Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen

Cluster "Simulationssystem Waldbrand"

Zwischenbericht 2001

1. Abstract "Early Warning, Monitoring, Information Management and Simulation of Forest Fire Danger"

The expected impacts of climate change and changed socio-economic conditions and practices in forest management may lead to an increase of fire occurrence and fire severity in Central Europe. Appropriate knowledge and decision-support systems are required to handle larger forest fires in the future. Within the DFNK a Work Package / Cluster "Early Warning, Monitoring, Information Management and Simulation of Forest Fire Danger" is included. Under the lead of the Fire Ecology Research Group and the Global Fire Monitoring Center (GFMC), Max Planck Institute for Chemistry, and in close cooperation with various research groups from throughout Germany (including the Potsdam Institute for Climate Impact Research, Brandenburg Technical University Cottbus, the German Weather Service, and the German Aerospace Center [DLR], Institute for Space Sensor Technology), a GIS-based information system is currently developed (1999-2003) which will include early warning, monitoring, information management and simulation of forest fire danger (including long-term forecasts). This prototype system will be implemented in the southeastern part of the state of Brandenburg, Germany. A first series of four experimental forest fires has been conducted in August 2001 in Brandenburg State. The experiment has been used by additional research groups, including the test of the spaceborne BIRD fire characterization sensor.

2. Ziele

Das Arbeitspaket (=Cluster) wird im Bereich Frühwarnung, Monitoring, Informationsmanagement und Simulation von Waldbrandgefahr ein Konzept (Modell) für ein Informationssystem erarbeiten, das den im Feuer-Management involvierten Stellen oder Einzelpersonen freien und zu jeder Zeit möglichen Zugriff erlaubt. Hierbei wird angestrebt, über das Medium Internet den Zugriff auf das Informationssystem zu ermöglichen, das periodisch (real time, near-real time, täglich, etc.), manuell oder automatisch aktualisiert wird. Die abrufbaren Informationen umfassen:

Frühwarnung vor Waldbrandgefahr: Die Frühwarnung erfolgt über Karten, die die regionale potentielle Gefährdung durch Waldbrände auf Grundlage von Vorhersagen des DWD aufzeigen (über das WWW abrufbar).

Echtzeit (real time / near-real time) Feuer-Monitoring: Das Monitoring erfolgt über einen Zugang zum Automatisierten Waldbrand-Früherkennungssystem (AWF), das gegenwärtig auf drei Feuerwachtürmen im Bereich des Amtes für Forstwirtschaft Peitz/Brandenburg installiert ist. Hierüber kann die genaue Lage eines Feuers über das Auftreten von Rauchwolken ermittelt und visuell dargestellt werden.

Modelle / Simulation zur Unterstützung von Entscheidungen: Durch die Anwendung der U.S. Softwarepakete BEHAVE und FARSITE wird das potentielle Feuerverhalten (Intensität, Ausbreitungsgeschwindigkeit und -richtung etc.) bei unterschiedlichen Wetterbedingungen simuliert (über das WWW abrufbar).

Langfristige Modellierung der Waldbrandgefahr: Durch das PIK werden langfristige Analysen der Auswirkungen sowohl möglicher Klima- als auch Waldzustandsänderungen auf die Feuergefährdung in Brandenburg und deren Rückkopplungseffekte auf die Vegetationsdynamik und -struktur (Wachstumsraten und Artenzusammensetzung) im Rahmen von Simulationsstudien in der Zeitskala von Jahren bis Jahrzehnten berechnet.

Ökologische und sozioökonomische Auswirkungen von Feuer: Untersuchung des Regenerationspotentials von Beständen nach Waldbränden. Sie beinhalten u.a. die potentiellen möglichen Vorteilswirkungen eines Waldbrandes für Umbaumaßnahmen.

Politik-Umfeld: Durch eine Einbeziehung der zuständigen Ministerien (Ministerium des Inneren; Ministerium für Landwirtschaft, Umweltschutz und Raumordnung) soll eine praxisnahe Entwicklung hin zu einem echten Feuermanagement-System erreicht werden.

3. Aufbau und Organisation des Clusters

Partner:

Abbildung 1. Organigramm des Datenflusses im Cluster "Waldbrand"

 

4. Kooperationen

Im Jahr 2001 wurde die Liste der offiziellen Kooperationspartner (Abschnitt 4.3) durch Zusammenarbeit mit assoziierten Partnern erheblich erweitert. Dies geschah zum Einen anlässlich der ersten Waldbrandexperimente in Brandenburg (August 2001), in deren Rahmen weiteren Forschungspartnern die Gelegenheit zur Mitarbeit gegeben wurde. Dabei wurden Fragestellungen bearbeitet, die nicht nur zum Kern des Cluster-Vorhabens gehören, aber den Aufbau der einer interdisziplinären Kultur der Waldbrandforschung in Deutschland und in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern vorantreiben. Folgende assoziierte Partner arbeiteten eng mit dem Cluster A2 zusammen (Details: siehe Abschnitt 6):

Landesforstanstalt Eberswalde, Dezernat Bodenkunde / Waldernährung; Abteilung Waldschutz: Die Institute arbeiteten bei direkter Beteiligung von sechs Mitarbeitern an bodenkundlichen und faunistischen Fragestellungen an den Waldbrandexperimenten 2001.

Lausitzer Braunkohle AG (LAUBAG): Als Eigentümer der Waldflächen, die für die Waldbrandexperimente zur Verfügung gestellt wurden, leistete die LAUBAG erhebliche Hilfestellung. Dabei handelte es sich nicht nur um die Bereitstellung der Waldfläche, sondern auch um Sicherungskräfte (Werkfeuerwehr) und Inkaufnahme der erhöhten Aufwendungen beim Abtrieb der Brandflächen.

Canadian Forest Service: Die kanadische Forstverwaltung erstellte zusammen mit dem Global Fire Monitoring Center / Arbeitsgruppe Feuerökologie das Eurasian Experimental Fire Weather Information System, das auch die Anrainerstaaten der Ostsee einschließt:
http://www.uni-freiburg.de/fireglobe/fwf/eurasia.htm

Ein weiteres Projekt des Instituts für Weltraumsensorik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR): Neben dem Automatisierten Waldbrand-Früherkennungssystem (AWFS) wurde der Test (Kalibrierung / Validierung) des Satelliten Bi-Spectral Infrared Detection (BIRD) einbezogen, der am 22. Oktober 2001 mit einer indischen Rakete in den Orbit gebracht wurde. Eine Version der BIRD Sensoren wurde in diesem Experiment zur mehrkanaligen thermalen Aufnahme der Brände eingesetzt. Dabei handelt es sich um den Advanced BIRD Airborne Simulator (ABAS). Siehe auch:
http://spacesensors.dlr.de/SE/bird/

5. Visionen für weiterführende Projekte

Aus den für 2002-2003 erwarteten Ergebnisse des Arbeitspaketes – das Modell eines Waldbrandinformationssystems – sollte ein operationales System entwickelt werden. Der Technologie-Transfer in die Anwendung erfordert allerdings die Ausweitung des Systems auf weitere „Typen“ von Waldbeständen, die in Hinblick auf Feuerverhalten definiert, charakterisiert (vermessen) und überprüft (Modellvalidierung) werden müssen. Des Weiteren ist dann eine flächendeckende Kartierung dort notwendig, wo das System eingesetzt werden soll. Vorzugsweise sollte ein derartiges Projekt in Brandenburg, beispielsweise durch an der BTU Cottbus und/oder der Landesforstanstalt Eberswalde aufzubauenden Kapazitäten, implementiert werden.

6. Stand der Arbeit

I. Waldbrandexperiment 2001

Dieser Teil ist ein Auszug aus dem Gesamtbericht Waldbrandexperiment Brandenburg 2001. NEUER LINK:
Feuerexperiment Brandenburg (2001)

Autorengruppe DFNK-Cluster Waldbrandexperiment: Johann G. Goldammer, Alexander C. Held, Max-Planck-Instituts für Chemie; Wolfgang Cramer, Kirsten Thonicke, Potsdam Institut für Klimafolgenforschung; Ekkehard Kührt, Dieter Oertel, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; Klaus-Peter Wittich, Deutscher Wetterdienst; Günther Naumann, Thomas Erlemeier, Forstverwaltung Brandenburg; Karl Preußner, Lausitzer Braunkohle AG (LAUBAG); Winfried Riek, Helmut Schmitz, Stefan Schütz, Bernhard Weißbecker, Landesforstanstalt Eberswalde.

Einleitung

Das Forschungsvorhaben A2 "Frühwarnung, Monitoring, Informationsmanagement und Simulation von Waldbrandgefahr" im DFNK beinhaltet eine experimentelle Komponente, in der Erkenntnisse über Grundlagen der Waldbrandcharakteristik unter mitteleuropäischen Verhältnissen gewonnen werden sollen. Ausgereifte Modelle für das Verhalten von Waldbränden in Abhängigkeit von Vegetationstyp, Menge und Anordnung des zur Verfügung stehenden Brennmaterials, Topographie und der meteorologischen Rahmenbedingungen liegen für eine Reihe von außereuropäischen Vegetationstypen vor, insbesondere in Nordamerika entwickelt. Diese sind aber nicht direkt auf die Verhältnisse Mitteleuropas übertragbar. Die Zielsetzung bisheriger Waldbrandversuche in Deutschland beinhalteten Untersuchungen zur Anwendbarkeit des kontrollierten Brennens in jungen Kiefernbeständen, den Test neuer Löschmittel oder -taktiken oder den Test von Sensoren für die Detektion von Waldbränden aus dem Weltraum. Dabei wurden der Untersuchung der von Parametern wie der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feuers, Feuerintensität, Flammenlänge und Brennmaterial nicht die Aufmerksamkeit gewidmet, die für eine Modellierung von Waldbränden erforderlich ist. Ein neuer Forschungsansatz war daher notwendig. Ein experimenteller Waldbrand wurde in den für Brandenburg typischen Kiefernwäldern (Pinus sylvestris L.) in der Lausitz durchgeführt, einer der am stärksten von Waldbränden gefährdeten Regionen Deutschlands. Durch die Zusammenarbeit mit weiteren Forschungsinstitutionen konnte ein interdisziplinäres Experiment durchgeführt werden. Eine ausführliche Auswertung des Waldbrandexperiments und Einführungen in die Grundlagen der Waldbrandmodellierung sind auf der Website des GFMC veröffentlicht (DFNK Autorengruppe Waldbrand 2001).

Abbildung 2. Ansicht eines Teilablaufes des Waldbrandexperiments Brandenburg. Weitere Phasen des Experiments:
Siehe Website des GFMC / DFNK
http://www.fire.uni-freiburg.de/dfnk/zwischenbericht.htm

Ziele des Experiments

GFMC: (1) Modellbildung bzw. Validierung von Feuerausbreitungsmodellen; (2) Bestimmung der Anteile der Spurengase Methylbromid und Methylchlorid, die zum stratosphärischen Ozonabbau beitragen.
DWD: Bereitstellung von Eingangsgrößen für verschiedene von der Arbeitsgruppe Feuerökologie GFMC und vom DWD eingesetzte Modelle (BEHAVE-Modell zur Modellierung des Feuerverhaltens, Streufeuchtemodell).
DLR: (1) Durch den Überflug und die Erfassung der Brandflächen mit der neuartigen Kamera wurde getestet, ob dieses System in der Lage ist, die hohe energetische Dynamik der Brandflächen quantitativ zu erfassen. (2) Die seit 1999 in der Nähe der Probeflächen auf Feuerwachtürmen installierten AWFS-Kameras wurden in Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit bei der Erkennung von Waldbränden erfolgreich getestet.

Durchführung

Die Arbeitsgruppe Feuerökologie des Max-Planck-Instituts für Chemie trat als Koordinator des Vorhabens auf. Zusammen mit dem Eigentümer der Versuchsflächen, der Lausitzer Braunkohle AG (LAUBAG) (s.u.), und der Landesforstverwaltung, Amt für Forstwirtschaft Peitz, war die Arbeitsgruppe Feuerökologie verantwortlich für die gesamte Planung und Durchführung des Vorhabens. Für die Erstellung eines Waldbrandmodells (Hille et al. 2001a,b) wurden vor dem Versuch die Brennmaterialauflagen gemessen (Juli 2001). Während des Versuches wurden Daten über die Flammenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Temperaturen in Bodennähe aufgenommen. Zudem wurde Rauchgase direkt über den Flammen aufgefangen, um ausgewählte Emissionscharakteristika zu bestimmen.
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) ist seit Jahrzehnten im Bereich der Waldbrandvorsorge tätig, indem er während der Feuersaison sowohl die aktuelle vorherrschende als auch die prognostizierte Wettersituation operationell nach waldbrandfördernden Signalen detektiert. Die Ergebnisse in Form lagebeurteilender Wandbrandindizes werden an die Forst- und Innenministerien der Länder weitergeleitet und zum Teil im Internet veröffentlicht (Wittich und Janssen 2001; http://www.dwd.de/forecasts/lw/waldbrand/index.html). Elektronisch erfasst wurden zum einen die üblichen Standardparameter Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie die Globalstrahlung. Zum anderen wurde mittels eines kapazitiven Benetzungssensors speziell die Taubenetzungsdauer in der Vornacht des Experiments (22./23.8.) gemessen. Zusätzlich wurde die durch Feuchtigkeitsaufnahme bzw. -abgabe hervorgerufene Gewichtsänderung einer Streuprobe mit Hilfe einer elektronischen Wägevorrichtung ermittelt. Ferner erfolgten Temperaturmessungen im mineralischen Boden und mit einem Strahlungspyrometer erfasst.

Abbildung 3. Beispiel des Waldbrandgefahren-Indexes des DWD
http://www.agrowetter.de/Agrarwetter/waldix.htm

Im Berliner Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung des Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR-IWP) wurde ein neues abbildendes Infrarot-Sensorsystem zur Erfassung von Hochtemperatur-Ereignissen (High Temperature Events - HTE) entwickelt, beispielsweise der weltraumgestützten Detektion und Beschreibung von Waldbränden oder Vulkanausbrüchen. Als Bi-Spectral Infrared Detection (BIRD) (Oertel et al. 2000) wurde dieses System am 22. Oktober 2001 mit einer indischen Rakete in den Orbit gebracht. Eine Version der BIRD Sensoren wurde in diesem Experiment zur mehrkanaligen thermalen Aufnahme der Brände eingesetzt. Dabei handelte es sich um den Advanced BIRD Airborne Simulator (ABAS).

Bestandteil des Waldbrandinformationssystems Brandenburg wird das Automatisierte Waldbrand-Früherkennungssystem (AWFS). Die Kameras des AWFS liefern digitale Bilder der Umgebung von Feuerwachtürmen, auf denen sie installiert sind (360°). Die Informationen werden durch einen Computer zentral auf Rauchemissionen analysiert (Hartung und Gruner 2000, Kührt et al. 2000).

Die Versuchsbestände

Die von der Lausitzer Braunkohle AG (LAUBAG) zur Verfügung gestellten vier Waldparzellen (Kiefernbestände [Pinus sylvestris L.] liegen in der Nähe von Cottbus hatten einen Umfang von ca. 0,3 bis 1 ha (insgesamt 2 ha) und stellten in Hinblick auf ihre Lage und Abgrenzung gute Voraussetzungen für die sichere Durchführung der Versuchsbrände. Die für die Feuerentwicklung wichtigen Auflagemassen an Brennmaterial wurden mit einer Transect-Methode berechnet.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Ergebnisse sind auf der Website des GFMC veröffentlicht (DFNK Autorengruppe Waldbrand 2001) und im Detail dargestellt und interpretiert.

Um die aus diesen ersten Versuchen gewonnenen Erkenntnisse auszuwerten und eine Strategie für eine weitere Versuchsserie zu entwickeln, bedarf es noch einiger Zeit. Sicher ist aber, dass aus Sicht der Erarbeitung eines Waldbrandmodells für Brandenburg weitere Versuche notwendig sind, um derzeit bestehenden Feuermodelle besser an die Brandenburger Verhältnisse anzupassen. Weitere, nach Vegetationstypen und Bestandesformen stratifizierte Versuche sind notwendig. Wünschenswert sind vor allem Versuche in größeren Waldbeständen, die es erlauben, die großflächige Entwicklung eines Waldbrandes zu vermessen.

Abschließend ist zu ergänzen, dass das Brandenburger Waldbrandexperiment von Vertretern der Forstverwaltung aus dem benachbarten Grenzgebiet in Polen beobachtet wurde. Es ist angestrebt, die deutsch-polnische grenzüberschreitende Zusammenarbeit bei der Bekämpfung von Waldbränden weiter auszubauen.

Öffentlichkeitsarbeit

Im Rahmen des DFNK-Feuerexperiments wurde Wert auf angemessene Öffentlichkeitsarbeit in Presse, Rundfunk und Fernsehen gelegt, insbesondere um bei die Bevölkerung über die Hintergründe der künstlich erzeugten Waldbrände aufzuklären. Neben Rundfunk-Interviews in Antenne Brandenburg (am Tag des Feuerexperiments - 23.8.2001) und einem ausführlichen Pressebericht am 24.8.2001 (Lausitzer Rundschau) wurde ein 30-minütiger Wissenschaftsfilm „Feuerexperiment in der Lausitz" produziert (WTS MixedMedia, Berlin, im Auftrag des ORB).

7. Publikationen

Autorengruppe DFNK-Cluster Waldbrand (J.G. Goldammer, K.-H. Apel, M. Hille, A.C. Held, G. Naumann, D. Oertel, K. Preußner, W. Riek, H. Schmitz, S. Schütz, B. Weißbecker, K.-P. Wittich) (2001): Zwischenbericht Forschungsvorhaben A2, Arbeitspaket A, Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen (DFNK). 2001. Zwischenbericht Forschungsvorhaben A2, Arbeitspaket A Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen (DFNK)
http://www.fire.uni-freiburg.de/dfnk/zwischenbericht.htm

Eurasian Experimental Fire Weather Information System:
http://www.fire.uni-freiburg.de/fwf/eurasia.htm

Goldammer, J. G. (Hrsg.) 2001. Erstes Forum Katastrophenvorsorge "Extreme Naturereignisse und Vulnerabilität", Freiburg im Breisgau, 29.-30. September 2000. Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge, Bonn, 173 S.

Goldammer, J.G. 2001. The preparatory work of the Fire Ecology Research Group and the Global Fire Monitoring Center (GFMC) towards the establishment of the Inter-Agency Task Force Working Group on Wildland Fire within the UN International Strategy for Disaster Reduction (ISDR). In: Erstes Forum Katastrophenvorsorge "Extreme Naturereignisse und Vulnerabilität", Freiburg im Breisgau, 29.-30. September 2000 (J.G. Goldammer, Hrsg.), 73-88. Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge, Bonn, 173 S.

Hille, M., A.C. Held und J.G. Goldammer. 2001a. Ansätze zur Waldbrandmodellierung in Kiefernbeständen.

http://www.uni-freiburg.de/fireglobe/dfnk/behave/Modellierung%20mit%20BEHAVE.htm

Hille, M., A.C. Held und J.G. Goldammer. 2001b. Revierbezogene Waldbrandmodellierung in Kiefernbeständen in Ost-Brandenburg (in prep.). http://www.uni-freiburg.de/fireglobe/dfnk/farsite/...

Kührt, E., T. Behnke, H. Jahn, H. Hetzheim, J. Knollenberg, V. Mertens, G. Schlotzhauer, and B. Götze. 2000. Autonomous early warning system for forest fires tested in Brandenburg (Germany). International Forest Fire News No. 22, 84-90.

Oertel, D., K. Briess, W. Halle, M. Neidhardt, E. Lorenz, R. Sandau, F. Schrandt, W. Skrbek, H. Venus, I. Walter, B. Zender, B. Zhukov, J.G. Goldammer, A.C. Held, M. Hille, H. Brueggemann. 2001. Airborne forest fire mapping with an adaptive infrared sensor (subm. to Int. J. Remote Sensing).

Wittich, K.-P., und W. Janssen, 2001. Waldbrandgefahrenvorhersage für Deutschland im Internet. Allg. Forst. Z. 56, 794-795.