Authors:	Hanfland, Robert
Advisor:	Voigt, Christiane Tost, Holger Brunner, Dominik
Title:	Description and evaluation of the atmospheric radionuclide transport model ARTM
Online publication date:	18-Apr-2024
Year of first publication:	2024
Language:	english
Abstract:	Um die Einwirkungen der Emissionen von kerntechnischen Anlagen im Routinebetrieb, in einer typischen Entfernung von bis zu 20 km in der planetaren Grenzschicht, überwachen und vorhersagen zu können, wurde in Deutschland das lagrangesche Atmosphärisches Radionuklid Transport Model (ARTM) entwickelt. Solche Transportmodelle müssen sorgfältig validiert werden um sicher zu stellen, dass sie die Ausbreitung von Spurenstoffen wirklichkeitsgetreu abbilden. Die vorliegende Arbeit beschreibt und erweitert das Model ARTM und zeigt eine Auswertung der dreidimensionalen Ausbreitungseigenschaften von Spurengasen. In einer Sensitivitätsstudie wird der Einfluss von Stabilitätsklasse, Rauigkeitslänge, Verschiebungshöhe, Quellhöhe und Spurenstofftyp auf die dreidimensionale Ausbreitung der Abgasfahne analysiert. Zudem wird der „well-mixed“ Zustand von fünf unterschiedlichen Turbulenzmodellen untersucht. Flugzeuggestützte CO2 Messungen in der Nähe des Braunkohlekraftwerks Bełchatów (Polen) erlauben die Bewertung der Modellergebnisse unter sehr instabilen Grenzschichtbedingungen. Ein Modellvergleich mit numerischen Wettervorhersage- und Large-Eddy-Modellen erweitert die Untersuchung auf leicht instabile atmosphärische Bedingungen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stabilitätsklasse, als Maß für die atmosphärische Stabilität, den größten Einfluss auf die Simulationsergebnisse hat. Die Turbulenzmodelle können Abweichung zum „well-mixed“ Zustand von ca. 20% aufweisen. Alle simulierten Konzentrationen sind in derselben Größenordnung wie die flugzeuggestützten in situ Messdaten. Allerdings unterschätzen einige Turbulenzeinstellungen die Abgasfahnenbreite um bis zu 50%. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die Genauigkeit der mit ARTM simulierten Abgasfahnen bei sehr instabilen atmosphärischen Bedingungen durch die Wahl geeigneter Turbulenzmodelle zu verbessern. In Germany, the Lagrangian Atmospheric Radionuclide Transport Model (ARTM) was developed in order to monitor and forcast the immission of discharges from nuclear facilities within a typical distance of up to 20 km and within the planetary boundary layer. Such transport models have to be validated carefully to make sure that they simulate tracer dispersions comparable to reality. This study shows the description and extension of ARTM as well as the analysis of the three-dimensional dispersion properties and their evaluation. In a sensitivity study, the effects of stability class, roughness length, zero-plane displacement, source height and tracer type on the three-dimensional plume dispersion are analysed. Furthermore, the dispersion of five different turbulence models are studied. Airborne CO2 observations in the vicinity of the lignite power plant Bełchatów, Poland, allow to evaluate the model performance under unstable boundary layer conditions. An intercomparison of ARTM with numerical weather prediction and large-eddy simulation models extend the investigation to slightly unstable atmospheric conditions. The results show that the stability class, as a parametrisation of the atmospheric stability, causes the largest impact to the simulation results. The turbulence models show deviation from the well-mixed state by up to approx. 20%. All simulated mixing ratios are in the same order of magnitude as the airborne in situ data. Although, some turbulence models underestimate the plume widths by up to 50%. The results of this work help to improve the agreement of plumes simulated by ARTM with real plumes under very unstable atmospheric conditions by the selection of distinct turbulence models.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-10239
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-00ffe000-ff0e-4009-9fbd-6b1847bbf8a45
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-ND
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Extent:	xi, 156 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen