Forschungsbericht 1999-2001

DeutschesForschungsnetz Naturkatastrophen

Cluster”Simulationssystem Waldbrand”

Zwischenbericht2001


1.Abstract “Early Warning, Monitoring, Information Management and Simulationof Forest Fire Danger”

Theexpected impacts of climate change and changed socio-economic conditions andpractices in forest management may lead to an increase of fire occurrence andfire severity in Central Europe. Appropriate knowledge and decision-supportsystems are required to handle larger forest fires in the future. Within theDFNK a Work Package / Cluster “Early Warning, Monitoring, InformationManagement and Simulation of Forest Fire Danger” is included. Under thelead of the Fire Ecology Research Group and the Global Fire Monitoring Center(GFMC), Max Planck Institute for Chemistry, and in close cooperation withvarious research groups from throughout Germany (including the Potsdam Institutefor Climate Impact Research, Brandenburg Technical University Cottbus, theGerman Weather Service, and the German Aerospace Center [DLR], Institute forSpace Sensor Technology), a GIS-based information system is currently developed(1999-2003) which will include early warning, monitoring, information managementand simulation of forest fire danger (including long-term forecasts). Thisprototype system will be implemented in the southeastern part of the state ofBrandenburg, Germany. A first series of four experimental forest fires has beenconducted in August 2001 in Brandenburg State. The experiment has been used byadditional research groups, including the test of the spaceborne BIRD firecharacterization sensor.

2. Ziele

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

Frühwarnungvor Waldbrandgefahr: Die Frühwarnungerfolgt über Karten, die die regionale potentielle Gefährdung durch Waldbrändeauf Grundlage von Vorhersagen des DWD aufzeigen (über das WWW abrufbar).

Echtzeit (realtime / 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 fürForstwirtschaft Peitz/Brandenburg installiert ist. Hierüber kann die genaueLage eines Feuers über das Auftreten von Rauchwolken ermittelt und visuelldargestellt werden.

Modelle /Simulation zur Unterstützung von Entscheidungen: Durchdie Anwendung der U.S. Softwarepakete BEHAVE und FARSITE wird das potentielleFeuerverhalten (Intensität, Ausbreitungsgeschwindigkeit und -richtung etc.) beiunterschiedlichen Wetterbedingungen simuliert (über das WWW abrufbar).

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

Ökologischeund sozioökonomische Auswirkungen von Feuer: Untersuchung desRegenerationspotentials 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 desInneren; Ministerium für Landwirtschaft, Umweltschutz und Raumordnung) solleine praxisnahe Entwicklung hin zu einem echten Feuermanagement-System erreichtwerden.

3. Aufbau undOrganisation des Clusters

Partner:

  • Arbeitsgruppe Feuerökologie/Global Fire Monitoring Center (GFMC) des MPI für Chemie, c/o Universität Freiburg

  • Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Institut für Bodenschutz und Rekultivierung

  • Potsdam Institut für Klimafolgenforschung (PIK)

  • Deutscher Wetterdienst (DWD) Agrarmeteorologische Forschung, Braunschweig

  • Forstverwaltung Brandenburg

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Abbildung1.Organigramm des Datenflusses im Cluster “Waldbrand”

 

4.Kooperationen

Im Jahr 2001 wurdedie Liste der offiziellen Kooperationspartner (Abschnitt 4.3) durchZusammenarbeit mit assoziierten Partnern erheblich erweitert. Dies geschah zumEinen anlässlich der ersten Waldbrandexperimente in Brandenburg (August 2001),in deren Rahmen weiteren Forschungspartnern die Gelegenheit zur Mitarbeitgegeben wurde. Dabei wurden Fragestellungen bearbeitet, die nicht nur zum Kerndes Cluster-Vorhabens gehören, aber den Aufbau der einer interdisziplinärenKultur der Waldbrandforschung in Deutschland und in Zusammenarbeit mitinternationalen Partnern vorantreiben. Folgende assoziierte Partner arbeiteteneng mit dem Cluster A2 zusammen (Details: siehe Abschnitt 6):

LandesforstanstaltEberswalde, Dezernat Bodenkunde / Waldernährung; Abteilung Waldschutz:Die Institute arbeiteten bei direkter Beteiligung von sechs Mitarbeitern anbodenkundlichen und faunistischen Fragestellungen an den Waldbrandexperimenten2001.

LausitzerBraunkohle AG (LAUBAG): Als Eigentümerder Waldflächen, die für die Waldbrandexperimente zur Verfügung gestelltwurden, leistete die LAUBAG erhebliche Hilfestellung. Dabei handelte es sichnicht nur um die Bereitstellung der Waldfläche, sondern auch um Sicherungskräfte(Werkfeuerwehr) und Inkaufnahme der erhöhten Aufwendungen beim Abtrieb derBrandflächen.

Canadian ForestService: Die kanadische Forstverwaltungerstellte zusammen mit dem Global Fire Monitoring Center / Arbeitsgruppe Feuerökologiedas Eurasian Experimental Fire Weather Information System, dasauch die Anrainerstaaten der Ostsee einschließt:
http://www.uni-freiburg.de/fireglobe/fwf/eurasia.htm

Ein weiteresProjekt des Instituts für Weltraumsensorik, Deutsches Zentrum für Luft- undRaumfahrt (DLR): Neben dem Automatisierten Waldbrand-Früherkennungssystem(AWFS) wurde der Test (Kalibrierung / Validierung) des Satelliten Bi-SpectralInfrared Detection (BIRD) einbezogen, der am 22. Oktober 2001 mit einerindischen Rakete in den Orbit gebracht wurde. Eine Version der BIRD Sensorenwurde in diesem Experiment zur mehrkanaligen thermalen Aufnahme der Brändeeingesetzt. Dabei handelt es sich um den Advanced BIRD Airborne Simulator(ABAS). Siehe auch:
http://spacesensors.dlr.de/SE/bird/

5. Visionen fürweiterführende Projekte

Aus den für2002-2003 erwarteten Ergebnisse des Arbeitspaketes – das Modell einesWaldbrandinformationssystems – sollte ein operationales System entwickeltwerden. Der Technologie-Transfer in die Anwendung erfordert allerdings dieAusweitung des Systems auf weitere „Typen“ von Waldbeständen, die inHinblick auf Feuerverhalten definiert, charakterisiert (vermessen) und überprüft(Modellvalidierung) werden müssen. Des Weiteren ist dann eine flächendeckendeKartierung dort notwendig, wo das System eingesetzt werden soll. Vorzugsweisesollte ein derartiges Projekt in Brandenburg, beispielsweise durch an der BTUCottbus und/oder der Landesforstanstalt Eberswalde aufzubauenden Kapazitäten,implementiert werden.

6. Stand derArbeit

I.Waldbrandexperiment 2001

Dieser Teil istein Auszug aus dem Gesamtbericht Waldbrandexperiment Brandenburg 2001. NEUERLINK:
FeuerexperimentBrandenburg (2001)

AutorengruppeDFNK-Cluster Waldbrandexperiment: JohannG. Goldammer, Alexander C. Held, Max-Planck-Instituts für Chemie; WolfgangCramer, 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, ForstverwaltungBrandenburg; Karl Preußner, Lausitzer Braunkohle AG (LAUBAG); Winfried Riek,Helmut Schmitz, Stefan Schütz, Bernhard Weißbecker, LandesforstanstaltEberswalde.

Einleitung

DasForschungsvorhaben A2 “Frühwarnung, Monitoring, Informationsmanagement undSimulation von Waldbrandgefahr” im DFNK beinhaltet eine experimentelleKomponente, in der Erkenntnisse über Grundlagen der Waldbrandcharakteristikunter mitteleuropäischen Verhältnissen gewonnen werden sollen. AusgereifteModelle für das Verhalten von Waldbränden in Abhängigkeit von Vegetationstyp,Menge und Anordnung des zur Verfügung stehenden Brennmaterials, Topographie undder meteorologischen Rahmenbedingungen liegen für eine Reihe von außereuropäischenVegetationstypen vor, insbesondere in Nordamerika entwickelt. Diese sind abernicht direkt auf die Verhältnisse Mitteleuropas übertragbar. Die Zielsetzungbisheriger Waldbrandversuche in Deutschland beinhalteten Untersuchungen zurAnwendbarkeit des kontrollierten Brennens in jungen Kiefernbeständen, den Testneuer Löschmittel oder -taktiken oder den Test von Sensoren für die Detektionvon Waldbränden aus dem Weltraum. Dabei wurden der Untersuchung der vonParametern wie der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Feuers, Feuerintensität,Flammenlänge und Brennmaterial nicht die Aufmerksamkeit gewidmet, die für eineModellierung von Waldbränden erforderlich ist. Ein neuer Forschungsansatz wardaher notwendig. Ein experimenteller Waldbrand wurde in den für Brandenburgtypischen Kiefernwäldern (Pinus sylvestris L.) in der Lausitz durchgeführt,einer der am stärksten von Waldbränden gefährdeten Regionen Deutschlands.Durch die Zusammenarbeit mit weiteren Forschungsinstitutionen konnte eininterdisziplinäres Experiment durchgeführt werden. Eine ausführlicheAuswertung des Waldbrandexperiments und Einführungen in die Grundlagen derWaldbrandmodellierung sind auf der Website des GFMC veröffentlicht (DFNKAutorengruppe Waldbrand 2001).

Abbildung2. Ansichteines Teilablaufes des Waldbrandexperiments Brandenburg. Weitere Phasen desExperiments:
Siehe Website des GFMC / DFNK
https://gfmc.online/dfnk/zwischenbericht.htm

Ziele desExperiments

GFMC: (1)Modellbildung bzw. Validierung von Feuerausbreitungsmodellen; (2) Bestimmung derAnteile der Spurengase Methylbromid und Methylchlorid, die zum stratosphärischenOzonabbau beitragen.
DWD: Bereitstellung von Eingangsgrößen für verschiedene von der ArbeitsgruppeFeuerökologie GFMC und vom DWD eingesetzte Modelle (BEHAVE-Modell zurModellierung des Feuerverhaltens, Streufeuchtemodell).
DLR: (1) Durch den Überflug und die Erfassung der Brandflächen mit derneuartigen Kamera wurde getestet, ob dieses System in der Lage ist, die hoheenergetische Dynamik der Brandflächen quantitativ zu erfassen. (2) Die seit1999 in der Nähe der Probeflächen auf Feuerwachtürmen installiertenAWFS-Kameras wurden in Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit bei der Erkennung vonWaldbränden erfolgreich getestet.

Durchführung

Die ArbeitsgruppeFeuerökologie des Max-Planck-Instituts für Chemie trat als Koordinator desVorhabens auf. Zusammen mit dem Eigentümer der Versuchsflächen, der LausitzerBraunkohle AG (LAUBAG) (s.u.), und der Landesforstverwaltung, Amt fürForstwirtschaft Peitz, war die Arbeitsgruppe Feuerökologie verantwortlich fürdie gesamte Planung und Durchführung des Vorhabens. Für die Erstellung einesWaldbrandmodells (Hille et al. 2001a,b) wurden vor dem Versuch dieBrennmaterialauflagen gemessen (Juli 2001). Während des Versuches wurden Datenüber die Flammenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Temperaturen inBodennähe aufgenommen. Zudem wurde Rauchgase direkt über den Flammenaufgefangen, um ausgewählte Emissionscharakteristika zu bestimmen.
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) ist seit Jahrzehnten im Bereich derWaldbrandvorsorge tätig, indem er während der Feuersaison sowohl die aktuellevorherrschende als auch die prognostizierte Wettersituation operationell nachwaldbrandfördernden Signalen detektiert. Die Ergebnisse in Formlagebeurteilender Wandbrandindizes werden an die Forst- und Innenministerien derLänder weitergeleitet und zum Teil im Internet veröffentlicht (Wittich undJanssen 2001; http://www.dwd.de/forecasts/lw/waldbrand/index.html).Elektronisch erfasst wurden zum einen die üblichen StandardparameterWindgeschwindigkeit und Windrichtung, Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie dieGlobalstrahlung. Zum anderen wurde mittels eines kapazitiven Benetzungssensorsspeziell die Taubenetzungsdauer in der Vornacht des Experiments (22./23.8.)gemessen. Zusätzlich wurde die durch Feuchtigkeitsaufnahme bzw. -abgabehervorgerufene Gewichtsänderung einer Streuprobe mit Hilfe einer elektronischenWägevorrichtung ermittelt. Ferner erfolgten Temperaturmessungen immineralischen Boden und mit einem Strahlungspyrometer erfasst.

Abbildung3. Beispieldes Waldbrandgefahren-Indexes des DWD
http://www.agrowetter.de/Agrarwetter/waldix.htm

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

Bestandteil desWaldbrandinformationssystems 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 Rauchemissionenanalysiert (Hartung und Gruner 2000, Kührt et al. 2000).

DieVersuchsbestände

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

Zusammenfassungund Ausblick

Die Ergebnissesind auf der Website des GFMC veröffentlicht (DFNK Autorengruppe Waldbrand2001) und im Detail dargestellt und interpretiert.

Um die aus diesenersten Versuchen gewonnenen Erkenntnisse auszuwerten und eine Strategie füreine weitere Versuchsserie zu entwickeln, bedarf es noch einiger Zeit. Sicherist aber, dass aus Sicht der Erarbeitung eines Waldbrandmodells für Brandenburgweitere Versuche notwendig sind, um derzeit bestehenden Feuermodelle besser andie Brandenburger Verhältnisse anzupassen. Weitere, nach Vegetationstypen undBestandesformen stratifizierte Versuche sind notwendig. Wünschenswert sind vorallem Versuche in größeren Waldbeständen, die es erlauben, die großflächigeEntwicklung eines Waldbrandes zu vermessen.

Abschließend istzu ergänzen, dass das Brandenburger Waldbrandexperiment von Vertretern derForstverwaltung aus dem benachbarten Grenzgebiet in Polen beobachtet wurde. Esist angestrebt, die deutsch-polnische grenzüberschreitende Zusammenarbeit beider Bekämpfung von Waldbränden weiter auszubauen.

Öffentlichkeitsarbeit

Im Rahmen desDFNK-Feuerexperiments wurde Wert auf angemessene Öffentlichkeitsarbeit inPresse, Rundfunk und Fernsehen gelegt, insbesondere um bei die Bevölkerung überdie Hintergründe der künstlich erzeugten Waldbrände aufzuklären. NebenRundfunk-Interviews in Antenne Brandenburg (am Tag des Feuerexperiments -23.8.2001) und einem ausführlichen Pressebericht am 24.8.2001 (LausitzerRundschau) wurde ein 30-minütiger Wissenschaftsfilm „Feuerexperiment in derLausitz” produziert (WTS MixedMedia, Berlin, im Auftrag des ORB).

7.Publikationen

AutorengruppeDFNK-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. ZwischenberichtForschungsvorhaben A2, Arbeitspaket A Deutsches Forschungsnetz Naturkatastrophen(DFNK)
https://gfmc.online/dfnk/zwischenbericht.htm

EurasianExperimental Fire Weather Information System:
https://gfmc.online/fwf/eurasia.htm

Goldammer,J. G. (Hrsg.) 2001. Erstes Forum Katastrophenvorsorge “ExtremeNaturereignisse und Vulnerabilität”, Freiburg im Breisgau, 29.-30.September 2000. Deutsches Komitee fürKatastrophenvorsorge, Bonn, 173 S.

Goldammer, J.G.2001. The preparatory work of the Fire Ecology Research Group and the GlobalFire Monitoring Center (GFMC) towards the establishment of the Inter-Agency TaskForce Working Group on Wildland Fire within the UN International Strategy forDisaster Reduction (ISDR). In: Erstes ForumKatastrophenvorsorge “Extreme Naturereignisse und Vulnerabilität”, Freiburgim Breisgau, 29.-30. September 2000 (J.G.Goldammer, Hrsg.), 73-88. Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge, Bonn, 173S.

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

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

Hille, M., A.C.Held und J.G. Goldammer. 2001b. Revierbezogene Waldbrandmodellierung inKiefernbeständen 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, andB. Götze. 2000. Autonomousearly 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 adaptiveinfrared 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.

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