόμης και εκτόξευσης εστιών, σε κάθε τύπο καυσίμου, αντί για μία μόνο απλοποιημένη περίπτωση. Και επειδή όλα όσα χρειάζεται βρίσκονται στη συσκευή, συνεχίζει να λειτουργεί μόλις χαθεί η συνδεσιμότητα, που είναι η κανονική συνθήκη εκεί όπου συμβαίνουν οι πυρκαγιές.
Εξάπλωση φωτιάς: προσομοιωμένη περίμετρος και ωριαία περιγράμματα εξάπλωσης, με επηρεαζόμενα κρίσιμα σημεία.
Όταν η ενεργή φάση υποχωρεί, ο ίδιος μηχανισμός στρέφεται προς μια απειλή που φτάνει πολύ πέρα από τη γραμμή της φωτιάς, μέχρι πόλεις και κατά μήκος δρόμων σε πολλά χιλιόμετρα: τον καπνό. Το WildEngine προσομοιώνει τη στήλη που παρασύρεται και απλώνεται στην ατμόσφαιρα και χαρτογραφεί την προκύπτουσα ποιότητα αέρα στο έδαφος, χρησιμοποιώντας τις ίδιες υγειονομικές κατηγορίες κωδικοποιημένες με χρώματα που το κοινό ήδη αναγνωρίζει από τις ειδοποιήσεις ποιότητας αέρα. Αυτός είναι ένας βαθύτερος και βαρύτερος υπολογισμός από την πρόβλεψη της φωτιάς, και προορίζεται για το κέντρο επιχειρήσεων και το γραφείο υπηρεσίας παρά για την απόφαση κλάσματος δευτερολέπτου στη γραμμή, απαντώντας στα ερωτήματα που καθοδηγούν τις εκκενώσεις και τις ειδοποιήσεις δημόσιας υγείας: ποιες γειτονιές πρόκειται να επηρεαστούν, ποιοι δρόμοι παραμένουν διαβατοί, και πού και πότε πρέπει να μετακινηθούν οι άνθρωποι ή να τους ζητηθεί να προφυλαχθούν.
Διασπορά καπνού: η μοντελοποιημένη στήλη που παρασύρεται υπήνεμα από την πυρκαγιά.
Η επιστήμη από πίσω
Κάτω από την ταχύτητα βρίσκεται ένα καλά εδραιωμένο σώμα επιστήμης της φωτιάς και της ατμόσφαιρας, υλοποιημένο στο σύνολό του και αντιπαραβαλλόμενο με τις πρωτότυπες μελέτες. Ό,τι ακολουθεί κατονομάζει τα συγκεκριμένα μοντέλα που χρησιμοποιεί το WildEngine και παραπέμπει στη βιβλιογραφία-πηγή, ώστε η επιστήμη να μπορεί να επαληθευτεί αντί απλώς να γίνει αποδεκτή.
Εξάπλωση επιφανειακής φωτιάς
Η ταχύτητα με την οποία μια φωτιά προχωρά μέσα από ένα δεδομένο καύσιμο υπό δεδομένο άνεμο και κλίση ακολουθεί την ημιεμπειρική εξίσωση εξάπλωσης του Rothermel (1972), με τις υπολογιστικές βελτιώσεις του Frank Albini (1976) που την κατέστησαν πρακτική στην αξιολόγηση. Η ακρίβειά της εξαρτάται από μια ειλικρινή περιγραφή του καυσίμου, γι' αυτό το WildEngine την τροφοδοτεί με τα δύο διεθνώς πρότυπα σύνολα μοντέλων καυσίμου: τα δεκατρία πρωτότυπα του Anderson (1982) και τα σαράντα διευρυμένα των Scott και Burgan (2005), που μαζί περιγράφουν καύσιμα λιβαδιού, θαμνώνα, φυλλοστρώματος δάσους και υπολειμμάτων υλοτομίας, και τον διακριτό τρόπο με τον οποίο το καθένα αναφλέγεται, εξαπλώνει τη φωτιά και καταναλώνεται.
Πυρκαγιά κόμης
Η μετάβαση από μια επιφανειακή φωτιά σε μια φωτιά που τρέχει στις κόμες είναι από τις πιο επικίνδυνες μεταβάσεις κάθε συμβάντος, και το WildEngine τη μοντελοποιεί ρητά. Χρησιμοποιεί τα κριτήρια έναρξης του Van Wagner (1977) για να καθορίσει πότε μια επιφανειακή φωτιά έχει επαρκή ένταση για να αναφλέξει τις κόμες, το μοντέλο ταχύτητας εξάπλωσης ενεργού κόμης των Cruz, Alexander και Wakimoto (2005) για να προβλέψει με πόση ταχύτητα ταξιδεύει τότε, και τον σύνδεσμο επιφανείας-κόμης των Scott και Reinhardt (2001) για τη διαχείριση της μετάβασης ανάμεσα στα δύο καθεστώτα.
Εκτόξευση εστιών από καύτρες
Το άλμα μεγάλης εμβέλειας, όπου οι καύτρες ανυψώνονται υπήνεμα για να ξεκινήσουν νέες εστίες μπροστά από το μέτωπο, αντιμετωπίζεται ως αυτό που φυσικά είναι: ένα ζήτημα πιθανότητας που επιλύεται πολλές χιλιάδες φορές. Το WildEngine βασίζεται στο πρωτοποριακό μοντέλο μεταφοράς καυτρών του Frank Albini (1979), μαζί με τη διατύπωση εγκάρσιας ως προς τον άνεμο διασποράς των Himoto και Tanaka (2005), τις καμπύλες πιθανότητας ανάφλεξης σε χαμηλό χορτάρι του Schroeder (1969) και τη μοντελοποίηση επιβίωσης κατά την πτήση του Perryman (2012). Εκτοξεύει έναν μεγάλο πληθυσμό εικονικών καυτρών, μεταφέρει την καθεμία με τον άνεμο, και ελέγχει αν επιβιώνει από την πτήση της και βρίσκει δεκτικό καύσιμο εκεί όπου πέφτει.
Εξάπλωση μετώπου φωτιάς
Για να μετατρέψει αυτή τη φυσική σε μια καθαρή, προελαύνουσα περίμετρο, το WildEngine αναπαριστά το άκρο της φωτιάς με τη μέθοδο συνόλων στάθμης που εισήγαγαν οι Osher και Sethian (1988) και προσάρμοσαν στη δασική φωτιά οι Mallet, Keyes και Fendell (2009). Αυτή η προσέγγιση βασισμένη στο μέτωπο για την προσομοίωση πυρκαγιών έχει πλούσια ερευνητική κληρονομιά, συμπεριλαμβανομένης της επιδραστικής μοντελοποίησης παρακολούθησης μετώπου και συζευγμένης φωτιάς-ατμόσφαιρας του Filippi και συνεργατών (2009)· η υλοποίηση του WildEngine είναι δική του, αλλά μοιράζεται την κεντρική ιδέα αυτής της παράδοσης να συγκεντρώνει τον υπολογισμό στο κινούμενο μέτωπο της φωτιάς. Ένα σχήμα στενής ζώνης περιορίζει τον υπολογισμό στην άμεση γειτονιά του ζωντανού άκρου, πράγμα που εξηγεί σε μεγάλο βαθμό γιατί οι περίμετροι συμπεριφέρονται σαν πραγματικές πυρκαγιές και υπολογίζονται τόσο γρήγορα.
Υγρασία καυσίμου
Όλα τα παραπάνω εξαρτώνται από το να γνωρίζουμε πόσο ξερά είναι τα λεπτά καύσιμα, καθώς η υγρασία στο χορτάρι και τα νεκρά κλαδάκια αποφασίζει αν μια καύτρα σβήνει ή πιάνει. Το WildEngine την εκτιμά συνεχώς χρησιμοποιώντας την επιστήμη υγρασίας νεκρού καυσίμου των Fosberg και Deeming (1971), βαθμονομημένη για τις ζεστές, ξηρές και ανεμώδεις συνθήκες της μεσογειακής περιόδου πυρκαγιών.
Διασπορά καπνού
Η προσομοίωση του καπνού είναι ένα ουσιαστικό κομμάτι ατμοσφαιρικής φυσικής. Αντί να θολώνει τον καπνό πάνω σε έναν χάρτη, το WildEngine τον παρακολουθεί ως ένα σμήνος μεμονωμένων σωματιδίων, καθένα μεταφερόμενο από τον άνεμο και διασκορπισμένο από την τύρβη, μια προσέγγιση γνωστή ως στοχαστική λαγκρανζιανή διασπορά που χρησιμοποιείται επίσης για την πρόβλεψη ηφαιστειακής τέφρας και ραδιολογικών στηλών. Κάθε σωματίδιο υπακούει στη συνθήκη καλής ανάμειξης του Thomson (1987), τη θεωρητική απαίτηση που κρατά τον μοντελοποιημένο καπνό φυσικά συνεπή με την τύρβη μέσα από την οποία κινείται, με τα στατιστικά της τύρβης να λαμβάνονται από τον Hanna (1982). Επειδή η ατμόσφαιρα συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά μέσα στην ημέρα, το μοντέλο αντιμετωπίζει το ημερήσιο συναγωγικό οριακό στρώμα με το σχήμα ασύμμετρης τύρβης των Cassiani, Stohl και Brioude (2015), και θεμελιώνει τον άνεμο και την ευστάθεια κοντά στην επιφάνεια στη θεωρία ομοιότητας Monin-Obukhov. Το ύψος στο οποίο η ίδια η θερμότητα της πυρκαγιάς ωθεί τη στήλη καθορίζεται από το μοντέλο ύψους έγχυσης των Sofiev, Ermakova και Vankevich (2012), πάνω στην κλασική εργασία ανωστικής στήλης του Briggs (1975, 1984). Ο καπνός αφαιρείται από τον αέρα ρεαλιστικά καθώς τα σωματίδια καθιζάνουν λόγω βαρύτητας και η βροχή τα ξεπλένει κάτω από το νέφος, ακολουθώντας την παραμετροποίηση έκπλυσης κατά μέγεθος των Wang, Zhang και Moran (2014). Το αποτέλεσμα είναι ένας χάρτης σε επίπεδο εδάφους της ρύπανσης από λεπτά σωματίδια, το κλάσμα PM2.5 που έχει τη μεγαλύτερη σημασία για την ανθρώπινη υγεία, ταξινομημένο στις πρότυπες ζώνες ποιότητας αέρα και καθοδηγούμενο απευθείας από τη ζωντανή πυρκαγιά μέσω των συντελεστών εκπομπής καύσης βιομάζας του Andreae (2019).
Η υλοποίηση
Πάνω σε αυτή την επιστήμη αναφοράς, το WildEngine φέρνει μια τακτική και ανθεκτική υλοποίησή της: μία που εκτελεί ολόκληρη την αλυσίδα, επιφανειακή φωτιά, φωτιά κόμης, εκτόξευση εστιών και καπνό, σε δευτερόλεπτα, εκτός σύνδεσης, σε συνηθισμένο φορητό υλικό. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ενός συνόλου ιδιόκτητων βελτιστοποιήσεων που συγκεντρώνουν τον υπολογισμό μόνο στο έδαφος που η φωτιά μπορεί πραγματικά να φτάσει και παρακολουθούν μόνο το ζωντανό άκρο της, παρέχοντας μοντελοποίηση φωτιάς και καπνού επιπέδου έρευνας σε ταχύτητα πεδίου χωρίς υποστηρικτική υποδομή. Αυτό είναι που βάζει ένα αυθεντικό nowcast στα χέρια κάθε διασώστη, από την αίθουσα επιχειρήσεων μέχρι τη γραμμή της φωτιάς, όπου κι αν συμβαίνει η πυρκαγιά.
Αναφορές
Cassiani, M., Stohl, A., Brioude, J. (2015). Lagrangian stochastic modelling of dispersion in the convective boundary layer with skewed turbulence conditions and a vertical density gradient. Boundary-Layer Meteorology 154, 367-390. doi:10.1007/s10546-014-9976-5
Andreae, M. O. (2019). Emission of trace gases and aerosols from biomass burning - an updated assessment. Atmos. Chem. Phys. 19, 8523-8546. doi:10.5194/acp-19-8523-2019
Sofiev, M., Ermakova, T., Vankevich, R. (2012). Evaluation of the smoke-injection height from wild-land fires using remote-sensing data. Atmos. Chem. Phys. 12, 1995-2006. doi:10.5194/acp-12-1995-2012
Wang, X., Zhang, L., Moran, M. D. (2014). Bulk or modal parameterizations for below-cloud scavenging of fine, coarse, and giant particles. J. Adv. Model. Earth Syst. 6, 1301-1310. doi:10.1002/2014MS000392
Cruz, M. G., Alexander, M. E., Wakimoto, R. H. (2005). Development and testing of models for predicting crown fire rate of spread in conifer forest stands. Can. J. For. Res. 35, 1626-1639. doi:10.1139/x05-085
Mallet, V., Keyes, D. E., Fendell, F. E. (2009). Modeling wildland fire propagation with level set methods. Computers & Mathematics with Applications 57, 1089-1101. doi:10.1016/j.camwa.2008.10.089
Filippi, J.-B., Bosseur, F., Mari, C., et al. (2009). Coupled atmosphere-wildland fire modelling. J. Adv. Model. Earth Syst. 1, 11. doi:10.3894/JAMES.2009.1.11
Rothermel, R. C. (1972). A mathematical model for predicting fire spread in wildland fuels. USDA Forest Service Res. Pap. INT-115. treesearch/32533
Van Wagner, C. E. (1977). Conditions for the start and spread of crown fire. Can. J. For. Res. 7, 23-34. doi:10.1139/x77-004
Scott, J. H., Reinhardt, E. D. (2001). Assessing crown fire potential. USDA Forest Service RMRS-RP-29. treesearch/4623
Scott, J. H., Burgan, R. E. (2005). Standard fire behavior fuel models. USDA Forest Service RMRS-GTR-153. treesearch/9521
Osher, S., Sethian, J. A. (1988). Fronts propagating with curvature-dependent speed. J. Comput. Phys. 79, 12-49. doi:10.1016/0021-9991(88)90002-2
Thomson, D. J. (1987). Criteria for the selection of stochastic models of particle trajectories in turbulent flows. J. Fluid Mech. 180, 529-556. doi:10.1017/S0022112087001940
Αναφέρονται επίσης: Anderson (1982) INT-122· Albini (1976) INT-30 και Albini (1979) INT-56· Schroeder (1969)· Himoto & Tanaka (2005)· Perryman (2012)· Fosberg & Deeming (1971) RM-207· Hanna (1982)· Briggs (1975, 1984).
Διαθέσιμο για ενσωμάτωση
Το WildEngine είναι διαθέσιμο ως αδειοδοτημένο στοιχείο για πλατφόρμες πολιτικής προστασίας, φορείς υποδομών και μεταφορών, και ερευνητικά ιδρύματα που χρειάζονται γρήγορο, πλήρες nowcasting φωτιάς και καπνού στη συσκευή εντός των δικών τους συστημάτων.
