The emissions of greenhouse gases from forest fires in the Mediterranean Region

Abstract

Forest fires occur regularly in the Mediterranean Basin affecting several hundred thousands hectares every year. Most of fires, about 90% of the total, are human-induced. A relevant effect of this burning activity is the emission of greenhouse gases which has been recognised as an important issue by the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) and the Kyoto Protocol. Although it is crucial to have reliable information about the fire emissions, current estimates are still affected by high uncertainties mostly due to the inaccuracy of the data used in the analysis. The major contribution to the level of uncertainty is given by the information about the burned biomass. Therefore in this study a recent method for the estimation of the burned biomass is applied by using satellite remote sensing. The original approach has been developed in the tropical region and is based on the radiant energy emitted during the burning of vegetation (Fire Radiative Power, FRP). It has been shown that the FRP is linearly related to the amount of burned biomass. This research activity provides for the first time provides an assessment of the FRP in the forest fires of a Mediterranean ecosystem. The original method is therefore implemented to become applicable in this specific environment. The analysis has been carried out on three case studies by using the satellite imagery from the SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager) geostationary sensor on board the Meteosat Second Generation platform. A fire detection algorithm has been developed by applying a multispectral approach which uses the mid (3-5 μm) and thermal (10-12 μm) infrared bands. The identification of actve fires is essential for the application of the FRP method. The emitted energy is derived for each active fire during its whole duration so that the total radiant energy emitted is quantified (Fire Radiative Energy, FRE). The amount of burned biomass is estimated from the FRE by using the relation derived from previous studies carried out in the tropical area. It is assumed that the equation is also valid for the Mediterranean ecosystems since it is independent of the vegetation type. In addition to the satellite analysis the assessment has been integrated with field data collected from the study sites. The information from the field has been used to evaluate the accuracy of the estimates of burned biomass derived from the FRE. The results showed the feasibility of using the SEVIRI sensor for fire monitoring despite its low spatial resolution. The comparison of the FRE estimates with those derived from the field showed good agreement. Differences vary between 36% and 3% indicating a lower uncertainty when compared to that of the current methods used to estimate burned biomass. This result demonstrates that the FRP approach is applicable in the Mediterranean region and thus providing significant improvements in the estimates of fire emissions in its ecosystems. The GHG emissions have been quantified by using the burned biomass estimates derived from the FRE and from the field data. Their amounts can influence substantially the effects of air pollution on human health at local scale and can also contribute to climate change on a broader scale.

Nel bacino del Mediterraneo centinaia di migliaia di ettari vengono bruciati ogni anno con cause diverse, ma nel 90% dei casi come conseguenza dell’azione dell’uomo. Tra gli effetti del fuoco le emissioni gassose rivestono un ruolo fondamentale come già riconosciuto dalla Convenzione sui Cambiamenti Climatici (UNFCCC) e dal Protocollo di Kyoto. Pertanto è diventato fondamentale poter quantificare in modo accurato le emissioni di gas serra rilasciate negli incendi boschivi. Tuttavia le attuali stime sulle emissioni presentano un’ampia incertezza dovuta principalmente alla scarsa accuratezza dei dati impiegati nell’analisi. La variabile che apporta il maggior contributo di incertezza alle stime sulle emissioni è la biomassa vegetale bruciata. Pertanto in questo lavoro di ricerca si propone l’applicazione di un metodo di recente sviluppo per derivare le informazioni sulla biomassa bruciata utilizzando il telerilevamento satellitare. Il metodo originale è stato sviluppato in ambiente tropicale e si basa sulla misura dell’energia radiante emessa durante l’incendio (Fire Radiative Power, FRP), poiché è stato dimostrato che questa energia è legata in modo lineare alla quantità di biomassa bruciata. L’attività di ricerca qui presentata studia per la prima volta l’FRP in incendi boschivi dell’ecosistema mediterraneo e pertanto la metodologia originaria è stata implementata per renderla applicabile a questo specifico ambiente. L’analisi è stata svolta su tre casi studio utilizzando le immagini acquisite dal sensore geostazionario SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infra-Red Imager) a bordo del satellite Meteosat Second Generation. Prima di tutto è stato sviluppato un algoritmo per il riconoscimento degli incendi attivi utilizzando diverse bande spettrali tra cui l’infrarosso medio (3-5 μm) e termico (10-12 μm). L’identificazione degli incendi attivi è essenziale ai fini dell’applicazione della metodologia FRP. L’energia emessa è derivata su ciascun incendio attivo e per l’intera durata dell’incendio. In questo modo l’energia radiante emessa complessivamente (Fire Radiative Energy, FRE) viene determinata. La quantità di biomassa combusta viene stimata a partire dall’FRE utilizzando una relazione derivata da precedenti lavori svolti in area tropicale. L’equazione per la conversione dell’FRE in biomassa bruciata è considerata valida anche per la vegetazione mediterranea in quanto la relazione risulta essere indipendente dal tipo di vegetazione considerata. Oltre all’analisi satellitare sono anche state svolte delle campagne di misure a terra finalizzate alla raccolta di dati sulla biomassa bruciata nei casi studio analizzati. Questi dati sono stati impiegati per valutare l’accuratezza delle stime di biomassa bruciata derivate dall’FRE. I risultati dello studio dimostrano la funzionalità del sensore SEVIRI ai fini del monitoraggio degli incendi boschivi, pur avendo una bassa risoluzione spaziale. Nel confronto tra le stime della biomassa bruciata derivata dall’energia emessa (FRE) con quelle ottenute dai rilievi di campo si osserva un buon accordo: le differenze variano tra il 36% ed il 3%. Tali differenze indicano un livello di incertezza di molto inferiore a quello che attualmente caratterizza le stime di biomassa bruciata e dimostrano come il metodo FRP sia applicabile all’ambiente mediterraneo e come questo approccio possa significativamente migliorare le attuali stime delle emissioni rilasciate dagli incendi boschivi. Le emissioni di gas serra sono state quantificate a partire dai valori di biomassa bruciata derivati dall’FRE e dai dati di campo. Le quantità emesse risultano significative sia per gli effetti che hanno sull’inquinamento atmosferico, e quindi sulla salute delle persone, sia per il contributo che possono apportare ai cambiamenti climatici.