Forest fire in heterogeneous environments: the role of enlarged active neighborhoods and random forbidden sites

• Main Author: SILVA, Florentino Gomes de Oliveira
• Other Authors: http://lattes.cnpq.br/8944119431657576
• Language: English
• Published: Universidade Federal de Pernambuco 2018
• Subjects: Física estatística; Sistemas complexos; Modelos de propagação
• Online Access: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/23279

Submitted by Rafael Santana ([e-mail]) on 2018-01-23T18:28:26Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) mestrado_FLORENTINO_vfinal.pdf: 34893603 bytes, checksum: 9f4e52bf21e32df95d14f3aa8c75cba0 (MD5) === Made available in DSpace on 2018-01-23T18:28:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) mestrado_FLORENTINO_vfinal.pdf: 34893603 bytes, checksum: 9f4e52bf21e32df95d14f3aa8c75cba0 (MD5) Previous issue date: 2016-08-15 === FACEPE === In the present work, the spread of forest fires in heterogeneous environments is studied through cellular automata (CA) models, that are commonly used to simulate contact processes, and display a critical self-organized dynamics. The concept of self-organized criticality (SOC) is related to the ability of a dynamical system to evolve towards a critical phase spontaneously. The signature of these processes is the scale invariance (power-law behavior) of its observables. The forest fire model proposed by Drossel and Schawbl (DSFFM) in 1992, regards an homogeneous population of trees and its fire-size and fire duration distributions suggest typical SOC behaviors. In the other hand, the literature reports wildland fires whose frequency-area histograms are either power-law distributions or ‘heavy-tailed’ distributions. In 2011, Camelo-Neto and Coutinho proposed a CA model in which two distinct populations of trees are considered: one comprising trees with low flammability (with a parameter R of resistance to ignite) and the other composed by high flammability (susceptible trees). Aiming to generalize this model, some ingredients have been added in order to amplify or constrain the effective reach of the fire spreading. By increasing the reach of the interactions, the system performs fires that spread more like a ‘field’ of heat than like a contact process as in the DSFFM. Another novel aspect of the model – related to the heterogeneity of the population – is the addition of a fraction s of forbidden sites (randomly placed), at which trees are not allowed to sprout. Moreover, theses forbidden sites do not interact with fire. Results have showed that the fire-size distributions can display either a ‘heavy-tailed’ behavior or a power-law behavior, depending on the resistance parameter R and on the fraction s of forbidden site. === Nesta dissertação, a propagação de incêndios em florestas heterogêneas é estudada através de modelos de autômatos celulares (AC) que descrevem processos de propagação por contato e apresentam características de uma dinâmica crítica auto-organizada. O conceito de criticalidade auto-organizada (CAO) está relacionado com a capacidade de um sistema dinâmico evoluir espontaneamente para um estado crítico. A assinatura desses processos é a invariância de escala (comportamento tipo lei de potência) das distribuições de certas grandezas observáveis. O modelo de incêndio florestal proposto por Drossel e Schawbl (DS), em 1992, considera apenas florestas homogêneas e as distribuições de tamanhos e duração das queimadas encontradas sugerem a existência de um estado crítico auto-organizado. A literatura, no entanto, reporta incêndios reais cujos histogramas de frequência de tamanho apresentam tanto distribuições tipo lei de potência, quanto casos de distribuições com “caudas pesadas”. Em 2011, Camelo-Neto e Coutinho propuseram um modelo de AC, onde são consideradas duas populações de árvores distintas, uma com baixa inflamabilidade, árvores com distintos graus R de resistência à ignição, e outra com alta inflamabilidade, ditas árvores susceptíveis. Com o intuito de generalizar o modelo, alguns ingredientes foram adicionados de modo a ampliar ou limitar o alcance efetivo da propagação do fogo na vizinhaça de uma árvore em chamas. O aumento do alcance das interações produz incêndios que se propagam como um “campo de calor”, desta forma difere dos processos de contato característicos do modelo DS. Outro novo aspecto do modelo para explorar a heterogeniedade da floresta foi a inclusão de um fração s de sítios proibidos (distribuídos aleatoriamente) nos quais árvores não podem brotar, além disso eles também não interagem com o fogo. Os resultados alcançados mostram que as distribuições de tamanho dos incêndios podem exibir tanto um comportamento de “cauda pesada”, como comportamento tipo lei de potência, dependendo do ajuste do parâmetro de resistência R e da concentração s de sítios proibidos.