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林火生態管理學

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作　　者╱

盧守謙

出版社別╱

五南

出版日期╱

2019/01/03 (1版 1刷)

I S B N ╱

978-957-763-218-0

書　　號╱

5T38

頁　　數╱

772

開　　數╱

16K

定　　價╱

850

1. 國內首本林火教材
林火對森林生態的影響是多元複雜的，藉由林火行為有助於了解整個森林的影響。幾十年來歐美澳林火生態學家已付出相當努力，作出大量研究工作。而本書即網羅全球文獻，以林學博士背景來詮釋原文內容，編輯出國內第一本林火完整之教科書。
2. 分類引導，輕鬆入門
本書分13章，從森林如何起火延燒之火災學理，進而於生態環境形成影響，以及如何進行相關性林火管理，最後探討未來之管理策略，如此方式來進行有序列分析，使讀者具有全新林火國際觀之專業知識。
3. 森林消防完美結合
林火為森林生態火燒行為，涉及森林領域及火燒之消防領域，作者為消防人員攻讀森林博士學位，完美結合森林及消防雙重領域。無論於森林生態及林火行為解析上，能作全面性專業深入之闡釋。
4. 30年火場經驗，消防本職博士
累積30年火場經驗，進行數十場小規模森林火燒實驗研究，對林火行為有其專業見解，能深入淺出探討不同林火現象，並彙編全球林火文獻，納入相關圖表，力求一本優質之林火學書籍。

※推薦文
推薦序

林火，是極為重要與不可或缺的一個生態系因子，嚴重的火燒固足以摧毀整個生態系，但一般的火燒卻有助於生態系的更新、養分的回歸及部分生物族群的控制。因此，從生態學或林業的專業觀點，我們通常用比較中性的「林火」或「野火」，而罕用「火災」來稱呼它。
近世紀來，人們關於林火的觀點和認知不斷在更新，在1968年英國國家地理雜誌出版了一篇標題為〈森林火災—撒旦的野餐〉之文章；內容敘述了森林大火燃燒席捲了一切，正如撒旦快樂享用他的野餐似的。過了30年以後，國家地理雜誌則出版一篇標題為〈火，為十分重要之元素，且視為一項上帝所賜禮物〉之文章。無論時空因素對火的評價如何？有件事是值得肯定地的，有或沒有人類存在，林火是自然界一個不可或缺的部分。
林火對森林的影響是多元的，尤其對於生態的影響更是複雜，而藉由了解林火行為特性，有助於了解對於整個森林生態系的影響。近幾十年來，歐美生態學家和土地管理者已非常關心，如何減輕對歷史性林火體制的影響。歐美科學家和土地管理者已付出了相當大的努力，來提高對歷史性林火體制的理解和對其所產生之變化。火燒在生態系統和林火體制動態中的作用，是驅動許多物種棲息地變化的機制。了解林火體制對於評估目前的情況和制定實現土地管理目標的戰略，是至關重要的。今日人類社會正在重新定義土地管理的目標和策略，管理林火體制已成為管理生態系統的一個主要因素，以滿足社會的願望和要求。
在臺灣，林火不僅是我們必須面對限制損害的一種緊急情況，也是我們能夠掌握的工具，實際上也是一個自然生態過程，我們需要了解如何正確使用火，並成功恢復林火生態區域。因此，林火生態管理有其專業深度與廣度，為國內大學森林學系重要生態課程之一。
本書作者盧守謙博士，是我認識的人中最勤敏好學者之一，原畢業於警察大學消防系、研究所；進入職場後，累積了極豐富的現場火災搶救經驗，2002年有次到系上拜訪我，談起臺灣雖有部分林火的研究，且大部分均著眼於生態系或林政，卻絕少從消防專業入門者，殊屬遺憾。從廿世紀80年代後，全球已走入了多元化的社會，講求學科的整合；我國教育部也從90年代中期開始推動學系的整合，這是一個極重要的趨勢，因此我極力推薦他於公餘到森林學系攻讀博士學位，為這片空白抹上幾許彩色。而他在攻讀博士學位期間所表現的一切，也確實令人深受感動與讚嘆。盧博士為栽培我國的消防人才，提前自消防崗位上退下來，轉至吳鳳大學消防系任教，累積了足夠的教學經驗。且他本人精通英、日文，為教學需要，閱讀了大量的文獻，感於坊間上專業的消防書籍不多，乃戮力於著作。藉助於豐碩的學識及經驗，在消防書籍上著作頗多，亦深受好評。前年底有次到本人的研究室聊起，有意撰寫一本林火行為的教科書，個人極表贊成。近兩年來，藉其對於林火的專業見解，並解析了大量原文資料，使本書完整結合理論面與火燒行為實務面之內涵，相信本書能使讀者對林火有完整與全面的系統式了解，對於臺灣未來在這一領域必有莫大之助益，故樂以為序！

國立中興大學森林學系前系主任呂金誠教授謹誌
2018年6月

盧守謙博士
學經歷：
吳鳳科技大學消防研究所助理教授
國立中興大學森林學系博士
中央警察大學入學榜首及第1名畢業
消防三等特考、消防設備師、消防四等特考榜首
公務人員簡任官等訓練及格
韓國中央 119 結訓
英國FSC 、美國DWF、美國TCC消防結訓認證
臺灣高等法院-火災鑑定案主持人
臺灣士林地方法院-火災鑑定案主持人
臺灣臺中地方法院-火災鑑定案主持人
臺灣彰化地方法院-火災鑑定案主持人
著作：
《火災學》（五南出版）
《防火防爆》（五南出版）
《圖解消防工程》（五南出版）
《圖解消防危險物品》（五南出版）
《圖解消防設備設置標準》（五南出版）
《消防與災害防救法規》（五南出版）
《設備師士：消防法規》（五南出版）
《三等消防警察特考試題詳解》（五南出版）
《水與化學系統消防安全設備》（五南出版）
《警報與避難系統消防安全設備》（五南出版）
《消防設備師歷屆試題精解2版》（鼎文出版）
《消防設備士歷屆試題精解2版》（鼎文出版）
《火災學完整歷屆考題精解2版》（鼎文出版）
《消防四等特考歷屆考題精解2版》（鼎文出版）
《消防法規完整歷屆考題精解2版》（鼎文出版）

推薦序
自序
第1章　森林起火
第1節　起火條件
第2節　起火步驟
第3節　起火機率
第4節　起火含水率與熄滅含水率
第5節　滅火原理
第6節　結論
第2章　森林延燒
第1節　熱傳
第2節　延燒機制
第3節　延燒原則
第4節　有焰與無焰延燒
第5節　結論
第3章　林火環境
第1節　林火氣象
第2節　地形
第3節　燃料理化性
第4節　燃料分類
第5節　燃料型
第6節　綜合討論
第7節　結論
第4章　林火行為
第1節　林火種類
第2節　特殊林火行為
第3節　林火行為參數
第4節　林火行為模式分類
第5節　歐洲林火行為模式
第6節　澳洲與美國林火行為模式
第7節　加拿大林火行為模式
第8節　綜合討論
第9節　結論
第5章　全球林火問題分析
第1節　全球性林火問題
第2節　林火原因
第3節　林火季節
第4節　林火面積
第5節　林火位置
第6節　結論
第6章　起火管理
第1節　起火與人類活動
第2節　驅動起火因素分析
第3節　林火與人口密度
第4節　起火和土地植被之間關係
第5節　燃料對起火的影響
第6節　起火預防管理
第7節　綜合討論
第8節　結論
第7章　林火阻隔技術
第1節　工程阻隔
第2節　自然阻隔
第3節　生物阻隔
第4節　林火阻隔之維護
第5節　生物化防火林帶之阻隔機制
第6節　生物化防火林帶之建置效益
第7節　結論
第8章　林火影響生態
第1節　林火歷史
第2節　林火物理參數
第3節　動植物對火燒的反應
第4節　林火生態影響
第5節　林火與全球氣候變遷
第6節　結論
第9章　林火生態與林火體制
第1節　生態理論下林火
第2節　生態原則
第3節　生態過程
第4節　依賴火與火敏感生態系統
第5節　林火體制
第6節　林火體制分類
第7節　林火類型與林火體制
第8節　林火體制時態屬性
第9節　林火體制空間屬性
第10節　林火體制屬性規模
第11節　林火體制屬性及改變
第12節　結論
第10章　林火體制與林火管理
第1節　林火體制架構
第2節　林火體制驅動因素
第3節　轉變中林火體制
第4節　林火體制地區例
第5節　管理林火
第6節　恢復火燒
第7節　林火管理策略和方法
第8節　林火管理經濟效益與偏好
第9節　林火管理研究需求
第10節　結論
第11章　林地交界面林火管理
第1節　林地交界面易致災性
第2節　交界面林火風險
第3節　交界面識別、描述和圖形化
第4節　交界面林火危險度評估
第5節　交界面易致災性評估
第6節　交界面易致災性管理政策
第7節　交界面林火管理策略
第8節　結論
第12章　氣候變遷與林火管理
第1節　變化中氣候
第2節　氣候、天氣和林火間相互作用
第3節　氣候和植被間相互作用
第4節　林火與植被間相互作用
第5節　不確定性相互作用：我們可預測未來？
第6節　綜合討論
第7節　結論
第13章　未來林火管理與生態系統
第1節　林火生態概念
第2節　改變中看法
第3節　林火改變整個生態體系
第4節　林火管理需以生態為基礎
第5節　需要社會預防適應性措施
第6節　我們從哪裡出發
第7節　改善野地林火管理策略
第8節　林火管理新要求和挑戰
第9節　林火和土地管理的未來
第10節　結論
參考文獻
林火術語（中英文）
英文索引
中文索引


鋼結構設計入門	離岸水下基礎製造及防蝕工程	防火防爆

鋼筋混凝土學	管線設計與安裝	圖解消防安全設備檢修及申報作業基準

第一章　森林起火
森林地表上有連續可用於燃燒的燃料，有利於火勢蔓延，此時所需要的只是火源；也就是有充裕的燃料量，欲發生燃燒下一個必要條件是，燃料必須被加熱到起火點。閃電和人為是林火主要的火源，此外，火山爆發時，火山噴出高熱氣／液體會點燃火源。然而，並非所有的起火都會導致林火蔓延，但林區起火必須滿足下列幾個所述條件（van Wagtendonk 2006）。
第一節　起火條件
燃燒視為一種化學過程（Combustion Chemistry），其可歸類為有焰或無焰，燃燒是一種分子的反應，空氣中的氧分子結合纖維素和木質素（Lignin）的分子，從而使固體的大部分改變到氣體中；這些氣體是不同物質的分子，其已不再是纖維素和木質素。這種物質的變化是化學的，而不是物理過程。當這些變化發生在一個快速比率，而產生熱和火焰，該過程被稱為燃燒或起火。當你看著燃燒的基本原理，就會發現化學過程中有3個基本不可或缺的因素（Gisborne 2004）。
只有三個元素來完全控制化學反應，由這些元素之組合稱為火三角；分別是熱量、氧氣與燃料（圖1-1）：
一、熱量
起火之熱量必須足夠使燃料提高至其著火點（Ignition Point）。於地球上能形成火災之熱量是以各種形式存在，物理上熱能如物體摩擦、機械能（撞擊、壓縮……）火花；化學上熱能如爐火、線香、蚊香、菸蒂等；電氣上熱能（電氣、閃電、靜電……）；太陽能、核能等。古代人類鑽木取火，其中熱量是採取鑽木摩擦方式產生熱量（可燃物是木頭、氧氣在空氣中）。森林燃料以氣態發生有焰燃燒，大塊木料於有焰燃燒後，會以固態之純碳粒或表面直接氧化形成無焰燃燒型態。因此，燃料先有足夠熱能，才能轉為蒸氣形成氣相混合物。而森林中供給燃料之熱能引起燃燒的方式有很多種，人為之蓄意或意外疏忽如煙蒂、營火、焚燒不慎等，或天然之閃電、火山爆發、隕石、滾落石頭或太陽熱能等。其中又如玻璃瓶和其碎片會使太陽光聚焦產生高熱點，導致乾燥的樹葉或草點燃。停放在草地上的汽車排氣管和摩托車的熱催化轉換器，這常為一般人所低估。從電力或鐵路線上飛來的火花，也可以點燃地表上的乾燥枯落物（WWF 2003）。
二、燃料
燃料受熱後主要裂解成原子型態，將結合氧原子迅速氧化後，足夠產生熱。燃料係指常態下能被氧化的物質，起燃時所需活化能（Activation Energy），須使可燃物分子被活化後，始能與氧氣反應。但氧化熱小的物質因不易維持活化能量，此屬難燃物如防焰物品，不過難燃物在大火高溫時仍能燃燒，甚至迅速。因此，到底什麼是燃料？在地球上大致如下：

A. 氫類
B. 碳類（煤、木炭）
C. 含有大量的碳和氫化合物（也就是碳氫化合物）
D. 碳水化合物（Carbohydrates）
E. 其他有機化合物
F. 硫化物（Sulfur）

如果將燃料之可（易）燃程度進行排序，則上述A > C > D > B > F，硫化物雖然可燃，燃燒時呈現藍色火焰、有惡臭，並產生SO2，遇水產生H2SO3（亞硫酸），由於產生酸性的氣體（當其與水結合，如酸雨），所以很少被視為一種生活中燃料。
在森林燃料定義為鮮活的和枯落的生物質，必須足夠乾燥才能起火。炎熱、乾燥和多風的天氣條件是影響燃料含水量的主要驅動因素。植被的可燃性，隨著鮮活植物生物量的含水量而變化。枯死物質含水量最低，而含水量低的鮮活葉會較易於火燒（Bond and Keane 2017）。植物部分的形狀、大小和排列，影響著含水量和可燃性。葉片狹窄或分枝細小植株較會迅速乾燥，而易於火燒。地表積累慢速枯落物的生態系統，是高度易燃的。含有大量油脂（Fats）、蠟（Waxes）和萜烯（Terpenes）的葉子，也易於火燒。揮發性物質會加劇火燒，因其從葉子釋放出來，易於火燒，從而使相鄰的物質受熱乾燥和起火蔓延（Bond and Keane 2017）；此部分延伸閱讀請見第7章第6節。
三、氧氣
氧氣（Oxygen）與燃料或從木質材料所釋出氣體之接觸，進行氧化起火現象。氧氣存在於地球表面任一空氣中。基本上，空氣中氧氣含量約為1/5（21%，相當於210,000 ppm），其他將近4/5為氮氣，及微少部分之二氧化碳等。就目前所知，在整個太陽系各行星中，唯獨地球有氧氣而已，其他如金星（Venus）空氣成分大部分為二氧化碳以及一小部分氮氣，離地球較近之火星（Mars）亦是如此，大部分為二氧化碳，根本就沒有氧氣（圖1-3）。所以，在金星及火星上一定沒有火，無論人類、爬蟲類、鳥類或魚類都需氧氣，而火也需要氧氣，動物在消耗氧氣，所以必須靠植物行光合作用，吸收空氣中二氧化碳而轉換出氧氣；如果地球上沒有植物製造氧，所有動物將因消耗氧而滅亡。
物質氧化是一種發熱反應，但並不都是火，如蘋果削好於盤中，過一些時間也會表面變黃，這也是氧化之一種；另外，動物消化現象或報紙在空氣中久了形成泛黃，也都是氧化的一種，其氧化速度很慢，也就沒有明顯光及熱出現；橡皮圈放久發黏現象，係為氧化發熱使其軟化發黏，因其氧化速度慢，當然也沒有明顯的熱及光現象。人類呼吸作用就是氧化葡萄醣，使得葡萄醣中的氫被氧取代，產生能量的過程而有發熱反應，以維持人體溫度（36.8℃）；而燃燒是我們生活中常見的氧化現象，如瓦斯燃燒就是甲（丙）烷與氧發生劇烈的氧化現象，形成火焰（能量）情況。
氧化反應是放熱，發生氧化反應必要條件是可燃物（燃料）和氧化劑同時存在。物質是否能進一步氧化，取決於該物質之化學性質。實際上，主要由碳和氫構成的物質才能被氧化。大多可燃性固態有機物、液體和氣體，都以碳和氫為主要成分。且氧氣是燃燒最後不可或缺的要素，如燃燒工程師之鍋爐設計和操作設施，大多是透過控制火的三要素之一。基本上，火需供氧形成自然浮升對流，產生向上使其生成物能遠離火焰本身，而氧氣能從底部供應。當其火焰成長延伸時，也基於供氧而產生向外或向大空間位置進行。但在野外開放環境條件下，幾乎總是有著充足的氧氣，以促使燃料進行燃燒。根據自由燃燒的條件，如發生林火，1磅（0.45 kg）乾燥的燃料欲完全燃燒，需要大約10磅（4.5 kg）或133 ft3（3.75 m3）的空氣量（Gisborne 2004）。因此，當我們投擲汙物在燃料上，以減少氧氣供應量，是能降低其燃燒反應。但是，潮溼或乾燥的土壤覆蓋在燃料表面上時，其主要的好處是能透過減少氧氣供給。假使水有足夠量施加在燃料的表面上，以形成薄膜，也能發揮同樣的滅火原理，尤其是泡沫（Gisborne 2004）所產生的窒息火勢作用。
四、分子鏈式連鎖反應（Molecular Chain Reaction）
由於大多數可燃物質燃燒是在蒸氣或氣體狀態下進行的。所以，燃燒有2種基本燃燒模式：火焰燃燒（Flaming）和無火焰之悶燒（Smoldering）。教育學家以前曾使用火三角（Fire Triangle）來代表悶燒的燃燒模式，直到被證明除了燃料、熱量和氧化劑（氧氣）共同存在外，於火焰燃燒還有另一因素涉及，即不受抑制之化學鏈反應，因而發展出火四面體（Fire Tetrahedron）。基本上，無火焰燃燒以火三角來表示，應是合理的；但對於有明火燃燒，在燃燒過程中存在未受抑制的分解物（游離基）作為介質以形成鏈式反應。
原則上，可燃物在燃燒前會裂解為簡單的分子，分子中共價鍵在外界因素（如光、熱）影響下，裂解成化學活性非常強的原子或原子團，此為游離基，如氫原子、氧原子及羥基等。由於游離基是一種高度活潑的化學型態，能與其他的游離基及分子產生反應，而使燃燒持續下去，形成燃燒鏈式反應現象。燃燒過程中氫鍵（H）、氫氧鍵（OH）是促進燃燒繼續之主要因素。即化學鏈反應是一種系列反應，由每個單獨個別反應添加到其餘的結果延續下去。雖然科學家們只能部分地理解，在燃燒化學連鎖反應會發生什麼，但並不知道蒸氣受熱的燃料所揮發出蒸氣物質與氧結合，參與燃燒反應之複雜理化機制。
在反應１中，靠熱或化學作用產生活性組分—氯原子，隨之在反應２、３中活性組分與反應物分子作用，而交替重複產生新的活性組分—氯原子和氫原子，使反應能持續不斷地循環進行下去，直到活性組分消失，此即鏈式反應。反應機制可分三階段：
1. 鏈觸動階段：反應開始需要外界輸入一定能量，如撞擊、光照或加熱等，使反應物分子斷裂活化反應，產生自由基的過程，如反應１。
2. 鏈傳遞階段：上述作用產生新的鏈和新的飽和分子的反應，如反應２、３；意即游離基反應的同時又產生更多的游離基，使燃燒持續甚至擴大。
3. 鏈終止階段：游離基相撞失去能量或者所有物質反應盡了，沒有新游離基產生而使反應鏈斷裂，反應結束成了穩定性物質，如反應４（參見圖1-5）。
燃燒進一步而言，是一種可燃物或助燃物先吸收能量，受熱分解或氧化、還原，解離為游離基，游離基具有比普通分子平均動能更多活化能，在一般條件下是不穩定的，易與其他物質分子進行反應而生成新游離基，或者自行結合成穩定分子。基本上，許多自發性反應之速率緩慢，因在分子起反應之前，分子化學鍵需被打斷，而打斷化學鍵需要額外輸入能量來啟動，才能自行持續的連鎖反應，這種啟動化學反應的能量為活化能。而燃燒涉及固相、液相或氣相燃料，發熱、自行持續之連鎖反應。燃燒過程通常（並非必然）與燃料被大氣中氧化有關，並伴同發光。
也就是說，固態和液態燃料在燃燒前需氣化；有些固體燃燒可直接是無焰燃燒或悶燒，如香菸、家具蓆墊或木屑等具多孔性，空氣能滲入至內部空間，而可以固態方式在悶燒中；此種無焰燃燒方式之主要熱源來自焦碳之氧化作用，悶燒更能生成有毒性物質。另一方面，氣相燃燒通常伴有可見的火焰，若燃燒過程被封閉在某一範圍內，因氣體分子不停地碰撞壁面而產生壓力，以致壓力會迅速上升，形成壓力波或衝擊波現象，稱為
爆炸。
第二次大戰時發現控制原子裂變（Atomic Fission），使其成為一個鏈式反應，從而製造原子彈（Gisborne 2004）。鏈式反應可比較於一連鎖信件；當你收到一個送出二、三或四個。這些信件的收件人每個之一，同樣送出二、三或四個。這件事就像野火（Ｗildfire）一樣蔓延。生產原子彈的第一個問題是沿著這條鏈式反應線。這個問題是取得某些化學物，以足夠的數量和布置進行組裝，稱為「臨界質量（Critical Mass）」，鈾原子永久分裂的過程中插入兩個其他的元素：鋇（Barium）和氪（Krypton）原子。早在1939年，在這個分裂的巨大能量被釋放，然後分裂的過程反過來釋放更多的能量，於其他鈾原子分裂成更多的原子，只要有一個合適的燃料是供應在一適當的安排和條件下，該過程則持續一直加速。因此，原子物理學家的工作是能產生這種連鎖反應，而尚未能控制（Gisborne 2004）。而消防工作是簡單的，僅僅是在控制火燒的分子鏈反應。正如你可以看到，如果加熱燃料中一個分子至起火點，起火的是一個類似上述的過程，其不斷從C6H10O5變化成CO2和H2O的過程中，可能會釋放足夠的能量，點燃其他幾個相鄰C6H10O5分子。如果燃料是處在一個關鍵條件（足夠乾燥），相比於臨界質量（足夠大），這個過程就變成了一連鎖反應，不僅能像野火一樣未受控制蔓延。鑑於核物理學家在燃料中仔細在原子反應堆（Atomic Pile）進行排列，又森林中燃料會定期地進入這樣的連鎖反應開始，當隨時隨地的火花在適當的條件下（乾燥）造成起火蔓延。如果上述是聽起來很牽強或太學術，但請注意一個事實，當森林中的燃料是處在一種相當臨界條件（Critical Condition），也就是說，在極為乾旱時，分子鏈反應將是猛烈的，一旦其鏈式反應開始進行，滅火人員也無法控制停止，正如無法停止的原子彈一樣（Gisborne 2004）。此外，在過去美國所發生的大規模林火，其燃燒的形式與所接近的速度，甚至相同於原子彈幅度。美國加州這幾次大型火，可能會看到一些林火快速燃燒氣體規模，如爆炸似的，其林火蔓延在1或2分鐘時間就能涵蓋幾個平方英里的面積（Gisborne 2004）。
記住，有這種連鎖反應之概念，假使在評估一場林火可能大小規模（Size Up）時，無論是以一個整體或一部分做評估時，在極為乾旱情況下，按照燃燒三個基本要素，就可能計算出這種可能快速燃燒之爆炸機率。如果能做到這一點，就能夠拯救自己和其他第一線滅火人員的生命，以及改善林火控制戰術。
然而，有一基本的準則，以爆炸性的速度觀看，在試圖預測分子鏈式反應情況，燃料含水量是一重要因子，因其是水分含量，不是質量（Mass），也非體積（Volume），沒有尺寸（Size），也沒有燃料的排列問題，其為首要判斷林火是否能真正出現爆炸似燃燒之要素。但應記住，這水分含量是能從燃料中快速測量出來（Gisborne 2004）。
因此，森林燃料起火，火的起火和擴散受熱裂解、熱傳和燃燒的物理化學過程控制（Albini 1992）。如上所述，只有當熱源、燃料和氧化劑三者同時存在於相同的物理空間中，在足夠高的溫度下才能發生反應，才能觸動燃料燃燒的啟動步驟。在木質燃料的特殊情況下，熱量傳遞到植被，使得燃料的溫度升高。超過一定的「起火」溫度（約300°C），植被以高速釋放易燃的氣體燃料：這是熱裂解過程（Pyrolysis Process）。氣體燃料與氧氣反應，這是火焰燃燒釋放熱量過程（Releasing Heat）（圖1-6）。基本上，在起火之後及從其熱傳到相鄰燃料的熱量足夠高，以能使其起火，進而形成林火蔓延情況（Fire Spread）（Dupuy and Alexandrian 2010）。