WRF-SFIRE: Coupled Atmosphere-Fire Modeling with Data - PowerPoint PPT Presentation

WRF-­‑SFIRE: ¡ Coupled ¡Atmosphere-­‑Fire ¡Modeling ¡ with ¡Data ¡Assimila>on Jan Mandel, Adam K. Kochanski, Martin Vejmelka, and Sher Schranz University of Colorado Denver University of Utah, Czech Acadeny of Sciences, Colorado State University/NOAA Supported partially by NASA NNX13AH59G and NSF DMS-1216481 Workshop on Modelling of Wildfires and their Environmental Impact Trieste, Italy, June 22, 2015

Scope ¡of ¡WRF-­‑SFIRE ¡ ¡ • Fire ¡is ¡a ¡very ¡complex, ¡mul9scale ¡physical ¡and ¡ chemical ¡process ¡ – Models ¡exist ¡from ¡empirical ¡spread, ¡semi-­‑physical, ¡to ¡ fully ¡physical ¡(e.g., ¡survey ¡by ¡Sullivan, ¡ ¡2009) ¡ • An ¡important ¡range ¡of ¡behavior ¡can ¡be ¡captured ¡ by ¡a ¡coupled ¡fire ¡spread-­‑atmosphere ¡model ¡ • Fire ¡makes ¡its ¡own ¡weather ¡ • Integrates ¡weather ¡forecast ¡and ¡fire, ¡in ¡a ¡ framework ¡familiar ¡to ¡meteorologists ¡ 2 ¡

WRF-­‑SFIRE ¡origins ¡ • Evolved ¡from ¡the ¡CAWFE ¡code ¡by ¡replacing ¡the ¡Clark-­‑Hall ¡ model ¡by ¡WRF ¡and ¡ ¡tracer-­‑based ¡fire ¡propaga9on ¡by ¡the ¡ level-­‑set ¡method, ¡later ¡added ¡coupling ¡to ¡WRF-­‑Chem, ¡fuel ¡ moisture ¡model, ¡data ¡assimila9on,… ¡ • The ¡Weather ¡Research ¡and ¡Forecas9ng ¡model ¡(WRF), ¡a ¡ standard ¡supported ¡community ¡weather ¡code, ¡free ¡ download, ¡widely ¡used ¡ • WRF-­‑SFIRE: ¡available ¡at ¡wrf-­‑sfire.org ¡ • A ¡version ¡from ¡2010 ¡is ¡distributed ¡in ¡WRF ¡release ¡as ¡WRF-­‑ Fire, ¡not ¡developed ¡further ¡ ¡

WRF-­‑SFIRE ¡components ¡ Atmospheric ¡data ¡ Atmosphere!model!WRF Chemical!transport! model!WRFBChem Surface!air! temperature,! rela?ve! Heat!and! Fire! humidity, vapor! emissions! rain fluxes (smoke) Wind !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!SFIRE Fuel!moisture!model Surface!fire!spread!model Data ¡assimila9on ¡ Data ¡assimila>on ¡ RAWS ¡fuel ¡moisture ¡sta9ons ¡ VIIRS/MODIS ¡fire ¡detec9on ¡

Data ¡required ¡ • Atmosphere: ¡ini9al ¡and ¡boundary ¡condi9ons ¡ ¡ – from ¡standard ¡weather ¡forecas9ng ¡sources ¡(32km ¡NARR, ¡3 ¡km ¡HRRR) ¡ • Sta9c ¡land ¡data ¡ – Land ¡use, ¡roughness ¡height ¡(surface ¡condi9ons ¡for ¡atmosphere ¡model, ¡at ¡ atmosphere ¡resolu9on ¡100s ¡of ¡m ¡ – High-­‑resolu9on ¡topography ¡(at ¡fire ¡resolu9on ¡10s ¡of ¡m) ¡ • Fire ¡data ¡ – Fuel ¡maps ¡(at ¡fire ¡resolu9on ¡10s ¡of ¡m) ¡– ¡fuel ¡categories ¡describe ¡the ¡fire ¡ propaga9on ¡proper9es ¡in ¡local ¡vegeta9on ¡types ¡(American ¡West, ¡ Mediterranean,…) ¡ requires ¡research ¡on ¡the ¡ground ¡ – Ac9ve ¡fire ¡detec9on ¡– ¡satellites ¡(35-­‑1km ¡resolu9on ¡w/ ¡no ¡clouds) ¡ – Fuel ¡moisture ¡– ¡live ¡(remote ¡sensing ¡may ¡be ¡possible), ¡dead ¡(direct ¡ measurements ¡only) ¡ • h[p://www.openwfm.org/wiki/Data_sources ¡ 5 ¡

Applica9ons ¡ ¡ • Na9onal ¡wildfire ¡emergency ¡system ¡for ¡Israel ¡ h[p://dx.doi.org:10.5194/ nhess-­‑14-­‑2829-­‑2014 ¡ • Wildfire ¡forecast ¡to ¡be ¡added ¡to ¡weather ¡ forecast ¡(joint ¡project ¡with ¡NOAA, ¡funded ¡by ¡ NASA) ¡– ¡to ¡date, ¡fuel ¡moisture ¡forecast ¡with ¡ sta9on ¡data ¡assimilated ¡ ¡ ¡h[p://demo.openwfm.org ¡ ¡ 6 ¡

HOW ¡WRF-­‑SFIRE ¡WORKS? ¡ 7 ¡

Evolving ¡the ¡fireline ¡by ¡the ¡ level ¡set ¡method ¡ Level ¡set ¡func9on L Fire ¡area: ¡ L<0 Level ¡set ¡equa9on ¡ Right-­‑hand ¡side ¡< ¡0 ¡ → ¡Level ¡set ¡func9on ¡goes ¡down ¡ → ¡fire ¡area ¡grows ¡

Representa9on ¡of ¡the ¡fire ¡area ¡by ¡ a ¡level ¡set ¡func9on ¡ • The ¡level ¡set ¡func9on ¡is ¡given ¡on ¡center ¡nodes ¡of ¡the ¡fire ¡mesh ¡ • Interpolated ¡linearly, ¡parallel ¡to ¡the ¡mesh ¡lines ¡ • Fireline ¡connects ¡the ¡points ¡where ¡the ¡interpolated ¡values ¡are ¡zero ¡ • Allows ¡submesh ¡fire ¡area ¡representa9on ¡(not ¡just ¡cells) ¡ ¡ ¡

The ¡fire ¡model: ¡fuel ¡consump9on ¡ fuel ¡ igni9on ¡ 9me ¡ Time ¡constant ¡of ¡fuel: ¡ 30 ¡sec ¡-­‑ ¡Grass ¡burns ¡quickly ¡ 1000 ¡sec ¡– ¡Dead ¡& ¡down ¡branches(~40% ¡decrease ¡in ¡mass ¡over ¡10 ¡min) ¡

Integra9ng ¡fuel ¡leh ¡over ¡mesh ¡cells, ¡with ¡ submesh ¡fire ¡region ¡representa9on ¡

Coupling ¡with ¡WRF-­‑ ARW ¡ • WRF-­‑ARW ¡is ¡ explicit ¡in ¡9me ¡ • Physics ¡packages ¡ including ¡fire ¡are ¡ called ¡only ¡in ¡the ¡ last ¡Runge-­‑KuLa ¡ substep ¡ Runge-­‑Ku[a ¡order ¡3 ¡integra9on ¡in ¡9me ¡ ¡ • Fire ¡module ¡inputs ¡ wind, ¡outputs ¡heat ¡ and ¡vapor ¡flux ¡

The ¡fire ¡model ¡is ¡running ¡on ¡a ¡finer ¡ mesh ¡than ¡the ¡atmosphere ¡model ¡

WRF ¡parallel ¡infrastructure ¡-­‑ ¡MPI ¡and ¡ OpenMP ¡ • Distributed ¡memory ¡(DM): ¡ halo ¡exchanges ¡between ¡grid ¡ MPI ¡ patches : ¡each ¡patch ¡runs ¡in ¡ one ¡MPI ¡process; ¡ patch ¡ programmer ¡only ¡lists ¡the ¡ variables ¡to ¡exchange ¡ halo ¡ • Shared ¡memory ¡(SM): ¡ OpenMP ¡ loops ¡over ¡ >les ¡ within ¡the ¡patch ¡ • Computa9onal ¡rou9nes ¡are ¡ 9le ¡ >le ¡callable . ¡ • Fire ¡model ¡executes ¡on ¡the ¡ same ¡horizontal ¡9les ¡as ¡the ¡ OpenMP ¡threads, ¡ atmosphere ¡model, ¡in ¡the ¡ mul9core ¡ same ¡threads ¡ Example: ¡2 ¡MPI ¡processes ¡4 ¡threads ¡each ¡ The ¡parallel ¡infrastructure ¡constrains ¡the ¡algorithms ¡used. ¡ ¡

Parallelism ¡in ¡WRF-­‑Fire: ¡implemen9ng ¡a ¡ PDE ¡solver ¡in ¡WRF ¡physics ¡layer, ¡meant ¡ for ¡pointwise ¡calcula9ons ¡

Fuel ¡moisture ¡model ¡ with ¡data ¡assimila9on ¡ • Fuel ¡moisture ¡model ¡ – Runs ¡on ¡the ¡atmospheric ¡resolu9on ¡(coarse, ¡100s ¡m) ¡ – State: ¡moisture ¡content ¡of ¡idealized ¡1hr, ¡10hr, ¡100hr ¡fuels ¡ – Driven ¡by ¡the ¡atmospheric ¡model ¡state: ¡rela9ve ¡humidity, ¡ temperature, ¡pressure, ¡rain ¡ – Assimilates ¡sta9on ¡fuel ¡moisture ¡content ¡measurements ¡ ¡ – No ¡fuel ¡map ¡needed ! ¡ • Import ¡to ¡fire ¡model ¡ – At ¡fire ¡model ¡resolu9on ¡(fine, ¡10s ¡m) ¡ – Fuel ¡maps: ¡each ¡fuel ¡model ¡is ¡combina9on ¡of ¡idealized ¡1hr, ¡ 10hr, ¡100hr ¡fuels ¡ – Fuel ¡moisture ¡content ¡in ¡the ¡fire ¡model ¡is ¡weighted ¡average ¡ from ¡the ¡idealized ¡fuels ¡ ¡ 16 ¡

Fuel ¡moisture ¡model ¡ • Equilibrium ¡-­‑ ¡9me ¡lag ¡model ¡for ¡moisture ¡ m ¡ dt = E − m dm T • Equilibrium ¡ E ¡from ¡air ¡rela9ve ¡humidity, ¡temperature, ¡and ¡ pressure, ¡different ¡drying ¡and ¡wenng ¡equilibria ¡when ¡ approaching ¡equilibrium ¡from ¡above ¡and ¡from ¡below ¡ • Runs ¡on ¡the ¡atmosphere ¡grid ¡for ¡all ¡fuel ¡components ¡(1h, ¡10h, ¡ 100h,...) ¡ ¡independently ¡of ¡any ¡fuel ¡maps ¡ • Numerical ¡method: ¡2nd ¡order, ¡adap9ve ¡switching ¡to ¡exponen9al, ¡ exact ¡up ¡to ¡rounding ¡for ¡constant ¡coefficients ¡and ¡any ¡9me ¡step ¡ • Components ¡moisture ¡are ¡then ¡combined ¡in ¡propor9ons ¡ specified ¡by ¡fuel ¡type ¡and ¡interpolated ¡to ¡the ¡fire ¡grid. ¡ 17 ¡

Gentle ¡rain ¡moisture ¡model ¡ • In ¡rain, ¡large ¡equilibrium ¡ E =250% ¡and ¡variable ¡9me ¡lag ¡ from ¡rain ¡intensity ¡ r . ¡Parameters: ¡ ¡ • asympto9c ¡wenng ¡9me ¡lag ¡ T for ¡very ¡strong ¡rain ¡ • Satura9on ¡rain ¡intensity ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡when ¡1-­‑1/ e ¡ ¡of ¡the ¡ r s asympto9c ¡rain-­‑wenng ¡9me ¡ T ¡is ¡reached ¡ r < r • Rain ¡under ¡threshold ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ignored ¡ 0 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ dt = E − m 1 − exp − r − r dm 0 ⎜ ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ T r s 18 ¡