Combining Aerosol Aging and Data Assimilation for Improving Volcanic Aerosol Forecast

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. ... mehrZweitens 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 Zunahme der Partikelgröße, was deren Sedimentationsgeschwindigkeit erhöht. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Sedimentation großer Partikel für die Beseitigung von etwa $50$% der Vulkanasche während der ersten $12$ h nach dem Ausbruch des Raikoke verantwortlich ist. In meinen Simulationen ist die Koagulation von grobkörnigen (coarse mode) Aschepartikeln mit sekundärem vulkanischem Aerosol, d.h. Sulfatpartikeln, eine der Hauptursachen für diese hohe Abnahme. Die Wechselwirkung von kurz- und langwelliger Strahlung mit intern gemischtem vulkanischem Aerosol führt zu einem Anheben von Teilen der Wolke aus vulkanischen Aerosolen. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Wolkenoberseite des vulkanischen Aerosols nach dem Ausbruch des Raikoke während der ersten $12$ h etwa $3$ km angehoben wird und nach vier Tagen eine Höhe von etwa $20$ km erreicht. Die Assimilation von Beobachtungsdaten mit der ART En-Var-Methode kann Rauschen in den Beobachtungsdaten herausfiltern.

Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen die Bedeutung der aerosol-dynamischen Prozesse sowie der Wechselwirkung von Aerosolen mit kurz- und langwelliger Strahlung für die operationelle Ausbreitungsvorhersage vulkanischer Aerosole. Darüber hinaus kann die Verwendung einer ensemblebasierten Assimilationsmethode für zukünftige Ausbreitungsvorhersagen vulkanischer Aerosole empfohlen werden.

The Eyjafjallajökull eruption in Iceland 2010 impressively illustrated the consequences the dispersion of volcanic aerosol can have on international air traffic. More than 100,000 flights were canceled, as volcanic aerosol is hazardous for aircraft. Therefore, air traffic control and airlines are highly interested in reliable forecasts of volcanic aerosol dispersion after future eruptions. Numerical aerosol dispersion forecast is an initial value problem. This means that, first, the forecast needs to be initialized with an as exact as possible atmospheric state and composition. ... mehrSecond, the numerical model needs to account for all processes and feedback mechanisms that are relevant for volcanic aerosol transport.

In this thesis, I aim to improve volcanic aerosol dispersion forecast with En-Var data assimilation and by considering the aerosol-radiation interaction of internally mixed aerosol. Therefore, aerosol dynamic processes, such as coagulation, nucleation of sulfate particles, and condensation, are implemented into the ICON-ART (ICOsahedral Nonhydrostatic - Aerosols and Reactive Trace gases) model. These microphysical processes form internally mixed particles for which I also implement optical properties, allowing their interaction with solar and terrestrial radiation. Furthermore, an En-Var data assimilation method for volcanic aerosol is developed within the data assimilation framework of DWD (Deutscher Wetterdienst). This data assimilation method provides an estimate of the initial horizontal volcanic ash distribution. The new implementations are evaluated for the first four days after the Raikoke eruption 2019, which was one of the largest volcanic eruptions during the last 30 years.

Considering aerosol dynamic processes tends to increase the particle size which increases sedimentation. My results show that the sedimentation of large particles is responsible for the removal of about $50$% of volcanic ash during the first $12$ h after the Raikoke eruption. A main driver of this enhanced removal in my simulations is the coagulation of coarse ash particles with secondary volcanic aerosol, i.e., sulfate particles. The interaction of short and longwave radiation with internally mixed volcanic aerosol induces a lifting to some parts of the volcanic cloud. My results suggest that after the Raikoke eruption the volcanic aerosol cloud top rises about $3$ km during the first $12$ h and reaches a height of around $20$ km after four days. The assimilation of observational data with the ART En-Var method has the potential to omit noise in the observational data.

The results of this thesis highlight the importance of aerosol dynamic processes and the interaction of aerosol with short and longwave radiation for operational volcanic aerosol dispersion forecast. Furthermore, the use of an ensemble based assimilation method for future volcanic aerosol dispersion forecasts can be advised.