Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Browsing by master's degree program "Magisterprogrammet i atmosfärsvetenskaper"

Sort by: Order: Results:

  • Mickwitz, Valter (2022)
    Utveckling inom masspektrometri har varit en av de drivande faktorerna för de senaste decenniernas framsteg inom förståelsen av atmosfärens kemi. Den data som samlas in med hjälp av masspektrometri är en av de största tillgångarna för fortsatt utveckling av kunskapen inom detta område. Dock är analysen av denna data en långsam och arbetsdryg process, och nya metoder krävs för att göra tillgänglig all den information som finns att utnyttja inom denna data. Den här avhandlingens mål var att utveckla en algoritm för automatisk identifiering av kemiska sammansättningar ur masspektrum med begränsad resolution. Målsättningen för algoritmen är att avsevärt minska på den tid som krävs för analys av masspektrum. Algoritmen fungerar genom att välja sammansättningar som maximerar sannolikheten att observera den data som observerats ($\chi^2$-anpassning) och väljer sedan den mest kostnadseffektiva modellen. Den mest kostnadseffektiva modellen syftar på den modell som nöjaktigt kan förklara data med så få sammansättningar som möjligt. För att identifiera den mest kostnadseffektiva modellen användes en modifierad version av det Bayesiska informationskriteriet. Algoritmens funktionsprinciper vidareutvecklades utgående från resultaten som erhölls från test av algoritmen med syntetisk data. Den slutliga algoritmen testades med data som samlats in i samband med tidigare experiment. Algoritmens resultat jämfördes med resultaten för analysen som gjordes i samband med experimenten. På basen av resultaten fungerar algoritmen. De val algoritmen gör motiveras av data, och motsvarar i de flesta fall de val som en forskare gör vid motsvarande tillfällen. Således kan algoritmen i sin nuvarande form tillämpas för analys av masspektrum, och förväntas kunna förkorta den tid som krävs för att identifiera kemiska sammansättningar ur masspektrum betydligt. Dock identifierades också ett antal utvecklingsområden som förväntas förbättra algoritmens prestation ytterligare.
  • Soininen, Jesse (2023)
    In order to reliably quantify the impact of cities to the climate change, carbon dioxide (CO2) fluxes from urban areas need to be accurately estimated. Currently, eddy covariance (EC) measurements of net ecosystem exchange (NEE) are among the most used methods for CO2 balance assessment at ecosystem scale. They cannot, however, directly separate gross primary production (GPP) from different sources of CO2 , but instead different tracers and methods need to be used for the separation. In this thesis, urban carbonyl sulfide (COS) fluxes are reported and used as a tracer for biogenic CO2 uptake. For estimating GPP, a leaf-relative uptake (LRU) of CO2 and COS during photo- synthesis has to be calculated. Three different methods for ecosystem scale LRU estimations are compared in order to find which performs the best at assessing urban GPP from EC measurements. LRUNEE method is based on averaging LRU obtained directly from an equation using EC measurements of CO2 and COS. LRUP AR uses parameterisation of photosynthetically available radiation (PAR) to estimate LRU, and LRUCAP uses additional environmental parameters and information of soil water content (SWC), water vapour pressure deficit (VPD) and PAR. EC measurements were conducted at SMEAR III station (ICOS ecosystem associate site) in Helsinki during summer 2022 using a quantum cascade laser gas analyser. Mole fractions of COS, CO2, CO, and water vapour were collected with 10 Hz frequency, together with three-dimensional wind speed measurements. 30-min fluxes were calculated and used for estimating LRU and GPP with the three methods above. Source area of the station was divided into urban, street, and vegetation sectors. To compare different LRU methods, EC measured GPP from vegetation sector was used because it had the smallest anthropogenic emissions. CO and COS fluxes were compared to estimate co-emissions from fuel combustion. Median COS flux of −25.5 pmol m−2 s−1 was measured, indicating a biogenic CO2 uptake in the study area. For simplicity, soil related COS fluxes were neglected. LRUPAR performed the best at estimating GPP, giving an average CO2 uptake of 13.9 μmol m−2 s−1 for the vegetation sector. Furthermore, peak median anthropogenic emissions of 9.1 μmol m−2 s−1 were deduced with LRUPAR, which agrees with earlier research. However, due to problems with instrumentation the data collection period was so short that distinction between LRUPAR and LRUCAP was not unambiguous. Clear is that setting a constant value for LRU leads to significant underestimation of GPP, and a misunderstanding of its behaviour in heterogeneous urban landscape. Further development of COS based GPP estimation should include a more careful instrumentation and revision of the parameterisation of LRUCAP method.
  • Paakkanen, Elias (2022)
    Tässä työssä on tutkittu Euroopan ja Pohjois-Atlantin talvi-ilmaston muuttumista 30-vuotisjaksojen 1961–1990 ja 1991–2020 välillä. Aineistona on käytetty Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskuksen (ECMWF) kehittämää ERA5-uusanalyysidataa, jossa on assimiloitu havaintoja sääennustusmallin tuottamaan alkuarvauskenttään. Karttakuvat on piirretty niin ikään ECMWF:n kehittämällä ohjelmistolla, Metviewillä. Lämpötilan muutoksen pystyleikkauskuvan piirtämiseen on puolestaan käytetty Pythonin numpy- ja matplotlib.pyplot -kirjastoja. Työssä on tarkasteltu ilmanpaineessa, suihkuvirtauksessa, lämpötilassa, pystyliikkeissä, kosteudessa ja sademäärässä tapahtuneita muutoksia. Ennen varsinaisia tuloksia tutkielmassa on selitetty meteorologisiin suureisiin liittyvää fysikaalista teoriaa: miten paine, lämpötila ja tiheys ovat riippuvaisia toisistaan, kuinka geostrofinen tuuli syntyy sekä mitkä tekijät vaikuttavat sateen syntyyn. Kaikissa tarkasteltavissa suureissa on havaittu muutoksia. Lämpötilat ovat nousseet lähes koko Euroopan ja Pohjois-Atlantin alueella: eniten Pohjois-Euroopassa ja Pohjoisella jäämerellä sekä vähemmän Etelä-Euroopassa. Ilmanpaine on noussut Pohjois-Euroopassa ja Pohjois-Atlantin pohjoisosassa sekä laskenut Etelä-Euroopassa ja Pohjois-Atlantin eteläosassa. 250 hPa:n painepinnan Pohjois-Atlantin keskimääräinen suihkuvirtausmaksimi on voimistunut ja liikahtanut hieman pohjoisemmaksi. Sademäärät ja ilman sisältämän vesihöyryn määrä ovat kasvaneet Pohjois-Euroopassa ja pienentyneet Etelä-Euroopassa. Nousu- ja laskuliikkeet ovat monin paikoin voimistuneet. Muutosten tilastollisen merkitsevyyden tutkimiseen on käytetty Studentin kaksisuuntaista t-testiä. Alatroposfäärin lämpötilan muutos on eniten tilastollisesti merkitsevä, mutta muidenkin suureiden muutoksissa tilastollista merkitsevyyttä havaittiin laajalti. Tämä on loogista, sillä lämpötilan muutokset ovat kytköksissä myös muiden suureiden muutoksiin. Aiheesta on tehty myös aiemmin tutkimuksia, joiden tulokset ovat pääosin yhteensopivia tämän työn tulosten kanssa. Ainoastaan 500 hPa:n painepinnan geopotentiaalikorkeuden trendissä oli pientä eroavaisuutta. Tässä tutkielmassa muutosten tilastollinen merkitsevyys oli suurempaa kuin aiemmissa tutkimuksissa.
  • Lee, Hei Shing (2021)
    In atmospheric sciences, measurements provided by remote-sensing instruments are crucial in observing the state of atmosphere. The associated uncertainties are important in nearly all data analyses. Random uncertainties reported by satellite instruments are typically estimated by inversion algorithms (ex-ante). They can be incomplete due to simplified or incomplete modelling of atmospheric processes used in the retrievals, and thus validating random uncertainties is important. However, such validation of uncertainties (or their estimates from statistical analysis afterwards, i.e. ex-post) is not a trivial task, because atmospheric measurements are obtained from the ever-changing atmosphere. This Thesis aims to explore the structure function method – an important approach in spatial statistics – and apply it to total ozone column measurements provided by the nadir-viewing satellite instrument TROPOMI. This method allows us to simultaneously perform validation of reported ex-ante random uncertainties and to explore of local-scale natural variability of atmospheric parameters. Two-dimensional structure functions of total ozone column have been evaluated based on spatial separations in latitudinal and longitudinal directions over selected months and latitude bands. Our results have indicated that the ex-post random uncertainties estimated agree considerably well with the reported ex-ante random uncertainties, which are within 1-2 DU. Discrepancies between them are very small in general. The morphology of ozone natural variability has also been illustrated: ozone variability is minimal in the tropics throughout the year, whereas in middle latitudes and polar regions they attain maxima in local spring and winter. In every scenario, the ozone structure functions are anisotropic with a stronger variability in the latitudinal direction, except at specific seasons in polar regions where isotropic behaviour is observed. Our analysis has demonstrated that the structure function method is a remarkable and promising tool for validating random uncertainties and exploring natural variability. It has a high potential for applications in other remote sensing measurements and atmospheric model data.
  • Zhang, Xinfang Jr (2022)
    To evaluate whether CMIP6 models provide good simulation in Arctic sea-ice extent, thickness, and motion, selected 6 CMIP6 models are EC-Earth3, ACCESS-CM2, BCC-CSM2-MR, GFDL-ESM4, MPI-ESM1-2-HR, NORESM2-LM. For CMIP6 models and observations, seasonal cycle and the annual variation from 1979-2014 of sea-ice extent were studied, for sea-ice thickness and sea-ice motion, the Arctic is separated into three regions, geographical distribution, inter-annual variation from 1979-2014, seasonal cycle, and trend were studied. Then student t-test is used to evaluate whether the model output has a significant difference from observation, to select the best model(s). For sea-ice extent, EC-Earth3 is overestimating sea-ice extent, especially in winter, BCC-CSM2-MR model underestimates sea-ice extent, ACCESS-CM2, MPI-ESM1-2-HR, NorESM2-LM models perform the best. For sea-ice thickness, BCC-CSM2-MR underestimates sea-ice thickness, EC-Earth3, ACCESS-CM2, and NORESM2-LM models are overestimating sea-ice thickness. GFDL-ESM4 and MPI-ESM1-2-HR have the best performance at sea-ice thickness simulation. For sea-ice motion, the MPI-ESM1-2-HR model overestimates sea-ice drifting speed all year round, ACCESS-CM2 model tends to overestimate sea-ice drifting speed in summer for region1 and region2, in region3 ACCESS-CM2 model mostly overestimate sea-ice motion except winter months. NorESM2-LM model has the best performance overall, and ACCESS-CM2 has the second-best simulation for region1 and region2. EC-Earth3 also has a satisfactory simulation for sea-ice motion. Models and observation also agree on common results for sea-ice properties: Maximum sea-ice extent occurs in March, and minimum sea-ice extent occurs in September. There's a decreasing trend of sea-ice extent. The Central Arctic and Canadian Archipelago always have the thickest sea ice, followed by the East Siberian Sea, Laptev Sea, and Chukchi Sea, Beaufort Sea. East Greenland Sea, Barents Sea, Buffin Bay, and the Kara Sea always have the thinnest sea ice. There's a decreasing trend for sea-ice thickness according to models, sea-ice is thicker in the Chukchi Sea and the Beaufort Sea than in Laptev and East Siberian seas. Winter sea-ice thickness is higher than in summer, and sea-ice thickness has a more rapid decreasing rate in summer than in winter. Laptev and the East Siberian Sea have the most rapidly sea-ice thinning process. Sea-ice thickness has seasonal cycle that maximum usually occurs in May, and minimum sea-ice thickness happens in October. For sea-ice motion, there's an increasing trend of sea-ice motion, and summer sea-ice motion has faster sea-ice motion than winter, Chukchi Sea, and the Beaufort Sea has faster sea-ice motion than Laptev and the East Siberian Sea. Corresponding with the comparatively faster-thinning in the Laptev and the East Siberian Seas simulated by models, there's also a faster increasing rate in the Laptev and the East Siberian Sea.
  • Franzon, Lauri (2023)
    The oxidation mechanisms of atmospheric organic compounds are an important puzzle piece for many atmospherically relevant topics, including but not limited to air quality and climate change. One poorly understood step in this oxidation process is peroxy radical recombination, in some conditions the most important sink reaction for peroxy radicals, which are formed in abundance due to gas phase reactions in the lower troposphere. After a few initial steps, the peroxy radical recombination reaction results in the ejection of O_2 leaving behind a pair of alkoxy radicals in close proximity. This reactive complex has three known reaction pathways: Hydrogen shift forming an alcohol and a carbonyl compound, radical recombination forming a ROOR dimer, and diffusive break-up forming two free alkoxy radicals. In this thesis, alkoxy bond scission followed by radical recombination resulting in the formation of a ROR is proposed as a fourth reaction pathway. To test the hypothesis, computational chemistry was used to determine alkoxy bond scission rates for radicals of atmospheric significance, and gas-phase oxidation experiments were realized on three peroxy radical precursor molecules to look for signs of ROR formation. More precisely, the Eyring equation was used to calculate the rate of alkoxy bond scission on a potential energy surface determined using density functionals, with corrections to electronic energy using coupled-cluster calculations. In the experiments, liquid phase alkenes were vaporized, and oxidized by O_3 in the gas phase, resulting in peroxy radical formation, after which the possible dimers were detected using a NO_3^- -atmospheric pressure chemical ionization time-of-flight mass spectrometer. A highly oxidized radical reaction partner was present in the chamber to improve the detectability of the formed dimers. The combined results of these two approaches suggest that the reaction pathway is possible in standard atmospheric conditions and may thus be important for a number of peroxy radicals.
  • Graeffe, Frans (2019)
    Atmospheric aerosols affect the Earth's radiative balance, visibility and human health. Therefore the formation processes and growth of these particles are important and should be studied to understand how human and natural processes affects these processes. One poorly understood and relatively little studied part of aerosols is particulate organic nitrates (pONs). These pONs are mostly formed during nighttime when NOx, mainly emitted from fossil fuel combustion and industrial processes, and volatile organic compounds (VOCs), from both natural and anthropogenic sources, reacts in the atmosphere. The quantification of these pONs is still hard due to instrumental restrictions, although much improvement has happened during recent years. One main reason for these challenges is the difficulty to separate inorganic nitrates from organic nitrates with real-time instruments. During this work, we generated pure pON in well controlled laboratory conditions and sampled it with an Aerosol Mass Spectrometer (AMS), an instrument widely used for measuring the chemical composition of atmospheric aerosols. We used four different pON precursors to generate pON. I investigated the fragmentation patterns of pON detected by the AMS, utilizing the high resolution of the newest model of the AMS. As older versions of the AMS has difficulties to separate nitrate-containing organic fragments due to lower resolution than the AMS I used, I was able to study pON mass spectrum with better resolution than anyone before me. I found mass spectral differences for the different pON precursors, and was able to find unique fragments for some of the pON precursors that possibly can be used as marker fragments.
  • Karvinen, Mikael (2022)
    Tässä tutkielmassa tarkastellaan horisontaalisten gravitaatiovaihteluiden vaikutusta ilmakehän perusyhtälöihin sekä yksinkertaisen ilmakehämallin tuloksiin erilaisissa simulaatioissa. Työn motivointina oli tutkia putoamiskiihtyvyyden vaikutusta mallinnustarkkuuteen, koska se on yksi monista säänennustus- ja ilmastosimulaatioihin liittyvistä epätarkkuustekijöistä. Ilmakehän perusyhtälöt johdettiin aluksi uudelleen huomioimalla gravitaation vaihtelu vaakasuunnassa. Tämän jälkeen vastaavat yhtälömuutokset tehtiin SPEEDY-mallin lähdekoodiin, ja mallin avulla tehtiin simulaatioita gravitaatiovaihteluiden vaikutusten selvittämiseksi. Jotta tulosten analysointi olisi mahdollisimman helppoa, käytettiin simulaatioissa paljon yksinkertaistuksia. Näistä merkittävin oli mallimaapallon korvaaminen vesiplaneetalla. Yhtälömuutosten oikeellisuus mallissa verifioitiin yhden aika-askeleen kokeilla, minkä jälkeen muokatuille perusyhtälöille tehtiin suuruusluokka-analyysi. Analyysin perusteella gravitaatiovaihteluista aiheutuvat lisätermit olivat pääosin yhdestä kahteen kertaluokkaa yhtälöiden muita termejä pienempiä. Lopuksi tehtiin kymmenen vuoden simulaatioita, joissa tarkasteltiin niin sanotun normaaligravitaatiojakauman vaikutuksia mallin tuloksiin. Näissä kokeissa havaittiin, että meteorologisten suureiden anomaliat olivat pääosin maltillisia, mutta eivät merkityksettömän pieniä. Esimerkiksi tuulikentässä havaitut muutokset olivat suurimmillaan noin 2 m/s, kun taas lämpötila-anomaliat jäivät globaalisti alle puoleen asteeseen. Meridionaalisen kiertoliikkeen anomaliassa havaittiin puolestaan selkeä antisymmetria pallonpuoliskojen välillä: intertrooppinen konvergenssivyöhyke siirtyi päiväntasaajalta leveyspiirin 10°S tienoille, kun taas leveyspiirillä 5°N nousuliike heikkeni. Lisäksi länsituulet hidastuivat pohjoisen pallonpuoliskon keskileveysasteilla, mutta voimistuivat eteläisellä pallonpuoliskolla. Tulosten perusteella aiheen tutkimista kannattaa jatkaa myös tulevaisuudessa.
  • Kuusisto, Minttu (2023)
    Tässä työssä on karakterisoitu uudentyyppisen ilmaisimen toimintaa haihtuvien orgaanisten yhdisteiden vesimittauksissa. Karakterisointi tehtiin ilmaisimelle, jota on aikaisemmin hyödynnetty vain maaperämittauksissa. Ilmaisimen toimintaa tutkittiin kolmen haihtuvan orgaanisen yhdisteen (asetonin, isopreenin ja metanolin) muodostamien eri väkevyisten vesiliuosten avulla. Ilmaisimen avulla vesiliuoksesta erotetut molekyylit analysoitiin protoninsiirtoreaktio-lentoaikamassaspektrometrilla (PTR-TOF-MS), jonka tuottama data analysoitiin Origin-datankäsittelyohjelmalla. Tutkielmassa perehdytään haihtuviin orgaanisiin yhdisteisiin, ilmaisimen rakenteeseen ja funktionaalisuuteen, diffuusioon, Henryn lakiin ja tulosten tilastolliseen merkitsevyyteen ennen varsinaisia mittaustuloksia. Tuloksissa pohditaan muun muassa virtausnopeuden, lämpötilan ja molekyylikoon vaikutusta vesiliukoisten haihtuvien orgaanisten yhdisteiden mitattuun signaaliin. Lisäksi tuloksissa esitetään arviot tutkitun lampinäytteen asetoni- ja metanolipitoisuuksista kevättalvella. Tämän työn karakterisointitutkimustulosten mukaan ilmaisin toimii kvalitatiivisesti ja loogisesti vesiliukoisten haihtuvien orgaanisten yhdisteiden mittauksissa. Mittauslämpötila vaikuttaa merkittävästi tarkasteltavien yhdisteiden signaalien intensiteetteihin, sillä diffuusio ja haihtuminen ilmaisimessa ovat tehokkaita verrattain korkeassa lämpötilassa. Toisin kuin vesiliukoisten yhdisteiden, rasvaliukoisten yhdisteiden käyttäytymistä ilmaisimessa ei tässä työssä ymmärretty kokonaan.
  • Nieminen, Elina (2022)
    The legislation of the Paris Agreement obliges Finland to pursue actions that keep the global average temperature rise below 2°C and aim to limit the average temperature rise to 1.5°C. The current Finnish government has aligned the national goal of carbon neutrality by 2035. The role of municipalities in promoting or compensating carbon sinks has not yet been defined, although municipalities play an important role as a platform for climate work at local and regional levels. However, it is already known that the Finnish National Climate Act, which is being reformed at this moment, will be subject to an obligation to produce their own climate programs at municipal, regional or provincial level. Environmental competence and environmental development have been important in Lahti for several decades already. The City of Lahti has set its target for carbon neutrality for 2025 and it includes targets for reducing, compensating, and increasing carbon sinks. This work focused on the examination of carbon sequestration and sinks in an urban environment in Lahti, in the example area of approximately 82 hectares, through which a wider understanding of the city's potential to grow coal stocks and sinks in a tight urban structure within different land use classes and different ground cover between them. Based on the Finnish Environment Agency's CORINE land cover classification, the current potential of carbon sequestration for urban land use classes were calculated in this work and the actions to increase carbon sequestration capacity were identified. The work examined the availability of the finished spatial data and to supplement incomplete information, existing literature on the topic was used, as well as other existing spatial records of the city of Lahti and previously made surveys. The largest carbon sink was observed in forest areas, of which in mixed forests representing the largest forest type in the area. Through the calculations and literature carbon sinks and stocks in residential areas were also found to be significant in terms of vegetation, as well as in terms of soil based on the literature review. In planting street and park trees for the purpose of increasing the carbon sink, the most important thing was found to be the long lifetime of trees and securing it. Growing of carbon sinks is most effective in areas where carbon sequestration is already at a high level but increasing vegetation cover in all urban land covers will increase the carbon sink in the long run. One major conclusion of the work was that Lahti's current method of determining carbon sinks and stocks has been inadequate at least for the determining them in built areas, and future measures to maintain, preserve and increase carbon stocks and sinks would not be seen by the same calculation method in the computing. In general, the research data and methods are still largely based on observations and results from the operational processes of natural ecosystems, and these are utilized in urban planning, construction, and maintenance of urban green areas. An incomplete knowledge of the ecological processes in urban areas is a problem that produced challenges in this work as well. More research data is needed on carbon sinks in urban land use classes to gain a more secure understanding of carbon sinks and stocks, although the common importance of vegetation in urban areas is already clear. Although the work focused on carbon in an urban environment, it is necessary to remember the diversity of the urban environment and the other ecosystem services it produces. Land use planning, as well as the management of green spaces in the urban environment, can enhance both the size of carbon storages and sinks and biodiversity and they do not have to be entirely separate from each other.
  • Köhler, Daniel (2023)
    Numerical weather prediction models are the backbone of modern weather forecasting. They discretise and approximate the continuous multi-scale atmosphere into computable chunks. Thus, small-scale and complex processes must be parametrised rather than explicitly calculated. This introduces parameters estimated by empirical methods best fit the observed nature. However, the changes to the parameters are changing the properties of the model itself. This work quantifies the impact parameter optimisation has on ensemble forecasts. OpenEPS allows running automated ensemble forecasts in a scientific setting. Here, it uses the OpenIFS model at T255L91 resolution with a 20 min timestep to create 10-day forecasts, which are initialised every week in the period from 1.12.2016 to 30.11.2017. Four different experiments are devised to study the impact on the forecast. The experiments only differ in the parameter values supplied to OpenIFS, all other boundary conditions are held constant. The parameters for the experiments are obtained using the EPPES optimisation tool with different goals. The first experiment minimises the cost function by supplying knowledge regarding the ensemble initial perturbation. The second experiment takes a set of parameters with a worse cost function value. Experiments three and four replicate experiments one and two with the difference that the ensemble initial perturbations are not provided to EPPES. The quality of an ensemble forecast is quantified with a series of metrics. Root mean squared error, spread, and continuous ranked probability score are used with ERA5 reanalysis data as the reference, while the filter likelihood score is providing a direct comparison with observations. The results are summarised in comprehensive scorecards. This work shows that optimising parameters decreases the root mean square error and continuous ranked probability score of the ensemble forecast. However, if the initial perturbations are included in the optimisation the spread of the ensemble is strongly limited. It also could be shown that this effect is reversed if the parameters are tuned with a worse cost function. Nonetheless, when excluding the initial perturbations from the optimisation process, then a better model can be achieved without sacrificing the ensemble spread.
  • Leino, Henrik (2022)
    Low-level wind shear is a significant aviation hazard. A sudden reduction in the headwind along an aircraft flight path can induce a loss of lift, from which an aircraft may not be able to recover when it is close to the ground. Airports therefore use low-level wind shear alert systems to monitor wind velocities within the airport terminal area and alert of any detected hazardous wind shear. There exist three ground-based sensor systems capable of independently observing low-level wind shear: a Doppler weather radar-based, a Doppler wind lidar-based, and an anemometer-based system. However, as no single sensor system is capable of all-weather wind shear observations, multiple alert systems are used simultaneously, and observations from each system are integrated to produce one set of integrated wind shear alerts. Algorithms for integrating Doppler weather radar and anemometer wind shear observations were originally developed in the early 1990s. However, the addition of the Doppler wind lidar-based alert system in more recent years warrants updates to the existing radar/anemometer integration algorithms. This thesis presents four different replacement candidates for the original radar/anemometer integration algorithms. A grid-based integration approach, where observations from different sensor systems are mapped onto a common grid and integrated, is found to best accommodate central integration considerations, and is recommended as the replacement to the original radar/anemometer algorithms in operational use. The grid-based approach is discussed in further detail, and a first possible implementation of the algorithm is presented. In addition, ways of validating the algorithm and adopting it for operational use are outlined.
  • Aldana, Miguel Francisco (2021)
    Accuracy and general performance of weather radar measurements are of great importance to society due to their use in quantitative precipitation estimation and its role on flood hazard risks prevention, agriculture or urban planning, among others. However, radars normally suffer from systematic errors such as attenuation, misscalibration in Z field or bias in Zdr field, or random errors such as clutter, beam blockage, noise, non-meteorological echoes or non-uniform beam filling, which affect directly the rain rate estimates or any other relevant product to meteorologists. Impact of random errors is reduced by exploiding the polarimetric properties of polarimetric radars by identifying and classifying measurements according to their signature and a classification scheme based on the available polarimetric variables, but systematic errors are more difficult to address as they require a ’’true’’ or reference value in order to be corrected. The reference value can either be absolute or obtained from another radar variable. In reality, an absolute reference value is not feasible because we normally do not know what we are observing with the radar. Therefore, a way of assesing this issue is by elaborating theoretical relations between radar variables based on their consistency when measuring a volume with hydrometeors of known characteristics such as size and concentration. This procedure is known as self-consistency theory and it is a powerful tool for checking radar measurements quality and correcting offsets causing bias, misscalibration or attenuation. The theoretical radar variables themselves can be simulated using available T-Matrix scattering algorithms, that estimate the scattered phase and amplitude for a given distribution of drops of a given size. Information of distribution of drops of a given size, commonly referred as drop size distributions, can be obtained, for instance, from gauge or disdrometer measurements. Once the theoretical relations among radar variables are established, it is possible to check the consistency of, for instance, measured differential reflectivity with respect to differential reflectivity calculated as function of measured reflectivity, assuming the latter has been filtered properly, and any discrepancy between the observed and theoretical differential reflectivity can be thus attributed to offsets in the radar. This work thus presents a methodology for the revision of radar measurements filtering and quality for their improvement by correcting bias and calibration, using theoretical relations between radar variables through self-consistency theory. Furthermore, as the aforementioned issues are easier to track and resolve in the liquid rain regime of precipitation, this work presents a detailed description of methodologies to exclude ice-phased hydrometeors such as the melting layer detection algorithm and its operational implementation along with other complementary filters suggested in the literature. Examples of the melting layer detection and filtering as well as self-consistency curves for radar measurement performance evaluation are also provided.
  • Erkkilä, Anttoni (2021)
    Gulf of Bothnia was simulated with NEMO sea model and LIM3 sea ice model. The results were used to count ice area, ice thickness, ice season length and the dates for freezing ang thawing. Results contained years from 1975 to 2059 but only years from 2006 were mostly used. Before 2006 the model was forced with a statistical history run. It was compared to thickness observations and the ice model was considered reliable enough. Atmospheric forcings became from three earth system models and two emission scenarios. With smaller emissions results about ice conditions and its trends vary between model runs with different focings a lot more than with higher emissions. In many case a propability distribution was used on results unlike on earlier similar researches which have mostly used only medians of ice parameters. Propability distribution for ice area was made using cumulative Gumbel probability distribution which enabled counting time periods longer than the time series. It also increased the reliability of extreme results. According to the results the northen part of the Bay of Bothnia freezes in every winter at 2050s. Ice thickness is 80cm at the most and median is 50cm. In almost every result southern part of the Bothnian Sea has over 50% chance for ice to occur and the median of thickness is more than 10cm. Length of the ice season close to 2050s can exeed 150 days often at the northen Bay of Bothnia but elsewhere it is closer to 100 days and varies a lot. The counted propability distributions for ice area let us suspect that a part of the Bay of Bothnia would remain unfreezed at least once every 30 years or more propably every 20 years in years from 2006 to 2059. In contradiction, not much can be said about large areas, because results vary a lot about wheter the whole Gulf of Bothnia can be expected to freeze close to 2050s.
  • Kiema, Sarai (2024)
    Ilmatieteen laitoksen ylläpitämä Suomen virallisten sademittarien havaintoverkko on harva ja sen laajentaminen vaatisi enemmän resursseja. Kansalaisten sadehavaintojen hyödyntäminen olisi yksi keino laajentaa havaintoverkkoa ja siten muun muassa parantaa sääennusteiden laatua. Tässä tutkielmassa selvitettiin kansalaisten Netatmo-kesäsadehavaintojen käyttökelpoisuutta Suomessa. Vuosien 2019–2022 kesä-, heinä- ja elokuun Netatmo-sadehavaintojen laatua tutkittiin vertailemalla niitä Ilmatieteen laitoksen automaattisadeasemien havaintoihin. Vertailua tehtiin tilastollisten suureiden, keskiarvon, korrelaation ja absoluuttisen keskivirheen, avulla. Ennen varsinaista analyysia pyrittiin rajauksilla selkeyttämään aineistoa sekä poistamaan siitä selvästi virheellisiä Netatmo-sadeasemia ja -havaintoja, kuten yli 150 mm:n tunti- ja yli 200 mm:n vuorokausisademäärät. Pääsääntöisesti Netatmo-sadehavainnot näyttävät tilastollisten suureiden valossa hyviltä, sillä esimerkiksi 75 % Netatmo- ja lähimpien Ilmatieteen laitoksen asemien välisistä vuorokausisateiden korrelaatioista oli vähintään 0.6. Netatmo-havaintojen välinen vaihtelu oli kuitenkin suurempi kuin Ilmatieteen laitoksen asemien havaintojen, mikä kertoo osan Netatmo-havainnoista olevan virheellisiä. Virheitä löytyi useita erilaisia. Yleisesti monien Netatmo-asemien havaittiin aliarvioivan sademäärää, koska keskimäärin Netatmo-asemat olivat mitanneet sateita vajaat 10 % vähemmän kuin niiden vertailuasemat. Lisäksi Netatmo-asemien havainnoissa oli huomattavasti enemmän pieniä 0.1 mm mittauksia kuin Ilmatieteen laitoksen vertailuasemilla eikä osa asemista ollut mitannut mitään 0.1 mm virhemittauksia lukuunottamatta. Jotkut Netatmo-asemat puolestaan mittasivat yksittäin tai jopa jatkuvasti virheellisiä hyvin suuria sademääriä. Osa asemista myös yliarvioi sademäärää, sillä asemien sateet korreloivat hyvin vertailuasemien sateiden kanssa ollen vain paljon suurempia. Toisaalta joidenkin Netatmo-asemien realistiset sadehavainnot oli mitattu eri aikoihin kuin vertailuasemien sateet, joten asemien koordinaatit voivat olla väärät. Välillä taas Netatmo-havaintojen laatu muuttui ajan myötä, sillä kyse on kansalaisten havainnoista. Asemat saattoivat ensin tuottaa hyviä havaintoja ja sitten huonoja tai päinvastoin. Kaikkiaan Netatmo-kesäsadehavainnot vaikuttavat käyttökelpoisilta, koska suurin osa havainnoista on hyviä. Netatmo-asemat myös saavat suuria sateita kiinni hyvin. Lisäksi huonoja havaintoja korrelaation perusteella tuottavat Netatmo-asemat ovat hajallaan eri puolilla Suomea ja hyviä asemia on kaikkialla enemmän. Koska virheellisiä Netatmo-asemia ja -havaintoja on silti varsin paljon, Netatmo-sadehavainnot tarvitsevat kattavaa laadun varmistusta ennen havaintojen hyödyntämistä. Laadun varmistusta voisi tehdä tämän tutkimuksen tavoin vertailemalla havaintoja tilastollisesti Ilmatieteen laitoksen asemien havaintoihin. Lisäksi Netatmo-havaintoja voisi verrata keskenään.
  • Mom, Bernd (2023)
    The parameterization of deep convection is simulated poorly over the Central and East Pacific. This could lead to issues in predicting the annual total precipitation in the tropics, such as the existence of a double intertropical convergence zone over the equatorial Pacific. Resolving tropical deep convection instead of parameterization leads to the presence of more linear systems. Observations over Atlantic indicate that shear-perpendicular lines (squall lines) propagate faster than shear- parallel lines, mainly due to their connection with the low-level vertical wind shear (VWS). The study examines the different movement speeds of mesoscale convective systems (MCSs) over the East- and West Pacific to determine whether this could explain the reason why climate models have problems with predicting deep convection. A higher proportion of fast moving MCSs (squall lines) could contribute to the prediction problems in the tropics. The MCS motion is determined by the sum of the mean wind and propagation speed. In squall lines, the MCS motion is mainly influenced by the propagation, which is associated with the low-level VWS. Therefore, the effect of the low-level VWS on the fast- and slow moving MCSs is also investigated. The Global High-Resolution Mesoscale Convective System Database is used, which provides infor- mation about the time, location and movement of MCSs. Additionally, ERA5 wind data is used to obtain the mean wind and VWS. Two specific areas over the northern equatorial Pacific are chosen to compare the different types of MCSs. These areas are over the East Pacific (120°W - 140°W and 5°N - 12°N) and West Pacific (140°E - 160°E and 0°N - 7°N). The movement speed is used to categorize the MCSs into three groups: slow moving MCSs (< 3 m/s), moderate moving MCSs (3 m s−1 − 7 m s−1) and fast moving MCSs (> 7 m/s). The study reveals that the share of the fast moving MCSs is 9.8% over the East Pacific and 13.8% over the West Pacific. This is only a 4 percent point difference between the two areas. Therefore, it is not shown that the fast moving MCSs contribute to the existing issues that models have in predicting the annual total precipitation over the East Pacific. Moreover, approximately 85-90% are categorized as slow- to moderate moving MCSs. Hence, the influence of fast moving MCSs is relatively small when compared to the other types. A difference is seen in the mean wind and VWS over the East Pacific, but do not explain the MCS motion vector. Therefore, the difference between fast- and slow moving MCSs cannot be explained by only the monthly averaged mean wind and low-level VWS over the East Pacific. Over the West Pacific, the mean wind direction and VWS are about the same in direction and speed. Therefore, the difference between fast- and slow moving MCSs is not explained by the low-level VWS over the West Pacific.
  • Kuittinen, Salla (2021)
    Auringon säteilyn voimakkuus vaihtelee vuodenaikojen mukaan Suomessa. Tämän seurauksena järvien kerrostuneisuudessa tapahtuu muutoksia. Värriön luonnonpuistossa järvien tutkimus on ollut vähäistä, ja lämpötilaseurantaa ei aikaisemmin alueen järvissä ole tehty ympärivuotisesti. Aineiston avulla selvitettiin Kuutsjärven ja Tippakurulammen lämpötilan muutoksia, eroavaisuuksia, päivittäisiä muutoksia sekä lumen vaikutusta kevään lämpenemiseen tarkastelujakson aikana. Tutkimusaineisto on kerätty Värriön luonnonpuiston Kuutsjärvestä ( 67° 44'N ja 29° 36'E) sekä Tippakurulammesta (67° 46'N ja 29° 37'E) vuosina 2009–2012. Molemmissa järvissä oli yksi termistoriketju järven syvimmässä kohdassa. Termistoreita ketjussa oli viisi kappaletta. Tulosten tarkastelussa apuna käytettiin Ilmatieteen laitoksen sää- ja lumihavaintoja. Auringon säteilyn voimakkuus on merkittävin Kuutsjärven ja Tippakurulammen lämpötiloihin vaikuttava tekijä. Päivittäisissä muutoksissa ei ole eroavaisuuksia järvien välillä. Tippakurulampi lämpenee tummempana ja matalampana järvenä pohjaa myöten kesän aikana. Kesän aikana sedimenttiin varastoitunut lämpö purkautuu talvella veteen. Kevään täyskierto on molemmissa järvissä lyhyt ja tapahtuu toukokuun loppupuolella. Syksyn täyskierto on Tippakurulammessa Kuutsjärveä pidempi, ja Tippakurulampi jäähtyy sekoittuneessa tilassa. Eroavaisuudet järvien välillä johtuvat koko- ja värieroista.
  • Suikkari, Riikka (2023)
    Tutkielmassa on selvitetty lumensyvyyden muutoksia ERA5-Land-uudelleenanalyysin antamille tuloksille ajanjaksolla 1950-2021. Datan analyysi ja käsittely on toteutettu Pythonilla. ERA5-Land:n etuihin lukeutuu muun muassa parempi erotuskyky kuin ERA5-uudelleenanalyysiin, mikä parantaa aineiston tarkkuutta huomattavasti. ERA5-Land ei suoraan käytä havaintoarvoja vaan lumensyvyys lasketaan muitten sääsuureitten, kuten lämpötilan ja sademäärän, aikasarjoja hyödyntäen. Näin ollen tutkielmassa käsiteltyihin suureisiin on sisällytetty muitakin suureita kuin vain lumensyvyys jotta syitä lumensyvyyden muutoksiin olisi helpompaa hahmottaa. Tutkielmaan valikoitiin kolme tutkimusaluetta; Suomi kokonaisuudessaan, Fennoskandian alueelta Norjan, Ruotsin sekä Suomen yhteinen pinta-ala, sekä Japanista Hokkaidon ja Honshun saarten muodostama maa-alue. Aineiston pohjalta voidaan todeta varsin yksiselitteisesti lumensyvyyden kuukausikeskiarvojen olevan, varsinkin lumensyvyyden huippuarvokuukausina, vertailukaudelle 1991-2020 pienempiä kuin vertailukaudelle 1951-1980. Sama trendi näkyy myös vuotuisten keskiarvojen kehityksessä. Muutosten suuruus on jonkin verran sidoksissa alueellisiin erityispiirteisiin mutta päätrendi on kaikille alueille jokseenkin samansuuntainen; nykyisentyyppinen ilmastollinen kehitystrendi laskee lumensyvyyttä pitkällä aikatähtäimellä. Toisin sanoen ilmastonmuutos vähentää lumimäärää pohjoisella pallonpuoliskolla.
  • Holm, Sebastian (2023)
    The Differential Mobility Particle Sizer (DMPS) is a widely used instrument in the size distribution measurements of sub-micron aerosol particles. The particles are size classified based on their electrical equivalent diameter by a Differential Mobility Analyser (DMA) in the DMPS. Only charged particles can be measured with a DMPS. An aerosol charger is hence required since most ambient particles are neutral. An estimation of the size dependent charge distribution of the aerosol particles is required to reach a representative size distribution of the whole aerosol population from the raw measurement data. The charged fractions of the population are conventionally calculated by applying bipolar charging (i.e., an ion atmosphere including ions of both polarities charges aerosols by diffusion and ion attachment onto the particles) theories. Fixed charger ion properties have been used to derive approximation to these theories. The charger ion properties in ambient “real-world” measurements are, however, not fixed but proven to vary substantially. These variations may lead to significant differences when comparing to the approximations. A new method for aerosol charging that reduces the uncertainties that originate from unknown properties of the charger ions was tested in this thesis. The method consists of the introduction of a known trace compound (hereafter called doping) into the aerosol sample flow upstream of a bipolar charger. The effect of doping on charger ion mobility distribution was successfully tested in laboratory experiments. A possible enhancement of charging efficiencies of nanoparticles was studied. The charger ion doping was also tested in atmospheric measurements, where it showed an effect on charger ion properties.
  • Leino, Joonas (2022)
    Mars-planeetan kaasukehä koostuu enimmäkseen hiilidioksidista, kun taas vesihöyryä on hyvin vähän. Kaasukehän lämpötila vaihtelee noin +10 ja -130 Celsius-asteen välillä ja pintapaine on vain noin sadasosa Maan ilmakehän paineesta. Marsin kaasukehässä on usein paljon hienojakoista pölyä, joka absorboi tehokkaasti auringonsäteilyä ja täten vaikuttaa kaasukehän toimintaan. Marsin pinnan reagoidessa erittäin nopeasti auringonsäteilyn määrän muutoksiin sekä kaasukehässä olevan pölyn vuoksi rajakerroksen mallinnuksessa käytettävissä malleissa säteilyn parametrisaatioiden täytyy olla mahdollisimman hyviä. Helsingin yliopisto ja Ilmatieteen laitos ovat kehittäneet Marsin kaasukehän tutkimukseen tarkoitetun 1-ulotteisen pylväsmallin. Malli on erittäin nopea ja helposti muokattavissa, joten sillä voidaan testata uusia ilmakehäfysiikan lainalaisuuksia ja algoritmeja, joita voidaan mahdollisesti lisätä kolmiulotteisiin Marsin kaasukehän malleihin. Tämä työ tehtiin osana Ilmatieteen laitoksen Marsin tutkimusryhmää ja työssä tutustutaan Marsin kaasukehän rajakerrokseen sekä pylväsmalliin. Lisäksi mallin antamia tuloksia esitellään ja verrataan Curiosity mönkijän (toiselta nimeltään Mars Science Laboratory, MSL) havaintoihin sekä tutkitaan mallin herkkyyttä sen alustusparametreihin. Mallin ennustamia lämpötilan, vesihöyryn tilavuuden sekoitussuhteen ja suhteellisen kosteuden vuorokausisyklejä verrattiin MSL:n havaintoihin eri vuodenaikoina. MSL laskeutui vuonna 2012 lähelle Marsin päiväntasaajaa Gale-kraatterin pohjalle ja se sisältää Ilmatieteen laitoksen suunnittelemat ja rakentamat mittalaitteet paineelle ja suhteelliselle kosteudelle. Mallin ennustamat vuorokausisyklit vastasivat hyvin mönkijän havaintoja ja tuloksista nähtiin myös lämpötilan suuri vuorokausivaihtelu kaasukehän reagoidessa nopeasti auringonsäteilyn muutoksiin. MSL:n paineen mittauksista (yli 3000 Marsin vuorokautta) nähtiin selvästi hiilidioksidin vuodenaikaiskierto etelänavalta pohjoisnavalle ja päinvastoin. Lisäksi vuoden 2018 globaali pölymyrsky näkyi monissa eri mittaustuloksissa. Mallin herkkyyttä tutkittiin muuttamalla neljää eri alustusparametria: pinnan lämpötilaa ja painetta, ilmapylvään vesisisältöä (PWC) sekä pölyn optista paksuutta (tau). Näiden testien perusteella mallin ennustamiin vuorokauden lämpötilaprofiileihin eniten vaikuttivat pinnan lämpötilan ja pölyn optisen paksuuden alustus, kun taas kosteusprofiileihin eniten vaikuttivat PWC:n ja pölyn optisen paksuuden alustus. Näistä parametreista pinnan paineen alustuksella oli vähiten vaikutusta mallin ennustamiin profiileihin.