Browsing by master's degree program "Ilmakehätieteiden maisteriohjelma (Atmospheric Sciences)"
Now showing items 1-20 of 49
-
(2023)Ilmakehän ja meren rajakerroksen aallokolla on keskeinen rooli liikemäärän ja energian vaihdossa ilmakehän ja meren välillä. Tämän kytketyn systeemin mallintaminen on perinteisesti toteutettu toisistaan erillisillä ilmakehä-, aallokko- ja merimalleilla, jotka käyttävät rajakerrosten prosessien kuvaamiseen vakioparametrisointeja. Tässä tutkielmassa tarkastellaan ajassa ja paikassa muuttuvien aaltokentän parametrisointien huomioimisen vaikutuksia kolmiulotteisen hydrodynaamisen merimallin tuloksiin Itämeren alueella yksisuuntaisen WAM-NEMO-mallikytkennän avulla. Yksisuuntaisesti toteutetun aallokko-meri-mallikytkennän kuvaamien vuorovaikutusten ymmärtäminen luo pohjaa täysin kytketyn mallisysteemin muodostamiselle tulevaisuudessa. Tutkielma on toteutettu toimeksiantona Ilmatieteen laitoksella ja sen toteutuksessa on hyödynnetty CMEMS-palvelun BAL MFC -konsortion mallinnusosaamista. Aalto-meri-mallikytkentä toteutettiin käyttämällä WAM-aaltomallin tuloksia pakotteina NEMO-merimallin Nemo Nordic 2.0 -konfiguraatiossa. Mallisimulaatiot toteutettiin aikavälille 1.4.– 31.12.2021. Tarkasteltavia aaltoparametrejä olivat kolmiulotteinen Stokesin virtaus ja mereen kohdistuva, aallokosta riippuva leikkausjännitys. Lisäksi tutkielmassa tarkasteltiin kyseisten parametrien yhteisvaikutusta. Parametrien implementoinnin rajoitteista johtuen aallokko-meri-vuorovaikutuksia ei tarkasteltu eksplisiittisesti jääpeitteen alueella. Toteutettujen skenaariosimulaatioiden tuloksia verrattiin ilman aaltoparametrien vaikutusta toteutettuun kontrollisimulaatioon ja in situ -mittausdataan tulosten validoimiseksi. Tarkasteltujen skenaarioiden välisten erojen tarkastelemiseksi mallituloksista valikoitiin lähempää tarkastelua varten tilanteet, joissa aallokon vaikutukset pintakerroksen dynamiikkaan korostuivat. Aallokosta riippuvan leikkausjännityksen havaittiin vaikuttavan merkittävästi meren sekoittuneen pintakerroksen syvyyteen, kasvattavan keskimääräisiä pintavirtausten nopeuksia koko Itämeren alueella Tanskan salmia lukuunottamatta ja näiden tekijöiden kautta vaikuttavan oleellisesti Itämeren hydrografian kuvaamiseen merimallissa. Tanskan salmissa pienentyneiden virtausnopeuksien havaittiin olevan yhteydessä kasvaneen pinnan suolaisuuden ja pienentyneen halokliinin alapuolisen suolaisuuden kanssa, mikä osoittaa huomattavia muutoksia altaiden välisessä, koko Itämeren alueeseen vaikuttavassa vedenvaihdossa. Stokesin virtauksen vaikutukset meren dynamiikkaan havaittiin pienemmiksi. Tarkastelun perusteella voidaan todeta aallokon muokkaaman leikkausjännityksen vaikutukset tarkastellussa mallikonfiguraatiossa suuriksi, mutta havaintoihin verrattuna epärealistisiksi, mikä korostaa aaltoparametrien jatkotutkimuksen merkitystä niin meren pintakerroksen dynamiikan teoreettisen kuvaamisen kuin operatiivisten mallien näkökulmasta.
-
(2022)Air ions can play an important role in new particle formation (NPF) process and consequently influence the atmospheric aerosols, which affect climate and air quality as potential cloud condensation nuclei. However, the air ions and their role in NPF have not been comprehensively investigated yet, especially in polluted area. To explore the air ions in polluted environment, we compared the air ions at SORPES site, a suburban site in polluted eastern China, with those at SMEAR II, a well-studied boreal forest site in Finland, based on the air ion number size distribution (0.8-42 nm) measured with Neutral Cluster and Air Ion Spectrometer (NAIS) during 7 June 2019 to 31 August 2020. Air ions were size classified into three size ranges: cluster (0.8-2 nm), intermediate (2-7 nm), and large (7-20 nm). Median concentration of cluster ions at SORPES (217 cm−3) was about 6 times lower than that at SMEAR II (1268 cm−3) due to the high CS and pre-existing particle loading in polluted area, whereas the median large ion concentration at SORPES (197 cm−3) was about 3 times higher than that of SMEAR II (67 cm−3). Seasonal variations of ion concentration differed with ion sizes and ion polarity at two sites. High concentration of cluster ions was observed in the evening in the spring and autumn at SMEAR II, while the cluster ion concentration remained at a high level all day in the same seasons. The NPF events occurred more frequently at SORPES site (SMEAR II 16% ; SORPES: 39%), and the highest values of NPF frequency at both sites were in spring ((SMEAR II: spring: 43%; SORPES: spring: 56%). During the noon time on NPF event day, the concentration of intermediate ions were 8-14 times higher than same ours on non-event days, indicating that can be used as an indicator for NPF in SMEAR II and SORPES. The median formation rate of 1.5 nm at SMEAR II were higher then that at SORPES, while higher formation rate of 3 nm ions were observed at SORPES. At 3 nm, the formation rate of charged particles was only 11% and 1.6% of the total rate at SMEAR II and SORPES respectively, which supports the current view that neutral ways dominate the new particle process in continental boundary. However, higher ratio between charged and total formation rate of 3 nm particle at SMEAR II indicates ion-induced nucleation can have a bigger contribution to NPF in clear area in comparison to polluted area. Higher median GR of 3-7 nm (SMEAR II: 3.1 nm h−1; SORPES: 3.7 nm h−1) and 7-20 nm (SMEAR II: 5.5 nm h−1; SORPES: 6.9 nm h−1) ions at SORPES were found in comparison to SMEAR II, suggesting the higher availability of condensing vapors at SORPES. This study presented a comprehensive comparison of air ions in completely different environments, and highlighted the need for long-term ion measurements to improve the understanding of air ions and their role in NPF in polluted area like eastern China
-
(2023)Tähän tutkielmaan on käytetty Ilmatieteen laitoksen digitaalista jääkartta-aineistoa. Jääkarttoja on tehty operatiivisiin tarkoituksiin jo 1800-luvun loppupuolelta asti, mutta käytössä ollut aineisto sisältää viimeisimmät vuodet 1980–2022, joiden jääkartat on saatu digitaaliseen muotoon. Aineistosta käsiteltiin merijään konsentraatiota ja siitä laskettavaa jäällistä alaa. Merijään vuosittainen laajuus vaihtelee paljon, mikä näkyy myös tulosten aikasarjoissa. Vuosittaiseen vaihteluun vaikuttavat muun muassa Pohjois-Atlantin heilahtelu (NAO) ja Arktinen heilahtelu (AO). Selkämeri ja Suomenlahti ovat fyysisiltä muodoiltaan, meriveden ominaisuuksiltaan ja sijainniltaan erilaisia, joten niiden merijäätkin eroavat jonkin verran toisistaan. Mitä pohjoisempana tai idempänä sijainti on, sitä ankarampia talvet ja jääolot ovat. Tämä vaikuttaa osittain siihen, että Selkämeren osa-alueiden välillä on eroja jääpeitteessä, samoin Suomenlahden osa-alueiden välillä. Kaikkia eroja ei kuitenkaan voida laittaa pelkästään maantieteellisen sijainnin piikkiin, vaan jääpeitteeseen ja sen sijaintiin vaikuttaa myös merijään dynamiikka. Merijää, meri ja ilmakehä ovat kaikki kytkeytyneet toisiinsa termodynaamisten ja dynaamisten prosessien kautta, ja niiden vaikutuksesta merijääpeite on jatkuvasti muutoksessa. Konsentraation ja jäällisen alan käsittelyn jälkeen nähtävissä oli, että merijään laajuuden trendi on kaikilla tarkastelluilla alueilla vähenevä. Nämä tulokset ovat linjassa myös muiden kirjallisuudessa esitettyjen tulosten kanssa, joiden mukaan talvet ovat leudompia ja ankaria talvia esiintyy harvemmin. Aineistosta erottui yksi erityisen kylmä talvi (1987), jolloin merijään jäällinen ala on ollut laajimmillaan tämän tarkastelujakson aikana. Ilmastonmuutoksella on jo ollut vaikutuksensa myös Itämeren merijäähän ja merijäätä pidetäänkin ilmastonmuutoksen herkkänä mittarina.
-
(2021)The Arctic Ocean is known to be inhabited with energetic mesoscale eddies commonly detected in depths from 200 m to 1200 m. Due to their high energetics and ability to transfer momentum, heat, salt and biochemical properties for long distances from their origin, eddies may considerably affect the structure of a water column in the Arctic Ocean. This study investigated an anticyclonic eddy event detected at one of the mooring stations deployed under the Nansen and Amundsen Basins Observational System project. The mooring located at the deep part of the continental slope of the Laptev Sea and conducted autonomous measurements during the years 2013–2015. The conductivity-temperature-depth, as well as current measurements from the Acoustic Doppler Current Profiler in the upper ocean (24–82 m) and from the McLane Moored Profiler in the intermediate layer (88–760 m), were examined. Spectral analysis of the currents and calculation of the eddy available potential energy were performed. This study revealed a mesoscale eddy with the core centred deeper than 750 m drifted past the mooring for 2 months. Its horizontal length scale was ∼128 km. The water properties typical for the Fram Strait Branch of the Atlantic water carried by the subsurface boundary current were trapped in the eddy. This study suggests that the eddy was originated from the baroclinic instability of the front between the Fram Strait Branch and the Barents Sea Branch of the Atlantic water flow.
-
(2022)Research in radar technology requires readily accessible data from weather systems of varying properties. Lack of real-world data can delay or stop progress in development. Simulation aids this problem by providing data on demand. In this publication we present a new weather radar signal simulator. The algorithm produces raw time series data for a radar signal using physically based methodology with statistical techniques incorporated for computational efficiency. From a set of user-defined scatterer characteristics and radar system parameters, the simulator solves the radar range equation for individual, representative precipitation targets in a virtual weather cell. The model addresses the question of balancing utility and performance in simulating signal that contains all the essential weather information. For our applications, we focus on target velocity measurements. Signal is created with respect to the changing position of targets, leading to a discernable Doppler shift in frequency. We also show the operation of our simulator in generating signal using multiple pulse transmission schemes. First, we establish the theoretical basis for our algorithm. Then we demonstrate the simulator's capability for use in experimentation of advanced digital signal processing techniques and data acquisition, focusing on target motion. Finally, we discuss possible future developments of the simulator and their importance in application.
-
(2022)Suomen lentosäähavainnot käyvät läpi murrosta kohti automaatiota. Automaattisiin havaintoihin liittyy laatuongelmia, joten syntyi idea tehdä aiheesta laajempi tutkimus. Tutkimusaineistona käytettiin Rovaniemen lentoaseman havainnontekijöiden vuodesta 2011 lähtien täyttämää verifiointitaulukkoa, jossa ideana on kirjata manuaalisen havainnon tekohetkellä ylös automaattijärjestelmän tarjoamat arvot eri sääsuureille. Vertailtavat parametrit ovat näkyvyys, pilven alaraja ja vallitseva sää. Parametrien automaatin ja ihmisen määrittämät arvot ristiintaulukoitiin jokaiselle kolmelle parametrille erikseen. Tulokset eivät antaneet kovin hyvää kuvaa automaattihavaintojen nykyisestä laadusta, sillä kaikkien kolmen parametrin osalta havainnoista löytyi merkittäviä puutteita arvojen tarkkuudessa ja ajantasaisuudessa. Erot tarkaksi oletettuihin ihmishavaintoihin olivat niin suuria, että esiin nousi kysymyksiä lentoturvallisuuteen ja automaattihavaintojen käytön järkevyyteen liittyen. Tulosten pohjalta esitetään ratkaisuksi merkittäviä parannuksia havaintojärjestelmään sekä havaintojen tilapäistä manualisointia parannusprosessin ajaksi. Tutkielmassa käydään varsinaisen tutkimusosion lisäksi läpi Suomen lentosäähavaintojen teoriaa. Tekstissä pureudutaan syvemmin manuaalisen ja automaattisen havaintomenetelmän perusperiaatteisiin sekä esitellään Suomen lentosäähavaintojen historiaa pääpiirteittäin.
-
(2021)Carbon monoxide (CO) is a chemically reactive trace gas in the atmosphere, indirectly affecting radiative balance. The oxidation of CO with hydroxyl radical (OH) is the large sink of atmospheric CO. The reactions of CO and OH decrease the atmospheric capacity to oxidize atmospheric methane (CH4), hence indirectly extends the lifetime of CH4 in the atmosphere. In addition, CO oxidation increases the abundance of tropospheric ozone (O3). CH4 and O3 are both very strong greenhouse gases, and it has been estimated that the cumulative indirect radiative forcing of CO can be even more significant than the third most powerful greenhouse gas, nitrous oxide. This study studied CO fluxes in four different ecosystems: a boreal forest, a boreal fen, a cropland in the boreal region, and a sisal plantation in the semi-arid tropical zone. All the ecosystems were CO sources during the growing season from May to August, and ecosystems showed strong seasonal variation. Fluxes had a regular diurnal cycle, peaking at noon and zero flux or small uptake at night. The main drivers for the CO emissions were radiation and air temperature. The strong correlation between radiation and CO flux proved that photodegradation was an important process in biogenic CO emissions. Radiation and air temperature were used in a simple linear regression model to estimate the biogenic CO emissions in the study sites. The model was trained for Hyytiälä data in 2016, tested for the rest of the data from Hyytiälä in 2015 and 2017 and other sites. The chamber measurements showed that soils were CO sinks and CO emissions were mainly from vegetation. Generally, in many upscaling models of CO, soil consumption is considered significantly larger than photodegradation. This study showed that many terrestrial ecosystems can be sources of CO, even though there are generally considered as a sink of CO. There is a need for ecosystem-scale flux measurements in other ecosystems and latitudes to understand better the global CO budget.
-
(2022)Ilmatieteen laitoksella on otettu käyttöön eri säämallien ennusteita yhdistelevä, niin sanotun konsensusennusteperiaatteen mukainen jälkikäsittelymenetelmä, joka tunnetaan nimellä Blend. Tämä tutkielman tarkoituksena on selvittää Blend-menetelmällä tuotetun tuuliennusteen toimivuutta Suomen merialueilla käyttämällä muutamaa yleiseen käyttöön vakiintunutta sääennusteiden verifiointimenetelmää. Verifiointi on toteutettu vertaamalla Blend-ennusteen tuulennopeusarvoja niin ikään jälkikäsittelyllä tuotettuihin potentiaalituuliarvoihin 25:llä Suomen merialueilla sijaitsevalla havaintoasemalla. Potentiaalituulta on päätetty käyttää alkuperäisten tuulihavaintojen sijasta, koska se parantaa eri sääasemilta tulevien mittaustulosten keskinäistä vertailukelpoisuutta ja näin ollen tekee verifiointituloksista paremmin koko alueelle yleistettäviä. Tulokset osoittavat odotetusti, että merkittävimmät Blend-tuuliennusteen toimivuuteen vaikuttavat tekijät ovat tuulennopeus ja ennustepituus – ennustevirhe kasvaa yleisesti suuremmilla tuulennopeuksilla ja pidemmillä ennustepituuksilla. Myös muilla muuttujilla, kuten vuorokauden- ja vuodenajalla sekä tuulen suunnalla, havaittiin olevan jonkin verran vaikutusta ennustevirheeseen. Useimmissa säätilanteissa Blend-ennusteen voidaan todeta olevan toimivuudeltaan varsin hyvä ja tasalaatuinen. Blend-ennusteen merkittävin ongelma on etenkin suurilla tuulennopeuksilla huomattavan suuri negatiivinen harha (bias), eli ennustetut tuulennopeudet ovat havaintoihin nähden selvästi liian heikkoja. Tästä johtuen Blend ei useimmissa tapauksessa kykene ennustamaan kovimpia tuulia, jotka ovat harvinaisuudestaan huolimatta operatiivisen sääennustamisen kannalta kaikista tärkeimpiä mm. merialueille annettavien tuulivaroitusten vuoksi. Menetelmä on kuitenkin kehityskelpoinen, ja jos ennusteharha pystytään jatkossa minimoimaan laskennassa paremmin, se saattaa kyetä tuottamaan jopa varsinaisia säämalleja parempia tuuliennusteita.
-
(2022)Small arctic glaciers have in general been consistently neglected with respect to the collection of long time-series observations. Available data is often a product of multiple independent and separate studies, thus gaps in the data sets are common. Numerical modelling provides one solution to alleviate existing gaps in knowledge, while historical observations can be used to assess model accuracy. The Foxfonna ice cap and associated glacier were investigated with the aid of the numerical modelling software, Elmer/Ice. The goal was to reproduce core glaciological characteristics of the entire glacier system from a 3D simulation based on multiple digital elevation models (DEMs) between the years 1961-2021. The methods proved capable of providing additional information on the glaciological characteristics of a small glacier system, such as Foxfonna. Issues primarily arose from the steady state assumption and the difficulty of producing simulations for a dynamically varying glacier system.
-
(2024)There has been a major decreasing trend in the amount of sea ice in the Arctic since the 1990s. The Arctic amplification (AA) warms the Arctic climate as a result of the global warming, strengthened by the ice albedo feedback loop. The ice albedo feedback loop is caused by melting of snow and ice surfaces. Melting of snow and ice causes changes to the surface albedo, which is a measure of the amount of incident solar radiation that is reflected. Melting snow and ice surface types and revealed open water or terrain have significantly lower albedo than the original snow and ice surfaces. Therefore more radiation is absorbed, which has a warming effect. CLARA-A3 dataset is analyzed in this thesis. Surface albedo (SAL) and top of atmosphere (ToA) albedo values are compared. Data from June and July of the years 2012 and 2014 are analyzed. The objective is to check the consistency of these data records. The surface albedo values are also modelled with the Simplified Model for Atmospheric Correction (SMAC) to further validate the data. The relationship between SAL and ToA is also studied. This is achieved by analysing snow and ice optical properties, interaction of solar radiation with Earth’s atmosphere and the effect of illumination and viewing geometry. The results of data analysis indicate consistency between the observed values for SAL and ToA albedo differences within the observed period. The results are also in line with predictions made based on previous studies on the seasonal trends in the Arctic albedo. Furthermore results modelled with SMAC show dependency with the observed results and thereby validate the data. However data from June 2012 and July 2014 are unfortunately contaminated, which means that there are less usable data and therefore of reduced accuracy. Data analysis conducted for a larger SAL and ToA dataset would be needed to provide a basis for studying the decadal and seasonal trend of the Arctic SAL and ToA albedo difference. The whole melting season beginning in March and ending in September is important to study to better understand seasonal variability and trends as well as decadal trends in the Arctic.
-
(2023)In this thesis I have examined wind gust cases in Finland that have occurred during the summer season between 2010 and 2021. The main goal of the thesis was to find convective wind gust cases of non-tornadic origin, also known as damaging straight-line winds, and find out whether the gust on the surface could have been, in theory, solely caused by the slow advection of strong upper-level winds to the surface or whether another factor, such as a strong downdraft, must have played a role in the creation of the gust. Convective wind gusts occur in Finland every summer, but despite this, the amount of research on them and the damage they can cause has been relatively small in the past compared to gusts caused by extratropical cyclones, for example. To find suitable wind gust cases, weather data from the Finnish Meteorological Institute (FMI) was downloaded. After scanning through the data to find cases, which were suspected of being convective origin, ERA5 reanalysis data developed by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) was downloaded from the locations and times of the gusts’ occurrence. Also chosen for further examination, for comparison purposes, were wind gust cases suspected of being caused by extratropical cyclones. The FMI wind gust speed and wind speed data was visualized in line charts, while the ERA5 data values of wind speed, equivalent potential temperature and relative humidity were tabulated and visualized in vertical cross sections. The visualization was done with the help of Python’s matplotlib.pyplot library and the MetPy toolbox. The results indicated that the differences between gust cases caused by convection and gust cases caused by extratropical cyclones can be clearly seen from the reanalysis data. As for the convective cases themselves, the data indicated that in several of them the gust could have been caused by the slow advection of strong upper-level winds to the surface on its own, in theory at least. However, in the majority of the cases the data indicated that the gust was likely the result of a strong downdraft or possibly by a combination of a downdraft and advection. Besides this, the values of the examined parameters and their visualization revealed that damaging straight-line winds can occur under various conditions in Finland.
-
(2023)Atmospheric aerosol particles play a significant role in urban air pollution, and understanding their size distribution is essential for assessing pollution sources and urban aerosol dynamics. In this study, we use a novel method developed by Kontkanen et al. (2020) to determine size-resolved particle number emissions in the particle size range of 3-800 nm at an urban background site and a street canyon site in Helsinki. Our results show overall higher particle number emissions in the street canyon compared to the urban background. On non-NPF event days, the particle number emissions of 3-6 nm particles in the urban background are highest in the noon. The emissions to the size range of 6-30 nm are highest during the morning or afternoon at both sites, indicating traffic is the main particle source in this size range. The emissions of larger particles are relatively low. Seasonal analysis suggests higher emissions during the summer in comparison to the winter which might be linked to higher product of mixing layer height (MLH) and particle number concentration in summer. Further investigations into particle emissions from different wind sectors suggest higher particle emissions from the urban sector than from the road sector in the urban background, contrary to the results for NOx concentrations. More research is needed to better understand the underlying factors. In addition, a comparison between particle number emissions estimated using FMI measurement MLH data and ERA5 model MLH data reveals that FMI data provides a more reliable representation of the MLH in the study area. Overall, the methods show limitations in accurately capturing particle dynamics in Helsinki. Future studies should address these limitations by employing more accurate NPF event classification and refining sector division methods.
-
(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.
-
(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.
-
(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.
-
(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.
-
(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.
-
(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.
-
(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.
-
(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.
Now showing items 1-20 of 49