uu.seUppsala University Publications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Seasonal and diurnal patterns in the dispersionof SO2 from Mt. Nyiragongo
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL.ORCID iD: 0000-0001-7909-0640
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL.
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL.
Chalmers, Dept Earth & Space Sci, S-41296 Gothenburg, Sweden.
Show others and affiliations
2016 (English)In: Atmospheric Environment, ISSN 1352-2310, E-ISSN 1873-2844, Vol. 132, 19-29 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Mt. Nyiragongo is an active volcano located in the Democratic Republic of Congo, close to the border of Rwanda and about 15 km north of the city of Goma (similar to 1,000,000 inhabitants). Gases emitted from Nyiragongo might pose a persistent hazard to local inhabitants and the environment. While both ground- and satellite-based observations of the emissions exist, prior to this study, no detailed analysis of the dispersion of the emissions have been made. We have conducted a dispersion study, using a modelling system to determine the geographical distribution of SO2. A combination of a meteorological model (WRF), a Lagrangian particle dispersion model (FLEXPART-WRF) and flux data based on DOAS measurements from the NOVAC-network is used. Since observations can only be made during the day, we use random sampling of fluxes and ensemble modelling to estimate night-time emissions. Seasonal variations in the dispersion follows the migration of the Inter Tropical Convergence Zone. In June-August, the area with the highest surface concentrations is located to the northwest, and in December-February, to the southwest of the source. Diurnal variations in surface concentrations were determined by the development of the planetary boundary layer and the lake-/land breeze cycle around lake Kivu. Both processes contribute to low surface concentrations during the day and high concentrations during the night. However, the strong northerly trade winds in November-March weakened the lake breeze, contributing to higher daytime surface concentrations along the northern shore of Lake Kivu, including the city of Goma. For further analysis and measurements, it is important to include both seasonal and diurnal cycles in order to safely cover periods of high and potentially hazardous concentrations.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. Vol. 132, 19-29 p.
Keyword [en]
Dispersion modelling; Volcanic degassing; Nyiragongo; Sulfur dioxide; FLEXPART-WRF
National Category
Earth and Related Environmental Sciences Meteorology and Atmospheric Sciences
Research subject
Meteorology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-264437DOI: 10.1016/j.atmosenv.2016.02.030ISI: 000374614500003OAI: oai:DiVA.org:uu-264437DiVA: diva2:860333
Funder
EU, European Research Council, 18354Sida - Swedish International Development Cooperation Agency, SWE-2008-064Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC), p2011191
Available from: 2015-10-12 Created: 2015-10-12 Last updated: 2017-12-01Bibliographically approved
In thesis
1. Atmospheric Dispersion Modellingof Volcanic Emissions
Open this publication in new window or tab >>Atmospheric Dispersion Modellingof Volcanic Emissions
2015 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Gases and particles released by volcanoes pose a serious hazard to humans and society. Emis-sions can be transported over long distances before being reduced to harmless concentrations.Knowing which areas are, or will be, exposed to volcanic emissions is an important part inreducing the impact on human health or society. In this thesis, the dispersion of volcanic emis-sions is studied using a set of atmospheric models. Two case studies have been performed, onestudying potential ash emission from future eruptions on Iceland, and a second covering SO2 emissions from Mt. Nyiragongo in D.R. Congo

The first study covers long range (∼1,000 km) dispersion of fine ash from explosive erup-tions. Three years of meteorological data are used to repeatedly simulate five eruption scenarios.The resulting concentrations of airborne ash at different times relative the onset of each eruptionis compared to current and previous threshold concentrations used by air traffic controllers. Theash hazard showed a seasonal variation, with a higher probability of efficient eastward transportin winter, compared to summer; summer eruptions pose a more persistent hazard.

In the second study, emissions of SO2 from passive degassing at Mt. Nyiragongo is studiedover a one–year period. The meteorological impact on the dispersion is studied by assigninga fixed emission source. Furthermore, flux measurements from the remote sensing data areused to improve the description of the emission source. Gases are generally transported to thenorth-west in June–August and to the south-west in December–January. A diurnal variation dueto land breeze around lake Kivu contributes to high concentrations of SO2 along the northernshore during the night. Daily averaged concentrations in the city of Goma (∼15 km SW of thesource) exceeded the European Union’s air quality standard (125 μg/m 3 ) for 120-210 days overa one year period.

Abstract [sv]

Gas- och partikelutsl ̈app fr ̊an vulkaner utg ̈or en fara för människor och för vårt samhälle. Utsläppen kan transporteras över långa avstånd innan de reduceras till ofarliga halter. Att kännatill vilka områden som utsätts, eller kommer utsättas, för utsläppen är ett viktigt verktyg för att minska påverkan påv folkhälsa och samhället. I den här avhandlingen studeras spridningen av utsläpp från vulkaner med hjälp av en uppsättning atmosfärsmodeller. Två fallstudier har utförts,en fokuserar på vulkanaska från potentiella framtida utbrott på Island, den andra studerar SO2 -ustl äpp fr ̊an Nyiragongo i Demokratiska Republiken Kongo.

Den f ̈orsta studien beskriver l ̊angv ̈aga (∼1,000 km) transport av aska från explosiva utbrott.Tre är av meteorologiska data används för att modellera spridningen från fem olika utbrotts-scenarier för varierande vädersituationer. Koncentrationen av luftburen aska studeras vid olikatidpunkter relativt utbrottens starttid och j ̈amf ̈ors med tidigare samt befintliga gränsvärden för flygtrafik. Sannolikheten för skadliga halter aska varierar med årstid, med en högre sannolikhetför effektiv transport österut under vintermånaderna, jämfört med sommarmånaderna; sommar-utbrott är istället mer benägna att orsaka långvariga problem över specifika områden.

I den andra studien modelleras utsl ̈app av SO 2 från passiva utsläpp vid Nyiragongo över en ettårsperiod. Den meteorologiska effekten på spridningen studeras genom att använda en konatant utsläppskälla. Dessutom studeras spridningen mer i detalj genom att använda fjärranalysdata för att bättre uppskatta utsläppen. Gaserna transporteras i regel mot nordväst i juni–augusti ochmot sydväst i december–februari. En sjö-/landbriscirkulation runt Kivusjön orsakar höga halterav SO2 längs sjöns norra strand nattetid. Dygnsmedelkoncentrationer av SO2 i provinshuvud-staden Goma (∼15 km sydväst om Nyiragongo) överskred EU-riktlinjer (125 μg/m3 ) under 120-210 dagar under en ettårsperiod.

Place, publisher, year, edition, pages
Uppsala universitet, 2015
National Category
Meteorology and Atmospheric Sciences
Research subject
Meteorology
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-263081 (URN)
Presentation
2015-10-09, Småland Dm235, Geocentrum, Villavägen 16, Uppsala, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2015-10-12 Created: 2015-09-25 Last updated: 2017-01-25Bibliographically approved
2. Dispersion modelling of volcanic emissions
Open this publication in new window or tab >>Dispersion modelling of volcanic emissions
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Spridningsmodellering av utsläpp från vulkaner
Abstract [en]

Gases and particles released by volcanoes pose a serious hazard to humans and society. Emissions can be transported over long distances before being reduced to harmless concentrations. Knowing which areas are, or will be, exposed to volcanic emissions is an important part inreducing the impact on human health and society. In this thesis, the dispersion of volcanic emissions is studied using a set of atmospheric models.

The work includes contribution to the development of the Lagrangian Particle Dispersion Model FLEXPART-WRF. Three case studies have been performed, one studying potential ash emissions from potential future eruptions on Iceland, a second covering SO2 emissions from Mt. Nyiragongo in D.R. Congo, and a third studying the SO2 emission rate of the Holuhraun eruption (Iceland) in 2014–2015.

The first study covers volcanic ash hazard for air traffic over Europe. Three years of meteorological data are used to repeatedly simulate dispersion from different eruption scenarios. The simulations are used to study the probability of hazardous concentrations in ash in European airspace. The ash hazard shows a seasonal variation with a higher probability of efficient eastward transport in winter, while summer eruptions pose a more persistent hazard.

In the second study, regional gas exposure around Mt. Nyiragongo is modelled using flux measurements to improve the description of the emission source. Gases are generally transported to the north-west in June–August and to the south-west in December–January. A diurnal variation due to land breeze around lake Kivu contributes to high concentrations of SO2 along the northern shore during the night. Potentially hazardous concentrations are occasionally reached in populated areas in the region, but mainly during the nights.

The third study uses inverse dispersion modelling to determine the height and emission rates based on traverse measurements of the plume at 80–240 km from the source. The calculated source term yields better agreement with satellite observations compared to commonly used column sources.

The work in this thesis presents improvements in dispersion modelling of volcanic emissions through improved models, more accurate representation of the source terms, and through incorporating new types of measurements into the modelling systems.

Abstract [sv]

Gas- och partikelutsläpp från vulkaner utgör en fara för människor och för vårt samhälle. Utsläppen kan transporteras över långa avstånd innan de reduceras till oskadliga halter. Att känna till vilka områden som utsätts för, eller kommer utsättas för, utsläppen är ett viktigt verktyg föratt minska påverkan på folkhälsa och samhälle. I avhandlingen studeras spridningen av utsläpp från vulkanutbrott med hjälp av en uppsättning numeriska atmosfärsmodeller.

Den Lagrangiska Partikelspridningsmodellen FLEXPART-WRF har förbättrats och applicerats för spridningsmodellering av vulkanutbrott. Tre studier har utförts, en fokuserar på vulkanaska från potentiella framtida utbrott på Island, den andra studerar SO2-ustläpp från vulkanen Nyiragongo i Demokratiska Republiken Kongo, och den tredje studerar SO2-ustläpp från utbrottet i Holuhraun (Island) 2014–2015.

Den första studien uppskattar sannolikheten för att vulkanaska från framtida vulkanutbrott på Island ska överskrida de gränsvärden som tillämpas för flygtrafik. Tre år av meteorologisk data används för att simulera spridningen från olika utbrottsscenarier. Sannolikheten för skadliga halter aska varierar med årstid, med en högre sannolikhet för effektiv transport österut under vintermånaderna, sommarutbrott är istället mer benägna att orsaka långvariga problem överspecifika områden.

In den andra studien undersöks spridningen av SO2 från Nyiragongo över en ettårsperiod. Flödesmätningar av plymen används för att förbättra källtermen i modellen. Gaserna transporteras i regel mot nordväst i juni–augusti och mot sydväst i december–februari En dygnsvariation, kopplad till mesoskaliga processer runt Kivusjön, bidrar till förhöjda halter av SO2 nattetid längs Kivusjöns norra kust. Potentiellt skadliga halter av SO2 uppnås av och till i befolkade områden men huvudsakligen nattetid.

Den tredje studien utnyttjar inversmodellering för att avgöra plymhöjd och gasutsläpp baserat på traversmätningar av plymen runt 80–240 km från utsläppskällan. Den beräknade källtermen resulterar i bättre överensstämmelse mellan modell- och satellitdata jämfört med enklare källtermer.

Arbetet i den här avhandlingen presenterar flertalet förbättringar för spridningsmodellering av vulkanutbrott genom bättre modeller, nogrannare beskrivning av källtermer, och genom nya metoder för tillämpning av olika typer av mätdata.

Place, publisher, year, edition, pages
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2016. 53 p.
Series
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 1433
Keyword
dispersion modelling, atmospheric, volcano, gas emissions, volcanic ash, FLEXPART, FLEXPART-WRF, Spridningsmodellering, atmosfär, vulkan, gasutsläpp, vulkanaska, FLEXPART, FLEXPART-WRF
National Category
Meteorology and Atmospheric Sciences
Research subject
Meteorology
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-303959 (URN)978-91-554-9704-0 (ISBN)
Public defence
2016-11-17, Axel Hambergssalen, Villavägen 16, Uppsala, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2016-10-27 Created: 2016-09-27 Last updated: 2016-11-02

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full text

Authority records BETA

Dingwell, AdamRutgersson, Anna

Search in DiVA

By author/editor
Dingwell, AdamRutgersson, Anna
By organisation
LUVAL
In the same journal
Atmospheric Environment
Earth and Related Environmental SciencesMeteorology and Atmospheric Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 888 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf