Extreme value analysis of wildfires in Canadian boreal forest ecosystems

Large fires are a major disturbance in Canadian forests and exert significant effects on both the climate system and ecosystems. During the last century, extremely large fires accounted for the majority of Canadian burned area. By making an instaneous change over a vast area of ecosystems, extreme fires often have significant social, economic, and ecological consequences. Since extreme values of fire size always situate in the upper tail of a cumulative probability distribution, the mean and variance alone are not sufficient to fully characterize those extreme events. To characterize the large fire behaviors in the upper tail, the authors in this study applied three extreme value distribution functions: (i) the generalized extreme value (GEV) distribution, (ii) the generalized Pareto distribution (GPD), and (iii) the GEV distribution with a Poisson point process (PP) representation to fit the Canadian historical fire data of the period 1959–2010. The analysis was conducted with the whole data set and different portions of the data set according to ignition sources (lightning-caused or human-caused) and ecozone classification. It is found that (i) all three extreme statistical models perform well to characterize extreme fire events, but the GPD and PP models need extra care to fit the nonstationary fire data, (ii) anthropogenic and natural extreme fires have significantly different extreme statistics, and (iii) fires in different ecozones exhibit very different characteristics in the view of statistics. Further, estimated fire return levels are comparable with observations in terms of the magnitude and frequency of an extreme event. These statistics of extreme values provide valuable information for future quantification of large fire risks and forest management in the region. Résumé : Les grands feux constituent une perturbation majeure dans les forêts canadiennes et ont des effets importants tant sur le système climatique que sur les écosystèmes. Au cours du dernier siècle, la majorité des superficies brûlées au Canada l’ont été lors de feux extrêmement importants. En provoquant des changements instantanés sur de vastes superficies des écosystèmes, les feux extrêmes ont souvent d’importantes conséquences sociales, économiques et écologiques. Étant donné que les valeurs extrêmes de la dimension des feux se situent toujours à l’extrémité supérieure d’une distribution de probabilité cumulative, la moyenne et la variance seules ne suffisent pas pour caractériser pleinement ces événements extrêmes. Pour caractériser le comportement des grands feux dans l’extrémité supérieure de la distribution, les auteurs de cette étude ont appliqué trois fonctions de distribution de valeurs extrêmes : (i) la distribution généralisée de valeurs extrêmes (DGVE), (ii) la distribution Pareto généralisée (DPG) et (iii) la DGVE avec une représentation par le processus ponctuel de Poisson (PP) pour décrire les données canadiennes de l’historique des feux durant la période 1959 à 2010. L’analyse a été réalisée avec le jeu de données au complet et avec différentes portions selon la source d’allumage (feu causé par la foudre ou par l’homme) et la classification de l’écozone. On constate que (i) les trois modèles de statistiques extrêmes sont capables de bien caractériser les épisodes de feu extrême mais les modèles DPG et PP nécessitent une attention particulière pour ajuster les données de feu évolutif, (ii) les feux extrêmes d’origine humaine et naturelle ont des statistiques extrêmes significativement différentes et (iii) compte tenu des statistiques, les caractéristiques des feux sont très différentes selon l’écozone. De plus, les niveaux estimés de retour du feu sont comparables aux observations en termes d’ampleur et de fréquence d’un événement extrême. Ces statistiques de valeurs extrêmes fournissent une information précieuse pour la quantification future des risques de grand feu et pour l’aménagement forestier dans la région. [Traduit par la Rédaction]