Vildeldsindex och klimatmodeller med hög upplösning kombinerar för att producera en detaljerad historisk analys av händelser i skogsbränder i USA och föreslår potentialen för mer allvarliga och frekventa bränder under senare halvan av seklet.

Listan är lång, några av de bekanta namnen:Solros, Paradis, Whitewater-Baldy, Äpple, Pinecreek. Namn som åberopar bilder av pastorala respit bort från den hektiska världen.

Nu är dessa namn synonymt med skogsbränder.

Antalet och svårighetsgraden av skogsbränder skapar rubriker över hela världen, från västra USA till Brasilien, från Sibirien till Australien. Skogsbränder förstör miljön, decimera enorma delar av mark- och viltpopulationer - det uppskattas, till exempel, att en halv miljard djur dog i megabränderna som nyligen svepte över Australien. Utöver deras inverkan på naturen, skogsbränder tar också hårt på luftkvaliteten, infrastruktur, hem och människoliv.

Kombinera data från väletablerade brandindex och historiska klimatregister, forskare vid U.S.Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory kartlägger en prognos för skogsbrandhändelser i de angränsande USA och Alaska som sträcker sig över resten av seklet. De tillämpar också den prognosen för att förutsäga hur skogsbränder kan påverka viktig infrastruktur, särskilt landets elnät.

Förstå deras placering, frekvens och svårighetsgrad kan hjälpa infrastrukturoperatörer, markförvaltningsbyråer och lokala myndigheter utvecklar planer för att mildra den förödelse som orsakas av framtida skogsbränder.

Att tända lågorna av intresse

Under 2007, Yan Feng var postdoktor vid University of California i San Diego, när hon bevittnade sin första löpeld, en händelse som är tillräckligt allvarlig för att stänga skolan i flera dagar.

"Folk bar masker eftersom luftkvaliteten var så dålig, du kunde se askan flyta överallt, "minns Feng, nu en främsta atmosfärs- och klimatforskare vid Argonnes division Environmental Sciences (EVS). "Men det var en så imponerande händelse att jag blev intresserad av skogsbränder."

Hon gick med i labbet 2010, att lägga bort det intresset i några år tills ett forskningsinstitut sökte Argonnes expertis och superdatorresurser för att utveckla en högupplöst klimatmodell och brandfara-karta över västra USA.

Fengs arbete med det projektet väckte hennes intresse för skogsbränder igen, och hon började skriva finansieringsförslag för att fortsätta forskningen i ämnet. Snart skulle hon upptäcka att andra på Argonne delade i hennes sysselsättningar.

En av dem var Mark Petri, chef för Argonnes elnätsprogram, vars arbete inkluderar analys av kritisk infrastrukturs motståndskraft. Ett av sätten att testa den motståndskraften är att identifiera och förstå yttre faror, som extremt väder, som kan påverka nätet och annan väsentlig infrastruktur.

Som det visar sig, Argonne hade redan byggt upp en ganska stor kunskapsbas om dessa faror, spara en i synnerhet.

"Vi klarar oss bra med orkaner och isstormar, derechos och nor'easters, sa Petri, "men det enda området som vi verkade sakna var skogsbränder."

Och vad de ville, mer specifikt, var data som fokuserade på hur klimatförändringar påverkar skogsbränder.

Gå in i Feng igen.

Arbetar genom Argonne Laboratory Directed Research and Development (LDRD) finansiering från Petri, hon och kollegorna Jiali Wang och Emily Brown publicerade en artikel i tidskriften Miljöforskningsbrev som undersöker trender för skogsbränder under de senaste 30 åren. Med hjälp av det välkända Keetch-Byram Drought Index (KBDI) och exceptionellt högupplösta klimatobservationer från platser över hela landet, de illustrerade hur dessa trender kan påverka framtida händelser.

KBDI mäter mängden fukt som är tillgänglig för lokal vegetation i övre jordlager och matrisen för sönderfallande organiskt material, eller deep duff, som vilar ovanför dessa skikt. En indexpunkt på noll tyder på att marken är väl mättad; vid 800, torkan råder.

Medan andra har genomfört historiska trendanalyser av skogsbränder med KBDI tidigare, Argonne-forskarna var de första som fick en med oöverträffad upplösning och över en så stor yta och tidsperiod.

Om du tänker på ett rutnät, de flesta rutnätspunkter som används i aktuella studier står för ett område, eller rumslig upplösning, i intervallet 10 till 50 km. Fengs team använde observationer som omfattade områden på bara 4 km över de angränsande USA, för perioden 1982 till 2017.

Men eftersom KBDI och andra brandindex främst fungerar som prediktiva indikatorer för skogsbränder, de var tvungna att hitta ett sätt att relatera indexet till faktiska bränder, vilket de gjorde genom att hitta historiska data för bränder som inträffade under den perioden.

"Så, vi gjorde denna korrelationsanalys och fann betydande korrelationer mellan brandindex och det observerade brinnande området från skogsbränder under de senaste 36 åren, "sa Feng." Det gav oss förtroende för att använda detta prediktiva index för framtida uppskattningar. "

Indexet applicerades sedan på regionala klimatmodeller producerade av Jiali Wang och miljövetenskapskollegan Rao Kotamarthi med hjälp av en väderforsknings- och prognosmodell (WRF) med ett mellanrum på 12 km. Med ett affärsmässigt tillvägagångssätt som beaktade osäkerheter från olika inmatade datakällor, de kunde förutsäga frekvensen och svårighetsgraden av framtida skogsbränder från mitten till slutet av 2000-talet över både det angränsande USA och Alaska.

Det är mer komplicerat

I jämförelse med andra klimatinducerade fenomen, som mer intensiva orkaner eller mer frekventa och extrema stormar, skogsbränder är mer komplicerade.

Förutom regionala väderförhållanden, forskare måste överväga andra viktiga miljöfaktorer som kan främja och sprida en brand. Det finns topografi - i grunden, markens läggning — och markförvaltningen; en sluttning som är vindriktad gör att en eld sprids snabbare, och en yta laddad med torrt trä, löv och buskar lägger bokstavligen bränsle till elden.

Olika index tar bara hänsyn till några av dessa variabler, och alla har sina för- och nackdelar, noterade Wang, en argonne atmosfärisk och jordvetare och medförfattare av tidningen. KBDI, till exempel, fokuserar på temperatur och nederbörd, men tar inte hänsyn till vind som, som vi har sett, är avgörande för brandspridning.

"Vi började med ett ganska enkelt brandindex som ger dig risken, men kan inte förutsäga branden lika exakt som väderprognosen, "Sa Wang." Det är ganska bra över regioner som har rikt bränsle, men för områden som inte har det, vi måste titta på andra index med färre begränsningar och möjligen bättre förutsägbarhet. "

Trots dessa begränsningar, laget kunde använda sina historiska data som en solid baslinje för att förutsäga brandeldspotential under senare hälften av detta århundrade. Utsikterna är oroande, minst sagt, drivs främst av stigande temperaturer.

Redan, extrema temperaturer, hårda vindar och torka i väst ger en dyster förhandstitt på vad som kommer. I slutet av september, skogsbränder hade skapat en enorm sträng av förstörelse från södra Kalifornien norrut genom Oregon och Washington, bränner rekordstarka 4 miljoner tunnland bara i Kalifornien.

"Baserat på vår och andra studier, det finns en ökning när det gäller frekvensen och svårighetsgraden av de bränder som inträffar i nuet jämfört med för två eller tre decennier sedan, sa Feng.

Och enligt forskningen, saker och ting kommer bara att bli värre.

"Vi körde WRF -modellerna många gånger, och alla utgångar projicerar fler, oftare och mer extrema brandhändelser, speciellt i väst, där det redan finns många bränder, " tillade Wang. Samma sak kommer att gälla för syd och sydost, redan benägna att skadas av orkaner och andra extrema faror.

De fann också att risken för extrema bränder kunde sträcka sig till delar av landet där skogsbränder tidigare utgjorde liten risk, som mellanvästern, nordost och Alaska.

Även om det vanligtvis ignoreras i sådana studier på grund av brist på observationsdata och beräkningskraven för att lägga till dem i simuleringar, Alaska ingick i lagets tidning, där de skrev att staten "har värmats dubbelt så snabbt som resten av nationen, och upplever temperaturhöjning permafrost, vilket kan leda till fler skogsbränder."

Den resulterande informationen kommer att användas av Argonne-teamet för att bygga in en brandriskindikator i deras infrastrukturriskbedömningsmodell, en som redan adresserar de andra, mer allmänt studerade extrema faror.

Modellen fungerar som en slags riskplan, förse elföretag och andra infrastrukturoperatörer med långsiktiga riskprognoser, oavsett om det är en skogsbrand eller orkan. Att känna till den potentiella timingen och svårighetsgraden av någon av dessa kan hjälpa dem att utveckla en bättre förvaltningsplan för säkerheten för viktig infrastruktur, särskilt landets elnät.

Detta kan innebära bättre markförvaltning, som att hugga ner träd och buskar runt verktyg, eller flytta kraftledningar där så är möjligt. Arbete pågår för att utveckla smartare strategier för att stänga av strömmen när system riskerar överhettning, undvika avbrott som de som ett av Kaliforniens största företag kritiserades för under skogsbränder som svepte in norra Kalifornien, förra året.

"Det arbete som Argonne-teamet har producerat kommer att hjälpa till att förstärka de riskresiliensmodeller som vi utvecklar för att tillhandahålla genomtänkta strategier för säkerheten för nationens folk, mark och infrastruktur, "sa Petri." Det kommer också att fungera som en tillgång för andra som arbetar med strategier för att begränsa bränder i hela labbet. "

Denna forskning publicerades online som "U.S.S. Wildfire potential:a historical view and future projection using high-resolution climate data" i Miljöforskningsbrev , 22 juli, 2020.