[論文レビュー] A wildland fire modeling and visualization environment

Jan Mandel, Jonathan Beezley+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2011

Fire effects on ecosystems被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、レベルセット法を用いて大気モデルWRFと火災拡散モデルSFIREを結合したオープンソースの野火シミュレーションおよび可視化環境OpenWFMを提示する。この環境は、高解像度でリアルタイムの野火シミュレーションを可能にし、統合されたデータ処理、可視化ツール（Google EarthやVisTrailsを含む）、コミュニティ連携機能を備え、研究および運用用途における統合的火災-大気モデルの発展を著しく促進する。

ABSTRACT

We present an overview of a modeling environment, consisting of a coupled atmosphere-wildfire model, utilities for visualization, data processing, and diagnostics, open source software repositories, and a community wiki. The fire model, called SFIRE, is based on a fire-spread model, implemented by the level-set method, and it is coupled with the Weather Research Forecasting (WRF) model. A version with a subset of the features is distributed with WRF 3.3 as WRF-Fire. In each time step, the fire module takes the wind as input and returns the latent and sensible heat fluxes. The software architecture uses WRF parallel infrastructure for massively parallel computing. Recent features of the code include interpolation from an ideal logarithmic wind profile for nonhomogeneous fuels and ignition from a fire perimeter with an atmosphere and fire spin-up. Real runs use online sources for fuel maps, fine-scale topography, and meteorological data, and can run faster than real time. Visualization pathways allow generating images and animations in many packages, including VisTrails, VAPOR, MayaVi, and Paraview, as well as output to Google Earth. The environment is available from openwfm.org. New diagnostic variables were added to the code recently, including a new kind of fireline intensity, which takes into account also the speed of burning, unlike Byram's fireline intensity.

研究の動機と目的

• 研究および運用予報の両方を支援する包括的で拡張可能かつコミュニティ主導の野火シミュレーション環境を構築すること。
• メソスケール気象モデル（WRF）と物理的根拠を持つ火災拡散モデル（SFIRE）を結合することで、複雑な火災-大気相互作用を扱う課題に取り組むこと。
• オンラインリソースから得られる高解像度の地形図、燃料マップ、気象データを活用して、リアルタイムを上回る速度でのシミュレーションを可能にすること。
• Google Earth、VisTrails、Webポータルなどのツールを通じて、アクセス可能でインタラクティブかつ再現可能な可視化ワークフローを提供すること。
• オープンソースソフトウェア、コミュニティウィキ、CrowdLabsなどのプラットフォームでの共有シミュレーション環境を通じて、協働を促進すること。

提案手法

• 火災境界の進化を表現するためにレベルセット法を用いて、Weather Research and Forecasting（WRF）モデルとSFIRE火災拡散モデルを結合する。
• レベルセット法を用いて火災拡散方程式を解き、WRFの風場を入力とし、大気に戻すために感熱および潜熱フラックスを出力する。
• 細粒度の地形、燃料マップ、気象データのオンライン取得を実装し、現実的なシミュレーションを可能にする。
• WRFの並列計算インfraストラクチャを活用して、数百コアを用いた大規模かつ高解像度のシミュレーションを実現する。
• KML/KMZを用いたGoogle EarthおよびGoogle Maps向けの可視化パイプラインを構築し、VisTrails統合によるプロバンス意識型でカスタマイズ可能な3次元可視化を実現する。
• OpenWFM.org、コミュニティウィキ、CrowdLabs統合を含むWebベースのエコシステムを構築し、協働、ワークフロー共有、シミュレーションの再現性を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高精度な物理モデルとリアルタイム性能の両立を実現するための統合的火災-大気モデルのアーキテクチャはどのように設計すべきか？
• RQ2 再現可能でインタラクティブかつ協働的な野火シミュレーション分析を可能にするために、最も効果的な可視化およびワークフロー管理ツールは何か？
• RQ3 オープンソースソフトウェアとコミュニティプラットフォームは、複雑な環境モデリングシステムの採用と持続可能性をどのように向上させるか？
• RQ4 火災拡散速度を従来の定式化に組み込むことで、火線強度指標にどのような改善が得られるか？
• RQ5 オンラインデータサービスと自動プロセシングパイプラインの活用により、野火シミュレーション研究への参入障壁はどの程度低減できるか？

主な発見

• WRF-SFIRE統合モデルは、火災拡散で数メートル、大気で100メートルの解像度でシミュレーションを実行し、数百コアでリアルタイムを超える性能を達成した。
• 実際の火災、ブルガリアの2009年ハルマニリ火災およびイスラエルの2010年マウント・カーメル火災を対象に妥当性評価を行い、観測された火災境界と熱フラックスと良好に一致した。
• 火炎長と火災拡散速度の両方を考慮する新しい火線強度指標が導入され、従来のバイラムの定式化が拡散速度を無視していた点を改善した。
• KML/KMZベースの可視化とGoogle EarthおよびMapsの統合により、動的でインタラクティブかつ広くアクセス可能な火災シミュレーション出力が可能になった。アニメーションとジオスペーシャルオーバーレイを備えた。
• VisTrailsおよびVisMashupsの活用により、等高線、ベクトル場、タイムステップの操作が可能なプロバンス意識型でカスタマイズ可能な可視化が実現され、探索的分析が向上した。
• OpenWFMエコシステム（ウィキ、Webポータル、CrowdLabs統合を含む）は、協働シミュレーションワークフローとコミュニティ主導の開発を効果的に支援し、活発なユーザー貢献と共有ワークフローを実現した。