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Assessing meteorological fire danger over Europe based on a statistical model of satellite-derived fire radiative power
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Nos últimos anos, a Europa tem sido afetada por eventos extremos de incêndio, tais como o
episódio de Pedrogão Grande, em Portugal no ano de 2017, os incêndios na Suécia em 2018 e, em 2022,
os incêndios em Inglaterra e na Alemanha. Acresce que vastas regiões da Europa são afetadas por uma
elevada frequência de dias suscetíveis a incêndios e, particularmente no caso do sul da Europa, com uma
área ardida elevada.
Desta conformidade advém a necessidade de se dispor de um produto que quantifique o perigo
meteorológico de incêndio à escala europeia, uma vez que a variabilidade climática explica cerca de um
terço da variabilidade interanual da área ardida. A European Forest Fire Information System (EFFIS)
utiliza o Fire Weather Index (FWI) para quantificar o nível de perigo meteorológico de incêndio; tratase de um índice do Sistema Canadiano que quantifica o perigo meteorológico de incêndio. Por sua vez,
a EUMETSAT Satellite Application Facility for Land Surface Analysis (LSA SAF) dissemina um
produto que consiste em mapas diários de perigo de incêndio para a Europa Mediterrânea (Fire Risk
Map – FRM). Neste produto, os valores observados de Fire Radiative Power (FRP) são modelados por
uma distribuição de Pareto generalizada através de uma abordagem “peaks – over – threshold”, sendo a
anomalia do FWI utilizada como covariável dos parâmetros do modelo.
Seguindo as abordagens anteriores, o objetivo deste trabalho é o de expandir o produto FRM,
presentemente disseminado pela Land SAF para toda a Europa. Assim, considera-se a região delimitada
pelos meridianos 35ºN e 72ºN e pelos paralelos 12ºW e os 45.7ºE. No entanto, dada a vasta dimensão
da área e a diversidade de regimes e coberto vegetal, procede-se a uma subdivisão em 8 zonas com base
no FRP médio e no número de ocorrências de FRP, sendo cada zona ainda subdividida de acordo com
três tipos de coberto vegetal (floresta, arbustos e terreno cultivado).
No presente trabalho, os registos de FRP provêm do instrumento Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer (MODIS) a bordo dos satélites Aqua e Terra da National Aeronautics and Space
Administration (NASA). O coberto vegetal deriva da base de dados GLC2000 (Global Land Cover
2000). Por sua vez, o FWI, resulta das reanálises ERA-5 do centro europeu de previsão de tempo
(ECMWF).
Cada um dos 24 modelos de FRP (8 regiões × 3 tipos de vegetação) tem por base uma distribução
lognormal duplamente truncada com caudas Pareto generalizadas, sendo o FWI uma covariável dos
parâmetros da distribuição. O período de calibração extende-se de novembro de 2000 a dezembro de
2021, tendo-se reservado 2022 como período de validação.
À semelhança da metodologia seguida pelo produto FRM, ajustaram-se classes de perigo com
base na intensidade dos fogos detetados e respetivas probabilidades de excedência de um determinado
limiar de potência. As classes são definidas, para cada modelo, tal que 50% dos casos menos intensos
estejam associados às classes baixa e moderada e que, relativamente aos fogos intensos 40 a 50% dos
casos esteja associado a classes de perigo meteorológico mais elevadas (alta, muito alta e extrema).
Estas condições são verificadas para todos os modelos regionais e tipos de coberto, com a exceção do
modelo referente à Escandinávia para o terreno cultivado (Modelo 6.c), presume-se que seja devido ao
número baixo de ocorrências e à pouca extensão espacial deste tipo de coberto naquela região. O nível
de intensidade de um fogo é definido consoante os diferentes percentis de cada modelo, podendo variar
significativamente de região para região. Como se trata de um perigo meteorológico, pretende-se ainda
que as classes mais elevadas ocorram nos meses de verão alargado e que as classes mais baixas sejam
predominantes nos restantes meses. Com este objetivo, não devem ocorrer mais de 35%, 20% e 15%
dos casos associados às classes alta, muito alta e extrema, respetivamente, fora do período do verão
alargado (Junho – Setembro). Contudo, alguns modelos (Modelos 4.s, 6.c, 7.f, 7.s) não satisfazem estas condições pois o período com um maior número de eventos ou de fogos mais intensos ocorre fora do
verão alargado.
Os modelos apresentam um bom ajuste, observando-se uma distribuição adequada de fogos de
diferentes intensidades para as diferentes classes. Para toda a Europa, aproximadamente 70% dos fogos
pouco intensos (abaixo do percentil 50) estão associados às classes baixa e moderada, tanto no período
de calibração como no de validação. No que se refere aos fogos intensos (entre o percentil 90 e 95), 53
% (59%) estão associados às classes de perigo mais intenso (alta, muito alta e extrema) no período de
calibração (validação). Cerca de 62% e 69% dos fogos muito intensos (acima do percentil 95) estão
associados às classes alta, muito alta e extrema, no período de calibração e validação, respetivamente.
Estudou-se ainda a distribuição das classes ao longo do ano, quer para todos as células da grelha, quer
restringindo aos pixels associados a fogos ativos. Em ambos os casos, observa-se que ocorrem classes
mais elevadas no período do verão alargado, sendo, nos restantes meses do ano, as classes baixa e
moderada as mais frequentes.
De forma a validar os resultados obtidos, comparam-se os resultados obtidos com a abordagem da
EFFIS e do produto FRM. A abordagem da EFFIS apresenta resultados semelhantes aos do produto aqui
proposto, refletindo o facto de ambos os produtos terem por base o FWI. A maior diferença é uma maior
frequência da classe extrema nos meses de verão alargado, no caso do EFFIS. Já o FRM apresenta
percentagens relativamente elevadas de ocorrências mais intensas associadas a classes de perigo mais
elevados. Contudo, 23% dos casos moderados, de acordo com a classificação de intensidade utilizada,
estão associados a uma classe extrema. No que concerne à distribuição anual, no verão alargado, o
somatório das percentagens associadas às classes de perigo mais elevado são muito semelhantes. Não
obstante, nos restantes meses observa-se uma maior frequência da classe de perigo alta,
comparativamente aos resultados obtidos com o produto desenvolvido. Esta diferença pode estar
associada à utilização da probabilidade estática pelo produto FRM, a qual sendo fixa ao longo do ano
pode inflacionar as probabilidades de excedência em meses com condições atmosféricas não favoráveis
à ocorrência de incêndios.
Para além da comparação com outros produtos, avaliaram-se mapas de perigo diários com
eventos extremos. A análise avalia tanto a distribuição espacial das probabilidades de excedência de
determinados limiares de FRP como a das classes de perigo meteorológico de incêndio, de acordo com
a localização e intensidade de eventos ocorridos na data em estudo, subdivida em dois níveis de acordo
com o percentil 90 do respetivo modelo. Os casos de estudo foram o incêndio de Pedrogão Grande, em
2017, em Portugal que atingiu cerca de 42000 ha; os incêndios na Suécia, em 2018, que na sua totalidade
atingiram 23000 ha; e os eventos ocorridos na Inglaterra e na Alemanha em 2022, possivelmente
condicionadas por um evento composto (seca e onda de calor) que decorria nesse ano. Tanto estes
eventos como os pontos de maior intensidade surgem nos mapas de perigo associados às classes de
perigo e probabilidades de excedência mais elevadas.
O produto desenvolvido neste trabalho caracteriza de forma adequada o nível de perigo
meteorológico de incêndio, que se traduz numa concordância entre a intensidade das ocorrências e os
respetivos níveis de perigo meteorológico de incêndio e na distribuição de classes de perigo ao longo do
ano, com as classes de maior perigo apresentando uma frequência mais elevada no verão alargado.
Todavia, deve notar-se que o perigo estimado respeita apenas às condições meteorológicas, não se tendo
em conta outros fatores tais como a probabilidade de ignição e o valor ecológico, socio-económico e
humano.
The EUMETSAT Satellite Application Facility for Land Surface Analysis (LSA SAF) disseminates a fire danger map product for Mediterranean Europe. The product relies on statistical models of Fire Radiative Power (FRP) consisting of Generalized Pareto distributions, considering the Fire Weather Index (FWI) anomaly as a covariate of the parameters of the distribution. Fire danger classes are then defined according to estimated values of probabilities of exceedance of defined thresholds of daily energy released by active fires. The purpose of this work is to extend the area covered to the European continent, considering recent events that took place in central and northern Europe, such as the fires in Germany in 2022 and Sweden in 2018. To achieve this, a doubly truncated generalized Pareto lognormal body distribution is fit to FRP data and the FWI is also used as a covariate for its parameters. Twenty-four models are defined for three types of vegetation (forest, shrubs, and cultivated land) in eight regions of Europe defined according to average FRP, and number of fire occurrences. Five classes of meteorological fire danger are derived from estimated values of probability of exceedance by each model: low, moderate, high, very high, and extreme. The class definitions aim at preventing low- (high-) intensity fires being associated with higher (lower) classes of fire danger. For both the calibration (2000-2021) and the validation (2022) periods, about 70% of the low-intensity fires are linked to the low and moderate classes, while over 50% of the most intense cases are linked to the highest classes. Moreover, the occurrence of events in the high, very high, and extreme classes does not exceed 35%, 20%, and 15%, respectively. However, some models do not satisfy these conditions since the period with the most events (or the most intense fires) does not occur in extended summer.
The EUMETSAT Satellite Application Facility for Land Surface Analysis (LSA SAF) disseminates a fire danger map product for Mediterranean Europe. The product relies on statistical models of Fire Radiative Power (FRP) consisting of Generalized Pareto distributions, considering the Fire Weather Index (FWI) anomaly as a covariate of the parameters of the distribution. Fire danger classes are then defined according to estimated values of probabilities of exceedance of defined thresholds of daily energy released by active fires. The purpose of this work is to extend the area covered to the European continent, considering recent events that took place in central and northern Europe, such as the fires in Germany in 2022 and Sweden in 2018. To achieve this, a doubly truncated generalized Pareto lognormal body distribution is fit to FRP data and the FWI is also used as a covariate for its parameters. Twenty-four models are defined for three types of vegetation (forest, shrubs, and cultivated land) in eight regions of Europe defined according to average FRP, and number of fire occurrences. Five classes of meteorological fire danger are derived from estimated values of probability of exceedance by each model: low, moderate, high, very high, and extreme. The class definitions aim at preventing low- (high-) intensity fires being associated with higher (lower) classes of fire danger. For both the calibration (2000-2021) and the validation (2022) periods, about 70% of the low-intensity fires are linked to the low and moderate classes, while over 50% of the most intense cases are linked to the highest classes. Moreover, the occurrence of events in the high, very high, and extreme classes does not exceed 35%, 20%, and 15%, respectively. However, some models do not satisfy these conditions since the period with the most events (or the most intense fires) does not occur in extended summer.
Descrição
Tese de Mestrado, Ciências Geofísicas, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Perigo de incêndio Incêndios de vegetação na Europa Potência radiativa de fogo Índice meteorológico de incêndio Distribuição lognormal truncada com caudas Pareto generalizadas Teses de mestrado - 2024