Seasonality of prescribed fire weather windows and predicted fire behavior in the northern Great Plains, USA

Abstract

BackgroundPrescribed fire is an important management practice used to control woody encroachment and invasive species in grasslands. To use this practice successfully, managers must understand the seasonal windows within which prescribed fire can be applied and how fire behavior could potentially vary among these windows. To characterize prescribed fire windows within the northern Great Plains of North America, we collected data from 20 remote weather stations positioned across North Dakota and northwestern Minnesota, USA, from station inception to 2015. We performed an hourly analysis for each station to determine if air temperature (2 to 43 °C), relative humidity (25 to 80%), and wind speed (6.44 to 24.12 km h−\u20091) conditions were within acceptable ranges for at least six contiguous precipitation-free hours from 0800 to 1800 h. We summarized acceptable conditions over five half-season windows and then used the Rothermel fire spread equation to simulate fire behavior within these half-season windows based on average, minimum, and maximum conditions for seasonally appropriate live herbaceous to fine dead fuel ratios.ResultsWhile the number of acceptable prescribed fire days did not change from early spring (21 March) to early fall (6 November), the number of acceptable days for conducting spring fires decreased and the number of acceptable days for conducting late summer to early fall fires increased over the study period. The change in spring acceptability reflected an increase in the number of days with air temperatures below acceptable minimum temperature and outside of acceptable wind conditions to conduct operations. Predicted rate of fire spread was highest and most sensitive to the season of the year, fuel curing status, and site invasion status when fire spread was simulated at the upper end of acceptable wind speed and at the lower end of fuel moisture conditions.ConclusionsPrescribed fire planning needs to take into account the timeframe during which fire windows exist within a year, and how these conditions affect fire behavior. In the northern Great Plains, there is ample opportunity for grassland managers to use summer and fall prescribed fires, and managers should expect to get variable fire behavior results when prescribed fires are applied in more extreme conditions throughout the year.ResumenAntecedentesLa quema prescrita es una importante práctica de manejo para controlar el establecimiento\xa0de arbustos y especies invasivas en pastizales. Para usar esta práctica\xa0de manera efectiva, los gestores deben entender las variaciones estacionales en las ventanas de prescripción dentro de las cuales las quemas prescriptas pueden ser aplicadas, y cómo el comportamiento del fuego puede variar dentro de\xa0esas ventanas. Para caracterizar las ventanas de prescripción dentro de las Grandes Planicies Centrales de América del Norte, coleccionamos datos de 20 estaciones meteorológicas ubicadas a través de Dakota del Norte y el noroeste de Minnesota, EEUU, desde su instalación y hasta 2015. Realizamos un análisis horario para cada estación para determinar si las condiciones de temperatura de aire (de 2 a 43\xa0°C), la humedad relativa (del 25 al 80%), y la velocidad del viento (de 6,44 a 24,12\xa0km\xa0h−\u20091) estaban dentro de los rangos aceptables de al menos seis horas seguidas libres de precipitación desde las 0800 hasta las 1800\xa0h.ResultadosDurante el periodo de estudio,\xa0el número de días aptos para realizar las quemas no cambiaron desde comienzos de\xa0la primavera (21 de marzo) hasta principios del otoño (6 de noviembre). Sin embargo, el número de días aptos para conducir quemas de primavera decreció, y el número de días aptos para hacerlas hacia finales del verano y principios de otoño se incrementó. El cambio en la capacidad de\xa0quemar durante la primavera es un\xa0reflejó de\xa0un incremento en el número de días con temperaturas del aire por debajo de límites aceptables y por fuera de condiciones de viento aceptables para conducir operaciones de quema. Predicciones de\xa0tasa de propagación fueron\xa0más altas y más sensibles cuando\xa0la estación del año, el secado de los combustibles, y el estatus de invasión fueron simulados en el extremo más alto de velocidades de vientos aceptables y en las condiciones más bajas de humedad de combustibles.ConclusionesLa planeación\xa0de quemas prescritas necesita tener en cuenta las condiciones\xa0durante las\xa0cuales existen ventanas de prescripción dentro de un año, y como esas condiciones afectan el comportamiento del fuego. En las Grandes Planicies de América de Norte, hay una amplia oportunidad para que los encargados del manejo\xa0de pastizales puedan usar quemas prescriptas durante el verano y otoño, y deben esperar obtener resultados de comportamiento de fuego variable cuando éstas quemas son aplicadas bajo condiciones más extremas.