林火蔓延中林火-風雙向耦合模擬研究進展

阮江濤，李建微

（福州大學物理與信息工程學院，福州350108）

0 引言

森林火災是一種突發性強、破壞力大的自然災害，對社會經濟、人身安全、自然生態造成巨大的威脅[1]。據統計，世界各地每年發生約20 多萬次的森林火災，平均受災面積占世界森林總面積的0.1%以上[2]。2019年發生了兩場大火，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生的大火，二是燃燒數月之久的澳大利亞大火。兩場大火造成了嚴重的經濟損失，并且造成了大量的碳排放[3-4]，對環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、環保問題的關注度提升等原因，人們對森林火災的關注度與日俱增，加強林火的防災救災工作仍然刻不容緩。

目前，隨著科技的發展，對林火蔓延的研究不斷地往信息化、智能化、自動化的方向深入發展，使用計算機對林火蔓延過程進行模擬已經成為當下研究的主流方向。通過對林火的模擬，并結合計算機圖形學，將林火隨時間擴散的范圍輸出在可視化界面上，已經成為防災救災決策時的一種必要輔助手段。林火蔓延模擬的準確性和真實性會在很大程度上影響決策的正確性，從而提前預防、降低林火發生的風險，以及降低林火發生后的損失。因此，研究林火蔓延的機理、改善林火蔓延的數學模型、提升蔓延模擬的準確度和效率，以及提升可視化的真實感是當前領域研究的重點。本文從該角度出發，討論林火和風的關系，強調林火-風耦合作用對林火蔓延的重要影響，并根據國內外相關的研究現狀，重點分析林火-風耦合模擬在林火蔓延模擬中的優劣，提出了對林火領域未來研究趨勢的看法。

1 林火蔓延機理

1.1 林火蔓延中風的作用

林火從點燃到擴散蔓延、直至最終完全熄滅，在整個過程中所表現出的規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、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雜性[8]。

其中，風是對森林火災的擴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]；風對林火行為具有十分重要的意義，風動態變化的特性導致了林火蔓延的瞬時變化性，使得林火行為常常發生不穩定的變化。一般來說，風通過以下幾種途徑加速林火的蔓延：①改變火焰燃燒時的傾斜角度，使火焰更快地接觸未點燃的可燃物，使林火加速向未燃燒的區域蔓延；②促進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補充燃燒區域內的氧氣，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風可能攜帶燃燒的余燼，在燃燒范圍外產生新的著火點，即導致飛火的產生。但與此相對的是，風也有可能減緩林火的蔓延——破壞可燃物的連續性[14]。

1.2 林火-風雙向耦合作用

除了風對林火蔓延造成的單向作用外，林火在蔓延過程中也會對低層的局部風場產生影響，通過熱對流的方式改變火燃燒周圍的風場。在實際中，林火和風之間更普遍存在是林火-風雙向耦合作用。這并不是林火對風的單向作用和風對林火的單向作用的簡單疊加，而是風對林火產生作用后，林火燃燒改變局部的風速、風向，受到林火影響后的風又對接下來林火的蔓延造成進一步的影響。因此，相較于風對林火的單向作用，林火-風雙向耦合作用會使林火產生更為劇烈、復雜的變化[15]。

2 林火-風耦合模擬研究進展

從國內和林火相關的研究來看，林火-風耦合方面的研究較為空白。目前大多數研究主要集中在對傳統林火蔓延模型及算法的改進（如王正非林火蔓延模型、元胞自動機算法等）[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感）[21-23]兩個研究熱點上，目的是提升林火蔓延模擬的準確性和效率以及可視化的真實感。國內也有一些學者嘗試將風場模擬結合到林火蔓延模擬中，在林火蔓延模擬場景中對網格風進行模擬及可視化[24]，但仍然沒有涉及到林火-風雙向耦合作用的模擬。

從國外方面的研究來看，對林火-風雙向耦合模擬的研究也屬于一個新興的研究熱點。在20 世紀前，對于大氣因素在林火中的作用，人們的認識僅限于：高溫、干燥、大風的天氣會使林火行為更加迅速、劇烈[25]。直到20 世紀初，才出現第一篇真正意義上探究大氣因素（尤其是風）在林火中作用的文獻，文獻中，Beals[26]詳細分析了幾場大型森林火災中風的作用，并提出可以將天氣預測模型作為輔助工具應用于林火蔓延模擬領域。此后，關于大氣和林火相互作用的研究進入了一段平臺期、發展極為緩慢，直到21 世紀初，才又迎來一段跨越式的發展。國外的學者基于現有的大氣模擬預測模擬系統，以及現有的林火蔓延模擬系統，將兩者結合，提出林火-大氣雙向耦合模擬方法，對林火和風的雙向耦合作用進行模擬，研究林火蔓延中的相關特性，相較于傳統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上涉及一對并行的林火蔓延模型和大氣模型，本文根據采用模型的不同對耦合模擬方法進行分類，對現有的相關研究進行闡述。

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：火焰沿著風傳播的方向朝可燃物傾斜。傾斜角的計算公式如下：

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 為風速，u0為垂直方向上的煙霧傳播速度。

計算出火焰角度的傾斜角后，根據以下公式，便可計算林火蔓延速度：

其中，A 為輻射因子（A 數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、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記點，每個標記點都有其獨立的傳播方向和速度，每個標記點的傳播速度根據上述林火蔓延速度公式得出，而傳播方向則為該標記點與其左右相鄰兩個標記點連接形成的角的角平分線方向。根據模擬劃分好的時間步長，即可計算下一時刻的火線。該方法的計算效率高、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行。在其與林火耦合的應用中，Meso-NH 一般運行在大渦模擬結構模式下，湍流參數設置為1.5 階閉合，并設置為開放邊界條件。其具體的運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

該耦合模擬方法結合大氣模型Meso-NH 和林火蔓延模型ForeFire，根據劃分的時間步長更新大氣和林火蔓延狀態。在每一個時間步長下，將大氣模型模擬出的風場數據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算好的輻射溫度Te、熱通量Qe和水蒸氣通量Wve數據，從而更新大氣狀態以及林火蔓延狀態。

（3）相關研究進展

Jean 等人[28]采用該耦合模擬方法，對三種理想情況進行模擬，驗證了結果的有效性。相較于無耦合模擬結果，雙向耦合模擬結果中火線的蔓延速度顯著提升，表明由林火產生的對流能夠對風產生顯著影響，從而導致林火蔓延的加速。在高強度林火模擬結果中，在雙向耦合作用影響下的風甚至比周圍的環境風快一個數量級。Filippi 等人[29-30]采用該耦合模擬方法做了大量研究，證實了該方法在對林火-風耦合作用進行數值模擬上的有效性；并在一次實驗中設置了平底、山谷、山脊等地形變量，探究不同地形對耦合作用改變下風的影響[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，其林火蔓延速度計算公式基于Rothermel 公式：

其中，R0表示在無風條件下林火蔓延速度，φW表示風因子，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]。火線由一組點的集合構成，設水平集為ψ，則該點由以下公式計算得出：

每個點的林火蔓延方向通過下式計算得出：

WRF（天氣研究與預報）為新一代中尺度天氣模型，該模型專門用于數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

該耦合模擬方法結合大氣模型WRF 和林火蔓延模型SFIRE，根據劃分的時間步長更新大氣和林火蔓延狀態。在大氣模擬的每一個時間步長下，根據大氣模型模擬出的風數據以及預定的燃料參數，對林火蔓延狀態進行模擬。后根據每個網格單元中的燃料消耗量計算出熱通量和水蒸氣通量，輸入到大氣模型中，從而更新下一時間步長的狀態。

（3）相關研究進展

McCaw 等人[34]采用該耦合方法，對2007 年在南澳大利亞袋鼠島德斯特雷茲灣發生的森林大火進行模擬，模擬結果表明林火在蔓延時能夠顯著改變周圍的大氣環境，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，對林火和風之間的相互影響進行研究，并證實其有效性。

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 是一個基于CA（元胞自動機）的林火蔓延模型[37]，它將火災模擬的空間進行離散化，分為大小相同的網格單元，當確定著火點后，采用Rothermel林火蔓延公式（即公式（3））計算著火點所在的網格單元向相鄰八個方向的蔓延速度，從而判斷周圍網格單元是否點燃，從而模擬整個林火蔓延過程。

ARPS 是一個三維數值天氣預測模型，其研發的最初目的是為了對強對流現象進行模擬研究，因此，這個特點使得ARPS 非常適合模擬林火所引發的局部風場變化。其運行原理參考Xue 等人[38]的研究。

（2）基于兩種模型的耦合模擬方法

該耦合模擬方法結合林火蔓延模擬模型DEVSFIRE 和大氣模型ARPS。在一個大氣時間步長下，先通過ARPS 模型模擬出近地風數據，將其輸入到DEVS-FIRE 模型中，根據設定好的可燃物數據，DEVS-FIRE 對當前這一時間步長下的林火蔓延狀態進行模擬，并計算出熱通量數據，將其輸入到ARPS 模型中，模擬出下一時間步長的近地風數據，由此重復，直至可燃物燃燒結束。

（3）相關研究進展

Xue 等人[39]采用基于ARPS 和DEVS-FIRE 的耦合方法，通過設置理想化的實驗條件進行模擬，驗證其符合林火蔓延的一般規律；并且對2000 年的一場Moore大火進行模擬，結果對比基于無耦合DEVS-FIRE 方法的模擬結果，表明基于ARPS 和DEVS-FIRE 的耦合方法，相較于無耦合方法，結果更加準確，更符合實際發生的林火，證實了該方法的實際價值和意義。

2.4 林火-風雙向耦合模擬小結

目前，對林火-風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：先將時間離散化，分為間隔相同的時間步長；在每一個時間步長下，采用大氣模型模擬出風場數據，將其輸入到林火蔓延模型中，更新林火蔓延的狀態；并使用林火蔓延模型計算出大氣模型模擬所需要的數據，將其輸入到大氣模型中，以更新下一時間步長下的大氣狀態；在每個時間步長下循環上述步驟，不斷更新大氣狀態和林火蔓延狀態，以此實現林火-風雙向耦合模擬。根據現有研究，相較于無耦合的林火蔓延模擬，林火-風雙向耦合模擬能夠很有效地提升林火蔓延模擬的準確性，使其更加貼近于實際的林火蔓延情況。但同時，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并行的大氣模型和林火蔓延模型，兩個模型之間的數據交換需要在外部進行，涉及了大量的計算，對運行的計算機性能要求較高，完成整個模擬需要耗費較長的時間；其次，現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，需要在更為精細的空間尺度下運行。而空間尺度不一致的問題會造成耦合模擬在一定程度上的困難性。

綜合現有的研究來看，有關林火-風雙向耦合模擬的研究屬于新興的研究熱點，相關的研究和文獻也較少。

3 結語

受風的影響，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性和困難性。目前，大多用于輔助防災救災的林火蔓延模擬預測系統中，基本沒有考慮風和林火的雙向耦合作用，這使得模擬預測無法準確、真實地反映林火蔓延情況，無法使決策者清晰、全面地認識到林火蔓延的具體情況，從而使救火工作人員處于危險之中。

為了更好地輔助林火的防災救災工作，林火蔓延模擬預測系統必須將林火蔓延的規律更好地呈現出來，幫助非專業人員更好地理解、預計林火蔓延的情況。林火-風雙向耦合作用是林火蔓延過程中普遍且持續存在的作用，對林火的蔓延造成很大的影響，與無林火-風雙向耦合作用的模擬情況相比，有林火-風雙向耦合的林火蔓延預測模擬的結果相差較大、且更為準確。

通過對現有相關研究的綜述，能夠發現在考慮林火-風雙向耦合作用后，模擬結果要優于傳統的林火耦合模擬方法，但同時，也帶來了相應的問題：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，會造成計算量過大、無法支持實時模擬的問題，這對其在林火輔助決策中的應用造成很大的限制。對于相關領域的未來研究趨勢，提出以下幾點建議：

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

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

（3）將林火-風雙向耦合模擬作為一個模塊合并到現有的林火蔓延模擬預測系統中，是未來林火蔓延模擬發展的必然趨勢。再結合三維場景的可視化，能夠非常清晰、直觀地展現出風場受林火影響的動態變化，以及在林火-風雙向耦合的作用下、林火蔓延預測的情況，能夠更好地輔助決策者和非專業人員。

（4）現有的林火-風耦合模擬方法，由于林火蔓延模型的空間尺度小于大氣模型的空間尺度，因而會面臨模型的空間尺度不匹配會帶來耦合研究的困難，導致模擬結果的不準確。因此，采集小微尺度下氣象數據，建立小微尺度下的大氣模型，并結合到林火蔓延模擬中，也是未來研究的一個方向。

（5）現有的模擬方法中，采用的大氣模型會帶來計算量過大、運行時間過長等問題，這就導致目前的林火-風雙向耦合模擬無法支持實時模擬，不能應用到實際的林火救災工作中。因此，保持模擬精度的前提下，提高林火-風雙向耦合模擬的效率，以支持實時模擬及可視化，是未來研究的一個方向。

（6）盡管現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時模擬，無法作為林火發生后輔助決策的工具。但是，將其應用在林火預防方面仍有重要意義，通過對林區的林火蔓延模擬，可以發現該林區的潛在火災危險，從而做出相應的預防措施（如控制可燃物密度等）。