Estudio de la estructura y funcionamiento de dos índices de peligro meteorológico de incendios forestales. Aplicación a tres zonas climáticas de España peninsular

Resumen

El estudio de la estructura, funcionamiento y bondad de dos índices de peligro meteorológico de incendios forestales: uno de uso Nacional "Índice de Peligro de Incendios Forestales (IPIF)" y el otro de uso Internacional "Índice Meteorológico de Incendios Forestales canadiense (FWI)" ha sido realizado sobre un área de estudio que abarca una superficie de 25.079,50 km2 de la zona Atlántica; 8.015,15 km2 de la zona Continental y 16.592,82 km2 de la zona Mediterránea de la España peninsular.

El objetivo del estudio ha sido analizar la estructura y funcionamiento de los índices IPIF y FWI desde el punto de vista de su uso como elemento de toma de decisiones en la gestión preventiva de los incendios forestales. La metodología utilizada y desarrollada en el análisis puede ser también aplicada a la comparación de la bondad de otros índices prefijados, facilitando el avance hacia la gestión rentable y sostenible del los índices meteorológicos de incendios forestales en España.

La caracterización de la estructura de los índices IPIF y FWI se llevó acabo por medio de información primaria y secundaria recopilada respectivamente en el Área de Defensa contra Incendios Forestales de la DGCN, el Servicio Forestal de Canadá, así como mediante correspondencia con investigadores del índice FWI en Francia, Italia y Portugal.

Para el análisis del funcionamiento del Índice de Peligro de Ignición "IPIG" (parte del IPIF) y FWI, se han utilizado un conjunto de técnicas estadísticas sobre una muestra de 11.035 puntos correspondientes a la época de primavera y verano-ótoño. Se adoptó para ello una escala homogeneizada lo que hizo posible comparar la variabilidad a nivel diario, para cada índice, tanto del número de incendios (30.740 incendios, como tamaño de muestra) como del área afectada (195 .141,5 8 ha, como tamaño de muestra). Se han utilizado, además de los parámetros estadísticos descriptivos de centralización y dispersión, contrastes de hipótesis basados en pruebas paramétricas así como pruebas no paramétricos (Coeficiente de C01Telación de Rangos de Spearman y Contraste de Kruskall Wallis) y análisis de regresión lineal.

El índice IPIF se obtiene a partir de los elementos meteorológicos: temperatura, humedad relativa, velocidad del viento y el carácter terral o no del viento. En el caso del índice FWI, su cálculo requiere valores diarios (12:00 horas UTC) de temperatura, humedad relativa, velocidad del viento y precipitación de las últimas 24 horas, así como los valores acumulados de los días previos. La no consideración de la precipitación y los valores acumulados de los días previos, y la clasificación de la velocidad y carácter de viento limitan los valores obtenidos con el índice IPIF.

Los componentes estructurales del índice IPIF son: el índice IPIG y el Índice de Alarma (IA); mientras la estructura del índice FWI considera: el subíndice del contenido de humedad en los combustibles ligeros muertos (FFMC), el subíndice contenido de humedad en la hojarasca (DMC), el subíndice de sequía (DC), el subíndice de propagación inicial (ISI), el subíndice de combustible disponible (BUI) y el Índice Meteorológico de Incendios Forestales "FWI". De esta relación se deduce que el índice IPIF sólo considera algunos aspectos del peligro de incendios, y en concreto no incluye un módulo del comportamiento de los incendios.

El estudio previo de frecuencias sobre las poblaciones de valores de los índices IPIG (valores discretos que varía de 10 en 10, y entre, 10 y 100) y FWI (valores continuos entre O y 91,59), ha indicado que la población de valores diarios del índice IPIG se distribuye según una función en forma de campana en todas las provincias consideradas en la primavera y el verano-otoño, observando los valores más altos de las frecuencias en las categorías de peligro moderada y alta. En cambio, la población de valores diarios del índice del índice FWI se ajusta a una función exponencial negativa en todas las provincias estudiadas en la primavera, y en el verano-otoño, en la zona Atlántica, mostrando que los valores más altos de las frecuencias en la categoría de peligro baja. Tiene una razonable alta frecuencia en las categorías de peligro moderada y alta en el verano-otoño en la zona Continental y una adecuada frecuencia en las categorías muy altas y extremas en las provincias Mediterráneas para esta misma estación. Las características de la distribución frecuencial sobre las distintas categorías de peligro obtenidas con el índice FWI y su razonable ajuste a las características climáticas de cada zona avalan las posibilidades de su aplicación en el área estudiada.

El análisis comparativo entre los valores de los índices IPIG y FWI y el hecho de que un día concreto se produzca o no algún incendio han indicado una ligera destreza para clasificar esta variable "ocurrencia de algún incendios", sobre todo en los intervalos superiores a 50 en la primavera, verano-otoño y en el área estudiada.

La comparación de los valores de los índices IPIG y FWI con la variable "número de incendios diarios", realizado a través de modelos de regresión lineal, ha indicado que los modelos de regresión construidos para el índice FWI permiten explicar el 69,90% de la varianza cuando se considera el valor medio diario del número de incendios en los días incluidos en cada categoría de peligro, en el conjunto de provincias en la primavera; valor que asciende hasta el 82,83% en el verano-otoño. Con los modelos construidos para el índice IPIG se explican valores inferiores de variabilidad, en el conjunto de provincias, en la primavera y el verano-otoño.

El análisis comparativo de los valores de los índices IPIG y FWI con la variable "área diaria afectada" ha indicado una fuerte dependencia no-lineal. Por ello, y para evaluar adecuadamente la bondad de ambos índices como indicadores del área que se puede ver afectada por los incendios en un día concreto, se ha ideado un método que considera los días en que los índices IPIG y FWI alcanzan valores extremos fijando un determinado valor del percentil de la distribución y utilizando como estimador de la bondad del índice para clasificar los días de máximo peligro, el área afectada en los días citados. Los resultados obtenidos con este método han indicado que el índice FWI es notablemente bueno para indicar la propagación media de los incendios forestales en el verano-otoño y bueno en la primavera si se le compara con el índice IPIG en las provincias estudiadas.

El contraste directo entre los "valores de los índices y el número de incendios diarios" y "valores de los índices y el área afectada diaria" de primavera, de veranootoño y para todos los días de la muestra de estudio, realizado con el estadístico Rangos del Coeficiente de Correlación de Spearman, han indicado una asociación media sobre el área de estudio en torno a 0,5 para ambos índices, aunque el índice FWI ha mostrado un mayor nivel de asociación en las provincias de La Coruña y Lugo, principalmente.

Se ha demostrado finalmente mediante técnicas estadísticas que las subpoblaciones de valores diarios de los índices IPIG y FWI clasificados según tres distintos niveles del número de incendios acaecidos y según cuatro distintos del área afectada, son significativamente distintos, no siendo esta diferencia tanto del azar, ello para todas las épocas y provincias estudiadas. La únicas excepción es el caso de la localidad de Ávila-P.Hita en primavera, para el índice IPIG y la variable número diario de incendios.

ABSTRACT

The structure, adequacy , and goodness of two forest fire weather indexes, one of them running at national scale (IPIF) and the other one intemationally used (Fire Weather Index-FWI), have been carried out over a study area that includes a total of 25.079,5 Km2 in the Spanish Atlantic region, 8.015, 15 Km2 in the continental part and 16.592,82 km2 in the Spanish Mediterranean region.

The goal of the study was to make an analysis of the structure and functioning of the abovementioned indexes from the point of view of their use as decision-making tool for forest fire prevention management purposes. The methodology developed and utilised in this analysis may be also applied for comparing the goodness of other predefined indexes. The results of this research activity constitutes a step forward oriented to achieve a more profitable and sustainable use of forest fire weather indexes in Spain.

The characterisation of the structure of both indexes was undertaken making use of the primary and secondary information collected from the Area of Forest Fire Defence of the Spanish General Directorate of Nature Conservation and from the Canadian Forestry Service . Sorne information was also received by mail from different researchers who have dealt with these indexes in France, Italy and Portugal.

For the analysis of the functioning of the Index Danger of Ignition "IPIG" and FWI indexes, a set of different statistical techniques have been used over a testing sample that includes a total of 11035 cases belonging to spring and summer-autumn seasons. A common normalised scale was adopted for both indexes, allowing the comparison of the variability at daily scale of forest fire occurrence (testing sample including 30740 fires) and bumed area (testing sample including 195141,6 Ha). Several test of hypothesis based in parametric as well as in non-parametric techniques (Spearman Rank Correlation Coefficient and Kruskal-Wallis Test), and linear regression analysis have been applied to the sample data besides of the classic descriptive parameters for centralisation and spreading.

To obtain the IPIF index the following meteorological parameters were used as inputs: air temperature; relative humidity, wind speed and direction (in order to determine the occurrence of drying effects ). In the case of the FWI index, bis computation requires daily values at 12 UTC of air temperature, relative humidity, wind speed and 24-h accumulated precipitation, as well as sorne cumulative values from previous days. In the case of the IPIG index, the potential range of index values is shortened due the procedure established for classify the velocity and type of wind and the no consideration of the precipitation and cumulative values from previous days for the assessment of the index value.

The structural components of IPIF index comprises the IPIG index and the Alarm Index (IA), while the structure of the FWI index include the following: the Fine Fuel Moisture Code (FFMC), the Initial Spread Index (ISI), the Buildup Index (BUI) and the Fire Weather Index "FWI". The results indicate that the index IPIF only takes into account sorne of the different aspects of forest fire danger rating, non including in particular the structure of fire behaviour.

The previous frequencial analysis carried out over the study sample of IPIG index values (discrete values which varíes from 10 to 10, ranking between 10 and 100) and FWI index values (continuous values ranking between O and 91,59) have established that the population of IPIG daily values fits to a normal gaussian function in all the considered provinces in spring and summer-autumn, being observed the highest values of the absolute frequency in the moderate and high danger categories. By the contrary, the FWI index values population fits to a negative exponential function in all the provinces in spring, and in the Atlantic zone in the sumrner-autumn period, showing the most frequent values in the low danger category. It shows a reasonable frequency of cases in the moderate and high danger categories in the Continental zone, and an adequate values of the absolute frequency in the very high and extreme danger category in the Mediterranean zone. The characteristics of the frequency distribution trough the different danger categories obtained making use of FWI index and the reasonable fitting to the climate characteristics of each zone vouch the possibility of its application in the study area.

The results of the comparative analysis carried out amongst the IPIG and FWI values and the occurrence or non-occurrence of al least one forest fire in a determined day, have shown an only slight skill for classified this variable (at least one day with fire), over all in the higher danger classes (index values greater than 50) both in spring and summer-autumn seasons in the study area.

The comparison between the FWI and IPIG values with the daily number of fires was made trough a linear regression model. The results of applying this approach in the case of FWI allows us to explaining the 69,90 % of total variance for the variable " daily mean value of tires" for those days included in each danger category, for the whole set of provinces in spring; the total variance explained by the linear regression model reaches up to 82,83% in the summer autumn season.

On the other hand, the results of the comparative analysis of the FWI and IPIG values with the daily bumed area indicate the existence of a strong non-linear dependence between these variables. Because of that and for a better assessment of the goodness of both methods as indicators of the amount of area that could potentially be affected by tires in an specitic day, It has been developed a method that considers those days with show the most extreme index values, setting a determined percentile of the index value distribution and utilising the total percentage burned area affected by tires in these specitic days like an estimator of the goodness of index to discriminate the most dangerous days. The results obtained with this method indicate that the FWI index is remarkable good for expressing the forest tire propagation conditions in sumrnerautumn seasons, and also good in spring when a comparison with index IPG is carried out over the set of provinces considered in the study.

A direct contrast between the daily values of the indexes and the daily number of tires and daily bumed area for both spring and sumrner -autumn seasons over the whole study sample has been carried out, making use of the Spearman Rank Correlation Coefficient approach to do this. From this study, a mean value of the association coefficient of around 0,5 has been obtained for both indexes, although in the case of the FWI index, a better degree of association amongst the abovementioned variables has been reached mainly in the provinces of La Coruña and Lugo.

Finally, it has been demonstrated through statistical techniques that the sub populations of daily index values for both FWI and IPIG, grouped in three different classes depending on the daily number of tires and in four different classes depending on the daily burned area values, are signiticantly different, in all provinces and for the study period. The only exception to this rule is the case of Ávila-Piedra Hita location in spring in the case of the variables: index IPIG and number of daily tires.