Modeling wildland fire behaviour using a multi-physics system on hpc platforms

Abstract

Els danys causats pels incendis forestals han sorgit com una gran amenaça a tot el món. Una explicació adequada de la interacció entre el foc i l'atmosfera al voltant del foc pot ser clau perquè els bombers i els cossos de protecció civil puguin prendre decisions durant el transcurs de l'esdeveniment. En aquest sentit, WRF-SFIRE és un simulador d'incendis forestals que combina el model meteorològic WRF-ARW i el model de propagació d'incendis SFIRE que resol l'equació de Rothermel a través del mètode del conjunt de nivell. Aquest model soluciona la interacció entre l'atmosfera i el foc a través de la dinàmica de fluids computacional (CFD). No obstant això, té algunes limitacions que permeten l'objectiu d'aquesta investigació. El sistema acoblat abans esmentat necessita ser executat prou ràpid com per assegurar execucions en temps real. Una anàlisi profunda del paral·lelisme programat en ell és una qüestió important per obtenir resultats operacionals. La millor manera d'executar ràpidament WRF-SFIRE és utilitzant un paral·lelisme de memòria distribuïda amb MPI, però té algunes limitacions causa de la grandària de les parts del domini. Un altre element important de WRF-SFIRE, que permet evolucionar l'incendi i el manté actualitzat, és el mètode del conjunt de nivell. El mètode del conjunt de nivell amb taxes de propagació fortes i heterogènies pateix d'inestabilitats, el que provoca incendis espuris. Això es resol complint la restricció de que la funció del conjunt de nivell en un punt no pugui disminuir per sota del valor mínim en els veïns. Finalment, es proposa un nou mètode per ajustar el temps d'arribada del foc a les dades perimetrals observades, que es pot utilitzar per generar un historial artificial de l'incendi, que pot utilitzar-se per spin up el model atmosfèric per tal de començar una simulació des d'un perímetre de foc observat. La idea principal és minimitzar una funció objectiu no lineal, que satisfà l'equació eikonal quan va a 0. Aquest nou mètode, a diferència de la posició o les correccions de temps additives, respecta la dependència de la velocitat de propagació en la topografia, canvis diürns en la humitat del combustible, vents, així com la heterogeneïtat espacial del combustible. Aquest mètode d'interpolació es pot usar per assimilar els perímetres de foc i les deteccions de foc satelitals al model acoblat de atmosfera-foc.

Damages resulting from wildfires have arisen as a major threat worldwide. Properly accounting for the interaction between the fire and the atmosphere surrounding the hazard could aid fire fighters and civil protection staff in making more informed, better decisions during an ongoing event. In that sense, WRF-SFIRE is a wildfire simulator which couples the meteorological model WRF-ARW and the fire spread model SFIRE solving Rothermel's equation through the level set method. This model solves the complex interaction between the atmosphere and the fire through a Computational Fluid Dynamics (CFD) approach. However, it has some limitations which provide the motivation for this investigation. The aforementioned coupled system needs to run fast enough to assure real-time execution. A deep analysis of the parallelism programmed in WRF-SFIRE is an important matter to get operational results. The best way to run WRF-SFIRE fast is using a distributed memory parallelism with MPI, but it has some limitations because of the dimension of the division of the domain. Another important element of WRF-SFIRE, which evolves the fire being modeled and keeps it updated, is the level set method. The level set method with strong and heterogeneous rates of spread suffers from instabilities, resulting in spurious fires. This is solved by enforcing the constraint that the level set function at a point may not decrease below the minimum value at neighbors. Finally, a new method of fitting the fire arrival time to observed perimeter data is proposed. This new method can be used to generate an artificial fire history, which can be used to spin up the atmospheric model for the purpose of starting a simulation from the observed fire perimeter. The main idea is to minimize a non-linear objective function, which is zero when the fire arrival time satisfies the eikonal equation. This new method, unlike position or additive time corrections, respects the dependence of the fire rate of spread on topography, diurnal changes of fuel moisture, winds, as well as spatial fuel heterogeneity. This interpolation method could be used to assimilate fire perimeters and satellite fire detections into the coupled atmosphere-fire model.