Combining Aerosol Aging and Data Assimilation for Improving Volcanic Aerosol Forecast

• Main Author: Muser, Lukas Ole
• Other Authors: Kottmeier, Christoph
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: KIT-Bibliothek, Karlsruhe 2022
• Subjects: ICON-ART; aerosols; atmospheric composition; numerical weather prediction; NWP; volcanic ash; volcanic ash forecast; aerosol dynamic processes; aerosol aging; aerosol radiation interaction; Raikoke; data assimilation; En-Var; aerosol data assimilation; ddc:550; Earth sciences; info:eu-repo/classification/ddc/550; Eyjafjallajökull
• Online Access: https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000144718; https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000144718/148663044; https://doi.org/10.5445/IR/1000144718

Der Ausbruch des Eyjafjallajökull in Island 2010 zeigte eindrucksvoll, welche Folgen ein Vulkanausbruch für den internationalen Luftverkehr haben kann. Mehr als 100.000 Flüge wurden gestrichen, da vulkanisches Aerosol eine Gefahr für Flugzeuge darstellt. Aus diesem Grund sind die Flugsicherung sowie Fluggesellschaften sehr an zuverlässigen Vorhersagen der Ausbreitung dieses Aerosols nach Vulkanausbrüchen interessiert. Die numerische Aerosolausbreitungsvorhersage ist ein klassisches Anfangswertproblem. Das bedeutet erstens, dass die Vorhersage mit einem möglichst genauen atmosphärischen Zustand sowie deren Zusammensetzung initialisiert werden muss. Zweitens muss das numerische Modell alle Prozesse und Rückkopplungsmechanismen berücksichtigen, welche für den Transport vulkanischer Aerosole relevant sind. Im Rahmen dieser Arbeit möchte ich die Ausbreitungsvorhersage vulkanischer Aerosole mit Hilfe einer En-Var Datenassimilation sowie durch die Berücksichtigung der Aerosol-Strahlung-Wechselwirkung von intern gemischtem Aerosol verbessern. Hierfür werden in das ICON-ART (ICOsahedral Nonhydrostatic - Aerosols and Reactive Trace gases) Modell aerosol-dynamische Prozesse wie die Koagulation, die Nukleation von Sulfatpartikeln und der Kondensation von gasförmigen Komponenten auf Aerosolpartikel implementiert. Diese mikrophysikalischen Prozesse bilden intern gemischte Partikel. Für diese intern gemischten Partikel bestimme ich optische Eigenschaften, welche eine Interaktion mit kurz- und langwelliger Strahlung ermöglichen. Darüber hinaus wird eine En-Var-Datenassimilationsmethode für vulkanisches Aerosol innerhalb der Datenassimilationsumgebung des DWD (Deutscher Wetterdienst) entwickelt. Die Datenassimilation liefert eine Schätzung des anfänglichen Zustands sowie der Zusammensetzung der Atmosphäre. Diese Neuentwicklungen werden für die ersten vier Tage nach dem Raikoke-Ausbruch 2019, einem der größten Vulkanausbrüche der vergangenen 30 Jahre, ausgewertet. Die Berücksichtigung aerosol-dynamischer Prozesse führt zu einer ...