林火蔓延中林火-風(fēng)雙向耦合模擬研究進(jìn)展

阮江濤，李建微

（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州350108）

0 引言

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大的自然災(zāi)害，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人身安全、自然生態(tài)造成巨大的威脅[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各地每年發(fā)生約20 多萬次的森林火災(zāi)，平均受災(zāi)面積占世界森林總面積的0.1%以上[2]。2019年發(fā)生了兩場大火，吸引了全世界人民的目光，一是在有“地球之肺”之稱的亞馬孫熱帶雨林發(fā)生的大火，二是燃燒數(shù)月之久的澳大利亞大火。兩場大火造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并且造成了大量的碳排放[3-4]，對(duì)環(huán)境造成不可挽回的破壞。如今，由于氣候變暖、森林周圍居住人口的增加、環(huán)保問題的關(guān)注度提升等原因，人們對(duì)森林火災(zāi)的關(guān)注度與日俱增，加強(qiáng)林火的防災(zāi)救災(zāi)工作仍然刻不容緩。

目前，隨著科技的發(fā)展，對(duì)林火蔓延的研究不斷地往信息化、智能化、自動(dòng)化的方向深入發(fā)展，使用計(jì)算機(jī)對(duì)林火蔓延過程進(jìn)行模擬已經(jīng)成為當(dāng)下研究的主流方向。通過對(duì)林火的模擬，并結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，將林火隨時(shí)間擴(kuò)散的范圍輸出在可視化界面上，已經(jīng)成為防災(zāi)救災(zāi)決策時(shí)的一種必要輔助手段。林火蔓延模擬的準(zhǔn)確性和真實(shí)性會(huì)在很大程度上影響決策的正確性，從而提前預(yù)防、降低林火發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，以及降低林火發(fā)生后的損失。因此，研究林火蔓延的機(jī)理、改善林火蔓延的數(shù)學(xué)模型、提升蔓延模擬的準(zhǔn)確度和效率，以及提升可視化的真實(shí)感是當(dāng)前領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本文從該角度出發(fā)，討論林火和風(fēng)的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)林火-風(fēng)耦合作用對(duì)林火蔓延的重要影響，并根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析林火-風(fēng)耦合模擬在林火蔓延模擬中的優(yōu)劣，提出了對(duì)林火領(lǐng)域未來研究趨勢的看法。

1 林火蔓延機(jī)理

1.1 林火蔓延中風(fēng)的作用

林火從點(diǎn)燃到擴(kuò)散蔓延、直至最終完全熄滅，在整個(gè)過程中所表現(xiàn)出的規(guī)律和特性被稱為林火行為[5]。林火蔓延是林火行為的一種，由三類影響因子決定：可燃物（如可燃物種類、含水率及密度等）、氣象（如風(fēng)、溫度等）和地形（如坡度、坡向等）[6-7]。火燃燒和不同因子間存在相互作用，這大大增加了林火蔓延研究的復(fù)雜性[8]。

其中，風(fēng)是對(duì)森林火災(zāi)的擴(kuò)展和蔓延起決定性作用的氣象因子，它不僅決定林火蔓延速度，而且決定火蔓延的面積和方向[9-10]；風(fēng)對(duì)林火行為具有十分重要的意義，風(fēng)動(dòng)態(tài)變化的特性導(dǎo)致了林火蔓延的瞬時(shí)變化性，使得林火行為常常發(fā)生不穩(wěn)定的變化。一般來說，風(fēng)通過以下幾種途徑加速林火的蔓延：①改變火焰燃燒時(shí)的傾斜角度，使火焰更快地接觸未點(diǎn)燃的可燃物，使林火加速向未燃燒的區(qū)域蔓延；②促進(jìn)空氣和可燃物之間的水分交換，通過降低可燃物的含水量，加速可燃物的燃燒[11]；③補(bǔ)充燃燒區(qū)域內(nèi)的氧氣，從而加速林火的蔓延；④通過改變可燃物的分布，增加可燃物的密度，從而加速林火的蔓延[12-13]；⑤風(fēng)可能攜帶燃燒的余燼，在燃燒范圍外產(chǎn)生新的著火點(diǎn)，即導(dǎo)致飛火的產(chǎn)生。但與此相對(duì)的是，風(fēng)也有可能減緩林火的蔓延——破壞可燃物的連續(xù)性[14]。

1.2 林火-風(fēng)雙向耦合作用

除了風(fēng)對(duì)林火蔓延造成的單向作用外，林火在蔓延過程中也會(huì)對(duì)低層的局部風(fēng)場產(chǎn)生影響，通過熱對(duì)流的方式改變火燃燒周圍的風(fēng)場。在實(shí)際中，林火和風(fēng)之間更普遍存在是林火-風(fēng)雙向耦合作用。這并不是林火對(duì)風(fēng)的單向作用和風(fēng)對(duì)林火的單向作用的簡單疊加，而是風(fēng)對(duì)林火產(chǎn)生作用后，林火燃燒改變局部的風(fēng)速、風(fēng)向，受到林火影響后的風(fēng)又對(duì)接下來林火的蔓延造成進(jìn)一步的影響。因此，相較于風(fēng)對(duì)林火的單向作用，林火-風(fēng)雙向耦合作用會(huì)使林火產(chǎn)生更為劇烈、復(fù)雜的變化[15]。

2 林火-風(fēng)耦合模擬研究進(jìn)展

從國內(nèi)和林火相關(guān)的研究來看，林火-風(fēng)耦合方面的研究較為空白。目前大多數(shù)研究主要集中在對(duì)傳統(tǒng)林火蔓延模型及算法的改進(jìn)（如王正非林火蔓延模型、元胞自動(dòng)機(jī)算法等）[16-20]，以及三維林火蔓延模擬（如利用新的三維引擎提升模擬的真實(shí)感）[21-23]兩個(gè)研究熱點(diǎn)上，目的是提升林火蔓延模擬的準(zhǔn)確性和效率以及可視化的真實(shí)感。國內(nèi)也有一些學(xué)者嘗試將風(fēng)場模擬結(jié)合到林火蔓延模擬中，在林火蔓延模擬場景中對(duì)網(wǎng)格風(fēng)進(jìn)行模擬及可視化[24]，但仍然沒有涉及到林火-風(fēng)雙向耦合作用的模擬。

從國外方面的研究來看，對(duì)林火-風(fēng)雙向耦合模擬的研究也屬于一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)。在20 世紀(jì)前，對(duì)于大氣因素在林火中的作用，人們的認(rèn)識(shí)僅限于：高溫、干燥、大風(fēng)的天氣會(huì)使林火行為更加迅速、劇烈[25]。直到20 世紀(jì)初，才出現(xiàn)第一篇真正意義上探究大氣因素（尤其是風(fēng)）在林火中作用的文獻(xiàn)，文獻(xiàn)中，Beals[26]詳細(xì)分析了幾場大型森林火災(zāi)中風(fēng)的作用，并提出可以將天氣預(yù)測模型作為輔助工具應(yīng)用于林火蔓延模擬領(lǐng)域。此后，關(guān)于大氣和林火相互作用的研究進(jìn)入了一段平臺(tái)期、發(fā)展極為緩慢，直到21 世紀(jì)初，才又迎來一段跨越式的發(fā)展。國外的學(xué)者基于現(xiàn)有的大氣模擬預(yù)測模擬系統(tǒng)，以及現(xiàn)有的林火蔓延模擬系統(tǒng)，將兩者結(jié)合，提出林火-大氣雙向耦合模擬方法，對(duì)林火和風(fēng)的雙向耦合作用進(jìn)行模擬，研究林火蔓延中的相關(guān)特性，相較于傳統(tǒng)的無耦合作用的林火蔓延模擬方法，取得很顯著的成效。

國外研究采用的耦合模擬方法本質(zhì)上涉及一對(duì)并行的林火蔓延模型和大氣模型，本文根據(jù)采用模型的不同對(duì)耦合模擬方法進(jìn)行分類，對(duì)現(xiàn)有的相關(guān)研究進(jìn)行闡述。

2.1 ForeFire和Meso-NH

（1）林火蔓延模擬模型ForeFire 及大氣模型Meso-NH

林火蔓延中該林火蔓延速度模型基于給定的假設(shè)：火焰沿著風(fēng)傳播的方向朝可燃物傾斜。傾斜角的計(jì)算公式如下：

其中，γ 表示火焰與地面法線間的夾角，α 為坡面與水平地面的夾角，U 為風(fēng)速，u0為垂直方向上的煙霧傳播速度。

計(jì)算出火焰角度的傾斜角后，根據(jù)以下公式，便可計(jì)算林火蔓延速度：

其中，A 為輻射因子（A 數(shù)值的大小由火前端燃燒釋放的熱量決定），r0為輻射引起的速度因子（其大小取決于火焰的厚度），R0為無風(fēng)、無坡度、無煙霧的情況下林火的蔓延速度。

該模型采用前向標(biāo)記追蹤法來模擬林火蔓延的外輪廓線（即火線）。該方法將火線分為一組離散的標(biāo)記點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)都有其獨(dú)立的傳播方向和速度，每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的傳播速度根據(jù)上述林火蔓延速度公式得出，而傳播方向則為該標(biāo)記點(diǎn)與其左右相鄰兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)連接形成的角的角平分線方向。根據(jù)模擬劃分好的時(shí)間步長，即可計(jì)算下一時(shí)刻的火線。該方法的計(jì)算效率高、并且適用于高分辨率的模擬。

Meso-NH 是一種基于滯彈性假設(shè)的非靜力中尺度模型，該模型可在小尺度到大尺度的空間尺度下運(yùn)行。在其與林火耦合的應(yīng)用中，Meso-NH 一般運(yùn)行在大渦模擬結(jié)構(gòu)模式下，湍流參數(shù)設(shè)置為1.5 階閉合，并設(shè)置為開放邊界條件。其具體的運(yùn)行原理超出本文的研究范圍，可參考Cuxart 等人[27]的研究。

（2）基于兩種模型的耦合模擬方法

該耦合模擬方法結(jié)合大氣模型Meso-NH 和林火蔓延模型ForeFire，根據(jù)劃分的時(shí)間步長更新大氣和林火蔓延狀態(tài)。在每一個(gè)時(shí)間步長下，將大氣模型模擬出的風(fēng)場數(shù)據(jù)輸入到火蔓延模型中，并通過火蔓延模型向大氣模型輸入計(jì)算好的輻射溫度Te、熱通量Qe和水蒸氣通量Wve數(shù)據(jù)，從而更新大氣狀態(tài)以及林火蔓延狀態(tài)。

（3）相關(guān)研究進(jìn)展

Jean 等人[28]采用該耦合模擬方法，對(duì)三種理想情況進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了結(jié)果的有效性。相較于無耦合模擬結(jié)果，雙向耦合模擬結(jié)果中火線的蔓延速度顯著提升，表明由林火產(chǎn)生的對(duì)流能夠?qū)︼L(fēng)產(chǎn)生顯著影響，從而導(dǎo)致林火蔓延的加速。在高強(qiáng)度林火模擬結(jié)果中，在雙向耦合作用影響下的風(fēng)甚至比周圍的環(huán)境風(fēng)快一個(gè)數(shù)量級(jí)。Filippi 等人[29-30]采用該耦合模擬方法做了大量研究，證實(shí)了該方法在對(duì)林火-風(fēng)耦合作用進(jìn)行數(shù)值模擬上的有效性；并在一次實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了平底、山谷、山脊等地形變量，探究不同地形對(duì)耦合作用改變下風(fēng)的影響[31]。

2.2 SFIRE和WRF

（1）林火蔓延模擬模型SFIRE 及大氣模型WRF

SFIRE 是二維林火蔓延模擬模型，其林火蔓延速度計(jì)算公式基于Rothermel 公式：

其中，R0表示在無風(fēng)條件下林火蔓延速度，φW表示風(fēng)因子，φS表示火因子。

基于公式（3），采用水平集算法，更新林火蔓延的外輪廓線（即火線）[32]?；鹁€由一組點(diǎn)的集合構(gòu)成，設(shè)水平集為ψ，則該點(diǎn)由以下公式計(jì)算得出：

每個(gè)點(diǎn)的林火蔓延方向通過下式計(jì)算得出：

WRF（天氣研究與預(yù)報(bào)）為新一代中尺度天氣模型，該模型專門用于數(shù)值天氣模擬以及大氣模擬，它適用于從大渦到全球模擬等尺度，具體的運(yùn)行原理可參考Skamarock 等人[33]的研究。

（2）基于兩種模型的耦合模擬方法

該耦合模擬方法結(jié)合大氣模型WRF 和林火蔓延模型SFIRE，根據(jù)劃分的時(shí)間步長更新大氣和林火蔓延狀態(tài)。在大氣模擬的每一個(gè)時(shí)間步長下，根據(jù)大氣模型模擬出的風(fēng)數(shù)據(jù)以及預(yù)定的燃料參數(shù)，對(duì)林火蔓延狀態(tài)進(jìn)行模擬。后根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格單元中的燃料消耗量計(jì)算出熱通量和水蒸氣通量，輸入到大氣模型中，從而更新下一時(shí)間步長的狀態(tài)。

（3）相關(guān)研究進(jìn)展

McCaw 等人[34]采用該耦合方法，對(duì)2007 年在南澳大利亞袋鼠島德斯特雷茲灣發(fā)生的森林大火進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明林火在蔓延時(shí)能夠顯著改變周圍的大氣環(huán)境，因此使用恒定氣象輸入林火蔓延模擬方法存在很大的局限性。Peace 等人[35-36]也采用該耦合方法，對(duì)林火和風(fēng)之間的相互影響進(jìn)行研究，并證實(shí)其有效性。

2.3 DEVS-FIRE和ARPS

（1）林火蔓延模擬模型DEVS-FIRE 及大氣模型ARPS

DEVS-FIRE 是一個(gè)基于CA（元胞自動(dòng)機(jī)）的林火蔓延模型[37]，它將火災(zāi)模擬的空間進(jìn)行離散化，分為大小相同的網(wǎng)格單元，當(dāng)確定著火點(diǎn)后，采用Rothermel林火蔓延公式（即公式（3））計(jì)算著火點(diǎn)所在的網(wǎng)格單元向相鄰八個(gè)方向的蔓延速度，從而判斷周圍網(wǎng)格單元是否點(diǎn)燃，從而模擬整個(gè)林火蔓延過程。

ARPS 是一個(gè)三維數(shù)值天氣預(yù)測模型，其研發(fā)的最初目的是為了對(duì)強(qiáng)對(duì)流現(xiàn)象進(jìn)行模擬研究，因此，這個(gè)特點(diǎn)使得ARPS 非常適合模擬林火所引發(fā)的局部風(fēng)場變化。其運(yùn)行原理參考Xue 等人[38]的研究。

（2）基于兩種模型的耦合模擬方法

該耦合模擬方法結(jié)合林火蔓延模擬模型DEVSFIRE 和大氣模型ARPS。在一個(gè)大氣時(shí)間步長下，先通過ARPS 模型模擬出近地風(fēng)數(shù)據(jù)，將其輸入到DEVS-FIRE 模型中，根據(jù)設(shè)定好的可燃物數(shù)據(jù)，DEVS-FIRE 對(duì)當(dāng)前這一時(shí)間步長下的林火蔓延狀態(tài)進(jìn)行模擬，并計(jì)算出熱通量數(shù)據(jù)，將其輸入到ARPS 模型中，模擬出下一時(shí)間步長的近地風(fēng)數(shù)據(jù)，由此重復(fù)，直至可燃物燃燒結(jié)束。

（3）相關(guān)研究進(jìn)展

Xue 等人[39]采用基于ARPS 和DEVS-FIRE 的耦合方法，通過設(shè)置理想化的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行模擬，驗(yàn)證其符合林火蔓延的一般規(guī)律；并且對(duì)2000 年的一場Moore大火進(jìn)行模擬，結(jié)果對(duì)比基于無耦合DEVS-FIRE 方法的模擬結(jié)果，表明基于ARPS 和DEVS-FIRE 的耦合方法，相較于無耦合方法，結(jié)果更加準(zhǔn)確，更符合實(shí)際發(fā)生的林火，證實(shí)了該方法的實(shí)際價(jià)值和意義。

2.4 林火-風(fēng)雙向耦合模擬小結(jié)

目前，對(duì)林火-風(fēng)雙向耦合模擬的研究大多采用由大氣模型和林火蔓延模型組合而成的耦合方法。這些耦合方法的思路大體相同：先將時(shí)間離散化，分為間隔相同的時(shí)間步長；在每一個(gè)時(shí)間步長下，采用大氣模型模擬出風(fēng)場數(shù)據(jù)，將其輸入到林火蔓延模型中，更新林火蔓延的狀態(tài)；并使用林火蔓延模型計(jì)算出大氣模型模擬所需要的數(shù)據(jù)，將其輸入到大氣模型中，以更新下一時(shí)間步長下的大氣狀態(tài)；在每個(gè)時(shí)間步長下循環(huán)上述步驟，不斷更新大氣狀態(tài)和林火蔓延狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)林火-風(fēng)雙向耦合模擬。根據(jù)現(xiàn)有研究，相較于無耦合的林火蔓延模擬，林火-風(fēng)雙向耦合模擬能夠很有效地提升林火蔓延模擬的準(zhǔn)確性，使其更加貼近于實(shí)際的林火蔓延情況。但同時(shí)，也帶來了一些問題，首先是由于該耦合模擬方法需要用到一對(duì)并行的大氣模型和林火蔓延模型，兩個(gè)模型之間的數(shù)據(jù)交換需要在外部進(jìn)行，涉及了大量的計(jì)算，對(duì)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)性能要求較高，完成整個(gè)模擬需要耗費(fèi)較長的時(shí)間；其次，現(xiàn)有的耦合方法所使用的大氣模型和林火蔓延模型之間存在空間尺度不一致的問題，一般來說，由于涉及可燃物的空間分布，林火蔓延模型所需的精度更高，需要在更為精細(xì)的空間尺度下運(yùn)行。而空間尺度不一致的問題會(huì)造成耦合模擬在一定程度上的困難性。

綜合現(xiàn)有的研究來看，有關(guān)林火-風(fēng)雙向耦合模擬的研究屬于新興的研究熱點(diǎn)，相關(guān)的研究和文獻(xiàn)也較少。

3 結(jié)語

受風(fēng)的影響，林火蔓延的過程充滿了不確定性和突變性，這大大增加了林火撲救工作的危險(xiǎn)性和困難性。目前，大多用于輔助防災(zāi)救災(zāi)的林火蔓延模擬預(yù)測系統(tǒng)中，基本沒有考慮風(fēng)和林火的雙向耦合作用，這使得模擬預(yù)測無法準(zhǔn)確、真實(shí)地反映林火蔓延情況，無法使決策者清晰、全面地認(rèn)識(shí)到林火蔓延的具體情況，從而使救火工作人員處于危險(xiǎn)之中。

為了更好地輔助林火的防災(zāi)救災(zāi)工作，林火蔓延模擬預(yù)測系統(tǒng)必須將林火蔓延的規(guī)律更好地呈現(xiàn)出來，幫助非專業(yè)人員更好地理解、預(yù)計(jì)林火蔓延的情況。林火-風(fēng)雙向耦合作用是林火蔓延過程中普遍且持續(xù)存在的作用，對(duì)林火的蔓延造成很大的影響，與無林火-風(fēng)雙向耦合作用的模擬情況相比，有林火-風(fēng)雙向耦合的林火蔓延預(yù)測模擬的結(jié)果相差較大、且更為準(zhǔn)確。

通過對(duì)現(xiàn)有相關(guān)研究的綜述，能夠發(fā)現(xiàn)在考慮林火-風(fēng)雙向耦合作用后，模擬結(jié)果要優(yōu)于傳統(tǒng)的林火耦合模擬方法，但同時(shí)，也帶來了相應(yīng)的問題：①大氣模型和林火蔓延模型在空間尺度上的不一致，造成耦合模擬研究的困難；二，通過大氣模型和林火蔓延模型耦合的方法，會(huì)造成計(jì)算量過大、無法支持實(shí)時(shí)模擬的問題，這對(duì)其在林火輔助決策中的應(yīng)用造成很大的限制。對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的未來研究趨勢，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）通過研究可以發(fā)現(xiàn)，目前采用林火-大氣模型進(jìn)行雙向耦合模擬方法的研究仍然較少，因此，基于現(xiàn)有的大氣模型和林火蔓延模型提出新的耦合方法，驗(yàn)證其有效性，并對(duì)比其他耦合方法，找到模擬結(jié)果更優(yōu)的耦合模型，仍然是當(dāng)前的主要研究方向之一。

（2）研究林火-風(fēng)雙向耦合模擬的一個(gè)重要思路，即需要將時(shí)間和空間進(jìn)行離散化，劃分為間隔相同的時(shí)間步長和空間步長，在不同的時(shí)間步長下對(duì)劃分好空間步長的網(wǎng)格進(jìn)行模擬研究。

（3）將林火-風(fēng)雙向耦合模擬作為一個(gè)模塊合并到現(xiàn)有的林火蔓延模擬預(yù)測系統(tǒng)中，是未來林火蔓延模擬發(fā)展的必然趨勢。再結(jié)合三維場景的可視化，能夠非常清晰、直觀地展現(xiàn)出風(fēng)場受林火影響的動(dòng)態(tài)變化，以及在林火-風(fēng)雙向耦合的作用下、林火蔓延預(yù)測的情況，能夠更好地輔助決策者和非專業(yè)人員。

（4）現(xiàn)有的林火-風(fēng)耦合模擬方法，由于林火蔓延模型的空間尺度小于大氣模型的空間尺度，因而會(huì)面臨模型的空間尺度不匹配會(huì)帶來耦合研究的困難，導(dǎo)致模擬結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此，采集小微尺度下氣象數(shù)據(jù)，建立小微尺度下的大氣模型，并結(jié)合到林火蔓延模擬中，也是未來研究的一個(gè)方向。

（5）現(xiàn)有的模擬方法中，采用的大氣模型會(huì)帶來計(jì)算量過大、運(yùn)行時(shí)間過長等問題，這就導(dǎo)致目前的林火-風(fēng)雙向耦合模擬無法支持實(shí)時(shí)模擬，不能應(yīng)用到實(shí)際的林火救災(zāi)工作中。因此，保持模擬精度的前提下，提高林火-風(fēng)雙向耦合模擬的效率，以支持實(shí)時(shí)模擬及可視化，是未來研究的一個(gè)方向。

（6）盡管現(xiàn)存研究中所提出的將林火模型和大氣模型耦合的模擬方法無法做到實(shí)時(shí)模擬，無法作為林火發(fā)生后輔助決策的工具。但是，將其應(yīng)用在林火預(yù)防方面仍有重要意義，通過對(duì)林區(qū)的林火蔓延模擬，可以發(fā)現(xiàn)該林區(qū)的潛在火災(zāi)危險(xiǎn)，從而做出相應(yīng)的預(yù)防措施（如控制可燃物密度等）。