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Al igual que todos los modelos en ciencia computacional, los modelos de fuego necesitan encontrar un equilibrio entre fidelidad, disponibilidad de datos y ejecución rápida. Los modelos de incendios forestales abarcan una amplia gama de complejidad, desde principios simples de causa y efecto hasta los más complejos físicamente, que presentan un desafío de supercomputación difícil que no puede ser resuelto más rápido que en tiempo real.
Los modelos de incendio forestal se han desarrollado a partir de 1940, pero todavía quedan por resolver muchas cuestiones químicas y termodinámicas relacionadas con el comportamiento del fuego. Los científicos y sus modelos de incendios forestales desde 1940 hasta 2003 se enumeran en el artículo.[3] Los modelos se pueden clasificar en tres grupos: Empíricos, Semi-empíricos, y basados en principios de la Física.
Modelos empíricos
Modelos conceituais baseados na experiência e na intuição que você desenvolve a partir de incêndios passados podem ser usados para antecipar o futuro. Muitas equações semi-empíricas de propagação de fogo, como aquelas publicadas pelo USDA Forest Service,[4] Forestry Canada,[5] Nobel, Bary, e Gill,[6] e Cheney, Gould, & Catchpole[7] para complexos de combustível da Australásia foram desenvolvidas para estimativa rápida de parâmetros fundamentais de interesse, como velocidade de propagação do fogo, comprimento da chama e intensidade da linha de fogo de incêndios de superfície em um ponto para complexos de combustível específicos, assumindo um vento representativo do local e inclinação do o terreno. Com base no trabalho de Fons em 1946,[8] e Emmons em 1963,[9] a taxa de propagação de equilíbrio quase constante calculada para um incêndio de superfície em terreno plano sob condições sem vento foi calibrada usando dados de estacas queimadas em uma câmara de chama/túnel de vento para representar outras condições de vento e inclinação para os complexos de combustível testados.
Modelos bidimensionais de crescimento de incêndios, como FARSITE")[10] e Prometheus,[11] o modelo canadense de crescimento de incêndios florestais projetado para funcionar em complexos de combustível canadenses, foram desenvolvidos que aplicam tais relações semi-empíricas e outras relacionadas a transições terra-coroa para estimar a propagação do fogo e outros parâmetros ao longo da superfície. Certas suposições devem ser feitas em modelos como FARSITE e Prometheus para moldar o crescimento do fogo. Por exemplo, Prometheus e FARSITE usam o princípio de onda de Huygens propagação. Richards em 1990 desenvolveu um conjunto de equações que podem ser usadas para propagar (forma e direção) uma frente de fogo usando uma forma elíptica. Embora aplicações mais sofisticadas usem um sistema numérico tridimensional de previsão do tempo para fornecer informações como a velocidade do vento para um dos modelos de crescimento do fogo listados acima, a entrada era passiva e não leva em consideração o feedback do fogo sobre o vento atmosférico e a umidade.
Modelos baseados em princípios físicos e acoplamento com a atmosfera
Modelos bidimensionais simplificados de propagação do fogo baseados em leis de conservação que usam a radiação como mecanismo dominante de transferência de calor e convecção, levando em consideração o efeito do vento e da inclinação, levam a sistemas de reação-difusão com equações diferenciais parciais.[13][14].
Modelos físicos mais complexos combinam modelos computacionais de dinâmica de fluidos com um componente de incêndio florestal e permitem que o fogo retorne à atmosfera. Esses modelos incluem o modelo Coupled Atmosphere-Fire-Wildland Environment (CAWFE) da NCAR desenvolvido em 2005,[15] WRF-Fire da NCAR e a Universidade do Colorado Denver),[16] que combina o modelo de pesquisa e previsão meteorológica com um modelo estendido de nível de grupo, o modelo Coupled Atmosphere Wildfire Large Eddy Simulation da Universidade de Utah desenvolvido em 2009,[17] FIRETEC") desenvolvido por Los Alamos O Laboratório Nacional desenvolveu,[18] o Simulador de Dinâmica de Fogo (WFDS) WUI (Wildland Urban Interface) em 2007,[19] e, até certo ponto, o modelo bidimensional FIRESTAR.[20][21][22] Essas ferramentas têm ênfases diferentes e foram aplicadas para entender melhor aspectos fundamentais do comportamento do fogo, como falta de homogeneidade do combustível no comportamento do fogo,[18] feedbacks entre o fogo e o ambiente atmosférico como o base da forma universal de fogo,[23][24] e estão começando a ser aplicados à propagação de incêndios na interface floresta-zona urbana na dispersão de casa em casa em escala comunitária.
O custo da complexidade física adicional é um aumento correspondente no custo computacional, tanto que não existe um tratamento explícito tridimensional completo da combustão de combustíveis florestais por simulação numérica direta (DNS) em escalas relevantes para a modelagem atmosférica, está além da capacidade dos supercomputadores existentes e atualmente não faz sentido fazê-lo devido à capacidade limitada dos modelos climáticos com resolução espacial inferior a 1 km. Consequentemente, mesmo esses modelos mais complexos parametrizam o fogo de alguma forma, por exemplo, o trabalho de Clark[25][26] usa equações desenvolvidas por Rothermel para o Serviço Florestal do USDA[4] para calcular taxas locais de propagação do fogo usando ventos locais modificados pelo fogo. E, embora FIRETEC e WFDS tenham equações de conservação para as concentrações de combustível e oxigênio reagentes, a grade computacional não pode ser suficientemente fina para resolver a mistura combustível-oxigênio limitante da taxa de reação, portanto, devem ser feitas aproximações em relação à distribuição de temperatura na escala da sub-rede ou às próprias taxas de reação de combustão. Esses modelos também têm uma escala muito pequena para interagir com um modelo meteorológico, de modo que os movimentos dos fluidos usam um modelo computacional de dinâmica de fluidos confinado em uma caixa muito menor do que um incêndio florestal típico.