Browsing by discipline "Meteorologi"

Monet merkittävimmistä sään aiheuttamista haitoista liittyvät tulviin ja kuivuuteen. Tässä tutkielmassa arvioitiin sadeilmastossa kuluvan vuosisadan aikana tapahtuvia muutoksia Euroopan ja Pohjois-Atlantin kattavalla alueella kymmenen maailmanlaajuisen ilmastomallin päivittäisten sademääräsimulaatioiden pohjalta. Erityisesti huomiota kiinnitettiin suuriin vuorokausisademääriin ja toisaalta poutajaksojen esiintymiseen. Tämänkaltaisia äärisademääriin liittyviä tutkimuksia oli aiemmin tehty lähinnä alueellisten ilmastomallien tuloksiin perustuen. Alueelliset mallit kykenevät simuloimaan maailmanlaajuisia malleja paremmin pienialaisia sääilmiöitä ja lisäksi niiden avulla saadaan tarkempi kuva muutosten maantieteellisestä jakaumasta. Toisaalta alueellisten mallien tulokset riippuvat voimakkaasti malliajoissa käytetyistä maailmanlaajuiselta mallilta saaduista reunaehdoista. Näin ollen maailmanlaajuisten mallien etuna on parempi mahdollisuus käyttää useiden mallien tuloksia yhdessä, jolloin myös ilmastomallien eroista johtuvasta epävarmuudesta saadaan parempi käsitys. Mallitulosten perusteella sadeilmasto näyttäisi ilmaston lämmetessä muuttuvan äärevämmäksi. Maailmanlaajuisesti sekä rankkasateet että poutapäivät näin ollen keskimäärin yleistyvät ja poutajaksot pidentyvät, kun taas suhteellisen vähäsateisten vuorokausien lukumäärä pienenee. Muutokset eivät kuitenkaan ole kaikkialla samansuuntaisia. Euroopassa ilmasto näyttäisi muuttuvan kuivemmaksi Välimeren ympäristössä ja kesällä myös Keski-Euroopassa, kun taas Pohjois-Euroopassa sateet lisääntyvät etenkin talvella. Tällöin sadeilmaston äärevöityminen tulee esiin siten, että keskimäärin sateisemmiksi muuttuvilla alueilla rankat sateet lisääntyvät ja voimistuvat enemmän kuin mitä sademäärä keskimäärin kasvaa, ja myös monilla kuivemmiksi muuttuvillakin alueilla etenkin kaikkein rankimmat sateet voimistuvat jonkin verran. Vastaavasti poutapäivät lisääntyvät ja pisimmät poutajaksot pidentyvät paikoin sellaisillakin alueilla, joilla sademäärä keskimäärin kasvaa. Myös sademäärän vuosienvälinen vaihtelu näyttäisi tulosten perusteella jossain määrin lisääntyvän. Mallitulosten keskiarvona Pohjois-Euroopassa suurin vuosittainen vuorokausisademäärä kasvaa vuosisadan loppuun mennessä keskimäärin 17 %, mutta vuoden pisin poutajakso lyhenee vain 2 %. Keski-Euroopassa suurimmat vuorokausisademäärät kasvavat 15 % ja pisimmät poutajaksot pitenevät 22 % ja Etelä-Euroopassakin suurimmat vuorokausisademäärät kasvavat 8 %, vaikka pisimmät poutajaksot pidentyvät 35 %. Nyt saadut tulokset ovat pääosin sopusoinnussa aiempien sadeilmaston muutoksia käsittelevien tutkimustulosten kanssa. Myös verrattaessa mallien simuloimaa sadeilmastoa havaintoihin törmätään aiemmista tutkimuksista tuttuihin eroihin; ilmastomallit tuottavat todellista vähemmän sateettomia päiviä ja suurin osa malleista aliarvioi lisäksi sekä rankkasateiden esiintymistä että niiden voimakkuutta.

The aim of this work was the assessment about the structure and use of the conceptual model of occlusion in operational weather forecasting. In the beginning a survey has been made about the conceptual model of occlusion as introduced to operational forecasters in the Finnish Meteorological Institute (FMI). In the same context an overview has been performed about the use of the conceptual model in modern operational weather forecasting, especially in connection with the widespread use of numerical forecasts. In order to evaluate the features of the occlusions in operational weather forecasting, all the occlusion processes occurring during year 2003 over Europe and Northern Atlantic area have been investigated using the conceptual model of occlusion and the methods suggested in the FMI. The investigation has yielded a classification of the occluded cyclones on the basis of the extent the conceptual model has fitted the description of the observed thermal structure. The seasonal and geographical distribution of the classes has been inspected. Some relevant cases belonging to different classes have been collected and analyzed in detail: in this deeper investigation tools and techniques, which are not routinely used in operational weather forecasting, have been adopted. Both the statistical investigation of the occluded cyclones during year 2003 and the case studies have revealed that the traditional classification of the types of the occlusion on the basis of the thermal structure doesn’t take into account the bigger variety of occlusion structures which can be observed. Moreover the conceptual model of occlusion has turned out to be often inadequate in describing well developed cyclones. A deep and constructive revision of the conceptual model of occlusion is therefore suggested in light of the result obtained in this work. The revision should take into account both the progresses which are being made in building a theoretical footing for the occlusion process and the recent tools and meteorological quantities which are nowadays available.

Maapallon ilmakehä sisältää mikroskooppisen pieniä aerosolihiukkasia, joilla on vaikutus ihmisten terveyteen sekä maapallon ilmastoon. Aerosolihiukkaset vaikuttavat ilmastoon vuorovaikuttamalla auringon säteilyn kanssa sekä osallistumalla pilvien muodostumisprosessiin. Tässä tutkielmassa keskitytään aerosolihiukkasten optisiin ominaisuuksiin, joilla tarkoitetaan niiden kykyä sirottaa sekä absorboida säteilyä eri aallonpituuksilla. Tutkielmassa käsitellään SMEAR II -asemalla suoritettuja in-situ mittauksia aerosolihiukkasten sironnasta, takaisinsironnasta ja absorptiosta, joita on saatavilla jo vuodesta 2006 alkaen. Mitattujen sironta-, takaisinsironta- sekä absorptiokertoimilla aerosolihiukkasille voidaan määrittää niiden kokojakaumaa ja koostumusta kuvaavia intensiivisiä suureita. Pitkäaikaisten mittausten avulla optisille ominaisuuksille nähtiin trendejä sekä selkeää vuodenaikaisvaihtelua. Vertaamalla optisia mittauksia kokojakauman mittauksiin, aerosolihiukkasille voitiin määrittää kompleksinen taitekerroin, jota käytetään mallinnettaessa Mie-sirontaa ja -absorptiota. Absorptiokertoimen mittauksia verrattiin lisäksi alkuainehiilen mittauksiin, jolloin voitiin määrittää aerosolihiukkasten massa-absorptioala. Massa-absorptioalan avulla voidaan määrittää mustan hiilen pitoisuus absorptiokertoimen mittauksista. SMEAR II -asemalla absorptiokerrointa on mitattu kolmella eri mittalaitteella (etalometri, Particle Soot Absorption Photometer (PSAP) sekä Multi-Angle Absorption Photometer (MAAP)), joita vertailtiin keskenään. Vertaamalla etalometrin sekä MAAPin mittaustuloksia toisiinsa määritettiin etalometrimittauksiin liittyville korjausalgoritmeille suodattimen moninkertaissirontaa kuvaavat parametrit SMEAR II -aseman olosuhteisiin. Tutkielmassa suoritettiin myös optinen sulkeuma ekstinktio-, sironta- sekä absorptiokertoimien mittaustuloksia vertailemalla. Tulosten perusteella ekstinktiota mittaavan Cavity Attenuated Phase Shift -ekstinktiomonitorin (CAPS) sekä sirontaa mittaavan integroivan nefelometrin mittaustarkkuudet eivät riitä mittaamaan aerosolifaasissa olevien hiukkasten absorptiota.

Alatroposfäärissä havaittava tuulimaksimi on maailmanlaajuinen ja melko tavanomainen ilmiö. Kuitenkin lämmön ja kosteuden tehokkaina kuljettajina voimakkaat alatroposfäärin tuulimaksimit voivat suotuisissa olosuhteissa olla sään kannalta merkittäviä.Voimakkailla alatroposfäärin tuulimaksimeilla on havaittu yhteys mm. syvän kostean konvektion esiintymiseen. Suomessa edellinen alatroposfäärin tuulimaksimien klimatologiaa käsittelevä tutkimus tehtiin 1970-luvulla. Nyt vuosikymmeniä myöhemmin nykyaikaisempien menetelmien, havaintolaitteiden, sekä uudempien tutkimustulosten avulla on mahdollista tarkentaa tietämystä alatroposfäärin tuulimaksimien esiintymisestä ja ominaisuuksista Suomen alueella. Tämän tutkimuksen päätavoite onkin päivittää ilmiön klimatologista tuntemusta, mutta lisäksi palvella Ilmatieteen laitoksen sää- ja turvallisuuskeskuksen päivystäviä meteorologeja. Tämän lisäksi osoitettiin, että alatroposfäärin tuulimaksimeilla on vaikutusta syvän kostean konvektion esiintymiseen myös Suomen alueella. Tässä tutkimuksessa Suomessa esiintyviä alatroposfäärin tuulimaksimeja tarkasteltiin 12 vuoden ajalta, vuosilta 1998-2009. Tarkastelu tehtiin kaikilta Suomen luotausasemilta, eli Jokioisista, Jyväskylästä sekä Sodankylästä. Mielenkiintoiset tapaukset etsittiin yli 26000 luotauksen joukosta tietokoneavusteisesti Ilmatieteen laitoksen sähköisestä luotausarkistosta. Haku perustui aiemmissa klimatologisissa tutkimuksissa käytettyihin kriteereihin. Kuhunkin alatroposfäärin tuulimaksimitapaukseen liittyen kerättiin keskeisiä tietoja ilmakehäluotauksista sekä luotausasemalla tehdyistä havainnoista. Tietojen avulla tutkittiin erityisesti alatroposfäärin tuulimaksimien esiintymistä, korkeutta, voimakkuutta, tuulen suuntaa sekä näihin liittyviä vuodenaikais- ja vuorokausivaihteluja. Lisäksi tarkasteltiin ilmiön syntytapoja mm. globaalin säteilyn, painegradientin, vuorokauden lämpötilavaihteluiden, lämpötilainversion korkeuden, ilmankosteuden sekä luotausasemilla havaitun pilvisyyden avulla. Alatroposfäärin tuulimaksimeja esiintyi vuosina 1998-2009 Suomessa kaiken kaikkiaan noin 30%:ssa havaituista luotauksista. Tapauksia havaittiin kaikkina vuodenaikoina, mutta suurin osa, noin 60% tapauksista, esiintyi talvella. Vuorokausivaihtelu oli suurinta kesällä, jolloin 70% tapauksista havaittiin yöaikaan. Talvella vuorokausivaihtelu ei ollut merkittävää. Talven ja kesän välillä esiintyvät voimakkaat vaihtelut tekevät välivuodenajoista erityisen mielenkiintoisia. Esimerkiksi keväällä ja alkukesällä havaittiin varsinkin Jokioisissa yöajan tuulimaksimien sekundäärinen esiintymismaksimi, johon liittyi myös vähän voimakkaampia tuulen nopeuksia. Alatroposfäärin tuulimaksimeihin liittyvät tuulennopeudet olivat talvella keskimäärin selvästi voimakkaampia kuin kesällä. Tuulen nopeudessa suurin frekvenssi havaittiin luokassa 10-11 m/s, mutta voimakkaimmat tuulimaksimit olivat selvästi yli 30 m/s. Voimakkaimmassa tapauksessa tuulen nopeudeksi mitattiin 43 m/s. Mielenkiintoista on, että tuulimaksimien korkeuden havaittiin olevan lähes suoraan verrannollinen tuulimaksimin nopeuteen. Talvella alatroposfäärin tuulimaksimit esiintyivät sekä yöllä että päivällä n. 500-600 m korkeudella maanpinnasta. Sitä vastoin varsinkin selkeinä kesäöinä esiintymisessä havaittiin talven korkeusjakaumaan verrattuna terävämpi maksimi n. 300 m korkeudella maanpinnasta. Kesäöinä alatroposfäärin tuulimaksimit esiintyivät lisäksi lähellä inversion huippua. Kesäpäivinä alatroposfäärin tuulimaksimien korkeusjakauma oli huomattavan tasainen ja selvää esiintymishuippua ei ollut havaittavissa, mikä johtui voimakkaasta turbulenttisesta sekoittumisesta. Tuulimaksimeihin liittyvä tuulen suunta oli lähellä pitkän ajan keskiarvoja. Tuloksista voidaan päätellä Suomessa esiintyvien alatroposfäärin tuulimaksimien tärkeimmät syntymekanismit. Talvella auringonsäteily on vähäistä ja alatroposfäärin tuulimaksimit syntyvät suurimmaksi osaksi synoptisten häiriöiden ja niihin liittyvien syöttövirtausten, rintamavyöhykkeiden, sekä termisen tuulen vaikutuksista. Kesällä auringonsäteily sekä lämpötilan vuorokausivaihtelu on voimakasta, mikä suosii inertiaalioskillaation esiintymistä ja tuulimaksimin muodostumista auringon laskun jälkeen. Maanpinnan ja rajakerroksen väliset turbulenttiset vuot ovat myös tärkeitä vuorokausivaihtelussa. Havaittavan ja latentin lämmönvuon suhde (Bowenin suhde) vaikuttaa voimakkaasti 2m lämpötilan vuorokausivaihtelun voimakkuuteen ja on siksi merkityksellinen inertiaalioskillaation kannalta. Tulosten mukaan havaittavan lämmönvuon hallitsevuus on auringonsäteilyn sekä painegradientin keskimääräisen vuotuisen vaihtelun rinnalla osasyy kevään sekundäärimaksimin syntyyn. Tapaustutkimuksissa tarkasteltiin mm. matalapaineiden syöttövirtauksiin liittyviä alatroposfäärin tuulimaksimeja. Lisäksi inertiaalioskillaatiolla havaittiin sopivissa olosuhteissa olevan merkittävä vaikutus alatroposfäärin tuulimaksimien syntymiseen. Syvään kosteaan konvektioon liittyvät tapaustutkimukset osoittivat, että voimakkailla alatroposfäärin tuulimaksimeilla voi myös Suomen alueella olla suosiollinen tai jopa merkittävä vaikutus syvän kostean konvektion kehitykseen.

Turbulent mixing in the atmospheric boundary layer above the Hyytiälä forestry field station in southern Finland was studied with a combination of Doppler lidar and in-situ measurements on a 125 m tall mast. The intensity of turbulent mixing was derived from measurements of the vertical and horizontal wind speeds. Other meteorological data was included in the analysis to aid in the interpretation process. The methods applied to the data performed robustly under standard weather conditions, and thus can be used with high confidence to study more complex patterns of turbulent mixing. This includes two case studies of turbulent mixing under complex circumstances, one of which strongly implied a causal relationship between sudden changes in heat fluxes and the initiation of a nocturnal jet. The turbulent data from Doppler lidar Vertical Azimuth Display scans were separated into directional components to study the spatial variability of turbulent mixing. No significant spatial variability was observed during the daytime when strong turbulence consisting of large–scale turbulent eddies encompassing the whole boundary layer dominate. However, significant spatial differences were sometimes seen in the growth of the mixing layer during the morning, and stark spatial variability in turbulent mixing was detected on several summer nights. No single mechanism was conclusively shown to be responsible for the observed distribution of turbulence, but the night–time variability seemed to be connected to the presence of nocturnal jets. The area of the most intense nocturnal mixing is located in the vicinity of the nearby Station for Measuring Ecosystem - Atmosphere Relations II where comprehensive aerosol and canopy exchange research is performed. The observed nocturnal mixing may have implications for the conclusions resulting from the measurements performed at the station. The thermodynamic stability of the near–surface boundary layer was investigated using scaled potential temperature profiles measured at various altitudes on the 125 m measurement mast. There was good agreement with Doppler lidar observations, but due to calibration issues in the thermometers on the mast, quantitative results lack accuracy even after corrections were applied.

This thesis is a case study of the impact of urban planning on local air quality along a planned city boulevard in western Helsinki. The aim of this study is to analyse ventilation and dispersion of traffic-related air pollutants inside street canyons and courtyards in four alternative city block design versions. In particular, whether the format and variation of building height can improve air quality in future planned neighbourhoods and as such, help improve the decision-making process in city planning. The study employs a large-eddy simulation (LES) model PALM with embedded Lagrangian stochastic particle and canopy models to simulate transport of pollutants (air parcels) and the aerodynamic impact of street trees and a surrounding forest on pollutant transport. The embedded models are revised by the author to take into account the horizontal heterogeneity of the particle sources and plant canopy. Furthermore, three-dimensional two-way self-nesting is used for the first time in PALM in this study. High-resolution simulations are conducted over a real urban topography under two contrasting meteorological conditions with neutral and stable stratification and south-western and eastern wind direction, respectively. The comparison of the different boulevard-design versions is based on analysing the temporal mean particle concentrations, the turbulent vertical particle flux densities and the particle dilution rate. Differences in flux densities between the versions show a strong dependence on urban morphology whereas the advection-related dilution rate depends on the volume of unblocked streamwise street canyons. A suggestive ranking of the versions is performed based on the horizontal mean values of the analysis measures (separately for the boulevard, the other street canyons, the courtyards and the surroundings). Considering both meteorological conditions, the design version with variable building height and short canyons along the boulevard outperforms the other design versions based on the ranking. This is especially pronounced in stable conditions. Surprisingly, variability in building shape did not induce clear improvements in ventilation. This is the first high-resolution LES study conducted over a real urban topography applying sophisticated measures to assess pollutant dispersion and ventilation inside street canyons and courtyards.

The goal of this study is to ascertain whether methane (CH4) emissions can be estimated source-wise by utilising stable isotope observations in the CarbonTracker Data Assimilation System (CTDAS). The global CH4 budget is poorly known and there are uncertainties in the spatial and temporal distributions as well as in the magnitude of different sources. In this study CTDAS-13CH4 atmospheric inverse model is developed. CTDAS-13CH4 is based on ensemble Kalman filer (EnKF) and used to estimate CH4 fluxes on a region and weekly resolution by implementing CH4 and δ13C-CH4 observations. Anthropogenic biogenic emissions (rice cultivation, landfills and waste water treatments and enteric fermentation and manure management) and anthropogenic non-biogenic emissions (coal, residential and oil and gas) are optimised. Different emission sources can be identified by using process-specific isotopic signature values, δ13C-CH4, because different processes produce CH4 with different isotopic ratio. Optimisation of anthropogenic biogenic emissions increased the total emissions from the prior in eastern North America by 34%, while the optimisation of anthropogenic non-biogenic emissions increased only by 14%. In western North America the corresponding changes were −39% and 9%, respectively. In western parts of Europe, total emissions from prior increased in anthropogenic biogenic optimisation by 18% and decreased in non-biogenic by 3%. Optimisation of anthropogenic biogenic and non-biogenic emissions in the total CH4 budget did not give complete emission estimates, because the optimisation did not include all emission sources and source-specific δ13C-CH4 values were assumed not to vary regionally. However, the modelled concentrations from the optimisation of anthropogenic non-biogenic emissions agreed with the observations of CH4 concentration and δ13C-CH4 values better. Therefore, one could say that the optimisation of anthropogenic non-biogenic emissions was more successful. This study provides reliable information of the magnitude of anthropogenic biogenic and non-biogenic emissions in regions with sufficient observational coverage. The next step in evaluating the spatial and temporal distributions and magnitude of different CH4 sources will be optimising all emission sources simultaneously in a multi-year simulation.

Naturally occurring snowflakes represent a variety of shapes, sizes, fall velocities and degrees of riming, which makes their representation challenging in numerical models and remote sensing retrievals. In this study measurements collected during winters 2013/2014 and 2014/2015 at the University of Helsinki measurement station in Hyytiälä are used to investigate connections between ensemble mean snow density, particle fall velocity and parameters of the particle size distribution (PSD). A new generation video imager, the Particle Imaging Package (PIP), was employed for this study. The simple open structure, robust design, easy maintenance and low cost of the instrument make it attractive for studying winter precipitation microphysics. The density of snow is derived from measurements of particle fall velocity and PSD, provided by the PIP, and weighing gauge measurements of liquid water equivalent precipitation rate. Validity of the retrieved density values is checked against snow depth measurements. The results show that a single camera video imager such as the PIP can succesfully be utilized for such studies. A relation retrieved for the ensemble mean snow density and median volume diameter is in general agreement with previous studies, but it is observed to vary significantly from one winter to the other. From these observations, characteristic mass-dimensional relations of snow are retrieved. For snow rates more than 0.2 mm/h, a correlation between the intercept parameter of normalized gamma PSD and median volume diameter was observed.

While numerical weather forecasts have improved dramatically in recent decades, forecasting severe weather events remains a great challenge due to models being unable to resolve convection explicitly. Forecasters commonly utilize large-scale convective parameters derived from atmospheric soundings to assess whether the atmosphere has the potential to develop convective storms. These parameters are able to describe the environments in which thunderstorms occur but relate to actual thunderstorm events only probabilistically. Roine (2001) used atmospheric soundings and thunderstorm observations to assess which from a variety of stability indices were most successful in predicting thunderstorms in Finland, and found that Surface Lifted Index, CAPE and the Showalter index were most skillful based on the data set in question. This study aims to extend the assessment of thunderstorm predictors to atmospheric reanalyses, by utilising model pseudo-soundings. Reanalyses such as ERA-Interim use sophisticated data assimilation schemes to reconstruct past atmospheric conditions from historical observational data. In addition to a large sample size, this approach enables examining the use of other large-scale model parameters, which are hypothesized to be associated with convective initiation, as supplemental forecast parameters. Using lightning location data and ERA-Interim reanalysis fields for Finnish summers between 2002 and 2013, it is found that the Lifted Index (LI) based on the most unstable parcel in the lowest 300 hPa has the highest forecast skill among traditional stability indices. By combining this index with the dew point depression at 700 hPa and low-level vertical shear, its performance can be further slightly increased. Moreover, vertically integrated mass flux convergence between the surface and 500 hPa calculated from the ERA-I convergence seems to have high association with thunderstorm occurrence when used as a supplementary parameter. Finally, artificial neural networks (ANN) were developed for predicting thunderstorm occurrence, and their forecast skill compared to that of stability indices. The best ANN found, utilizing 11 parameters as input, clearly outperformed the best stability indices in a skill score test; achieving a True Skill Score of 0.69 compared to 0.61 with the most unstable Lifted Index. The results suggest that ANNs, due to their inherent nonlinearity, represent a promising tool for forecasting of deep, moist convection.