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无人机、卫星和人工智能:加州如何用分析技术扑灭不可预测的野火

放大字体  缩小字体 2024-05-24 20:52  浏览次数:15 来源:本站编辑    

Cal Fire Division Chief Jon Heggie, shown at San Diego County Fire Station 44 in Pine Valley, served as a fire behavior specialist for one of California's worst wildfires, the 2020 CZU Lightning Complex. Photo by Kristian Carreon for CalMatters

加州消防大队队长乔恩·赫吉没想到夏末圣克鲁斯北部发生了一场大火,这里是加州潮湿凉爽的“石棉森林”所在地。他想,这个地方不会着火,70年来只发生过三起引人注目的火灾。

赫吉的工作是根据地形、天气和燃料——这些“不可改变”的基础数据,为消防队员预测野火可能发生的地点和时间。对于像Heggie这样的火灾行为分析师来说,可预测和熟悉是可控的,而怪异和意外是危险的同义词。

但2020年的那场大火是不可预测的。

8月16日凌晨3点左右,该地区形成了不祥的雷团。数以万计的闪电如雨点般落下,造成了一场大火,后来成为CZU闪电综合体。

到中午,已经有二十多处火场在燃烧,却没有足够的人手来处理。火焰咆哮着穿过海岸山脉,在深荫的森林和齐腰高的蕨类植物中,可以看到太平洋。从来没有人见过这样的景象。大火出乎预料地蔓延了一个月。大火蔓延到圣马特奥县,烧毁了86000英亩土地,摧毁了近1500座建筑,并造成一名逃离的居民死亡。

“看到这种行为和重燃料的消耗是令人惊讶的,”赫吉说。“看到破坏令人难以置信。事情超出了正常范围。在我30年的生活中,我从未见过任何东西燃烧得如此强烈。”

几乎同样令人不安的是这火的行为——它在晚上也不退却。

赫吉说:“下午燃烧的时间会增加,晚上我们会看到持续的高强度燃烧。”“那是我们应该迎头赶上的时候。这并没有发生。”

2020年夏天的火灾是加州历史上最严重的一次,它重新校准了资深消防员对火灾行为的理解:没有什么能比得上它

由于气候变化加剧,尤其是温暖的夜晚和更长时间的干旱,加州的火灾经常演变成特大火灾,甚至是覆盖超过一百万英亩的特大火灾。据科罗拉多大学的研究人员称,自2000年以来,美国的野火规模增加了四倍,频率增加了三倍。其他科学家最近预测,由于气候变化,未来20年,加州夏季被烧毁的森林面积将增加52%。

尽管去年是平静的季节,三年的干旱也结束了,但加州现在正进入野火的高峰期,大火的幽灵并没有消退。去年冬天创纪录的冬季降雨非但没有减少火灾的威胁,反而促进了繁茂的植物生长,这为夏季火灾提供了更多的燃料。

加州消防局官员警告说,今年的情况与2017年夏秋相似,当时一个多雨的冬天之后是该州最具破坏性的火灾季节之一,造成47人死亡,近11,000座建筑被毁。

美国林务局团队部署dro 需要捕捉照片和红外图像,这些图像用于绘制火灾地图,以找到火灾发生的区域 火焰仍然活跃,何时 它们可能会传播。美国林务局Andrew Avitt拍摄

不仅仅是现代野火的规模和威力,还有它们反复无常的行为,这些行为让消防老手们感到困惑——他们的佯攻和转变,让预测火灾可能发生的情况、然后制定出阻止火灾的策略的努力陷入困境。这是一个危险的计算:在真正的大火中,选择是重要的。人民的生命和生计受到威胁。

加州消防队现在经常发现自己被包抄了。应对更大、更不稳定、更强烈的火灾需要更多的人员和设备。预计火焰会到达的地方的救援人员和引擎已经失去了平衡。

“我们生活在一个新的现实中,”加州州长加文·纽森(Gavin Newsom)最近在加州大火(Cal Fire)的一次活动上说,“我们不能一定依赖于过去的一些更具预测性的模型,因为气候变化正使世界变得越来越热、越来越干,也越来越不确定。”

CalFire利用了所有的新技术,如无人机、军事卫星、红外图像和人工智能辅助地图,这些技术可以在火灾中发挥作用。指挥官们现在必须考虑更广泛的可能性,以便在前线以意想不到的方式发生变化时能够做出调整。该机构还通过配备在黑暗中飞行的新“火鹰”(Fire Hawk)直升机舰队,加强了其扑灭夜间火灾的能力。

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该州成立了一年的野火威胁和情报整合中心(Wildfire Threat and Intelligence Integration Center)已经把所有可能的数据点都投入到这个问题上,该中心从数十个联邦、州和私人来源获取信息,以创建一幅有利于引发或蔓延火灾的条件的每分钟图景。

纽森说:“我们正在利用尖端技术来扑灭野火,探索人工智能等创新如何帮助我们更快地识别威胁,更智能地部署资源。”

对沿海城镇的意外袭击

2017年的托马斯大火就是一个例子,当一场大火在一个多雨的冬天点燃时,会以意想不到的方式转向和变化。

沿海文图拉县和圣巴巴拉县的大火发生在12月,当时火灾季节通常已经平静下来。消防老手都知道秋天和冬天的火灾会被潮湿的空气和雾所控制。

但这并没有发生。

“我们在第五天或第六天,事故指挥官来问我,‘我们今晚要疏散卡平特里亚吗?’”加州消防局助理局长蒂姆·查韦斯(Tim Chavez)说,他是托马斯火灾的火灾行为分析师。“我看了地图,我们都得出结论,卡平特里亚会很好,别担心。果然,那天晚上大火烧进了卡平特里亚,他们不得不撤离整个城镇。”

根据火灾和天气数据,没有人预计大火会在一夜之间继续蔓延。而且,随着风力的减弱,没有人预测到大火会蔓延到圣巴巴拉南部这个拥有1.3万人口的海边小社区。但高温、低湿度和30多年来从未有过火焰的陡峭、干燥的地形将托马斯大火吸引到了海岸。

突然的转变使这个城镇处于危险之中。随着大火蔓延到卡平特里亚东部边缘,大约300名居民在半夜被疏散。

这场大火是由强风吹倒的电线引发的,大火持续了近40天,蔓延了28.1万英亩(约合1.6万公顷)的土地,摧毁了1000多座房屋和其他建筑,造成两人死亡,其中包括一名消防员。当时,这是加州现代史上最大的一场野火;现在,仅仅六年后,它就排在第八位。

2017年12月5日,托马斯大火威胁着文图拉101高速公路附近的房屋。AP Photo: Jae C. Hong

对卡彭特利亚的意外袭击是大自然的“我告诉过你”,加州的火灾行为分析师正越来越多地经历着这种令人羞愧的打击。

“我从犯错中学到的东西比从正确中学到的要多,”查韦斯说。“你做这份工作不可能不为你所看到的东西感到惊讶。即使是小火,有时也会让你大吃一惊。”

温暖的夜晚,干旱,少雾会改变火的行为

科学家们说,过去20年来,野火的行为和强度发生了深刻的——也许是不可逆转的——变化。即使在没有沙漠风的情况下,大火也会沿着海岸燃烧,大火在晚上也不会停止,大火穿透了所谓的红木幕,烧毁了加州最古老的州立公园大盆地红木的97%。

野火的变化是由一系列因素驱动的:美国西部在过去1200年里最干旱的时期,加利福尼亚海岸的雾消失,以及顽固的夜间温度,使火焰一直持续到晚上。

根据2020年的一项研究,更高的温度和更长的干旱期与西部森林火灾的恶化有关,从1985年到2017年,严重烧伤的面积增加了8倍。研究人员写道:“更温暖、更干燥的火灾季节与更严重的火灾相对应,”这表明“气候变化将导致未来几十年火灾严重程度的增加。”

赫吉说:“我们看到的是极端火灾行为的急剧增加。”“当你经历了持续10年的干旱,破坏了景观,当这些火灾开始时,你有死燃料装载和可用燃料。这就是megafire的催化剂。这一直是火灾行为改变的驱动力。”

插画:Victor Lowe

据加州大学伯克利分校的研究人员称,自世纪之交以来,大约33%的沿海夏季雾已经消失。使沿海地区不发生大火的那层凉爽潮湿的空气不能再用来保护加州的红杉林了。

随着夜间气温的显著升高,消防员也失去了另一个盟友。2020年夜间火灾的强度比2003年增加了约28%。与40年前相比,每年的“易燃之夜”增加了11个,增幅超过40%。

结果是,火灾在夜间越来越不可能“熄灭”,因为消防人员可以在火焰之前工作。失去了进行关键灭火工作的时间,加上额外的夜间蔓延,加州工作人员追赶快速移动的大火的时间就更少了。

此外,火旋风和所谓的“火旋风”作为火灾行为不稳定的特征更为常见。火焰、热量和风的扭曲漩涡可以上升到数百英尺高的柱子上,并被强风旋转。

“烈火”不仅仅是看起来可怕:它们将余烬和碎片散布数英里,使本已危险的火灾变得更加危险。去年夏天在洛杉矶北部发现了一只。

“火灾确实在变化,这是各种不同变化的结合,”环境数据科学创新和;科罗拉多大学博尔德分校的包容实验室和一位长期跟踪野火趋势的火灾研究员。

“我们正在失去雾。我们看到干旱的时间越来越长,季节也越来越晚。所以这对加州来说意味着,在这些创纪录的热浪下,我们现在还面临着圣安娜风的影响。”“我认为我们正在往某个方向下注。”

行为主义者的一天

在工作中的许多专家中有火灾行为分析师,他们负责为事故指挥官预测火灾的日常运动。当火灾肆虐时,Cal fire的分析人员会从大量技术含量很高的数据中获取信息,包括风力和风向、温度和湿度、斜坡的形状和高度、该地区的燃烧历史、地面上有哪些燃料,以及在某些情况下燃烧的可能性。

这些信息从卫星、无人机、飞机、遥感器和计算机地图收集而来,由火灾行为分析师实时输出,并进行分类,他们通常使用计算机程序来准备模型,以预测火灾可能发生的情况。

这些信息被合成并迅速传递给解雇老板。笔记本电脑和手提电脑在现代的火线上无处不在,取代了在卡车引擎盖上铺一张皱巴巴的地图的历史悠久的做法。

“通常情况下,我每天四点半或五点起床,”查韦斯说,他在职业生涯的大部分时间里都是一名火灾行为分析师。“我们从夜间飞行的飞机上获得红外火灾地图,它告诉我们火灾活跃的地方。其他飞机以网格模式飞行,我们看那些静止的图像。我可能会看电脑模型、火灾蔓延模型和天气预报。还有其他数据可以告诉你该地区有哪些燃料。你把所有这些都插上,就能知道24小时后火灾会发生在哪里。”

在消防营上午8点的简报会上,“你有两分钟的时间告诉人们要注意什么,”他说。查韦斯说,他一整天都在监视可用的数据,并搭上直升机从空中观察大火。在下午5点的另一次会议上,他和其他官员准备第二天的事件行动计划。然后他又回去整理更多的天气和火灾数据。目的是在午夜之前上床睡觉。

“我们正在失去雾。我们看到更干燥的co nditions瞧 直到赛季后期……我认为我们正在往某个方向下注,”环境中心主任詹妮弗·鲍尔奇(Jennifer Balch)说 科罗拉多大学博尔德分校的政府数据科学创新与包容实验室。摄影:Aaron o ntivaeroz为CalMatters服务

火灾行为分析师工作的重要性反映在可用工具的复杂性上:实时NOAA卫星数据、军事飞行的天气信息、雷达、显示该地区100年历史的计算机生成地图、当前的燃料负荷及其可燃性、飞机和无人机监视以及未来火灾运动的人工智能模型。在火场上空飞行的飞机提供了更多的细节,更快,关于火羽内部是什么,对消防老板来说是至关重要的信息。

在加州,国民警卫队(National Guard)已进入一项协议的第四个年头,该协议将分享从军用卫星获取的非机密信息,这些卫星扫描弹道导弹助推段的热信号。当这些热图像与野火有关时,该机构的FireGuard系统可以每15分钟向加州消防局发送详细信息。

气象学家克雷格·克莱门茨(Craig Clements)是圣何塞州立大学(San Jose State University)火灾天气研究实验室的主任,他研究火灾已有十年之久。

克莱门茨说:“我们可以把飞机拉到火场上,雷达开始旋转,你可以在四分钟内看到烟雾。”“它为我们提供了有关内部粒子及其结构的信息。”

这张地图是由科罗拉多大学博尔德分校的一个实验室的超级计算机制作的,这个实验室正在使用我 这些数据可以更好地了解大型野火及其日益不稳定的行为。摄影:Aaron o ntivaeroz为CalMatters服务

Fire行为决策并不完全依赖于外部数据输入。经验丰富的消防指挥官仍然坚定地致力于一个可靠的指标:他们脖子后面的头发。

在制定战术时,战场经验和来之不易的知识仍然很重要。但这是规范如何转变的一个衡量标准,即使是机构知识也可能失效。

消防的未来:人工智能处理数十亿个数据点

也许最大的飞跃是应用人工智能来理解火灾行为。联合国人工智能顾问、加州大学欧文分校(UC Irvine)讲师尼尔·萨霍塔(Neil Sahota)正在开发一种系统,训练计算机审查大量数据并得出预测性结论。

Sahota说,这个想法并不是要取代火灾行为分析师,抛弃他们几十年的火灾经验,而是要增加他们的工作——而且,最重要的是,要更快地行动。

“我们可以在几秒钟内近乎实时地处理数十亿个不同的数据点,”他说。“挑战在于,什么是正确的数据?例如,我们可能认为野火有七个变量。人工智能可能会回来说有成千上万个。”

为了使计算机的信息有用,必须教计算机:童子军营火和野火的区别是什么?如何区分纵火犯纵火和消防队员用滴炬点燃逆火?

尽管在现代火线上使用设备的速度令人眼花缭乱,但大多数火灾行为的计算机模型仍然基于马克·芬尼(Mark Finney)设计的算法,他是火灾科学领域的一位受人尊敬的人物。

芬尼在蒙大拿州的米苏拉火灾科学实验室工作,他通过观察研究火灾行为,特别是在燃烧室和野外开始各种各样的火灾。在米苏拉的另一个实验室里,科学家们在特殊的烤箱里烘烤各种类型的木材,以确定燃料在不同湿度水平下的燃烧情况。

尽管如此,芬尼对在野火燃烧时使用的许多复杂技术并不感冒。他说,这只会给人一种控制的错觉。

他说:“一旦你不得不与这些极端的火灾作斗争,你就已经输了。”“不要让任何人骗你,我们不会扑灭这些火灾,我们不会控制它们。我们等待天气的变化。”

米苏拉研究小组于1972年开发了国家火灾危险等级系统,该系统至今仍在使用。芬尼设计的火灾行为工具之一是FARSITE系统,这是一个模拟火灾增长的系统,对前线消防老板来说非常宝贵。

芬尼和他的同事们正在研究下一代行为预测系统,目前正在进行现实世界的测试。

他说:“这个等式有很多假设。”“我们正在接近目标。大自然要复杂得多。关于火的行为仍有许多未解之谜。我们没有一个路线图来告诉我们这已经足够好了。”

他说,到目前为止,他和其他人开发的预测工具的最佳用途是学习如何通过砍伐和砍伐森林来减少威胁。

“我很乐意告诉你,解决这些问题的关键是更多的研究。但如果我们停止做研究,只使用我们所知道的,情况会好得多。”

尽管如此,关于火力行为的研究仍在继续,因为人们相信,你无法与自己不了解的敌人作战。

麦克古 ntz是科罗拉多大学博尔德分校的博士后研究员,他领导的一个项目专注于更好地了解加州的特大火灾,为消防老板提供灭火的最佳信息。摄影:Aaron o ntivaeroz为CalMatters服务

Mike Koontz就站在这场战斗的前线,躲在超级计算机的半圆形中。Koontz领导着科罗拉多州博尔德市的一个研究小组,研究一个新的、不稳定的、引人注目的话题:加州大火。

“自2000年代以来,我们开始看到加州极端火灾行为的明显上升,”科罗拉多大学博尔德分校地球实验室的博士后研究员昆茨说。“我们控制了火势迅速蔓延并在短时间内爆炸的情况。”他说,加州是极端火灾的多发地。

Koontz正在使用超级计算机来抓取数据库、地图和卫星图像,并将这些数据应用到他设计的分析框架中。该团队追踪了意外增长的重大火灾,以及天气条件、地形、火灾蔓延率和其他因素的分层。

结果是导致加州大火蔓延到如此之大的因素的粗略草图。下一个障碍是将信息迅速送到消防指挥官手中,Koontz说。

我们的目标是:如果不是一本救火的新圣经,至少是一本更新的剧本。

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