Wildfire simulations to protect rural communities and avoid dire evacuations

Abstract

Large and fast wildfires can have catastrophic effects on lives, property, and the environment. Changing wildfire regimes create more destructive wildfires globally, increasing the number of people placed in danger. Evacuations from wildfires are a dramatic, disruptive, yet sometimes necessary last step to ensure people are removed from danger when other layers of wildfire protection are insufficient. Evacuations that start too late may become dire, without enough time for people to evacuate safely, exposing them to the growing hazard. It is imperative that dire evacuations be avoided. This thesis provides a definition of dire evacuations and ways to plan against them, using calculations of wildfire spread. The core effort resides in trigger boundaries, imaginary lines around communities at risk of wildfires, which when crossed by the flames denote the last safe evacuation chance. For this purpose, the k-PERIL model was developed, the first to conduct probabilistic trigger boundary calculations, and applied to the communities of Roxborough Park in Colorado, USA, Mati in Greece and Fort McMurray in Canada. With wildfire spread rate having paramount importance on the validity of trigger boundaries, even state-of-the-art wildfire models were compared, first in a series of benchmark cases, then on probabilistic trigger boundaries, to estimate the effect of model choice on safety. An ensemble approach, considering all the models combined, is required for accurate trigger boundary calculation. Moreover, an effect of wildfire that is rarely considered in evacuations is smoke. A ground-level smoke dispersion model was developed, Galini, that accounts for downwind terrain, flaming and smouldering combustion. This thesis proposes a framework to assess the danger of wildfires on communities via ensemble modelling inferred trigger boundaries, using coupled wildfire, evacuation and ground level smoke modelling. This provides quality and actionable means for communities to plan and prepare themselves for evacuations and improve community safety.

Οι μεγάλες και ταχέως εξελισσόμενες δασικές πυρκαγιές μπορούν να έχουν καταστροφικές επιπτώσεις στις ανθρώπινες ζωές, τις περιουσίες και το περιβάλλον. Οι μεταβαλλόμενες συνθήκες και τα πρότυπα εμφάνισης πυρκαγιών οδηγούν παγκοσμίως σε πιο καταστροφικές δασικές πυρκαγιές, αυξάνοντας τον αριθμό των ανθρώπων που τίθενται σε κίνδυνο. Οι εκκενώσεις λόγω δασικών πυρκαγιών αποτελούν ένα δραματικό και διαταρακτικό, αλλά ορισμένες φορές αναγκαίο, τελευταίο μέτρο για την απομάκρυνση των πολιτών από τον κίνδυνο όταν τα υπόλοιπα επίπεδα προστασίας αποδεικνύονται ανεπαρκή. Οι εκκενώσεις που ξεκινούν πολύ αργά μπορεί να εξελιχθούν σε κρίσιμες καταστάσεις, χωρίς να υπάρχει επαρκής χρόνος για ασφαλή απομάκρυνση των κατοίκων, εκθέτοντάς τους στον συνεχώς αυξανόμενο κίνδυνο. Είναι επιτακτική ανάγκη να αποφεύγονται τέτοιες κρίσιμες εκκενώσεις. Η παρούσα διατριβή παρέχει έναν ορισμό των κρίσιμων εκκενώσεων και προτείνει τρόπους σχεδιασμού για την αποτροπή τους, μέσω υπολογισμών της εξάπλωσης των δασικών πυρκαγιών. Ο βασικός άξονας της εργασίας επικεντρώνεται στα όρια ενεργοποίησης εκκένωσης (trigger boundaries): νοητές γραμμές γύρω από κοινότητες που απειλούνται από πυρκαγιές, των οποίων η υπέρβαση από το μέτωπο της φωτιάς υποδηλώνει την τελευταία ασφαλή ευκαιρία εκκένωσης. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε το μοντέλο k-PERIL, το πρώτο μοντέλο που πραγματοποιεί πιθανοκρατικούς υπολογισμούς ορίων ενεργοποίησης, και εφαρμόστηκε στις κοινότητες Roxborough Park στο Κολοράντο των ΗΠΑ, στο Μάτι στην Ελλάδα και στο Fort McMurray στον Καναδά. Καθώς ο ρυθμός εξάπλωσης της πυρκαγιάς έχει καθοριστική σημασία για την εγκυρότητα των ορίων ενεργοποίησης, συγκρίθηκαν ακόμη και προηγμένα μοντέλα προσομοίωσης πυρκαγιάς, αρχικά σε μια σειρά δοκιμαστικών περιπτώσεων αναφοράς και στη συνέχεια σε πιθανοκρατικά όρια ενεργοποίησης, ώστε να εκτιμηθεί η επίδραση της επιλογής μοντέλου στην ασφάλεια. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι απαιτείται μια προσέγγιση συνδυασμού μοντέλων (ensemble approach), η οποία λαμβάνει υπόψη όλα τα μοντέλα ταυτόχρονα, για την ακριβή εκτίμηση των ορίων ενεργοποίησης. Επιπλέον, μια επίδραση των δασικών πυρκαγιών που σπάνια λαμβάνεται υπόψη στις εκκενώσεις είναι ο καπνός. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε το μοντέλο διασποράς καπνού κοντά στο έδαφος Galini, το οποίο λαμβάνει υπόψη το ανάγλυφο κατάντη του ανέμου, καθώς και την καύση με φλόγα και την καύση χωρίς φλόγα (smouldering combustion). Η διατριβή αυτή προτείνει ένα πλαίσιο αξιολόγησης του κινδύνου που αντιμετωπίζουν οι κοινότητες από δασικές πυρκαγιές, μέσω ορίων ενεργοποίησης που προκύπτουν από μοντελοποίηση συνόλου, χρησιμοποιώντας συζευγμένη προσομοίωση πυρκαγιάς, εκκένωσης και διασποράς καπνού κοντά στο έδαφος. Με αυτόν τον τρόπο παρέχονται αξιόπιστα και αξιοποιήσιμα εργαλεία ώστε οι κοινότητες να μπορούν να σχεδιάζουν και να προετοιμάζονται καλύτερα για εκκενώσεις, ενισχύοντας την ασφάλειά τους.