The REBURN model: simulating system-level forest succession and wildfire dynamics

Abstract

Background

Historically, reburn dynamics from cultural and lightning ignitions were central to the ecology of fire in the western United States (wUS), whereby past fire effects limited future fire growth and severity. Over millennia, reburns created heterogenous patchworks of vegetation and fuels that provided avenues and impediments to the flow of future fires, and feedbacks to future fire event sizes and their severity patterns. These dynamics have been significantly altered after more than a century of settler colonization, fire exclusion, and past forest management, now compounded by rapid climatic warming. Under climate change, the area impacted by large and severe wildfires will likely increase — with further implications for self-regulating properties of affected systems. An in-depth understanding of the ecology of reburns and their influence on system-level dynamics provides a baseline for understanding current and future landscape fire-vegetation interactions.

Results

Here, we present a detailed characterization of REBURN — a geospatial modeling framework designed to simulate reburn dynamics over large areas and long time frames. We interpret fire-vegetation dynamics for a large testbed landscape in eastern Washington State, USA. The landscape is comprised of common temperate forest and nonforest vegetation types distributed along broad topo-edaphic gradients. Each pixel in a vegetation type is represented by a pathway group (PWG), which assigns a specific state-transition model (STM) based on that pixel’s biophysical setting. STMs represent daily simulated and annually summarized vegetation and fuel succession, and wildfire effects on forest and nonforest succession. Wildfire dynamics are driven by annual ignitions, fire weather and topographic conditions, and annual vegetation and fuel successional states of burned and unburned pixels.

Conclusions

Our simulation study is the first to evaluate how fire exclusion and forest management altered the active fire regime of this landscape, its surface and canopy fuel patterns, forest and nonforest structural conditions, and the dynamics of forest reburning. The REBURN framework is now being used in related studies to evaluate future climate change scenarios and compare the efficacy of fire and fuel management strategies that either enable the return of active fire regimes or depend on fire suppression and wildfire effects on forest burning.

Resumen

Antecedentes

Históricamente, la dinámica de los fuegos recurrentes iniciados por igniciones tanto culturales como por rayos, fueron eventos centrales en el oeste de los Estados Unidos (wUS), por lo que los efectos de fuegos pasados limitan el crecimiento y severidad de fuegos futuros. A lo largos de milenos, los fuegos recurrentes crearon parches de vegetación y de combustibles heterogéneos que proveyeron de vías e impedimentos en el flujo de fuegos futuros, y retroalimentaciones para eventos de fuegos futuros de diferentes tamaños y sus patrones de severidad. Estas dinámicas fueron significativamente alteradas luego de más de un siglo de colonización por inmigrantes, la exclusión del fuego y el manejo forestal pasado, y ahora intensificadas por el rápido calentamiento global. Bajo el cambio climático, el área impactada por fuegos más grandes y severos probablemente se incremente -con implicaciones para las propiedades de auto-regulación- de los sistemas afectados. Un entendimiento profundo de la ecología de los fuegos recurrentes y su influencia en la dinámica a nivel de sistemas proveerá de una línea de base para entender las interacciones actuales y futuras entre fuegos y vegetación a nivel de paisaje.

Resultados

Presentamos acá una detallada caracterización de REBURN, un modelo geoespacial diseñado para simular la dinámica de fuegos recurrentes en grandes áreas y para largos períodos de tiempo. Interpretamos la dinámica fuego-vegetación para un gran banco de prueba a nivel de paisaje en el este del estado de Washington, EEUU. El paisaje está conformado por bosques templados y áreas con tipos de vegetación no boscosa distribuidas a lo largo de amplios gradientes topo-edáficos. Cada pixel en cada tipo de vegetación está representado por un grupo de corredor (PWG), que se asigna a un modelo de transición especifico (STM) basado en los atributos biofísicos de cada pixel. Los STMs representan las simulaciones diarias y resumen anualmente la vegetación y la sucesión del combustible, y los efectos del fuego en áreas boscosas y no boscosas. LA dinámica de los incendios está conducida por las igniciones anuales, las condiciones meteorológicas en relación al fuego y las condiciones de la topografía, y la vegetación anual y los estados sucesionales de los combustibles en pixeles quemados y no quemados.

Conclusiones

Nuestro estudio de simulación en el primero en evaluar cómo la exclusión del fuego y el manejo forestal alteraron los regímenes de fuego en este paisaje, los patrones de combustibles superficiales y en los doseles, las condiciones estructurales de las áreas boscosas y no boscosas, y la dinámica de los fuegos recurrentes en esos bosques. La estructura del modelo REBURN está siendo ahora usada en estudios relacionados para evaluar escenarios futuros de cambio climático y comparando la eficacia de estrategias de manejo del fuego y de los combustibles que podría permitir el regreso de regímenes de fuego activos o depender de la supresión y los efectos de los incendios en las quemas forestales.