Für Western Wildfires ist die unmittelbare Vergangenheit der Prolog

Seit 1984 beobachten Satelliten einen zunehmenden Trend der sommerlichen Waldbrandaktivität im Westen der Vereinigten Staaten, wobei die gesamte verbrannte Fläche durchschnittlich um 104.000 Acres (42.100 Hektar) pro Jahr zunimmt [Abolafia-Rosenzweig et al., 2022]. Von 1984 bis 2000 verbrannten Waldbrände in einem Gebiet, das alle oder Teile von 11 Bundesstaaten umfasste, insgesamt etwa 27,4 Millionen Acres, während diese Zahl von 2001 bis 2018 auf etwa 55,9 Millionen Acres anstieg. Allein im Jahr 2020 stieg die verbrannte Fläche auf rund 8,7 Millionen Acres – das entspricht 32 % der gesamten verbrannten Fläche von 1984 bis 2000 – und in den Brandsaisons 2020 und 2021 zusammen brannten fast 15 Millionen Acres des Westens der Vereinigten Staaten nieder, eine Fläche von fast 15 Millionen Acres so groß wie West Virginia.

Dieser Trend ist größtenteils auf längere und trockenere Brandsaisonen zurückzuführen, die durch die vom Menschen verursachte globale Erwärmung verursacht werden [Abatzoglou und Williams, 2016; Zhuang et al., 2021] – und es wird sich wahrscheinlich beschleunigen. Prognosen bis 2050 deuten darauf hin, dass das Klima im Westen der USA im Vergleich zu dem 30-Jahres-Zeitraum von 1991 bis 2020 doppelt so begünstigend für Waldbrände sein wird [Abatzoglou et al., 2021].

Im Frühjahr 2020 fragte uns Jimy Dudhia, Wissenschaftler am National Center for Atmospheric Research, ob etablierte Zusammenhänge zwischen Klima und Feuer genutzt werden können, um die Brandaktivität genau vorherzusagen. Diese Frage hat unsere Neugier geweckt und die Forschung angeheizt, um herauszufinden, ob das Wetter im Winter und Frühling die Schwere der Feuersaison im folgenden Sommer zuverlässig vorhersagen kann.

Der Westen der Vereinigten Staaten befindet sich mitten in einer beispiellosen Periode weit verbreiteter Megadürre und Feueraktivität, die die Schwere aller anderen in verfügbaren Jahrtausende alten Paläorecords beobachteten Perioden übersteigt [Williams et al., 2022; Higuera et al., 2021]. Wir haben die Auswirkungen der Waldbrände in unserer von Dürre heimgesuchten Heimatstadt Boulder, Colorado, in den letzten zwei Jahren aus erster Hand gesehen und gespürt. Wir haben unsere Häuser evakuiert, um mehreren Waldbränden zu entkommen, und im vergangenen Winter haben wir miterlebt, wie Nachbarschaften bei dem verheerenden Marshall-Feuer bis auf die Grundmauern niederbrannten.

Brände im Westen der Vereinigten Staaten verursachen jedes Jahr Tausende von rauchbedingten Todesfällen und zerstören Tausende von Häusern, sie haben die COVID-19-Sterblichkeit erhöht und sie haben zu anhaltenden Veränderungen in Ökosystemen und Wasserversorgung geführt.

Auf nationaler Ebene verursachen diese Brände jedes Jahr Tausende von rauchbedingten Todesfällen und zerstören Tausende von Häusern, sie haben die COVID-19-Sterblichkeit erhöht und sie haben zu anhaltenden Veränderungen in Ökosystemen und Wasserversorgung geführt. Die Bekämpfung dieser Brände erfordert staatliche Ausgaben, die häufig eine Milliarde US-Dollar pro Jahr übersteigen. Daher werden genaue Vorhersagen der Brandaktivität in großem Maßstab immer wichtiger für die effiziente Zuweisung der für die Waldbrandbekämpfung erforderlichen Ressourcen. Enge Beziehungen zwischen Klima und Feuer im Westen, die von unseren Feuervorhersagesystemen genutzt werden, können auch eine Politik zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen motivieren, die stark zur Erwärmung, Trocknung und immer heftigeren Waldbrandsaisonen in der Region beitragen [Abatzoglou und Williams, 2016; Zhuang et al., 2021].

Der enge Zusammenhang zwischen Klima und Feuer im Westen der Vereinigten Staaten wurde durch die Tradition der Brandbekämpfung und das Fehlen vorgeschriebener Brandbekämpfung seit der Zeit der euroamerikanischen Kolonisierung um 1800 verstärkt, was zu historisch dichten Wäldern führte. Auf klimatischen Bedingungen basierende Brandvorhersagemodelle können dabei helfen, zu validieren, ob Landbewirtschaftungsstrategien wie Baumausdünnung und vorgeschriebenes Abbrennen den Auswirkungen der Erwärmung und Trocknung entgegenwirken und die Klima-Brand-Kopplung schwächen können. Wenn beispielsweise klimabasierte Vorhersagen der Brandaktivität nach groß angelegten Waldbewirtschaftungsstrategien weniger zuverlässig sind, dann sind die verwendeten Strategien wahrscheinlich zur Eindämmung nützlich.

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Frühere Untersuchungen ergaben, dass der größte Teil der jährlichen Variabilität und des Gesamttrends der Schwere der Feuersaison in den letzten vier Jahrzehnten im Westen der Vereinigten Staaten durch Klimaschwankungen erklärt werden kann [Riley et al., 2013; Abatzoglou und Kolden, 2013; Williams et al., 2019; Abolafia-Rosenzweig et al., 2022; Westerling et al., 2006]. Dieser Zusammenhang besteht, weil die Entflammbarkeit von Bäumen, Gräsern und Sträuchern (also der Brennstoff für Brände) und die Geschwindigkeit der Brandausbreitung grundsätzlich davon abhängen, wie trocken die Brennstoffe und die Umgebung sind. Bei der Brandausbreitung kommt es zu einer Reihe von Entzündungen, die dadurch verursacht werden, dass die Hitze eines Feuers benachbarte Brennstoffe auf ihre Zündtemperatur anhebt (Abbildung 1). Sobald genügend Wärme übertragen wurde, verbrennen die Brennstoffe. Bei feuchten Kraftstoffen ist zusätzliche Energie (latente Wärme) erforderlich, um das Wasser zu verdampfen und zu trocknen, bevor ihre Temperatur den Zündpunkt erreichen kann. Dieses Grundkonzept der Thermodynamik hat eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der jährlichen Variabilität der großflächigen Brandaktivität im Westen der Vereinigten Staaten gespielt, und es wird erwartet, dass dies auch weiterhin der Fall sein wird, solange es reichlich Brennstoff gibt [ Abatzoglou et al., 2021].

Wir gingen davon aus, dass ein Großteil der Variabilität und des Trends in den Sommerbrandgebieten im Westen allein durch die klimatischen Bedingungen vor dem Brand erklärt werden kann.

Wir haben Dudhias Frage als unsere zentrale Hypothese neu formuliert und postuliert, dass ein Großteil der Variabilität und des Trends in den im Sommer verbrannten Gebieten im Westen allein durch die Klimabedingungen vor dem Brand erklärt wird. Um diese Hypothese zu testen, haben wir statistische Modelle entwickelt und ausgewertet, die historische Zusammenhänge zwischen dem Klima vor dem Sommer und der Brandaktivität im Sommer im Westen der Vereinigten Staaten „lernen“ [Abolafia-Rosenzweig et al., 2022].

Die von uns verwendete Methode des maschinellen Lernens umfasste die Eingabe von Kombinationen von Klimabedingungen vor dem Sommer (d. h. Winter und Frühling) oder Prädiktoren – jeweils gemittelt über verschiedene Zeiträume vor dem Sommer – in verallgemeinerte additive Modelle (GAMs). GAMs sind lineare Modelle, die dazu geeignet sind, Merkmale in nichtlinearen Datensätzen zu lernen und diese zu modellieren. Zu den berücksichtigten Prädiktoren gehörten Niederschlag, Temperatur, Evapotranspiration (die Bewegung von Wasser aus dem Boden und den Pflanzen in die Luft), potenzielle Evapotranspiration (der atmosphärische Wasserbedarf), Dampfdruckdefizit (die Trockenheit der Luft) sowie Schweregrad und Fläche der Dürre.

Aus mehr als 100.000 potenziellen Modellen, die jeweils auf einer einzigartigen Kombination von Prädiktoren basieren, haben wir die 100 besten für die Verwendung in einem Ensemble-Vorhersagesystem ausgewählt, basierend darauf, wie gut jedes Modell zu Satellitenbeobachtungen verbrannter Gebiete passen könnte (bestimmt durch Minimierung einer Metrik namens das Akaike-Informationskriterium). Anschließend bewerteten wir die Vorhersagefähigkeit unseres Multimodell-Ensembles, indem wir die verbrannten Flächen, die es für vergangene Jahre aus den Modelltrainingsdaten vorhergesagt hatte, mit beobachteten verbrannten Flächen während dieser Jahre verglichen. Die Genauigkeit zurückgehaltener Daten – die sogenannte Kreuzvalidierung – gilt als Goldstandard für die Bewertung maschinellen Lernens. Wir führten nämlich sowohl Kreuzvalidierungen mit einjähriger Auslassung als auch rückwirkende Prognosen durch.

Bei Kreuzvalidierungen mit einjähriger Auslassung werden Modelle mit Daten aus allen Jahren trainiert, mit Ausnahme des vorhergesagten Zieljahres, das weggelassen wird. Da dieses Zieljahr nicht zum Trainieren des Modells verwendet wird, wird die für dieses Jahr getroffene Vorhersage als Out-of-Bag-Vorhersage bezeichnet. Dieses Verfahren wird für jedes Jahr im Untersuchungszeitraum durchgeführt, um eine vollständige Aufzeichnung der Out-of-Bag-Vorhersagen zu ermitteln. Rückwirkende Prognosen ahmen ein operatives Prognosesystem nach, bei dem Modelle nur mit Aufzeichnungen aus Jahren vor einem Zieljahr trainiert werden, um die Brandaktivität im Zieljahr vorherzusagen. In unserem Fall haben wir rückwirkende Prognosen für die Jahre 2002–2020 erstellt, wobei die rückwirkende Prognose 2002 beispielsweise auf Modellen basiert, die auf Daten von 1984 bis 2001 trainiert wurden.

Beide Kreuzvalidierungsmethoden zeigten in unserem Modellensemble (r ≥ 0,73, wobei 1,0 eine perfekte Korrelation darstellt) robuste Beziehungen und Vorhersagbarkeit zwischen dem Vorsommerklima und den im Sommer verbrannten Gebieten im Westen der Vereinigten Staaten, was unsere zentrale Hypothese stützt [Abolafia-Rosenzweig et al., 2022].

Wir haben die oben beschriebene Methodik kürzlich auf ein neues Modellensemble angewendet, dessen Aufgabe es ist, die gesamte verbrannte Fläche im Westen der USA für den Sommer 2022 (Juni–September) vorherzusagen. Bei dieser experimentellen Vorhersage wurde der Teil der angrenzenden Vereinigten Staaten westlich von 104° W untersucht, der in den vier westlichen Regionen liegt, die durch die Dürrefrühwarnsysteme (DEWS) des National Integrated Drought Information System (NIDIS) definiert sind: Pazifischer Nordwesten, Kalifornien-Nevada, Missouri River Basin und Intermountain West. Die Vorhersagen wurden mit einer Vorlaufzeit von einem Monat erstellt, wobei die Klimavorhersagen vor der Einführung von November 2021 bis April 2022 berücksichtigt wurden.

Der Mittelwert des Modellensembles prognostiziert fast die Hälfte der zwischenjährlichen Variabilität der im Sommer verbrannten Fläche von 1984 bis 2021 auf der Grundlage des Klimas vor der Brandsaison (r = 0,7; Abbildung 2). Und der prognostizierte Trend der verbrannten Fläche in diesem Zeitraum deutet auf einen Anstieg von 62.000 Acres pro Jahr hin, was 60 % des beobachteten Trends von 104.000 Acres pro Jahr erklärt. Darüber hinaus sagt das Modellensemble mit einer Genauigkeit von 82 % voraus, ob die verbrannte Fläche in einem bestimmten Jahr über oder unter dem Durchschnitt lag. Diese Modelle erklären somit einen Großteil der jährlichen Schwankungen und Trends der Brandaktivität in den letzten vier Jahrzehnten. Unseres Wissens hat kein anderes makroskaliges Vorhersagesystem für verbrannte Flächen unser neues Ensemble übertroffen.

Der Anteil der Variabilität in der beobachteten verbrannten Fläche, der durch unseren Ansatz nicht erklärt wird, wird wahrscheinlich durch eine Kombination von Faktoren erklärt, die nicht zum Trainieren unseres Modells verwendet wurden. Zu diesen Faktoren gehören die Treibstoffverfügbarkeit, lokale Windmuster, Zündquellen und der rasche Beginn einer Dürre im Hoch- oder Spätsommer. Ein Teil der Erklärung dafür, dass das Modellensemble den Trend zur Vergrößerung der Verbrennungsfläche unterschätzt, liegt darin, dass unsere vorsommerlichen Klimamodelle den relativ erheblichen Trend der sommerlichen Erwärmung nicht direkt berücksichtigen – die Sommertemperaturen im Westen haben sich im Durchschnitt um 0,033 °C pro Jahr erwärmt von 1984 bis 2021 – was nicht durch Winter- und Frühlingstemperaturtrends dargestellt wird (<0,014°C pro Jahr).

Große Unterschätzungen der gesamten verbrannten Flächen während der Brandsaison 2020 und 2021 trugen teilweise auch zu dem unterschätzten Trend unseres Modellensembles bei. Unsere statistischen Modelle haben die Verschärfung der Dürre im Spätsommer im Westen der Vereinigten Staaten im Jahr 2020, die eine beispiellose Spätsommer-Brandaktivität ermöglichte, nur unzureichend berücksichtigt. Zu dieser Aktivität gehörte auch der verheerende August Complex Fire in Kalifornien, der mehr als 1 Million Acres zerstörte. Dass das extreme Ausmaß der verbrannten Fläche im Jahr 2021 nicht erfasst werden konnte, ist wahrscheinlich auf die seltene Schwere der Dürre in diesem Jahr zurückzuführen, die sich in den Modelltrainingsdaten nicht widerspiegelt.

Im Allgemeinen können statistische Modelle, die die Brandaktivität auf der Grundlage historischer Beziehungen vorhersagen, in einem sich schnell verändernden Klimasystem eine abnehmende Genauigkeit aufweisen, da zukünftige Bedingungen häufig außerhalb des Bereichs der historischen Variabilität liegen könnten. Tatsächlich betrafen vier von fünf der ungenauesten Vorhersagen unseres Ensembles ungewöhnlich aktive Feuersaisons in den vergangenen zehn Jahren (2012, 2017, 2020 und 2021). Dennoch sind solche Modelle, die durch zusätzliches Training kontinuierlich verbessert werden können, immer noch äußerst wertvoll und nützlich, insbesondere in Ermangelung anderer zuverlässiger Mittel zur Vorhersage der Intensität kommender Brandsaisons.

Für die Brandsaison 2022 prognostiziert unser maschineller Lernansatz experimentell eine verbrannte Fläche von 3,8 Millionen Acres, eine Fläche in etwa der Größe von Connecticut.

Für die Brandsaison 2022 prognostiziert unser maschineller Lernansatz experimentell eine verbrannte Fläche von 3,8 Millionen Acres – eine Fläche, die ungefähr der Größe von Connecticut entspricht – obwohl diese Zahl zwischen 1,9 und 5,3 Millionen Acres liegen könnte, wenn man die Unsicherheit bedenkt, die sich aus der Bandbreite der Vorhersagen ergibt das komplette Modellensemble. Diese Prognose entspricht der achtgrößten gesamten verbrannten Fläche über dem Westen der Vereinigten Staaten im Modellzeitraum 1984–2022 (Abbildung 2a) und ist 38 % größer als die durchschnittliche verbrannte Sommerfläche (Juni–September) aus dem simulierten Zeitraum 1984–2022. Rekord 2021.

Die Schwere des vorhergesagten Brandgebiets für diesen Sommer ist auf unterdurchschnittliche Winter-Frühjahr-Niederschläge und überdurchschnittliche Winter-Frühjahr-Temperaturen zurückzuführen, die zu weit verbreiteten Dürrebedingungen führen (Abbildung 2b). Im Mai 2022 berichtete der United States Drought Monitor (USDM), dass 68–100 % der westlichen DEWS-Regionen von Dürre betroffen waren.

Prognosen zur kumulativen Brandfläche und Brandaktivität können im Voraus und auf nationaler Ebene als Grundlage für Entscheidungen zur Ressourcenzuteilung dienen. Konkret können beispielsweise Prognosen über das Ausmaß der Brandaktivität im Sommer Aufschluss darüber geben, wie viel Geld für die Brandbekämpfung während der Hauptbrandsaison bereitgestellt wird. Diese Prognosen sind auch wichtig, um zu verdeutlichen, dass die großflächige Brandaktivität im Westen der Vereinigten Staaten in erster Linie vom Klima beeinflusst wurde und voraussichtlich auch weiterhin sein wird. In der Diskussion über Ziele für Treibhausgasemissionen, das Klima und entsprechende Gesetze können politische Entscheidungsträger dieses Verständnis nutzen, um sinnvolle Gesetze zu erarbeiten, die darauf abzielen, den Trend zunehmender Waldbrände umzukehren.

Die Fähigkeit statistischer Modelle, Waldbrände im Westen der USA genau vorherzusagen, wird durch sich schnell ändernde Klimabedingungen, Brandregime, menschliches Verhalten und entsprechende Vegetationsveränderungen auf die Probe gestellt. Um Modellungenauigkeiten zu mildern, können Wissenschaftler die Treibstoffverfügbarkeit mithilfe satellitenbeobachteter Vegetationsindizes berücksichtigen und sollten den Einsatz physikalisch basierter Wettermodelle in Betracht ziehen, um Brandvorhersagemodelle mit Informationen über potenzielle Sommerhydrometeorologie (z. B. Niederschlag), lokale Windmuster und natürliche Bedingungen weiter zu trainieren Zündquellen (z. B. Blitze). Forscher sollten weiterhin untersuchen, wie Klima-Feuer-Beziehungen durch vom Menschen verursachte Veränderungen des Ökosystems und durch neue Klima- und Feuerregime im Anthropozän gestärkt oder geschwächt werden [Littell, 2018]. Wir hoffen, dass die Region durch diese laufenden Forschungs- und Modellentwicklungsbemühungen besser gerüstet ist, um künftige Waldbrände vorherzusehen und darauf zu reagieren und ihre verheerenden Auswirkungen auf Mensch und Natur zu verringern.

Die hier beschriebene Arbeit wurde durch die NOAA MAPP (Modeling, Analysis, Predictions, and Projections) Zuschüsse NA18OAR4310134 und NA20OAR4310421 sowie das NCAR (National Center for Atmospheric Research) Water System Program unterstützt. Die Autoren danken Karen Slater für ihre Hilfe bei der Verbesserung des Textes und Betty Abolafia-Rosenzweig für die Illustration von Abbildung 1. NCAR wird von der National Science Foundation gesponsert. Die Beobachtungen verbrannter Gebiete stammen aus dem Landsat-basierten MTBS-Datensatz (Monitoring Trends in Burn Severity) der NASA für 1984–2020 und den MODIS Terra- und Aqua MCD64A1-Karten verbrannter Gebiete für 2021. Für die experimentelle Vorhersage 2022 werden Prädiktoren für die Vorbrandsaison verwendet erhalten vom operativen North American Land Data Assimilation System (NLDAS-2) der NASA. Das in Abbildung 2b dargestellte Dampfdruckdefizit stammt von GridMET.

Abatzoglou, JT und CA Kolden (2013), Beziehungen zwischen Klima und makroskaligem Gebiet im Westen der Vereinigten Staaten, Int. J. Wildland Fire, 22(7), 1.003–1.020, https://doi.org/10.1071/WF13019.

Abatzoglou, JT und AP Williams (2016), Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels auf Waldbrände in den Wäldern im Westen der USA, Proc. Natl. Acad. Wissenschaft. USA, 113(42), 11.770–11.775, https://doi.org/10.1073/pnas.1607171113.

Abatzoglou, JT, et al. (2021), Prognostizierte Zunahme der Waldbrände im Westen der USA trotz zunehmender Treibstoffbeschränkungen, Commun. Earth Environ., 2, 227, https://doi.org/10.1038/s43247-021-00299-0.

Abolafia-Rosenzweig, R., C. He und F. Chen (2022), Das Winter- und Frühlingsklima erklärt einen großen Teil der zwischenjährlichen Variabilität und des Trends in den im Sommer durch Brände verbrannten Gebieten im Westen der USA, Environ. Res. Lett., 17(5), 054030, https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac6886.

Higuera, PE, BN Shuman und KD Wolf (2021), Subalpine Wälder der Rocky Mountains brennen jetzt mehr als jemals zuvor in den letzten Jahrtausenden, Proc. Natl. Acad. Wissenschaft. USA, 118(25), e2103135118, https://doi.org/10.1073/pnas.2103135118.

Littell, JS (2018), Dürre und Feuer im Westen der USA: Reicht die Klimaattribution aus?, Curr. Aufstieg. Change Rep., 4, 396–406, https://doi.org/10.1007/s40641-018-0109-y.

Riley, KL, et al. (2013), Der Zusammenhang zwischen Großbrandereignissen und Dürre- und Brandgefahrenindizes im Westen der USA, 1984–2008: Die Rolle der Zeitskala, Int. J. Wildland Fire, 22(7), 894–909, https://doi.org/10.1071/WF12149.

Westerling, AL, et al. (2006), Erwärmung und früherer Frühling erhöhen die Waldbrandaktivität im Westen der USA, Science, 313(5789), 940–943, https://doi.org/10.1126/science.1128834.

Williams, AP, et al. (2019), Beobachtete Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels auf Waldbrände in Kalifornien, Earth's Future, 7, 892–910, https://doi.org/10.1029/2019EF001210.

Williams, AP, BI Cook und JE Smerdon (2022), Schnelle Intensivierung der aufkommenden Megadürre im Südwesten Nordamerikas in den Jahren 2020–2021, Nat. Aufstieg. Change, 12, 232–234, https://doi.org/10.1038/s41558-022-01290-z.

Zhuang, Y., et al. (2021), Quantifizierung der Beiträge natürlicher Variabilität und anthropogener Antriebe zum erhöhten Brandwetterrisiko im Westen der Vereinigten Staaten, Proc. Natl. Acad. Wissenschaft. USA, 118(45), e2111875118, https://doi.org/10.1073/pnas.2111875118.

Ronnie Abolafia-Rosenzweig ([email protected]), Cenlin He und Fei Chen, National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado.