[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种耦合的WRF-Fire模型，整合了时滞燃料湿度模型和WRF-Chem以实现烟雾输送，能够准确模拟野火蔓延和排放。该系统利用气象数据动态计算燃料湿度，并与WRF-Chem耦合，以二阶精度和自适应时间步长实现气溶胶排放和大气输送的模拟，兼顾稳定性与效率。

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.

研究动机与目标

• 通过利用大气变量和降雨强度动态建模燃料湿度，以改进野火蔓延模拟。
• 实现在不同气象条件下燃料湿度演变的准确、长期模拟。
• 将野火模型与WRF-Chem耦合，以实现烟雾排放的大气输送的逼真模拟。
• 实施二阶自适应时间步长方法，以确保在湿度和野火动力学模拟中的数值稳定性和准确性。
• 支持实时野火模拟和预计算湿度场分析，以实现灵活的建模工作流程。

提出的方法

• 使用时滞微分方程组对三种时滞等级（1、10、100小时）的燃料湿度进行建模，采用物种特异性系数。
• 利用WRF输出（T、Q、P）通过Murphy和Koop（2005）的饱和水汽压近似方法计算相对湿度。
• 基于温度和湿度，使用Van Wagner和Pickett（1985）的经验公式估算平衡湿度含量（Ed和Ew）。
• 采用带有中点平均的自适应指数时间积分方法，以确保在大时间步长下仍保持二阶精度和稳定性。
• 通过改进的时滞方程引入降雨润湿效应，其中饱和湿度S和与降雨强度相关的润湿速率共同作用。
• 通过将烟雾排放（CO2、CO、CH4、PM2.5）按野火热通量比例注入，实现与WRF-Chem的耦合，未来将支持基于FEPS的排放通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何仅使用标准WRF气象输出，在实时条件下准确且高效地建模燃料湿度？
• RQ2 哪些时滞参数和降雨润湿系数能产生与Van Wagner和Pickett（1985）等既定经验模型一致的行为？
• RQ3 自适应时间步长在长期野火和湿度模拟中如何提升数值稳定性和准确性？
• RQ4 与WRF-Chem耦合在多大程度上能提升烟羽输送和大气相互作用的逼真度？
• RQ5 该模型能否同时支持实时耦合野火-大气模拟和基于预计算湿度场的独立分析？

主要发现

• 当采用S = 250%、Trk = 14 h、r0 = 0.05 mm/h和rk = 8 mm/h的降雨润湿响应参数时，模型与加拿大野火危险等级系统结果匹配合理。
• 自适应指数时间积分确保了即使时间步长与或长于时滞常数时，仍具有二阶精度和稳定性。
• 燃料湿度模型成功捕捉了细燃料对降雨的瞬态响应，包括降水停止后的干燥过程。
• 与WRF-Chem的耦合使得能够使用物种特异性示踪剂（如p_smoke表示PM2.5）将野火排放注入大气化学模型。
• 该模型支持多种运行模式：实时耦合模拟、独立湿度场演化分析，以及基于重启的仅野火运行。
• 未来实现基于FEPS的排放方案后，将能够支持化学和物理活性烟羽模拟，包括二次气溶胶生成和云 condensation nuclei 效应。