森林和灌木丛火灾行为特征的全球定量研究进展
全球森林与灌木丛火灾行为特征的量化研究进展
学术背景
野火（wildland fire）是一种复杂的自然现象，涉及化学、物理和生物过程的相互作用。由于其自由传播的特性、破坏性的能量通量以及危险的环境，野火的研究极具挑战性。理解野火行为对于减轻和管理其对生态和人类价值的影响至关重要。然而，野火行为的机制跨越了从毫米到公里的空间尺度和从秒到小时的时间尺度，这使得全面测量和建模变得极为困难。
过去几十年，野火行为的定量研究主要依赖于野外实验和偶尔的野火观测。这些研究为野火行为的理解提供了基础，但由于缺乏标准化的实验方法，定量理解野火行为的物理驱动因素受到了限制。近年来，新的传感器和测量方法的应用为更全面地描述火灾传播特征提供了机会，特别是在野火事件中的应用，能够更好地捕捉小尺度实验中无法复现的现象。
论文来源
这篇题为《全球森林与灌木丛火灾行为特征的量化研究进展》的综述论文由Miguel G. Cruz、Chad M. Hoffman和Paulo M. Fernandes共同撰写，分别来自澳大利亚CSIRO、美国科罗拉多州立大学和葡萄牙Trás-os-Montes e Alto Douro大学。该论文于2024年11月25日被接受，并发表在《Current Forestry Reports》期刊上，DOI为10.1007/s40725-024-00241-5。
论文主要内容
1. 火灾行为数据的全球综合
论文首先回顾了过去二十年来在森林和灌木丛生态系统中进行的野外火灾行为研究，重点关注了火灾传播速率（rate of fire spread）、点火和传播可持续性（ignition and spread sustainability）、火焰特征（flame characteristics）、燃料消耗（fuel consumption）以及火点行为（spotting behaviour）等最常测量的火灾行为属性。
作者指出，尽管野外实验和野火观测数据为火灾行为的定量理解提供了基础，但由于缺乏标准化的实验方法，定量理解火灾行为的物理驱动因素受到了限制。近年来，新的传感器和测量方法的应用为更全面地描述火灾传播特征提供了机会，特别是在野火事件中的应用，能够更好地捕捉小尺度实验中无法复现的现象。
2. 火灾传播速率的研究
火灾传播速率是研究最广泛的火灾行为量之一。论文总结了48项研究，这些研究主要通过野外实验和野火观测收集了火灾传播速率的数据。研究方法从地面观察者的目测估计到使用飞机或无人机的视觉和红外图像分析。大多数研究仅考虑了一维传播时间，而详细的火灾形状和时空变化的传播速率测量则较少。
近年来，越来越多的研究开始公开其实验和野火数据，这些数据被用于开发新模型、校准现有模型或测试新的建模方法，如遗传算法优化、神经网络和其他机器学习方法。这些公开数据也为独立评估新模型和现有模型提供了基础。
3. 点火成功与火灾传播可持续性
点火成功和火灾传播可持续性是火灾行为研究中的重要但较少被研究的领域。论文总结了13项研究，这些研究主要探讨了点火成功和地表火灾传播可持续性的阈值条件。研究发现，燃料湿度（fuel moisture content）是影响火灾传播可持续性的主要因素，风速和燃料结构描述符也在一些研究中被确定为显著变量。
4. 火焰特征的研究
火焰特征的研究对于理解火灾对生态系统的影响、灭火难度、辐射暴露以及推动更复杂的火灾传播模型的发展至关重要。论文总结了17项研究，这些研究主要测量和建模了火焰高度、角度和深度等火焰特征。研究发现，火焰特征的测量方法多种多样，从视觉估计到摄影和视频记录，但由于缺乏定义和接受的测量方法，测量结果存在较高的不确定性。
5. 燃料消耗的研究
燃料消耗是火灾行为研究中的一个重要属性，它决定了火灾的能量释放、二氧化碳排放、烟雾产生以及对生态系统的影响。论文总结了多项研究，这些研究主要探讨了不同类型燃料的消耗情况，包括细燃料（fine fuels）和粗燃料（coarse woody debris）。研究发现，燃料湿度是影响燃料消耗的主要因素，火灾强度或遥感火灾严重性指标也对燃料消耗比例有直接影响。
6. 火点行为的研究
火点行为是指火灾中飞散的火种在火焰区外点燃新火的过程。论文总结了多项研究，这些研究主要通过野外实验和野火观测数据探讨了火点行为的动态。研究发现，风速、火灾规模和地形是影响长距离火点行为的关键驱动因素。
7. 综合数据收集活动
为了支持对火灾行为及其与火灾效应和烟雾联系的更深入理解，科学家们越来越多地设计和开展跨学科的测量活动。这些活动通常涉及对燃料、大气条件、地形、燃料湿度等环境变量的详细测量，以及对火灾行为和效应的详细记录。这些综合测量活动为评估各种预测模型、测试特定假设以及生成新假设提供了机会。
论文的意义与价值
这篇综述论文通过对过去二十年来全球森林和灌木丛火灾行为研究的综合，揭示了火灾行为数据的多样性和复杂性。论文指出，尽管野外实验和野火观测数据为火灾行为的定量理解提供了基础，但由于缺乏标准化的实验方法，定量理解火灾行为的物理驱动因素受到了限制。近年来，新的传感器和测量方法的应用为更全面地描述火灾传播特征提供了机会，特别是在野火事件中的应用，能够更好地捕捉小尺度实验中无法复现的现象。
论文还强调了火灾行为数据在开发和评估预测模型中的重要性，这些模型在火灾管理和决策支持中具有广泛的应用。通过综合全球火灾行为数据，论文为未来的火灾行为研究提供了重要的参考和指导。
亮点
- 全球综合：论文首次对过去二十年来全球森林和灌木丛火灾行为研究进行了全面综合，揭示了火灾行为数据的多样性和复杂性。
- 新技术的应用：论文强调了新传感器和测量方法在火灾行为研究中的应用，特别是在野火事件中的应用，能够更好地捕捉小尺度实验中无法复现的现象。
- 数据公开：论文指出，越来越多的研究开始公开其实验和野火数据，这些数据为开发新模型、校准现有模型以及独立评估模型提供了基础。
- 跨学科研究：论文强调了跨学科测量活动在火灾行为研究中的重要性，这些活动为评估各种预测模型、测试特定假设以及生成新假设提供了机会。
结论
这篇综述论文通过对全球森林和灌木丛火灾行为研究的综合，揭示了火灾行为数据的多样性和复杂性，并强调了新传感器和测量方法在火灾行为研究中的应用。论文为未来的火灾行为研究提供了重要的参考和指导，具有重要的科学价值和应用价值。