An Overview of Modelling Bulgarian Wildland Fire Behaviour by Application of a Mathematical Game Method and WRF-Fire Models

This paper presents the main achievements of the author’s PhD dissertation. The work is dedicated to mathematical and semi-empirical approaches applied to the case of Bulgarian wildland fires. After the introductory explanations, short information from every chapter is extracted to cover the main parts of the obtained results. The methods used are described in brief and main outcomes are listed. ACM Computing Classification System (1998): D.1.3, D.2.0, K.5.1.

Understorey fire propagation and tree mortality on adjacent areas to an Amazonian deforestation fire

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Propagation modelling and resource allocation in mobile radio communications

Over the past years, ray tracing (RT) models popularity has been increasing. From the nineties, RT has been used for field prediction in environment such as indoor and urban environments. Nevertheless, with the advent of new technologies, the channel model has become decidedly more dynamic and to perform RT simulations at each discrete time instant become computationally expensive. In this thesis, a new dynamic ray tracing (DRT) approach is presented in which from a single ray tracing simulation at an initial time t0, through analytical formulas we are able to track the motion of the interaction points. The benefits that this approach bring are that Doppler frequencies and channel prediction can be derived at every time instant, without recurring to multiple RT runs and therefore shortening the computation time. DRT performance was studied on two case studies and the results shows the accuracy and the computational gain that derives from this approach. Another issue that has been addressed in this thesis is the licensed band exhaustion of some frequency bands. To deal with this problem, a novel unselfish spectrum leasing scheme in cognitive radio networks (CRNs) is proposed that offers an energy-efficient solution minimizing the environmental impact of the network. In addition, a network management architecture is introduced and resource allocation is proposed as a constrained sum energy efficiency maximization problem. System simulations demonstrate an increment in the energy efficiency of the primary users’ network compared with previously proposed algorithms.

Modelling the influence of change in fire regime on the local distribution of a Mediterranean pyrophytic plant species (Cistus salviifolius) at its northern range limit

Aims: To assess the potential distribution of an obligate seeder and active pyrophyte, Cistus salviifolius, a vulnerable species in the Swiss Red List; to derive scenarios by changing the fire return interval; and to discuss the results from a conservation perspective. A more general aim is to assess the impact of fire as a natural factor influencing the vegetation of the southern slopes of the Alps. Locations: Alps, southern Switzerland. Methods: Presence-absence data to fit the model were obtained from the most recent field mapping of C. salviifolius. The quantitative environmental predictors used in this study include topographic, climatic and disturbance (fire) predictors. Models were fitted by logistic regression and evaluated by jackknife and bootstrap approaches. Changes in fire regime were simulated by increasing the time-return interval of fire (simulating longer periods without fire). Two scenarios were considered: no fire in the past 15 years; or in the past 35 years. Results: Rock cover, slope, topographic position, potential evapotranspiration and time elapsed since the last fire were selected in the final model. The Nagelkerke R-2 of the model for C. salviifolius was 0.57 and the Jackknife area under the curve evaluation was 0.89. The bootstrap evaluation revealed model robustness. By increasing the return interval of fire by either up to 15 years, or 35 years, the modelled C. salviifolius population declined by 30-40%, respectively. Main conclusions: Although fire plays a significant role, topography and rock cover appear to be the most important predictors, suggesting that the distribution of C. salviifolius in the southern Swiss Alps is closely related to the availability of supposedly competition-free sites, such as emerging bedrock, ridge locations or steep slopes. Fire is more likely to play a secondary role in allowing C. salviifolius to extend its occurrence temporarily, by increasing germination rates and reducing the competition from surrounding vegetation. To maintain a viable dormant seed bank for C. salviifolius, conservation managers should consider carrying out vegetation clearing and managing wild fire propagation to reduce competition and ensure sufficient recruitment for this species.

The status and challenge of global fire modelling

Biomass burning impacts vegetation dynamics, biogeochemical cycling, atmospheric chemistry, and climate, with sometimes deleterious socio-economic impacts. Under future climate projections it is often expected that the risk of wildfires will increase. Our ability to predict the magnitude and geographic pattern of future fire impacts rests on our ability to model fire regimes, either using well-founded empirical relationships or process-based models with good predictive skill. A large variety of models exist today and it is still unclear which type of model or degree of complexity is required to model fire adequately at regional to global scales. This is the central question underpinning the creation of the Fire Model Intercomparison Project - FireMIP, an international project to compare and evaluate existing global fire models against benchmark data sets for present-day and historical conditions. In this paper we summarise the current state-of-the-art in fire regime modelling and model evaluation, and outline what essons may be learned from FireMIP.

Hyperbolic reaction-diffusion equations for a forest fire model

Forest fire models have been widely studied from the context of self-organized criticality and from the ecological properties of the forest and combustion. On the other hand, reaction-diffusion equations have interesting applications in biology and physics. We propose here a model for fire propagation in a forest by using hyperbolic reaction-diffusion equations. The dynamical and thermodynamical aspects of the model are analyzed in detail

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Biomass fire consumption and carbon release rates of rainforest-clearing experiments conducted in northern Mato Grosso, Brazil

Biomass consumption and carbon release rates during the process of forest clearing by fire in five test plots are presented and discussed. The experiments were conducted at the Caiabi Farm near the town of Alta Floresta, state of Mato Grosso, Brazil, in five square plots of 1 ha each designated A, B, C, D, and E, with different locations and timing of fire. Plot A was located in the interface with a pasture, with three edges bordering on the forest, and was cut and burned in 1997. Plots B,C, D, and E were located inside the forest. Plot B was cut and burned in 1997. Plot C was inside a deforested 9-ha area, which was cut and burned in 1998. Plot D was inside a deforested 4-ha area, which was cut in 1998 and burned in 1999. Plot E was inside a deforested 4-ha area which was cut and burned in 1999. Biomass consumption was 22.7%, 19.5%, 47.5%, 61.5% and 41.8%, for A, B, C, D, and E, respectively. The effects of an extended curing period and of increasing the deforested area surrounding the plots could be clearly observed. The consumption for areas cut and burned during the same year, tended toward a value of nearly 50% when presented as a function of the total area burned. The aboveground biomass of the test site and the amount of carbon before the fire were 496 Mg ha-1 and 138 Mg ha-1, respectively. Considering that the biomass that remains unburned keeps about the same average carbon content of fresh biomass, which is supported by the fact that the unburned material consists mainly of large logs and considering the value of 50% for consumption, the amount of carbon released to the atmosphere as gases was 69 Mg ha-1. The amounts of CO2 and CO released to the atmosphere by the burning process were then estimated as 228 Mg ha-1 and 15.9 Mg ha-1, respectively. Observations on fire propagation and general features of the slash burnings in the test areas complete the paper. Copyright 2001 by the American Geophysical Union.

Enhancing the numerical performance of fire field models (CMS Paper)

This paper describes two new techniques designed to enhance the performance of fire field modelling software. The two techniques are "group solvers" and automated dynamic control of the solution process, both of which are currently under development within the SMARTFIRE Computational Fluid Dynamics environment. The "group solver" is a derivation of common solver techniques used to obtain numerical solutions to the algebraic equations associated with fire field modelling. The purpose of "group solvers" is to reduce the computational overheads associated with traditional numerical solvers typically used in fire field modelling applications. In an example, discussed in this paper, the group solver is shown to provide a 37% saving in computational time compared with a traditional solver. The second technique is the automated dynamic control of the solution process, which is achieved through the use of artificial intelligence techniques. This is designed to improve the convergence capabilities of the software while further decreasing the computational overheads. The technique automatically controls solver relaxation using an integrated production rule engine with a blackboard to monitor and implement the required control changes during solution processing. Initial results for a two-dimensional fire simulation are presented that demonstrate the potential for considerable savings in simulation run-times when compared with control sets from various sources. Furthermore, the results demonstrate the potential for enhanced solution reliability due to obtaining acceptable convergence within each time step, unlike some of the comparison simulations.

Todennäköisyyspohjaisen paloanalyysimenetelmän kehittäminen ydinvoimalaitoksella

Diplomityössä on tutustuttu ydinvoimalaitosten paloriskejä käsittelevään todennäköisyyspohjaiseen turvallisuusanalyysiin. Tavoitteena on ollut Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden paloanalyysimenetelmän kehittäminen. Työssä esitetään paloanalyysin pääpiirteet, kaksi erilaista palotaajuuksien estimointimenetelmää sekä palojen leviämisen arviointimenetelmiä. Palotaajuuksien estimointimenetelmistä keskitytään Berryn menetelmän sekä NUREG/CR-6850-palotaajuuslaskentamenetelmän tarkasteluun. Palon leviämisen arvioinnissa on esitetty kolmen erilaisen virtausteknisen laskentatyökalun perusteet sekä palon leviämistodennäköisyyksiä arvioivan Probabilistic Fire Simulator (PFS) -ohjelman käyttöä. Työn aikana on laskettu molemmilla palotaajuuden estimointimenetelmillä palotaajuuksia eri tyyppisille huonetiloille. Berryn menetelmän palotaajuudet olivat pääosin alhaisempia kuin NUREG/CR-6850-menetelmällä lasketut palotaajuudet. Palon leviämistarkastelussa on tutkittu ydinvoimalaitoksen relehuoneen tulipaloa. PFS:n avulla laskettujen leviämistodennäköisyyksien arvoja on vertailtu TVO:n paloanalyysissa käytettyihin kvalitatiivisiin peittokertoimiin. Palon leviämistodennäköisyys eri osajärjestelmien välillä todettiin suuresti riippuvan analyysissaoletetuista vaurioitumislämpötiloista. Tutkittuja menetelmiä hyödyntäen diplomityössä kehitettiin paloanalyysimenetelmäkuvaus. Menetelmäkuvauksessa huonetilojen paloriskit kartoitetaan aluksi Berryn menetelmällä. Näin kaikille laitoksen huonetiloille saadaan arvioitua palotaajuus sekä paloalkutapahtumaluokkien sydänvauriotaajuus. Seuraavaksi suoritetaan valintamenettely, jossa valitut kriteerit täyttäville huonetiloille tehdään tarkentava palotaajuuslaskenta. Tarkentava palotaajuuslaskenta perustuu NUREG/CR-6850-menetelmän mukaisesti huonetilojen realistisiin syttymislähteisiin. Kriittisimpien huonetilojen osalta palon leviämisen arviointiin on tarkoitus hyödyntää numeerista simulointia.

Simulation numérique de feux de forêt avec réinitialisation et contournement d’obstacles

Ce travail présente une technique de simulation de feux de forêt qui utilise la méthode Level-Set. On utilise une équation aux dérivées partielles pour déformer une surface sur laquelle est imbriqué notre front de flamme. Les bases mathématiques de la méthode Level-set sont présentées. On explique ensuite une méthode de réinitialisation permettant de traiter de manière robuste des données réelles et de diminuer le temps de calcul. On étudie ensuite l’effet de la présence d’obstacles dans le domaine de propagation du feu. Finalement, la question de la recherche du point d’ignition d’un incendie est abordée.

Diseño de un modelo de riesgo integral de incendios forestales mediante técnicas multicriterio y su automatización en sistemas de información geográfica : una aplicación en la Comunidad Valenciana

Los incendios forestales son la principal causa de mortalidad de árboles en la Europa mediterránea y constituyen la amenaza más seria para los ecosistemas forestales españoles. En la Comunidad Valenciana, diariamente se despliega cerca de un centenar de vehículos de vigilancia, cuya distribución se apoya, fundamentalmente, en un índice de riesgo de incendios calculado en función de las condiciones meteorológicas. La tesis se centra en el diseño y validación de un nuevo índice de riesgo integrado de incendios, especialmente adaptado a la región mediterránea y que facilite el proceso de toma de decisiones en la distribución diaria de los medios de vigilancia contra incendios forestales. El índice adopta el enfoque de riesgo integrado introducido en la última década y que incluye dos componentes de riesgo: el peligro de ignición y la vulnerabilidad. El primero representa la probabilidad de que se inicie un fuego y el peligro potencial para que se propague, mientras que la vulnerabilidad tiene en cuenta las características del territorio y los efectos potenciales del fuego sobre el mismo. Para el cálculo del peligro potencial se han identificado indicadores relativos a los agentes naturales y humanos causantes de incendios, la ocurrencia histórica y el estado de los combustibles, extremo muy relacionado con la meteorología y las especies. En cuanto a la vulnerabilidad se han empleado indicadores representativos de los efectos potenciales del incendio (comportamiento del fuego, infraestructuras de defensa), como de las características del terreno (valor, capacidad de regeneración…). Todos estos indicadores constituyen una estructura jerárquica en la que, siguiendo las recomendaciones de la Comisión europea para índices de riesgo de incendios, se han incluido indicadores representativos del riesgo a corto plazo y a largo plazo. El cálculo del valor final del índice se ha llevado a cabo mediante la progresiva agregación de los componentes que forman cada uno de los niveles de la estructura jerárquica del índice y su integración final. Puesto que las técnicas de decisión multicriterio están especialmente orientadas a tratar con problemas basados en estructuras jerárquicas, se ha aplicado el método TOPSIS para obtener la integración final del modelo. Se ha introducido en el modelo la opinión de los expertos, mediante la ponderación de cada uno de los componentes del índice. Se ha utilizado el método AHP, para obtener las ponderaciones de cada experto y su integración en un único peso por cada indicador. Para la validación del índice se han empleado los modelos de Ecuaciones de Estimación Generalizadas, que tienen en cuenta posibles respuestas correlacionadas. Para llevarla a cabo se emplearon los datos de oficiales de incendios ocurridos durante el período 1994 al 2003, referenciados a una cuadrícula de 10x10 km empleando la ocurrencia de incendios y su superficie, como variables dependientes. Los resultados de la validación muestran un buen funcionamiento del subíndice de peligro de ocurrencia con un alto grado de correlación entre el subíndice y la ocurrencia, un buen ajuste del modelo logístico y un buen poder discriminante. Por su parte, el subíndice de vulnerabilidad no ha presentado una correlación significativa entre sus valores y la superficie de los incendios, lo que no descarta su validez, ya que algunos de sus componentes tienen un carácter subjetivo, independiente de la superficie incendiada. En general el índice presenta un buen funcionamiento para la distribución de los medios de vigilancia en función del peligro de inicio. No obstante, se identifican y discuten nuevas líneas de investigación que podrían conducir a una mejora del ajuste global del índice. En concreto se plantea la necesidad de estudiar más profundamente la aparente correlación que existe en la provincia de Valencia entre la superficie forestal que ocupa cada cuadrícula de 10 km del territorio y su riesgo de incendios y que parece que a menor superficie forestal, mayor riesgo de incendio. Otros aspectos a investigar son la sensibilidad de los pesos de cada componente o la introducción de factores relativos a los medios potenciales de extinción en el subíndice de vulnerabilidad. Summary Forest fires are the main cause of tree mortality in Mediterranean Europe and the most serious threat to the Spanisf forest. In the Spanish autonomous region of Valencia, forest administration deploys a mobile fleet of 100 surveillance vehicles in forest land whose allocation is based on meteorological index of wildlandfire risk. This thesis is focused on the design and validation of a new Integrated Wildland Fire Risk Index proposed to efficient allocation of vehicles and specially adapted to the Mediterranean conditions. Following the approaches of integrated risk developed last decade, the index includes two risk components: Wildland Fire Danger and Vulnerability. The former represents the probability a fire ignites and the potential hazard of fire propagation or spread danger, while vulnerability accounts for characteristics of the land and potential effects of fire. To calculate the Wildland Fire Danger, indicators of ignition and spread danger have been identified, including human and natural occurrence agents, fuel conditions, historical occurrence and spread rate. Regarding vulnerability se han empleado indicadores representativos de los efectos potenciales del incendio (comportamiento del fuego, infraestructurasd de defensa), como de las características del terreno (valor, capacidad de regeneración…). These indicators make up the hierarchical structure for the index, which, following the criteria of the European Commission both short and long-term indicators have been included. Integration consists of the progressive aggregation of the components that make up every level in risk the index and, after that, the integration of these levels to obtain a unique value for the index. As Munticriteria methods are oriented to deal with hierarchically structured problems and with situations in which conflicting goals prevail, TOPSIS method is used in the integration of components. Multicriteria methods were also used to incorporate expert opinion in weighting of indicators and to carry out the aggregation process into the final index. The Analytic Hierarchy Process method was used to aggregate experts' opinions on each component into a single value. Generalized Estimation Equations, which account for possible correlated responses, were used to validate the index. Historical records of daily occurrence for the period from 1994 to 2003, referred to a 10x10-km-grid cell, as well as the extent of the fires were the dependant variables. The results of validation showed good Wildland Fire Danger component performance, with high correlation degree between Danger and occurrence, a good fit of the logistic model used and a good discrimination power. The vulnerability component has not showed a significant correlation between their values and surface fires, which does not mean the index is not valid, because of the subjective character of some of its components, independent of the surface of the fires. Overall, the index could be used to optimize the preventing resources allocation. Nevertheless, new researching lines are identified and discussed to improve the overall performance of the index. More specifically the need of study the inverse relationship between the value of the wildfire Fire Danger component and the forested surface of each 10 - km cell is set out. Other points to be researched are the sensitivity of the index component´s weight and the possibility of taking into account indicators related to fire fighting resources to make up the vulnerability component.