使用HTML5模拟森林大火

henry

使用HTML5模拟森林大火
ugmbbc发布于 2010-10-11 10:37:50


感谢oldj的投递
在一片空地上，随机地种上一些树，随着时间的推移，这些树会向周围扩张（周围长出新的树木），也有一定的概率枯死，而枯死的树有一定概率会发生自燃，或者 你也可以通过点击地面的某一点丢下一个火种，火焰周围8个格子中的树木（包括枯树和还在生长的树）会被引燃，于是大火便蔓延开来，如果火种周围没有树木， 则火焰熄灭。实验就是观察在不同的参数下，枯树自燃或人为引发的森林大火会达到什么样的规模。
之前读了方舟子的科普文章《野火烧不尽》，一直觉得很受启发，最近趁着假期空闲，我也用计算机模拟了一下文中介绍的森林大火的实验，见这个链接。

实验是这样的：在一片空地上，随机地种上一些树，随着时间的推移，这些树会向周围扩张（周围长出新的树木），也有一定的概率枯死，而枯死的树有一定概率会发生自燃，或者你也可以通过点击地面的某一点丢下一个火种，火焰周围8个格子中的树木（包括枯树和还在生长的树）会被引燃，于是大火便蔓延开来，如果火种周围没有树木，则火焰熄灭。实验就是观察在不同的参数下，枯树自燃或人为引发的森林大火会达到什么样的规模。

当然，我的实验和方舟子文中介绍的原始实验细节上有一些不同，不过基本思想是一致的。运行的效果如下图，绿色的点代表生长中的树木，黄褐色的点代表枯树，红色的点是火焰，黑色及灰色的点是刚被烧过的地方。



根据《野火烧不尽》的介绍，野火的发生遵循幂律，野火的规模越大，发生的频率就越低。在我的实验中，野火发生的概率是均匀分布的，不过这个概率是一个可调的参数。类似地，我发现，野火发生的概率越高，每次野火的规模就越小，虽然野火总数增加了，但总的来说造成的损失并不大，野火发生的概率越低，每次野火的规模就越大，甚至一次野火就能烧毁整个森林。

这个结论很容易解释，因为森林中的树木在不断地生长、死亡，如果没有野火，它们将慢慢地密集地布满整个地表，渐渐达到“自组织的临界状态（自身逐渐形成的高度敏感的不稳定状态）”，树木越密集，发生野火时火势就越容易蔓延，造成的损失就会越大。而如果不时地有野火发生，烧掉一些枯树及及密集的地方，使森林保持一定的空隙，这倒反而不会造成太大的损失。

我们大多数人的观念中，或许都认为森林大火是一件不好的事情，因此一旦发生森林大火，我们就会组织人员前去灭火。但森林大火真的有百害而无一利吗？不是的。事实上，在人类文明出现之前，森林与野火已经共存了几亿年，每年都有无数次森林野火发生，但森林从未被野火完全毁灭，地球上依旧绿意盎然，森林与野火早就已经形成了一种共存的关系。

《野火烧不尽》中介绍了一个美国的例子：“在1972年之前，黄石公园对野火采取零容忍政策，一旦发现野火就尽量将其扑灭。这就像是模拟程序中超低的点火频率，也出现了类似的后果：1988年黄石公园突发大火，烧掉了32万公顷的森林，占黄石公园面积的36％。”所以据说后来美国林业部门对自然因素引起的野火不再扑灭，只要它不威胁到生命、财产的安全就任其燃烧，林务员还时不时地在严格控制下有选择地放火烧掉一部分森林。

这一种看似矛盾的共存关系在很多地方都能看得到，比如草原上狼与羊之间的关系。要知道，矛盾总是存在，并且无法避免，迟早总会发生的，与其人为地压制矛盾造成一种表面的和谐，不如尊重一下自然规律，让矛盾不时地小规模地出现、消化。

另外，方舟子的另一篇科普文章《生物大灭绝为什么反复发生》中提到：“生物灭绝和地震、森林大火、沙堆坍塌一样，发生的频率也遵循幂律”，许多看似复杂的事情背后都有一个简单的幂律，我之前也曾注意到软件的下载量与排名之间也存在幂函数关系，看起来幂律出场的地方之多真是超乎想象。

最后，再贴一下我做的网页版的森林大火实验的地址：http://oldj.net/static/forest-fire/1.html。这个程序基于 HTML5 ，只能在比较新的浏览器（如 Firefox、Chrome 等）上运行，建议使用 Chrome 。

henry

很有意思的实验，很有创意。

henry

野火烧不尽 (2009-09-09 17:52:46)转载
方舟子
标签： 杂谈        分类： 科普文章
    原本湛蓝的洛杉矶天空，变成了灰、红混杂。远处安吉利斯国家森林冒着浓烟。这是洛杉矶郡历史上最大的一场森林大火，从8月26日烧到现在火势才得到部分控制，已烧掉了约6万公顷的林地，占整片森林的20％以上。美国森林服务局认定这场大火的起因是有人纵火。这个认定并不意外。除了被闪电点燃，90%以上的野火都是人为引起的，不管是有意还是无意。人类与森林的接触日益紧密，森林野火发生的频率也就越高。就在同一时间，全美各地还有十几处森林大火在烧着。但是为什么只有安吉利斯的大火严重到成为了新闻？

    一场火灾要能发生和维持，取决于热、燃料和氧气三要素。这三要素只要缺了一个，温度不够高、燃料匮乏或氧气有限，火就无法传播，会慢慢熄灭。在这些要素中，影响野火大小的主要是燃料：树木的湿度、形状、大小、多少、彼此之间的距离、在地面上的排列状况等等都影响着火势的传播，而树木的情况又与树的种类和年龄有关。还有许多环境因素也能影响火势：风能把火吹旺，雨能把火浇灭，河流能阻碍火的传播……有没有什么一般规律能让我们预测一场野火的规模（即森林被焚面积）呢？比如说，哪种规模的野火最为典型？

    1998年，美国康奈尔大学研究人员用计算机模型对森林野火进行模拟。他们在网格上种虚拟的树，每一步骤在某个格子上种一棵，种在哪一个格子上是随机的，每个格子只能种一棵。随着时间的推移，网格上的树就逐渐地多起来。然后，每隔一定数量的步骤之后，程序就往网格上扔下一根虚拟的火柴，扔在哪里也是随机的。如果扔的那个格子上有树，树就被点燃了。如果这棵树相邻的四个格子上有树，火就传了过去。

    他们反复地运行这个程序，统计每次虚拟野火的规模，并没有找到典型的野火规模，却发现野火的发生遵循幂律，野火的规模越大，发生的频率就越低。

    我们以前介绍过，地震、沙堆崩塌的规模大小与发生的频率关系都遵循幂律（参见《像沙堆一样崩塌》，本版2008年6月4日）。幂律表明，大事件和小事件都是由相同的因素引起的，并没有特别的“大”因素。地壳或沙堆处于自组织的临界状态（自身逐渐形成的高度敏感的不稳定状态），在这种情况下任何规模的地震或坍塌都可能发生，大规模地震或坍塌的出现纯属偶然，并无其他的特殊因素，是不可预测的。

    看来发生野火的虚拟森林处于自组织的临界状态，那么真实的森林野火是否也如此呢？康奈尔大学的研究人员统计了发生在美国和澳大利亚的森林野火，同样没有找到典型的野火规模，并且它们也遵循幂律。看来森林的确是处于自组织的临界状态。这一发现不仅不能用来预测野火的规模，反而表明大规模野火的发生是不可预测的。

    不过，研究人员通过计算机模拟发现的另一个现象，却对如何控制野火的规模很有启发。他们用不同的点火频率进行模拟。有的模拟每种125棵树扔一根火柴，有的每种500棵树扔一根火柴，有的则每种2000棵树才扔火柴。点火的频率越低，发生大火的频率就越高。在频率低到每种2000棵树才扔火柴时，这时网格上已密密麻麻布满了树，扔下的火柴通常点燃大量的树木，在许多情况下甚至烧光了所有的树。

    他们把这称为“黄石公园效应”。在1972年之前，黄石公园对野火采取零容忍政策，一旦发现野火就尽量将其扑灭。这就像是模拟程序中超低的点火频率，也出现了类似的后果：1988年黄石公园突发大火，烧掉了32万公顷的森林，占黄石公园面积的36％。

    对任何野火都强行扑灭，这样做让森林不再处于临界状态，而是处于更不稳定的超临界状态：森林里充满了老树、死树、矮树、野草，地面堆满了树枝、树皮、枯叶，这些全都是上好的燃料，只要有了火源，就会熊熊燃烧起来，不可抑制地蔓延开去。野火是不可能完全制止的，只会推迟其爆发，推迟得越久，后果就可能越严重。

    美国林业部门后来意识到了野火也是森林自然生态一个不可或缺的部分，对自然因素引起的野火不再扑灭，任其燃烧（除非威胁到生命、财产的安全）；林务员时不时地还在严格控制下有选择地放火烧掉一部分森林。但是要让森林恢复被破坏了近百年的自然平衡还需要时间。如果美国林业部门早一点放弃对野火零容忍的政策，也许1988年的黄石公园大火就可以避免，安吉利斯国家森林所在的加州也不至于近年来连连爆发森林大火了。

2009.9.6.

（《中国青年报》2009.9.9）

吕颖

符合老子的精神----无为而治～～