互动科普

预测森林大火

撰文   帕特里夏·安德鲁斯（Patricia Andrews）

          马克·芬尼（Mark Finney）

          马克·菲谢蒂（Mark Fischetti）

翻译   郭凯声

审校   唐守正

毁灭性的天然森林火灾愈演愈烈。过去十年中，美国就有八年遇上了此类大火，每年花在灭火上的费用超过了十亿美元。2005年，被烧毁的森林面积创下历史纪录，达到860万英亩（约3.5万平方千米），2006年纪录再次刷新，l,000万英亩（约4万平方千米）的森林在冲天大火中化为灰烬。今年年初，火灾就来势汹汹，着实令人望而生畏。

美国的天然森林大火与日俱增，很大程度上是由于过量可燃物（特别是枯木和矮树丛）日积月累所致。而森林中积聚的可燃物之所以有增无减，是美国林务局等国土管理部门数十年来奉行“见火即灭”的政策惹的祸。森林火灾一旦发生，不论大小，通通都要尽快扑灭。然而，森林火灾并非一无是处。它们有时可以烧掉大量枯枝残叶，防止可燃物堆积。否则，大规模火灾就有取之不尽的燃料来源，导致大火一发就不可收拾。不过，即使没有这项“见火即灭”的规定，许多情况下，消防人员也会立即出动，决不敢任森林大火自生自灭。因为现在兴建住宅的热潮已经扩张到偏远地带，而这些住宅是需要保护的。还有一个问题：近年来，春季积雪融化的时间不断提前，每年，森林失去积雪保护而暴露在外的时间越来越长，相应地，易发生火灾的干燥期也就越来越长。

显然，我们有必要对一部分天然火灾放任不管，甚至还可以故意制造一些火灾，以此减少森林大火的燃料来源。其实，对于维持健全的生态系统，火也很重要：植物进化就是一个“与火共舞” 的过程，并形成了对火的依存关系。不幸的是，森林火灾越来越大，越来越猛，已经超出正常范围而走向极端。那些数千年来一直离不开火的生态系统，也随之变得日益脆弱，极易遭受病虫害侵袭，面临灭顶之灾。美国亚利桑那沙漠上的许多“蓝天绿岛”—— 生长在沙漠高地上的一片片小面积森林——就快消失殆尽了；科罗拉多州那些引人入胜的古老扭叶松林，也惨遭小蠹虫的毒手。原本森林起火是有助于抑制这类害虫蔓延成灾的。

遗憾的是，我们不清楚需要除掉多少森林易燃物，才能降低特大火灾爆发的可能性，也不知道怎样才能最有效地去除这些易燃物。什么时候我们能故意放火烧掉那些可燃物？什么时候消防员应该任由山火自生自灭？对于那些确实需要扑灭的大火，哪种是最佳的灭火方法？要解决这些问题，政府决策者、土地管理部门和消防机构需要某些工具来检验各种方案。过去五年中，相关的计算机模型已经获得了显著改进，让我们能够更准确地摸清火灾规律，也设计出更多对付火灾的招数，为消防员提供了帮助。灭火专家、气象学家和计算机科学家也在打造大规模的火灾模型，这类模型能够预测下一周、下一个林火多发季节乃至今后几年中，哪些地带的森林最有可能发生火灾。

模拟火灾技术的发展

乍看起来，要模拟大火如何烧过一片森林，几乎是天方夜谭。要实现这种模拟，需要考虑的因素多得令人望而生畏：枯木的种类、树枝的结构、地形、天气、活树叶的含水量、枯草和枯枝的含水量（这个参数可能每小时都在变），还有其他许多变数。而要阻止一场火灾蔓延，需要考虑的因素就更多了，诸如风速、地面坡度、每日气候以及各种灭火方式（包括从空中投下阻燃剂，以及用推土机夷平土地形成林火难以烧过的隔火带）各自会有什么作用等，都是要考虑的。

目前，预测已经爆发的森林大火将如何蔓延的计算机模型正趋于成熟。它有助于国土管理部门和消防队负责人在面对事关消防人员和当地居民生命安危时，作出正确决策，并减少与大火搏斗时付出的代价。2006年，在如何部署消防人员及其设备的问题上，这类新型模拟系统首次发挥了作用；2007年，在美国佛罗里达州、佐治亚州和加利福尼亚州等地，这些系统得到了广泛应用。在火灾多发季节，它们帮助消防部门及时扑灭了多起森林大火。

严格来说，所谓模型，是用来描述火灾单项物理特性（例如火苗蔓延速度）的一组算法。程序设计人员把若干模型整合起来，便可得到一套火灾的模拟系统。国土管理部门或火灾风险分析人员在电脑上运行这些系统，就可获得关于火灾的预测以及显示火灾态势的地图。不过，后来人们也把这些系统称为“模型”，而本文所说的模型指的就是这类系统。

从1976年起，火灾态势分析人员就开始利用一种被称为“诺模图” 的图表，预测火灾的强度及蔓延速度和方向。这些预测所依据的资料，包括火灾地区易燃物的种类及其含水量、风速以及山坡的陡斜度（火灾沿着山坡向上烧的速度比平地上快得多）。在一幅巨大的地形图上，分析人员把预测结果用矢量标示出来，供灭火人员观看。今后，专家的判断和手工计算方法仍将在火灾现场发挥作用，但层出不穷的电脑软件也开始在这一领域崭露头角。

本文作者之一马克·芬尼开发的FARSITE火灾现场模拟系统，通过类似的输入数据进行预测。它还可以计算出火灾可能朝哪个方向蔓延、蔓延的速度有多快。火灾态势分析人员只要把火灾当前的位置以及有关易燃物、地形和天气预报等资料输入手提电脑，便能预测火灾在今后一到三天内如何发展。这些信息有助于灭火主管人员确定何种灭火策略是最安全、最有效的。

然而，大规模的火灾往往会持续燃烧许多天。在这种情况下，要确定如何部署消防人员和灭火设备，就需要进行长期预测了。为此，芬尼设计了另一款程序——FSPro（fire spread probabilities的缩写，即火灾蔓延概率预测程序）。他原本打算在2006年选择几场火灾来试验一下这个程序，没想到当年的火灾实在太多，消防主管不得不在70多场火灾中求助于FSPro。该模型把FARSITE模拟运行数千次，每次模拟中所用的天气变化趋势预报都不同（这些预报是根据火灾发生区的历史气象资料作出的），由此计算出火灾朝某处蔓延的概率。预测时期可以长达30天。确定火灾是否有可能烧到某一居民点（比如说是有20%还是有80%的可能性烧到此处），将会影响消防人员如何行动、确定是否需要疏散居民等。总的来说，FSPro比较准确地预测出了火灾蔓延的方向、火灾推进的速度以及燃烧的猛烈程度等。许多灭火主管觉得这个模型对他们的帮助非常大，不过也有些主管说，该模型所预报的火灾蔓延范围比大火真正烧到的范围要大。

FSPro运行时需要对数千种不同情况进行模拟，个人电脑显然无法满足如此海量的数据处理要求。在2006年全年及2007年春季，设在美国蒙大拿州密苏拉市的美国林务局火灾科学实验室运行FSPro，消防部门将此模型生成的等值线地图发送给灭火现场的消防指挥员。到2007年5月，FSPro就可以在线操作了，获得核准的火灾分析人员可以在网上直接输入数据，并观察该模型生成的地图。

随着研究人员不断改进基础物理模型，FSPro的效率也在逐步提高。现在，专家们已着手建立起可靠的树冠火模型，这类火不是沿着地面燃烧，而是沿着森林的树冠层蔓延。地表火可以在几分钟之内变成树冠火，这是非常危险的，因为它可能使消防人员措手不及，被熊熊烈火困住，很难找到逃生之路。然而，对于地表火如何突然转变成树冠火，目前我们了解得还很少。如果我们能够更准确地模拟这两类林火之间的突变点，将帮助消防人员把握时机，采取有效行动。

预报下周和下月火情

如果火灾刚一露头，消防人员就予以迎头痛击，扑灭火灾就胜券在握了。而如果能事先以较高的准确度确定下几次火灾可能在何处发生，消防主管人员就能防患于未然，在火灾发生前适当进行人员部署，同时提醒公众格外小心，不要在这些火灾高危区意外引发林火。

预报今后一周内，某片森林或草地发生火灾的可能性，现有的预测模型主要是着眼于考察易燃物的潮湿程度。每天，野草和针叶落叶层的含水量都会随天气的变化而改变，但大段树木和活树叶的含水量变化就比较缓慢了，往往要数周或数月才有明显的改变。

早在1916年，美国科学家就开始预测火灾，当时依靠的主要是一些没有经过证实的数据，以及火灾态势分析人员的判断。1972年，在相关数学模型的基础上，“全国火灾危险评估系统”（National Fire Danger Rating System，缩写为NFDRS）破茧而出，并不断改进。这些火灾危险评估数据，可以预测某一天中发生火灾的危险性有多大，并提醒公众注意。它通过人们熟悉的“防火熊”标志来发布，该标志把火灾危险分为5个等级，l级最低，5级最高。（防火熊，Smokey Bear，源于1950年一场森林大火中幸存下来的一只小黑熊，现已成为美国家喻户晓的卡通人物，是美国林业协会的防火宣传标志，其形象在美国各地随处可见。）

现在，NFDRS作出的火灾危险评估结果，是在WFAS系统（Wildland Fire Assessment System，野外火灾评估系统）中以地图的形式显示出来的火险等级。WFAS是本文作者之一安德鲁斯和密苏拉火灾实验室的同事们开发出来的一个系统。每天，它都会自动从遍布美国各地的1,800多个定点火灾监测气象站获取相关信息。这些气象站负责记录与火灾危险有密切关系的气象数据，如湿度和风速等。根据这些信息，WFAS计算出火灾危险指数，并绘出美国各个地区的火灾风险彩色等值线地图。

如果某地的火灾风险指数极高， 那么国土管理部门或地方官员会采取非常措施来降低风险，比如禁止公众进入某片林区或禁止商店出售烟火等。地方消防指挥员则根据WAFS地图来作出相关决策，例如把消防人员部署到何处，是否要让他们在周末加班，以便随时能够对新爆发的火情作出反应等。今年4月，佛罗里达州北部森林火险指数超高，加利福尼亚州一架灭火飞机被紧急调来支援。几天后，佛罗里达州果真火光冲天，这架飞机为扑灭大火立了大功（见第44页图）。

消防车在街上呼啸，消防人员全副武装，这场面的花费可不少。而且，虽然大家口头上都声称支持防火措施，但真宣布某片森林为禁区，那些热衷于到森林打猎、钓鱼或度假的人，还不黯然神伤？当地商业收入也会暂时受到影响。正因如此，现在，研究人员正尝试改进WFAS的预报精确度，以减轻预报不准带来的不良后果。其中一项工作与提供气象资料的火灾监测气象站有关。这些火灾监测气象站在美国全国各地的分布极不平衡，使得在某些地区绘制出来的火灾预报地图比较准确，而其他一些地区却与实际情况相去甚远。今年，WFAS系统将开始下载美国国家海洋与大气管理局（NOAA）下属的国家气象局天气预报站（通常设在机场）提供的最新气象资料，同时，NOAA自己开发的天气预报模型也可供参考。凭借这些资料，在全美国范围内，WFAS系统能够以5英里的间距作出更加可靠的火灾危险评估。该系统还将利用卫星数据来跟踪森林植被的含水量，并且很快进行软件更新，以便利用美国国家航空航天局（NASA）的MODIS卫星（中分辨率成像光谱仪卫星）提供的信息。

评估下一季度

火灾总是难免的，尤其是每年的秋冬季节。我们要不要动用大规模的人力、物力、财力，来保护当地的自然资源和居民？投入巨额资金来灭火值得吗？我们是否有必要招聘并培训更多的消防人员？

眼下，气象学家和火灾态势分析人员正在发布每日、每周和每季度的火灾前景预测地图，展示哪些地方发生火灾的可能性最大。他们参与了美国全国跨部门协调中心（NICC，设在爱达荷州首府波伊斯市）主持的“预报工程”（Predictive Services Program）。地图依赖于WFAS系统的预测，还要考虑一些难以明确认定的因素。土壤长期焦干可能会导致树木干枯。在美国西部，干旱的春季，可能导致夏季火灾频发；反之，如果春季每隔十天左右就下一场雨，那么夏季爆发的火灾就远远少于其他年份。为了精确预测火灾高危期，我们必须能提前几个月预报天气，这在目前还无法办到。

参与预报工程的专家重点考虑的问题，是各种气候模式的潜在影响。每年1月份，这些专家举行一次火灾风险研讨会，评估美国东部、南部和西南部的火灾风险；4月初，各路专家再度聚会，评估美国西部和阿拉斯加的火灾风险。这些评估既要参考各种模型，还要考虑其他因素。例如关于旱灾的传闻资料、季节性的天气现象（如厄尔尼诺和拉尼娜现象，它们都会改变常年的风向路径），以及在一定气候条件下，以前曾发生的大规模火灾历史资料等。研讨的结果，是在一幅高火灾风险预报地图上，标示出有可能发生野外大火的地区，这些地区需要动用超出常规的人力物力资源，以应对随时会爆发的大火。2007年，美国西南部和极东南部的大片地带都被划为火灾高危区（见第45页）。

每年，参与研讨会的专家也会讨论如何整合新的资料。今年1月的研讨会上，专家们就对沃斯特林团队整理的资料进行了讨论。这是美国斯克里普斯海洋研究所的安东尼·沃斯特林（Anthony Westerling）及其同事公布的成果。他们整理了1970到2003年间美国西部发生的1,166次野外大火的相关资料，同时还收集了这些年份的融雪时间、春季和夏季气温等数据。根据这些资料，专家们认为：山区春季融雪时间提前，是预报某地将会爆发的野外大火可能多于常年的首要依据。

调整长期策略

各个季节，哪些地方最有可能爆发火灾？对这类情况的预测模型有多方面的实用价值。不过，如果美国要采取更进一步的措施来减少严重火灾、降低灭火成本、恢复火在生态系统中的天然作用，专家们就需要对各种土地管理方案的长远影响进行预测。这类方案包括放弃见火即灭的政策，有意点燃一些受控林火，以及人工间伐森林等。

森林植被模拟程序（Forest Vegetation Simulator）是一款可以演示这类长远影响的软件系统。该程序用于模拟树木的生长、死亡和再生等过程。这套模拟程序有一个“火灾与易燃物”扩展模块。借助此模块，分析人员可以确定，间伐林木或者有计划地点燃一场林火，在改变火灾的严重程度上，究竟能够起多大作用。接下来，研究人员用“森林可视化系统”（Stand Visualization System）把这些结果绘制成图像。利用这套软件，我们可以做个模拟比较分析。对于某片森林，从现在开始，我们对一部分放任不管，对另一部分则有计划地采取点燃林火的方针。这套软件能模拟出在2065年，大火爆发将对这片森林产生何种不同的影响。目前这些程序还在不断进行改进。

考虑易燃物的积聚情况，是评估长远影响的另一条途径。利用“火焰地图” （FlamMap）这一模型，基于现有的易燃物结构，在不同的气候条件下，我们可以模拟出一场大火如何烧过一片地区。消防主管部门已把此模型用于加利福尼亚州的塞拉内华达山。从林木间伐和有计划地点燃林火等措施中，各个地区受益程度不同，这就决定了消防部门工作的轻重缓急，在某个地区，有计划地点燃林火是一项可行的选择方案。分析人员还可以依靠所谓BehavePlus模型来考察。在风速和易燃物含水量不同的情况下，BehavePlus能确定何种条件可以使一场有计划点燃的林火不至于烧到预定燃烧范围之外。如果易燃物湿度较大，那么风速高一些也没什么；如果易燃物比较干，那么允许的风速就必须相应降低。风将会把炽热的余烬吹到离燃烧区多远的地方？在指定燃烧范围之外，这些余烬引起一场火灾的可能性有多大？对于这些问题，这个系统都可以解决，这样就为应急安排作好了准备。

很多情况下，国土管理部门都会选择有计划地点燃林火。根据NICC的统计，单是2006年，美国就有2.4万多场“人工火灾”，烧过的面积超过270万英亩（约1.1万平方千米）。管理部门很希望获得更好的模型，能有充分把握确定人为制造林火的安全有效。为了满足他们的要求，研究人员正在进一步增强各种模型的功能。使它们能更好地预测火灾强度（热量水平）和烟雾产生量等指标（烟雾产生过多可能导致公路无法通行，还可能严重污染空气，对附近的居民点造成危害）。

加强理论基础

科学家、工程师、计算机程序设计人员以及林业专家等各方人士，一直都在努力加强预报模型的功能。本文所介绍的只是众多模型中的部分实例。某些模型彼此之间可以取长补短，而另外一些模型则是相互竞争的。归根结底，为了让消防主管部门获得最有用、最全面的模拟结果，我们必须综合运用这些模型。

现在要做的一项工作，是继续改进这些系统的支柱——基本物理模型，例如计算火焰长度和火焰扩散速度的模型。野外火灾是一场运动速度相当快的燃烧反应，它能够无限制地获取燃烧所需的氧气和燃料。在颗粒大小、密实程度、湿度以及空间分布等方面，燃料具有多种可能的组合方式。另外，天气的影响也是不断变化的。这样，即使是用来量化各种变数的最巧妙尝试，也要先作出一些使问题得以简化的假设。为攻克这一难题，研究人员正在寻求其他学科的帮助，其中很有前途的一项方案是求助于计算流体力学——这是目前正在迅速发展的新兴学科。计算流体力学非常适用于模拟火灾，它可以模拟燃烧动力学和化学特性，以及热传导过程。不过，此方法的计算量大得惊人，现有的火灾模型编程技术恐怕很难完成这样的任务。

为了改进火灾模型并使这些模型具有科学可信度，我们还需要把这些模型的模拟结果，与真实火灾的观测结果加以比较。在获取火灾现场的精确测量数据时，消防人员和研究人员所面临的危险使这一任务具有相当的难度。随着我们对野外火灾的某些最难以捉摸的过程——地表火怎样转变成树冠火、风吹起的余烬如何在火焰前锋被点燃（特大火灾尤其容易产生这种现象）等，获得更深入的认识，火灾模型也将得到改进。

数十年来，预测火灾的研究的进展一直比较缓慢，但过去五年中，在模拟火灾方面所取得的成果却层出不穷。或许再过几年，我们就可以把不同的火灾模拟程序整合成一个统一的模型。它将帮助火灾分析人员和国土管理部门预测火灾发生的几率，并就如何降低火灾风险、如何让自然界按照它内在的规律发展等问题，向决策部门提出最恰当的建议。