Uncertainties in WildfireEmission Estimates
Workshop on Regional Emissions & AirQuality Modeling
July 30, 2008
Shawn Urbanski, Wei  Min Hao, Bryce Nordgren
Missoula Fire Sciences Laboratory, US Forest Service
usfs
firelab
Wildfire Fire Emission Inventories
The Fire Sciences Laboratory has developed a MODIS-DB burned area algorithm to:
•Develop wildfire emission inventories for thewestern US
•Provide ‘rapid response’ wildfire emissions forair quality forecasting/management activities
•Demonstrate a prototype smoke dispersion – airquality forecasting system (assimilation of MODISderived emissions for predicting fire impacts onregional air quality)
Emission Estimate Method
Fuel Loading
Fire Information
Meteorology
Consumption Model
Emission Factors
Fuel Loading
•Land cover / fuel map
•Fuel loading model (vegetation loadby fuel class)
Meteorology – analysis / observations
Fuel moisture (NFDRS)
Consumption Model
First Order Fire Effects Model (FOFEM)
Fire Information
•MODIS-DB  system (Missoula, MT)
•4 daily observation per location
•Complete coverage of western US
•Combines active fire and burn scardetections – daily burned area at 1-km2
EMISSIONS
X = A * M *FC * EFX
Mass emission of X over Δt :
M  (mass of fuel - dry vegetation)
A  ( area burned )
Fc ( fraction of fuel consumed )
EF ( emission factor
 X kg / kg fuel consumed)
detection & area
spatial & temporal distribution
land cover map
fuel loading model
fuel consumption model
meteorology
fuel condition (moisture)
fire average or phase specific
cover type
Uncertainties Associated with LandCover and Fuel Loading
Land Cover
Fuel Characteristic ClassificationsSystem (FCCS)
•CONUS 1-km resolution
•112 cover types
•USFS PNW Research Station,McKenzie (2007)
FIA Forest Map
•CONUS 250-m resolution
•138 SAF forest types
•Non-forested areas use FCCS
•USFS Forest Inventory & Analysisprogram and Remote SensingApplications Center
Fuel Loading
Fuel Characteristic ClassificationsSystem (FCCS)
•FCCS fuel loading model
•Cross-walk to SAF forest types
FOFEM Reference Database
•SAF/SRM cover types
•Cross-walk to FCCS
•USFS RMRS Missoula Fire SciencesLaboratory
Uncertainties Associated with LandCover and Fuel Loading
Case
Land covermap
Fuelloading
A
FCCS
FOFEM
B
FCCS
FCCS
C
FIA
FOFEM
D
FIA
FCCS
Fuel loading uncertainty – Case A vs. Case B
Map uncertainty – Case C vs. Case D
Jan-06
Jul-06
Oct-06
Apr-06
Jan-07
Jul-07
Oct-07
Apr-07
Monthly Burned Area Western US
Burned  area (km2)
2000
6000
10000
0
Jan-06
Jul-06
Oct-06
Apr-06
Jan-07
Jul-07
Oct-07
Apr-07
Monthly CO Emissions Western US
1000
3000
5000
0
CO emissions (Gigagrams -CO)
0
2000
10000
2006
2007
Annual CO Emissions by Fuel Method
6000
B
A
C
D
B
A
C
D
FUEL METHOD
CO emissions (Gigagram)
range ~20%
range ~10%
range in fuel consumption
~10%                               ~20%
0
500
1500
2006
2007
Annual PM2.5 Emissions by Fuel Method
1000
B
A
C
D
B
A
C
D
FUEL METHOD
PM2.5 emissions (Gigagram)
range ~20%
range ~10%
0
100
300
2006
2007
Annual NOX Emissions by Fuel Method
200
400
B
A
C
D
B
A
C
D
FUEL METHOD
NOX emissions (Gigagram)
range ~20%
range ~5%
0
50
250
2006
2007
Annual Methanol Emissions by Fuel Method
150
100
200
B
A
C
D
B
A
C
D
FUEL METHOD
methanol emissions (Gigagram)
range ~20%
range ~10%
NMVOC ~1-2% of C
OVOC 60-70% of NMVOC
0
300
2006
2007
Annual Formaldehyde Emissions by Fuel Method
100
200
B
A
C
D
B
A
C
D
FUEL METHOD
formaldehyde emissions (Gigagram)
range ~20%
range ~10%
caseC_dCO_100
2006 E_CO
Metric ton-CO km-2
-270.0 - -168.0
-168.0 - -86.0
-86.0 - -34.0
-34.0 - -7.0
-7.0 - 11.0
11.0 - 52.0
52.0 - 157.0
157.0 - 400.0
400.0 - 850.0
Fuel Loading Impact on CO emissions
Min =  -266 Metric ton km-2
Max = +826 Metric ton km-2
24.0 - 60.4
caseC_dPM25
2006 E_PM2.5
Metric ton – PM2.5 km-2
-40.5 - -27.0
-26.9 - -13.1
-13.0 - -5.2
-5.1 - -1.1
-1.0 - 1.6
1.7 - 7.8
7.9 - 23.9
60.5 - 125.3
Fuel Loading Impact on PM2.5 emissions
Min = - 41 Metric ton km-2
Max = +125 Metric ton km-2
caseC_dNOx
-0.1 - 0.6
2006 E_NOX
Metric ton – NOX km-2
-14.8 - -8.5
-8.4 - -3.5
-3.4 - -1.1
-1.0 - -0.2
0.7 - 2.3
2.4 - 5.6
5.7 - 11.4
11.5 - 23.7
Fuel Loading Impact on NOx emissions
Min = - 15 Metric ton km-2
Max = +24 Metric ton km-2
caseD_dCO
2007 E_CO
Metric ton CO km-2
-545.6 - -332.1
-332.0 - -194.8
-194.7 - -99.0
-98.9 - -41.1
-41.0 - -9.2
-9.1 - 21.8
21.9 - 108.3
108.4 - 324.6
324.7 - 787.8
Land Cover Map Impact on CO emissions
Min = - 546 Metric ton km-2
Max = +787 Metric ton km-2
caseD_dPM25
2007 E_PM2.5
Metric ton PM2.5 km-2
-82.8 - -50.4
-50.3 - -29.5
-29.4 - -15.0
-14.9 - -6.2
-6.1 - -1.4
-1.3 - 3.3
3.4 - 16.4
16.5 - 49.2
49.3 - 119.5
Land Cover Map Impact on PM2.5 emissions
Min =    -83  Metric ton km-2
Max = +120 Metric ton km-2
caseD_dNOx
2007 E_NOX
Metric ton NOX km-2
-15.6 - -9.3
-9.2 - -5.4
-5.3 - -2.9
-2.8 - -1.2
-1.1 - -0.3
-0.2 - 0.6
0.7 - 3.0
3.1 - 9.3
9.4 - 22.6
Land Cover Map Impact on NOx emissions
Min =    -16  Metric ton km-2
Max =   +23 Metric ton km-2
Summary
•Choice of land cover map and fuel model havesignificant impact on emission estimate
•Uncertainty in annual emissions for western US:
20% map and fuel model combined
10% map or fuel model alone
•Uncertainty varies spatially and temporally
•Large regional uncertainties
e.g. 30% in MT and ID due to map choice alone,
~ 60% map and fuel model combined
Don’t forget burned area, consumption model, & EF’s