林火蔓延的数学模型

1.3.2　林火蔓延的数学模型

(1)蔓延模型

1946年，Fons首先提出了林火蔓延的数学模型，然后世界上许多国家开始建立数学模型进行林火行为的预测模拟和定量分析。据分析，林火蔓延以描述蔓延速率、火线强度和可燃物燃烧过程等用途的林火蔓延或扩展模型占主体，其研究对象主要是地表火，而对于树冠火、地下火、飞火等的研究较少。

从20世纪50年代至现在，出现了大量的不同形式的地表火蔓延模型。目前，主要的地表火模型有美国的Rothermel模型、加拿大的国家林火蔓延模型、澳大利亚的McArthur模型、我国的王正非的框架模型以及在这些模型基础上的修正模型。其中，以Rothermel模型最成熟，应用最广泛。其是基于能量守恒定律的物理机理模型。由于综合考虑了森林的材质(燃料物质载荷、燃料深度、燃料粒子密度、热容量、灭火所需湿度等)、燃料湿度、空气温度、风速、风向、地形坡度，具有很高的参考性，已被美国林务局(USFS)用于预测野火行为、指导灭火和辅助培训和规划，如模拟器BEHAVE、FARSITE。树冠火模型主要有美国的VanWagner模型和加拿大的模型。飞火模型有Albini的模型。林火加速有加拿大的模型和McAlpine的模型。

多相交互模型考虑了林火蔓延的各种机制(化学、物理、物理化学等)，成为迄今为止最完整的模型类型。在模型的求解过程中，还出现了模型的集成化应用。目前已经建立起较为完整的林火蔓延的模型体系，并开始探讨和开发城区-林地交错带模型、地表火与树冠火行为耦合模型。这为研究地表火、树冠火、飞火的模拟提供了新的理论基础。

(2)可燃物(燃料床)的定量模型

可燃物是引发森林火灾、驱动火灾蔓延的重要因子。可燃物模型指依据平均可燃物条件对可燃物属性进行概要描述和定量分析，经常被用来描述可燃物类型的特性。随着林火行为研究的深入和遥感、地理信息系统的发展，森林燃料床的空间分析与制图成为可能，并逐渐被重视。目前，主要应用的遥感卫星数据和地面观测数据相结合的方式绘制可燃物分布图，主要的制图方式结合了野外观测法、遥感直接法、遥感间接法以及生物物理或梯度法。近年来，美国已出现区域、国家级分布特征分类系统或辅助建模。

考虑到湿度的影响，出现了测量可燃物湿度的方法:如利用野外数据测定法进行可燃物的平衡湿度和时间估计;用气象指数法确定湿度。并出现了利用RADARSAT影像进行针叶林可燃物湿度的分析和制图研究。在这些因子中，可燃物含水量(湿度)对林火蔓延速度、有效辐射率均有重大影响。目前，美国、加拿大、澳大利亚等国均研制出了自己的各种可燃物湿度模型，并在生产中得到了广泛的应用。我国开展这方面的研究工作始于20世纪80年代中期，也研制出了多种可燃物湿度模型。但是现在仍处于探索阶段，许多模型应用到实际工作中还有一定的困难。