Browsing by department "Ilmakehätieteiden keskus"

Aallokon mittaamiseen Itämerellä on vakiintunut käytettäväksi aaltopoiju, joka on ankkuroitava pintapoiju. Kyseinen havaintotapa aiheuttaa mittauskauden lyhenemistä jäätalven vuoksi. Jotta mittauskautta pystyttäisiin pidentämään, tarvitaan mittaussysteemi, jota ei tarvitse nostaa ylös vedestä ennen jäätalvea. Pintavirtauksia mitataan yleisesti pohjaan asennettavilla akustisilla Doppler virtaus profiilimittalaitteilla (ADCP), joissa ei ole reaaliaikaista tiedonsiirtoa. Viimeisten vuosien aikana lähes reaaliaikaista aineistoa lähettävään aaltopoijuun on lisätty pintavirtauksen havainnoinnin mahdollistavat anturit. Tässä tutkielmassa arvioidaan ADCP:n havaintojen luotettavuutta aallokon mittaamisessa verrattuna aaltopoijuun ja vertaillaan aaltopoijun ja ADCP:n virtaushavaintoja toisiinsa. Tässä tutkielmassa käytetty havaintoaineisto on saatu kahden eri vuoden, kesien 2017 ja 2018, aikana toteutetuista mittalaitevertailuista. Mittausjaksot tehtiin Suomenlahdella Hankoniemen itäpuolella. Havaintoaineistolle on tehty laadunvarmistusta ennen kuin niitä on vertailtu. Laaduntarkastuksen kriteerit on saatu mittalaitteiden valmistajien ilmoittamista raja-arvoista, suosituksista ja kirjallisuudessa olevista Suomenlahden aallokko-olosuhteiden raja-arvoista. Havaintoaineistoa on analysoitu ja verrattu toisiinsa aikasarjojen, hajontakuvaajien ja tilastollisten arvojen kautta. ADCP:n ja aaltopoijun merkitsevän aallonkorkeuden vastaavuus on hyvä, mutta ADCP ei pysty havaitsemaan alle 0,5 metrin aallokkoa luotettavasti. Syvemmälle asennettu ADCP aliarvioi suhteellisen systemaattisesti merkitsevää aallonkorkeutta verrattuna aaltopoijun havaintoihin. Aliarviointia on teoriassa mahdollista korjata ja näin parantaa mittauksien vastaavuutta, mutta käytännössä se ei ole järkevää koska se vaatisi uusien vertailujen tekemistä muuan muassa jokaiselle mittalaitteelle ja -paikalle. Huipun periodin ja aallokon suunnan vastaavuus ei ollut tilastollisesti merkittävää ja ADCP:n mittauksia näistä suureista voisi käyttää, tarvittaisiin tarkempaa spektrien analysointia. Aaltopoijun ja ADCP:n pintavirtaushavaintoja vertaillessa on vastaavuutta arvojen välillä, mutta aallokon kasvaessa erot mittauksissa kasvavat. Havaittuja eroja ei voi selittää pelkästään vertailtavien laitteiden mittaussyvyyden erolla, joka oli keskimäärin 1 metri.

The idea for this study was to unify the heights systems in the tide gauge data available from freely available sources and to make a surface interpolation of the Baltic Sea surface heights. There were some data availability problems in the south-east coast of the Baltic Proper which lead us to limit the study area to the northern Baltic Sea. We compared the surface interpolation made for the years 2007–2016 with the NEMO-Nordic reanalysis product sea levels in order to determine if the interpolated surface could be a used as an approximation of the sea surface heights in the Baltic Sea. Correlation between the interpolated surface and the model were 0.59–0.77 depending on the location. The model sea levels had a sudden change in the overall sea levels in mid-winter 2013–2014 and also a different trend before and after this jump. We also calculated correlations separately for each year from 2007 to 2016 for three mid-basin points. The correlations were between 0.91–0.98. We found the interpolation to be quite susceptible to errors and missing measurements, which makes it difficult to create the surface interpolation for the southern Baltic Proper with the current data availability problems. Therefore, other methods are needed in order to approximate sea levels in that area.

Methane(CH4) is a powerful greenhouse gas and even though the CH4 concentrations in the atmosphere have been increasing rapidly since the year 1750, there still remains large uncertainties in the individual source terms to the global CH4 budget. Measuring the isotopic fractions from various CH4 sources should lead to new knowledge on the processes involving CH4 formation and emission pathways. Nowadays stable isotope measurements for various CH4 sources are quite routinely made, but radiocarbon measurements have for long been too expensive and time consuming. For this reason a new CH4 sampling system for radiocarbon measurements was developed at the Laboratory of Chronology of University of Helsinki. The system allows sampling directly from the atmosphere or from different environmental sources using chambers. To demonstrate the functionality of the system it was tested and optimized in various laboratory experiments and in the field. The laboratory measurements showed that before combustion of CH4 to carbon dioxide(CO2), ambient carbon monoxide(CO) and CO2 can be removed from the sample gas by a flow for more than 10 hours with a flowrate of 1 l/min. After the CO and CO2 removal the CH4 in the sample gas is combusted to CO2. The combustion efficiency for CH4 was 100% with a flowrate of 0.5 l/min. After CH4 is combusted to CO2 it is then collected to molecular sieves and can be later on analyzed using accelerator mass spectrometer. The laboratory measurements, however, showed that due to adsorption of nitrogen(N2) to the molecular sieves, the 1g of molecular sieve material used in molecular sample sieve tubes was not sufficient for low concentration samples where the sampling times are very long. In the field, CH4 was collected from the atmospheric ambient air at Hyytiälä SMEAR II station, Juupajoki, Finland, and from tree and soil chambers. The radiocarbon content of the atmospheric CH4 was 102.27 ± 0.02 percent Modern Carbon (pMC) and 101.40 ± 0.02 pMC. These values were much lower than the expected values, indicating a large spatial and temporal variability. The CH4 collected from chambers closed around tree-stems had a radiocarbon content had of 113.60 ± 0.37 pMC, which was slightly higher than the 108.71 ± 0.37 pMC measured from soil chambers located in the nearby Siikaneva peatland. This indicated that a larger amount of CH4 emitted from peatland surface was recently fixed near the soil surface and a larger amount of the CH4 emitted from tree-stem surface was from older origin transported via roots from the deeper depths of the soil. There is, however, a possibility that the lower radiocarbon content from the peatland surface emitted CH4 was due to a significant contribution from old CH4 fixed before bomb effect, and which is diffused from deeper depths of the soil. This would explain the results from the autumn campaign where the radiocarbon contents were 91.84 ± 0.03 during nighttime and 104.26 ± 0.03 pMC during daytime. These results also indicated that during the daytime more of the emitted CH4 is fixed near the surface of the peatland soil. One additional CH4 sample was collected in January 2019 from the atmospheric ambient air at Kumpula, Helsinki, Finland using a significantly larger molecular sample sieve. This sample had a radiocarbon content of 52.40 ± 0.21 pMC. The old carbon in the sample originated from a fossil methane used in earlier laboratory experiments and indicated that the regeneration process for the larger sample sieve was incomplete. Overall the system functions very well, while collecting samples from environmental chambers, as the CH4 concentrations are left to build-up before collecting the sample. For atmospheric samples, for which the sampling times are higher, the sample sieve size and the regeneration time and temperature will have to be further investigated. In the future, more measurements of the radiocarbon content for individual CH4 sources are needed to provide better knowledge on the CH4 pathways. This portable system allows an efficient way to collect CH4 samples for radiocarbon analyzes from various locations.

Maapallon historiassa epäillään tapahtuneen kaksi mittavaa jääkautta hieman ennen kambrikauden lajiräjähdystä. Sturtin (~715 Ma sitten) ja Marinon jääkausien (~635 Ma sitten) meri- ja mannerjäätiköt levisivät ilmeisesti aivan päiväntasaajan ympäristöön ja jääkaudet kestivät useita kymmeniä miljoonia vuosia. Näitä jääkausia kutsutaan ‘lumipallomaiksi’ niiden suuren jääpeitteen vuoksi. Tässä työssä tutustutaan aiheesta tehtyyn tutkimukseen eli mm. jääkausien todistusaineistoon, jääkaudet luoneisiin prosesseihin sekä siihen miten elämä pystyi selviämään samanaikaisesti näin laajalle levinneiden jäätiköiden kanssa. Erityisesti näistä viimeinen on mysteeri. Jäätiköiden leviäminen edistää ilmaston viilenemistä jään korkean albedon johdosta eli kyseessä on positiivinen palauteilmiö. Tämän lisäksi ilmastomallien avulla on huomattu, että jäätiköiden levittyä Hadley-solun alueelle myös Hadley-solu edistää matalien leveysasteiden jäätiköitymistä. Jäätiköiden levittäydyttyä matalille leveysasteille ne peittävät siis herkästi aivan kaiken. Fotosynteesi ei voi kuitenkaan jatkua paksun jäätikön alla, joten lumipallomaalle on kehitetty erilaisia skenaarioita, jotka mahdollistaisivat sulia ympäristöjä. Näihin lukeutuu mm. erilaiset jäärajan etenemisen pysäyttävät mekanismit (nk. vesikaistaleteoria), ohuen jään teoria, geotermiset kohteet ja muut reiät merijäätikössä, sulavesilammikot sekä suojaisat merenlahdet ja sisämeret. Näiden sulana pysyminen miljoonien vuosien ajan on kuitenkin vaikea selittää ja todennäköisyyttä eri skenaarioille, joissa maapallo pysyy osittain sulana, on tutkittu monissa eri tutkimuksissa eri ilmastomalleilla. Skenaarioihin tutustumisen jälkeen työssä käsitellään myös sitä mitkä osatekijät malleissa voivat aiheuttaa liian suurta tai liian vähäistä jäätymistä. Esimerkiksi monesta mallista puuttuva merijään dynamiikka nopeuttaisi jäätymistä ja toisaalta kryogeenikauden mahdollisesti alemmat pinnan albedot lämmittäisivät ilmastoa. Työn lopuksi tutustutaan myös lumipallomaan kylmään ja kuivaan ilmastoon, sekä siihen miten lumipallomaa lopulta sulaa tulivuorien vapauttaman hiilidioksidin nostaessa ilmakehän hiilidioksipitoisuuden riittävän suureksi.

The boreal forest zone covers approximately 3% of Earth's non-frozen land area and contains large quantities of carbon. Methane (CH4) emissions originating from the forested peatlands are not large but their contribution can change due to future’s climate change. This makes it important to study how boreal forests respond to changing climatic conditions. Methaneproducing archaea present in these ecosystems produce CH4 under anaerobic conditions. Soil CH4 emissions are controlled by the depth of the anaerobic and aerobic layers, which are affected by variations in water table level (WTL). Here I addressed the role of trees, growing in drained peatland forests, on the CH4 balance, and discussed what could be the driving environmental variables affecting tree CH4 exchange. The Lettosuo site is a nutrient rich drained peatland forest in southern Finland. The measurement setup: 1) control plot 2) partially harvested plot without Scots pines to decrease evapotranspiration, which leads to higher WTL. The partial harvest at Lettosuo simulates real world selective cutting giving more value to this study. Tree stem fluxes were measured over two summers (May-Sept 2016 and 2017). All the species emitted CH4 from the stems and the emissions decreased in the order: downy birches, Scots pines, Norway spruces. According to the linear mixed-effects model, WTL significantly affected the CH4 emissions from the stems of downy birches (p<0.05). Also different chamber designs (box-shaped and cylinders) were used during the measurement campaign. We found that observed CH4 fluxes differ from each other largely depending on the chamber design.

Meteorologisten suureiden, kuten lämpötilan, kaksi- tai kolmiulotteisia hilakenttiä tuotetaan analyysijärjestelmien avulla. Näitä kenttiä käytetään esimerkiksi päivittämään lähituntien sääennusteita ja tarkan resoluution vuoksi niiden avulla voidaan myös tutkia mm. mesoskaalan ilmiöitä. Ilmatieteen laitoksella on käytössään useita erilaisia analyysi- ja nowcast-malleja, joiden osuvuutta tässä tutkielmassa selvitetään. Tarkoituksena on luoda kokonaiskuva kolmen eri järjestelmän pinta-analyysien vahvuuksista ja heikkouksista Suomen alueella. Analyysivertailuun valikoitui malleja, joista kahden kehitykseen tai optimointiin on osallistuttu Ilmatieteen laitoksella (LAPS-analyysimalli ja pohjoismaiseen yhteistyöhön perustuva MEPS-nowcast) ja yhtä kehitetään Norjassa (ns. METNO-analyysi). METNO:n lämpötila-analyysissa hyödynnetään perinteisten havaintolähteiden lisäksi kansalaisten omistamien Netatmo-asemien keräämää havaintotietoa, minkä vuoksi se valikoitui mukaan verifiointiin. 434 Suomen alueella sijaitsevan Netatmo-aseman havaintoja päädyttiin myös osin käyttämään tutkielman verrokkiaineistona 197 suomalaisen SYNOP-aseman lisäksi, sillä näin voitiin hyödyntää malleille riippumatonta havaintoaineistoa METNO:n lämpötila-analyysia lukuun ottamatta. Suureista lämpötilan ja merenpintapaineen analyysit ovat laadukkaimpia perustuen tässä tutkimuksessa tehtyyn lineaariseen regressioanalyysiin, kun taas kosteuden ja tuulen kohdalla hajontaa mallin ja havaintojen välillä on runsaammin. Paineanalyysien välillä ei ole juurikaan eroja, kun taas selkein ero kyvykkyydessä on huomattavissa tuulianalyyseissa, joista LAPS-analyysien verifiointitulokset ovat parhaimmat. Kahdesta LAPS-versiosta MEPS-säämallia taustakenttänään käyttävä LAPS-analyysi on tässä tutkimuksessa myös laadukkain kosteuden tapauksessa sekä riippuvan että riippumattoman havaintovertailun perusteella. Maantieteellisesti haastavimmiksi alueiksi analyyseille on tutkimuksessa havaittu Lappi sekä LAPS-järjestelmän tapauksessa rannikkoalueet. Norjalaista lämpötila-analyysia voidaan pitää etenkin SYNOP-vertailun pohjalta analyyseista parhaimpana. Ilman laatuvarmistettua ja riippumatonta asemavertailua on kuitenkin vaikea määrittää, mikä on Netatmo-asemien tuoma lisäarvo analyysissa. Tulevaisuudessa laadukkaan ja riippumattoman havaintoaineiston käyttö täydentäisi hyvin tätä tutkimusta ja se voitaisiin suorittaa esimerkiksi pidättämällä pieni SYNOP-asemajoukko analyyseista.

Tuulihavaintojen edustavuus riippuu mittauspaikan ympäristöstä. Havainnot tulisi tehdä 10 metrin korkeudessa hyvin avoimella ja tasaisella mittauspaikalla, jonka rosoisuus vastaa ideaalisen nurmikentän rosoisuutta 0,03 metriä. Tällaiset referenssimittauspaikat ovat harvinaisia. Suomen sääasemilla ympäristö vaihtelee avoimesta merestä rosoiseen metsään ja mittauskorkeudet ulottuvat vajaasta 10 metristä yli 40 metriin. Näillä asemilla mitatut tuulet tulee muuntaa potentiaalituuliksi, jotta eri asemien tuulet olisivat keskenään vertailukelpoisia. Suomen sääasemilla mitataan nyt myös tuulen nopeuden ajallista vaihtelua tuulen nopeuden hajontasuureen avulla. Sen suuruus riippuu ympäröivän maaston rosoisuudesta ja esteistä. Tutkielmassa käytän uutta hajontasuuretta yhdessä tuulen 10 minuutin keskiarvojen kanssa ja lasken kunkin mittauspaikan keskimääräisen turbulenssin intensiteetin eli tuulen nopeuden hajonnan ja keskiarvon suhteen kullekin tuulen suunnalle. Tämän avulla määritän mittauspaikkojen ympäristön rosoisuuden ja tuulen korjauskertoimet kullekin tuulisektorille. Korjauskertoimien avulla tuulihavainnot muunnetaan potentiaalituuliksi, joissa kunkin mittauspaikan mittauskorkeus ja ympäristön rosoisuus on korjattu vastaamaan 10 metrin referenssikorkeutta ja -rosoisuutta. Olen laskenut jokaiselle Suomen 168 tuulen mittauspaikalle niiden turbulenssin intensiteetit, rosoisuudet ja potentiaalituulen korjauskertoimet. Tutkielmassa tarkastelen, miten menetelmä toimii Suomessa erilaisilla asemilla ja eri vuodenaikoina sekä maalla että merellä. Hajontamittaukset vaikuttavat luotettavilta ja maa-alueiden rosoisuuksien vuodenaikavaihtelu vastaa hyvin kokemuksia. Merialueilla rosoisuus määritetään tutkielmassa Charnockin yhtälöllä turbulenssin intensiteetin sijaan, koska aallokon rosoisuus muuttuu koko ajan tuulen mukaan. Maa- ja merialueiden rosoisuuksista määritetyt korjauskertoimet vaikuttavat johdonmukaisilta ja niiden avulla lasketut potentiaalituulet ovat keskenään vertailukelpoisia.

Tämän meteorologian pro gradu -tutkielman tarkoituksena on etsiä mahdollisia yhteyksiä sääparametrien ja kaukolämmön tuotannon välillä. Tutkielma perustuu Etelä-Suomen rannikolla sijaitsevan kaupungin kaukolämmön tuotantotietoihin vuosina 2015 – 2018 ja vastaavan ajanjakson säähavaintoihin kyseisellä paikkakunnalla. Tutkielmassa yhteyksiä etsitään tilastollisia menetelmiä käyttäen korrelaatio- ja regressioanalyysien avulla. Tulosten perusteella ulkoilman lämpötilan vaikutus lämmöntarpeeseen on suuri, mutta sen sijaan muiden sääsuureiden vaikutus on vähäistä. Lisäksi sosiaalisten vaikutusten, kuten lämmöntarpeen vuorokausi- ja viikonpäivävaihtelun huomioiminen on tärkeää. Lämmöntarpeen ennustaminen onnistuu parhaiten regressiomallin avulla, jossa huomioidaan sekä ulkoilman lämpötila että sosiaaliset vaikutukset. Lämmöntarpeen ennustetarkkuus parani huomattavasti mallin rajoittuessa pelkästään ns. lämmityskaudelle eli loka-maaliskuun väliselle ajanjaksolle. Mallin havaittiin epäonnistuvan erityisesti tilanteissa, joissa ulkoilman lämpötila muuttuu nopeasti. Ennustetarkkuuden parantamiseksi malliin tulisikin lisätä mallin hitauteen liittyvä komponentti. Tutkielma on tarkoitettu niin meteorologia- kuin insinööritaustaisille lukijoille. Meteorologiataustaisille lukijoille tutkielman tarkoitus on kertoa lyhyesti kaukolämpöjärjestelmistä ja niihin liittyvästä tekniikasta. Meteorologiasta tietämättömille lukijoille puolestaan on tarkoitus luoda kuva eri sääsuureista ja niiden välisistä yhteyksistä sekä säähavaintojen teosta että säänennustamisesta. Näin lukija saa myös käsityksen säänennustamiseen liittyvistä epävarmuuksista, jotka on hyvä tiedostaa kaukolämmöntarpeen arvioinnin perustuessa suurelta osin lämpötilaennusteeseen.

Tässä tutkielmassa tutkittiin säteilypakote-käsitteen oppimista Ilmasto.nyt-kurssilla ja kurssin taustamuuttujien vaikutusta kurssin suorittamiseen. Kurssi on monitieteinen ja se toteutettiin monimuoto-opetuksena. Ilmasto.nyt-kurssille osallistui monella tapaa heterogeeninen opiskelijajoukko. Kurssin suoritti vuosina 2016 ja 2017, 172 opiskelijaa, joista 38 otettiin mukaan tähän tutkimukseen. Kurssille osallistuneita tutkittiin sukupuolen, opiskeluvuoden, tiedekunnan, vastausten pituuden ja suorituskielen mukaan. Tutkimuksessa havaittiin että 5.-6. vuoden opiskelijat ja äidinkielellä vastanneet saivat muita parempia arvosanoja. Pidemmät vastaukset paransivat arvosanoja keskimäärin. Opiskelijat valitsivat kysymyspatterista vastattavaksi erilaisia kysymyksiä riippuen opiskelijan tiedekunnasta. Kurssia arvioitiin haastavaksi, mutta hyödylliseksi ja kattavaksi. Tutkimuksessa käytettiin tilastollisia menetelmiä, eri taustamuuttujien ja arvosanojen välisten riippuvuuksien selvittämiseksi.

Air pollution is the most severe environmental problem in the world in terms of human health. The World Health Organisation (WHO) estimates that 91% of the world's population is exposed to high air pollutant levels. The risks are particularly high in urban areas, where often high population densities are combined with high air pollutant levels. Urban street canyons are especially prone to high pollutant levels due to the proximity of traffic and reduced exchange of air with the street canyon and air above, referred to as ventilation. As a result, one of the most important topics in city planning is how to avoid designs that impact the air quality negatively. Street trees are often planted in street canyons for aesthetic purposes while they can also improve thermal comfort. The air quality within street canyons is affected by street trees in two ways. They provide leaf surface for air pollutants to deposit on, thus cleaning the air. On the other hand, they block the airflow within the street canyon, thus decreasing the ventilation of air pollutants. In previous studies the latter effect has generally been found stronger. However, due to the various benefits of street trees, leaving them completely out from street canyon designs is rarely an option. The City of Helsinki is planning to develop its current inbound motorways into city boulevards which has raised concerns towards the local air quality levels due to high projected traffic rates. The aim of this study was to find which of five street-tree scenarios, realistic for the city boulevards, is the best in terms of air quality. Pedestrian-level aerosol mass concentrations were used as the measure of air quality. Furthermore the impacts of vegetation and dependency of aerosol mass concentrations on various flow statistics were studied in order to explain the differences between the scenarios. Large-eddy simulation (LES) model PALM was utilised to study the flow field above and within a city boulevard and to model the dispersion of traffic-related aerosols. Aerosol particles of different sizes were represented using a sectional aerosol model SALSA. The suitability of the used LES setup for such intercomparison studies was also investigated. The results showed that the street trees have generally a considerable negative impact (-2% to 54%) on pedestrian-level aerosol mass concentrations. Trees were find to reduce the mean wind speeds within the street canyon, which correlated strongly with the pedestrian-level concentrations. This was particular with a parallel wind direction to the street canyon due to decreased ventilation. Turbulence produced by the street trees was partially able to compensate for the reduced ventilation in some scenarios. The increased turbulence could be observed up to heights exceeding the maximum building height. Based on the results, it is recommended to prefer variable-height street-tree canopies over uniform ones within street canyons similar to the studied one. Uneven canopy increases turbulence and related pollutant transport which partially compensates decreased ventilation due to decreased wind speeds. It is also recommendable to consider minimising the ratio of the total crown volume to the street canyon volume, as ventilation decreases sharply as the ratio increases.