利用地球尺度气候模型改进野火预测

几千年来，野火一直在塑造环境，但随着气候变暖，野火的频率、范围和强度都在增加。美国能源部橡树岭国家实验室的科学家正在将这种现象纳入对地球气候的高分辨率模拟中，其使命是更好地了解和预测环境变化。

进入2023年夏季火灾高峰期两个月后，加拿大野火烧毁了2500万英亩土地，扰乱了数百万人的生活，蔓延范围超出了加拿大西部的传统范围，向东蔓延至新斯科舍省。野火产生的烟雾已飘到人口稠密的地区，远至美国乔治亚州，跨越大西洋到达欧洲并进入北极圈。

这些影响正在被纳入地球气候的大规模模拟中，例如美国能源部的百亿亿次级能源地球系统模型，该模型反映了碳循环等土地过程，以便更好地预测未来气候。E3SM在世界上最快的超级计算机上运行，​​包括ORNL的Frontier百亿亿次系统，提供高度先进的模拟，以更好地预测可能影响能源部门的环境变化。

橡树岭国家实验室科学家毛家福专注于地球系统建模，改进地表响应和环境变化反馈的模拟。这些模型评估了历史火灾数据、碳排放、温度和降水等大气因素以及植被状况、土壤湿度和土地利用等主要土地变量之间的协同作用。他的机器学习算法支持更好地预测野火和相关的社会经济风险，可以指导适应和缓解策略。

使用人工智能加强野火风险预测

在一个项目中，这些算法被用来提高一系列地球系统模型的确定性，并预测与未经训练的模型相比，全球人口、国内生产总值和农业遭受全球野火影响的程度会增加。研究还表明，不受算法限制的模型往往会夸大植被稀疏地区与火灾相关的碳排放量。与此同时，受限模型预测热带和亚热带地区的野火碳排放量会增加，因为那里茂密的植被变干并为火灾提供了更多的燃料。

毛说：“我们希望更好地了解和预测野火驱动因素，以及人类健康、生态系统和基础设施方面的潜在脆弱性。”面临的挑战是从更高分辨率的数据集中提高野火模拟的特异性。他补充说，将数据收集到一个中央存储库将很有帮助，这些数据现在分散在各个联邦、州、大学和国家实验室来源中，需要收集到一个中央位置。

毛说：“观测数据存在差距，全球野火记录的大部分数据都是基于大约20年前才开始收集和提供的卫星产品。”“关于火灾本身以及火灾后恢复过程的长期、高时空分辨率、持续收集的观测结果很少。”

为了增强与野火相关的数据集，Mao和ORNL的同事FernandaSantos启动了火灾社区数据库网络，鼓励科学家和土地管理者将烧毁地区的环境数据提交到中央存储库。共享此类信息不仅可以改进研究，还可以为土地管理实践提供信息。

橡树岭国家实验室计算地球科学小组的负责人福雷斯特·霍夫曼(ForrestHoffman)对生物地球化学过程很感兴趣，其中包括野火，这些过程在几十年内推动了气候的演变。他是美国能源部通过合成和计算科学重点领域(RUBISCO)减少生物地球化学相互作用的不确定性的实验室研究经理，该领域汇​​集了来自国家实验室和大学的科学家，利用实验室、现场和遥感数据评估和改进地球系统模型。

传统上，野火在地球系统模型中的代表性不足，霍夫曼和他的同事正在努力解决这个问题。他说：“从卫星遥感数据集中获得有关烧毁面积的正确指标意味着我们可以更好地预测在未来潜在情景下气候变化的演变将会发生什么。”

左下角的灰色烟雾从加拿大西部的野火中向北输送，到达覆盖北冰洋的海冰边缘。在这张2023年7月13日拍摄的图像中，图像顶部中心可以看到第二条浓烟，由俄罗斯远东北部地区的野火散发。图片来源：NASAMODIS

霍夫曼称赞毛和其他研究人员正在开发的机器学习方法作为RUBISCO项目的一部分，作为正确和代表火灾指标的一种方法。

和毛泽东一样，霍夫曼也认识到需要新的观测数据集。霍夫曼说，有时研究人员无法透过可见传感器卫星图像上的烟雾来评估火灾排放，而更多的多光谱和热图像可以提供更精细的地表细节，这将有助于填写有关直接和长期影响的数据。。

用更好的指标、方法“预警”趋势

霍夫曼在评估遥感数据以增进对气候变化的了解方面拥有丰富的记录。十年前，他与他人共同领导开发了一种名为ForWarn的基于卫星图像的可视化工具，用于为美国林务局跟踪国家森林系统的变化。该工具由橡树岭国家实验室不断更新，每八天检查一次美国各地的卫星图像，以检测野火、昆虫爆发、风和冰雹等干扰。

林务局使用ForWarn来识别对森林健康的威胁，许多土地管理机构和个人研究人员使用该工具来识别和跟踪干扰、土地覆盖和作物生产的变化。

“该系统跟踪年度物候周期的微妙变化，”霍夫曼说。“例如，如果植被绿色度突然比以前更强怎么办?我们可以将其归因于比正常天气更潮湿吗?”在大烟山，ForWarn揭示了一个有趣的趋势，可能会改变该地区的植被多样性。“我们看到冬季绿化面积明显减少，我们认为这是由于铁杉毛状铁杉导致常绿植被死亡的结果，铁杉是美国著名的入侵物种。”这些常绿植物随后被落叶植被所取代，所以你会看到绿色更具季节性。”

世界各地的科学家可以访问另一个数据集，以了解火灾的范围和严重程度，并获得火灾碳排放和其他测量的估计值，即ORNLDAAC(生物地球化学动力学分布式主动档案中心)，由ORNL管理。ORNLDAAC是NASA地球观测系统数据和信息系统内的一个数据中心。

它是NASA提供的工具之一，使研究人员、资源管理者和灾害管理团队能够在火灾发生前了解和监测环境条件，测量火灾燃烧时的强度和发展情况，并评估火灾的后果和影响。事件。

毛补充说：“橡树岭国家实验室在野火方面开展了广泛的工作。但这需要与全国各地的国家实验室、大学、联邦机构以及州和地方层面的同事，甚至与私人土地管理者继续合作应对更好地预测这些事件并增强抵御其众多影响的能力的挑战。”