Evaluation of the fire potential index utilizing numerical weather prediction fields and remote sensing imagery

Abstract

Orman, birçok türde bitkinin, mantarın, mikroorganizmanın, hayvanın ve toprağın etkileşimli olarak yaşadığı büyük ölçekli ekolojik bir komündür. Geniş bölgeleri kapsamakta ve yaşam alanlarının iklim koşullarını değiştirebilmektedir. Bazıları çaba sarf edilmeden faydalanılan birçok ürün ve fonksiyonu insanlığa sunmaktadırlar. Ormanların öne çıkan başlıca işlevleri orman ürünleri, hidrolojik, iklimsel, erozyon kontrolü, tıp, eğlence ve bilime katkıdır. Bu gibi faydalar sunmaları onların insan nüfusu için bir cazibe olmasına ve nihayetinde seyrelmelerine ya da tamamen yok olmalarına neden olmaktadır. Türkiye'nin günümüzdeki ulusal sınırlarının kapsadığı alanda buzul çağının bitiminden bu yana orman varlıklarının üçte ikisini kaybettiği tahmin edilmektedir. Ormansızlaşma birçok nedenden kaynaklanmaktadır ancak en önemlilerinden biri orman yangınlarıdır. İklim değişikliği, dünyanın birçok yerinde ve Türkiye'de ormanlık alanlarında artan baskıya katkıda bulunur. Akdeniz ülkeleri özellikle ormanlarda tutuşma olasılığının artmasına karşı daha savunmasızdır. Türkiye bu şartlar altında ormanlık bölgelerini korumaya çalışmaktadır. Gelişmiş yangın söndürme yöntemleri ve yangınla mücadele stratejileri, yıllık yangın olaylarının artmasına rağmen, yanan alanların azalmasını sağlamıştır. Ormanlık alanlar ve orman kütlesi son yüzyılda giderek artmaktadır. Bu kısmen hammadde, ısı ve enerji kaynağı olarak odun talebindeki azalmanın bir sonucudur. Yangınlar doğal ekolojik döngünün bir parçasıdır ve ormanların sürdürülebilirliğinde çok önemli bir role sahiptir. Orman yangınlarının temel fonksiyonları organik biokütlenin çözülmesi, inorganik materyallerin uzaklaştırılması ve bioçeşitliliğin korunmasıdır. Orman yangınlarının ekolojideki doğal rolünün yanı sıra, zararlı etkileri de vardır. Bu olumsuz sonuçlar tıbbi problemler, atmosfere karbondioksit salınımı, yaşam alanı kaybı, erozyona karşı savunmasızlığın artması ve hatta ölümler olarak sıralanabilir. Orman yangınlarının ciddi sonuçlarından dolayı dinamiklerini, etkilerini daha iyi anlamak ve yangınlardan kaçınmak için araştırılmaları gerekir.Orman yangınlarıyla mücadele, büyük kaynak ve bilgi birikimi gerektirir. Orman yangınlarının ciddiyeti ve yangın söndürme çabalarının zorluğu nedeniyle, sadece müdahale stratejilerini değil, aynı zamanda zarar azaltma, uyum ve ön hazırlık safhalarını da kapsayan bütüncül bir afet yönetimi yaklaşımı uygulanmalıdır. Bunun için de ormanlık bölgelerdeki yangın riskini öngören erken uyarı sistemleri kurulmalıdır. Yanma, aktivasyon enerjisi, oksijen ve yakıtta mevcudiyetinde meydana gelir. Ormanlar, CO2 ve H2O'yu C6H10O5'e dönüştüren fotosentez reaksiyonunun sürekliliği vardır. Bu reaksiyon sonucu ortaya çıkan madde selüloz olarak bilinir. Elverişli koşulların mevcudiyetinde, selüloz kimyasal bağlarında depolanmış enerji, orman yangınları şeklinde hızla ortaya çıkar. Tutuşma doğal veya beşeri faktörlerden dolayı başlayabilir. En sık görülen doğal tutuşma nedeni yıldırımdır, oysa beşeri faktörler kasıt, kaza ve ihmal olarak sıralanabilir. Kazalar orman yangınlarının ortaya çıkmasında en baskın faktördür, doğal nedenler ise yangının başlamasında daha az rol oynar. Ateşleme kaynakları bölgesel farklılık gösterebilir. Yakıt özellikleri, tip, yaş, katmanlaşma ve mevsime göre belirlenir. Atmosferik koşullar, yangın için elverişli koşulların ortaya çıkmasında önemli bir rol oynamaktadır. Yüksek sıcaklıklar, yağış noksanlığı, yatay ve yukarı yönlü hava parsellerinin hızı yangın riskini önemli ölçüde artırmaktadır. Yangın olaylarının nedenleri ve elverişli koşulları iyi anlaşıldığı için, bilim adamlarının yangın potansiyelini benzeştirme konusunda birçok girişimde bulunmuşlardır. Hidrolojik koşullar, atmosferik şartlar, kuraklık derecesi, uzaktan algılama verileri yangın tehlikesini tahmin etmek için kullanılmıştır. Yangın potansiyelini işaret etmek için seçilen parametreler, veri mevcudiyeti, yangını tetikleyen faktörlerin bölgesel değişkenliği ve hesaplama olanakları nedeniyle değişebilir. Bir yangın potansiyeli indeksinden hesaplama kolaylığı ve güvenilir sonuçlar üretmesi beklenir. Bu çalışmada Türkiye'deki yangın riskini tahmin etmek için Yangın Potansiyeli İndeksi (Fire Potential Index, FPI) seçilmiştir. Bu yöntemde ölü yakıt olarak anılan ölü bitki artıklarının nem içeriği miktarını belirlemek için sıcaklık ve nispi nem atmosferik değişkenleri kullanılır. Uzaktan algılama ürünleriyle elde edilen Normalize Farklar Bitki İndeksi (NDVI) değerlerinin ortalamalardan sapmalarında yeşillik seviyesi ve dolaylı olarak canlı yakıtlardan ölü yakıtlara ne kadar dönüşüm olduğu belirlenir. Ölü yakıt miktarı yangın ortaya çıkmasında önemli bir role sahiptir. Özellikle atmosferik nem değişine çok hızlı cevap veren 10 saatlik yakıtlar (yarıçapı 0,6-2,5 cm olan bitki kalıntıları, dal parçaları, kozalak vb.) yangınların başlaması ve yayılmasında anahtar rol oynarlar. Bu tür yakıtlardaki nem içeriğini belirlemek için alansal veri sağlayan Avrupa Orta Vadeli Hava Tahminleri Merkezi (ECMWF) sayısal hava tahmin model çıktılarından faydalanılmıştır. Canlı yakıtların ve yangında enerji salınımında çok daha büyük öneme sahip 1000 saatlik yakıtların nem değişimlerine tepkisi çok yavaştır ve modellenmesi çok daha güçtür. Ancak, bu yakıt türlerinin nem içeriği değişimleri benzer karakteristikler gösterdiğinden bu yakıt türlerinin durumunu belirlemek için ise yer sabit uydu gözlemlerinden elde edilen NDVI verileri kullanılmıştır. Ölü yakıtlardaki nem içeriği tükenme nem seviyesine yaklaştıkça ve yeşillik seviyesi azaldıkça yangın olasılığı arttığı kabul edilir. Bu tez çalışmasında indeks işlevselliğini araştırmak indeksin iyi sonuç verdiği veya zayıf yönlerini ortaya koyabilmek için günlük yangın potansiyeli çıktı Türkiye Genel Müdürlüğü 2016 yılına ait yangın kayıtları gerek görsel gerek istatistiksel olarak karşılaştırılmıştır. Çalışmanın sonucunda, mevcut çalışmada kullanılan model, yangın riskinin aylık sapmasını başarılı bir şekilde temsil edebilmiştir. Sosyal Bilimler için İstatistik Paketi (Statistical Package for Social Sciences; SPSS) ile yapılan Pearson's korelasyon analizi ile, aylık ortalama FPI skoru ile orman yangınlarının sayısı arasındaki korelasyon hesaplanmıştır. Bulgular, FPI puanlarının ve yangın sayısının kuvvetle ilişkili olduğunu, r = 0.93, p <.01 olduğunu ortaya koymuştur. FPI puanlarının ardışık günlerdeki hızlı değişimleri, yangın olaylarının bölgesel görülme değişimiyle uyum içinde olduğu görülmüştür. Buna ek olarak, FPI skorları ve günlük yangın sayılarının arasındaki korelasyon, istatistiksel olarak anlamlı ve güçlü olarak bulunmuştur (r = .74, p < .01). Genel olarak nem akılarının ulaşamadığı iç kesimler özellikle İç Anadolu ve Güney Doğu Anadolu Bölgelerinde indeks en yüksek skorları üretmiştir. Ancak bu bölgelerde yangının ortaya çıkmasında birincil etken olarak insan aktiviteleri daha az olduğundan yangınların daha az isabetle öngörülmesi durumu ortaya çıkmıştır. İstanbul ve Bursa gibi şehirlerdeki yüksek nüfus, iklim karakteristiklerinden daha baskın bir şekilde yangınların ortaya çıkmasına neden olurken; en yüksek yangın sayıları Antalya, İzmir, Hatay gibi sıcak, kurak ve yoğun yerleşimin olduğu yerlerde gözlenmiştir. Yangın olayları ilgili FPI puanlarıyla eşleştirilmiş ve FPI'nın bazı yangın olaylarının gözlendiği yer ve konumda düşük değerler üretebildiği anlaşılmıştır. Özellikle, kıyı bölgelerde, orta veya düşük yangın riski ortaya konmuşken çok sayıda yangın olayı yaşandığı görülmüştür. Bazı durumlarda da aşırı risk seviyesi belirtilen iç bölgelerde yangın gözlenmediği tespit edilmiştir. Kıyı bölgeleri yüksek nüfus yoğunluğuna sahiptir. Bu nedenle, seyrek nüfuslu iç bölgelere kıyasla daha fazla tutuşma olasılığı vardır. Gelecek araştırmalarda, FPI, tutuşma şansını belirlemek için girdilerin değerlendirilmesinden ciddi olarak faydalanabilir. Kıyı ve iç bölgeler aynı zamanda bitki örtüsünde modifikasyonlara yol açan farklı iklim bölgelerinde de bulunmaktadır. Bu nedenle, türlerin yangına dayanıklılığı farklılaşabilir. Gelecek araştırmaların planlanmasında bu faktörün göz önünde bulundurulması faydalı olacaktır. Daha ileriki araştırmalarda FPI modeline farklı iklim kuşaklarındaki bölgelere özel uyarlamalar, yangın riskini daha doğru gösterme becerisini arttırabilir.Yürütülen bu tez çalışmasının, Türkiye genelini inceleyerek, operasyonel yangın potansiyeli değerlendirmesi yapan bilinen ilk çalışma olması açısından önem taşıdığı düşünülmektedir. Daha önceki çalışmalarda yangın riskinin yüksek olduğu Antalya ve Muğla gibi illerin incelenmesine ek olarak, bu araştırmada tüm Türkiye'nin incelenmiş olması sebebiyle çalışmadan elde edilen bilgilerin Türkiye orman koruma ve yangınla mücadele konusunda yol gösterici olabileceğine inanılmaktadır.Özetle, FPI bitki durumundan yola çıkarak yangına oluşma ihtimalini başarıyla ortaya koymaktadır. FPI, insan aktiviteleri, ek meteorolojik parametreler (rüzgar, stabilite vb.) ile birlikte değerlendirilirse yangın riskini ortaya koymada çok önemli bir araç olacaktır.

Forests are communes of large scale ecological units where many types of vegetation classes, fungi, microorganisms, animals, zooids, and soil live interactively. They cover vast territories and able to modify climatic conditions of their habitat. They serve many products and functions, some of which are utilized without effort. Prominent functions of forest are forestry products, hydrological, climatic, erosion control, medicine, recreational and scientific. Serving such benefits caused them to be an attraction for human population and finally lead to deforestation. It is estimated that national boundaries of Turkey had lost two third of forest assets since the end of ice age. Deforestation has many causes, but one of the most important one is forest fires. Climate change contributes to the increasing pressure over forested areas in many parts of the world and Turkey. Mediterranean countries are specifically more vulnerable to the increased chance of flammability in the forests.Turkey tries to protect its woodlands in those circumstances. Enhanced firefighting methods and strategies caused a decrease in the burnt areas per year despite the fact that annual number of fire occurrences are increasing. Forested fields and vegetation mass has an increasing trend in the last century. This is partially a result of a decrease in the demand for wood as raw material, heat, and energy source. Wildfires are a natural part ecological cycle and have a crucial role in the sustainability of forests. Primary functions of forest fires are dissolving organic biomass, maintain and preserve biodiversity, removing inorganic materials. Besides naturel role of forest fires in ecology, they also have detrimental effects. Those negative consequences might be listed as medical problems, increased carbon dioxide release into atmosphere, loss of habitat, increased vulnerability to erosion, and even fatalities. Due to serious consequences of wildfires they need to be investigated in order to better understand their dynamics, further effects, and avoided.Forest firefighting requires vast resources, and information. Due to severity of forest fires and difficulty of extinguishing efforts, a disaster management approach has to be applied which requires not only response strategies but also mitigation, adaptation, and preparedness. Early warning systems should be established indicating flammability in forested regions. Combustion occurs in the availability heat, oxygen, and fuel. Forest have a prevailing function of photosynthesis activity which turns carbon dioxide (CO2) and water (H2O) into cellulose (C6H10O5). That substance is known as cellulose. In the presence of favorable conditions, stored energy in the bounds of cellulose reveals rapidly in the form of forest fires. Ignition might start due to natural or anthropogenic factors. Most frequent natural cause of ignition is lightning whereas anthropogenic factors vary like intent, accidents, and negligence. Role of accidents is the most dominant factor igniting forests whereas natural causes play a smaller role in fire initiation. Ignition sources might vary regionally. Fuel characteristics are determined by type, age, layering, and season. Atmospheric conditions play a significant role presenting favorable conditions for fire. High temperatures, rainfall deficit, horizontal and upward velocity of air parcels contribute fire risk significantly. As causes and favorable conditions for fire events are well understood, scientists had many attempts to mimic fire potential. Hydrological circumstances, recent condition of atmospheric state, drought status, meteorological gauge readings, remote sensing data are used to estimate fire danger. Parameters chosen to signal fire potential might vary due to availability of data, regions specific dominancy of factors, and computation capability. Whichever method is selected for a fire potential index, it is expected to be easy to compute but still be able to produce reliable results. Fire Potential Index was chosen to estimate fire danger in Turkey in the present study. This method utilizes remote sensing data to determine vegetation status, atmospheric variables of temperature and relative humidity to indicate fuel moisture content, and land use data to distinguish between vegetation classes which have varying fuel characteristics like live/dead fuel loads and more importantly distinctive extinction moisture levels. Parameters of greenness level, water abundance of materials, and vegetation classes were together evaluated to signal likelihood of fire occurrence in a specific location. Daily fire potential mappings had been produced in order to investigate skill of index. General Directorate of Turkey supplied recordings of fire events in 2016. Model used in the current study was able to successfully simulate monthly deviation of fire risk. Correlation between monthly areal average of FPI score and number of forest fire occurrences was calculated. Findings revealed that FPI scores and number of fires were strongly correlated, r = 0.93, p < .01. Rapid changes of FPI scores in consecutive days were in a good agreement with changes in fire occurrences. Fire events were coupled with relevant FPI scores and it is found that FPI was unable to indicate some of the fire events. Specifically, coastal regions experienced lots of fire events when moderate or low fire risk was indicated. Whereas in some cases, inland regions were free of fire events when extreme risk level was indicated. Coastal domains have high population density; therefore more likelihood of ignition is present compared to areas with sparse population. FPI could seriously benefit from consideration of inputs to evaluate ignition chances. Coastal and inland regions are also in different climatic regions which leads modifications in vegetation. Therefore, fire vulnerability of species should be further investigated. Ecoregion specific adaptations to the FPI model would increase the chance of indicating fire risk more accurately.