我们应该要从头开始评估火险

 
土壤湿度信息可以改善对野火概率和燃料状况的评估，从而提高火灾危险等级。
俄勒冈州东南部哈特山国家羚羊保护区的鼠尾草生态系统中的受控烧伤
2018年，野火在美国消耗了超过350万公顷，联邦灭火成本超过30亿美元。这些大火烧毁了18,000多个住宅，并造成至少85人死亡。像这样的野火损害并不是美国独有的。它们在许多国家都是威胁。来自全球和多个科学学科的研究人员正在努力改善火灾危险等级系统，以帮助保护自然资源以及人类健康和安全。
土壤水分是天气条件与有生命的植物“燃料床”的特性之间的关键链接，后者强烈影响野火的可能性。
作为这一努力的宝贵贡献而出现的一个新概念是将土壤水分信息整合为野火可能性的预测指标。土壤湿度，特别是植物根系所在的区域内的土壤湿度，是天气条件(如降水和温度)与植物营养“燃料床”的特性(包括燃料湿度和燃料负荷(单位重量的燃料重量))之间的关键链接单位面积)。这些强烈影响野火概率的动态植被特征可能难以使用野外数据在相关的时空尺度上进行建模和监测。对燃油湿度的光学遥感也提出了挑战;例如，预测活燃料水分的遥感模型包含相对较大的误差范围，其误差因植被类型而异。
相反，由于实地网络和专用卫星的发展，土壤湿度监测能力一直在稳步增长。研究人员已经很长一段时间直观地了解了土壤湿度，燃料条件和野火发生之间的关系。但是，土壤水分信息的可用性不断提高，为量化这些关系并将其纳入新的或现有的基于天气的燃料水分模型和火灾危险等级系统中提供了巨大的机会。
对话中的科学家和从业者
为了探索这些机会并设想下一步行动，34位研究人员和消防管理从业人员参加了由国际荒地火灾协会主办的第六届国际火灾行为和燃料会议于4月举行的为期1天的研讨会。该研讨会的目的是确定消防管理界的需求和利益，并探索如何将土壤水分信息用于野火建模，风险评估，规划和决策支持工具。
特邀发言人讨论了野火发生，影响和响应的当前趋势和状态;消防模型和火灾危险等级;土壤湿度监测和建模;以及土壤水分，燃料床特性和野火之间的联系。小组讨论确定了从业人员在地方，区域和国家范围内与消防管理决策相关的需求。
提高土壤湿度意识
消防管理决策者通常不了解有关土壤水分信息在火灾危险预测中的实用性的最新研究。这些讨论表明，消防管理决策者(约占参与者的三分之一)通常不寻求土壤水分信息。他们通常不知道最近的研究表明这种信息在火灾危险预测中的实用性。取而代之的是，这些决策者通常会参考数十年的干旱指数(例如Keetch-Byram干旱指数)。尽管研究表明直接进行土壤水分观测在火灾危险评估中更为有效，但这些指标旨在粗略模拟土壤水分动态。
研究还表明，利益相关者凭直觉了解到，土壤湿度代表着土地对近期天气状况的综合“记忆”，因此可以为火灾危险性上升提供有价值的预警。为了促进在火灾管理中更多地使用土壤水分信息，研讨会的参与者认为有必要在相关的时空尺度上增加可用土壤水分信息的数量和质量，并确定如何将土壤水分有效地整合到现有的火灾危险等级系统中。此外，利益相关者表示需要同时考虑统计和机械建模方法，以加深对土壤水分与燃料水分条件之间关系的了解。
俄克拉何马州是发生野火危险的美国十大州之一，并且拥有世界上最古老的土壤湿度监测网络之一。因此，它为探索土壤水分与燃料水分之间的关​​系提供了一个自然的实验室。来自俄克拉荷马州中北部高草草原地区的PhenoCam图像(一系列固定位置的延时数字图像)(图1)显示了2012年(干旱年份)发生的植被状况的鲜明对比(图1，左)，和2013年，降水接近平均水平(图1，右)。 2012年的特点是土壤湿度低，如图1所示为可用水量(FAW)的百分比。这种情况导致燃料中的水分含量低，从而造成了极端的火灾危险。在捕获左侧图像后的几天里，PhenoCam现场附近发生了几场大火，其中之一(自由山大火)燃烧了24,000公顷并摧毁了300多个房屋。
为了改善对此类野火的预警，并预测处方燃烧的安全条件，俄克拉荷马州的火灾隐患信息系统OK-FIRE现在将土壤水分数据作为该州消防管理人员可用的度量标准(例如，图2)。
讲习班的与会者指出，尽管俄克拉荷马州的这一令人鼓舞的进展说明了在火灾危险等级中使用土壤水分信息的可行性，但仍然存在关键挑战。首要挑战之一是克服现有数量有限的原地监测系统，并提高基于卫星的土壤水分监测系统的时空分辨率。
当前的局限性和有希望的解决方案
现场测量仍然是许多应用中量化土壤水分的“金标准”，但是监测站的安装和维护成本很高。结果，许多地区仍缺乏原位测量，因此必须对未采样区域的土壤湿度条件估计值进行插值，模拟或从遥感估计值中得出，其中许多区域都是易发火灾的景观。诸如NASA的北美土地数据同化系统(NLDAS)之类的作战模拟系统提供了北美中部地区的土壤湿度估算值，但记录数据的时间和提供估算值的时间与数据的空间分辨率之间存在4天的间隔(八分之一度)对于火灾危险监控不是最佳的。
卫星遥感土壤水分的进展，例如土壤水分主动无源(SMAP)任务，为全球土壤水分监测提供了光明的前景;但是，使用SMAP数据进行野火危险预测存在一些重要限制。例如，土壤水分的记录太短，无法用于野火概率的统计建模。而且，遥感只能观测到表层土壤，而不能观测到根区，而且空间分辨率对于局部分析而言太粗糙了。
研究人员正在积极寻找方法来克服这些当前土壤水分信息来源中的不足。例如，协调一致的“国家土壤水分网络”是一项持续不断的举措，目的是将来自美国各州和联邦现场网络的各种数据进行合并，以创建标准化的国家土壤水分数据产品。同样，今年研讨会的组织者也是跨学科团队的一部分，该团队致力于开发一种近实时，高分辨率的土壤水分模拟模型，该模型基于测得的土壤水分并适用于区域或国家规模的火灾危险监测。
此外，一种名为SoilMERGE(SMERGE)的新数据产品可提供美国大陆各地根系土壤湿度的回顾性估算。该记录可以追溯到1979年，这一时期足以进行野火概率和规模的统计建模。 SMERGE是通过将NLDAS第2阶段中来自Noah陆地表面模型版本3.2的根区土壤水分模拟与来自多传感器欧洲航天局气候变化倡议的遥感地表土壤水分合并而产生的。两种不同方法的合并利用并结合了它们的互补优势，从而创建了一套统一的根区土壤湿度(0至41厘米深度)估计值，可在数十年(1979-2018年)的每日时间范围内获得，八分之一度的美国大陆。然后使用原位土壤湿度测量值来验证SMERGE估算值。 SMERGE尚未应用于野火概率测绘，但是长期土壤湿度数据的可用性的这种改进是分析与野火之间关系的关键步骤。
土壤水分数据的许多应用
动量的建立是为了增强时空的根区土壤水分信息，并将该信息纳入区域和国家火灾危险等级系统。研讨会的参与者确定了需要进一步研究的具体领域，其中一些正在研究中。为了在不同环境中进行实地研究，以更好地了解土壤水分与燃料水分条件之间的关系。研究人员正在探索统计模型和机械模型方法，以克服测得的土壤水分中的数据稀缺性，其目标是将这些数据整合到现有的火灾危险等级系统中。随着研究人员和消防管理专业人员继续了解土壤水分与野火之间的关系，动量正在建立，以增强时空的根区土壤水分信息，并将该信息纳入区域和国家火灾危险等级系统。
除了改善野火危险预测之外，土壤湿度数据还可以支持野火管理和决策的其他重要方面。该数据的应用可以包括用于在最佳土壤和燃料湿度条件下计划和实施规定的火灾，以确保最大程度的成功，以及在资源效益(管理)野火期间预测火灾行为。土壤水分数据也可用于识别恢复播种的后窗。同样，土壤水分可以帮助预测容易利用早期土壤水分的入侵植物的扩散(例如美国西部的草皮草，红溴和水牛草)，并通过改变火势来增加野地与城市交界处的火灾危险。
土壤水分信息对于将社会福祉和自然资源管理交织在一起的众多其他应用至关重要。通常，通过解决并非最初调查目标的问题，科学进步会出现。改善土壤湿度信息可以通过诸如农业监测干旱，地下水补给估算，地面饱和洪水和季节性流量预报等应用产生广泛的社会效益。根区土壤水分产品还可以与卫星遥感产品链接，以提供与火灾有关的生态现象(例如，树木死亡，甲虫暴发)的有价值的解释。
有关土壤水分和野火研讨会的更多详细信息，包括扩展的外卖菜，演讲者演讲以及总结研讨会的视频。将于2021年在俄克拉荷马州斯蒂尔沃特组织一次类似的研讨会，以继续进行有关整合土壤水分和野火信息的对话。
致谢
我们感谢Mikel Robinson和国际荒地火灾协会为组织这次研讨会提供的帮助，并感谢所有参与者的贡献。美国内政部中南部气候适应科学中心拨款G18AC00278提供资金支持，部分支持美国农业部北部平原气候中心通过美国国家航空航天局(NASA)气候指标和数据产品奖NNX16AH30G提供的研讨会。气候评估计划。我们感谢包括现场主要调查员和技术人员在内的许多合作者为支持PhenoCam所做的努力。 PhenoCam的开发得到了东北州研究合作社，美国国家科学基金会的宏观系统生物学计划(授予EF-1065029和EF-1702697)以及能源部的区域和全球气候建模计划(授予DE-SC0016011)的资助。我们感谢美国国家公园管理局的清单和监视计划和美国国家物候网络(美国地质调查局授予的G10AP00129)以及美国国家物候网络和北部中央气候科学中心(美国的合作协议G16AC00224)的额外支持。地理调查)。通过美国国家科学基金会的长期生态研究(LTER)计划，额外的资金支持了哈佛森林(DEB-1237491)和巴特利特实验森林(DEB-1114804)的研究。我们还要感谢美国森林服务局的空气资源管理计划和国家公园服务局的空气资源计划，为PhenoCam档案库贡献了他们的相机图像。