Ce que les mathématiques complexes de la modélisation des incendies nous disent sur l'avenir des forêts californiennes

Les incendies en Californie deviennent de plus en plus importants et plus difficiles à prévoir. La seule façon de les apprivoiser est peut-être de refaire le paysage lui-même.

David Ryder/Getty Images

par

• Saül Elbein page d'archives

18 janvier 2021

Au plus fort de la pire saison des feux de forêt jamais enregistrée en Californie, Geoff Marshall baissa les yeux sur son ordinateur et se rendit compte qu'un énorme incendie était sur le point de surprendre les pompiers .

Marshall dirige l'équipe de prévision des incendies au Département des forêts et de la protection contre les incendies de Californie (connu sous le nom de Cal Fire), dont le siège est à Sacramento, ce qui lui confie un travail de plus en plus difficile : anticiper le comportement des incendies de forêt qui deviennent chaque année moins prévisibles.

Le problème était évident de là où se trouvait Marshall : les forêts californiennes étaient prises entre un régime de gestion consacré à la croissance d'épais peuplements d'arbres - et à l'éradication du feu de faible intensité qui les avait autrefois détruits - et un climat de plus en plus instable, qui se réchauffait rapidement.

En conséquence, de plus en plus d'incendies franchissaient un seuil mal compris allant des incendies de forêt typiques - faisant partie d'un cycle de combustion normal pour un paysage comme celui de la Californie - à des incendies monstrueux et hautement destructeurs. Parfois appelés mégafeux (un terme scientifiquement dénué de sens qui fait vaguement référence à des incendies qui brûlent plus de 100 000 acres), ces incendies massifs se produisent plus souvent dans le monde, faisant exploser d'immenses étendues de Californie, du Chili, d'Australie, de l'Amazonie et de la région méditerranéenne. .

À ce moment particulier en Californie en septembre dernier, plusieurs incendies sans précédent étaient brûlant simultanément . Ensemble, ils doubleraient la superficie record de la saison des feux de forêt 2018 en moins d'un mois. Mais tout aussi préoccupant pour Marshall que leur taille était que les plus grands incendies se comportaient souvent de manière inattendue, ce qui rendait plus difficile la prévision de leurs mouvements.

Pour faire face à cette nouvelle ère, Marshall disposait d'un nouvel outil : Analyste des feux de forêt , un programme de prévision et de modélisation des incendies en temps réel que Cal Fire a obtenu pour la première fois sous licence auprès d'une société californienne appelée TechnoSylva en 2019.

Le travail de prédiction de la propagation des incendies était depuis longtemps une question d'ellipses et de modèles dessinés à la main, si lents que les analystes les mettaient avant de se coucher et espéraient qu'ils seraient terminés le matin. Wildfire Analyst, d'autre part, canalise les données de dizaines de flux distincts : prévisions météorologiques, images satellite et mesures de l'humidité dans une zone donnée. Ensuite, il projette tout cela sur une élégante superposition graphique d'incendies qui brûlent à travers la Californie.

Un outil de modélisation appelé Wildfire Analyst montre comment un incendie en Californie pourrait se propager sur une période de huit heures. Les objets rouges sont des bâtiments.

Chaque nuit, pendant que les équipes de pompiers dorment, Wildfire Analyst ensemence ces forêts numériques avec des millions de brûlages d'essai, pré-calculant leur propagation afin que les analystes humains comme Marshall puissent faire des simulations en quelques secondes, créant des séries qu'ils peuvent transférer sur Google Maps pour montrer leurs supérieurs là où se trouvent les plus grands risques. Mais ce risque particulier, réalisa soudain Marshall, avait échappé au programme.

L'affichage montrait maintenant un groupe de polygones roses et verts vifs rampant sur le flanc est des Sierras, près de la ville de Big Creek. Les polygones, l'un des nombreux flux transférés directement dans Wildfire Analyst, provenaient de FireGuard, un flux en temps réel du Département américain de la Défense qui estime les emplacements actuels de tous les incendies de forêt. Ils se répandaient, beaucoup plus vite qu'ils n'auraient dû l'être, dans le bassin versant de Big Creek.

Dans ses calculs, Wildfire Analyst avait fait un certain nombre d'hypothèses. Il a vu, de l'autre côté de Big Creek, un peuplement dense de gros bois. On pensait traditionnellement que ces peuplements empêchaient la propagation rapide du feu, ce que les modèles attribuent en grande partie aux combustibles fins comme la paille de pin.

Mais Marshall a soudainement réalisé, contrairement aux algorithmes pilotant Wildfire Analyst, que le drainage contenait tous les ingrédients d'une tempête de feu parfaite. Ce bois lourd, il le savait, était en fait une immense parcelle d'arbres morts affaiblis par les coléoptères, tués par la sécheresse et cuits par deux semaines de chaleur à 100 ° F en un bois de chauffage parfait. Et la vallée de Big Creek concentrerait le vent sur le feu comme un soufflet. Sans station météo à l'embouchure du ruisseau, le programme ne pouvait pas voir tout cela.

Marshall retourna à son ordinateur et recalcula quelques chiffres avec les nouvelles variables prises en compte. Il regarda sur son écran le feu se propager à une vitesse effrayante à travers la Sierra. Je suis allé à la roulotte d'opération et j'ai dit à mes hauts : je pense que ça va sauter la rivière San Joaquin, se souvient-il. Et si c'est le cas, ça va tourner gros.

C'était, à ce moment-là, une affirmation farfelue - aucun incendie en Californie n'avait jamais fait une course de neuf milles dans du bois lourd, aussi sec soit-il. Mais dans ce cas, la combustion des arbres a créé de puissants panaches d'air surchauffé qui ont alimenté le feu. Il a sauté la rivière et a couru à travers les bois jusqu'à un réservoir connu sous le nom de Piscine Mammouth , où un pont aérien de dernière minute enregistré 200 campeurs de la mort ardente.

Le Creek Fire était une étude de cas dans le défi auquel sont confrontés les analystes des incendies d'aujourd'hui, qui tentent de prédire les mouvements d'incendies qui sont beaucoup plus graves que ceux observés il y a à peine dix ans. Comme nous comprenons si peu le fonctionnement du feu, ils utilisent des outils mathématiques fondés sur des hypothèses obsolètes, ainsi que des plateformes technologiques qui ne parviennent pas à saisir l'incertitude de leur travail. Des programmes comme Wildfire Analyst, bien qu'utiles, donnent une impression de précision et d'exactitude qui peut être trompeuse.

Devancer les incendies les plus destructeurs nécessitera non seulement de nouveaux outils informatiques, mais aussi un changement radical dans la gestion des forêts. Avec changement climatique , des générations de décisions de gestion des terres et de l'environnement - destinées à préserver les forêts que de nombreux Californiens se sentent le devoir de protéger - ont créé par inadvertance cette nouvelle ère d'incendies hyperdestructeurs.

Mais si ces incendies massifs se poursuivent, la Californie pourrait voir les forêts de la Sierra effacées aussi complètement que celles de Les Blue Mountains d'Australie . Éviter ce scénario cauchemardesque nécessitera un changement de paradigme. Les résidents, les commandants des pompiers et les dirigeants politiques doivent passer d'un état d'esprit de prévention ou de contrôle des feux de forêt à apprendre à vivre avec. Cela signifiera adopter des techniques de gestion des incendies qui encouragent des brûlages plus fréquents et, en fin de compte, permettre aux incendies de transformer à jamais les paysages qu'ils aiment.

Hypothèses fragiles

Fin octobre, Marshall a partagé son écran et m'a fait visiter Wildfire Analyst. Nous avons regardé les polygones fluorescents FireGuard d'un nouveau doigt de flamme sortir de la combustion Complexe d'août . En quelques clics, il a posé quatre minuscules feux virtuels le long du bord du feu réel, de l'autre côté de la ligne de feu qui avait bloqué sa progression. Quelques secondes plus tard, le feu fleurit à travers le paysage simulé. Dans les conditions actuelles, le modèle a estimé qu'un incendie qui s'est déclaré à ces endroits pourrait s'étendre sur 8 000 acres - une course de près de trois milles - en 24 heures.

Pour Marshall et le reste des analystes de Cal Fire, Wildfire Analyst fournit une plate-forme standardisée sur laquelle partager les données des incendies qu'ils surveillent, des projections sur les exécutions qu'ils pourraient faire et des hacks pour faire en sorte qu'un incendie simulé se rapproche du comportement d'un vrai. . Avec ces informations, ils essaient d'anticiper où un incendie va se propager, ce qui, en théorie, peut déterminer où envoyer des équipes ou quelles régions évacuer.

Comme tout modèle, Wildfire Analyst est aussi bon que les données qui l'alimentent, et ces données sont aussi bonnes que notre compréhension scientifique du phénomène en question. En ce qui concerne la mécanique des incendies de forêt, cette compréhension est médiévale, dit Marc Finney , directeur du US Forest Service’s Laboratoire d'incendie de Missoula .

Notre approche actuelle de la modélisation des incendies, qui alimente chaque plate-forme analytique en temps réel, y compris Wildfire Analyst de TechnoSylva, repose sur un ensemble particulier d'équations qu'un chercheur nommé Richard Rothermel a dérivé au Fire Lab il y a près d'un demi-siècle pour calculer à quelle vitesse le feu se déplacerait, avec des conditions de vent données, à travers des combustibles donnés.

L'hypothèse clé de Rothermel - peut-être nécessaire, compte tenu des outils informatiques disponibles à l'époque, mais dont nous savons maintenant qu'elle est fausse - était que les incendies ne se propagent que par rayonnement lorsque le front de la flamme capte les combustibles fins (paille de pin, litière de feuilles, brindilles) sur le sol.

Cette propagation, a découvert Rothermel, s'est déplacée vers l'extérieur en un mince bord en expansion le long d'une ellipse. Pour comprendre comment un incendie se développerait, les pompiers sur le terrain ont utilisé nomogrammes : graphiques prédéfinis qui attribuaient des valeurs spécifiques à la vitesse du vent, à la pente et aux conditions de carburant pour révéler une vitesse moyenne de propagation.

DÉPARTEMENT DE L'AGRICULTURE DES ÉTATS-UNIS

À ses débuts sur le terrain, dit Finney, vous étendiez votre dossier de nomogrammes sur le capot de votre camionnette et faisiez vos projections au crayon épais, en traçant sur une carte topographique où le feu serait dans une heure, ou deux, ou Trois. Les équations de Rothermel ont permis aux analystes de modéliser le feu comme un jeu de Go, à travers des cellules homogènes d'un paysage bidimensionnel.

C'est là que les choses en sont restées pendant des décennies. Wildfire Analyst et des outils similaires représentent un reconditionnement de cette approche plus qu'une amélioration fondamentale de celle-ci. (TechnoSylva n'a pas répondu aux multiples demandes d'entretien.) Ce qu'il faut maintenant, c'est moins une technique de prédiction en temps réel qu'une réévaluation fondamentale du fonctionnement du feu - et un effort concerté pour restaurer les paysages californiens à quelque chose qui se rapproche d'un équilibre naturel.

Complications

Le problème pour des produits comme Wildfire Analyst et pour des analystes comme Marshall est facile à énoncer et difficile à résoudre. Un incendie n'est pas un système linéaire, procédant de cause à effet. C'est un système couplé dans lequel la cause et l'effet s'enchevêtrent. Même à l'échelle d'un bougie , l'allumage déclenche une réaction auto-entretenue qui déforme l'environnement qui l'entoure, modifiant davantage l'ensemble du système - le carburant se décomposant en flammes, aspirant plus de vent, ce qui attise davantage le feu et décompose davantage de carburant.

De tels systèmes sont notoirement sensibles même à de petits changements, ce qui les rend extrêmement difficiles à modéliser. Une petite variation dans les données de départ peut conduire, comme avec les calculs de Creek Fire, à une réponse exponentiellement erronée. En termes de ce type de complexité non linéaire, le feu ressemble beaucoup à la météo, mais les modèles informatiques de dynamique des fluides qui sont utilisés pour établir des prévisions pour, par exemple, le National Weather Service nécessitent des superordinateurs. Les modèles qui tentent de saisir la complexité d'un incendie de forêt sont généralement des centaines de fois plus simples.

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Des scientifiques pionniers comme Rothermel ont traité ce problème insoluble en l'ignorant. Au lieu de cela, ils ont recherché des facteurs, tels que la vitesse et la pente du vent, qui pourraient les aider à prédire le prochain mouvement d'un incendie en temps réel.

Avec le recul, dit Finney, c'est un miracle que les équations de Rothermel fonctionnent pour les incendies de forêt. Il y a la différence d'échelle - Rothermel a dérivé ses équations de minuscules incendies contrôlés installés dans des lits de combustible de 18 pouces. Mais il y a aussi des erreurs plus fondamentales. Le plus flagrant était l'hypothèse de Rothermel selon laquelle le feu ne se propage que par rayonnement, au lieu de passer par les courants de convection que vous voyez lorsqu'un feu de camp scintille.

Cette hypothèse n'est pas vraie, et pourtant pour certains incendies, même énormes comme Complexe du nord-ouest de l'Oklahoma en 2017 , qui a brûlé plus de 780 000 acres, les équations de propagation de Rothermel semblent toujours fonctionner. Mais à certaines échelles et dans certaines conditions, le feu crée un nouveau type de système qui défie toute tentative de le décrire.

Le Creek Fire en Californie, par exemple, n'a pas seulement pris de l'ampleur. Cela a créé un panache d'air chaud qui s'est accumulé sous la stratosphère, comme de la vapeur contre le couvercle d'une cocotte-minute. Puis il sauté à 50 000 pieds , aspirant l'air d'en bas qui a alimenté les flammes, créant un système de tempête - avec des éclairs et des tornades de feu - là où aucune tempête n'aurait dû se produire.

D'autres incendies énormes et destructeurs semblent ricocher sur le temps, ou les uns sur les autres, de manière chaotique. Les incendies se calment généralement la nuit, mais en 2020, deux des plus grandes fuites de Californie ont éclaté la nuit. Comme la chaleur augmente, les incendies brûlent généralement en amont, mais dans Feu d'ours , deux énormes têtes de flammes ont parcouru 22 miles de descente, une ligne de panaches tornadiques tournant entre eux.

Finney dit que nous ne savons pas si l'intensité a causé les comportements étranges ou vice versa, ou si les deux sont issus d'une dynamique plus profonde. Selon lui, une mesure de notre ignorance est que nous ne pouvons même pas nous y fier : ce serait vraiment bien de savoir quand nos modèles actuels fonctionneront et quand ils ne fonctionneront pas, dit-il.

Illusions

Pour Finney et d'autres spécialistes des incendies, le danger avec des produits comme Wildfire Analyst n'est pas nécessairement qu'ils sont inexacts. Tous les modèles le sont. C'est qu'ils cachent des solutions dans une boîte noire et, bien plus important, se concentrent sur le mauvais problème.

Contrairement à Wildfire Analyst, l'ancienne génération d'outils exigeait que les analystes sachent précisément quelles couvertures et hypothèses ils faisaient. Les nouveaux outils laissent tout cela à l'ordinateur. De tels produits jouent dans l'obsession du domaine pour la modélisation, scientifique après scientifique m'a dit, malgré le fait qu'aucun modèle ne peut prédire ce que le feu fera.

Vous pouvez toujours calibrer le système par la suite pour correspondre à vos observations, dit Brandon Collins , chercheur scientifique sur les feux de forêt à l'UC Berkeley. Mais pouvez-vous le prévoir à l'avance?

Cela relève davantage de la science que de la technologie : il faudrait des recherches primaires pour développer et tester une nouvelle théorie de la flamme. Mais un tel travail est coûteux et la plupart des fonds de recherche sur les incendies de forêt sont attribués pour résoudre des problèmes techniques spécifiques. Le Missoula Fire Lab survit grâce aux restes d'un budget de l'ère de la Grande Société; son établissement jumeau, le Macon Fire Lab en Géorgie, a été fermée dans les années 1990.

Collins et Finney font ce qu'ils peuvent avec les fonds dont ils disposent. Ils font tous deux partie d'un groupe de travail public-privé sur la science du feu appelé Pyrégence qui convertit un silo à grains en fournaise pour voir comment de grosses bûches, comme le bois tombé sur Big Creek, propagent le feu.

Pendant ce temps, l'équipe de Finney au Missoula Fire Lab travaille à développer un ensemble de données qui répond aux questions fondamentales sur le feu - une base potentielle pour de nouveaux modèles. Ils visent à décrire comment le vent sur les bûches fumantes entraîne de nouveaux fronts de flammes ; quantifier la probabilité que des braises projetées par une flamme repèrent ou allument de nouveaux incendies ; et étudier le rôle que les forêts de pins semblent jouer en encourageant leur propre brûlage.

Le but de ces modèles est moins de voir où un incendie particulier ira une fois qu'il est éclaté, et plus de servir d'outil de planification pour aider les Californiens à mieux gérer le paysage sujet aux incendies et éteint dans lequel ils vivent.

Comme les écosystèmes du Chili, du Portugal, de la Grèce et de l'Australie - toutes des régions qui ont récemment connu plus de mégafeux - les forêts de conifères de Californie ont évolué au cours de milliers d'années au cours desquelles des incendies naturels et d'origine humaine ont périodiquement éliminé l'excès de carburant et créé l'espace et les nutriments pour de nouveaux croissance.

Avant le 19ème siècle, on pense que les Amérindiens ont délibérément brûlé à peu près autant de Californie chaque année qu'en 2020. Des pratiques similaires ont survécu jusqu'à aussi récemment que dans les années 1970 - les éleveurs des contreforts de la Sierra brûlaient des broussailles pour encourager une nouvelle croissance pour leur animaux à manger. Les bûcherons ont extrait des tonnes de bois des forêts entretenues pour en produire d'énormes volumes, brûlant les débris sur place.

JOSH BÉRENDES / UNSPLASH

Puis, lorsque les éleveurs ont fait faillite et ont vendu leurs terres à des promoteurs, les pâturages sont devenus des communautés résidentielles. Les réglementations sur la qualité de l'air ont découragé les éleveurs restants de brûler. Et des décennies de conflits entre les organisations environnementales et les sociétés d'exploitation forestière ont pris fin, dans les années 1990, avec les bûcherons qui ont déserté les forêts qu'ils avaient autrefois coupées à blanc.

Dans la Sierra, comme dans ces autres régions aujourd'hui sujettes à d'immenses incendies destructeurs, un paysage profondément altéré et depuis longtemps arraché à tout équilibre naturel a été largement abandonné. Des millions d'acres de pins ont poussé, emballés et assoiffés. Finalement, beaucoup ont été tués par la sécheresse et les scolytes, s'accumulant dans une prépondérance de carburant. Les incendies qui auraient pu défricher le terrain et réinitialiser la forêt ont été éteints par le Service forestier des États-Unis et Cal Fire, dont l'objectif principal était devenu la suppression totale des incendies.

Se libérer de cet héritage ne sera pas facile. L'avenir vers lequel travaille Finney est celui où les gens peuvent comparer différents modèles et décider lequel fonctionnera le mieux pour une situation donnée. Lui et son équipe espèrent que de meilleures données conduiront à de meilleurs modèles de planification qui, dit-il, pourraient nous donner la confiance nécessaire pour laisser certains incendies brûler et faire notre travail pour nous.

Pourtant, dit-il, se concentrer trop sur les modèles risque de passer à côté d'une question plus importante : et si nous ignorons l'aspect fondamental des incendies de forêt, à savoir que nous avons besoin de plus de feu, d'un feu approprié, afin de ne pas laisser les incendies de forêt nous surprendre et nous détruire ?

Vivre avec les feux de forêt

En 2014, le Roi Feu a fait rage à travers la Sierra de Californie, laissant une cicatrice de brûlure là où les arbres n'ont toujours pas repoussé. Au lieu de cela, dit le sylviculteur du Service forestier Dana Walsh , ils ont été remplacés par d'épais tapis de chaparral, un arbuste sujet au feu qui a évincé le retour de la forêt.

Les gens demandent ce qui se passe si nous laissons simplement la nature suivre son cours après un grand incendie, dit Walsh. Vous obtenez 30 000 acres de chaparral.

C'est le danger auquel sont confrontés les paysages des Pyrénées à la Sierra californienne en passant par les Blue Mountains australiennes, déclare Marc Castellnou , un spécialiste des incendies catalan qui est consultant pour TechnoSylva. Au cours des deux dernières décennies, il a étudié la montée des mégafeux dans le monde, les regardant battre des records de longueur ou de vitesse de course.

Pendant trop longtemps, dit-il, la politique californienne en matière d'incendie et de forêt a résisté à un changement inévitable du paysage. L'État n'a pas besoin d'outils prédictifs sans faille pour voir où vont ses forêts, dit-il : Le carburant s'accumule, l'énergie s'accumule, l'atmosphère se réchauffe. Le paysage va se rééquilibrer.

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La suppression des incendies a échoué. Voici ce que la Californie doit faire à la place. Il est temps de renverser un siècle de politique de gestion des incendies. Cela nécessitera des réformes réglementaires radicales et des tonnes d'argent.

Le choix de la Californie – comme en Catalogne, où Castellnou est scientifique en chef pour les 4 000 pompiers de la province autonome – est soit de suivre ce changement et d'avoir une chance de l'influencer, soit d'être renversé par des mégafeux.

L'objectif est moins de régénérer les forêts indigènes dans ces zones - qui, selon Castellnou, ont été rendues obsolètes par le changement climatique - que de travailler avec le paysage pour développer un nouveau type de forêt où les incendies de forêt sont moins susceptibles de se transformer en incendies massifs.

Dans une large mesure, son approche consiste à revenir aux anciennes techniques de gestion des terres. Les populations rurales de sa région contrôlaient autrefois les incendies destructeurs en déclenchant ou en autorisant des incendies fréquents et de faible intensité, et en utilisant le bétail pour manger les broussailles dans l'intervalle. Ils ont planté des peuplements d'espèces de feuillus résistants au feu qui se tenaient comme des sentinelles, bloquant les vagues de flammes.

Pour Castellnou, cependant, cela signifie aussi faire des choix politiquement difficiles. En juillet 2019, juste à l'extérieur de Tivissa, en Espagne, je l'ai vu expliquer à un groupe de maires ruraux catalans et d'oléiculteurs pourquoi il avait laissé brûler la zone autour de leurs villes.

Il avait craint que si les équipages ralentissaient les incendies catalans, ils pourraient provoquer la formation d'un pyrocumulonimbus - un violent nuage de feu, de tonnerre et de vent comme celui qui s'est formé au-dessus du Creek Fire. Un tel phénomène aurait pu alimenter le feu jusqu'à ce qu'il s'empare des villes de toute façon. Maintenant, dit-il, désignant la cicatrice de brûlure, les villes avaient une défense contre les incendies à la place d'une responsabilité. C'était une autre tuile dans un paysage en mosaïque de pâturages, de forêts et de vieilles cicatrices de feu qui pouvaient interrompre un incendie de forêt.

Aussi difficiles que les brûlages planifiés soient pour beaucoup à avaler, laisser les incendies de forêt brûler dans les villes, même celles qui ont été évacuées, est encore plus difficile à vendre. Et remplacer les forêts vierges de la Sierra Nevada par un paysage capable de survivre à la fois à la sécheresse et aux incendies les plus destructeurs - par exemple, des peuplements ouverts de pins ponderosa ponctués de champs d'herbe, cueillis par des chèvres ou du bétail - pourrait sembler une perte.

Bien faire tout cela signifie adopter un changement de philosophie aussi important que n'importe quel changement dans la technologie ou la science prédictive, un changement qui accueillerait favorablement le retour du feu en tant que partie naturelle de l'environnement. Nous n'essayons pas de sauver le paysage, dit Castellnou. Nous essayons d'aider à créer le prochain paysage. Nous ne sommes pas là pour combattre les flammes. Nous sommes ici pour nous assurer d'avoir une forêt demain.