Models of Wildland Fire and Ember Spread
Earth Research Institute, University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校地球研究所）；Department of Scientific Computing, Florida State University（佛罗里达州立大学科学计算系）；Department of Earth, Ocean, and Atmospheric Science, Florida State University（佛罗里达州立大学地球、海洋与大气科学系）
本章结合多场景观测数据，构建从简单到全物理层级的 ember 输送模型，阐释其迁移物理原理并关联统计模型，为野外火灾研究提供建模支撑。
2026-08-11 physics.ao-ph
Fast Fourier Transform Ensemble Kalman Filter with Application to a Coupled Atmosphere-Wildland Fire Model
本文提出了一种新的组合卡尔曼滤波器（EnKF），它利用快速傅立叶变换（FFT）对一个极小的集合进行协方差估计，并通过卷积快速计算分析集合，从而避免了求解稀疏系统。FFT EnKF与变形EnKF相结合，除了幅度误差外，还可以校正位置误差，并在WRF-Fire上进行了演示，WRF模型与水平集方法实现的火灾蔓延模型相结合。
2010-01-11 physics.ao-ph
Modelling turbulence effects in wildland fire propagation by the randomized level-set method
湍流在野外火灾蔓延中至关重要，因为它随机输送热气团，热气团可以预热然后点燃火灾前方的区域。这有助于给一个随机字符的火前位置连同其他现象，例如火点，植被分布（斑块），气体燃烧波动，小规模的地形海拔变化。这里只考虑湍流。水平集方法被用来数值描述的火线轮廓，假设有一个随机运动，因为湍流的演变。然后，燃烧过程的进展由水平集轮廓描述，该水平集轮廓根据由湍流运动中的空气颗粒的概率密度函数给出的权重函数分布。从普通和随机水平集方法之间的比较，它出现，所提出的建模方法被证明是适合模拟移动的火锋馈送的地面燃料和驱动，旁边的气象和地形因素，也由热空气的湍流扩散。这种方法允许模拟火灾克服防火带。讨论的结果是探索性的，需要进行进一步的验证。
2014-08-26 physics.ao-ph
Ignition from a Fire Perimeter in a WRF Wildland Fire Model
目前的WRF火灾模型在给定的时间从给定的着火点开始火灾。我们希望在给定的时间从给定的火力周界开始模型。然而，燃料平衡和大气状态取决于火灾的历史。这项工作的目的是创建一个近似的人工历史的火灾的基础上给定的火灾周长和时间和一个近似的点火点和时间。然后，回放火灾历史建立合理的燃料平衡，并将热通量输出到大气模式中，这使得大气环流得以发展。然后，大气-火灾耦合模型接管。在本初步调查中，假设周界为凸形或星形，根据点火点到周界的距离计算火灾区域内的点火时间。模拟结果表明，理想的例子，火灾可以继续在一个自然的方式从周边。可能的扩展包括用于更一般的周界的算法，以及从周界向后运行火灾模型以创建更真实的历史。所使用的模型扩展了WRF-Fire，可从openwfm.org获得。
2011-07-13 physics.ao-ph
Assimilation of Perimeter Data and Coupling with Fuel Moisture in a Wildland Fire - Atmosphere DDDAS
我们提出了一种方法来改变状态的天气研究预报（WRF）模型加上火灾蔓延代码SFIRE，基于Rothermel的公式和水平集方法，并与燃料水分模型。模型运行时，模型中的火灾周界会根据数据发生变化。然而，大气状态需要时间来发展，以响应来自火灾的热通量的强迫。因此，人工火灾历史创建从早期火灾周边到新的周边，并重放适当的热通量，以允许大气状态进行调整。该方法是一个早期的方法，开始从一个发达的火灾周边，而不是一个点火点的耦合火灾模型的扩展。水平集方法也被用来识别参数的仿真，如蔓延率和燃料水分。耦合模型可从openwfm.org获得，它扩展了WRF版本中的WRF-Fire代码。
2012-03-27 physics.ao-ph
Modelling the spreading of large-scale wildland fires
本研究报告有两个目的。首先，最后的发展和验证结果的混合模型，旨在模拟火灾模式在异质景观。该模型结合了一个随机的小世界网络模型的功能与燃烧和非燃烧细胞之间的相互作用，强烈依赖于当地的风，地形和植被的确定性半物理模型。在未燃电池的预热过程中，考虑了来自燃烧区的辐射和对流以及辐射热损失。其次，该模型被应用到澳大利亚草原火灾实验以及真正的火灾，发生在科西嘉岛在2009年。预测比较有利的蔓延率，面积和烧伤的形状方面的实验。最后，使用两水平全因子设计研究了模型结果（此处为扩散率）对六个输入参数的敏感性。
2016-02-05 physics.ao-ph
A review of wildland fire spread modelling, 1990-present, 1: Physical and quasi-physical models
近年来，在计算能力和空间数据分析（地理信息系统，遥感等）的进步，导致了越来越多的尝试，以模拟蔓延和整个景观的野火行为。这一系列的审查文件努力批判性地全面审查自1990年以来开发的所有类型的地面火蔓延模型。本文回顾了物理或准物理性质的模型。这些模型基于燃烧和火灾蔓延的基本化学和/或物理学。该系列中的其他论文回顾了经验或准经验性质的模型，以及数学模拟和模拟模型。许多模型是1990年以前开发的模型的扩展或改进。在这种情况下，这些模型也进行了讨论，但不那么全面。
2007-06-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
A review of wildland fire spread modelling, 1990-present 3: Mathematical analogues and simulation models
近年来，计算能力和空间数据分析（地理信息系统，遥感等）的进步导致了越来越多的尝试，以模拟整个景观的蔓延和野火的行为。这一系列的审查文件努力批判性地全面审查自1990年以来开发的所有类型的地面火蔓延模型。本文回顾了模拟或数学模拟性质的模型。大多数仿真模型是现有经验或准经验模型的实现，并且它们的主要功能是将这些通常一维模型转换为二维，然后在建模的景观上传播火灾周界。数学模拟模型是那些基于某种数学幻想（而不是火灾蔓延的物理表示），巧合地模拟火灾蔓延的模型。该系列中的其他论文回顾了物理或准物理性质以及经验或准经验性质的模型。许多模型是1990年以前开发的模型的扩展或改进。在这种情况下，这些模型也进行了讨论，但不那么全面。
2007-06-28 physics.ao-ph physics.geo-ph
A review of wildland fire spread modelling, 1990-present 2: Empirical and quasi-empirical models
近年来，在计算能力和空间数据分析（地理信息系统，遥感等）的进步，导致了越来越多的尝试，以模拟蔓延和整个景观的野火行为。这一系列的审查文件努力批判性地全面审查自1990年以来开发的所有类型的地面火蔓延模型。本文回顾了经验或准经验性质的模型。这些模型完全基于实验获得的数据的统计分析，有或没有一些物理框架的基础上的关系。该系列的其他论文回顾了物理或准物理性质的模型，以及数学模拟和仿真模型。经验模型的主要关系是风速和燃油含水率与前向扩散率的关系。比较由不同的作者为这些变量选择的不同的函数关系。
2007-06-28 physics.ao-ph physics.geo-ph
The Ceiling Height of Wildland Fire Plumes in Sheared Boundary Layer Flow
本研究通过雷达观测和大涡模拟，提出修正的Byram对流数尺度分析，揭示剪切和分层对野火烟羽弯曲及顶盖高度的关键控制作用。
2025-08-06 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A wildland fire modeling and visualization environment
我们提出了一个建模环境的概述，包括一个耦合的大气野火模型，可视化，数据处理和诊断，开源软件库，和社区维基工具。火灾模型，称为SFIRE，是基于火灾蔓延模型，实现水平集方法，它是与天气研究预报（WRF）模型。一个包含这些特性子集的版本作为WRF-Fire随WRF 3.3一起发布。在每个时间步中，火灾模块将风作为输入并返回潜热和感热通量。软件架构使用WRF并行基础设施进行大规模并行计算。该代码的最新功能包括插值从一个理想的对数风廓线的非均质燃料和点火从火灾周边与大气和火灾自旋。实时运行使用燃料地图，精细地形和气象数据的在线资源，并且可以比实时运行更快。可视化路径允许在许多软件包中生成图像和动画，包括VisTrails，VAPOR，MayaVi和Paraview，以及输出到Google Earth。该环境可从openwfm.org获得。最近在代码中添加了新的诊断变量，包括一种新的火线强度，它也考虑了燃烧的速度，这与Byram的火线强度不同。
2011-11-20 cs.CE physics.ao-ph
Impact of Forest Canopy Structure on Buoyant Plume Dynamics During Wildland Fires
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
本研究通过大涡模拟揭示森林冠层结构显著影响野火浮力羽流动力学，间隙冠层增强湍流动能和浮力，为火灾建模提供关键参数。
2025-10-16 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Air pollution forecasting by coupled atmosphere-fire model WRF and SFIRE with WRF-Chem
大气污染物法规已成为规定烧伤的主要障碍。因此，预测野火造成的污染具有重要意义。WRF和SFIRE模式的林火与大气相互作用呈双向传播。火灾产生的表面热通量导致强烈的上升气流，这反过来又改变了风，影响了火灾的蔓延。从燃烧的有机物估计的火灾排放物在每个时间步中插入到最低大气层的WRF化学示踪剂中。火灾引起的浮力自然模拟了烟羽动力学，WRF-Chem中的化学传输提供了污染扩散的预测。讨论了WRF-Chem中木材燃烧模型和相容的化学传输模型的选择，并通过实例分析说明了结果。
2013-04-29 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Scaling analysis for buoyant plumes over wildland fires
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）
本研究通过大涡模拟，分析冠层与无冠层环境下野火浮力羽流中心线斜率，发现冠层阻力使近地面斜率增大一个数量级，并建立斜率与过渡高度的幂律标度关系，为烟雾预测建模提供依据。
2026-10-01 physics.ao-ph
Data assimilation of dead fuel moisture observations from remote automated weather stations
可燃物含水量对野火的行为有着重要的影响，是火灾风险评估中的一个重要基础因素。我们提出了一种方法来同化死燃料水分含量观测从远程自动气象站（RAWS）到一个时滞燃料水分模型。RAWS在空间上很稀疏，需要一种机制来估计可能远离观测站的位置的燃料水分含量。这是安排使用趋势面模型（TSM），它使我们能够考虑到地形和大气状态对燃料水分含量的空间变异性的影响。在每个感兴趣的位置处，TSM提供伪观测，该伪观测通过卡尔曼滤波被同化。该方法进行了测试与时滞燃料水分模型在耦合天气火灾代码WRF-SFIRE 10小时燃料水分含量观测科罗拉多州RAWS在2013年。我们使用留一法测试的TSM相比，毫不逊色，在荒地火灾评估系统中使用的距离平方反比插值。最后，我们证明了资料同化方法是能够提高燃料水分含量估计在未观察到的燃料类。
2014-06-17 physics.ao-ph
Pixel-Level Statistical Analyses of Prescribed Fire Spread
林火动力学是一个复杂的湍流维过程。元胞自动机（CA）是预测火灾动力学的有效工具，但其主要参数的估计具有挑战性。为了克服这一挑战，我们计算统计分布的CA模型的关键参数，使用红外图像从控制烧伤。此外，我们将这种分析应用于不同的空间尺度，并将实验结果与一个简单的统计模型进行比较。通过分析和比较，揭示了CA的一些功能和局限性。
2017-12-12 math.PR nlin.CG physics.ao-ph
Data management and analysis with WRF and SFIRE
我们介绍了几个有用的实用程序，在开发中使用WRF和SFIRE的真实荒地火灾模拟的创建和分析。这些实用程序作为独立的程序和脚本以及对其他知名软件的扩展而存在。Python web scraper自动化了从公共源下载和预处理大气和地表数据的过程。其他脚本通过自动创建参数文件来简化域设置。与Google Earth的集成允许用户在3D环境中探索模拟以及真实的表面图像。后处理脚本为用户提供了许多与许多常用可视化套件兼容的输出数据格式，允许创建高质量的3D渲染。总的来说，这些改进是为了建立一个统一的Web应用程序，为科学家和用户带来一个复杂的野火建模环境。
2012-08-05 cs.SE physics.ao-ph
Continuous Forest Fire Propagation in a Local Small World Network Model
本文提出了一种新的连续森林火灾模型的发展，实现了加权局部小世界网络的方法。这种新方法旨在模拟真实的、异质景观中的火灾模式。野火蔓延是在一个正方形网格上模拟的，其中每个单元代表土地表面的一个区域。燃烧和非燃烧细胞之间的相互作用，在本工作中引起的火焰辐射，可以扩展到最近的邻居。这取决于当地的地形和植被类型。一种基于固体火焰模型的方法被用来预测从燃烧产生的火焰的辐射热通量的每个站点向其邻居。加权程序考虑到树木的自降解和可燃电池随时间的点燃过程。该模型进行了测试的领域提出了一系列的斜坡，并从一个真正的野火场景收集的数据。的扩展过程的临界行为进行了研究。
2013-06-30 physics.ao-ph
Real time simulation of 2007 Santa Ana fires
有许多野火行为的相关性越来越大，即使是最复杂的业务火灾蔓延和火灾行为模型的预测能力之外。业务模式的局限性主要是由于它们无法代表耦合火-大气相互作用。耦合野火-大气模型是基于物理学的野火蔓延和行为的流体动力学诊断模式，试图几乎完整地表示火灾-大气相互作用。然而，这种保真度意味着这些模型不能在操作中使用。原因在于，尽管计算资源不断增加，但这种建模方法所涉及的过程和尺度（1 mm至100 km）的复杂性和范围使得计算成本非常昂贵。在这项研究中，我们提出了一个中间的方法。一个基于物理的耦合大气火灾模型是用来解决大尺度和当地的天气以及大气火灾的相互作用，而燃烧是简单地使用现有的业务表面火灾行为模型。这种模型组合在保真度和执行速度之间取得了平衡。这种方法的可行性研究的基础上分析的两个非常大的圣安娜火灾的数值模拟使用WRF-Sfire，一个耦合的大气火灾模型，可在开放的荒地火灾建模社区（OpenWFM. org）;早期版本可作为WRF火灾WRF释放。该研究表明，以能够对该事件进行实时野火预测的执行速度获得了合理准确度的风和火灾蔓延预测。
2012-02-16 physics.ao-ph
Data assimilation of fuel moisture in WRF-SFIRE
可燃物湿度是影响野外火灾行为的主要因素，也是火灾风险的重要潜在因素。我们提出了一种方法来同化空间稀疏燃料水分观测从远程自动气象站（RAWS）到水分模式WRF-SFIRE。WRF-SFIRE是一个耦合大气和火灾行为的模型，它模拟了基于大气状态的理想燃料组分中燃料水分的演变。所提出的方法使用一个修改后的趋势面模型来估计燃料水分场及其不确定性的基础上，目前可用的观测。在WRF-SFIRE的每个网格点，这些信息与使用非线性卡尔曼滤波器的模型预测相结合，从而更新燃料水分的估计。我们证明了该方法的有效性与测试在两个现实世界的情况下：在南加州的一个地区，最近发生了两个大型圣安娜火灾，并在域封闭科罗拉多州。
2013-08-31 physics.ao-ph stat.AP
Assimilation of Satellite Active Fires Data
Metropolitan State University of Denver（丹佛大都会州立大学）
森林火灾是我们社会中一个日益严重的问题。这些火灾的数量和严重程度多年来一直在上升。野火对生命和财产构成直接威胁，并通过空气质量下降等附带影响构成威胁。本论文的目的是开发技术，以帮助打击野火的影响，通过提高野火建模能力，利用卫星火灾观测。其他研究人员在这方面已经做了很多工作。我们的工作旨在利用数学上合理的方法来扩大知识体系，以利用考虑卫星数据中固有的不确定性的野火信息。在这篇论文中，我们将探讨使用卫星数据来帮助初始化和引导野火模拟的方法。特别是，我们开发了一种方法，用于构建火灾的历史，一种新的技术，用于同化野火数据，和一种方法，用于修改模型火灾的行为，通过推断信息的燃料在火域。这些目标依赖于能够估计火灾首次到达感兴趣的地理区域中的每个位置的时间。由于真实野火的详细知识通常是不可用的，在这篇论文中开发和测试方法的基本程序将首先与模拟数据，使产生的估计可以与已知的解决方案进行比较。然后将由此开发的方法应用于现实世界的场景。对这些情景的分析表明，构建火灾历史和数据同化的工作提高了火灾建模能力。这项研究意义重大，因为它使我们更好地了解了使用卫星数据为野火模型提供信息的能力和局限性，并为火灾行为建模指明了新的途径。
2022-04-01 cs.LG physics.ao-ph stat.AP
Wildfire Prediction to Inform Fire Management: Statistical Science Challenges
野火是一种重要的地球系统过程，其发生的时空尺度十分广泛。在过去的一个世纪里，各种方法被用来预测野火现象，以更好地了解火灾过程，并为火灾和土地管理决策提供信息。由于火灾现象在所有尺度上的固有随机性，统计方法在野火预测中具有重要作用。预测模型已经利用了描述火灾现象的几个数据源。实验数据很少;观测数据以政府火灾管理机构汇编的统计数据为主，主要用于行政目的，越来越多地来自遥感观测。火灾在许多尺度上都是罕见的事件。描述火灾现象的数据可以是零重的，并且在空间和时间上都是非平稳的。火灾建模方法的用户主要是消防管理机构，通常在很大的时间限制下工作，因此，复杂的模型必须有效地估计。我们专注于提供消防管理决策所需的一些信息，以及在区域，国家和全球范围内预测火灾发生，增长和频率所面临的挑战。
2013-12-23 physics.ao-ph stat.AP
Data Assimilation of Satellite Fire Detection in Coupled Atmosphere-Fire Simulation by WRF-SFIRE
目前，极轨道卫星上的VIIRS和中分辨率成像分光仪仪器提供的卫星主动火灾探测产品可在任意位置产生探测方块。没有全局火灾/无火灾地图，在云层覆盖下没有检测，假阴性很常见，检测正方形比火灾行为模型的分辨率粗糙得多。因此，目前的主动火灾卫星探测产品应仅用于改进统计意义上的火灾建模，而不是作为直接投入。我们描述了一种用于主动火灾检测的新数据同化方法，该方法基于对火灾到达时间的修改，以同时最小化与预测火灾到达时间的差异并最大化火灾检测数据的可能性。该方法的灵感来自于计算机视觉中使用的轮廓检测方法，并且它可以被转换为贝叶斯逆问题技术或广义Tikhonov正则化。在找到整个模拟域上的新的火灾到达时间之后，可以使用新的火灾到达时间从过去的时间重新运行模型以生成热通量并旋转大气模型直到卫星飞越时间，此时耦合模拟从修改的状态继续。
2014-10-25 physics.ao-ph physics.data-an stat.CO
Data-Driven Modelling to predict forest fire spread in the Patagonian region in Argentina
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)（国家科学研究委员会）
本文提出基于反应-扩散-对流模型的数据驱动方法，结合高精度地形和植被数据，通过遗传算法和XGBoost优化参数，提升火灾预测精度，为森林管理提供新方法。
2026-04-30 cond-mat.dis-nn physics.ao-ph
