Forests provide important goods and services to humans, but these ecosystems will undergo strong changes regarding their importance and thus need to be studied with respect to ecosystem processes and the interactions between their biotic and abiotic components. Forest fires are an important disturbance agent in many forested landscapes today, and anthropogenic climate change is likely to increase their importance because of warmer conditions and shifts in precipitation patterns. Forest fires are characterised by three main processes: frequency of fire ignitions, rate of fire spread and thus fire size, and fire effects depending on severity. Many factors affect these processes, such as weather and climate, vegetation, land use, topography, and human activities. Thus it is not surprising that the relationships between climatic changes, forest dynamics, and forest fire regimes are not fully understood.
Thus, the overall aim of this thesis is to better understand the fire regimes of the past decades in two regions of the southern Swiss Alps by modelling and assessing the relevant processes, factors, and relationships.
The first part of this thesis considers lightning and human-induced forest fires separately and aims to evaluate the relative importance of weather conditions, forest composition and human activities for the occurrence of forest fire ignitions in the most fire-prone region of Switzerland, the Ticino. The independent variables include 14 drought and fire weather indices representing weather conditions, forest composition as a measure of fuel characteristics and distance to infrastructure as a proxy for the intensity of human influences. These independent variables are related to daily records of forest fires over a 37-year study period (1969-2005) using logistic regression models. The results show large differences in the importance of environmental and human controls on forest fire ignitions between lightning and human-induced events: lightning-induced forest fires occur in a small range of weather conditions and without an appreciable influence of human activities, whereas human-induced fires occur in a broader range of weather conditions, where the proportion of deciduous forest stands is high, and they strongly correlate with distance to human infrastructure. Thus, the suitability of drought and fire weather indices varies dramatically with ignition source, which is an important factor in addition to known environmental and human controls of forest fire occurrence.
As fire models are often developed to be used outside the specific area or climatic conditions for which they have been calibrated, e.g. under scenarios of future climate, their general validity is investigated in the second part. The focus is on logistic forest fire ignition models for Ticino and Valais, two regions in southern Switzerland that feature distinct climatic conditions. Using high-resolution data, two subsequent 16-year periods from 1974-2005 are evaluated. Models containing the Angstroem Index for human-induced forest fires and the Keetch and Byram Drought Index or the LandClim Drought Index for lightning-induced forest fires are reasonably transferable in time within a given study region. In contrast, transfer in space between study regions is not possible. Thus, the transferability of forest fire ignition models is strongly limited and should be evaluated before using such models in research and in practice to assess e.g. the impacts of global change on forests and forest fires.
In the third part, the landscape model LandClim is further developed by incorporating the results from the first two parts of this thesis in its fire module. The improvements include several modifications and extensions: calculation of daily drought index values; incorporation of the Angstroem index; modification of the exponential function that converts drought index values into fire probabilities to a sigmoidal translation function; and the introduction of minimum and maximum fire probabilities. With these improvements, the LandClim model is tested and evaluated in two sub-regions, the Leventina in Ticino and the south central Valais, for the period 1970 to 2000, showing a good match between observed and simulated numbers of forest fires and fire size distributions. The model improvements result in appreciably better model performance. Thus, the landscape model LandClim is a good candidate for further model tests (e.g. in other biogeographical regions) and, eventually, for studying the implications of climate change on forest fire occurrence in mountain forests.
Zusammenfassung 3
Zusammenfassung
Wälder erbringen für die Menschen wichtige Leistungen, doch diese Ökosysteme sind starken Veränderungen hinsichtlich ihrer Bedeutung unterworfen. Deshalb ist es wichtig, Wälder im Bezug auf Ökosystemprozesse und auf Wechselwirkungen zwischen der belebten und der unbelebten Natur zu untersuchen. Bereits heute sind Waldbrände in vielen bewaldeten Gebieten ein wichtiger Störfaktor, und es kann erwartet werden, dass ihre Bedeutung durch die vom Menschen verursachte Klimaveränderung noch ansteigen wird. Dies kann mit erhöhten Temperaturen und Verschiebungen in den Niederschlags mustern erklärt werden. Wäldbrände werden im Allgemeinen durch drei Prozesse beschrieben: die Häufigkeit der Feuerauslösung, die Feuerausbreitung – also die Grössen der Brände – und die Feuerauswirkung, die von der Intensität abhängig sind. Eine ganze Reihe von Faktoren, wie Wetter und Klima, Vegetation, Landnutzung, Topographie sowie die vielfältigen Aktivitäten von Menschen, beeinflusst diese Prozesse. Daher erstaunt es nicht, dass das Wissen über die Zusammenhänge zwischen Klimaveränderung, Waldentwicklung und Waldbränden unvollständig ist.
Das Hauptziel dieser Doktorarbeit besteht darin, Waldbrände in zwei Regionen der Schweizer Südalpen – in den Kantonen Wallis und Tessin – besser zu verstehen, indem die relevanten Prozesse, Einflussfaktoren und Zusammenhänge während den letzten Jahrzehnten untersucht und modelliert werden.
Im ersten Teil der Arbeit werden Blitzschlagbrände und von Menschen ausgelöste Waldbrände getrennt betrachtet. Dabei werden im Kanton Tessin – in der am meisten von Waldbränden betroffenen Region der Schweiz – Faktoren untersucht, die für das Auftreten von Waldbränden verantwortlich sind: das Wetter, die Waldzusammensetzung und die menschlichen Aktivitäten. Als erklärende Grössen werden 14 Trockenheits und Feuer-Wetter-Indizes verwendet, welche die Witterungsbedingungen repräsentieren. Dazu kommen die Waldzusammensetzung als Mass für das Brandgut, sowie die Distanz zu menschlicher Infrastruktur als Mass für die Intensität des menschlichen Einflusses. Um die Einflüsse dieser Faktoren auf das Auftreten von Waldbränden zu untersuchen, werden für die 37 Jahre umfassende Untersuchungsperiode (1969-2005) tägliche Waldbranddaten sowie logistische Regressionsmodelle verwendet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen für die beiden Brandursachen grosse Unterschiede in der Bedeutung der verschiedenen Umweltfaktoren und der menschlichen Faktoren: Blitzschlag-brände treten unter sehr spezifischen Wetterbedingungen auf und sind nicht von menschlichen Aktivitäten abhängig; von Menschen ausgelöste Waldbrände hingegen sind nicht von bestimmten Wetterlagen abhängig, treten häufiger in Laubwäldern auf und sind stark korreliert mit menschlichen Aktivitäten. Der erste Teil dieser Arbeit zeigt, dass neben bekannten Umweltbedingungen, wie Klima, Wetter und Brandgut, auch die Brandursache mitentscheidend dafür ist, welche Trockenheits und Feuer-Wetter-Indizes besonders gut geeignet sind, um das Auftreten von Waldbränden zu beschreiben.
Die allgemeine Gültigkeit von Waldbrandmodellen wird im zweiten Teil der Arbeit untersucht. Dies ist wichtig, weil Modelle oftmals für eng begrenzte Bedingungen entwickelt werden, dann aber ausserhalb dieses Geltungsbereichs oder unter anderen klimatischen Bedingungen (z. B. für zukünftige Klimaszenarien) angewendet werden. Die allgemeine Anwendbarkeit von logistischen Regressionsmodellen für Waldbrandauslösung wird hier in den zwei klimatisch verschiedenen Kantonen Wallis und Tessin sowie in zwei aufeinander folgenden 16-Jahre-Perioden von 1974-2005 geprüft. Die verwendeten Daten sind räumlich und zeitlich hochauflösend. Für Waldbrände, die von Menschen ausgelöst wurden, sind Modelle mit dem Angstroem-Index zwischen den Perioden übertragbar. Modelle für Blitzschlagfeuer mit dem Keetch und Byram Trockenheitsindex oder dem LandClim Trockenheitsindex sind zwischen den Perioden ebenfalls übertragbar. Für beide Brandursachen ist die Übertragbarkeit der Modelle zwischen den Regionen hingegen nicht möglich. Daraus lässt sich schliessen, dass die Gültigkeit von Modellen zur Waldbrandauslösung stark eingeschränkt ist und im Einzelfall untersucht werden muss, bevor solche Modelle in der Forschung oder in der Praxis angewendet werden. Dies gilt insbesondere auch, wenn der Einfluss von Klimaveränderungen untersucht werden soll.
Im dritten Teil der Arbeit fliessen die Erkenntnisse aus den beiden vorhergehenden Teilen in die Weiterentwicklung des Waldbrandmoduls im Landschaftsmodell LandClim ein. Diese Weiterentwicklung umfasst verschiedene Anpassungen und Erweiterungen: die Werte der Trockenheitsindizes werden täglich berechnet; der Angstroem-Index wird integriert; die exponentielle Funktion, welche die Werte der Trockenheitsindizes in Feuerwahrscheinlichkeiten umrechnet, wird in eine sigmoide Funktion umgewandelt; schliesslich wird die Feuerwahrscheinlichkeit im unteren und oberen Bereich begrenzt. Das weiterentwickelte LandClim wird im südlichen Zentralwallis und in der Leventina (Tessin) getestet. Für den Zeitraum 1970-2000 zeigen die Simulationen eine gute Übereinstimmung mit der beobachteten Anzahl von Waldbränden und der beobachteten Feuer-grössenverteilung. Dank der Weiterentwicklungen erzielt LandClim dabei merkliche Verbesserungen der Modellgüte. Somit ist das Landschaftsmodell LandClim ein geeigneter Kandidat für weitere Tests (z. B. in anderen biogeographischen Regionen) und allenfalls auch um die Auswirkungen von Klimaveränderungen auf Waldbrände in Gebirgswäldern zu untersuchen.