林火蔓延中林火-风双向耦合模拟研究进展

阮江涛，李建微

（福州大学物理与信息工程学院，福州350108）

0 引言

森林火灾是一种突发性强、破坏力大的自然灾害，对社会经济、人身安全、自然生态造成巨大的威胁[1]。据统计，世界各地每年发生约20 多万次的森林火灾，平均受灾面积占世界森林总面积的0.1%以上[2]。2019年发生了两场大火，吸引了全世界人民的目光，一是在有“地球之肺”之称的亚马孙热带雨林发生的大火，二是燃烧数月之久的澳大利亚大火。两场大火造成了严重的经济损失，并且造成了大量的碳排放[3-4]，对环境造成不可挽回的破坏。如今，由于气候变暖、森林周围居住人口的增加、环保问题的关注度提升等原因，人们对森林火灾的关注度与日俱增，加强林火的防灾救灾工作仍然刻不容缓。

目前，随着科技的发展，对林火蔓延的研究不断地往信息化、智能化、自动化的方向深入发展，使用计算机对林火蔓延过程进行模拟已经成为当下研究的主流方向。通过对林火的模拟，并结合计算机图形学，将林火随时间扩散的范围输出在可视化界面上，已经成为防灾救灾决策时的一种必要辅助手段。林火蔓延模拟的准确性和真实性会在很大程度上影响决策的正确性，从而提前预防、降低林火发生的风险，以及降低林火发生后的损失。因此，研究林火蔓延的机理、改善林火蔓延的数学模型、提升蔓延模拟的准确度和效率，以及提升可视化的真实感是当前领域研究的重点。本文从该角度出发，讨论林火和风的关系，强调林火-风耦合作用对林火蔓延的重要影响，并根据国内外相关的研究现状，重点分析林火-风耦合模拟在林火蔓延模拟中的优劣，提出了对林火领域未来研究趋势的看法。

1 林火蔓延机理

1.1 林火蔓延中风的作用

林火从点燃到扩散蔓延、直至最终完全熄灭，在整个过程中所表现出的规律和特性被称为林火行为[5]。林火蔓延是林火行为的一种，由三类影响因子决定：可燃物（如可燃物种类、含水率及密度等）、气象（如风、温度等）和地形（如坡度、坡向等）[6-7]。火燃烧和不同因子间存在相互作用，这大大增加了林火蔓延研究的复杂性[8]。

其中，风是对森林火灾的扩展和蔓延起决定性作用的气象因子，它不仅决定林火蔓延速度，而且决定火蔓延的面积和方向[9-10]；风对林火行为具有十分重要的意义，风动态变化的特性导致了林火蔓延的瞬时变化性，使得林火行为常常发生不稳定的变化。一般来说，风通过以下几种途径加速林火的蔓延：①改变火焰燃烧时的倾斜角度，使火焰更快地接触未点燃的可燃物，使林火加速向未燃烧的区域蔓延；②促进空气和可燃物之间的水分交换，通过降低可燃物的含水量，加速可燃物的燃烧[11]；③补充燃烧区域内的氧气，从而加速林火的蔓延；④通过改变可燃物的分布，增加可燃物的密度，从而加速林火的蔓延[12-13]；⑤风可能携带燃烧的余烬，在燃烧范围外产生新的着火点，即导致飞火的产生。但与此相对的是，风也有可能减缓林火的蔓延——破坏可燃物的连续性[14]。

1.2 林火-风双向耦合作用

除了风对林火蔓延造成的单向作用外，林火在蔓延过程中也会对低层的局部风场产生影响，通过热对流的方式改变火燃烧周围的风场。在实际中，林火和风之间更普遍存在是林火-风双向耦合作用。这并不是林火对风的单向作用和风对林火的单向作用的简单叠加，而是风对林火产生作用后，林火燃烧改变局部的风速、风向，受到林火影响后的风又对接下来林火的蔓延造成进一步的影响。因此，相较于风对林火的单向作用，林火-风双向耦合作用会使林火产生更为剧烈、复杂的变化[15]。

2 林火-风耦合模拟研究进展

从国内和林火相关的研究来看，林火-风耦合方面的研究较为空白。目前大多数研究主要集中在对传统林火蔓延模型及算法的改进（如王正非林火蔓延模型、元胞自动机算法等）[16-20]，以及三维林火蔓延模拟（如利用新的三维引擎提升模拟的真实感）[21-23]两个研究热点上，目的是提升林火蔓延模拟的准确性和效率以及可视化的真实感。国内也有一些学者尝试将风场模拟结合到林火蔓延模拟中，在林火蔓延模拟场景中对网格风进行模拟及可视化[24]，但仍然没有涉及到林火-风双向耦合作用的模拟。

从国外方面的研究来看，对林火-风双向耦合模拟的研究也属于一个新兴的研究热点。在20 世纪前，对于大气因素在林火中的作用，人们的认识仅限于：高温、干燥、大风的天气会使林火行为更加迅速、剧烈[25]。直到20 世纪初，才出现第一篇真正意义上探究大气因素（尤其是风）在林火中作用的文献，文献中，Beals[26]详细分析了几场大型森林火灾中风的作用，并提出可以将天气预测模型作为辅助工具应用于林火蔓延模拟领域。此后，关于大气和林火相互作用的研究进入了一段平台期、发展极为缓慢，直到21 世纪初，才又迎来一段跨越式的发展。国外的学者基于现有的大气模拟预测模拟系统，以及现有的林火蔓延模拟系统，将两者结合，提出林火-大气双向耦合模拟方法，对林火和风的双向耦合作用进行模拟，研究林火蔓延中的相关特性，相较于传统的无耦合作用的林火蔓延模拟方法，取得很显著的成效。

国外研究采用的耦合模拟方法本质上涉及一对并行的林火蔓延模型和大气模型，本文根据采用模型的不同对耦合模拟方法进行分类，对现有的相关研究进行阐述。

2.1 ForeFire和Meso-NH

（1）林火蔓延模拟模型ForeFire 及大气模型Meso-NH

林火蔓延中该林火蔓延速度模型基于给定的假设：火焰沿着风传播的方向朝可燃物倾斜。倾斜角的计算公式如下：

其中，γ 表示火焰与地面法线间的夹角，α 为坡面与水平地面的夹角，U 为风速，u0为垂直方向上的烟雾传播速度。

计算出火焰角度的倾斜角后，根据以下公式，便可计算林火蔓延速度：

其中，A 为辐射因子（A 数值的大小由火前端燃烧释放的热量决定），r0为辐射引起的速度因子（其大小取决于火焰的厚度），R0为无风、无坡度、无烟雾的情况下林火的蔓延速度。

该模型采用前向标记追踪法来模拟林火蔓延的外轮廓线（即火线）。该方法将火线分为一组离散的标记点，每个标记点都有其独立的传播方向和速度，每个标记点的传播速度根据上述林火蔓延速度公式得出，而传播方向则为该标记点与其左右相邻两个标记点连接形成的角的角平分线方向。根据模拟划分好的时间步长，即可计算下一时刻的火线。该方法的计算效率高、并且适用于高分辨率的模拟。

Meso-NH 是一种基于滞弹性假设的非静力中尺度模型，该模型可在小尺度到大尺度的空间尺度下运行。在其与林火耦合的应用中，Meso-NH 一般运行在大涡模拟结构模式下，湍流参数设置为1.5 阶闭合，并设置为开放边界条件。其具体的运行原理超出本文的研究范围，可参考Cuxart 等人[27]的研究。

（2）基于两种模型的耦合模拟方法

该耦合模拟方法结合大气模型Meso-NH 和林火蔓延模型ForeFire，根据划分的时间步长更新大气和林火蔓延状态。在每一个时间步长下，将大气模型模拟出的风场数据输入到火蔓延模型中，并通过火蔓延模型向大气模型输入计算好的辐射温度Te、热通量Qe和水蒸气通量Wve数据，从而更新大气状态以及林火蔓延状态。

（3）相关研究进展

Jean 等人[28]采用该耦合模拟方法，对三种理想情况进行模拟，验证了结果的有效性。相较于无耦合模拟结果，双向耦合模拟结果中火线的蔓延速度显著提升，表明由林火产生的对流能够对风产生显著影响，从而导致林火蔓延的加速。在高强度林火模拟结果中，在双向耦合作用影响下的风甚至比周围的环境风快一个数量级。Filippi 等人[29-30]采用该耦合模拟方法做了大量研究，证实了该方法在对林火-风耦合作用进行数值模拟上的有效性；并在一次实验中设置了平底、山谷、山脊等地形变量，探究不同地形对耦合作用改变下风的影响[31]。

2.2 SFIRE和WRF

（1）林火蔓延模拟模型SFIRE 及大气模型WRF

SFIRE 是二维林火蔓延模拟模型，其林火蔓延速度计算公式基于Rothermel 公式：

其中，R0表示在无风条件下林火蔓延速度，φW表示风因子，φS表示火因子。

基于公式（3），采用水平集算法，更新林火蔓延的外轮廓线（即火线）[32]。火线由一组点的集合构成，设水平集为ψ，则该点由以下公式计算得出：

每个点的林火蔓延方向通过下式计算得出：

WRF（天气研究与预报）为新一代中尺度天气模型，该模型专门用于数值天气模拟以及大气模拟，它适用于从大涡到全球模拟等尺度，具体的运行原理可参考Skamarock 等人[33]的研究。

（2）基于两种模型的耦合模拟方法

该耦合模拟方法结合大气模型WRF 和林火蔓延模型SFIRE，根据划分的时间步长更新大气和林火蔓延状态。在大气模拟的每一个时间步长下，根据大气模型模拟出的风数据以及预定的燃料参数，对林火蔓延状态进行模拟。后根据每个网格单元中的燃料消耗量计算出热通量和水蒸气通量，输入到大气模型中，从而更新下一时间步长的状态。

（3）相关研究进展

McCaw 等人[34]采用该耦合方法，对2007 年在南澳大利亚袋鼠岛德斯特雷兹湾发生的森林大火进行模拟，模拟结果表明林火在蔓延时能够显著改变周围的大气环境，因此使用恒定气象输入林火蔓延模拟方法存在很大的局限性。Peace 等人[35-36]也采用该耦合方法，对林火和风之间的相互影响进行研究，并证实其有效性。

2.3 DEVS-FIRE和ARPS

（1）林火蔓延模拟模型DEVS-FIRE 及大气模型ARPS

DEVS-FIRE 是一个基于CA（元胞自动机）的林火蔓延模型[37]，它将火灾模拟的空间进行离散化，分为大小相同的网格单元，当确定着火点后，采用Rothermel林火蔓延公式（即公式（3））计算着火点所在的网格单元向相邻八个方向的蔓延速度，从而判断周围网格单元是否点燃，从而模拟整个林火蔓延过程。

ARPS 是一个三维数值天气预测模型，其研发的最初目的是为了对强对流现象进行模拟研究，因此，这个特点使得ARPS 非常适合模拟林火所引发的局部风场变化。其运行原理参考Xue 等人[38]的研究。

（2）基于两种模型的耦合模拟方法

该耦合模拟方法结合林火蔓延模拟模型DEVSFIRE 和大气模型ARPS。在一个大气时间步长下，先通过ARPS 模型模拟出近地风数据，将其输入到DEVS-FIRE 模型中，根据设定好的可燃物数据，DEVS-FIRE 对当前这一时间步长下的林火蔓延状态进行模拟，并计算出热通量数据，将其输入到ARPS 模型中，模拟出下一时间步长的近地风数据，由此重复，直至可燃物燃烧结束。

（3）相关研究进展

Xue 等人[39]采用基于ARPS 和DEVS-FIRE 的耦合方法，通过设置理想化的实验条件进行模拟，验证其符合林火蔓延的一般规律；并且对2000 年的一场Moore大火进行模拟，结果对比基于无耦合DEVS-FIRE 方法的模拟结果，表明基于ARPS 和DEVS-FIRE 的耦合方法，相较于无耦合方法，结果更加准确，更符合实际发生的林火，证实了该方法的实际价值和意义。

2.4 林火-风双向耦合模拟小结

目前，对林火-风双向耦合模拟的研究大多采用由大气模型和林火蔓延模型组合而成的耦合方法。这些耦合方法的思路大体相同：先将时间离散化，分为间隔相同的时间步长；在每一个时间步长下，采用大气模型模拟出风场数据，将其输入到林火蔓延模型中，更新林火蔓延的状态；并使用林火蔓延模型计算出大气模型模拟所需要的数据，将其输入到大气模型中，以更新下一时间步长下的大气状态；在每个时间步长下循环上述步骤，不断更新大气状态和林火蔓延状态，以此实现林火-风双向耦合模拟。根据现有研究，相较于无耦合的林火蔓延模拟，林火-风双向耦合模拟能够很有效地提升林火蔓延模拟的准确性，使其更加贴近于实际的林火蔓延情况。但同时，也带来了一些问题，首先是由于该耦合模拟方法需要用到一对并行的大气模型和林火蔓延模型，两个模型之间的数据交换需要在外部进行，涉及了大量的计算，对运行的计算机性能要求较高，完成整个模拟需要耗费较长的时间；其次，现有的耦合方法所使用的大气模型和林火蔓延模型之间存在空间尺度不一致的问题，一般来说，由于涉及可燃物的空间分布，林火蔓延模型所需的精度更高，需要在更为精细的空间尺度下运行。而空间尺度不一致的问题会造成耦合模拟在一定程度上的困难性。

综合现有的研究来看，有关林火-风双向耦合模拟的研究属于新兴的研究热点，相关的研究和文献也较少。

3 结语

受风的影响，林火蔓延的过程充满了不确定性和突变性，这大大增加了林火扑救工作的危险性和困难性。目前，大多用于辅助防灾救灾的林火蔓延模拟预测系统中，基本没有考虑风和林火的双向耦合作用，这使得模拟预测无法准确、真实地反映林火蔓延情况，无法使决策者清晰、全面地认识到林火蔓延的具体情况，从而使救火工作人员处于危险之中。

为了更好地辅助林火的防灾救灾工作，林火蔓延模拟预测系统必须将林火蔓延的规律更好地呈现出来，帮助非专业人员更好地理解、预计林火蔓延的情况。林火-风双向耦合作用是林火蔓延过程中普遍且持续存在的作用，对林火的蔓延造成很大的影响，与无林火-风双向耦合作用的模拟情况相比，有林火-风双向耦合的林火蔓延预测模拟的结果相差较大、且更为准确。

通过对现有相关研究的综述，能够发现在考虑林火-风双向耦合作用后，模拟结果要优于传统的林火耦合模拟方法，但同时，也带来了相应的问题：①大气模型和林火蔓延模型在空间尺度上的不一致，造成耦合模拟研究的困难；二，通过大气模型和林火蔓延模型耦合的方法，会造成计算量过大、无法支持实时模拟的问题，这对其在林火辅助决策中的应用造成很大的限制。对于相关领域的未来研究趋势，提出以下几点建议：

（1）通过研究可以发现，目前采用林火-大气模型进行双向耦合模拟方法的研究仍然较少，因此，基于现有的大气模型和林火蔓延模型提出新的耦合方法，验证其有效性，并对比其他耦合方法，找到模拟结果更优的耦合模型，仍然是当前的主要研究方向之一。

（2）研究林火-风双向耦合模拟的一个重要思路，即需要将时间和空间进行离散化，划分为间隔相同的时间步长和空间步长，在不同的时间步长下对划分好空间步长的网格进行模拟研究。

（3）将林火-风双向耦合模拟作为一个模块合并到现有的林火蔓延模拟预测系统中，是未来林火蔓延模拟发展的必然趋势。再结合三维场景的可视化，能够非常清晰、直观地展现出风场受林火影响的动态变化，以及在林火-风双向耦合的作用下、林火蔓延预测的情况，能够更好地辅助决策者和非专业人员。

（4）现有的林火-风耦合模拟方法，由于林火蔓延模型的空间尺度小于大气模型的空间尺度，因而会面临模型的空间尺度不匹配会带来耦合研究的困难，导致模拟结果的不准确。因此，采集小微尺度下气象数据，建立小微尺度下的大气模型，并结合到林火蔓延模拟中，也是未来研究的一个方向。

（5）现有的模拟方法中，采用的大气模型会带来计算量过大、运行时间过长等问题，这就导致目前的林火-风双向耦合模拟无法支持实时模拟，不能应用到实际的林火救灾工作中。因此，保持模拟精度的前提下，提高林火-风双向耦合模拟的效率，以支持实时模拟及可视化，是未来研究的一个方向。

（6）尽管现存研究中所提出的将林火模型和大气模型耦合的模拟方法无法做到实时模拟，无法作为林火发生后辅助决策的工具。但是，将其应用在林火预防方面仍有重要意义，通过对林区的林火蔓延模拟，可以发现该林区的潜在火灾危险，从而做出相应的预防措施（如控制可燃物密度等）。