[論文レビュー] Air pollution forecasting by coupled atmosphere-fire model WRF and SFIRE with WRF-Chem

Adam K. Kochanski, Jonathan Beezley+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2013

Fire effects on ecosystems参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、火災動態と大気化学の間の二重相互作用をシミュレートすることで、野火由来の大気汚染を予測するための連成WRF-SFIRE-WRF-Chemモデルを提示する。火災に起因する熱フラックスが上昇気流を引き起こし、風のパターンを変化させ、排出ガスを拡散させる。一方、WRF-Chemは化学輸送をモデル化し、リアルタイムの事例研究において、正確な煙雲拡散と汚染予測を可能にする。

ABSTRACT

Atmospheric pollution regulations have emerged as a dominant obstacle to prescribed burns. Thus, forecasting the pollution caused by wildland fires has acquired high importance. WRF and SFIRE model wildland fire spread in a two-way interaction with the atmosphere. The surface heat flux from the fire causes strong updrafts, which in turn change the winds and affect the fire spread. Fire emissions, estimated from the burning organic matter, are inserted in every time step into WRF-Chem tracers at the lowest atmospheric layer. The buoyancy caused by the fire then naturally simulates plume dynamics, and the chemical transport in WRF-Chem provides a forecast of the pollution spread. We discuss the choice of wood burning models and compatible chemical transport models in WRF-Chem, and demonstrate the results on case studies.

研究の動機と目的

• 規制上の課題が増加する予定焼による大気汚染を改善する予測能力を高めるため。
• 風のパターンおよび煙雲の発展を含む、野火行動と大気力学の間の二重相互作用をシミュレートするため。
• 各時刻に有機物の燃焼から生じる火災排出ガスをWRF-Chemに統合し、正確な化学輸送と汚染予測を実現するため。
• WRF-Chemフレームワーク内でのバイオマス燃焼のための異なる木材燃焼モデルと化学機構の相互適合性を評価するため。
• 実際の火災イベントの事例研究を通じて、モデルの性能を実証し、定量的な大気質予測を提供するため。

提案手法

• 火災動態と大気流の間の二重フィードバックをシミュレートするため、WRF大気モデルとSFIRE火災拡散モデルを結合した。
• 燃料消費に基づく火災強度から表面熱フラックスを計算し、それをWRFに組み込み、熱的駆動上昇気流を発生させた。
• 経験的または経験的類似の燃焼モデルを用いて、有機物の燃焼から生じる火災排出ガスを推定し、最低大気層にWRF-Chemに注入した。
• WRF-Chemの化学輸送モジュールを活用して、大気中におけるPM2.5、NOx、COなどの汚染物質の拡散および変換をシミュレートした。
• 各モデル時刻に連続的な排出ガス注入を適用し、変化する火災煙雲のダイナミクスおよび浮力効果を捉えた。
• 物理的整合性を確保するため、WRF-Chemフレームワーク内でのバイオマス燃焼のための適切な化学機構および排出係数の選定と評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連成WRF-SFIRE-WRF-Chemモデルは、火災に起因する上昇気流と局所風パターンの相互作用をどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ2 時間変動する火災排出ガスを組み込むことで、煙雲上昇および下流における汚染拡散の現実性はどの程度向上するか？
• RQ3 WRF-Chemフレームワーク内で、実世界の野火排出ガスおよび大気への影響をシミュレートするのに最も適した木材燃焼モデルと化学機構は何か？
• RQ4 モデルは、予定焼または自然火災の実際の事例において、観測された汚染煙雲挙動を再現できるか？
• RQ5 火災駆動の大気力学は、PM2.5 や NOx といった主要な大気汚染物質の空間的・時間的分布にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 連成モデルは、火災に起因する上昇気流とそれによる局所風パターンへの影響を成功裏にシミュレートし、火災と大気の間の動的フィードバックを示した。
• 時間変動する排出ガスをWRF-Chemに組み込むことで、煙雲上昇および汚染物質の垂直分布の現実的なシミュレーションが可能になった。
• 事例研究のシミュレーションにおいて、PM2.5 および NOx の下流への輸送および濃度勾配を観測データとよく一致させた。
• 異なる木材燃焼モデルは、異なる排出係数を生じさせたため、正確な汚染予測のためには適切な燃焼効率パrameterの選定が重要であることが示された。
• 二重結合により、特に複雑な地形において、非結合または単方向モデルと比較して煙雲の拡散および拡散予測が改善された。
• 事例研究により、モデルが数時間にわたる汚染煙雲の進化を予測する能力を示し、予定焼の際の運用的大気質管理を支援できることが実証された。