Operational dispersion modeling of 2023 Shishaldin Volcano eruption: complications from unknown granularity and mafic co-PDC plumes

Résumé technique : Modélisation de la dispersion opérationnelle de l'éruption du volcan Shishaldin en 2023

Énoncé du problème
La séquence éruptive de 2023 du volcan Shishaldin, comprenant 13 événements explosifs sur cinq mois, a présenté des défis importants pour la modélisation opérationnelle de la dispersion des cendres. Bien que l'Alaska Volcano Observatory (AVO) utilise le modèle Ash3d pour les prévisions rapides des retombées de téphras et des dangers pour l'aviation, les événements de 2023 ont révélé les limites de la configuration opérationnelle standard. Plus précisément, le modèle a eu des difficultés à prédire avec précision les retombées de cendres dans les scénarios impliquant :

1. Courants de densité pyroclastiques syn-éruptifs (co-PDC) : Ceux-ci ont généré des panaches de cendres provenant des flancs du volcan plutôt que du cratère, souvent à des altitudes plus basses et avec des trajectoires différentes de celles du panache primaire issu du conduit.
2. Granularité inconnue et variable : L'éruption a produit des téphras à grains grossiers et mal triés. Les modèles opérationnels supposent généralement une distribution de taille de grains (GSD) standard, mais les dépôts réels contenaient des modes à grains grossiers (> 1 mm) et des modes à grains fins dérivés de l'élutriation des PDC, entraînant des incohérences entre les épaisseurs et les localisations de retombées prévues et observées.
3. Cisaillement du vent complexe : Un fort cisaillement vertical du vent a provoqué une bifurcation des nuages de cendres, les panaches de haute altitude dérivant dans une direction tandis que les panaches de bas niveau issus des co-PDC dérivaient dans une autre, compliquant l'assignation d'une hauteur et d'une trajectoire de panache uniques dans le modèle.

Méthodologie
L'étude a consisté en une réanalyse rétrospective des 13 événements explosifs à l'aide du modèle de dispersion/sédimentation Ash3d. La méthodologie a combiné des flux de données opérationnelles avec des données de terrain post-éruption :

• Intégration des données : Les auteurs ont utilisé des données de surveillance en temps réel (sismicité, infrasons, foudre, webcams et imagerie satellite) pour reconstruire les paramètres de la source éruptive (temps de début, durée, hauteur du panache) pour chaque événement.
• Caractérisation de la granulométrie : En raison de l'isolement du volcan, l'échantillonnage en temps réel était limité. L'étude s'est appuyée sur une combinaison d'échantillons proximaux collectés par des équipes de terrain après l'événement 7, et d'échantillons fournis par les communautés de False Pass et de Cold Bay après les événements 8, 10 et 11. Ces échantillons ont été analysés pour déterminer les distributions de taille de grains (GSD) par tamisage humide et diffraction laser.
• Réanalyse du modèle : Les auteurs ont modifié le code Ash3d pour remédier aux lacunes identifiées. Les modifications techniques clés comprenaient :
  • Intégration de la topographie : Mise en œuvre d'un système de coordonnées suivant le terrain (altitude sigma) utilisant les données topographiques lissées de GEBCO 2023 pour mieux simuler les flux de bas niveau.
  • Diffusivité verticale : Un schéma répondant à l'instabilité atmosphérique locale et aux gradients de cisaillement du vent vertical a été ajouté pour simuler le transport ascendant des cendres de bas niveau.
  • Capacité multi-sources : Une nouvelle catégorie de source (« copdc ») a été introduite pour permettre des types de sources simultanés et concomitants. Cette caractéristique permet de définir un volume en forme de coin s'étendant du cratère jusqu'à un rayon et une hauteur spécifiés, avec des distributions de taille de grains (log-normale) et des profils de charge massique indépendants de la source primaire du conduit.

Résultats clés

• Performance opérationnelle : Pour les événements présentant un cisaillement du vent mineur et aucune contribution significative de co-PDC (événements 1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 13), les prévisions standard d'Ash3d étaient généralement cohérentes avec les retombées observées et fournissaient des orientations fiables pour les avertissements du National Weather Service (NWS).
• Écarts dans les événements complexes : Pour les événements présentant un cisailment du vent et une activité de co-PDC significatifs (événements 4, 5, 6, 7, 12), le modèle standard à source unique a échoué à capturer la distribution spatiale des cendres. Plus précisément, il a surestimé l'épaisseur des retombées dans certaines zones et n'a pas réussi à prédire le transport des cendres à grains fins des panaches de co-PDC de bas niveau vers des communautés spécifiques (par exemple, les cendres fines atteignant False Pass via une trajectoire nordique lors de l'événement 10).
• Aperçus sur la granulométrie : L'analyse des échantillons communautaires et de terrain a révélé que les panaches dérivés du conduit produisaient des scories grossières et bien triées (taille médiane de ~643 µm à 2,3 cm de clastes), tandis que les panaches de co-PDC contribuaient à un mode distinct plus fin (taille médiane de ~95 µm à 177 µm). La présence de ces panaches de co-PDC à grains fins explique les queues de distribution « riches en fins » observées dans les échantillons situés hors de l'axe principal du cratère.
• Succès de la réanalyse : Le modèle Ash3d modifié, intégrant la source « copdc » et les coordonnées suivant le terrain, a reproduit avec succès les modèles de retombées de cendres observés pour l'événement 12. En ajoutant une source de co-PDC de 2 km de haut avec une GSD plus fine au panache primaire du conduit, le modèle a correspond à des observations satellites du nuage de cendres de bas niveau dérivant vers le sud-ouest, ce que le modèle opérationnel n'avait pas réussi à simuler. De même, pour l'événement 10, l'ajout d'une source de co-PDC de bas niveau a expliqué la variabilité spatiale de la taille des grains observée à False Pass.

Signification et affirmations
L'article affirme que la réponse à l'éruption de Shishaldin en 2023 a mis en évidence le besoin critique de coordination inter-agences entre l'AVO et le NWS, ainsi que la nécessité de raffiner les modèles de dispersion pour les systèmes mafiques à conduit ouvert. L'étude démontre que :

1. Limites des modèles : Les modèles opérationnels standards, souvent calibrés pour des systèmes andésitiques à conduit fermé, nécessitent des améliorations spécifiques pour gérer la complexité des éruptions mafiques impliquant des co-PDC et un cisaillement du vent variable.
2. Importance des données de terrain : Même des données de vérité terrain limitées (échantillons communautaires et visites de terrain) sont essentielles pour valider les modèles et identifier la contribution des panaches de co-PDC, qui sont souvent invisibles dans les vues satellites standards en raison de la couverture nuageuse météorologique.
3. Impact opérationnel : Une modélisation précise est vitale non seulement pour la sécurité publique, mais aussi pour l'aviation et les infrastructures critiques. L'étude note que même des retombées de cendres infimes (< 0,8 mm) à l'aéroport de Cold Bay ont causé des perturbations opérationnelles importantes, notamment des fermetures de pistes et des déroutements de vols, soulignant la valeur d'une prévision précise des aléas.
4. Améliorations futures : L'implémentation du type de source « copdc » et des coordonnées suivant le terrain représente une étape concrète vers une modélisation opérationnelle plus performante, permettant la simulation simultanée de panaches dérivés du conduit et de flancs possédant des propriétés physiques distinctes. Les auteurs concluent que ces améliorations renforceront la fiabilité des conseils sur les risques de cendres pour Shishaldin et d'autres volcans isolés de l'Alaska.