中国科大刘乃安研究员：大尺度森林火灾研究的挑战与展望

因为火灾本质上是一种不受控制的燃烧现象，所以森林火灾研究是一个与燃烧学密切相关的多学科领域。尽管一个多世纪以来学者在探索森林火灾现象、行为和机理等方面取得了重大进展，但该领域仍然存在许多“已知的未知”（known unknowns）。发展应对大尺度森林火灾的应用工具所需的基础理论还非常缺乏。

森林火灾是地球上最重要的自然灾害之一，不仅造成巨大的人员伤亡、财产损失和自然资源破坏，而且对生态平衡和气候变化产生重大的影响。自20 世纪80 年代以来，全球气候暖干化趋势导致大尺度森林火灾频发。根据美国国家火灾统计中心的数据，森林火灾及森林-城镇交界域火灾中，失控的大尺度火灾数量虽仅占火灾总数的3%，但其造成的火灾防治代价占比高达95%。我国2019 年和2020 年凉山森林火灾、美国2018 年加利福尼亚州大火和澳大利亚2019～2020 年丛林大火均凸显了大尺度森林火灾研究的紧迫性和重要性。

许多国家的法律和规范通常按照过火面积对森林火灾进行分类。学术界则从燃烧特征或火行为特征来描述大尺度森林火灾，例如，Andrews 和Rothermel建议将火线强度为1700 kW/m 作为火灾失控的阈值，Viegas则指出大尺度火灾中常常诱发以超高强度燃烧或超快蔓延为典型特征的多类极端火行为（extreme fire behavior）。大量案例表明，极端火行为对火灾的蔓延速度、燃烧强度及扩展规模的跃升起关键作用。常规森林火灾的蔓延速度为0.01～0.1 km/h，大尺度森林火灾的蔓延速度峰值可达10 km/h 量级，例如，美国2018 年加利福尼亚州大火的蔓延速度峰值约33 km/h。

森林火灾的物理复杂性在于复杂的火场环境（包括燃料、气象和地形条件）促使燃烧化学反应、传热过程和空气流动过程相互作用，导致火灾在不同尺度受控于不同的机制，表现出不同的火行为。正因如此，小尺度火灾的理论模型往往难以直接外推至大尺度火灾；换言之，不能将高强度火灾简单视为低强度火灾在大尺度下的表现。

目前，人们对大尺度森林火灾蔓延机制的科学认识尚不完备，难以对火行为进行精确的数学描绘。大尺度森林火灾具有很强的随机性，这决定了在实际条件下难以充分获取火行为与火环境的相关信息。此外，安全与实验成本等问题也限制了大量野外实验的开展。

尽管困难重重，在过去数十年间，学者仍然在理论及室内或野外实验等方面都取得了重要进展，显著丰富了对大尺度森林火灾的加速机制和火行为的科学认识，提高了火蔓延预测能力。

本章（文）讨论大尺度森林火灾加速理论，总结对森林火蔓延加速起重要作用的几类高强度燃烧行为的研究进展（着重描述了森林火灾中各种独特的剧烈燃烧行为，如爆发火、火旋风、火暴和狂燃火。本文详细介绍从略，仅展示以下几幅示意图），并介绍大尺度森林火灾防治的未来挑战与研究展望。

▲ 小尺度火蔓延转变为大尺度森林火灾的诱发因素

图中描绘了森林火蔓延加速的主要潜在因素：①地表火蔓延加速；②大尺度火焰（狂燃火（conflagration）、火暴（fire storm）、火旋风（fire whirl））；③特殊蔓延模式（爆发火（eruptive fire）、树冠火（crown fire）、飞火（spot fire））；④多火焰燃烧和融合。在特定的燃料、气象和地形条件下，这些火行为促进森林火蔓延偏离最初稳态（具有较低的蔓延速度和燃烧强度），并通过非稳态物理转变达到新的稳态（具有较高的蔓延速度和燃烧强度），可能导致灾难性后果

▲ 多火焰燃烧和融合与大尺度森林火灾的关系

多火焰燃烧相互作用机制复杂，是诱发地表火蔓延加速、大尺度火焰和特殊蔓延模式的关键因素。多火焰燃烧和融合与大尺度森林火灾的关系如图所示。

▲ 火旋风的各种火焰形态

（a）～（r）丙烷火焰随着外加环量增加的演变，（s）野外实验的静止火旋风，（t）30°倾斜燃料床火线上的移动火旋风，（u）L 形线火源上的移动火旋风，（v）攻角25°线火焰上的移动火旋风

大尺度森林火灾的复杂性主要源于上述剧烈燃烧行为普遍包含的燃烧、传热和大气流动显著的相互作用机制，这决定了大尺度森林火灾呈现出高度非线性的动力学行为。非线性相互作用导致不同类型的正反馈过程，使得火灾规模、蔓延速度和火灾强度迅速增大。迄今要全面解释和准确预测大尺度森林火灾的动态过程仍然非常困难，在研究层面仍面临诸多挑战。

第一个挑战在于在森林火灾中，在自然环境复杂的燃料、气象和地形条件下，不同的剧烈燃烧行为受到不同机制的控制。火灾的发展和加速行为可能同时受多种机制控制，但通常受一种或数种机制主控。不同的主控机制导致了不同的动力学行为。过往在火行为模式识别方面已取得重要进展，但对火行为在不同条件下的主控机制仍知之甚少。例如，地表火在燃料预热阶段显示出多种传热模式，学者很难对不同火灾环境中决定火蔓延速度的主控机制达成共识。对于火旋风，学者已经确定了不同外加环量下的多种火焰模式，但解释和表征这些火焰模式的理论仍不完善。学者已经发现了峡谷地形中独特的火线轮廓，但仍然不能完备地解释峡谷地形中爆发火的诱发机制，也尚未建立峡谷地形下爆发火的物理预测模型。通常情况下，学者可以开发具有特定参数和边界条件的物理模型来表征具有明确控制机制的特定行为，但需要不同的数学模型来预测不同控制机制下的行为模式（如火旋风的多种模式）。要实现对不同的强烈燃烧行为的准确建模，就必须依赖对流动、辐射/对流传热和燃烧之间的显著相互作用相关的非线性本质的理论阐释。

第二个挑战是不同火行为形成的关键临界条件，这些条件往往包含物理机制的变化，且不同的火行为所依赖的物理机制不同。例如，火焰融合的形成与火焰的热反馈和空气卷吸的变化有关，火旋风的产生则主要由火焰周围的生成涡和火焰燃烧的相互作用控制。尽管学者已初步阐明火焰融合和火旋风产生的临界条件，但现有的理论和模型仍然不能完全地转化为这些强烈燃烧行为的预警技术。此外，不同的森林火灾行为彼此密切相关，即一种行为可能在特定情况下触发其他类型的行为。大量火灾案例和实验都证明了这一点。例如，火暴和狂燃火经常引发火旋风；飞火中的飞火颗粒通常来自树冠火、火旋风、火暴或狂燃火，反过来，飞火可以引起多火焰融合，进而引发爆发火或狂燃火；多火焰燃烧可由飞火产生，多火焰融合被证明是触发爆发火、火暴、狂燃火和火旋风的基本机制。图5-15 所示的不同火行为间的转变均在加速森林火蔓延方面发挥着重要作用。然而，诱导这些转变的关键条件仍不明确，这主要是因为很难在实验室设计模拟这些转变的模型实验，也难以对这些不稳定转变过程进行理论分析。例如，目前大尺度火焰（火旋风、树冠火和狂燃火）的理论尚未与飞火的发生机制进行关联。总之，有必要开发创新的实验设计与测量技术来模拟和观察不同火行为的非稳态转变。

▲ 森林火灾中不同火行为之间的转变

第三个挑战涉及不同尺度的森林火灾建模方法。大尺度森林火灾通常涉及复杂的物理化学过程，包括毫米级的热解化学反应、百米级的火焰燃烧过程和百公里级的天气过程。过往对不同尺度的森林火灾进行建模的方法各有侧重。对于与较小尺度的火-燃料相互作用相关的模型，主要处理固体燃料的热解、气体燃烧及从火焰到固体燃料的热反馈，致力于建立经验相关性（经验模型）或（以某种近似方式）求解流动、燃烧和传热的方程（物理模型）。在这些模型中，坡度和风被简单地视为恒定的输入参数，建模的重点是区分不同传热模式的相对贡献，没有考虑火灾引起的大气运动及其对火灾的影响。对于大尺度的森林火灾，火焰燃烧产生的浮力会引起强烈的上升气流（对流柱），继而诱发复杂的大气运动，这可能引起强烈的地表风，反过来影响火蔓延过程。因此，火灾与大气的双向相互作用对于模拟大尺度森林火灾至关重要。这种建模旨在将CFD 模型与火蔓延模拟结合起来。目前此类建模通常使用经验模型来预测火蔓延速度。更准确地预测火对环境风的响应及大气对浮力火羽流的响应将是火灾学家和气象学家所面临的长期挑战。

本文摘编自《从火灾科学到公共安全 : 范维澄院士学术思想精要》（范维澄，张辉，刘奕主编. 北京：科学出版社，2024.5）一书“第5 章 大尺度森林火灾燃烧动力学”，作者刘乃安，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-078260-1

责任编辑：马 跃

《从火灾科学到公共安全 : 范维澄院士学术思想精要》

本书全面介绍范维澄院士及其团队长期在火灾科学和公共安全领域的研究与实践，提出并形成安全科学与工程理论、技术和实践应用。上篇围绕火灾科学专题，重点介绍气体-液体-固体可燃物着火、大尺度森林火灾、锂电池火灾等的燃烧、行为、模型及其阻燃和仿真预测理论技术。下篇围绕公共安全专题，重点介绍人员疏散、城市安全韧性、多灾种耦合灾害等的动力学、风险评估、情景分析、应急平台等理论技术，并介绍国家安全管理和国家安全技术方面的研究情况与发展趋势。

本书可供火灾科学、公共安全与国家安全相关领域的科学研究人员、工程技术人员、高等院校师生、政府工作人员、企业管理人员，以及其他感兴趣的学者和人员阅读参考。

（本文编辑：刘四旦）

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