Browsing by study line "Meteorology"

Global warming is rapidly reducing the Arctic sea ice cover. Along with its major impacts in the Arctic, the sea ice loss is known to affect the climate in remote continental areas. In this thesis, the remote effects are studied by analysing data from experiments carried out using the ECHAM6 atmospheric general circulation model forced with simple sea ice concentration and sea surface temperature configurations. The European and Asian midlatitude winter responses of surface air temperature are investigated, together with anomalies of variables potentially affecting them: sea level pressure, thermal advection, adiabatic and diabatic heating and surface energy fluxes. Arctic sea ice loss was found to have contributed weakly to the European warming from the 1980s to the 2010s. With sea ice and sea surface temperature conditions projected for 2071–2100, the warming response was about 1 °C relative to the 1979–2008 climatology, despite a negative North Atlantic Oscillation phase response. In Asia, the model simulates slight cooling of about 0.5 °C east of the Urals in the past and in the eastern parts of the continent in the future. However, the cooling responses are overwhelmed by the warming effect of global forcings. The effects of internal variability are large, and the role of the thermodynamic processes and surface energy fluxes in the link between the Arctic and Eurasia is not very clear. However, the temperature responses are mostly consistent with previous research, even though the model does not capture the observed past changes well.

TROPOMI eli TROPOspheric Monitoring Instrument on lokakuussa 2017 Sentinel-5 Precursor -satelliitin mukana laukaistu spektrometri, joka mittaa useiden eri ilmakehän hivenkaasujen pitoisuuksia, aerosoleja sekä pilviä. Se on samalla myös uusin ja resoluutioltaan tarkin typpidioksidin (NO2) pitoisuuksia mittaava satelliitti-instrumentti. NO2:ta havainnoivien satelliitti-instrumenttien mittaukset perustuvat ilmakehästä siroavaan auringon valoon, minkä perusteella niiden algoritmit laskevat ilmakehässä olevien NO2-molekyylien lukumäärän käyttäen apuna erilaisia syötetietoja. Saadussa tuloksessa on tämän vuoksi paljon erilaisia virhelähteitä, minkä vuoksi satelliitti-instrumenttien mittausten oikeellisuutta seurataan jatkuvasti vertaamalla niitä erilaisiin referenssiaineistoihin. Tällaista seurantaa kutsutaan myös instrumentin validoinniksi, ja se on erityisen tärkeää uusien instrumenttien kuten TROPOMIn tapauksessa. Tässä työssä validoidaan TROPOMIn NO2-mittaukset käyttäen Helsingin Kumpulassa sijaitsevan Pandora-referenssi-instrumentin mittauksia. Tämän lisäksi TROPOMIn herkkyyttä lähellä maanpintaa tapahtuville pitoisuusvaihteluille arvioidaan vertaamalla sen mittauksia Kumpulassa sijaitsevan in situ -ilmanlaatuaseman mittauksiin. Lopuksi arvioidaan TROPOMIn ja Pandoran mittausten ja niiden välisen vastaavuuden riippuvuutta rajakerroksen paksuudesta ja siellä vallitsevasta tuulesta. Tutkimus ajoittuu 19.4.–29.9.2018 väliselle ajalle. Vertailuissa tarkastellaan erityisesti instrumenttien mittausten välisiä eroja (TROPOMI – Pandora) ja niiden keskiarvoa, erojen suhteellisia arvoja (suhteessa Pandoraan) ja niiden mediaania, sekä mittausten välistä Pearsonin korrelaatiokerrointa. Näiden tunnuslukujen riippuvuutta ajasta tarkastellaan eripituisia aikavälejä kattavien aikasarjojen avulla. Tulosten mukaan TROPOMIn ja Pandoran mittausten välinen Pearsonin korrelaatiokerroin on 0,66 ja niiden välisten suhteellisten erojen mediaani 12,1 %. Tätä voidaan pitää hyvänä tuloksena, sillä TROPOMIlle asetettu suhteellisten erojen tavoite on enintään 30 %. Positiivinen arvo on kuitenkin epätyypillinen kaupungissa tehtävälle validoinnille, mikä voi tarkoittaa Kumpulan alueen edustavan pitoisuuksiltaan enemmän tausta-aluetta kuin tyypillistä kaupunkiympäristöä. Mittausten välisen korrelaation havaittiin riippuvan rajakerroksen paksuudesta, mikä voi johtua TROPOMIn tulkinta-algoritmin käyttämästä NO2:n pystyprofiilista tai paksussa rajakerroksessa tapahtuvasta voimakkaammasta sekoittumisesta. Asian selvittäminen edellyttää kuitenkin lisätutkimuksia. Lopuksi TROPOMIn todettiin olevan herkkä viikon- ja päivänsisäisille pitoisuusvaihteluille Pandora-instrumenttiin verrattuna, mikä on lupaava tulos TROPOMIn mahdollisten ilmanlaadun seurantaan liittyvien sovellusten kannalta. TROPOMIn parantuneen resoluution vaikutus on tutkimuksessa nähtävissä aiempiin instrumentteihin verrattuna parantuneena korrelaationa ja positiivisempina mittauseroina, sekä herkkyytenä päivänsisäisille pitoisuusvaihteluille. TROPOMIn voidaankin odottaa tulevaisuudessa lisäävän satelliittipohjaisten NO2-mittausten käyttökohteita.

Säätutkia käytetään sadealueiden liikkeiden ja sateen voimakkuuden arvioimisen. Säätutkan toimintaperiaate perustuu sille, että sen lähettämä mikroaaltopulssi siroaa ilmakehässä olevista partikkeleista kuten vesipisaroista ympäristöönsä, jolloin pieni osa lähetetystä pulssista heijastuu takaisin kohti tutkaa. Tutka vastaanottaa palanneen pulssin ja arvioi sen perusteella sadealueita. Säätutkat ovat mittalaitteita, jotka vaativat toimiakseen säännöllistä huoltoa ja mittaustulosten validointia. Säätutkan kalibrointi on monessa mielessä haasteellista. Tutka on kaukokartoituslaite, jonka keräämä data kattaa alueen aina 250 km säteelle tutkasta. Se ei mittaa suoraan sademäärää, kuten sademittarit yleensä, vaan arvio sen välillisesti tutkaheijastuvuuden kautta. Tämän tutkimuksen tarkoitus on tarkastella uutta mahdollista kalibrointimenetelmää. Uusi menetelmä käyttäisi pienoissadetutkaa MRR-2 vertailukohtana. Myös MRR-2 mittaa tutkaheijastuvuustekijää, joten se voisi olla hyvä vertailupari säätutkalle. Tasaisen sateen otoksessa vuosien 2015-2018 kesäsateissa säätutkan WRM200 ja pienoissadetutkan MRR-2 vertailupisteihin sovitetun suoran yhtälö on 𝑍(𝑊𝑅𝑀200) = 0.83 𝑍(𝑀𝑅𝑅−2) + 2.01, jossa 𝑍(𝑊𝑅𝑀200) on säätutkan ja 𝑍(𝑀𝑅𝑅−2) on pienoissadetutkan mittaama tutkaheijastuvuustekijä. Tasaisessa sateessa otoksen RMS-virhe on 3,36 dB. Konvektiivisen sateen otoksessa vastaava yhtälö on 𝑍(𝑊𝑅𝑀200) = 0.77 𝑍(𝑀𝑅𝑅−2) + 3.70 ja RMS-virhe 5,36 dB. Tasaisessa sateessa verrattavuus on konvektiivisessa sateessa tehtyä vertailua parempi. Tutkimus sisältää pohdintaa tuloksiin vaikuttavista tekijöistä sekä pohdintaa MRR-2:n soveltuvuudesta vertailulaitteeksi säätutkan kalibrointiin. Tutkimuksen pohjalta vaikuttaa siltä, että vaikka vertailunasettelu pyritään tehdä mahdollisimman vakaaksi, ei virhetekijöitä voida sulkea pois. Näin ollen tämän kaltaisella asettelulla ei voida suorittaa tarkkaa säätutkan kalibrointia.