[論文レビュー] WRF fire simulation coupled with a fuel moisture model and smoke transport by WRF-Chem

Adam K. Kochanski, Jonathan Beezley+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2012

Fire effects on ecosystems参考文献 12被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、時間遅れ燃料湿潤モデルとWRF-Chemを統合した連成WRF-Fireモデルを提示しており、火災拡大と排出ガスの正確なシミュレーションを可能にしている。このシステムは気象データを用いて燃料湿潤を動的に計算し、WRF-Chemと結合することで、2次精度と適応的時間刻みを用いた気溶膠排出と大気中輸送をシミュレートする。

ABSTRACT

We describe two recent additions to WRF coupled with a fire spread model. Fire propagation is strongly dependent on fuel moisture, which in turn depends on the history of the atmosphere. We have implemented a equilibrium time-lag model of fuel moisture driven by WRF variables. The code allows the user to specify fuel parameters, with the defaults calibrated to the Canadian fire danger rating system for 10-hour fuel. The moisture model can run coupled with the atmosphere-fire model, or offline from WRF output to equilibrate the moisture over a period of time and to provide initial moisture conditions for a coupled atmosphere-fire-moisture simulation. The fire model also inserts smoke tracers into WRF-Chem to model the transport of fire emissions. The coupled model is available from OpenWFM.org. An earlier version of the fire model coupled with atmosphere is a part of WRF release.

研究の動機と目的

• 気象変数と降雨強度を用いて大気変数に基づく動的燃料湿潤モデリングにより、火災拡大シミュレーションを改善すること。
• 変化する気象条件下での燃料湿潤の進化を正確に長期にわたってシミュレートできること。
• 火災モデルをWRF-Chemと結合して、煙排出の大気中輸送を現実的にシミュレートすること。
• 数値的安定性と精度を確保するため、2次精度と適応的時間刻み法を実装すること。
• リアルタイム火災シミュレーションと事前計算された湿潤場の分析を両立できる、柔軟なモデリングワークフローを支援すること。

提案手法

• 3つの遅れクラス（1、10、100時間）に分けて、物種に特化した係数を用いて、時間遅れ微分方程式系を用いて燃料湿潤をモデル化する。
• WRF出力（T、Q、P）から相対湿度を計算する際、MurphyとKoop（2005）の飽和水蒸気圧近似式を用いる。
• 温度と湿度に依存するVan WagnerとPickett（1985）の経験的公式を用いて、平衡湿潤含量（EdおよびEw）を推定する。
• 中点平均を用いた適応的指数時間積分を適用し、大規模な時間刻みでも2次精度と安定性を確保する。
• 飽和湿潤量Sと降雨強度に依存する湿潤速度を用いて、修正された時間遅れ方程式を降雨による湿潤効果に組み込む。
• 火災熱フラックスに比例して煙排出（CO2、CO、CH4、PM2.5）を注入することで、WRF-Chemと結合する。将来、FEPSに基づく排出フラックスのサポートを予定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なWRF気象出力のみを用いて、リアルタイムに正確かつ効率的に燃料湿潤をモデル化する方法は何か？
• RQ2 どの時間遅れパラメータと降雨湿潤係数が、Van WagnerとPickett（1985）の既存の経験的モデルと整合する挙動を示すか？
• RQ3 適応的時間刻み法は、長期間にわたる火災および湿潤シミュレーションにおける数値的安定性と精度をどのように向上させるか？
• RQ4 WRF-Chemと結合することで、煙プラウム輸送と大気相互作用の現実性はどの程度向上するか？
• RQ5 本モデルは、リアルタイム連成火災-大気シミュレーションと、事前計算された湿潤場を用いたスタンドアロン解析の両方をサポートできるか？

主な発見

• S = 250%、Trk = 14 h、r0 = 0.05 mm/h、rk = 8 mm/h のパラメータ設定で、カナダ火災危険度評価システムと妥当な一致を示した。
• 適応的指数時間積分により、時間刻みが時間遅れ定数と同等またはそれ以上であっても、2次精度と安定性が保証された。
• 燃料湿潤モデルは、降雨後の乾燥挙動を含め、細粒燃料の過渡的応答を適切に捉えた。
• WRF-Chemとの結合により、火災排出を物質に特化したトレーサー（例：PM2.5用のp_smoke）を用いて大気化学モデルに注入可能となった。
• 本モデルは複数の運用モードをサポートする：リアルタイム連成シミュレーション、スタンドアロンの湿潤場進化、リスタートを用いた火災専用走行。
• 将来のFEPSベース排出スキームの実装により、二次的エアロゾル生成や雲凝結核効果を含む、化学的・物理的に活性なプラウムシミュレーションが可能になる。