Study of atmosphere-wildland fires interactions, using numerical models, in Greece

Abstract

The present PhD dissertation investigated several aspects of atmosphere-wildland fire interactions by utilizing an online coupled atmosphere – fire numerical model (WRF-SFIRE), which is a combination of a numerical weather prediction (NWP) model with a semi-empirical numerical fire spread model. The first study investigated the influence of the released heat fluxes from a surface fire on its characteristics, flow dynamics in the vicinity and plume properties. Specifically, the role of the extinction depth or e-folding depth parameter (zext) was assessed throughout eight highly idealized experiments, which were performed in LES mode. Results indicated that the choice of the zext parameter not only affected the vertical distribution of the fluxes but also the amount of the released energy from the surface fire. Moreover, the calculated burn probabilities revealed that under identical initial atmospheric conditions but different e-folding depths discrepancies might occur in the resulted fire area. The analysis on near surface dynamics revealed discrepancies in the patterns and the magnitude of vertical vorticity and divergence fields, in the shape of the fire perimeter and the location of the fire head between the experiments. The horizontal advection of vertical vorticity contributed the most to the increase of vorticity, while the tilting/twisting term was dominant at the early stages of the fire, where the ambient shear-generated horizontal vorticity, ωy, was oriented into vertical due to buoyant gradients from the surface fire. The second study analyzed the prevailing weather conditions on 23rd of July 2018, assessed the performance of the WRF-SFIRE modelling system, investigated the role of the complex terrain to the mean flow and fire behavior and examined the uncertainty of ignition features during two high-impact fire events that occurred in Attica Region, Central Greece (Mati and Kineta fire events). The coupled model validated in terms of temperature, relative humidity and wind speed against the available HNMS surface observations. Although the model performed satisfactory, the air temperature (2 m) and wind speed (10 m) were overestimated, whilst the relative humidity (2m) was underestimated. The predicted fire perimeters were in satisfactory agreement with the observed ones, but there were time lags in the initial development of the fires’ momentum and subsequently discrepancies on the temporal evolution of the modeled fires occurred. Moreover, simulations revealed the presence of induced orographic waves, paths of high winds on the lee-slopes, transient resemblance of a hydraulic jump downstream of Penteli Mt., while indicated a downward transport of energy and momentum during the maximum wind speed occurrences. Quite different influences of topography in each fire event were found, where the isolated Gerania Mts contributed to warmer, drier and windier conditions leeward, while Penteli Mt. had a lesser impact on atmospheric variables downstream.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή διερεύνησε τις αλληλεπιδράσεις ατμόσφαιρας – πυρός με τη βοήθεια ενός άμεσα συζευγμένου αριθμητικού μοντέλου (WRF-SFIRE), το οποίο αποτελεί συνδυασμό ενός αριθμητικού μοντέλου πρόγνωσης καιρού με ένα ημι-εμπειρικό μοντέλο διάδοσης του πυρός. Στο πρώτο μέρος της ερευνητικής διεργασίας μελετήθηκε η επίδραση των εκλυόμενων ροών θερμότητας του πυρός στις ιδιότητές του και στα χαρακτηριστικά της ατμοσφαιρικής ροής και της επαγωγικής στήλης θερμότητας (πλούμιο), αντίστοιχα. Πιο συγκεκριμένα, εκτιμήθηκε ο ρόλος της παραμέτρου heat extinction depth ή e-folding depth (zext) μέσα από οχτώ ιδεατά αριθμητικά πειράματα, τα οποία πραγματοποιήθηκαν με τη μέθοδο LES. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η τιμή του zext επηρέασε την καθ’ ύψος κατανομή των εκλυόμενων ροών αλλά επίσης και την ποσότητα της εκλυόμενης ενέργειας που «εισχωρεί» στο ατμοσφαιρικό μοντέλο. Διαφορετικές τιμές zext κάτω από ίδιες αρχικές ατμοσφαιρικές συνθήκες είχαν ως αποτέλεσμα διαφορετικές καμένες περιοχές (σχήμα και έκταση). Διαφορές παρατηρήθηκαν τόσο στην ένταση όσο και στα μοτίβα της κάθετης συνιστώσας του στροβιλισμού (οριζόντιος στροβιλισμός) και της απόκλισης κοντά στην επιφάνεια, επηρεάζοντας το σχήμα της καμένης έκτασης και τη θέση της κεφαλής. Ο όρος της οριζόντιας μεταφοράς συνείσφερε θετικότερα στην αύξηση του οριζόντιου στροβιλισμού, ενώ ο όρος της κλίσης/συστροφής βρέθηκε μεγαλύτερος κατά τα πρώιμα στάδια της φωτιάς, όπου η παραγόμενη λόγω κατακόρυφης διάτμησης του ανέμου, ψ συνιστώσα του στροβιλισμού προσανατολίστηκε κατακόρυφα εξαιτίας της έντονης ανωμεταφοράς από την φωτιά επιφανείας. Στο δεύτερο μέρος της ερευνητικής διεργασίας πραγματοποιήθηκε η συνοπτική ανάλυση, παρουσιάστηκαν οι επικρατούσες ατμοσφαιρικές συνθήκες στην επιφάνεια, διερευνήθηκε η επίδραση της τοπογραφίας στη μέση ροή και στη συμπεριφορά του πυρός και ελέγχθηκε η επίδραση των παραμέτρων της ανάφλεξης (τοποθεσία, χρόνος, είδος) στη καμένη έκταση, κατά τη διάρκεια των γεγονότων της 23ης Ιουλίου 2018, όπου εκδηλώθηκαν δύο πυρκαγιές με ακραία συμπεριφορά, σε Δυτική (περιοχή Κινέτα) και Ανατολική (περιοχή Μάτι) Αττική. Ο αριθμητικός συνδυασμός αξιολογήθηκε ως προς την θερμοκρασία και υγρασία του αέρα και την ταχύτητα του ανέμου με βάση τα δεδομένα των σταθμών επιφανείας της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας. Η απόδοση του κρίθηκε ικανοποιητική, αν και βρέθηκε να υπερεκτιμά τη θερμοκρασία στα 2 m και τη ταχύτητα του ανέμου στα 10 m, και να υποεκτιμά τη σχετική υγρασία στα 2 m. Η προσομοίωση της καμένης έκτασης και στα δύο γεγονότα υπό μελέτη ήταν σε σχετική συμφωνία με τη εκάστοτε πραγματική, ωστόσο και στις δύο περιπτώσεις υπήρξε καθυστέρηση στην ανάπτυξη της δυναμικής τους, με αποτέλεσμα να προκύψουν διαφορές ως προς την εξέλιξή τους χρονικά. Επιπλέον, η ανάλυση των αποτελεσμάτων της αριθμητικής προσομοίωσης υπέδειξε την παρουσία επαγόμενων κυμάνσεων λόγω ορεογραφίας στην ευρύτερη περιοχή, μονοπάτια ατμοσφαιρικής ροής μεγάλης ταχύτητας στα υπήνεμα των ορεινών εμποδίων, παροδική εμφάνιση χαρακτηριστικών ενός τυρβώδους υδραυλικού άλματος στα κατάντη του Όρους Πεντέλη και κατακόρυφη μεταφορά ενέργειας και ορμής προς τα έδαφος, κατά τη διάρκεια εμφάνισης των μέγιστων ταχυτήτων ανέμου. Η επίδραση της ορεογραφίας στην εκάστοτε πυρκαγιά βρέθηκε διαφορετική καθώς, η παρουσία των απομονωμένων Γεράνειων Ορέων οδήγησε σε θερμότερες και ξηρότερες συνθήκες, με ισχυρότερες ταχύτητες ανέμου στα κατάντη, ενώ το Όρος Πεντέλη είχε μικρότερη επίδραση στις ατμοσφαιρικές συνθήκες στην υπήνεμη πλευρά.