Wissenschaftler haben zwei fortschrittliche Computermodelle erfolgreich eingesetzt, um den verheerenden Brand im letzten Jahr zu simulieren, der die hawaiianische Stadt Lahaina verwüstete. Die Entwicklung könnte den Grundstein für detailliertere Vorhersagen von Waldbränden legen, die sich in Städten ausbreiten, und letztendlich zu Brandbekämpfungsbemühungen und sichereren Evakuierungen sowie zur Gestaltung waldbrandresistenter Gemeinden beitragen.
Die vom US-amerikanischen National Science Foundation National Center for Atmospheric Research (NSF NCAR) geleitete Studie brachte ein interdisziplinäres Team von Meteorologen mit Bau- und Umweltingenieuren zusammen.
Mit ihrem kombinierten Fachwissen konnten sie simulieren, wie starke Winde ein Buschfeuer entfachten und die Flammen in verschiedene Richtungen durch Stadtviertel und Geschäftsviertel trieben und bei chaotischen Evakuierungen eine Vielzahl von Gebäuden entzündeten und zerstörten. Der Studie wurde veröffentlicht in Naturgefahren und Erdsystemwissenschaften,.
Obwohl Wissenschaftler seit Jahren daran arbeiten, die Vorhersage von Bränden zu verbessern, die in Wäldern und Grasland in verschiedenen Gebieten brennen, haben sie sich erst kürzlich der noch schwierigeren Herausforderung zugewandt, vorherzusagen, wie sich ein Feuer verhält, wenn es auf besiedelte Gebiete trifft. Solche Ereignisse sind im letzten Jahrzehnt häufiger geworden, oft mit tragischen Folgen.
„Es ist eine so komplexe Situation, wenn sich Brände von Randgebieten in eine Stadt ausbreiten, aber diese Studie zeigt, dass wir in nicht allzu ferner Zukunft in der Lage sein werden, die Brandausbreitung innerhalb von Minuten vorherzusagen, nachdem wir den Ort und den Zeitpunkt der Brandzündung kennen.“ „, sagte der NSF-NCAR-Wissenschaftler Timothy Juliano, der Hauptautor der neuen Studie.
„Unser Ansatz kann als Grundlage für das zukünftige Verständnis dienen, wie extreme Wetterbedingungen das Brandverhalten in verschiedenen Arten gebauter Umgebungen beeinflussen und letztendlich gefährdete Gemeinschaften besser schützen können.“
Juliano selbst wurde Zeuge der Notwendigkeit besserer Vorhersagen, als er während des Marshall-Feuers 2021, bei dem mehr als 1.000 Gebäude zerstört wurden, sein Haus in Louisville, Colorado, evakuieren musste.
Zum Forschungsteam gehörten Experten der University of Buffalo, der University of Nevada Reno und des Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences der University of Colorado Boulder.
Die sich schnell ausbreitenden Waldbrände haben in den letzten Jahren Gemeinden an so weit entfernten Orten wie Superior und Louisville, Colorado, verwüstet; Talent und Phoenix, Oregon; Paradies, Kalifornien; und Gatlinburg und Pigeon Forge, Tennessee. Besonders tragisch war der Brand in Lahaina vom 8. bis 9. August 2023, bei dem 100 Menschen ums Leben kamen und mehr als 2.200 Gebäude zerstört wurden. Es war der tödlichste Brand in den USA seit mehr als einem Jahrhundert.
In jedem dieser Fälle breiteten sich die Flammen bei extremen Windereignissen von bewachsenen Gebieten auf Wohnviertel und Einkaufszentren aus, überforderten die Löschmaßnahmen und verursachten innerhalb von 12 Stunden nach der Entzündung große Schäden. Wissenschaftler arbeiten daran, solche Ereignisse besser zu verstehen. Dazu ist eine sorgfältige Analyse der örtlichen atmosphärischen Bedingungen erforderlich. Außerdem muss ermittelt werden, wie sich ein Feuer durch Wälder oder Wiesen ausbreiten und dann, sobald es in der Stadt angekommen ist, ein Bauwerk nach dem anderen entzünden kann.
Um ein detailliertes Bild des Lahaina-Feuers zu erhalten, kombinierte das Forschungsteam zwei Computermodelle mit unterschiedlichen Fähigkeiten.
Eines davon, das NSF NCAR-basierte Weather Research and Forecasting (WRF)-Modell, wurde verwendet, um den Hangsturm zu simulieren, der am Tag des Feuers ausbrach und Böen von bis zu 80 Meilen pro Stunde erzeugte. Das hochauflösende Modell könnte die turbulenten Windströme um Lahaina und einen „hydraulischen Sprung“ zeigen – ein Ereignis, bei dem bergab strömende Winde abrupt stärker werden, wenn sie mit Winden in der anderen Richtung kollidieren, was chaotische und kraftvolle Luftbewegungen auslöst.
Die Windfelder aus der WRF-Simulation wurden in das zweite Modell, Streamlined Wildland-Urban Interface Fire Tracing (SWUIFT), eingespeist. Dieses Modell kann die Ausbreitung von Flammen in einem bebauten Gebiet simulieren und die Art und Weise erfassen, wie extreme Hitze und brennende Glut Gebäude in Brand setzen können.
Die Simulationen erfassten starke Winde am Morgen des 8. August, die die Berghänge von Pu’u Kukui östlich von Lahaina hinunterströmten. Diese Winde trafen auf eine Gegenströmung, wodurch ein hydraulischer Sprung entstand, der sich allmählich ins Meer bewegte.
Am Nachmittag fegten die stärksten Winde über Gebiete östlich der Innenstadt von Lahaina hinweg, wo das Feuer vermutlich im trockenen Gras ausgebrochen war. Am frühen Abend begann sich der hydraulische Sprung zurück nach Osten in Richtung Lahaina und dann teilweise den Hang des Pu’u Kukui hinauf zu bewegen. Dies hüllte die Stadt in besonders tückische Windfelder, sogenannte turbulente Rotoren, ein, wobei die mittleren Winde sich umkehrten und von West nach Ost wehten, im Gegensatz zu der früheren starken Ost-West-Strömung während der Zündung.
Die Änderungen der Windrichtung erwiesen sich als schicksalhaft. Die Simulation zeigte, dass sich das erste Feuer zwischen etwa 15:30 und 16:30 Uhr ausbreitete, sich in einem schmalen Pfad in der gleichen Richtung wie der Wind von der Vegetation zu Gebäuden bewegte und historische Gebiete am Meer erreichte.
Die Feuerfront weitete sich dann langsam aus und beschleunigte sich ab etwa 19:30 Uhr, da der Windwechsel die Flammen in alle Richtungen trieb und Gebäude im südlichen Teil von Lahaina erreichte, während sie sich gleichzeitig weiter nach Norden ausdehnte.
„Die anschließende und ziemlich abrupte Verschiebung der Winde zu auflandigem (West) und extremer Variabilität war insofern besonders heimtückisch, als sie eine fortgesetzte Feuerausbreitung in alle Richtungen ermöglichte, was denjenigen, die vor der anfänglichen Ost-West-Flucht geflohen waren, nicht möglich war ein sicherer Hafen abseits des Ozeans“, heißt es in der Zeitung. „Mit anderen Worten: Es war keine einfache Situation, dem Feuer aus dem Weg zu gehen.“
Verfolgung mit Zeugenberichten, Videos
Die Ergebnisse der Simulationen stimmten im Allgemeinen gut mit Zeugenberichten und aufgezeichneten Videos zur Brandausbreitung überein.
Die Autoren stellten fest, dass neben den ungewöhnlich starken und turbulenten Windfeldern mehrere Faktoren die Zahl der Todesopfer beeinflussten. Sie sagten, dass weitere Untersuchungen zur Rolle der Gebäudekonstruktionsarten, der Evakuierungsplanung und -anweisungen, der blockierten Fluchtwege und der Bevölkerungsdemografie (viele der Brandopfer waren ältere Menschen) erforderlich seien.
Dennoch kamen Juliano und seine Co-Autoren selbst in einer solch komplexen Situation zu dem Schluss, dass fortschrittliche Computermodellierung einen Unterschied machen kann, wenn eine Gemeinschaft von einem sich schnell bewegenden Feuer bedroht wird.
Ihre Forschung zeigt, dass es möglich sein sollte, neue Technologien zu entwickeln, die Computersimulationen schneller als in Echtzeit ausführen können, um bei der Brandbekämpfung und Evakuierung zu helfen. Solche Technologien können auch bei der Planung helfen, das Brandrisiko zu reduzieren, lange bevor es zu einer Feuersbrunst kommt.
„Ich war überrascht, wie gut die Simulation gelungen ist“, sagte Juliano. „Diese Studie zeigt das Potenzial zur Entwicklung eines aktiven Entscheidungsunterstützungssystems für Brände, das die Reaktion auf Brände in der bebauten Umwelt revolutionieren und eine Zukunft ermöglichen kann, in der die Gesellschaft mit Waldbränden koexistiert.“
Mehr Informationen:
Timothy W. Juliano et al., Kurze Mitteilung: Die Brandkatastrophe von Lahaina – wie Modelle verwendet werden können, um Waldbrände zu verstehen und vorherzusagen, Naturgefahren und Erdsystemwissenschaften (2024). DOI: 10.5194/nhess-24-47-2024