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Abstract:
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Active Tracer High Resolution Atmospheric
Model (ATHAM) weiterentwickelt und am Beispiel einer plinianischen Vulkanerup-
tion unter verschiedenen Umgebungsbedingungen getestet. Schwerpunkte lagen auf
der massen- und impulserhaltenden Formulierung des Modells sowie der Beschrei-
bung turbulenter Austauschprozesse.
ATHAM beschreibt ein Multikomponentensystem aus gasförmigen und inkompres-
siblen Anteilen unter der Annahme eines dynamischen und thermischen Gleich-
gewichts des Gemisches. Das Thrbulenzschließungsschema unterscheidet zwischen
vertikalem und horizontalem Austausch und liefert basierend auf turbulenten Ener-
giegleichungen Austauschkoeffizienten für jede dynamische Größe. Die Mikrophysik
verwendet erweiterte Kessler Parametrisierungen unter Berücksichtigung der Eis-
phase.
ATHAM ist dreidimensional formuliert und verwendet ein implizites Zeitschrittver-
fahren. Für Sensitivitätsstudien sind zusätzlich Modellversionen in zweidimensiona-
len kartesischen Koordinaten bzw. Zylinderkoordinaten integriert.
Wie die zweidimensionalen Modellsimulationen zeigen, ist ATHAM in der Lage,
ein Multikomponentensystem aus einer Gasphase und einer Vielzahl von aktiven
Tlacern auch bei extremen Temperatur- und Impulsflüssen numerisch stabil und
physikalisch korrekt zu simulieren, wobei der inkompressible Anteil bis zu 99 Gew.%
ausmachen kann. Die simulierten vulkanischen Eruptionswolken reichen bis in die
Stratosphäre und erreichen horizontale Ausdehnungen von bis zu mehreren hundert
Kilometern. Tbansportprozesse durch T\rrbulenz sind von gleicher Bedeutung wie
Tïansporte durch Advektion und bestimmen entscheidend das Einmischen von Um-
gebungsluft in den Plume und das gesamte Aufstiegsverhalten einschließlich der Plu-
mehöhe. Mikrophysikalische Prozesse haben durch die Freisetzung latenter Wärme
einen signifikanten Einfluß auf die Plumeentwicklung. Die Wirkung mikrophysikali-
scher Prozesse auf die Plumedynamik wird bestimmt durch in den Plume eingemisch-
ten Wasserdampf. Nicht nur der mittlere meteorologische Zustand der Atmosphäre
sondern auch die aktuelle Wettersituation zum Zeitpunkt der Eruption haben einen
starken Einfluß auf die Plumehöhe und den stratosphËirischen Eintrag von Partikeln
und Gasen durch die Eruption.
Abstract:
The Active Tracer High Resolution Atmospheric Model (ATHAM) ha"s been im-
proved using a mass and momentum conservative formulation of the model equati-
ons and the introduction of a turbulence closure scheme. ATHAM has been tested
simulating a typical plinian eruption.
ATHAM describes a multicomponent system consisting of gaseous and incompres-
sible fractions under the assumption of a dynamic and thermal equilibrium. The
turbulence closure scheme is based on turbulent energy equations and provides for
a turbulent exchange coefficient for each dynamic quantity distinguishing between
horizontal and vertical exchange. The microphysics is based on Kessler type para-
metrizations including the icephase.
ATHAM is fully three dimensionally formulated with an implicit time step scheme.
In addition there are two different types of two dimensional versions implemented:
One represents two dimensional cartesian coordinates, the other cylindrical coordi-
nates.
The description of a multicomponent system with ATHAM is numerically stable
and physically correct, as can be seen from the two dimensional model simulations
which includes many active tracers and an incompressible fraction up to 99 weight
percentage. The simulated eruption plumes reach into the stratosphere and achieve
a horizontal extension in the order of 100 km. Tbansport processes due to turbu-
lence are as important as those due to advection. T[rrbulent processes determine the
entrainment of ambient air, the plume development and height. The effect of micro-
physicai processes on the plume dynamics is dominated by the amount of entrained
water vapour. It is the actual weather conditions at the time of the eruption as well
as the mean meteorological state of the atmosphere that have a strong impact on
the plume height and the amount of particles and volcanic gases injected into the
stratosphere.
