林火蔓延模型及其应用概述

１４ ９ ６年 Ｆ ｎ 首先 提 出林 火蔓延 的数学模 型１ ｏｓ ３ １ 。
地形 是 紧密 相关 的。林 火蔓 延模 型就是 建 立在 这
然后 ，世界 上许 多 其他 国家开 始建 立 数学 模 型进 些基 础 之上 的 。因此预 测 一个 地 区 的林 火 蔓延 应 建立 与 之相 应 的蔓 延模 型 。火 蔓延 模 拟可 以用 来 行火 行 为 的 预测模 拟 和 定 量 分析 。 自 ２ Ｏ世 纪 ７ Ｏ 比如研 究火 蔓延 速 度有 多 快 、 年代 以来 ， 增 长 模 型 不 断 得 到发 展 ， 导 致 了 重 现 或 预测 火行 为 ， 火 也
是外部的传热方式 ，它们使热量传递到可燃物的 火参数相似情况下的火行为，较充分地揭示林火 表面 ， 促进林火蔓延 ， 而热传导则是可燃物在其内 这种 复杂 现象 的作 用规 律 。它 的缺 点是 这类 模 型
部 的传热 方式 。林 火 发生 后 ， 热空 气会 向上 运动 ， 周 围 的冷 空气 就 随着 不 断补充 ， 因此产 生热 对流 ， 且火 场 有部分 热 能转 变 为动能 ，推 动热 空气 上 升
等 级 系统采 用加 拿大 林火 蔓延 模 型 。根据 加拿 大
２ 林 火蔓延模 型
火 增长 模 型是 基于 可燃 物燃 烧过 程 中 的传 热
过程 及试 验 和观测 结果 建立 起来 的。与 火蔓 延相
植 被 状况 ， 可燃 物 可划 分 为 ５大类 ： 叶林 、 叶 针 阔
林 、 交林 、 混 采伐 迹地 和草 地 ， 细分 为 ｌ 并 ６个代 表 林型。 通过 ２０次火 观察 ， ９ 总结 出多数可 燃物 蔓延 速 度方 程 。加拿 大林 火 蔓延模 型不考 虑火 行 为 的
风 向。火烧 过 程 中释放 的水蒸 气 改变 空气 的水 分 报 火险 天气 ，还 能定 量预 报一 些重 要 的火行 为 参
平衡 ， 水蒸 气被 带走 ， 蒸汽 冷凝 结会 释放 大量 的 数 。但 Ｍｃ ｒ ｕ 模 型可适 用 的可燃 物类 型 比较 单 但 Ａｔ ｒ ｈ
潜 热
一
，
主要适 合较 平坦 的草地 和桉 树林 。 拿大火 险 加
火 增 长相 关 的火 行为 ，作为 重 要 的火管 理 工具 目 前 在 加拿 大 、美 国 、澳 大利 亚 等 国家得 到 广泛 应
端火行为 ， 包括火蔓延速率 、 火旋风和对 流柱等 。 火模拟还可以评估火灾影响，如火对生态和水文
可燃物消耗量 、 树木死亡率 、 烟雾量与释 用。 当前 ， 主要 地表 火模 型有 美 国 的基 于 能量 守恒 的影 响 、 放 率 。在 多 种模 型并 存 的情 况下 就存 在 一个 模 型 定 律 的 Ｒ ｔｅｍｅ模 型 、加拿 大 的林 火 蔓延 模 型 、 ｏ ｒ ｌ ｈ 每个 模 型都有 一定 的局 限性 。 论用 何 不 澳 大利 亚 的 Ｍｃ ｒ ｕ 模 型 。我 国 当前 的研 究 主要 选 择 问题 。 Ａｔ ｒ ｈ
关键词 ： 林火 ； 蔓延模型 ； 火模 拟软件 ； 罗米修 斯（ ｒｍｅ ｅｓ 普 Ｐｏ ｔ ｕ ） ｈ
中 图分 类 号 ：７２３ 文 献 标 识 码 ： ￥６． Ａ
林 火蔓 延 是一 种林 火 行 为 ，是森 林 可燃 物从 于 促进 我 国开 发 出 比较 实用 的林 火蔓 延模 拟 软 件 点 燃开 始 ，直 至熄 灭 的整 个过 程 中所 表 现 出来 的 来 提高林 火 管理 的科 学性 。 特性 。 蔓延 速度 、 强度 和火 焰 高度是 火行 为 的 火 火
关 的热传 播方 式 主要有 ３ ， 种 即热对 流 、 热辐 射和
物 理本 质 ， 而是 通过 收集 、 量 和分析 实 际火场 和 测 热传导 ， 中尤以热辐射突出。 其 热对流和热辐射所 模 拟 实验 的数 据建立 模 型 。其优 点是 能方 便 而形 传递 的能 量 主要 将 火 焰前 方 的可 燃 物进 行 预 热 ， 象地认 识 火灾 各个 过程 ，能 成 功地 预测 出 和测试
三 个 主要定 量 指标 。利用 火增 长 模 型可 以预 测将 要 发生 的林 火行 为 ，指导 扑火 工 作 以及 Ｅ常 的林 ｌ
１ 林 火模 拟及 影响 因子
林火 蔓 延是 一 个复 杂 的燃烧 现 象 ，可 以说 没
火管理工作 ， 提高扑火效率 。 火增长模型还可以用
但是 ， 一个地区森林火灾 的发 于评估林火管理政策 ，分析采用不同林火管理模 有两场相 同的林火。 生 又有 一定 的规律 性 ， 与此地 区 的植 被 、 这 气候 和 式对 生态 系统 的影 响 『］ ｌ。 １ ２
而在 燃烧 区的上 方 出现对 流柱 。这是一 种 垂直 的
～
不考虑任何热传机制。 由于缺乏物理基础 ， 当实际
火情 与试 验条 件不 符 时 ，使 用 统计模 型 的精 度就 会 降低 。 最典 型 的半经 验模 型是 Ｒ ｔｅｍ ｌ 型 ， ｏｈｒｅ２年 ６月 第 ２期
森 林 防火
Ｆ ＲＥＳＴ ＦＩ Ｏ ＲＥ ＰＲＥＶＥＮＴｌ ＯＮ
Ｊ ｅ ２Ｏ１ ｕｎ ２ ＮＯ． １
林火蔓延模型及 其应用概述
杜建 华 ， 田晓瑞
（． １国家林业局森林防火预警监测信息 中心 ， 北京 １０ １ ０ ７４；２中国林科 院森环森保护研 究所 ， ． 北京 １０ ９ ） ０ ０ １
Ｐｏ ｅ ｅｓ Ｆ ｅ ｔ 等林 火蔓延 模拟 软件 的出 ｒ ｔ ｕ 和 ｉ ｓｅ ｍ ｈ ｒｉ 在 哪个方 向扩 展和 产生 多少 热量 等 指标 。火行 为 模 型还包 括 地 表火是 否 能转 化 为树 冠火 ，以及 极 现与 应用 。这些 软件 可 以预测 未来 的火 边 界 和与
物 理模 型 区分 了不 同 的热传 机 制 ，并 用基 本 型计 算火 蔓延 速 度 ，但 这些 模 型 的尺度 太小 不 能 的物 理 规律 和 数 学 物 理 方 法 来 预 报 火蔓 延速 度 。 与天气模型耦合 ， 因此 ， 流体运动需要采用流体动 迄 今 为止 已构 造 了许 多模 型 ， 数模 型 假设 ： 焰 力 学 计 算 模 型 缩 小 到 比典 型火 灾 小 的尺 度 上 计 多 火 和 燃 屑 的热辐 射 系数 、 散 系数 、 度及 物 理维 度 算 扩 温
变化 而改 变 。
平坦 地面 无风 条件 下准 稳态 地 表火蔓 延 速度 计算 经验模 型 也称 之为 统计 或 随机模 型 ， 目前有
称 。可燃 物 特性会 随海拔 和坡 向地 形 和植被 密度 模型 。
大 火还 会形 成 自身 的大气 条件 ，也 就 是说 火 澳 大利亚 和加 拿 大两个 经验 模 型被 广泛 应用 。澳 烧 产生 的热 和水 汽对 大气 有反 馈作 用 ，形 成强 风 大 利 亚 的 Ｍ Ａ ｔｕ 模 型 主要 通 过 多次 点 烧 实 验 ｃｒ ｒ ｈ 来 驱动 火行 为 发展 。火烧 产 生 的热量会 改 变大 气 建 立火 行 为 和 影 响 因素 的 关 系 ，该 模 型 是 Ｎ ｂ ｏｌ ｅ 的温度 和产 生 强烈 的上 升气 流 ，它可 以改 变地 表 等人 对 Ｍｃ ｒ ｕ 火 险尺 的数学 描述 。它 不仅 能预 Ａｔ ｒ ｈ
杜 建 华 。 ： 火 蔓 延 模 型 及 其 应 用 概 述 等 林
基 于能量 守 恒定 律 的物 理 机理模 型 ，以均 匀 可燃 利用直接数值模拟（ Ｎ ） Ｄ Ｓ 对与大气模型相关 尺度
物为基础 ，根据林火的热传导方程推导出林火蔓 上的野外可燃物全三维 的具体处理超 出了当前超
延 速 率 。 模 型主要 是从 宏 观角 度来 描述 火蔓 延 ， 该 级计 算机 的计 算 能力 。由于气象 模 型 的技 术 限制 ，
减缓 可燃 物 的干燥 过 程 ，而风会 促进 可 燃物 的干 线 强度 等 。燃烧 室 或风洞 试 验测 定 的不 同风速 和
燥过 程 。 风还可 以影 响坡度 对火 的加 速作用 ， 例如 地形条 件 的结果校 正 了 Ｆｎ 和 Ｅ ｍ ｎ 提 出 的不 ｏｓ ｍ ｏｓ
焚 风和 大风 下坡 风暴 ，依 地理 位 置变化 有不 同名
还 是借 鉴 国外 模 型 。 了解 当前 国 际上 主要林 火 蔓 延 模 型和 应用 软件 ， 吸收 和 引进 先进 技术 ， 有 助 将
种方法 ， 都回避不了对可燃物、 天气和地形等因素
的考 虑 。
基 金项 目：４ 项 目（０ １４ ５ ） ９８ ２ １＿ — ７ 和行业专项 （０ ０ ４ ０ ） ２ １ ０ ０ ３ 资助
可燃 物和 其他 可 以燃烧 的生 物 质 ，干燥 小枝燃 烧
如计 算科 学 的所 有模 型一 样 ，林 火模 型需 要
速 度 快而径 级 大 的木头 燃烧 速度 慢 。干燥 的可燃 平衡 可靠 性 、 据 的获取 和计算 速度 等 因素 。 火 数 林
物 比潮湿 的 可燃物 更 容易被 点燃 。影 响 火增 长 的 蔓 延模 型 的复杂 性 变化很 大 ，从 简单 的 因果关 系 地形 因素 包 括坡 向和 坡度 。在 峡谷 中火 会加 速蔓 原则 到面 临超级 计算 挑 战 的复杂 物理 模 型 。许 多 延 ， 会 因溪流 和道路 障 的阻碍 而减缓 或停 止 。 也 半 经验 火 蔓延方 程 被用 于多 个重要 地 表火 行 为基 火 蔓 延 过 程 中常 常受 到 多 个 因 素 的 综 合 影 础 参数 的快 速估 计 ，如典 型 风速 和地 形条 件 下 的 火 具体 可燃 物床 具体 点 的火 响 。 或雪会 增 加可燃 物含 水率 ， 的相对湿 度会 火蔓延 速 度 、 焰长 度 、 雨 高
假设燃烧床参数在空间分布是连续 的，地形地势 对 空 间分 辨 率 １ ｍ 以下模 型计 算 没 有 意 义 。 因 ｋ
等 在 空 间分 布也 是连 续 的 ，相 关动 态 环境 参数 变 此 ， 即使 有 某种 形 式 的复 杂 的 火模 型 参 数 ， 如 ， 例
化不大。
Ｃａｋ ｅ ａ．根据火 一修 正风 速利 用 Ｒ ｔｅｍ ｌ模 ｌ ｔ １ ｒ ｏ ｒｅ ｈ
摘
要 ： 罗米修 斯（ ｒｍｅ ｅｓ林火 蔓延模 型可以预测将要 发生的林 火行 为 ， 导林 火扑救和评 估林 火管理 普 Ｐｏ ｔ ｕ） ｈ 指 政策。分析 了影响火模拟 的主要 因子 ， 对当前主要 的 火增长模型 ， 包括经验模型 、 半经验模 型和物理模 型进 行 了概述 。列举 了 当前应 用比较 广泛的 火增 长模拟 软件的主要特征 ，包括 Ｐｏ ｔｅｓＢ ＨＡ Ｅ ｒｍｅ ｕ、 Ｅ Ｖ ｈ Ｐｕ、ａ ｉ 等 。讨论 了火增长物理模型的局限性和未来发展 方向。 ｌｓＦｒｔ ｓｅ
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ０ ２ １ — ５ １
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第 ２期
森 林 防火
天气 通过 风 和湿 度影 响火 行为 。风 会增 加 主 热能传 播 ， 往往 只有高 能量 火才产 生对 流柱 。 热传
风 向 的蔓 延 ， 温度 越 高火燃 烧 越快 ， 较高 的相对 导是 物体 内部微 粒能 量 的传 递 。 而 依靠 分子来 传热 ， 湿 度和 降水 （ 或雪 ）可 以降低火 蔓延 或使 其熄 在森 林燃 烧过 程 中 ，它是地 下 火 的一 种 主要 传 热 雨
灭 。风 向的变化 会 引起 火蔓延 方 向和 火行 为 的突 方式 。 林火 蔓延 模型 可 以分 为统 计模 型 、 物理 半 半
然 变化 ， 导致 危 险的发 生 。天 气还包 括冷 锋 、 可 焚 统 计模 型构成 的半 经 验模 型 、经验模 型和理 论 或
风、 雷暴 、 陆风 和 日问坡风 。 海 可燃 物包括 草 、 质 分 析模型 构成 的物理 模型 。 木