14 січня 2003 року на околицях Канберри пожежний фронт за 30 хвилин подолав 18 кілометрів і знищив 470 будинків. Швидкість у 5-10 разів вища за прогноз поверхневих моделей. Причина — pyroconvection: вертикальний потік 8-12 км, що інжектує гарячий газ і переписує приземний вітер. Рівняння Ротермеля цього не бачить у принципі. Огляд WildFiresUA розбирає coupled-стеки WRF-Fire, CAWFE, MesoNH-ForeFire — де атмосфера й вогонь рахуються разом.
Чому coupling важить — фізика двостороннього зв’язку
Лісова пожежа середньої інтенсивності виділяє теплову потужність 5-50 МВт на метр фронту. Для фронту 1 км це 5-50 ГВт — порівнянно з тепловою потужністю середнього міста. Цей потік нагріває нижні 100-500 м атмосфери, створює локальний термічний градієнт, генерує висхідні струми зі швидкістю 10-30 м/с, які витягують повітря у горизонтальному напрямі до фронту з усіх сторін. Цей процес — convergent inflow — може повністю переписати локальне вітрове поле, інвертуючи його напрям відносно макромасштабного вітру.
Поверхнева модель, що читає вітер з NWP-сітки 1-4 км, не бачить цього перепису. Вона рахує ROS на основі однорідного 10-метрового вітру, отриманого з midflame-корекції. Помилка може досягати фактору 5-20 в межах фронту довжиною 5-10 км. На реальних подіях це переходить у недооцінку швидкості фронту, неправильну орієнтацію осі еліпса і неможливість прогнозувати fire whirls та plume-driven runs.
Зв’язана модель розв’язує це через двосторонній обмін: на кожному кроці інтегрування атмосферна частина отримує тепловий і вологісний потік від палаючого фронту як boundary forcing у нижніх шарах; пожежна частина отримує оновлене 3D-вітрове поле з 50-200 м роздільною здатністю та локальну вологість. Цикл повторюється кожні 1-10 секунд інтегрування. Це дорого обчислювально, але це єдиний спосіб фізично коректно відтворити piro-конвективні режими.
WRF-Fire — еталонний open-source стек
WRF-Fire — реалізація зв’язаної fire-atmosphere моделі на основі Weather Research and Forecasting (WRF), описана у Mandel, Beezley, Kochanski 2011 (Geosci. Model Dev. 4:591-610). Атмосферна компонента — повний WRF (мезомасштабна модель з вкладеними доменами до 100 м роздільної здатності), пожежна компонента — рівень-сетова реалізація фронту з ROS за Ротермелем і моделями палива Anderson 13 або SB40. Тепловий потік на нижньому шарі атмосфери обчислюється з консумпції палива на одиницю площі та часу.
WRF-Fire розповсюджується як гілка офіційного WRF-репозиторію NCAR і має активну дослідницьку спільноту. Подальші версії — Kochanski et al. 2013 (Monthly Weather Rev. 141:1029-1058) з валідацією на FireFlux II — додали розширення для динаміки спирального стовпа і fire whirl. Аналітичний опис рівнянь зв’язку — Mandel et al. 2014 (J. Atmos. Sci. 71:175-191).
Сильні сторони. Open-source, активна спільнота, добре задокументовано, безкоштовно для академії і державних агенцій. Слабкі сторони. Обчислювальна вартість — 24-годинний прогноз пожежі 50 км² на сітці 100 м потребує 3-10 годин на 100-200 ядрах. Не масштабується до загальнонаціонального оперативного режиму без серйозних HPC-інвестицій.
CAWFE — флагман NCAR з 1990-х
CAWFE (Coupled Atmosphere-Wildland Fire Environment) — історично перший стек, що систематично об’єднав мезомасштабну атмосферну модель з пожежним поширювачем у двосторонньому режимі. Розробка стартувала у NCAR Mesoscale & Microscale Meteorology Division наприкінці 1990-х під керівництвом Janice Coen. Атмосферна частина — модифікована версія Clark-Hall (Clark 1977, J. Atmos. Sci. 34:809-833) з анізотропною турбулентністю Smagorinsky-Lilly та вкладеними сітками до 50-100 м.
Каноничні валідаційні роботи: Coen 2013 (J. Geophys. Res.: Atmospheres 118) з відтворенням King Fire 2014 у Сьєрра-Неваді (помилка позиції фронту менше 2 км на 24-год горизонті); Coen & Schroeder 2013 (J. Appl. Meteorol. Clim. 52) з ассимиляцією VIIRS hotspot-даних. Останні розширення опубліковано у Coen et al. 2020 (Mon. Weather Rev. 148:4073-4095) — багатоденні прогнози для Camp Fire 2018 з реальною асиміляцією супутникових даних.
CAWFE використовує власний пожежний модуль, що оперує trackuvanyam фронту через grid-based level-set і поширює його з ROS Rothermel + dynamic crown fire criteria Van Wagner 1977. Перевага CAWFE над WRF-Fire — глибше інтегроване представлення піроконвекції в Clark-Hall кінематиці. Недолік — менш доступний код (контрольований NCAR, ліцензійні обмеження).
MesoNH-ForeFire — французька школа CNRS і ULCO
MesoNH-ForeFire зчіплює мезомасштабну модель Météo-France/CNRS (MesoNH) з фронт-трекером ForeFire Університету Корсики. Архітектура двостороннього зв’язку описана у Filippi et al. 2018 (Geosci. Model Dev. 11:1019-1041). MesoNH використовує одну з кількох наявних схем мікрофізики (ICE3, LIMA, KHKO), що дозволяє відтворювати pyroCb-події з вологою конвекцією. ForeFire реалізує фронт як level-set з фізично базованою BMap (Balbi Model) для ROS — альтернативою Ротермелю, що враховує радіаційну і конвективну компоненти теплопередачі окремо.
Каноничні валідаційні студії: Costa et al. 2019 (J. Geophys. Res.: Atmospheres 124) на Aullène 2009 (Корсика, 3000 га) з помилкою позиції фронту менше 1 км на 6-год горизонті; післяподійний аналіз Pedrógão Grande 2017 (Португалія, 66 загиблих) у Trucchia et al. 2020 (Int. J. Wildland Fire); інтеграція з PROPAGATOR-ансамблем для оперативного forecasting в Італії і Франції.
MesoNH частково open-source через ліцензію CECILL-C; ForeFire — open-source через CECILL-B. Це робить стек реалістично доступним для академічних і державних користувачів у ЄС, де ліцензійні обмеження американських кодів іноді створюють бар’єри. WildFiresUA через партнерство з ULCO (Université du Littoral Côte d’Opale) має доступ до експериментальних запусків MesoNH-ForeFire на українських даних — це частина співпраці у рамках Horizon Europe.
HIGRAD-FIRETEC — дослідницький LES від Los Alamos
HIGRAD-FIRETEC — дослідницька система Los Alamos National Laboratory, що реалізує Large Eddy Simulation з повним 3D Navier-Stokes на сітці 0,5-2 м для атмосферної частини і фізично-базовану модель горіння на тому ж масштабі для пожежної частини. Опис: Linn et al. 2002 (Int. J. Wildland Fire 11:233-246) та подальші роботи. Найновіша оглядова стаття — Linn et al. 2020 (Fire Safety J. 120:103165), що об’єднує концепти HIGRAD-FIRETEC і нової платформи QUIC-Fire.
HIGRAD-FIRETEC не призначена для оперативного використання. Це дослідницький стенд для розуміння, як реальна турбулентність взаємодіє з горіннням рослинності. Вона потребує тижні CPU-часу для одного 1-годинного запуску на масштабі 100×100 м. Внесок цієї моделі до оперативної практики — через розуміння емпіричних коефіцієнтів, які потім використовуються в простіших стеках. Сюди ж належить Cunningham et al. 2014 (J. Atmos. Sci. 71) з симуляцією fire whirls.
QUIC-Fire і fast turnaround режим
QUIC-Fire — більш недавня розробка LANL і USFS, орієнтована на оперативний proxy для HIGRAD-FIRETEC. Атмосферна частина — спрощена urban-canopy модель QUIC (Quick Urban & Industrial Complex), що рахує мас-консервативне 3D-вітрове поле на основі алгоритму Röckle 1990; пожежна частина — спрощена FIRETEC з адаптивним кроком. Опис — Linn et al. 2020 (Environ. Model. Softw. 125:104825). Ціль — двосторонній зв’язок з прискоренням у 100-1000 разів проти HIGRAD-FIRETEC, ціною спрощення турбулентності.
QUIC-Fire активно використовується для тренувальних симуляцій prescribed burns у південно-східних США, де патчева структура палива і складна топографія розрізаних дрейнажів робить класичний Ротермель неадекватним. Валідаційні роботи: Hudak et al. 2022 (Int. J. Wildland Fire 31:1018).
Pyrocumulonimbus та інжекція у стратосферу
Pyrocumulonimbus (pyroCb) — найекстремальніший прояв coupling. Конвективна башта над великою пожежею проходить через всю тропосферу і пробиває тропопаузу, інжектуючи дим у нижню стратосферу на висоту 12-20 км. Тривалість резиденції такого диму — місяці; глобальна циркуляція може транспортувати його через всю північну півкулю. Каноничний випадок — Black Saturday 2009 в Австралії та Pacific Northwest Event 2017 (Канада).
Дослідження стратосферних інжекцій: Peterson et al. 2018 (J. Geophys. Res.: Atmospheres 123) охарактеризували Pacific Northwest Event 2017 — pyroCb інжектував 0,3 Tg біомаси на висоту 23 км, спостерігалося 9 місяців; Yu et al. 2019 (J. Geophys. Res.: Atmospheres) описали еволюцію смугастих структур у стратосфері. Ця проблема прямо дотична до радіаційного балансу: Stocker et al. 2021 (Science) показали, що великі pyroCb можуть тимчасово впливати на хімію озонового шару через гетерогенні реакції на сажистих частинках.
Жодна поточна оперативна зв’язана модель не моделює pyroCb у двосторонньому режимі з повноцінною вологою конвекцією. WRF-Fire, CAWFE і MesoNH-ForeFire можуть симулювати інжекцію диму у середню тропосферу, але pyroCb-інжекція у стратосферу залишається задачею на стику CFD горіння і хмарної мікрофізики, яку відкритих кодах вирішують лише частково.
Fire whirls — окремий клас явищ
Fire whirl — вертикальний вихор над пожежею, що формується у нестабільних атмосферних умовах і може досягати швидкостей вітру 100-200 км/год у диску радіусом 50-200 м. Класична робота — Emmons & Ying 1967 (поновлений огляд Forman A. Williams та інших); нещодавня систематика — Tohidi et al. 2018 (Int. J. Wildland Fire). Найвідоміший випадок з реальних пожеж — Carr Fire 2018 (Каліфорнія), де fire whirl з оцінною F3-силою (швидкість понад 200 км/год) убив пожежника-оператора бульдозера.
WRF-Fire і CAWFE можуть моделювати fire whirls як емерджентний феномен у LES-модах із сіткою 30-50 м. Канонічна симуляція — Cunningham et al. 2019 (J. Geophys. Res.: Atmospheres). Однак прогнозування fire whirl як оперативного попередження потребує LES-якості сітки і двостороннього зв’язку — це поки задача дослідницького класу.
Werth, Ochoa та оглядова література операційного класу
Найкращий синтез сучасного стану практики з точки зору оперативного інженера — Werth, Potter, Ochoa et al. 2014 (Weather and Forecasting 29:1359-1390) у двочастинній серії “Synthesis of knowledge of extreme fire behavior”. Це фактичний стандарт для оперативних метеорологів IMET (Incident Meteorologist) у США. Стаття систематизує emerging research із зв’язаних моделей у формат, придатний для прийняття рішень в оперативних центрах.
Українська адаптація цього синтезу — частина роботи WildFiresUA з ДСНС: фактично переклад і калібрація операційних правил extreme fire behavior до українських палив і метеорологічних режимів. Цей вектор не публікаційний, а інструкційний — посібники і чек-листи для чергових змін.
Порівняння обчислювальної вартості
| Модель | Атмосферна сітка | Турбулентність | Час 24 год прогнозу | Призначення |
|---|---|---|---|---|
| WRF-Fire | 100-500 м | PBL + LES опц. | 3-10 год HPC | Дослідження + опер. пілот |
| CAWFE | 50-100 м | Smagorinsky-Lilly | 6-12 год HPC | Критичні події |
| MesoNH-ForeFire | 100-500 м | PBL + LES опц. | 2-8 год HPC | Опер. в Франції/Італії |
| HIGRAD-FIRETEC | 0,5-2 м | Full LES | Дні-тижні | Чисто дослідження |
| QUIC-Fire | 2-10 м | Quick mass-cons. | 10-60 хв CPU | Тренування і prescribed burns |
Регіональні особливості застосування
США. WRF-Fire широко використовується академічно через NCAR; CAWFE — резервний стек для критичних інцидентів через NCAR контрактні угоди з Forest Service. CalFire та інші державні агенції використовують переважно операційні поверхневі стеки з NWP-вітром, але запитують зв’язані моделі для post-event аналізу.
Канада. Більшість оперативної роботи на PROMETHEUS (поверхневий) з GEM-NWP, без прямого зв’язку. Дослідницькі зусилля з coupled моделями зосереджені у Canadian Forest Service і університетах. Сезон 2023 (18,5 млн га) ініціював попит на coupled stacks — політична декларація очікується у 2026-2027.
Франція, Італія, Іспанія, Португалія. MesoNH-ForeFire — основний європейський coupled стек, оперативно у Франції (Прованс, Лангедок, Корсика), Італії (Lombardy, Tuscany, Sardinia), і у вибіркових регіонах Іспанії та Португалії. Координаційна роль через Joint Research Centre Ispra і Copernicus Emergency Management Service.
Австралія. ACCESS-Fire через Bureau of Meteorology — в основному поверхневий, з планами на coupled розширення у горизонті 2026-2030. SPARK з GPU-прискоренням як альтернатива coupled моделюванню для масових ансамблевих запусків.
Україна. Поки не має оперативного coupled-стеку. WildFiresUA робить пілотні запуски WRF-Fire через партнерство з ULCO і академічну співпрацю з Finnish Meteorological Institute (FMI). Поточний оперативний стек — однонаправлений WRF→FLEXPART для тractabilіty; coupled моделювання резервоване для післяподійного аналізу критичних подій.
Відкриті проблеми і фронтири 2026
Машинне навчання як emulator. Кілька груп досліджують можливість тренувати neural network емулятори на офлайн HIGRAD-FIRETEC або WRF-Fire симуляціях, щоб давати coupled-якість прогнозу за час, типовий для поверхневої моделі. McCandless et al. 2022 (Mon. Weather Rev.) — приклад emulator для NWP-полів. Аналогічна стратегія для fire-coupling — задача на 2026-2030.
Асиміляція супутникових даних. CAWFE та WRF-Fire експериментально асимилюють VIIRS, Sentinel-3 SLSTR і GOES ABI hotspot-дані для коригування моделі під час запуску. Schroeder et al. 2014 (Int. J. Wildland Fire) заклав методологічну основу. Регулярна оперативна асиміляція — фронтир.
Двостороння хмарна мікрофізика для pyroCb. Жодна поточна оперативна модель не моделює pyroCb-інжекцію у стратосферу coupled-режимі. Потрібна інтеграція WRF-Chem, ICE3-LIMA і fire-coupling у єдиний стек — задача наступного покоління.
WUI з полімерними паливами. Урбан-інтерфейс додає фізику горіння будівельних матеріалів (пінополіуретан, ізоляція, ПВХ-вікна) з різними HRR і токсичними емісіями. Coupled моделі поки не покривають WUI у двосторонньому режимі.
Де Україна — і що робить WildFiresUA
Україна не має національної інфраструктури для оперативного coupled fire-atmosphere моделювання — це факт, який визначає реалістичну стратегію WildFiresUA. Поточний оперативний стек: WRF на 1 км з одностороннім зв’язком до пожежної моделі (FARSITE або ELMFIRE) і далі до FLEXPART/CALPUFF для смокового шлейфу. Це не coupled у фізичному сенсі — але дає 80% результату за 5% обчислювальної вартості повного coupled-стеку.
Coupled-моделювання резервується для post-event аналізу критичних подій: Чорнобиль 2020, Кохавка 2024, потенційні майбутні pyroCb-події у східній Україні. Тут партнерство з ULCO дає доступ до MesoNH-ForeFire; партнерство з FMI — до SILAM з його ассимиляцією; академічна співпраця з ДНУ ім. Олеся Гончара — до WRF-Fire експериментів. Ця три-партнерська архітектура — компроміс між обчислювальною бюджетністю операцій і науковою якістю post-hoc розборів.
Висновок
Зв’язані fire-atmosphere моделі — не розкіш, а необхідність для пожеж з piro-конвективними режимами. WRF-Fire, CAWFE, MesoNH-ForeFire — три основні оперативно-доступні стеки з відкритою або частково-відкритою ліцензією. Обчислювальна вартість залишається бар’єром для масового оперативного використання; партнерство з міжнародними лабораторіями і фокус на критичних подіях — реалістична стратегія для держав без власних HPC-кластерів. WildFiresUA працює саме у цьому форматі і готує українську інфраструктуру до повномасштабного coupled-stack у горизонті 2027-2030.
Українська стартап-екосистема: за матеріалами TechUkraine та AIN.ua — двох провідних видань про український tech, deep tech, climate tech і екологічні стартапи.