Der „Wildfire Digital Twin“ der NASA leistet Pionierarbeit bei neuen KI-Modellen und Streaming-Datentechniken zur Vorhersage von Bränden und Rauch.

Das Wildfire Digital Twin-Projekt der NASA wird Feuerwehrleuten und Waldbrandmanagern ein hervorragendes Tool zur Überwachung von Waldbränden und zur Vorhersage schädlicher Luftverschmutzungsereignisse bieten und Forschern dabei helfen, globale Trends bei Waldbränden genauer zu beobachten.

Das Tool wird künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzen, um potenzielle Brandbahnen in Echtzeit vorherzusagen, indem es Daten von In-situ-, Luft- und Weltraumsensoren zusammenführt, um hochpräzise globale Modelle zu erstellen.

Während aktuelle globale Modelle, die die Ausbreitung von Waldbränden und Rauch beschreiben, eine räumliche Auflösung von etwa 10 Kilometern pro Pixel haben, würde der Wildfire Digital Twin regionale Ensemblemodelle mit einer räumlichen Auflösung von 10 bis 30 Metern pro Pixel erzeugen, was einer Verbesserung um zwei Größenordnungen entspricht der Größenordnung. .

Diese Modelle könnten in nur wenigen Minuten erstellt werden. Im Vergleich dazu kann die Produktion aktueller globaler Modelle Stunden dauern.

Modelle mit solch hoher räumlicher Auflösung, die mit dieser Geschwindigkeit erstellt werden, wären für Ersthelfer und Waldbrandmanager, die versuchen, dynamische Brände zu beobachten und einzudämmen, äußerst wertvoll.

Milton Halem, Professor für Informatik und Elektrotechnik an der University of Maryland, Baltimore County, leitet das Wildfire Digital Twin-Projekt, an dem ein Team von mehr als 20 Forschern von sechs Universitäten beteiligt ist.

„Wir möchten in der Lage sein, Feuerwehrleuten nützliche und zeitnahe Informationen zur Verfügung zu stellen“, sagte Halem und fügte hinzu, dass es im Einsatz „normalerweise kein Internet oder Zugang zu großen Supercomputern gibt, aber mit unserer Versions-API des Modells könnten sie das Digitale ausführen.“ Twin nicht nur auf einem Laptop, sondern sogar auf einem Tablet“, sagte er.

Das FireSense-Projekt der NASA zielt darauf ab, die einzigartigen wissenschaftlichen und technologischen Fähigkeiten der Agentur zu nutzen, um das Waldbrandmanagement in den Vereinigten Staaten zu verbessern.

Das Earth Sciences Technology Office der NASA unterstützt diese Bemühungen mit seinem neuen Programmelement „Technology Development to Support Wildfire Science, Management, and Disaster Mitigation“ (FireSense Technology), das sich der Entwicklung neuer Beobachtungsmöglichkeiten für die Vorhersage und Bewältigung von Waldbränden, einschließlich erdähnlicher, widmet Technologien. Digitales Zwillingssystem.

Digitale Zwillinge des Erdsystems sind dynamische Softwaretools zur Modellierung und Vorhersage von Klimaereignissen in Echtzeit. Diese Tools greifen auf Datenquellen aus mehreren Bereichen zurück, um Ensemblevorhersagen zu erstellen, die alles von Überschwemmungen bis hin zu Unwettern beschreiben.

Ein digitaler Zwilling des Erdsystems, der sich der Waldbrandmodellierung widmet, hilft nicht nur Ersthelfern, sondern wäre auch für Wissenschaftler nützlich, die Waldbrandtrends weltweit überwachen. Halem hofft insbesondere, dass Wildfire Digital Twins unsere Fähigkeit verbessern wird, Waldbrände in den kältetoleranten borealen Nadelwäldern der Welt zu untersuchen, die große Mengen Kohlenstoff binden.

Wenn diese Wälder brennen, wird der gesamte Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt. Eine im August 2023 veröffentlichte Studie ergab, dass allein boreale Waldbrände 25 % des gesamten globalen CO2 ausmachen.₂ Shows für dieses Jahr bisher.

„Der Grund, warum CO₂ Die Emissionen durch boreale Waldbrände nehmen jedes Jahr zu, weil die globale Erwärmung in hohen Breiten schneller zunimmt als im Rest des Planeten und die borealen Sommer dadurch dort länger werden“, sagte Halem. Während sich der Planet seit der vorindustriellen Revolution um ein Grad Celsius erwärmt hat, hat sich diese Region deutlich über zwei Grad erwärmt. »

Halems Arbeit baut auf anderen Waldbrandmodellen auf, insbesondere auf dem von der NASA entwickelten Unified Weather Research and Forecasting (NUWRF)-Modell der NASA und WRF-SFIRE, das von einem Forscherteam mit Unterstützung der National Science Foundation entwickelt wurde. Diese Modelle simulieren Phänomene wie Windgeschwindigkeit und Wolkenbedeckung und sind damit die ideale Grundlage für einen Wildfire Digital Twin.

Insbesondere arbeitet Halems Team an neuen Techniken zur Assimilation von Satellitendaten, die Informationen von weltraumgestützten Fernsensoren in ihren digitalen Zwilling Wildfire integrieren und so verbesserte globale Datenvorhersagen ermöglichen, die sowohl für Notfälle als auch für wissenschaftliche Missionen nützlich sein werden.

Im Oktober nahm Halems Team an der ersten FireSense-Feldkampagne in Zusammenarbeit mit dem Fire and Smoke Model Evaluation Experiment (FASMEE) des National Forest Service teil, um den Rauch mithilfe eines Ceilometers zu beobachten, während er sich bei einem kontrollierten Brand in Utah über mehr als 16 km weit ausbreitete. Das Team integriert diese Daten nun in seine Modellierungssoftware, um die Wolkenwolken genauer verfolgen zu können.

Ihr besonderes Interesse gilt der Verfolgung von Partikeln, die kleiner als 2,5 Mikrometer sind und klein genug sind, um durch die Lunge einer Person zu gelangen und in den Blutkreislauf zu gelangen. Diese Partikel, auch PM 2,5 genannt, können ernsthafte Gesundheitsprobleme verursachen, selbst wenn eine Person weit von einer aktiven Verbrennung entfernt ist.

„Wenn sich diese Brände entzünden und zu brennen beginnen, erzeugen sie Rauch, und dieser Rauch breitet sich über beträchtliche Entfernungen aus. Er betrifft Menschen nicht nur lokal, sondern auch über Entfernungen von Tausenden von Kilometern oder mehr“, sagte er.

Daten aus der kontrollierten Verbrennung werden Halem und seinem Team auch dabei helfen, den Zusammenhang zwischen Aerosolen und Niederschlag zu quantifizieren. Erhöhte Aerosole von Waldbränden haben einen enormen Einfluss auf die Wolkenbildung, was wiederum Auswirkungen darauf hat, wie Niederschläge stromabwärts eines betroffenen Feuers auftreten.

Die Aufnahme all dieser Informationen von Sensoren in Echtzeit ist wichtig, um die gesamten Auswirkungen von Waldbränden auf lokaler, regionaler und globaler Ebene zu beschreiben.