Browsing by discipline "Meteorologia"

A large number of studies have concerned banded precipitation structures in extratropical cyclones but these studies have focused on single banded events. Most of these studies have taken place in the United States, whereas this study investigates multiple snowbands formed in a snowstorm on 23th November 2008 in Southern Finland, where the large-scale dynamical features maybe different. The storm caused heavy snowfall, especially along the southern coast of Finland. The study is divided in two parts. The first part describes the observed characteristics of the snowstorm by identifying different stages of the storm evolution as well as the large and smallscale structures of precipitation. The second part aims to identify the forcing mechanisms, which lead to the formation of multiple snowbands by using high resolution model output. To achieve this results, radar composite data obtained from the Finnish Meteorological Institute's (FMI) Doppler radar network and the AROME mesoscale model simulation output are used. The radar composites revealed four different phases of the storm evolution. The storm exhibited 22 individual bands and 6 groups of bands during the first three phases. The AROME simulation was able to produce the storm evolution and precipitation features rather similar to those observed. Strong and widespread frontogenetical forcing, weak moist symmetric and potential stability and to a small extent moist symmetric instability and potential instability were important mechanisms for producing heavy precipitation and mesoscale bands. During the first two phases frontogenesis was the forcing mechanism for ascent. Precipitation along the warm front at middle troposphere during phase 1 was mainly caused by ascent along isentropic surfaces below 500 hPa were sufficient moisture was available. During phase 2, weak potential stability and to a small extent potential instability were present in the warm sector enhancing the vertical ascent and precipitation. At lower levels along the warm front also symmetric instability was found and most likely released, resulting in slantwise convection. Moist layer in the warm sector reached 500 hPa although there were fluctuations which made the precipitation field scattered. Based on the radar composites phases 3 and 4 differed dynamically from phases 1 and 2 but were similar to each other. Frontogenetical forcing reduced significantly after the cold frontal passage in phase 3. Despite of the shallow moist layer and potential instability, convection did not occur in the simulation in same extent than in observations.

Ilmakehän pienhiukkaset, eli aerosolihiukkaset, vaikuttavat maapallon säteilypakotteeseen riippuen hiukkasen kemiallisesta koostumuksesta. Kemiallinen koostumus ohjaa yli 50 nanometristen hiukkasten taipumusta joko sirottaa tai absorboida auringonsäteilyä. Toisaalta hiukkaset voivat myös osallistua pilvenmuodostukseen, jos ne ovat koostumukseltaan kyllin hapettuneita ja siksi pystyvät sitomaan ympärilleen vesimolekyylejä. Ilman aerosolihiukkasia maapallo olisi varmasti paljon lämpimämpi, sillä sekä suora säteilyn sirottaminen että epäsuora sirottaminen pilvien kautta ovat tärkeitä ilmakehän viilennysmekanismeja. Auringonsäteilyn määrä ja siten pintalämpötilat ohjaavat ilmakehän pienhiukkasten pitoisuuksia ihmisten ja luonnon kautta. Hiukkasten primäärilähteitä ja lähtöaineita on valtava kirjo, joka luo laajan hiukkasten fysiokemiallisten ominaisuuksien kokoelman. Tässä työssä esitellään tutkimus aerosolihiukkasten kemiallisen koostumuksen vuodenaikaisvaihtelusta SMEAR II -asemalla, Etelä-Suomessa, jossa lämpötilan vuodenaikaisvaihtelu on suurta. Työhön liittyvissä mittauksissa hyödynnettiin massaspektrometriaa ja in situ -suodatinmittauksia. Aerosolikemiamittaukset kuuluvat SMEAR II -aseman rutiinimittauksiin, ja niitä on tehty jatkuvasti vuodesta 2012 lähtien. Tässä tutkielmassa analysoinnin kohteena ovat vuoden 2014 neljä termistä vuodenaikaa, jotka sijoittuivat tarkemmin ajanjaksolle 23.1. - 27.10.2014. Tutkimuksen analyysimenetelmät todettiin hyödyllisiksi ja niitä sovelletaan tulevaisuudessa koko nelivuotisen aikasarjan (2012 - 2015) analyysiin. Työssä todettiin aerosolihiukkasten koostuvan kesällä pääasiassa luontoperäisistä orgaanisista yhdisteistä (~77 %) ja talvella enimmäkseen epäorgaanisista yhdisteistä (~54 % ), jotka olivat kaukokulkeumaa kaupungeista. Sulfaatti dominoi tasaisesti epäorgaanista massaa vuodenajasta riippumatta. Ilmakehän hapetuskapasiteetti heijastui kesällä orgaanisen aerosolin haihtuvuustasoon madaltaen sitä huomattavasti. Kesällä puolihaihtuvalla orgaanisella aerosolilla ja nitraatilla oli selkeä vuorokausisykli, jossa valtaosa massasta oli hiukkasfaasissa yöllä ja katosi kaasufaasiin keskipäivällä. Vastaavanlaista käyttäytymistä ei orgaanisilla aerosolityypeillä ollut havaittavissa talvella, mikä johtui toisaalta kylmemmistä lämpötiloista ja toisaalta myös orgaanisen aerosolin erilaisesta koostumuksesta. Epäorgaanisten yhdisteiden vuorokausisyklien tulkinta oli haastavaa, johtuen kaukokulkeuman ajallisten vaihteluiden runsaudesta, joka tulevaisuuden laajemmassa analyysissä saadaan minimoitua.

Pro Gradu -työssä tutkittiin Suomen lämpötilavähetteen klimatologiaa Suomessa kesäkuukausina. Tarkastelu tehtiin alatroposfäärissä painekerroksissa 900-700 hPa. Tutkielmaa varten aineistoa kerättiin Sodankylän ja Jokioisten luotauksista vuosilta 1981-2018. Lämpötilavähetteen ilmastollinen keskiarvo määriteltiin sekä päivä- (12:00 UTC) että yöluotausten (0:00 UTC) perusteella kolmelle eri painekerrokselle: 900-800 hPa, 800-700 hPa ja 850-700 hPa. Tulokset laskettiin Python-ohjelmalla, jonka avulla luotauksissa havaittuja lämpötila-arvoja voitiin interpoloida halutuille painepinnoille. Tutkielman keskeisenä tavoitteena oli selvittää, mikä on suurien lämpötilavähetearvojen esiintyvyys Suomessa ja todentaa, kuinka merkittävä tutkielman tapausesimerkin aikana esiintynyt vähetearvo on klimatologiatarkastelussa. Suuri lämpötilavähete alatroposfäärissä mahdollistaa voimakkaat laskuvirtaukset, joiden tärkein syntytapa liittyy olomuodon muutoksiin, kuten sadeveden haihtumiseen tai jäärakeiden sulamiseen. Tapausesimerkkiä tutkielmassa edustaa Oulussa 3.7.2017 koettu voimakas puuskarintama, joka oli seurausta haihtumisjäähtymisen aikaansaamista laskuvirtauksista. Niiden etenemistä maanpintaan saakka edesauttoi ympäristön suuri lämpötilavähete tapahtumapäivänä. Yöluotauksessa esiintynyt vähetearvo painekerroksissa 850-700 hPa oli tällöin 8,49 K/km, joka osoittautui klimatologisessa tarkastelussa merkittävän suureksi: vain 3,6 % vähetearvoista ylitti 8 K/km tarkastelujakson aikana. Kaikissa painekerroksissa lämpötilavähetteen klimatologiset keskiarvot olivat suurimmillaan kesäkuussa yhtä poikkeusta lukuun ottamatta. Alkukesän suuremmat vähetearvot liittyvät kuivan ilman konvektioon, joka on todennäköisintä aurinkoisessa, kuivassa ja sateettomassa säässä. Suomessa lämpötilavähetteen ennätysarvot vuosina 2000-2018 olivat kesäkuukausien osalta painekerroksessa 850-700 hPa Sodankylässä 9,48 K/km ja Jokioisilla 9,16 K/km. Jokioisten suuren vähetteen aikana Vaasassa havaittiin erittäin voimakkaita puuskatuulia. Alatroposfäärin lämpötilavähetteen profiili muistutti tällöin Oulun tapauksen aikana havaittua profiilia.

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.

The aim of this Master’s thesis is to study the local and remote effects of the Arctic sea ice decline on atmospheric circulation in the Northern Hemisphere in the Eurasian continent. The climate in the Arctic area has been getting warmer due to global warming and the Arctic Amplification enhancing its effect. This has caused a decline in the Arctic sea ice extent and thickness, and a lengthening of the melting season. Local effects of the sea ice decline have been the rise in surface air temperature, increase in sensible and latent heat fluxes from the ocean, increase of moisture in the troposphere and therewith increase in cloudiness and precipitation. This has also caused more turbulence and smaller stratification in the lower troposphere, and an increased boundary layer thickness. A warmer Arctic area and a consequent sea ice decline has decreased the meridional pressure field height gradient and thereby the westerly geostrophic wind in the upper troposphere. The jet stream trajectory has become more meridional and meandering, which resembles the negative phase of the NAO/AO index. This has advected in winter warm air to the Pole and cold air to the Eurasian continent. Blocking highs over the Atlantic and Siberia have further advected cold air to the continent with cold and snow-rich winters as a result. In China the effect has been a more stable lower troposphere with less cyclone activity in winter whereas in spring the sea ice decline has brought lower temperatures and a weakening of the East Asian Jet. In summer Europe has experienced higher precipitation and eastern Asia a strengthening of the Eastern Asia Summer Monsoon. Different studies have suggested different mechanisms for this. Effects in autumn have been mainly the same as in winter, with weather patterns similar to the negative phase of the NAO/AO index. As a conclusion, it was found in the study that the decline in Arctic sea ice has had quite expected, better understood local effects. The results on remote effects are still partly controversial and not as well comprehended. A decrease in the meridional pressure gradient seems to have effects in several seasons and geographical regions through changes in tropospheric cold/warm advection and in jet stream strength and trajectories. Longer and more accurate data series and more studies with enhanced models are needed in the future in order to get a better understanding of the mechanisms and to separate them from other sources of atmospheric variability.

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.