El aumento en la frecuencia e intensidad de los incendios forestales requiere la implementación de herramientas que permitan contar con pronósticos precisos y expeditos de la trayectoria y dispersión del humo asociado a estos eventos. En este contexto, presentamos una aplicación web desarrollada con este propósito, a partir de un módulo lagrangiano y empleando datos de viento del pronóstico generado por el modelo WRF-UNAM. 

El sistema de pronóstico de trayectoria del humo de incendios es interactivo. El usuario ingresa las coordenadas aproximadas del foco del incendio y la hora de inicio de la simulación y obtendrá un mapa presentando la trayectoria que seguirá la pluma de humo a lo largo de las siguientes horas, hasta 72, a diferentes alturas sobre la superficie. Las salidas del pronóstico de la trayectoria y concentración de humo (representado por la densidad de partículas) se despliegan en mapas interactivos, accesibles desde un navegador web y a través de una interfaz simple y amigable, aprovechando la modelación numérica para el pronóstico meteorológico, de alta resolución, con que cuenta el Instituto de Ciencias de la Atmósfera y Cambio Climático de la UNAM. Esta flexibilidad facilita a los usuarios y autoridades la elaboración de escenarios para la mitigación de desastres.

Entre los beneficios de este tipo de herramientas está aportar información oportuna para apoyar la respuesta a emergencias, apoyo al pronóstico de la calidad del aire, brindar información para el sector transporte y para el público en general, entre otros.

Objetivo

Desarrollar un simulador de las trayectorias del humo de incendios forestales para determinar sitios que puedan verse afectados por sus emisiones.

Fuentes de datos externas

Se optó por integrar fuentes de datos externas que permitan contar con información que ayude a los usuarios a identificar regiones en las que pueda existir riesgo de ignición o posibles incendios activos. Para este fin, se incorporaron las bases de datos de detección de puntos de calor que generan el Laboratorio Nacional de Observación de la Tierra (LANOT) y la NASA, mediante la implementación de scripts independientes que descargan de forma rutinaria los datos más recientes publicados. No obstante, estos datos no se publican todo el año, solamente en las temporadas que se catalogan como de alto riesgo de incendios.

Integración del servidor web e interfaz de usuario

El servidor web para la aplicación está desarrollado en Python, utilizando Flask como servidor web, Gunicorn como despachador de tareas y redis como cache en servidor, lo cual permite el despliegue de “Workers” o procesos independientes que manejan las peticiones del usuario bajo demanda de forma independiente. Los resultados son almacenados en el servidor, favoreciendo cambiar entre los tipos de representación y la interacción con los datos en forma de tablas. El diseño de interfaz web y el despliegue de mapas interactivos fue desarrollado utilizando Plotly Dash, un framework enfocado en la creación de aplicaciones web interactivas a partir de código desarrollado en Python y haciendo la adaptación a javascript. Al integrar Plotly.js se abre una muy amplia variedad de opciones de graficación y también soporte para el uso de servicios de mapas como OpenStreetMaps.

La base de datos en redis se almacena dentro de la memoria RAM del servidor, la cual tiene un límite estipulado por el administrador del sistema, lo que impide que ésta se sature, ya que una vez alcanzado dicho límite, automáticamente se van eliminando las entradas más viejas. Además, se hace más eficiente el uso de los recursos disponibles al no ser necesario volver a correr todo el modelo cada vez que se quiera cambiar el tipo de visualización. Cada vez que se establece una conexión nueva a la aplicación, ya sea desde una ubicación distinta o en pestañas o ventanas nuevas de navegación, se le asigna al usuario un ID único el cual funge como la llave a la que se le asocian los resultados almacenados dentro de la base de datos.

La interfaz web consta de un mapa interactivo sobre el que inicialmente se muestran las ubicaciones de los puntos de calor detectados por los algoritmos desarrollados por la NASA (FIRMS) y por LANOT. Estos se encuentran ligados a algunos de los campos de entrada del modelo y, una vez ejecutado el modelo, son sustituidos por los mapas interactivos generados por el modelo numérico, en los que se despliegan las posiciones y trayectorias de las partículas.

Los campos del modelo sobre los que el usuario tiene control para generar simulaciones, son los siguientes:

• Latitud del punto de origen del incendio.
• Longitud del punto de origen del incendio.
• Fecha de inicio de la simulación.
• Hora de inicio de la simulación (hora UTC o Tiempo Universal Coordinado).
• Altura sobre el terreno a la que se simulará el desplazamiento de las partículas de humo. Se pueden simular varias capas de forma simultánea.
• El grado de difusión turbulenta que afecta a las partículas a cada paso de tiempo.

Estos datos son recopilados por la página y son las variables de entrada de una serie de callbacks que se encargan de configurar la simulación, seleccionar la salida del modelo y niveles del WRF-UNAM adecuados para la simulación, ejecutar el modelo y regresar los resultados en forma de un mapa al usuario; además, los resultados se almacenan temporalmente en el servidor para permitir realizar otros análisis.

Adicionalmente a la capacidad para generar simulaciones, se le agregaron una serie de funciones a la plataforma que permiten dotar al sistema con más información que sea de utilidad para el usuario. En primer lugar, se habilitó la opción de visualización de la posición de los puntos de calor sobre el mapa inicial que se muestra al acceder a la plataforma, y los parámetros relevantes están ligados a los controles básicos de la simulación, con la finalidad e facilitar la interacción del usuario con la aplicación.

En segundo lugar, se agregó la capacidad de trazar las trayectorias individuales que siguieron las partículas a lo largo del tiempo simulado, con la finalidad de brindar un mejor contexto del comportamiento que presenta el humo. Se hicieron pruebas con el trazado simultáneo de las trayectorias de todas las partículas liberadas durante la simulación, pero existen limitaciones de hardware y software que impiden que sea viable para la mayoría de los usuarios.

Finalmente, con los datos obtenidos de la simulación, se analiza la posición en el tiempo de todas las partículas para construir una tabla en la que se presentan los estados que serán afectados, las horas a las que las partículas de humo alcanzarán dichos territorios y el porcentaje de partículas que se ubican en dichas locaciones.

Interfaz del usuario

La interfaz del usuario de la versión 2.0 de la aplicación Tezcatlipoca-UNAM cuenta, a grandes rasgos, de tres bloques. El primero es la barra superior en la que, en la parte derecha, se puede seleccionar el tipo de visualización que se desee desplegar: Partículas y trayectorias o Heatmap (mapa de calor); el segundo es el menú de la izquierda, que contiene los controles necesarios para configurar la simulación numérica, y el tercero es el área de presentación de resultados la cual consta de 2 opciones, “Mapas” y “Tablas”, las cuales son empleadas para desplegar los puntos de calor detectados inicialmente por la NASA y el LANOT y que al hacer clic sobre ellos se encargan de llenar la mayor parte de los campos necesarios para la simulación, y una vez ejecutado el modelo desplegar los resultados.

La aplicación cuenta con algunos mecanismos de verificación de variables que aseguran que el usuario solamente sea capaz de ingresar configuraciones válidas al ejecutar el simulador. Los rangos, formatos y opciones válidas para el usuario se enuncian a continuación:

• Latitud. Dentro del rango (14.4°N, 32.8°N) y debe introducirse en formato decimal.
• Longitud. Dentro del rango (-188°W, -86°W) y debe introducirse en formato decimal.

• Fecha de inicio. Esta variable consta de un menú interactivo que se actualiza automáticamente cada vez que se accede o se actualiza la página, mostrando por defecto la fecha del día que se visita la página, que típicamente corresponde al pronóstico más reciente realizado por el grupo IOA de la UNAM. Para tiempos pasados se cuenta con soporte para hacer simulaciones desde el 01/03/2021.

• Hora de Inicio. Puede utilizarse cualquier hora de inicio comprendida entre las 00:00 y las 23:59, utilizando formato de 24 horas y tomando en cuenta que la hora está referida al horario UTC, de modo que es necesario hacer la conversión de la hora local a hora UTC.

• Altura del humo. Las alturas sobre las que pueden correrse las simulaciones son 10, 50, 100, 150, 200, 250 y 500 metros sobre la elevación del terreno, y pueden modelarse múltiples capas de forma simultánea.

• Difusividad. Es un parámetro que determina el grado de dispersión de las partículas debido al efecto de turbulencia del viento, y puede tener valores entre 0.01 y 1.

Puedes consultar el informe completo en el siguiente enlace: PDF