野火模型的历史

火灾模型的起源是什么？今天到底是谁在经营火灾模型呢？为什么火灾模型没有天气模型那么有影响力，他们能做到吗？

‍火灾模型诞生于20世纪40年代，背景是第二次世界大战、迫在眉睫的冷战和害怕火灾的林业局。火模型的先驱是一位名叫华莱士·方斯(Wallace Fons)的机械工程师，他建造了风洞和婴儿床火来研究火的行为和特性。

Fons指出，火是通过将邻近的燃料颗粒相继加热到点火温度来传播的。他推断，火的蔓延速度在很大程度上取决于火点燃一种燃料需要多长时间，以及燃料颗粒之间的距离有多远。

1946年，Fons发表了第一个野火蔓延的数学模型，该模型将能量守恒方程应用于暴露在火灾中的均匀燃料床，发现火势蔓延速度与燃料床温度呈对数关系。尽管该模型存在缺陷(它将辐射的贡献线性化，即忽略了辐射传热方程中温度的四次方)，但通过松针实验进行了验证。

就像当时美国其他大多数有成就的火灾科学家一样，丰斯为林业局工作-林业局曾经是美国农业部(USDA)的一部分，现在也是美国农业部(USDA)的一部分。自1905年成立以来，林业局基本上已经成为霸主，并发动了一场有据可查的“火灾战争”。林务局控制着火灾科学，唯一的目标是抑制野火；这个目标是否也是第一个火灾模型背后的动机尚不完全清楚，但它无疑在该机构决定使用FONS的过程中发挥了作用。火灾模型的诞生恰逢第二次世界大战结束，在这一点上，火灾研究的重点已经从压制火灾转向将其武器化。战后，当局确信下一场战争也将是一场火战，原因很容易理解。日本向美国发射了携带炸弹的氢气球(称为FuGo，或“火球”)，试图引发野火。虽然这次发射在很大程度上是不成功的，但这是世界上见过的最远距离的攻击。然后是火暴-炸弹引发的大规模大火，产生了飓风级别的大风。在盟军轰炸德累斯顿、汉堡和东京之后，意想不到的大火席卷了这些城市。广岛的原子弹袭击又产生了一场大火，摧毁了超过4平方英里的土地。认识到了解火灾的必要性，联邦政府开始在多学科火灾研究和大规模实地实验上投入巨资-并在冷战的大部分时间里继续这样做。林业局开始积极参与核爆炸试验，雇佣了全国最优秀的火灾科学家。虽然美国直到20世纪60年代才发布另一个主要的火灾模型，但受战争启发的火灾研究揭示了有关火灾的基本知识，这些知识构成了未来火灾模型的基础。冯斯本人一直在林业局工作，直到1963年去世，他参与了几个机密实验，研究爆炸引发的火灾对森林和其他材料的影响。其中一项实验是“偷猎者行动”(Operation Tumbler-Snapper)的一部分，目的是探索树木是否能提供免受核爆炸的安全保障。为了测量树木在冲击波作用下如何弯曲或折断，丰斯在一辆特殊装备的卡车床上以固定的速度驾驶树木四处走动。林业局将这项工作扩展到研究爆炸对他们在内华达州建立的一片人工松林的影响。这个实验的一段视频(大约32：05)显示了几个人似乎都能单独举起整棵树……直到你在视频后面注意到角落里的起重机。

无论如何，第一个火灾模型显然也是国防的资产；1961年，当时的副总统林登·约翰逊(Lyndon Johnson)向冯斯颁发了美国农业部高级服务奖(USDA Superior Service Award)，以表彰他“对森林火灾研究和国防做出的显著开创性贡献，包括建立核爆炸对森林和其他自然覆盖物的热和爆炸效应”。在此期间，林业局的其他一些与火灾有关的倡议没有那么有成效。例如，他们在1953年发起了天火计划，目的是通过改变天气来防止火灾。具体地说，研究人员试图用碘化银播撒雷暴来抑制闪电。在20世纪60年代和70年代，几个国家发布了新的火灾模型，美国、澳大利亚、俄罗斯和加拿大领导了这些努力。与Fons的模型一样，许多较新的模型都是基于流体力学、燃烧和传热定律的物理模型。然而，澳大利亚和俄罗斯也发布了第一个经验模型(McArthur，1966)和半经验模型(Molchenov，1957)。这一波新的冷杉

桑德林和桑德森最先将惠更斯原理应用于火灾模拟。他们在1975年发表的计算机化的“径向火灾传播模型”，使用三维风场和网格燃料和地形地貌预测了火灾的增长。不久之后，1982年，密苏拉火灾科学实验室的哈尔·安德森(Hal Anderson)将惠更斯原理应用于一场试验火灾的周边数据。时至今日，惠更斯原理是传播火的两种最常用的方法之一(另一种方法是基于与相邻细胞的直接接触或接近来传播火)。当消防模特卷土重来的时候，林业局却在吃卑微的馅饼。其他联邦机构已经厌倦了林业局对火灾科学的垄断，急于实施他们自己的政策。国家公园管理局、内政部和国家科学基金会都参与了火灾研究。与此同时，自二战结束以来一直源源不断地流入国防部的林业局资金开始枯竭。随着火灾研究的这种转变，人们对规定的焚烧(设置故意火灾)的态度出现了转折点，自20世纪40年代以来，这已经逐渐重新成为一种森林管理战略。野火曾经被视为对生命和宝贵的森林资源的威胁，现在越来越多地被认为是地球系统的重要组成部分。随着这场由资金推动的火灾研究狂潮接近尾声，许多关于火灾物理和化学的问题都没有得到解决。尽管如此，在接下来的几十年里，即将到来的计算机时代极大地推动了火灾模型的发展。在计算机出现之前，人们使用物理地图、诺模图、传播率计算以及坡度和风效应的矢量来预测火灾增长。随着计算机的出现，出现了计算机化的火灾模拟模型，它将现有的前向火势蔓延的一维点状模型转换为二维平面模型，在整个火场范围内传播。1984年，林业局发布了第一个野地火灾行为预测程序-名为Behavior。BEBECT以Rothermel方程为基础，最初在TI-59计算器上编程。然而，缺乏燃料和地形数据严重限制了早期火灾蔓延软件。在20世纪90年代，遥感能力、地理信息系统(GIS)和更强大的计算能力重新唤起了人们对火灾行为建模的兴趣。将Behavior等火灾建模软件包与GIS集成，将景观数据引入火灾模拟。在90年代和早期，研究人员发布了几个新的基于GIS的火灾模拟器。美国著名的例子包括Dynafire(1991)、Firemap(1992)、Farsite(1993)、Burn(1994)和Embyr(2000)。除了Embyr，这些模型中的每一个都是基于Rothermel方程的。1996年，加西亚·维加(Garcia Vega)和其他林业局研究人员发表了机器学习在野火建模中的第一个应用。他们使用人工神经网络，根据历史野火数据进行训练和测试，预测加拿大艾伯塔省人为引发的野火。使用天气指数、区域大小和地区作为输入数据，他们的模型正确地预测了哪里85%的时间不会发生火灾，哪里78%的时间会发生火灾。也是在1996年，美国国家科学基金会研究员特里·克拉克(Terry Clark)展示了火灾蔓延模型可以与数值大气模型相结合。这种耦合使得火可以与大气相互作用，并在模拟中“创造自己的天气”，就像在现实世界中所做的那样。大气湿度、温度、风速和风向影响火灾环境，而火灾产生的烟雾、热通量和水汽通量影响大气。克拉克的模型--CAWFE--引入了新一代火灾-大气耦合模型，它们主要分为两个阵营之一。第一个阵营，以CAWFE和WRF-Sfire为例，将简化的经验火灾蔓延模式与3D数值天气预报模式(分辨率为数百米或更高)配对。

火灾-大气耦合模型的第二阵营包括荒地-城市界面火灾动态模拟器(WFDS)和HIGRAD/FIRETEC等模型。这些程序将火灾模型与计算流体力学(CFD)模型配对，在相对较小的区域内模拟非常高分辨率(单米)的湍流气流。这让你对美国火灾模型的历史有了很大的了解，但是今天这个领域处于什么位置呢？

在这最后一节中，我将讨论今天关于火灾建模的一些最有趣的问题。

剧透提醒：不是消防员。美国通过事故指挥系统管理野火应对，这是一个跨部门的努力，是在20世纪70年代摧毁加州野火后建立的。在这个制度下，

在实施更多规定燃烧的地区，联邦政府并没有领导这一努力；严重的野火正越来越多地迫使联邦机构将更多的资源投入到灭火上。在过去的五年里，印度事务局是唯一一个将其灭火预算的25%以上用于规定焚烧的联邦机构，也是唯一一个大幅增加规定焚烧活动的联邦机构。在处方焚烧增加最多的东南部，70%的烧伤是由非联邦组织领导的。更糟糕的是，由于新冠肺炎的原因，许多州在2020年取消了计划中的处方燃烧，因为有充分理由担心空气质量下降可能会加剧疫情。因此，虽然规定的燃烧可以提高火灾科学，进而可以改进火灾模型，但我们并没有完全走在实现这一目标的正确轨道上。

火灾模型和火灾一样，不是在真空中发展起来的。就像自然景观一样，美国的政治景观塑造了美国人处理野火的方式-并树立了野火的榜样。

40年代和50年代见证了火灾模型的诞生和对火灾科学的战争驱动的改进。随着冷战的肆虐，六七十年代见证了新的消防模式的蓬勃发展。80年代和90年代带来了火灾模拟器，将这些一维模型提升到了二维。本世纪头十年带来了耦合的火灾-大气模型，速度越来越快的计算机，以及新的人工智能工具。‍我们现在需要的是更好地科学把握大规模的荒野火灾，以及更多的处方燃烧来帮助我们实现这一目标。

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