看看科学家、消防员和急救人员如何使用先进的计算机模型来更好地绘制、跟踪和预测野火的移动

这场野火烧毁了距离蒙大拿州马丁城仅几英里远的松树，就在冰川国家公园外。它正在稳步增长，但消防经理有理由认为，一英里宽的饥饿马水库将起到缓冲作用，保护小镇。尽管如此，他们还是派出了一组响应人员前往另一边，以防万一。

很快，一场雷雨加强了风力，火苗飞过湖的北端，引发了新的大火。消防员立即做出反应，在疫情蔓延到该镇之前保护营地和房屋。

在大火之前派遣一支队伍穿过水库的决定不只是一个幸运的猜测。软件帮助救援人员看到了强风可能会蔓延火势。然后，当这些条件生效时，他们就准备好了。财产、树木和最重要的是生命都得救了。

美国林业局研究员马克·芬尼(Mark Finney)利用他在1992年编写的火灾预测程序Farsite分析了2003年饥饿马附近大火的预测，该程序至今仍在使用。这款软件不会把火力分析师变成算命人--芬尼说，他不确定火势会不会跳出湖面--但它能让他们为可能的情况做好准备。

他表示：这并不是预测会发生这种情况。这是一个展示了可能发生的事情的场景。

自从计算机出现以来，程序员一直在使用软件分析野地火灾，并最终预测它们下一步可能蔓延到哪里。但在更大的黑脚湖综合体火灾(BlackFoot Lake Complex Fire)的一部分-饥饿马火灾发生后，政府机构和私人公司为火灾应对小组编写的软件程序变得更加高效和精确。研究人员现在正在创建更准确地预测火灾运动的系统，有时是未来几天，而计算实验室正在简化有关火灾的关键信息实时共享的方式。然后，第一反应人员可以在几分钟内调整他们的预测，而不是几个小时，给消防员更多的时间来应对大火并阻止其蔓延。

这些改进是必要的，因为美国西部、加拿大和澳大利亚等地的火季正在变得更长、更具破坏性。这个问题在8月份的北加州很明显，当时一周内近12000次闪电引发了该州历史上第二和第三大火灾。当救援人员处理城镇附近和农村社区仍在燃烧的几个火灾综合体时，他们正依赖快速增长的消防科学领域和软件编程的进步来应对挑战。

在加州纳帕县的一个大本营里，在路易斯安那州立大学闪电综合体火灾外，火灾行为分析师罗伯特·克拉克说，他正在使用三个不同的程序进行预测，这些程序有助于预测火灾下一步会发生什么。这场始于8月17日的大火席卷了该州葡萄酒之乡和红杉森林的五个县，已经烧毁了超过375,000英亩的土地。虽然没有一个程序可以提供完美的预测，但该软件让克拉克这样的专家对可能发生的事情有了一个想法。其中一个程序Wildfire Analyst来自西班牙软件制造商Technosylva。该公司今年早些时候开始与加州合作，旨在清理克拉克等分析师可获得的混乱信息。

Technosylva创始人华金·拉米雷斯(Joaquin Ramirez)表示，你必须能够提供准确数量的有意义的信息。

2020年的火灾是当地和世界各地一系列史无前例的大火中最新的一起。在加利福尼亚州，他们关注的是2018年的营地大火，这是该州历史上最致命、最具破坏性的一次火灾，烧毁了153,336英亩的土地，摧毁了内华达山脉山麓的天堂小镇。至少85人死亡，150英里外旧金山湾区的数百万人被迫就地避难，以避免危险水平的空气污染。在澳大利亚，2019年和2020年的破坏性野火季节烧毁了4630万英亩的房屋和企业，造成35人死亡。估计也有10亿只动物死亡，这让科学家们担心一些脆弱的物种，比如袋鼠岛的矮袋鼠正处于灭绝的边缘。

澳大利亚政府研究机构联邦科学与工业研究组织(Federal Science And Industrial Research Organization)的火灾研究团队负责人安德鲁·沙利文(Andrew Sullivan)表示，模拟大规模火灾的工作并非易事。

他说：我们正在努力理解任何人都可能经历的最复杂的自然现象之一。

沙利文说，人们更多地生活在容易着火的地方。但是气候的变化使更多的地区暴露在火灾的可能性之下。

气候变化和火灾现在陷入了反馈循环。不断上升的全球气温使火灾更有可能发生，因为它们延长了旱季，并创造了更干燥的植物生命，更有可能在炎热的天气中燃烧。大火反过来会向大气中释放更多的二氧化碳，并将碳中和树从环境中移除。

软件不能阻止这两个因素中的任何一个，但它可以使消防人员更灵活，并帮助减轻损害。

人类在20世纪初开始尝试使用模拟工具对活跃的野火进行建模。无线电、纸质地图和数据表格引导着火警救援人员，包括我自己的祖父。

1947年，18岁的威尔伯在蒙大拿州库特奈国家森林的一座瞭望塔里找到了一份工作。他的职责是报告在下面的荒地山谷引发的任何火灾，那里距离近60年后黑脚湖综合体大火燃烧的地方不远。

塔楼里的青少年不再是火情情报的高度，现在火情情报来自无人机、卫星和红外摄像头。但是，要创造出比火还快的软件，需要大量的实验和计算能力的改进。

在大型机和穿孔卡片的时代，研究人员运行用早期编程语言Fortran IV编写的火灾建模软件，并将火灾以一维直线向前传播。研究人员只能在火灾发生后才能看到他们的算法是否正确，而且在火灾仍在进行的时候，几乎没有机会预测火灾可能会如何移动。

很快，速度更快的超级计算机显示了实时模拟火灾的潜力。但是，这些房间大小、专业和昂贵的机器在全国各地的消防机构的办公室里是买不到的。火灾建模软件必须在典型的政府预算PC的限制下工作。所以程序员想出了解决办法。

首先，他们研究了科学家们已经知道会影响火灾行为的因素：天气、风速、该地区的植物种类(或燃料类型)以及燃料的干燥程度。然后，在分析了这些信息后，他们创建了表格，以显示火灾蔓延的速度。下一步是拍摄火的一维运动，这只能给出火的方向的感觉，并将其转换成二维地图，以显示在接下来的几个小时或几天内火势将如何增长。

沙利文说，这需要一点微妙的几何学知识。他说，程序员登陆的是一种粗略地近似火界的方法。

他们需要一个简单的规则来计算火力是如何向周边蔓延的。因此，他们从另一个科学领域借用了一个公式：波浪的运动。它碰巧足够准确，可以预测野火，但也足够简单，不会使火灾响应中心的计算机崩溃。

使用波浪作为火的替身是有一定意义的，如果你想象一个火的周长脉冲式地向前冲进周围的风景，就像波浪从掉进池塘的石头里荡漾出来一样。可以肯定的是，火是由与波浪非常不同的物理过程控制的，但它只是一个近似值。最重要的是，在20世纪90年代，这些程序足够小，足够灵活，可以在普通PC上运行。

火灾科学家目前正在研究基于计算流体力学原理预测火灾蔓延的程序。这一物理学领域着眼于大气力如何在分子水平上相互作用，在环境中传递热量和物理物质的同时相互推动。与波浪不同的是，这些是真正的物理力量，能让火燃烧、生长和移动。

但是，由于运行这些基于物理的程序需要强大的计算能力，它们还没有准备好进入黄金时间。因此，火灾科学家们一直在寻找新的编程技术，以从Farsite或相当于澳大利亚的Phoenix RapidFire等程序中获得更快、更准确的预测。例如，现在视频和红外图像可以实时流传输，程序员可以更快地将火灾数据输入软件，而不是以前必须通过存储卡或胶卷传输数据。有了更好的计算能力，个人电脑现在可以运行更复杂、更灵活的软件。

在位于堪培拉郊外黑山自然保护区的沙利文研究机构，计算机科学家已经建立了一个旨在比凤凰速火更具适应性和精确度的程序。为消防人员个人电脑开发的Spark程序使得更改不同类型的数据(包括燃料类型)变得更容易。沙利文说，这一点至关重要，因为就像所有的野火一样，澳大利亚的大火表现得非常不同，这取决于燃烧的是什么，无论是桉树林(树内的油非常易燃)还是更灌木的灌木丛。

斯帕克让科学家们对火圈的移动方式有了新的理解。例如，它可以更准确地描绘当卷曲的、干燥的桉树树皮变成灰烬时，火的边缘将如何移动，在大火发生前18英里以上吹起，以引发新的火灾。沙利文说，这些遥远的余烬是最常将房屋置于危险之中的。

野火的传播速度之快令人难以置信--2018年的野营大火一度每秒蔓延到相当于一个足球场的地方--因此，计算机能够快速分析关于大火的所有数据也是至关重要的。圣地亚哥Wifire实验室的火灾科学家正在开发一种程序，该程序可以消化火灾位置的实时信息，以及天气状况和其他数据。该程序由圣地亚哥大学超级计算机中心与加州大学圣地亚哥分校合作运行，可以将这些信息输入Farsite或任何其他火灾建模程序。

Wifire创始人兼主任Ilkay Altintas说，它最终可能会将数据输入到超级计算机正在运行的基于物理的程序中。

当谈到消防造型时，我不认为一刀切，阿尔廷塔斯说。她补充说，使用各种不同的程序可以帮助我们使用正确的程序来解决正确的问题。

Wifire消化信息的速度有两个方面的帮助。首先，数据的快速传递使火灾建模程序能够做出更精确的预测，根据实时数据在几分钟内创建新的模型。其次，Wifire的程序创建了一个反馈循环，将火灾建模软件预测的火灾移动方式与实际发生的情况进行比较。然后，程序可以更新底层的建模算法，使其更好地预测这场特定的火灾将如何表现--所有这些都是在火灾仍在燃烧的情况下进行的。

这引起了加州消防部门的兴趣，包括奥兰治县消防局，该局与Wifire实验室合作，从飞机上拍摄野火的红外图像，并将数据输入Wifire系统。

尽管它的名字叫Wifire，但它并不仅仅是为了大火。Altintas说，目标是将其用于其他灾难，如绘制洪水蔓延图，或火灾中烟雾羽流的扩散图。