Роль лесной плотности и климата в распространении лесных пожаров в Калифорнии

Растущий кризис лесных пожаров в Калифорнии

Калифорния вступила в эпоху, когда лесные пожары являются не только сезонными явлениями, но и круглогодичными угрозами, которые меняют сообщества, экосистемы и государственную политику. Штат видел семь из десяти крупнейших лесных пожаров с 2020 года, причем только в 2021 году пожар в Дикси сжигает почти миллион акров. Масштаб и интенсивность этих пожаров обусловлены сложным взаимодействием исторических решений по управлению земельными ресурсами и ускорением изменения климата. Два фактора выделяются в качестве основных детерминантов поведения лесных пожаров: плотность лесов и климатические условия. Понимание того, как эти элементы взаимодействуют, имеет важное значение для разработки эффективных стратегий смягчения последствий, мудрого распределения ресурсов и защиты как человеческих сообществ, так и природных ландшафтов.

Лесной пожар является естественным экологическим процессом во многих экосистемах Калифорнии, особенно в хвойных лесах и чапаральных кустарниковых угодьях. Однако пожары, которые сейчас переживает государство, принципиально отличаются от пожаров низкой тяжести, частых пожаров, которые формировали эти ландшафты на протяжении тысячелетий. Переход к высокожестким, крупномасштабным пожарам напрямую связан с изменениями в структуре лесов и климате. В этой статье рассматриваются конкретные механизмы, посредством которых плотность лесов и климат влияют на распространение лесных пожаров и предлагают основу для понимания пути вперед.

Понимание плотности лесов как пожарного водителя

Плотность лесов описывает концентрацию деревьев и подлесковой растительности в пределах данной площади. В экологическом плане она обычно измеряется с помощью таких показателей, как деревья на акр, базальная площадь или индекс плотности стенда. Леса высокой плотности содержат больше живого и мертвого растительного материала, который служит топливом для лесных пожаров. Связь между плотностью и интенсивностью пожара не является линейной; небольшое увеличение нагрузки на топливо может производить экспоненциальное увеличение высвобождения энергии огня и скорости распространения.

Наследие пожарной подавленности

На протяжении большей части XX века федеральные и государственные агентства по управлению земельными ресурсами проводили политику тотального тушения пожаров. Этот подход был основан на убеждении, что все лесные пожары разрушительны и должны быть потушены как можно быстрее. Хотя эта политика защищала лесные ресурсы и населенные пункты в краткосрочной перспективе, она имела глубокие непреднамеренные последствия. Подавление пожаров прервало естественные пожарные режимы, которые исторически держали плотность лесов низкой. В Сьерра-Неваде смешанные хвойные леса, например, частые пожары низкой тяжести потребляли поверхностное топливо и убивали небольшие деревья, поддерживая открытые, парковые условия с широко расставленными зрелыми деревьями.

Без регулярного огня в этих лесах накапливались древесные обломки, помет листьев и густые заросли молодых деревьев. Исследование Лесной службы Министерства сельского хозяйства США в 2023 году показало, что современные леса Сьерра-Невады содержат в 10-100 раз больше деревьев на акр, чем при исторических пожарных режимах. Это резкое увеличение плотности превратило эти ландшафты в то, что пожарные экологи называют «загруженными топливом» системами, где любое воспламенение — от молнии, линий электропередач или человеческой деятельности — может быстро перерасти в высокожесткий коронный огонь.

Топливная непрерывность и вертикальное лестничное топливо

Плотность лесов влияет на поведение огня через два критических механизма: горизонтальная преемственность топлива и вертикальное расположение топлива. Горизонтальная преемственность относится к тому, как соединены источники топлива по ландшафту. В густых лесах навесы деревьев часто соприкасаются или перекрываются, создавая непрерывный топливный слой, который позволяет огню беспрепятственно распространяться по обширным территориям. Это особенно опасно во время ветровых событий, когда огонь может двигаться со скоростью, превышающей 10 миль в час.

Вертикальная топливная компоновка, часто называемая «лестничным топливом», описывает наличие растительности на нескольких высотах от лесного пола до навеса. Плотные подлесистые кустарники, молодые саженцы и низко висящие ветви создают вертикальный путь для огня. Поверхностный огонь, который сталкивается с лестничным топливом, может забираться в кроны деревьев, переходя от управляемого наземного огня к неконтролируемому коронному огню. Коронные пожары генерируют экстремальную жару, производят пятно (пожарные бренды, переносимые ветром перед главным огненным фронтом), и чрезвычайно трудно сдерживать. Камп-пожар 2018 года, который разрушил город Парадайз, продемонстрировал это поведение, когда огонь быстро перемещается через плотную, засухоустойчивую растительность и прыгает от короны к короне.

Количественная плотность: индекс плотности стенда и базальная площадь

Земельные управляющие используют количественные инструменты для оценки плотности лесов и последствий пожарной опасности. Индекс плотности стенда (SDI) объединяет размер и количество деревьев на акр в единую метрику, с более высокими значениями, указывающими на большую конкуренцию и топливную нагрузку. Базальная площадь, измеренная в квадратных футах на акр, представляет собой площадь поперечного сечения стволов деревьев на высоте груди. В Сьерра-Неваде исторические базальные площади обычно варьировались от 50 до 80 квадратных футов на акр, тогда как многие современные стенды превышают 200 квадратных футов на акр. Эти показатели помогают определить приоритеты районов обработки, определяя леса, где снижение плотности будет иметь наибольшее влияние на поведение огня.

Исследования показывают, что снижение плотности стендов ниже критических порогов может фундаментально изменить поведение огня. Когда площадь базальных участков уменьшается примерно до 100 квадратных футов на акр или ниже, вероятность активного кронового огня значительно падает даже в экстремальных погодных условиях. Это открытие обеспечивает четкую цель для проектов восстановления лесов и подчеркивает важность управления плотностью как инструмента смягчения последствий лесных пожаров.

Климатические факторы, которые формируют поведение лесных пожаров

В то время как плотность лесов определяет количество и расположение топлива, доступного для сжигания, климатические условия диктуют, насколько восприимчиво это топливо к воспламенению и как огонь будет вести себя после воспламенения. Климат влияет на лесной пожар по нескольким путям, включая температуру, модели осадков, атмосферную влагу и режимы ветра. Каждый из этих факторов значительно изменился в Калифорнии за последние несколько десятилетий, и тенденции не показывают никаких признаков обращения вспять.

Температура и тенденции засушливости

Калифорния прогрелась примерно на 2-3 градуса по Фаренгейту с конца 19 века, причем наиболее быстрое потепление произошло за последние 50 лет. Более высокие температуры увеличивают скорость испарения, вытягивая влагу из почвы и растительности. Этот процесс, часто называемый «атмосферной сушкой», создает больший дефицит давления пара (VPD), который является разницей между количеством влаги, которую может удерживать воздух, и количеством, которое он фактически удерживает. Высокий VPD заставляет растения быстрее терять воду, уменьшая их содержание влаги и делая их более легковоспламеняющимися.

Исследование 2022 года, опубликованное в журнале Nature Climate Change, показало, что антропогенное потепление привело к увеличению площади, сожженной лесными пожарами в Калифорнии в период с 1971 по 2021 год на 25%.То же исследование прогнозировало, что продолжающееся потепление еще больше увеличит риск пожара, продлив продолжительность пожарного сезона и увеличив условия, способствующие быстрому распространению пожара.Сезон пожаров в Калифорнии уже удлинился на 75 дней по сравнению с 1970-ми годами, то есть каждый год больше дней, когда растительность достаточно сухая, чтобы легко гореть.

Содержание влаги в засухе и растительности

Затяжная засуха является одним из самых прямых климатических факторов риска лесных пожаров. В Калифорнии за последние два десятилетия произошло несколько серьезных эпизодов засухи, в том числе засуха 2012–2016 годов, которая была самой сильной в истории штата с точки зрения как продолжительности, так и интенсивности, а также продолжающиеся сухие периоды, вызванные потеплением климата. Во время засухи дефицит влаги в почве накапливается, а деревья и кустарники испытывают хронический водный стресс. Этот стресс снижает содержание влаги в живых видах топлива, делая их более воспламеняемыми и способными поддерживать горение.

Содержание влаги в живом топливе (LFMC) является критической переменной в моделях поведения огня. Когда LFMC падает ниже 70% у видов чапаралов или ниже 95% у хвойных листьев, вероятность активного кронного огня резко возрастает. Во время сильных засух LFMC может значительно опускаться ниже этих порогов на больших территориях, оставляя ландшафты подготовленными для экстремального поведения огня. Сезон пожаров 2020 года, который включал шесть крупнейших пожаров в современной истории Калифорнии, произошел в хвостовом конце пятилетней засухи, которая высыхала леса по всему штату. Только августовский комплексный пожар сжег более миллиона акров, что сделало его первым «гигафайром» в зарегистрированной истории Калифорнии.

Ветровые модели: Santa Anas и Diablo Winds

Ветер является доминирующим фактором в самых разрушительных лесных пожарах Калифорнии. Два крупных события ветра влияют на поведение огня: ветры Санта-Ана в Южной Калифорнии и ветры Диабло в Северной Калифорнии. Оба являются сухими, нисходящие ветры, которые возникают, когда высокое давление над Большим бассейном вынуждает воздух к побережью. По мере того, как воздух спускается с более высоких высот, он сжимается и нагревается, снижая его относительную влажность до 5-10%. Эти ветры достигают пика в осенние месяцы, когда растительность высушивается летней жарой и до начала зимних дождей.

Ветры Санта-Ана и Диабло могут вырабатывать устойчивые скорости от 30 до 50 миль в час с порывами, превышающими 80 миль в час. В этих условиях огонь распространяется со скоростью от 10 до 20 миль в час или более, подавляя ресурсы подавления почти сразу. Эмберс можно поднимать на много миль впереди главного фронта огня, начиная с очагов пожаров, которые быстро сливаются. Пожар кедра 2003 года в округе Сан-Диего, пожар ведьмы 2007 года, пожар Томаса 2017 года и пожар лагеря 2018 года были вызваны экстремальными событиями ветра. Эти пожары были не просто большими; они структурно отличались от пожаров, которые происходят в умеренных условиях ветра, демонстрируя поведение, которое бросает вызов сдерживанию с помощью современных технологий и ресурсов.

Молния зажигания и грозы отток

В то время как большинство самых разрушительных лесных пожаров Калифорнии вызваны человеком, молния остается значительным источником воспламенения, особенно в отдаленных, лесных районах. Сухие грозы — бури, которые производят молнии, но практически не вызывают осадков — могут воспламенить десятки или даже сотни пожаров в одном событии. Молния Сив 2020 года, которая произошла в середине августа 2020 года, произвела более 11 000 ударов молнии, которые воспламенили 367 пожаров, включая Августовский комплекс и SCU Lightning Complex. Эти события становятся все более распространенными, поскольку изменение климата изменяет атмосферные модели стабильности и увеличивает частоту условий, способствующих развитию сухой грозы.

Отток грозы, также известный как вспышки, может также влиять на поведение огня, производя внезапные, неустойчивые сдвиги ветра. Эти оттоки могут подталкивать огонь в неожиданных направлениях, создавать вихри огня и вызывать быстрое увеличение интенсивности огня, что ставит под угрозу пожарных и жителей. Понимание пересечения воспламенения молнии и последующего распространения ветра является активной областью исследований пожарной погоды, с последствиями как для прогнозирования огня, так и для стратегии подавления.

Сложные последствия плотности и климата

Плотность лесов и климат не функционируют независимо друг от друга. Их взаимодействие создает петли положительной обратной связи, которые усиливают риск пожара сверх того, что может произвести один из этих факторов. Плотные леса более уязвимы к климатическому стрессу, поскольку конкуренция за воду среди плотно упакованных деревьев усиливает последствия засухи. Деревья в условиях высокой плотности испытывают больший водный стресс в засушливые периоды, что приводит к более высоким показателям смертности и более стоящему мертвому топливу. Эта связь означает, что леса с высокой плотностью непропорционально страдают от засухи, вызванной климатом, создавая самоусиливающийся цикл, когда плохое состояние лесов приводит к большему накоплению топлива, что, в свою очередь, приводит к более сильному пожару.

Тема: Августовский пожар 2020 года

Августовский комплексный пожар дает яркую иллюстрацию того, как взаимодействуют плотность и климат. Огонь загорелся 16 августа 2020 года из серии ударов молнии в Национальном лесу Мендосино. Район пережил годы засухи, при этом уровень влажности живого топлива значительно ниже исторических средних значений. Плотность лесов в регионе была значительно выше, чем исторические исходные показатели из-за десятилетий пожаротушения и выборочных рубок, которые удаляли большие, огнестойкие деревья, оставляя меньшие, более горючие деревья. Сочетание плотной, засухоустойчивой растительности и экстремальных погодных условий вызвало пожар, который рос со скоростью от 50 000 до 100 000 акров в день на своем пике.

Августовский комплекс в итоге сжег 1032 648 акров, что сделало его крупнейшим единичным пожаром в истории Калифорнии. Почти вся площадь сгорела при средней и высокой степени тяжести, а это означает, что большинство деревьев в огневом следе были убиты. Это представляет собой фундаментальный сдвиг в пожарном режиме: где исторически огонь создал бы мозаику горящих тяжестей со значительными несгоревшими или низкосгоревшими пятнами, современное сочетание плотности и климата производит большие участки стоячих огней. Эти горящие районы с высокой степенью тяжести сталкиваются с последующими рисками эрозии, оползней и превращения в нелесные типы растительности, что вызывает вопросы о долгосрочной устойчивости лесных экосистем Калифорнии.

Обратная связь с огнем и погодой

Большие, интенсивные пожары сами по себе могут изменять местные погодные условия таким образом, что способствуют дальнейшему распространению. Пирокумулусные облака образуются, когда интенсивное тепло от огня заставляет воздух быстро подниматься, неся дым, пепел и влагу в верхние слои атмосферы. Эти облака могут перерасти в пирокумулонимбусные бури, которые производят молнии, сильные ветры и даже огненные торнадо. Огонь 2021 года вызвал множество пирокумулонимбусных событий, при этом огонь создает свою собственную погоду, которая привела к экстремальному росту. Эта петля обратной связи представляет собой границу в науке о пожаре, поскольку модели борются за сложные взаимодействия между поведением огня и атмосферными процессами.

Погода и пожары, скорее всего, будут происходить, когда нагрузка на топливо высока, а растительность чрезвычайно сухая; именно условия, созданные высокой плотностью лесов и изменением климата. Поскольку климат продолжает нагреваться, ожидается, что условия, способствующие развитию пирокумулонимбуса, станут более частыми, что потенциально подтолкнет поведение огня к режимам, которые не имеют исторического прецедента в Калифорнии.

Стратегии управления рисками лесных пожаров

Для решения проблемы двойных факторов плотности лесов и изменения климата требуется портфель стратегий, которые работают в временных и пространственных масштабах. Хотя сокращение выбросов парниковых газов является единственным долгосрочным решением проблемы пожарной опасности, обусловленной климатом, краткосрочные меры могут значительно снизить уязвимость лесов и общин. Наиболее эффективные подходы сочетают лесоочистку, планирование общин и политические реформы.

Утолщение лесов и механическое лечение

Механическое истончение — это физическое удаление деревьев, кустарников и поверхностного топлива для уменьшения плотности лесов и разрушения вертикальной и горизонтальной топливной непрерывности. Тонящие обработки предназначены для имитации структуры исторических лесов: широко расставленные деревья большого диаметра с открытой подлесковой поверхностью. При правильном внедрении истончение может снизить вероятность возникновения коронного огня путем создания зазоров в навесе, которые нарушают распространение огня, и путем удаления лестничных топлив, которые позволяют огню достигать навеса.

Исследование эффективности истончения является надежным. Исследование 2019 года, проведенное в 2013 году, показало, что районы, обработанные истончением и предписанным огнем, имели значительно более низкую степень пожароопасности, чем необработанные районы, даже при экстремальных пожароопасных погодных условиях. Аналогичным образом, пожар в Колдоре в 2021 году, который угрожал бассейну озера Тахо, продемонстрировал, что обработка топлива вокруг общин может обеспечить безопасные зоны для пожарных и уменьшить структурные потери. Однако одного истончения недостаточно; без последующих процедур для управления поверхностным топливом преимущества истончения со временем уменьшаются по мере накопления мелкого топлива.

Предписанное сжигание и культурное сжигание

Предписанное горение — это преднамеренное применение огня в контролируемых условиях для достижения экологических и топливных целей. Низкожесткие предписанные пожары потребляют поверхностное топливо, убивают небольшие деревья и кустарники и создают лесную структуру, которая более устойчива к лесному пожару высокой степени тяжести. Предписанное горение также восстанавливает экологические процессы, от которых зависят многие экосистемы Калифорнии, включая прорастание семян, круговороты питательных веществ и создание среды обитания для адаптированных к пожару видов.

Культурное сжигание, практикуемое коренными американскими общинами на протяжении тысячелетий до европейской колонизации, предлагает дополнительный подход, который объединяет знания коренных народов с современным управлением пожарами. Племена, включая Карук, Юрок и Хупу, сохранили традиции сжигания низкой интенсивности, которые способствуют здоровью лесов и снижению нагрузки на топливо. Растет признание того, что включение культурного сжигания в управление земельными ресурсами может улучшить результаты как для снижения риска пожара, так и для экологического восстановления. Штат Калифорния предпринял шаги для поддержки управления пожарами коренных народов, включая подписание законодательства 2022 года, которое облегчает участие племен в предписанных программах пожара.

Несмотря на свою эффективность, предписанное сжигание сталкивается со значительными барьерами, включая проблемы ответственности, правила качества воздуха, узкое окно подходящих погодных условий и проблемы общественного восприятия.Средняя площадь, обработанная предписанным огнем в Калифорнии, составляет около 125 000 акров в год, что намного ниже предполагаемого 1 миллиона акров в год, необходимого для восстановления огнестойкости в лесах штата.

Защищенное пространство и зонирование на уровне сообщества

На границе между дикими землями и развитием человека создание защитного пространства вокруг сооружений является одной из наиболее эффективных стратегий смягчения последствий лесных пожаров. Защищенное пространство включает удаление легковоспламеняющейся растительности, поддержание низкого уровня грунта, сохранение деревьев, разнесенных друг от друга, и использование огнестойких строительных материалов. Строительные кодексы Калифорнии были обновлены, чтобы потребовать строительства, устойчивого к воспламенению, в зонах высокого риска, и штат инвестировал в программы упрочнения домов, которые модернизируют существующие структуры, чтобы лучше противостоять воздействию угольных выбросов.

Ограничение развития в зонах высокого риска пожаров, требующих разрывов топлива вокруг общин и обеспечения адекватных маршрутов эвакуации - все это важные компоненты комплексной стратегии лесных пожаров. Пожар в лагере 2018 года продемонстрировал последствия недостаточного планирования эвакуации, поскольку заторы на дорогах и закрытие дорог способствовали гибели людей. Сообщества, которые интегрируют планирование лесных пожаров в свои общие планы и кодексы развития, лучше расположены для защиты жителей и имущества.

Адаптация к изменению климата и системы раннего предупреждения

По мере развития климатических условий стратегии адаптации должны идти в ногу с ними. Улучшенные системы раннего предупреждения, которые интегрируют прогнозирование погоды, мониторинг влажности топлива и моделирование поведения огня, могут дать сообществам и пожарным агентствам критическое время для выполнения работы. Система предупреждения о пожаре и красном флаге Национальной службы погоды обеспечивает оповещения, когда условия способствуют быстрому распространению огня, но эти предупреждения могут быть усилены с помощью более локализованных данных в режиме реального времени и лучших каналов связи для общественности.

Калифорния инвестировала в сеть удаленных метеостанций и участков отбора проб влаги, которые подпитывают модели поведения при пожаре, используемые командами по управлению инцидентами. Портал управления пожарной погодой штата консолидирует эти данные в единую платформу, доступную пожарным менеджерам по всем юрисдикциям. Расширение этих сетей мониторинга и улучшение разрешения моделей являются приоритетами для будущих инвестиций.

Проблемы политики и финансирования

Реализация описанных выше стратегий требует устойчивой политической воли и финансовых обязательств. В последние годы Калифорния сделала значительные инвестиции в управление лесными пожарами, включая многомиллиардный пакет мер по охране здоровья лесов, предотвращению пожаров и устойчивости общин. Однако масштаб проблемы затмевает текущие уровни финансирования. Цели штата по лесоочистке требуют обработки 1 миллиона акров в год к 2025 году, цель, которая остается неуловимой с учетом текущих ограничений в отношении потенциала.

Федеральные агентства по управлению земельными ресурсами, которые контролируют примерно 57% лесов Калифорнии, сталкиваются с аналогичными проблемами. Лесная служба США увеличила площадь обработки топлива, но продолжает бороться с волатильностью бюджета, судебными разбирательствами по экологическим обзорам и нехваткой персонала. Стратегия агентства по борьбе с лесными пожарами 2022 года призывает к обработке дополнительных 20 миллионов акров по всему Западу в течение следующего десятилетия, но для достижения этой цели потребуются значительные реформы процессов планирования, механизмов финансирования и развития рабочей силы.

Тихоокеанские газовые и электрические электростанции, компании Electric, Southern California Edison и другие принадлежащие инвесторам коммунальные предприятия несут ответственность за ущерб в десятки миллиардов долларов от пожаров, вызванных их оборудованием. В ответ коммунальные предприятия внедрили отключения электроэнергии в целях общественной безопасности (PSPS), которые приводят к отключению электропередач в условиях высокого риска, вызывая значительные нарушения в общинах. Напряжение между риском лесных пожаров и надежным обслуживанием электроэнергии является нерешенной политической проблемой, которая требует инновационных решений, включая закаливание сетей, подземное строительство и улучшенные стратегии управления растительностью.

Путь вперед

Роль плотности лесов и климата в распространении лесных пожаров в Калифорнии ясна: густые леса обеспечивают топливо, а климат обеспечивает условия для все более сильных пожаров. Решение этой проблемы требует фундаментального переосмысления управления земельными ресурсами, планирования общин и климатической политики. Ни одно вмешательство не решит кризис. Вместо этого портфельный подход, который сочетает в себе истончение лесов, предписанный пожар, закалку домов, планирование землепользования и сокращение выбросов, дает лучшую надежду на снижение риска лесных пожаров при сохранении экологических и социальных ценностей лесов Калифорнии.

За последние годы штат добился заметного прогресса, в том числе в создании Целевой группы по борьбе с лесными пожарами в Калифорнии, принятии значительных мер по финансированию и расширении партнерских отношений с племенными общинами. Однако траектория изменения климата означает, что даже агрессивных усилий по управлению может быть недостаточно для предотвращения дальнейшего увеличения пожарной активности в ближайшей перспективе. Долгосрочный успех зависит как от снижения концентрации парниковых газов в атмосфере, так и от фундаментального изменения отношений между людьми и огнем в ландшафтах Калифорнии.

Научное сообщество продолжает углублять понимание поведения пожаров, динамики топлива и климатических взаимодействий, обеспечивая научную основу для управления, основанного на фактических данных. Продолжающиеся инвестиции в исследования, мониторинг и адаптивное управление обеспечат, чтобы политика и практика оставались восприимчивыми к изменяющимся условиям. При постоянных усилиях по нескольким фронтам Калифорния может построить будущее, где лесные пожары являются управляемыми событиями, а не катастрофическими бедствиями, и где леса продолжают обеспечивать экологические, экономические и культурные преимущества, которые определяют характер государства.