環境與生態

預測下一場森林大火

森林火災燃燒的面積正以前所未有的速度增加。下一個火苗會從哪裡竄出?我們能夠預防嗎?我們應該預防嗎?

撰文/安德魯斯 ( Patricia Andrews ) 、芬尼 ( Mark Finney ) 、菲謝蒂 ( Mark Fischetti )
翻譯/陳儀蓁

環境與生態

預測下一場森林大火

森林火災燃燒的面積正以前所未有的速度增加。下一個火苗會從哪裡竄出?我們能夠預防嗎?我們應該預防嗎?

撰文/安德魯斯 ( Patricia Andrews ) 、芬尼 ( Mark Finney ) 、菲謝蒂 ( Mark Fischetti )
翻譯/陳儀蓁


重點提要
■過去幾十年來,由於管理林地的相關單位嘗試撲滅所有的森林火災,林地中的燃料正不斷增加。在連續且大片的土地上所累積的枯木及碎屑,引起的超級森林大火,火勢之猛烈、代價之昂貴將是我們無法負擔得起的。
■電腦模式現在可用來預測燃燒中的大火將如何延燒,而且也越來越能準確預測哪些地方,在接下來的數週、數月及數年間,最容易發生森林火災。
■這些電腦模式可以幫助土地管理者派駐消防人員與機具到適當地點,以便在第一時間抵達火災現場處理火勢,降低當地居民身家財產及自然資源損失的風險。
■有些新的電腦軟體,可以計算疏伐林地或是容許火災自然發生,對減輕未來森林大火有多少效果。這些電腦模式有助於土地管理人及相關單位制訂新政策,減少毀滅性火災發生的機率,同時也恢復火災做為自然生態系不可或缺一部份的角色。


美國境內嚴重森林大火發生的次數一直持續增加。這個國家過去十年中有八年,每年花費超過10億美元來撲救森林大火。在2005年,燃燒面積破紀錄達到352萬公頃,但緊接在2006年就增加到400萬公頃。而今年一開始,一切就顯得來勢洶洶。


大體而言,火災發生次數增多,起因於燃料過度累積,尤其是枯木和矮樹叢的累積。目前許多森林之所以累積過多的燃料,是因為過去數十年來,包括美國林務署等多個土地管理機構,都採行盡速撲滅所有林火的策略。但是事實上,森林火災的發生可以清除多餘燃料,預防燃料大量累積,避免最後過於猛烈、一發不可收拾的超級森林大火。但是即使沒有這項政策,消防隊員仍然發現,許多他們被迫搶救的火災,起因於人們不斷深入野地築屋而居,而這些房屋需要受到保護。雪上加霜的是,早春融雪發生得越來越早,每年森林暴露及嚴重乾燥的週數也比以往長。


顯而易見的,我們必須設法減少環境中的燃料量,不管是放任一些林火自然發生、燃燒,或是人為強制引發。林火對生態系的健康也是很重要的,有些植物已經演化成需要且依賴森林火災。森林火災的大小強度如果變得過於極端,那些數千年來一直依賴著林火的生態系結構將會改變,因而容易遭受全面性的病害,譬如昆蟲的大舉侵襲。美國亞利桑那州的「天空島嶼」──獨立於沙漠中的小型、高緯度森林,已經因此在流失面積;而科羅拉多州古老優美的柱松森林,則因為小蠹蟲的大舉入侵而枯竭。林火應該是可以避免這些情況的。


可惜的是,我們難以得知要移除多少燃料來降低超級森林大火發生的機率,以及要如何達成這個目標才是最理想的,例如該在何時強制引發火災、清除燃料呢?要解決這些問題,政策制訂者、土地管理者、消防機構需要適當的工具來測試該採取哪些行動。過去五年來,研究人員大大改進了電腦模式,這些模式現在可以捕捉林火動向,並提供消防隊員判斷處理火勢的對策。火災專家、氣象學家、電腦科學家也在研發更宏觀的模式,好找出下一週、下一個火季,以及接下來數年裡,哪些地方已經具備發生火災的條件。


預測林火的行為


模擬火勢如何在森林中燃燒,聽起來像是不可能的任務,因為必須加以考量的變數多得嚇人,包括:枯木類型、樹冠結構、地形、天候、活的植物的濕氣含量、乾草枯枝的濕氣含量(可能每小時都在變化),以及其他許多變因。而計算火勢如何擴張,則牽涉到更多變數,例如風速、坡度、每日的氣候,以及滅火方式可能帶來的影響,包括在空中傾倒阻燃劑,用推土機清除樹木草皮,闢出空無一物、林火難以穿越的防火線。


不過,能夠預測已經發生的林火如何擴散的電腦模式,已經越來越精緻了,土地管理者、消防官員靠著這些模式的輔助做決策,可以保護許多消防隊員、地方民眾的性命,同時也可找出哪些火災是無可避免的,而省下不必要的花費。2006年,一些新的模擬系統首度登場,提供該在何處部署消防隊員及設備的資訊。而今年,這些系統的使用更普及,目前為止已經在弗羅里達、喬治亞、加州早春的森林火災中發揮作用。


技術上來說,「模式」一詞指的是一組演算法,可描述火災的單一物理特徵,例如火焰的蔓延速率。程式設計師結合這些模式,創造出一個火災模式系統,供土地管理者或火災風險分析師在電腦上執行這些程式,以獲得預測資料。一般生活用語將這些系統直接稱做模式,本文中「模式」也依循這樣的慣例。


1976年,研究森林火災附近地表的林火行為分析師,開始使用列線圖來預測火災強度、擴散速率及方向。這些預測是基於該地區的燃料類型(加上濕氣含量)、風速和坡度(火勢在坡面移動的速度遠比平面要快)。這些分析師在大張的地形圖上以向量繪製出結果,方便消防人員理解。儘管專家的判斷、手動的計算仍然會在這行業中繼續使用,但是電腦軟體已經迅速崛起。


作者之一芬尼設計的火災地區模擬器(FARSITE),需要的也是類似的資料,但它也能同時計算火勢會往哪個方向擴散、擴散的速度有多快。任何一位林火行為分析師都可以在筆記型電腦上輸入林火目前的位置,以及燃料、地形、天氣預報等資料,然後FARSITE就會製作等高線圖,呈現大火在未來一到三天內的走向,幫助火災處理人員判斷出最安全、最有效的滅火策略。


然而,大型森林火災經常燃燒好多天,因此消防人員和機具的調度判斷,得仰賴更長時間的預測模式。另一個模式「火災擴散機率」(FSPro)就是芬尼為了應付這樣的狀況而設計出來的。2006年,他原本只想用少數幾場火災來做基本測試,但是當季發生的火災次數超出預期,最後芬尼應火災處理人員的要求,分析了超過70場火災。這個電腦模式可計算FARSITE的模擬上千萬次,每一次都根據過去的氣象資料,套用不同的天氣變化順序,進而推算出火勢會往哪個方向延燒的機率,最久的預測可多達30天。


知道一場火災侵襲鄰近社區的機率是20%還是80%,可以指引消防隊員如何救火,以及判斷是否應該疏散居民。基本上,對於火勢將往哪個方向蔓延、蔓延的速度有多快,以及大火的溫度會有多高,FSPro都能準確預測。很多相關人員都覺得這個電腦模式十分有用,但是也有一些人表示,這個模式傾向於導出比實際情況嚴重的預測。


因為FSPro要模擬成千上萬種狀況,而個人電腦無法處理這樣龐大的運算,所以從2006年一整年到2007年春天,都是由美國林務署督導的研究機構,位在蒙大拿州密蘇拉的火災科學實驗室來做運算,再將危險度預測圖寄給在第一線的消防官。不過今年5月,FSPro已經上線,獲得授權的火災分析師可以在網站上輸入資料,直接看預測結果。


隨著研究人員繼續修正一些基礎物理模式,FSPro未來會更準確。比方說,研究人員目前研發的模式只適用於樹冠火──這種火會橫掃整座森林的樹冠層,而非沿著地表燃燒。對於地表火如何瞬間轉變成樹冠火,目前所知仍然有限。因為這種轉變可以在短短幾分鐘內發生,將消防隊員困在林火之下,難以逃脫,十分危險。如果能夠模擬這兩種林火之間轉變的時間點,將有助於消防人員知道能在何時、何處有效進行滅火。


隨著研究人員繼續修正一些基礎物理模式,FSPro未來會更準確。比方說,研究人員目前研發的模式只適用於樹冠火──這種火會橫掃整座森林的樹冠層,而非沿著地表燃燒。對於地表火如何瞬間轉變成樹冠火,目前所知仍然有限。因為這種轉變可以在短短幾分鐘內發生,將消防隊員困在林火之下,難以逃脫,十分危險。如果能夠模擬這兩種林火之間轉變的時間點,將有助於消防人員知道能在何時、何處有效進行滅火。


預測下一場森林火災的地點


撲滅火災最好的方法,是消防隊員在火苗一燃起時就盡快趕到現場。而這樣快速的反應,則需要火災處理人員對於下一場火災可能在哪裡發生有更清楚的概念,以便提早調度消防人員,同時警告大眾,不要在這些高危險地區不慎引起火災。


能夠預測特定森林或草地在接下來數天或數週火災發生機率的模式,主要是依據環境中燃料的潮濕度。草地、針葉樹落葉的濕度通常每天隨著天候變化,但是綠葉、樹幹的濕度變化,則要經過好幾個星期或好幾個月。


美國的科學家最早是從1916年開始預測火災發生的風險,但當時主要是根據口耳相傳的說法,以及資深林火行為分析師的意見。1972年,數學模式首度引進美國國家林火危險度預測系統(National Fire Danger Rating System, NFDRS),之後也持續在改進。在其他應用上,森林管理員和國家公園巡邏員也會使用這個系統,來告知大眾某一天發生火災的機率。這類資訊經常透過大家熟悉的「防火熊」(美國林務署預防森林火災的標誌)來表示火災危險性的高低。


評估下一個火災季節


無論科技如何日新月異,火災終究還是會發生。面對下一個即將來到的火災季節,最實際的問題是:某些地區是否需要更多配備,來保護自然資源與大眾安全?是否需要額外的經費來撲滅火災?是否應該雇用、訓練更多的消防隊員呢?


目前,位在愛達荷州樹城的國家跨部會協調中心「預測服務」(Predictive Services)計畫下的氣象學家、林火行為分析師,會發佈每週、每月、每季的預測地圖,顯示哪些地方發生火災的風險最高。這些地圖是根據WFAS的預測所繪,並且考量了其他難以量化的因素,譬如土壤若長時間過於乾燥,可能導致樹木含水量較低。在美國西部,如果春天十分乾燥加上雪量不足,就可能是夏天火災層出不窮的前兆,但是如果每10天都能有些降雨,火災發生的次數就會大幅減少。最後,若要準確預測下一個火災季節的可能狀況,還得有預測數個月後天氣的能力,而這幾乎是不可能的事。


每年研討會中,與會者也常常討論新資料的整合。例如在今年的會議中討論的,就是2006年魏斯特林(Anthony Westerling)在加州斯克里普斯海洋學研究所和研究夥伴一起發表的研究成果。魏斯特林的團隊彙整了美國西部從1970年至2003年間1166起森林火災,以及這些年份融雪時間點、春夏兩季溫度的資料。研討會的與會者都同意,這份研究的結論也就是,山區融雪時間的提早,是用以預測森林大火發生次數是否會超過正常標準的重要依據。


未來幾年的對策


能夠預測當季最可能發生火災地點的電腦模式,當然有許多應用層面。但是如果我們想要減少嚴重森林大火的發生、降低滅火成本、恢復火災在生態系中原本扮演的角色,專家學者必須去預測不同土地管理策略的長期影響。這些策略包括:不撲滅所有林火、強制引發林火,以及人工疏林等。


森林植被模擬器(Forest Vegetation Simulator)模擬樹木的生長、死亡、更新,是一個能預測上述長期效應的軟體。火災與燃料附件(Fire and Fuels Extension)的加裝,讓分析人員得以估算疏伐林木或強制引火,對未來森林火災嚴重程度的影響。林地虛擬系統(Stand Visualization System)則可將結果用影像顯現出來。這個套裝軟體可以比較,假使2007年後不採取任何管理措施,或是假使強制引發野火,2065年的森林火災會如何影響一座林份。科學家目前仍在改進這套軟體。


另一個評估長期效應的辦法,是考量環境中燃料可能的累積量。「火焰地圖」(FlamMap)這個模式能計算在不同天候、已知燃料結構的情況下,火勢將如何發展。火災管理者已將FlamMap套用在加州內華達山脈,幫助他們找出哪些地方可以因為疏伐林木或強制引發火災,而獲得好處。


從基礎做起


科學家、工程師、程式設計師及森林學家還在持續加強電腦模式的預測能力,我們上面所提到的只不過是其中的幾種而已。某些模式能彼此互補,有些則相互競爭。而最後,這些模式必須相互結合或是搭配,才能夠提供火災處理者最有用、最完整的視野。


這其中一部份的工作將落在所有系統的基石──基礎物理模式的改進,例如那些計算火焰長度或火勢擴散速率的系統。林火是在無限供應的氧氣和燃料下,一連串移動中的燃燒反應;燃料又因顆粒大小、緊密度、濕度、空間分佈而有無限多的組合;天候的影響又屬於連續性變化。以至於即使是量化這些變數的最佳辦法,也都必須簡化假設,研究人員因此朝向從其他領域來解決這個問題。一種比較被看好的方法,來自計算流體力學這個領域。這種方法可以模擬燃燒動力學、化學物質和熱能的轉移,完全適合用於建立火災的模式。不過,這項技術需要龐大的電腦運算能力。


要改進模式、建立模式在科學上的可信度,也必須在火災發生後,比較預測結果與實際觀察結果的吻合程度。但是消防隊員和研究人員很難取得正確的火場測量值,所以使得比對準確度這件事本身就是一項挑戰。當我們有能力掌握森林火災中飄忽不定的層面,例如地表火到樹冠火的轉變,或是辨識那些由大火餘燼點燃的火災時,模式的準確度自然也會提高。


無論如何,經歷數十年緩慢的進展,火災模式的建立終於在近五年間快速成長。也許再過幾年,所有模式將可化零為整,幫助分析人員、土地管理者預測火災發生的可能性,並提供政策制訂者建言,將火災的危險降到最低,同時也讓大自然以原有的方式運作。


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