Ilmatieteen laitos: Recent submissions

Now showing items 1-20 of 163
  • Lehtonen, Ilari; Venäläinen, Ari; Gregow, Hilppa (2020)
    Raportteja - Rapporter - Reports 2020:5
    Kasvavat metsät sitovat hiiltä ilmakehästä, ja metsillä on siten tärkeä rooli ilmastonmuutok-sen hillinnässä. Metsät ovat myös tärkeitä virkistysalueita, ja ennen kaikkea luonnontilaisia metsiä tarvitaan pyrittäessä suojelemaan luonnon monimuotoisuutta. Toisaalta metsäteollisuus on yksi Suomen tärkeimmistä teollisuudenaloista, joten myös metsien taloudellinen merkitys Suomessa on suuri. Ilmastonmuutoksen edetessä ja erilaisten metsien käyttöön liittyvien intressien ristipaineessa korostuu kysymys siitä, miten metsiä voidaan hyödyntää kestävällä tavalla. Metsänhoidon suositusten uudistamisen pohjaksi tarvitaan tietoja niin ilmastonmuutoksen suuruudesta kuin sen vaikutuksistakin. Tässä raportissa esitetään tämänhetkisen tietämyksen mukaiset arviot ilmastonmuutoksesta Suo-messa sekä siitä, millaisia vaikutuksia muutoksella on Suomen metsiin ja metsätaloudelle. Viimeisten noin 150 vuoden aikana keskilämpötila on Suomessa jo kohonnut pari astetta. Tällä hetkellä lämpötila nousee Suomessa vajaat puoli astetta vuosikymmenessä. Kuluvan vuosisadan puoliväliin mennessä lämpötilan odotetaan kohoavan nykyisestä noin 1–1,5 astetta lisää. Kuinka paljon lämpötila nousee edelleen vuosisadan jälkipuoliskolla, riippuu suuresti kasvihuonekaasupäästöjen tulevasta maailmanlaajuisesta kehityksestä. Suomessa lämpötilan nousu on noin kaksi kertaa nopeampaa kuin maapallolla keskimäärin. Lämpenemisen lisäksi sateiden odotetaan lisääntyvän etenkin talvikuukausina. Toisaalta kesällä kuivuus voi vaivata aiempaa useammin. Lämpeneminen ja ilmakehän kohonnut hiilidioksidipitoisuus ovat jo omalta osaltaan kiihdyttäneet metsien kasvua, ja tulevaisuudessa metsiemme ennustetaan kasvavan yhä rivakammin. Toisaalta lisääntyvät metsätuhot voivat osittain neutralisoida tämän kehityksen. Erityisesti kuusikot ovat alttiita paitsi monille tuhonaiheuttajille, niin Etelä-Suomessa myös lisääntyvälle kuivuudelle. Tuhohyönteisistä lämpeneminen hyödyttää muun muassa kaarnakuoriaisiin lukeutuvaa kirjanpainajaa. Talvella roudan väheneminen vaikeuttaa puiden korjuuolosuhteita, mikä lisää juuristovaurioiden riskiä korjuun yhteydessä ja haittaa puunkorjuun logistiikkaa. Myös tuulituhojen riski kasvaa roudan vähen-tyessä. Kansainvälisesti tavoitteeksi on asetettu lämpenemisen rajaaminen maailmanlaajuisesti alle kahteen asteeseen esiteolliseen aikaan eli 1700-luvun puolivälin ilmastoon verrattuna. Tämä edellyttäisi nopeaa maailmanlaajuista kasvihuonekaasupäästöjen hillintää. Toistaiseksi kasvihuonekaasujen päästöjen kasvua ei ole pystytty rajoittamaan siinä määrin, että tavoitteen toteutuminen näyttäisi todennäköiseltä, joten on syytä varautua voimakkaampaan lämpenemiseen. Pahimman skenaarion toteutuessa lämpötila voi maailmanlaajuisesti kohota jopa yli neljä astetta kuluvan vuosisadan aikana. Yksittäisen metsänomistajan kannalta keskeistä on huolehtia metsien kasvusta ja elinvoimasta sekä pyrkiä myös tunnistamaan metsiä uhkaavat riskit, puuston ja maaston vaihtelevuus huomioon ottaen. Riskien hallinnan tueksi verkossa on saatavilla runsaasti avoimia ilmaston vaihteluita ja sään ääri-ilmiöiden esiintymistä kuvaavia tietoaineistoja sekä ennustepalveluita. *** Växande skogar binder kol från atmosfären och spelar därmed en viktig roll för att mildra klimatförändringarna. Skogar är också viktiga som rekreationsområden, och framför allt behövs naturskogar för att skydda den biologiska mångfalden. Å andra sidan är skogsindustrin en av Finlands viktigaste industribranscher och skogsbrukets ekonomiska betydelse är därmed också betydande. Pågående klimatförändringar, samt delvis till och med motstridiga intressen gentemot skogen som uttrycks från olika sektorer i samhället, gör det viktigt att studera hur skogen kan utnyttjas på ett hållbart sätt. Information om både omfattningen och konsekvenserna av klimatförändringarna behövs för att revidera skogsvårdsrekommendationerna. I denna rapport presenterar vi en bedömning av klimatförändringarna i Finland baserat på nuvarande information och beskriver de förväntade effekterna på skog och skogsbruk. Under de senaste 150 åren har medeltemperaturen i Finland redan stigit med cirka 2 °C. För närvarande stiger temperaturen i Finland med nästan 0,5 °C per årtionde. I mitten av 2000-talet förväntas temperaturerna vara cirka 1–1,5 °C högre än för närvarande. Uppvärmningshastigheten under den senare hälften av 2000-talet beror till stor del på den framtida utvecklingen av de globala utsläppen av växthusgaser. I Finland är uppvärmningen ungefär dubbelt så snabb som det globala genomsnittet. Förutom uppvärmningen förväntas nederbörden att öka i framtiden, särskilt på vintern. Å andra sidan kan torka förekomma på sommaren oftare än för nuförtiden. Högre temperaturer och stigande koldioxidkoncentration i atmosfären har redan bidragit till att förbättra skogstillväxten. I framtiden beräknas våra skogar växa ännu snabbare. Å andra sidan kan en ökande frekvens av skogsskador delvis radera denna utveckling. Det är särskilt granskogar som är sårbara för många skadedjur, men också för torka i södra Finland. Ett exempel på ett skadedjur som kan dra nytta av uppvärmningen är granbarkborren. På vintern komplicerar en minskning av tjäle logistiken för skogsavverkning och ökar risken för rotskador under avverkningen. Risken för vindskador ökar också när tjälen minskar. Internationellt har målet satts att begränsa den globala uppvärmningen till mindre än 2 °C jäm-fört med den förindustriella tiden, dvs mitten av 1700-talet. För att uppnå målet skulle det krävas en snabb minskning av de globala utsläppen av växthusgaser. Hittills har man inte lyckats begränsa ökningen av de globala utsläppen av växthusgaser i en sådan utsträckning att det skulle verka troligt att målet kan uppnås. Därför finns det ett behov av att förbereda sig för en större uppvärmning. I värsta fall kan den globala medeltemperaturen öka med mer än 4 °C till slutet av 2000-talet. Det är viktigt för den enskilda skogsägaren att ta hand om skogens tillväxt och livskraft, samt att försöka identifiera riskerna som hotar skogarna, med hänsyn till variationer i bestånd och terräng. För att stödja riskhanteringen finns det flera öppna datauppsättningar om klimatvariabilitet och förekomsten av extrema väderhändelser, såväl som prognostjänster. *** Growing forests sequester carbon from the atmosphere, and hence forests have an important role in mitigating climate change. Forests are also important as recreational areas, and natural forests are needed in maintaining biodiversity. On the other hand, the economic importance of forests is sub-stantial in Finland as the forest industry is a major contributor to wellbeing in the country. Ongoing climate change and the multiple contradictory interests towards forests expressed from different sectors in society make it important to study how forests can be exploited in a sustainable way. Information on the magnitude and impacts of climate change are needed in revising the forest management recommendations. In this report, we present an assessment of climate change in Finland based on current knowledge and describe the expected effects of the change on forests and forestry. Over the last 150 years, the mean temperature in Finland has already risen by about 2 °C. Presently, the temperature continues to increase with a rate of almost 0.5 °C per decade, and by the mid-century, temperatures in Finland are expected to be approximately 1–1.5 °C higher than at present. The rate of warming during the latter half of the 21st century will largely depend on the future evolution of global greenhouse gas emissions. In Finland, the rate of warming is about twice as large as the global average. In addition to warming, precipitation levels, particularly in winter, are expected to increase in the future. On the other hand, drought may occur in summer more frequently than at present. Increasing temperature and rising atmospheric carbon dioxide concentration have already contributed to accelerating forest growth. In the future, our forests are projected to grow even more rapidly. On the other hand, an increasing frequency of forest damages may partly overrule this development. Particularly, spruce forests are vulnerable to many insect pests but in southern Finland also to drought. An example of a pest benefitting from the warming is the European spruce bark beetle. In winter, reduction of soil frost complicates the logistics of forest harvesting and increases the risk of root damage during the harvest. The risk of wind damage also increases as the soil frost decreases. Internationally, the goal is to limit global warming to less than 2 °C compared to pre-industrial era, i.e., the mid-18th century. This would require rapid global mitigation of greenhouse gas emissions. So far, limiting the increase in global greenhouse gas emissions has not been adequately successful so that reaching the target would seem likely. Thus, there is a need to be prepared for a more severe warming. In the worst case, the temperature could rise even by more than 4 °C globally by the end of the 21st century. From the forest owner viewpoint, it is important to take care of the growth and vitality of the forest stands and to identify the risks threatening the stands, taking into account the variability of the stands and the terrain. To support risk management, there are available several open data sets on climate variability and the occurrence of extreme weather events, as well as forecasting services.
  • Siljamo, Niilo (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 171
    Snow cover plays a significant role in the weather and climate system, ecosystems and many human activities, such as traffic. Weather station snow observations (snow depth and state of the ground) do not provide highresolution continental or global snow coverage data. The satellite observations complement in situ observations from weather stations. Geostationary weather satellites provide observations at high temporal resolution, but the spatial resolution is low, especially in polar regions. Polarorbiting weather satellites provide better spatial resolution in polar regions with limited temporal resolution. The best detection resolution is provided by optical and infra-red radiometers onboard weather satellites. Snow cover in itself is highly variable. Also, the variability of the surface properties (such as vegetation, water bodies, topography) and changing light conditions make satellite snow detection challenging. Much of this variability is in subpixel scales, and this uncertainty creates additional challenges for the development of snow detection methods. Thus, an empirical approach may be the most practical option when developing algorithms for automatic snow detection. In this work, which is a part of the EUMETSAT-funded H SAF project, two new empirically developed snow extent products for the EUMETSAT weather satellites are presented. The geostationary MSG/SEVIRI H32 snow product has been in operational production since 2008. The polar product Metop/AVHRR H32 is available since 2015. In addition, validation results based on weather station snow observations between 2015 and 2019 are presented. The results show that both products achieve the requirements set by the H SAF. *** Lumipeitteellä on huomattava vaikutus säähän, ilmastoon, luontoon ja yhteiskuntaan. Pelkästään sääasemilla tehtävät lumihavainnot (lumen syvyys ja maanpinnan laatu) eivät anna kattavaa kuvaa lumen peittävyydestä tai muista lumipeitteen ominaisuuksista. Sääasemien tuottamia havaintoja voidaan täydentää satelliiteista tehtävillä havainnoilla. Geostationaariset sääsatelliitit tuottavat havaintoja tihein välein, mutta havaintoresoluutio on heikko monilla alueilla, joilla esiintyy kausittaista lunta. Polaariradoilla sääsatelliittien havaintoresoluutio on napa-alueiden läheisyydessä huomattavasti parempi, mutta silloinkaan satelliitit eivät tuota jatkuvaa havaintopeittoa. Tiheimmän havaintoresoluution tuottavat sääsatelliittiradiometrit, jotka toimivat optisilla aallonpituuksilla (näkyvä valo ja infrapuna). Lumipeitteen kaukokartoitusta satelliiteista vaikeuttavat lumipeitteen oman vaihtelun lisäksi pinnan ominaisuuksien vaihtelu (kasvillisuus, vesistöt, topografia) ja valaistusolojen vaihtelu. Epävarma ja osittain puutteellinen tieto pinnan ja kasvipeitteen ominaisuuksista vaikeuttaa luotettavan automaattisen analyyttisen lumentunnistusmenetelmän kehittämistä ja siksi empiirinen lähestymistapa saattaa olla toimivin vaihtoehto automaattista lumentunnistusmenetelmää kehitettäessä. Tässä työssä esitellään kaksi EUMETSATin osittain rahoittamassa H SAFissa kehitettyä lumituotetta ja niissä käytetyt empiiristä lähestymistapaa soveltaen kehitetyt algoritmit. Geostationaarinen MSG/SEVIRI H31 lumituote on saatavilla vuodesta 2008 alkaen ja polaarituote Metop/AVHRR H32 vuodesta 2015 alkaen. Lisäksi esitellään pintahavaintoihin perustuvat validointitulokset, jotka osoittavat tuotteiden saavuttavan määritellyt tavoitteet.
  • Luomaranta, Anna (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 169
    In northern countries, such as Finland, winter climate conditions affect the functionality of society in many ways. Due to the climate warming, the winter conditions are facing changes. Changes in snow and ice act as an indicator of the climate conditions in a region. The aim of this thesis is to examine what the winters are like in Finland in a changing climate. The main results of this work are based on gridded observations, FMIClimGrid and E-OBS, and CMIP5 global climate model simulations. Using these, the observed snow, temperature and precipitation conditions in 1961-2014 were analyzed, and the future changes in Baltic Sea ice cover were projected for the ongoing century. In addition, two modeling studies were performed: The first assessed the performance of ECHAM5 atmospheric general circulation model in simulating snow melt timing in spring, and the second studied the ability of numerical convection-permitting weather prediction model HARMONIE to simulate a sea-effect snowfall case. The results showed that, in Finland, the snow depth has decreased throughout the year and the snow season has shortened. Increasing liquid precipitation in winter was one of the main reasons for the changes. In spring, increasing air temperature has had an effect. The annual maximum sea ice extent and sea ice thickness in the Baltic Sea were projected to decrease during the ongoing century. However, the Baltic Sea is unlikely to become totally ice-free during typical winters in the coming decades. When climate models are used to predict future climate conditions, it is essential that they describe the snow cover realistically, since it is an important element of the climate system. In the ECHAM5 climate model, Northern Eurasian snow melt timing was generally produced quite well when compared to satellite observations, but regional differences were also found. The reasons for the discrepancies turned out to be the simplifications in the calculations of the model’s surface energy budget. The HARMONIE model also managed to simulate a known sea-effect snowfall case reasonably well. The simulation results improved when radar reflectivities were assimilated into the model. As climate warming proceeds, the winter conditions will continue to change. The results of this thesis highlight the importance of continuous monitoring of climate conditions in the northern areas. Pohjoismaissa, joihin Suomikin kuuluu, talven ilmasto-olosuhteet vaikuttavat yhteiskunnan toimivuuteen monin tavoin. Ilmaston lämmetessä talviolosuhteet muuttuvat. Muutokset lumi- ja jääpeitteessä toimivat indikaattorina alueen ilmasto-oloista. Tämän väitöskirjan tavoitteena on tarkastella, millaisia Suomen talvet ovat muuttuvassa ilmastossa. Väitöskirjan päätulokset perustuvat hilamuotoisiin havaintoaineistoihin, FMIClimGridiin ja E-OBSaineistoon, sekä globaaleihin CMIP5-ilmastomallisimulaatioihin. Näistä aineistoista analysoitiin havaittuja lumi-, lämpötila- ja sadeolosuhteita jaksolla 1961-2014 sekä arvioitiin Itämeren jääpeitteen tulevia muutoksia vuoteen 2100 mennessä. Lisäksi työssä tehtiin kaksi mallinnustutkimusta: toisessa arvioitiin ECHAM5-ilmastomallin kykyä simuloida lumen sulannan ajankohtaa keväällä, ja toisessa tarkasteltiin säänennustusmalli HARMONIEN kykyä simuloida tunnettu rannikkolumisadetilanne. Tulokset osoittivat, että lumensyvyys on Suomessa pienentynyt läpi vuoden ja lumikausi on lyhentynyt. Lisääntyneet talviaikaiset vesisateet olivat yksi pääsyy muutokseen. Keväällä myös lämpötilan nousu on vaikuttanut lumen vähenemiseen. Itämeren jääpeitteen vuotuisen maksimilaajuuden ja jäänpaksuuden arvioitiin pienentyvän kuluvalla vuosisadalla. On kuitenkin epätodennäköistä, että Itämeri muuttuisi kokonaan jäättömäksi tulevien vuosikymmenien tyypillisinä talvina. Koska lumipeite on tärkeä osa ilmastojärjestelmää, on oleellista, että tulevaisuuden ilmasto-olosuhteita arvioivat ilmastomallit kuvaavat lumipeitteen realistisesti. ECHAM5-ilmastomalli kuvasi Pohjois-Euraasian lumensulannan ajankohdan yleisesti ottaen melko hyvin, mutta alueellisia eroja kuitenkin löytyi, kun tuloksia verrattiin satelliittihavaintoihin. Havaitut erot aiheutuivat yksinkertaistuksista ECHAM5-mallin maanpinnan säteilytaseen laskennassa. Myös HARMONIE-malli onnistui simuloimaan tunnetun rannikkolumisadetapauksen kohtuullisen hyvin. Simulaation tulokset paranivat, kun malliajoon lisättiin tutkahavainnot mukaan. Kun ilmaston lämpeneminen etenee, talviolosuhteidenkin muutokset jatkuvat. Tämän väitöskirjan tulokset korostavat pohjoisten alueiden ilmasto-olosuhteiden jatkuvan seurannan tärkeyttä.
  • Norberg, Johannes (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 173
    Ionosphere is the partly ionised layer of Earth's atmosphere caused by solar radiation and particle precipitation. The ionisation can start from 60 km and extend up to 1000 km altitude. Often the interest in ionosphere is in the quantity and distribution of the free electrons. The electron density is related to the ionospheric refractive index and thus sufficiently high densities affect the electromagnetic waves propagating in the ionised medium. This is the reason for HF radio signals being able to reflect from the ionosphere allowing broadcast over the horizon, but also an error source in satellite positioning systems. The ionospheric electron density can be studied e.g. with specific radars and satellite in situ measurements. These instruments can provide very precise observations, however, typically only in the vicinity of the instrument. To make observations in regional and global scales, due to the volume of the domain and price of the aforementioned instruments, indirect satellite measurements and imaging methods are required. Mathematically ionospheric imaging suffers from two main complications. First, due to very sparse and limited measurement geometry between satellites and receivers, it is an ill-posed inverse problem. The measurements do not have enough information to reconstruct the electron density and thus additional information is required in some form. Second, to obtain sufficient resolution, the resulting numerical model can become computationally infeasible. In this thesis, the Bayesian statistical background for the ionospheric imaging is presented. The Bayesian approach provides a natural way to account for different sources of information with corresponding uncertainties and to update the estimated ionospheric state as new information becomes available. Most importantly, the Gaussian Markov Random Field (GMRF) priors are introduced for the application of ionospheric imaging. The GMRF approach makes the Bayesian approach computationally feasible by sparse prior precision matrices. The Bayesian method is indeed practicable and many of the widely used methods in ionospheric imaging revert back to the Bayesian approach. Unfortunately, the approach cannot escape the inherent lack of information provided by the measurement set-up, and similarly to other approaches, it is highly dependent on the additional subjective information required to solve the problem. It is here shown that the use of GMRF provides a genuine improvement for the task as this subjective information can be understood and described probabilistically in a meaningful and physically interpretative way while keeping the computational costs low. *** Ionosfääri on noin 60–1000 kilometrin korkeudella sijaitseva ilmakehän kerros, jossa kaasuatomien ja -molekyylien elektroneja on päässyt irtoamaan auringon säteilyn ja auringosta peräisin olevien nopeiden hiukkasten vaikutuksesta. Näin syntyneillä ioneilla ja vapailla elektroneilla on sähkö- ja magneettikenttien kanssa vuorovaikuttava sähkövaraus. Ionosfäärillä on siksi merkittävä rooli radioliikenteessä. Se voi mahdollistaa horisontin yli tapahtuvat pitkät radiolähetykset heijastamalla lähetetyn sähkömagneettisen signaalin takaisin maata kohti. Toisaalta ionosfääri vaikuttaa myös sen läpäiseviin korkeampitaajuuksisiin signaaleihin. Esimerkiksi satelliittipaikannuksessa ionosfäärin vaikutus on parhaassakin tapauksessa otettava huomioon, mutta huonoimmassa se voi estää paikannuksen täysin. Näkyvin ja tunnetuin ionosfääriin liittyvä ilmiö lienee revontulet. Yksi keskeisistä suureista ionosfäärin tutkimuksessa on vapaiden elektronien määrä kuutiometrin tilavuudessa. Käytännössä elektronitiheyden mittaaminen on mahdollista mm. tutkilla, kuten Norjan, Suomen ja Ruotsin alueilla sijaitsevalla EISCAT-tutkajärjestelmällä, sekä raketti- tai satelliittimittauksilla. Mittaukset voivat olla hyvinkin tarkkoja, mutta tietoa saadaan ainoastaan tutkakeilan suunnassa tai mittalaitteen läheisyydestä. Näillä menetelmillä ionosfäärin tutkiminen laajemmalla alueella on siten vaikeaa ja kallista. Olemassa olevat paikannussatelliitit ja vastaanotinverkot mahdollistavat ionosfäärin elektronitiheyden mittaamisen alueellisessa, ja jopa globaalissa mittakaavassa, ensisijaisen käyttötarkoituksensa sivutuotteena. Satelliittimittausten ajallinen ja paikallinen kattavuus on hyvä, ja kaiken aikaa kasvava, mutta esimerkiksi tarkkoihin tutkamittauksiin verrattuna yksittäisten mittausten tuottama informaatio on huomattavasti vähäisempää. Tässä väitöstyössä kehitettiin tietokoneohjelmisto ionosfäärin elektronitiheyden kolmiulotteiseen kuvantamiseen. Menetelmä perustuu matemaattisten käänteisongelmien teoriaan ja muistuttaa lääketieteessä käytettyjä viipalekuvausmenetelmiä. Satelliittimittausten puutteellisesta informaatiosta johtuen työssä on keskitytty etenkin siihen, miten ratkaisun löytymistä voidaan auttaa tilastollisesti esitetyllä fysikaalisella ennakkotiedolla. Erityisesti työssä sovellettiin gaussisiin Markovin satunnaiskenttiin perustuvaa uutta korrelaatiopriori-menetelmää. Menetelmä vähentää merkittävästi tietokonelaskennassa käytettävän muistin tarvetta, mikä lyhentää laskenta-aikaa ja mahdollistaa korkeamman kuvantamisresoluution.
  • Lamminpää, Otto (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 172
    Carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) are two most significant anthropogenic greenhouse gases contributing to climate change and global warming. Indirect remote sensing measurements of atmospheric concentrations of these gases are crucial for monitoring manmade emissions and understanding their effects and related atmospheric processes. The reliability of these studies depends largely on robust uncertainty quantification of the measurements, which provides rigorous error estimates and confidence intervals for all results. The main goal of this work is to develop and implement rigorous, robust and computationally efficient means of uncertainty quantification for atmospheric remote sensing of greenhouse gases. We consider both CO2 measurements by NASA’s Orbiting Carbon Observatory 2 (OCO-2) and CH4 measurements by Sodankylä Arctic Space Center’s Fourier Transform Spectrometer (FTS), the latter being studied from the perspectives of both individual measurements, and the entire time series from 2009-2018. Our approach leverages recent mathematical results on dimension reduction to produce novel algorithms that are a step towards thorough and efficient operational uncertainty quantification in the field of atmospheric remote sensing. Mathematically, the process of inferring gas concentrations from indirect measurements is an ill-posed inverse problem, meaning that a well-defined solution doesn't exist without proper regularization. Bayesian approach utilizes probability theory to provide a regularized solution to the inverse problem as a posterior probability distribution. The posterior distribution is conventionally approximated using a Gaussian distribution, and results are reported as the mean of the distribution as a point estimate, and the corresponding variance as a measure of uncertainty. In reality, due to non-linear physics models used in the computations, the posterior is not well approximated by a Gaussian distribution, and ignoring its actual shape can lead to unpredictable errors and inaccuracies in the retrieval. Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods offer a robust way to explore the actual properties of posterior distributions, but they tend to be computationally infeasible as the dimension of the state vector increases. In this work, the low intrinsic information content of remote sensing measurements is exploited to implement the Likelihood-Informed Subspace (LIS) dimension reduction method, which increases the computational efficiency of MCMC. Novel algorithms using LIS are implemented to abovementioned atmospheric CH4 profile and column-averaged CO2 concentration inverse problems. *** Hiilidioksidi (CO2) ja metaani (CH4) ovat merkittävimmät ihmisperäiset kasvihuonekaasut, joilla molemmilla on huomattava vaikutus ilmastonmuutokseen ja ilmakehän lämpenemiseen. Näiden kaasujen pitoisuuksien epäsuorat kaukokartoitusmittaukset ovat oleellinen osa ihmisperäisten päästöjen kehityksen seurannassa. Näitä mittauksia tarvitaan myös arvioitaessa kasvihuonekaasujen vaikutusta ilmakehän prosesseihin. Edellämainitun tutkimuksen luotettavuus perustuu suurilta osin mittausten epävarmuuden arvioinnin paikkansapitävyyteen, minkä takaamiseksi käytetään korkeatasoista epävarmuusanalyysiä. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena on kehittää ja ottaa käyttöön luotettavia ja laskennallisesti tehokkaita epävarmuusanalyysimenetelmiä sovellettuna kasvihuonekaasujen kaukokartoitukseen. Kehitetyt menetelmät perustuvat matemaattisesti käänteisongelmien teoriaan ja todennäköisyysteorian sovelluksiin. Käytämme erityisesti informaatioteoreettisia työkaluja pienentääksemme käänteisongelman ulottuvuutta. Tämä johtaa laskennalliseen ongelmaan, joka on huomattavasti nopeampi ratkaista. Työn sovelluskohteita ovat Nasan Orbiting Carbon Observatory 2 -satelliitin hiilidioksidipitoisuusmittaukset sekä Sodankylän Arktisessa Avaruuskeskuksessa sijaitsevan spektrometrin mittaamat metaanipitoisuudet. Jälkimmäisessä keskitymme sekä yksittäisiin mittauksiin että koko aikasarjan tutkimiseen ajalta 2009–2018. Kehitetyt menetelmät toimivat erittäin hyvin käsitellyissä sovelluksissa luoden pohjaa uusille operatiivisille epävarmuusanalyysialgoritmeille.
  • Pellikka, Havu (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 167
    This thesis presents research on two topics related to sea level in the Baltic Sea: regional sea level rise and meteotsunamis, i.e. meteorologically generated tsunami waves. While these phenomena act on very different time scales, they are both relevant for estimates of coastal flooding risks. Main objectives of this work are i) to present projections of mean sea level change in Finland by 2100 as location-specific probability distributions that can be used as a basis for decision-making in coastal management, and ii) to study the occurrence of meteotsunamis on the Finnish coast and the weather conditions that create these waves. Global mean sea level is rising in the warming climate. This will affect coastal life worldwide, but sea level does not rise uniformly around the globe. Projections of future sea level rise have large uncertainties, especially because the response of the Antarctic ice sheet to climatic changes is poorly known. This makes the upper tail of the probability distribution of sea level rise hard to pin down. In this work, an ensemble of global sea level rise projections is adjusted regionally to form a probability distribution of regional sea level rise. The results suggest that sea level rise in the Baltic Sea will be about 80% of the global mean, without including the effect of land uplift. To obtain probability distributions of mean sea level change relative to land, the effects of postglacial land uplift and wind-induced changes in mean sea level are combined with the sea level rise distributions. According to the average scenario, the sea level in the Gulf of Finland is expected to rise ca. 30 cm in 2000–2100, while mean sea level decline will continue in the Gulf of Bothnia. However, the high-end scenario projects sea level rise everywhere on the Finnish coast, ranging from 21 cm in Vaasa to 90 cm in Hamina. Meteotsunamis occur in shallow sea areas worldwide and can reach a height of several metres in extreme cases. In the Baltic Sea, such high, inexplicable sea waves are historically known as Seebär on the German-speaking southern coast and sjösprång in Swedish-speaking regions. According to old literature and recent eyewitness reports, meteotsunamis can occur all around the Baltic Sea and cause mild damage. The highest reliably documented events have been 1–1.5 metres high. After decades of no reported occurrences, three meteotsunamis were observed in Finland in the summers of 2010 and 2011. This work gives a detailed description of these events and their meteorological origin. The waves were created by air pressure disturbances propagating over the sea. The speeds of the disturbances were close to the long wave speed in the sea, which amplifies the wave. Such resonance effects, in addition to local coastal bathymetry, are central in the formation of meteotsunamis. To study the frequency of meteotsunami occurrence on the Finnish coast, meteotsunamis were detected in the original tide gauge charts and high-resolution sea level data from the Gulf of Finland over the past century. In total, 121 potential events were identified in the summer months of 1922–2014, with typical wave heights of 10–30 cm at the tide gauges. A statistically significant increasing trend in the number of meteotsunamis was found in Hamina in the eastern part of the gulf, but not in Hanko in the west. A strong connection between lightning observations (1998–2014) and meteotsunami occurrence was found: lightning numbers were over ten times higher on days when a meteotsunami was recorded compared to other summer days. *** Tässä työssä käsitellään kahta Itämeren vedenkorkeuteen liittyvää aihetta: alueellista merenpinnan nousua ja säätsunameja eli meteorologisten ilmiöiden synnyttämiä tsunamiaaltoja. Vaikka ilmiöiden aikaskaalat ovat hyvin erilaiset, ovat ne molemmat olennaisia Itämeren meritulvariskien arvioinnin kannalta. Työn tärkeimpinä tavoitteina on i) laskea ennusteet keskimerenpinnan tason muutokselle Suomessa vuoteen 2100 saakka paikkakohtaisina todennäköisyysjakaumina, jotka sopivat käytettäväksi päätöksenteon tukena rannikkosuunnittelussa, sekä ii) tutkia säätsunamien esiintymistä Suomen rannikolla ja niihin liittyviä sääolosuhteita. Ilmaston lämpenemisen aiheuttama valtamerien pinnannousu vaikuttaa rannikkoseutujen elämään ympäri maailman, mutta merenpinta ei nouse tasaisesti kaikkialla. Merenpinnan nousuennusteissa on myös suuria epävarmuuksia erityisesti siksi, että Etelämantereen mannerjäätikön tulevaisuus muuttuvassa ilmastossa tunnetaan huonosti. Sen vuoksi merenpinnan nousun todennäköisyysjakauman yläpäätä on vaikea arvioida. Tässä työssä käytetään alueellisen merenpinnan nousun jakauman pohjana joukkoa globaaleja ennusteita, joihin sovelletaan alueellisia korjaustekijöitä. Tulosten perusteella merenpinnan nousu Itämerellä on noin 80 % globaalista keskiarvosta, jos ei huomioida maankohoamisen vaikutusta. Kun merenpinnan nousujakaumiin lisätään maankohoamisen ja tuulen aiheuttamien keskimerenpinnan muutosten vaikutus, saadaan todennäköisyysjakaumat keskimerenpinnan tason muutoksesta maan suhteen. Keskimääräisen skenaarion mukaan merenpinta nousee Suomenlahdella noin 30 cm vuosina 2000–2100, kun taas Pohjanlahdella merenpinta edelleen laskee. Korkeimpien ennusteiden toteutuminen johtaisi kuitenkin merenpinnan nousuun kaikkialla Suomen rannikolla nousun vaihdellessa Vaasan 21 cm:stä Haminan 90 cm:iin. Säätsunameja esiintyy matalilla merialueilla ympäri maailmaa ja ne voivat saavuttaa ääritapauksissa useiden metrien korkeuden. Itämeren piirissä tällaiset korkeat, selittämättömät aallot tunnetaan vanhastaan saksankielisellä nimellä Seebär ja ruotsinkielisellä nimellä sjösprång. Vanhojen kirjallisuuslähteiden ja uusien silminnäkijähavaintojen perusteella säätsunameja esiintyy kaikkialla Itämeren rannikolla ja ne voivat aiheuttaa lievää vahinkoa. Suurimmat luotettavasti dokumentoidut tapaukset ovat olleet 1–1,5 metrin korkuisia. Useiden vuosikymmenten mittaisen hiljaisen jakson jälkeen Suomessa havaittiin kolme säätsunamia kesällä 2010 ja 2011. Tässä työssä kuvataan nuo tapaukset ja niiden meteorologinen tausta yksityiskohtaisesti. Aallot syntyivät meren yllä liikkuvien ilmanpaineen häiriöiden seurauksena. Häiriöiden nopeus oli lähellä pitkien aaltojen nopeutta meressä, mikä kasvattaa aallon korkeutta. Tällaiset resonanssi-ilmiöt ovat rannikon paikallisen pohjatopografian lisäksi keskeisiä säätsunamien muodostumisessa. Ilmiön yleisyyden tutkimiseksi säätsunameja etsittiin Suomenlahden mareografien alkuperäisiltä piirturirullilta ja korkean resoluution vedenkorkeushavainnoista lähes vuosisadan ajalta. Aineistosta tunnistettiin kaikkiaan 121 potentiaalista säätsunamia kesäkuukausilta 1922–2014; aaltojen tyypillinen korkeus mareografeilla oli 10–30 cm. Säätsunamien lukumäärässä havaittiin tilastollisesti merkitsevä lisääntyvä trendi Haminassa, mutta ei Hangossa. Salamahavaintojen (1998–2014) ja säätsunamien esiintymisen välillä havaittiin selvä yhteys: salamamäärät olivat yli kymmenkertaisia säätsunamien esiintymispäivinä verrattuna muihin kesäpäiviin.
  • Pilli-Sihvola, Karoliina (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 168
    This thesis consists of an introduction and four articles which analyse disaster risk management (DRM), including disaster risk reduction (DRR), disaster management and climate change adaptation (CCA) from economic and policy perspectives. The main research question is: what are the means to overcome the salient challenges in DRM and CCA policies and measures which have been designed to reduce the risks posed by extreme weather under uncertainty? Theoretically, it advances the policy level development of DRM and CCA integration and provides a mathematical definition for over-adaptation to climate change. Empirically, it analyses integrated DRM and CCA policies and measures, and analyses challenges related to their development and implementation. Article I provides a formal definition for DRR and CCA policy integration at horizontal (inter-ministerial) and vertical (intra-ministerial) dimensions to assess DRR and CCA policy-making and analyses policies and their integration challenges in Zambia. The theoretical contribution to the literature is the formal definition for DRR and CCA policy integration and the empirical contribution is provided by evidence of potential challenges created by the governance system. Article II discusses the contribution of the underlying vulnerability drivers of governance, societal and political factors, culture, policies and their implementation, and argues that vulnerability reduction is a key aspect in reducing disaster and climate change risk. The theoretical contribution furthers the discussion on new dimensions in climate change risk analyses by emphasising the potential impacts of societal development, such as social trends and social cohesion, in effective DRM and CCA. The article contributes to the empirical literature by assessing Nordic welfare state structures as a means to reduce disaster risk and climate change. Article III analyses the costs and benefits of a major integrated DRM and CCA policy in Finland, and describes how over-adaptation, i.e. over-investment in DRM and CCA may affect the legitimacy of a policy aiming partially at reducing extreme weather risk. The article contributes to the theoretical literature by providing a mathematical definition for over-adaptation and to the empirical literature through the case study. Article IV assesses the effects of a potential innovation in weather service provision to improve CCA and safety in the road transport sector. The article identifies and describes the main trends and potential innovations in the provision and use of weather services. It contributes to the empirical literature on CCA and weather service benefit valuation. *** Tämä tutkielma koostuu johdannosta ja neljästä artikkelista, joissa analysoidaan sekä katastrofiriskien hallintaa (Disaster Risk Management – DRM) että ilmastonmuutokseen sopeutumista (Climate Change Adaptation – CCA) taloustieteellisestä ja politiikka-analyysin näkökulmasta. Katastrofiriskien hallintaan sisältyvät katastrofiriskien vähentäminen (Disaster Risk Reduction – DRR) ja katastrofien hallinta (Disaster Management). DRM- ja CCA-politiikkojen tarkoituksena on vähentää äärimmäisten sääilmiöiden aiheuttamia riskejä ottaen huomioon ilmastonmuutoksen mukanaan tuoma epävarmuus. Tutkielman pääkysymys on: millä keinoin voidaan ratkaista DRM- ja CCA-politiikkoihin ja -toimiin liittyviä merkittäviä haasteita? Teoreettisesti tutkielma edistää DRM:n ja CCA:n politiikka-analyysia sekä esittää matemaattisen määritelmän ilmastomuutoksen liialliseen sopeutumiseen. Empiirisesti työssä analysoidaan integroituja DRM- ja CCA-politiikkoja ja- toimia sekä analysoidaan niiden kehittämiseen ja toteuttamiseen liittyviä haasteita. Artikkelissa I kehitetään DRR- ja CCA-politiikkojen integroinnin muodollinen määritelmä horisontaalisessa (ministeriöiden sisäisessä) ja vertikaalisessa (ministeriöiden välisessä) ulottuvuudessa. Empiirinen osuus analysoi Sambian tilannetta ja haasteita. Teoreettinen panos kirjallisuuteen on muodollinen määritelmä DRR- ja CCA-politiikkaintegroinnille ja empiirinen panos tulee arvioista hallinnon tilanteen aiheuttamista mahdollisista haasteista. Artikkelissa II käsitellään katastrofiriskien taustalla olevien haavoittuvuustekijöiden, kuten yhteiskunnallisten ja poliittisten tekijöiden, kulttuurin, politiikan ja niiden täytäntöönpanon vaikutusta riskien vähentämisessä. Artikkelin teoreettinen panos edistää keskustelua ilmastoriskianalyysien uusista ulottuvuuksista korostamalla yhteiskunnallisen kehityksen, kuten sosiaalisten suuntausten ja yhteenkuuluvuuden, mahdollisia vaikutuksia tehokkaassa DRM:ssä ja CCA:ssa. Artikkeli tukee empiiristä kirjallisuutta arvioimalla pohjoismaisen hyvinvointivaltion rakenteita keinona vähentää katastrofi- ja ilmastonmuutosriskiä. Artikkelissa III analysoidaan integroidun DRM- ja CCA- politiikan kustannuksia ja hyötyjä Suomessa: Lisäksi kuvataan, kuinka liiallinen panostaminen katastrofiriskien hallintaan ja sopeutumiseen voi vaikuttaa politiikan hyväksyttävyyteen. Artikkelin teoreettinen panos tulee matemaattisen määritelmän esittämisestä liialliseen CCA:han, ja empiirinen panos tulee tapaustutkimuksen kautta. Artikkelissa IV arvioidaan, miten innovaatiot voivat vähentää sään ääri-ilmiöiden ja ilmastonmuutoksen aiheuttamia haitallisia vaikutuksia tieliikennesektorilla. Artikkelissa tunnistetaan ja kuvataan sääpalvelujen tarjoamisen ja käytön tärkeimmät suuntaukset ja mahdolliset innovaatiot, sekä arvioidaan millaisia taloudellisia hyötyjä tieliikenteen turvallisuuden parantaminen tuo. Artikkeli on osa empiiristä CCA-kirjallisuutta ja tarjoaa esimerkin sääpalvelujen taloudellisten hyötyjen arvioinnista.
  • Filioglou, Maria (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 166
    Atmospheric aerosol particles absorb and scatter solar radiation, altering directly the radiation balance. Indirectly, these particles have a complex interplay in cloud formation, affecting cloud reflectivity and cloud lifetime. Apart from the climatic effects, atmospheric particles pose negative health effects and they reduce visibility with adverse effects in road traffic and aviation safety. To improve the understanding of the aerosol effect on climate four different studies have been conducted. The main instrument utilized to retrieve vertical profiles of the aerosols was a multi-wavelength PollyXT lidar. The hygroscopic effect of the aerosol particles in the retrieved optical properties which is relevant to cloud studies can be assessed using the water vapor capabilities of the lidar. Lidar water vapor retrieval requires initial calibration. An evaluation of the different lidar water vapor signal calibration techniques was performed to quantify the uncertainty in the retrieved water vapor profiles. Moreover, two measurement campaigns were held in Finland and the United Arab Emirates in order to characterize the properties of understudied aerosol types (pollen and Arabian dust). Lastly, the effectiveness of the different aerosol types to the formation of ice, water, or mixedphase clouds in the Arctic was determined using a synergy of a spaceborne lidar (CALIOP) and a cloud radar (CloudSat). The study on water vapor showed that accurate water vapor retrievals are subject to the calibration factor. Operational on-site radiosondes are the best option, but robust retrievals are possible using data from the nearest radiosonde site or modelled data. Satellite-derived water vapor profiles performed the poorest, yet they could serve as an option in the absence of better information. The analysis of the pollen observations showed that the classification of various pollen types is possible, although challenging. Characterization requires shape information from at minimum two linear particle depolarization wavelengths, as well as external information such as airmass backward trajectories to ensure that other non-spherical aerosol particles such as dust are not present over the measurement site. Regarding the Arabian dust optical properties, it was found that this aerosol type exhibits different optical properties, specifically concerning the lidar ratios, than the dust originating from the Saharan region. Consequently, the universal lidar ratio of 55 sr currently used in lidar-based applications may lead to biases for dust originating from the Arabian Peninsula. The Arctic study on aerosol-cloud interactions showed that higher aerosol load was associated with higher occurrence of mixed-phase clouds. On the contrary, moderate association was found with varying the aerosol type. Nevertheless, meteorology outweighed the aerosol load importance over less stable atmospheric conditions, for example, over open ocean. *** Tässä väitöskirjassa tutkittiin ilmakehän pienhiukkasten ominaisuuksia ja niiden vaikutusta pilviin hyödyntämällä useiden kaukokartoitusmenetelmien synergiaa. Tutkimuksessa käytettiin pääasiassa PollyXT–lidar-mittalaitetta. Tutkimus jakautui kolmeen kokonaisuuteen: 1) Arvioitiin eri kalibrointimenetelmien aiheuttamaa epävarmuutta lidar-mittauksiin pohjautuvissa vesihöyryprofiileissa. 2) Määritettiin Suomessa ja Yhdistyneissä arabiemiirikunnissa tehtyjen mittausten avulla siitepölyn ja aavikkopölyn optiset ominaisuudet. 3) Selvitettiin miten erilaiset pienhiukkastyypit vaikuttavat erityyppisten pilvien muodostumiseen Arktisella alueella hyödyntämällä satelliittipohjaisia lidar- (CALIOP) ja tutkahavaintoja (CloudSat). Vesihöyrytutkimus osoitti, että tarkat lidar-havainnot vesihöyrystä vaativat tarkan kalibroinnin muiden mittausten avulla. Parhaaseen tulokseen päästään käyttämällä radioluotauksia samalta asemalta mutta niiden puuttuessa voidaan käyttää myös radioluotauksia lähiseudulta tai mallinnettuja vesihyöryprofiileja. Heikoin tulos saatiin satelliittihavaintoja käyttämällä, mutta niistäkin on apua parempien tietolähteiden puuttuessa. Siitepölymittaukset osoittavat, että siitepölytyyppien tunnistaminen lidar-mittausten avulla saatavien optisten ominaisuuksien perusteella on mahdollista, vaikkakin haastavaa. Tyyppien tunnistamiseksi mittauksista täytyy saada tietoa hiukkasten muodosta, koosta sekä kyvystä absorboida valoa. Lisäksi pitää varmistaa, että havaintoja eivät ole häirinneet muut ei-pallomaiset hiukkaset, kuten aavikkopöly, käyttämällä tietoa ilmamassojen kulkureiteistä. Mittaukset Arabian niemimaan aavikkopölystä paljastivat, että sen optiset ominaisuudet poikkeavat Saharan pölystä, etenkin lidarsuhteen osalta. Täten lidar-mittausten analyyseissa usein käytetty lidarsuhde aavikkopölylle ei vastaa Arabian niemimaan aavikkopölyä. Tutkimus pienhiukkasten ja pilvien vuorovaikutuksesta Arktisella alueella osoitti, että pienhiukkasten määrän kasvaessa pilvet, jotka sisältävät sekä vettä että jäätä, lisääntyvät. Pienhiukkastyypin vaikutus pilviin oli huomattavasti pienempi. Sen sijaan ilmakehän ollessa epävakaa, esimerkiksi avomeren päällä, pilvien ominaisuudet riippuivat enemmän ilmakehän virtauksista kuin pienhiukkasten pitoisuudesta tai tyypistä.
  • Kuula, Joel (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 170
    Atmospheric particles are one of the leading mortality risk factors in the Global Burden of Disease study (GBD). The association between particulate mass of particles smaller than 2.5 μm in diameter (PM2.5) and cardiovascular and pulmonary diseases has been characterized by multiple epidemiological studies, and varying estimates suggest that several million premature death occur globally each year due to PM2.5 exposure. Mitigation of the adverse health effects of particulate matter requires comprehensive understanding of their sources and dynamic processes, such as spatial dispersion. Recent emergence and development of aerosol sensors, which are typically characterized as small, relatively low cost and easy to use, have enabled new opportunities in air quality monitoring. As a result of their practical convenience, sensors can be deployed to the field in high quantities which, consequently, enables network-type, spatially comprehensive measurements. However, with more simplified and less expensive measurement approach, less accurate and reliable results may be expected. This study aimed to evaluate and characterize the accuracy and usability of aerosol sensor to urban air quality measurements. The investigation focused on two of the most prominent measurement techniques applicable to sensor type monitoring; optical and diffusion chargingbased techniques. Sensors utilizing optical technique were evaluated in laboratory and field studies for their error sources and particle size-selectivity, specifically. Diffusion charging-based sensors, which measure lung deposited surface area of particles, were evaluated in the field for their suitability to measure combustion emitted particles, such as vehicular exhaust and residential wood combustion emissions. Results of the study indicated that optical aerosol sensors are unlikely to be fit for long-term regulatory monitoring. The main issues preventing this arise from their improper calibration which poses a significant risk of data misinterpretation; none of the laboratory evaluated sensors measured particle sizes which their technical specifications implied. On the other hand, field tests showed that when the measured size fraction was targeted to match the true detection range of the sensor, highly accurate and repeatable results were obtained. This implies that, while the usability of optical sensors is limited in their current form, the concept and vision of a sensor driven air quality monitoring network remains valid and achievable. In comparison to optical sensors, diffusion charging-based sensors were found to be more mature in terms of their technological development. The evaluated sensors exhibited accurate and stable performance throughout the test campaigns and were shown to be particularly well-suited the measurement of combustion emitted particles. Hence, diffusion charger sensors would be a valuable addition to be used alongside other measurement techniques as urban air quality is heavily affected by nanoparticles. *** Ilmakehän pienhiukkaset ovat yksi keskeisimmistä kuolleisuuden riskitekijöistä kansainvälisessä taudin rasittavuuden analyysissä. Useat epidemiologiset tutkimukset ovat osoittaneet pienhiukkasten ja sydän- ja verisuoni- sekä hengitystiesairauksien yhteyden, ja eri arvioiden mukaan useita miljoonia ennenaikaisia kuolemia tapahtuu joka vuosi pienhiukkasaltistumisen seurauksena. Jotta pienhiukkasten negatiivisiin terveysvaikutuksiin voitaisiin vaikuttaa, tulee niiden lähteet ja dynaamiset prosessit, kuten alueellinen leviäminen, tuntea hyvin. Viimeaikainen aerosolisensoreiden esilletulo ja kehittyminen ovat avanneet uusia mahdollisuuksia ilmanlaadun seurantaan. Sensorit, jotka ovat tyypillisesti pienikokoisia, suhteellisen edullisia ja helppokäyttöisiä, mahdollistavat alueellisesti kattavien sensoriverkkomittausten toteuttamisen ja siten pienhiukkasten tarkemman tutkimisen. Sensoreiden edullisempi ja siten yksinkertaisempi mittaustekniikka saattaa toisaalta johtaa suurempaan mittausepätarkkuuteen ja huonompaan laatuun. Tämän työn tavoitteena oli arvioida ja luonnehtia aerosolisensoreiden tarkkuutta ja soveltuvuutta kaupunkialueiden ilmanlaadun seurantaan. Tutkimus keskittyi kahteen mittaustekniikkaan, jotka ovat parhaiten sovellettavissa sensorityyppisiin mittauksiin; optiseen ja diffuusiovarautumiseen perustuvaan tekniikkaan. Optisia sensoreita testattiin sekä ulkoilmassa että laboratoriossa, missä niiden hiukkaskokovalikoivuutta arvioitiin tutkimalla sensorin vastetta keinotekoisesti tuotetuilla erikokoisilla referenssihiukkasilla. Diffuusiovarautumiseen perustuvia sensoreita, jotka mittaavat niin kutsuttua keuhkodeposoituvaa pinta-ala, testattiin ulkoilmassa, missä niiden suorituskykyä arvioitiin erityisesti erittäin pienten nanohiukkasten, kuten liikenteen pakokaasun sekä puunpolton päästöjen, näkökulmasta. Tutkimustulosten perusteella optiset aerosolisensorit eivät toistaiseksi ole soveltuvia pitkäaikaiseen viranomaisvalvonnassa tehtävään ilmanlaadun seurantaan. Tämä johtuu niiden virheellisestä kalibroinnista, jonka seurauksena sensorit eivät mittaa hiukkaskokoluokkia, joita niiden tekniset tuoteselosteet antavat olettaa. Riski mittausdatan väärin tulkinnalle on täten ilmeinen. Toisaalta, kun mitattu hiukkasten kokojakauma rajattiin vastaamaan sensorin ominaista vastealuetta, sensorin mittaustarkkuus oli hyvä ja toistettava. Tämän perusteella, vaikkakin virheellinen kalibrointi rajoittaa optisten sensoreiden käytettävyyttä, konsepti ja visio sensoripohjaisesta mittausverkosta on mahdollinen ja saavutettavissa. Diffuusiovarautumiseen perustuvat sensorit osoittivat olevan teknisesti kehittyneempiä kuin optiset sensorit. Testatut sensorit olivat tarkkoja ja stabiileja kaikissa kenttämittauskampanjoissa, ja ne olivat erityisen hyvin soveltuvia liikenteen pakokaasujen sekä puunpolton päästöjen mittaamiseen. Tämän vuoksi diffuusiovaraukseen perustuvat sensorit olisivat arvokas lisä muiden mittaustekniikoiden rinnalle, varsinkin kun nanohiukkasten osuus kaupunki-ilmassa on merkittävä.
  • Lehtonen, Ilari; Venäläinen, Ari (2020)
    Raportteja – Rapporter – Reports 2020:2
    Kesällä 2018 paloi paljon metsää. Ruotsissa useat laaja-alaiset metsäpalot polttivat yhteensä lähemmäs 25 000 hehtaaria ja maa sai palojen sammuttamiseen apua ulkomaita myöten. Myös Suomessa metsäpalot pitivät palokunnat kiireisinä, kun kesän aikana maassa syttyi yli 2000 metsäpaloa, joissa metsää paloi yhteensä noin 1200 hehtaaria. Vaikean metsäpalokesän taustalla oli poikkeuksellisen lämmin ja kuiva sää. Tässä työssä arvioitiin kesän 2018 olosuhteiden harvinaisuutta Kanadassa kehitetyn metsäpaloriski-indeksin, ns. FWI-indeksin avulla. Tulosten mukaan suuressa osassa Suomea ja Ruotsia yhtä suotuisat olosuhteet metsäpalojen esiintymiselle kuin kesällä 2018 toistuvat harvemmin kuin kerran 50 vuodessa. Ruotsissa kesä oli tässä suhteessa vielä hieman poikkeuksellisempi kuin Suomessa, missä metsäpaloriski oli vähintään yhtä suuri viimeksi kesällä 2006. Myös metsäpaloja Suomessa esiintyi kesällä 2006 enemmän kuin kesällä 2018. Sääolosuhteiden erot eivät kuitenkaan selitä sitä miksi Ruotsissa paloi metsää kesällä 2018 paljon enemmän kuin Suomessa. Viimeisten reilun 20 vuoden aikana metsäpaloja on esiintynyt maiden pinta-alaan suhteutettuna Suomessa ja Ruotsissa suunnilleen yhtä paljon, mutta suuria metsäpaloja Ruotsissa on esiintynyt paljon enemmän kuin Suomessa. Yli 100 hehtaarin laajuisia metsäpaloja Ruotsissa on esiintynyt jopa noin kymmenen kertaa enemmän kuin Suomessa. Ruotsissa on ollut myös useampia yli 1000 hehtaarin metsäpaloja ja laajin yksittäinen palo kesällä 2014 poltti noin 14 000 hehtaaria metsää Västmanlandissa, kun samalla ajanjaksolla laajin metsäpalo Suomessa poltti vain noin 200 hehtaaria Tammelassa kesäkuussa 1997. Laaja-alaisten palojen tehokkaan torjunnan taustalla Suomessa arvioidaan olevan muun muassa haja-asutusalueiden aktiivisen vapaapalokuntatoiminnan. Ilmaston lämmetessä metsäpaloriskin arvioidaan kasvavan Suomessa ja muualla Pohjois-Euroopassa. Toistaiseksi tätä ei ole meillä voitu havaita kasvaneena paloalana. Tässä työssä ilmastonmuutoksen vaikutusta metsäpaloriskiin havainnollistettiin arvioimalla, kuinka usein Suomen tulevassa ilmastossa on sellaisia kesiä, jolloin metsäpaloriski on yhtä suuri tai suurempi kuin viime vuosien vaikeimpina metsäpalokesinä 2006 ja 2018. Eri ilmastonmuutosmallien simulaatioiden tulokset poikkeavat varsin paljonkin toisistaan, mutta näyttäisi kuitenkin siltä, että ainakaan ennen kuluvan vuosisadan puoliväliä vuosien 2006 ja 2018 kaltaiset metsäpalokesät eivät mitenkään merkittävästi yleistyisi. Toisin sanoen vastaavan kaltaisia metsäpalokesiä esiintyisi edelleen enimmäkseen vain muutaman vuosikymmenen välein. Mikäli ilmaston lämpeneminen jatkuu voimakkaana tai jopa kiihtyy edelleen vuosisadan loppupuolella, voivat tällaiset vaikeat metsäpalokesät kuitenkin yleistyä niin paljon, että niitä esiintyisi ehkä vain muutaman vuoden välein. *** There occurred plenty of forest fires during the summer of 2018. In Sweden, a total of nearly 25,000 hectares of forest was burnt in several large-scale fires and firefighters from multiple countries were involved in fighting the fires. Also in Finland, the summer was busy for fire departments due to numerous forest fires. There occurred more than 2000 forest fires in Finland during the summer and approximately 1200 hectares of forest was burnt in the fires. The background reason for the difficult forest fire season was weather that was exceptionally warm and dry during the summer. In this work, fire weather conditions were evaluated based on the Fire Weather Index (FWI) system developed originally in Canada. We determined return levels for the Seasonal Severity Rating (SSR) describing the overall fire weather conditions during the fire season. It appeared that the return level for SSR in 2018 was more than 50 years widely in Finland and Sweden. In Sweden, the conditions were in many locations even slightly more exceptional than in Finland where the return levels for SSR were generally at least as high as in 2018 previously in 2006. Also, the number of forest fires and burned area were in Finland larger in 2006 than in 2018. However, differences in weather conditions could not explain why the burned area in Sweden was in 2018 so much larger than in Finland. During the last a couple of decades, the number of forest fires per land area has been rather similar in Finland and Sweden, but there has occurred a much higher number of large-scale fires in Sweden than in Finland. After the mid-1990s, there has been approximately even a ten times larger number of fires burning more than 100 hectares in Sweden than in Finland. During this time period, the largest forest fire occurred in Finland burned only 200 hectares of forest in Tammela in June 1997, while in Sweden several fires have burned even more than 1000 hectares of forest and the largest fire in 2014 burned approximately 14,000 hectares of forest in Västmanland. It is assumed that one reason for the effectiveness in suppressing fires in Finland before the fires have escalated into conflagrations is the active role of local volunteer fire departments in countryside. In the future, the forest-fire risk is expected to increase in Finland and elsewhere in Northern Europe due to global warming. However, so far, annual burned areas in Finland have not increased noticeably. In this work, the impact of climate change on forest-fire risk was illustrated by evaluating how often summers with similar or higher forest-fire risk as in 2006 and 2018 will occur in Finland in the future. The results obtained from simulations performed with different global climate models differ quite substantially. Nevertheless, forest fire seasons like in 2006 and 2018 will most likely remain rare at least until the mid-21st century. This would mean that the return levels for that kind of difficult forest fire seasons would still be order of several decades. However, in the late 21st century, difficult forest fire seasons comparable to 2006 and 2018 might occur even as often as every few years if the most pessimistic warming scenarios become realized.
  • Rantanen, Mika (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 165
    Extratropical cyclones are among the most important weather phenomena at mid- and high latitudes. They drive the weather variability on daily basis, and the passage of a strong extratropical cyclone can occasionally cause damage for society in general and, as a specific example, forestry due to strong winds, flooding and snow load. Furthermore, extratropical cyclones are a crucial component of the atmospheric general circulation due to their ability to transport large amounts of heat and momentum. Because of climate change, the environment in which extratropical cyclones form will change. For example, the increase of available moisture for extratropical cyclones with the warming enhances the latent heat release in the clouds, affecting thus potentially the intensity and deepening rate of extratropical cyclones, and eventually the impacts which are felt at the surface. Therefore, studying the various effects of climate change on the dynamics of extratropical cyclones is of great importance. In this thesis, a diagnostic method was developed to analyse the physical causes of vertical motion, geopotential height tendency and relative vorticity tendency within extratropical cyclones. Information on the physical causes gives insight into the relative contribution of different moist and dry processes to the evolution of extratropical cyclones. The thesis covers studies of both an idealized, traditional type of cyclone driven by both adiabatic and diabatic dynamics, and a real-world cyclone which was transitioned from a hurricane and was found to be strongly dependent on moist processes. Information on such dynamical differences is essential during the era of changing climate, when the atmospheric moisture content is continuously increasing due to global warming. Furthermore, the changes in the characteristics and structure of extratropical cyclones with the warming were investigated. In a model simulation in which sea surface temperatures were increased by 4 K, the precipitation associated with the cyclones increased up to 50 %, and the area of rainfall moved further away from the cyclone's centre. It was also discovered that extratropical cyclones tend to respond differently to the changes in lower-level and upper-level temperature gradient. The decrease of lower-level temperature gradient, as anticipated in northern mid-latitudes with climate change, tends to decrease the strength of extratropical cyclones in a robust way. The response of extratropical cyclones to the increase of upper-level temperature gradient seems to be, in turn, more sensitive to the presence of atmospheric moisture, which highlights the importance of mid-tropospheric latent heat release for the development of extratropical cyclones. *** Liikkuvat matalapaineet ovat keski- sekä korkeiden leveysasteiden tärkeimpiä sääilmiöitä. Niiden ansiosta päivittäinen säämme on vaihtelevaa, mutta toisaalta voimakkaat matalapaineet voivat aiheuttaa vahinkoja yhteiskunnalle ja esimerkiksi metsätaloudelle myrskytuulien, tulvimisen tai lumisateiden takia. Keskileveysasteiden liikkuvat matalapaineet ovat myös tärkeä osa koko ilmakehän yleistä kiertoliikettä, koska ne kuljettavat liikemäärää ja esimerkiksi tasaavat päiväntasaajan ja korkeiden leveysasteiden suurta lämpötilaeroa. Ilmaston lämpenemisen myötä matalapaineiden kasvuympäristö tulee muuttumaan. Esimerkiksi lämpötilan noususta johtuva ilmakehän kosteussisällön kasvu voimistaa pilvissä tapahtuvaa latentin lämmön vapautumista, mikä vaikuttaa myrskyjen voimakkuuteen, voimistumisnopeuteen ja lopulta myös niiden aiheuttamiin tuhoihin. On siis tärkeää tutkia tarkasti mitä vaikutuksia ilmastonmuutoksella on liikkuvien matalapaineiden dynamiikkaan. Tässä tutkimuksessa kehitettiin diagnostinen työkalu jolla voitiin tutkia matalapaineissa ilmakehän pystyliikkeen sekä geopotentiaalikorkeuden ja suhteellisen pyörteisyyden muutosnopeuden fysikaalisia syitä. Tämän tiedon avulla saadaan selville miten adiabaattinen dynamiikka ja toisaalta diabaattiset prosessit vaikuttavat matalapaineiden kehitykseen, ja mikä on näiden tekijöiden keskinäinen suuruusluokka. Työssä tutkittiin sekä ideaalista, oppikirjamaista matalapainetta, sekä todellista, hurrikaanista muuntautunutta matalapainetta. Idealisoidussa tapauksessa sekä adiabaattiset että diabaattiset prosessit olivat voimakkaita, kun taas myrsky joka muuntui hurrikaanista keskileveysasteiden matalapaineeksi osoittautui vahvasti diabaattiseksi. Tällainen tieto eroavaisuuksissa myrskyjen dynamiikassa on keskeistä ilmastonmuutoksen aikakaudella, erityisesti kasvavan ilmakehän kosteussisällön takia. Väitöskirjatyössä tutkittiin myös miten keskileveysasteiden matalapaineiden ominaisuudet ja rakenne muuttuu ilmaston lämpenemisen myötä. Tulosten mukaan neljän asteen lämpeneminen kasvatti matalapaineisiin liittyvää sateisuutta jopa 50 %. Havaittiin myös että sadealue siirtyi lämpenemisen myötä kauemmaksi myrskyn keskustasta. Lisäksi huomattiin että myrskyjen dynamiikka riippuu eri tavalla ala- ja yläilmakehän lämpötilagradienteista, jotka muuttuvat pohjoisella pallonpuoliskolla ilmaston lämmetessä. Alailmakehän lämpötilagradientin heikkeneminen vähensi matalapaineiden voimakkuutta hyvin selkeästi, kun taas yläilmakehän lämpötilagradientin kasvattaminen voimisti matalapaineita, mutta voimistumisen suuruus oli herkkä ilmakehän kosteussisällölle. Saatu tulos korostaa latentin lämmön vapautumista matalapaineiden kehityksessä.
  • Hemmilä, Marja (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 162
    Atmospheric aerosol particles are small, liquid or solid pieces that are floating in the air. They have a significant effect on air quality, human health and cloud formation. Sources of aerosols can be either primary or secondary, meaning that they can directly be emitted from the source to the air (e.g. sea salt, sand or pollen) or they can be formed from the precursor gases in the air. For example, sulphuric acid, ammonia, amines and oxidised organic vapours are gases that affect the nucleation process. Biogenic Volatile Organic Compounds (VOCs) are gases that are emitted by e.g. boreal forest, and they affect secondary organic aerosol (SOA) population by contributing to the production of oxidised organic vapours that participate in the formation and growth of secondary aerosol particles. In this thesis, thermal desorption inlet gas chromatograph coupled with mass spectrometer (TD-GC-MS) was used to determine how monoterpenes, which are one sub-group of the BVOCs, are emitted from Scots pine and Norway spruce trees. It was discovered that individual trees emit different amounts of various monoterpenes, even when the trees belong to the same species. We concluded that the emissions depend on the chemotype of the trees, which is an inherited property of the individual tree. Nitrogen containing gases, such as ammonia, amines and nitric acid can also take part in the aerosol formation and growth processes. Ammonia and amines stabilise sulphuric acid clusters, therefore helping the new aerosol particles to form. Another nitrogen contain gas, HONO, strongly affects atmospheric chemistry because it reacts with solar radiation and forms a OH• radical, which is one of the main radicals in the atmosphere. We measured the seasonal and diurnal variation of ammonia, nitric acid and HONO in the boreal forest with an instrument of Measuring AeRosols and Gases in Ambient air (MARGA), which is an online ion chromatograph with a sampling system. In this thesis, I developed a method for measuring aliphatic amines from the boreal forest air. I also coupled MARGA with a mass spectrometer (MARGA-MS) and used it to measure amine concentrations from the boreal forest air, observing the seasonal and diurnal variation of atmospheric amines. While I was measuring the atmospheric concentrations, the idea that amines could be emitted from the boreal forest floor and also melting snow and thawing ground, was born. To test this hypothesis, I measured with the MARGAMS connected to a dynamic flow through chamber emissions from the boreal forest floor. I found that the boreal forest floor is indeed a source of amines. *** Ilmakehän aerosolihiukkaset ovat pieniä, nestemäisiä tai kiinteitä hippusia, jotka leijuvat ilmassa. Niillä on merkittävä vaikutus ilmanlaatuun, terveyteen ja pilvien muodostumiseen. Aerosolien lähteitä on sekä primäärisiä että sekundäärisiä, mikä tarkoittaa sitä että ne voivat joko suoraan emittoitua lähteestä ilmaan (kuten merisuola, hiekka tai siitepöly), tai ne voivat muodostua suoraan ilmakehän kaasuista. Esimerkiksi rikkihappo, ammoniakki, amiinit ja hapettuneet orgaaniset höyryt ovat kaasuja, jotka voivat vaikuttaa nukleaatioprosessiin. Biogeeniset haihtuvat orgaaniset yhdisteet (BVOC) ovat kaasuja, jotka emittoituvat mm. pohjoisesta metsästä. Ne tuottavat hapettuneita orgaanisia höyryjä, jotka vaikuttavat sekundäärisien orgaanisien aerosolien muodostumiseen ja kasvuun. Tässä väitöskirjassa termodesorptio-kaasukromatografi-massaspektrometri-laitteistoa (TD-GC-MS) käytettiin määrittämään BVOCien alaluokkaan kuuluvien monoterpeenien haihtumista männyistä ja kuusista. Havaittiin, että yksittäiset puut emittoivat erimääriä erilaisia monoterpeeneitä, vaikka ne kuuluisivat samaan lajiin. Johtopäätöksenä oli, että emissiot riippuvat puun kemotyypistä, joka on yksittäisen puun peritty ominaisuus. Typpeä sisältävät kaasut kuten ammoniakki, amiinit ja typpihappo voivat myös ottaa osaa aerosolien muodostukseen ja kasvuun.Ammoniakki ja amiinit tasapainoittavat rikkihapporyppäitä auttaen aerosolihiukkasta syntymään. Eräs typpeä sisältävä kaasu, HONO, vaikuttaa vahvasti ilmakemiaan koska se reagoi auringon säteilyn kanssa tuottaen OH• radikaalin, joka on yksi tärkeimmistä radikaaleista ilmakehässä. Ammoniakin, typpihapon ja HONOn vuosi- ja vuorokausivaihtelua mitattiin pohjoisessa metsässä jatkuvatoimisella ionikromatografilla, joka myös ottaa näytteen itsenäisesti ilmasta (MARGA). Tässä väitöskirjassa kehitettiin menetelmä mittaamaan alifaattisia amiineita pohjoisesta metsäilmasta. MARGA yhdistettiin massaspektrometriin (MARGA-MS), ja sitä käytettiin määrittämään pohjoisen metsäilman amiinipitoisuuksia, havainnoiden amiinipitoisuuksien vuosi- ja vuorokausivaihtelu. Pitoisuuksia mitatessa syntyi ajatus metsämaan sekä sulavan lumen ja maan mahdollisuudesta olla amiinien lähde metsäilmassa. Hypoteesi testattiin liittämällä MARGA-MS dynaamiseen kammioon ja mittaamalla amiini- ja guanidiiniemissioita metsämaasta. Tulokseksi saatiin, että metsämaa tosiaan on amiinien lähde.
  • Korhonen, Natalia (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 161
    Climate change refers to a change in the mean state of the climate that persists for an extended period, typically 30 years or longer. The natural inter-annual variability of climate refers to internal variation of the climate system in shorter time-scales. In this thesis I have studied the climate of the last glacial and its impact on human population sizes in Europe during the end of the last glaciation, the change in forest fire danger and strong winds in Europe under the on-going human-induced climate change, and the relationship between the stratospheric winds and the phase of the Arctic Oscillation in present climate. A regression model was developed to downscale low-resolution dynamical EMIC simulations to regional scale. The regression model was calibrated by gridded data of regional scale resolution observations of present day climate and simulations of glacial climate. The downscaled climate was used in estimating the size of human population in Europe during the end of the last glaciation, between 30,000 and 13,000 years ago. The simulated changes in human population size correlated significantly with an independent archeological data of changes in human population size. The change in the forest fire danger in Europe was investigated by ERA-Interim and ERA-40 reanalysis. The forest fire danger was found to have increased in Southern and Eastern Europe during the period 1980–2012, whilst no significant trend was found elsewhere in Europe. The projected changes in the geostrophic wind speeds under human-induced climate change in Northern Europe during the current century were explored from simulations of nine general circulation models. According to the simulations, the changes in mean and extreme wind speeds are going to be small; in parts of northwestern Russia and southern Baltic Sea the winds might increase by 2-4% and over the Norwegian Sea the winds might decrease by 2-8%. In this thesis the connection between the stratospheric winds and surface Arctic Oscillation was studied statistically. The found stratospheric connection was applied in post-processing the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts two-week mean temperature reforecasts for weeks 3–4 and weeks 5–6 in Northern Europe during boreal winter, and the skill scores of those weeks were slightly improved. *** Ilmaston muutoksella tarkoitetaan ilmaston keskimääräisen tilan muutosta pitkän ajan, yleensä 30 vuoden tai sitä pidemmän ajanjakson aikana. Ilmaston luonnollinen vuosien välinen vaihtelu taas kuvaa lyhemmässä aikaskaalassa ilmastojärjestelmän sisäistä vaihtelua. Tässä väitöskirjassa on tutkittu viime jääkauden lopun luonnollisen ilmaston muutoksen vaikutusta ihmisten määrään Euroopassa, ihmisten aiheuttaman ilmastonmuutoksen vaikutusta metsäpalovaaran ja voimakkaisiin tuuliin Euroopassa sekä stratosfäärien tuulien ja Arktisen värähtelyn tilastollista yhteyttä nykyilmastossa. Tässä väitöskirjassa karkean erottelukyvyn jääkausi-ilmastosimulaatio alueellistettiin regressiomallilla, joka hyödynsi hilamuotoista aineistoa sekä nykyilmastosta että yleisen kiertoliikkeen mallin jääkausisimulaatioista. Mallinnettujen väestömäärien vaihtelut korreloivat merkitsevästi riippumattoman arkeologisen aineiston väestömäärän muutosten arvioiden kanssa. Ilmastollisten metsäpaloherkkyyteen vaikuttavien suureiden viimeaikaista trendiä Euroopan alueella tutkittiin ERA-Interim- ja ERA-40-uusanalyysiaineistojen avulla. Metsäpaloriskin havaittiin kasvaneen Etelä- ja Itä-Euroopassa jaksolla 1980–2012, kun taas muualla Euroopassa selvää trendiä ei ollut havaittavissa. Ihmisten aiheuttaman ilmaston muutoksen vaikutusta tuulisuuteen Pohjois-Euroopassa kuluvan vuosisadan aikana tutkittiin yhdeksällä yleisen kiertoliikkeen mallilla. Tulosten perusteella keskimääräisten ja voimakkaimpien geostrofisten tuulien muutokset ovat muutaman prosentin luokkaa; mallinnukset kuluvalle vuosisadalle näyttivät näiden tuulien voimistuvan joitakin prosentteja osassa Luoteis-Venäjää ja Itämeren eteläosia ja heikkenevän muutamia prosentteja Norjanmerellä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin stratosfäärin tuulien ja arktisen värähtelyn yhteyttä tilastollisesti. Hyödyntämällä stratosfääristä saatavaa signaalia pystyttiin 3-6 viikon päähän ulottuvia säämalleilla tehtyjä Pohjois-Euroopan viikkokeskilämpötilojen ennusteita hieman parantamaan.
  • Sundström, Anu-Maija; Virta, Henrik; Ialongo, Iolanda; Tamminen, Johanna (2020)
    Raportteja – Rapporter – Reports 2020:1
    Tässä selvityksessä kartoitetaan ensimmäistä kertaa satelliittimittausten hyödyntämistä ilmanlaadun seurannassa Suomessa. Satelliittien ehdottomana vahvuutena on ilmanlaatumuuttujien alueellisen jakauman kuvaaminen sekä ilmansaasteiden kulkeutumisen seuranta, joita tässä työssä on demonstroitu käyttämällä alailmakehän typpidioksidi (NO2}-havaintoja TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) ja Ozone Monitoring Instrument (OMI) satelliitti-instrumenteista. TROPOMI laukaistiin EU:n Copernicus-ohjelman rahoittamassa Sentinel-5P satelliitissa vuonna 2017, ja se on tällä hetkellä paikalliselta erotuskyvyltään tarkin ilmanlaadun kannalta oleellisia kaasuja havainnoiva satelliittimittalaite. Suomalais-hollantilainen OMI-instrumentti NASAn Aura-satelliitissa on puolestaan tuottanut maailmanlaajuisia havaintoja jo lähes 15 vuoden ajan. Tämän työn tulokset näyttävät, että satelliittien avulla voidaan tarkastella typpidioksidin alueellista jakaumaa Suomessa sekä lähialueilla aina kaupunkitasolle asti. Esimerkiksi pääkaupunkiseudun keskimääräisissä pitoisuuksissa voidaan erottaa alueellisia vaihteluita ja nähdä selvä ero viikonpäivien ja viikonloppujen välillä. OMI-instrumentin havainnoista puolestaan nähdään, että alailmakehän NO2-pitoisuudet ovat keskimäärin laskeneet koko maassa vuodesta 2005 vuoteen 2018. Keskeisimpiä kysymyksiä satelliittidatan hyödyntämisessä ilmanlaadun seurannassa on se, kuinka hyvin satelliittihavainnot vastaavat in situ -mittauksista nähtyjä vaihteluita. Vertailu TROPOMI-havaintojen ja pintamittausten välillä näyttää, että vaikka kaupungin sisällä yksittäisten asemien kohdalla yhteensopivuus voi vaihdella asemittain, korrelaatio on hyvä kun vastaavuutta tarkastellaan yhdistämällä kunkin kaupungin keskustan pintahavainnot. Tulos on samansuuntainen sekä Suomessa että myös muualla Euroopassa.
  • Mäkelä, Jarmo (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 160
    How significant are different uncertainty sources when simulating the future state of the ecosystem in Finland? In this thesis, we examine this question and provide some answers to this broad topic by simulating 21st century ecosystem conditions with a land-ecosystem model called JSBACH. The results are also compared to similar simulations performed by another model called PREBAS. We consider four different sources of uncertainty that are related to 1) the model that is used to generate the future conditions; 2) future climate used to drive the model, represented by an ensemble of CMIP5 simulations; 3) RCP scenarios that depict the rising atmospheric CO2 concentration and; 4) forest management actions. Before running the simulations described above, we calibrated and validated the JSBACH model extensively on different temporal resolutions and with multiple model modifications. These hindcasting calibrations were performed with two Bayesian approaches: the adaptive Metropolis algorithm and the adaptive population importance sampler. The calibrations resulted in a sufficient model setup and satisfactory parameter distributions. These were used to represent the JSBACH model uncertainty in the 21st century simulations. Canonical correlation analysis was used to gleam the impact of the different uncertainty sources on multiple groups of ecosystem variables. The results are summarised via the use of redundancy indices that yield varied impacts. Overall, forest management actions and RCP scenarios tend to dominate the uncertainties towards the end of the century, but the effect of climate models and parameters should not be overlooked especially since a more detailed examination revealed that their impact was not fully captured. *** Kuinka merkittäviä ovat eri epävarmuuslähteet arvioitaessa metsäekosysteemien tulevaisuutta Suomessa? Tässä väitöskirjassa tarkastellaan edeltävää kysymystä mallittamalla metsäekosysteemien tilaa 2100-luvulle. Mallitukseen käytetään maa-ekosysteemimalli JSBACH:ia ja arvioita verrataan vastaaviin PREBAS-mallin tuloksiin. Tarkasteltavat epävarmuuslähteet voidaan jakaa 1) mallien sisäiseen epävarmuuteen; 2) mallien ajamiseen käytettäviin ilmastopakotteisiin, jotka pohjaavat CMIP5 simulaatioihin; 3) RCP-päästöskenaarioihin, jotka edustavat ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousua sekä; 4) valittuun metsänhoitosuunnitelmaan. Edellä esitettyjen tulevaisuussimulaatioiden toteuttamiseksi JSBACH-malli kalibroitiin ja validoitiin käyttäen 10 paikallista mittausasemaa boreaalisella vyöhykkeellä. Tarkasteluun sisällytettiin eri aikaresoluutioita ja useita mallin rakenteellisia muutoksia, jotta mallin tuottama transpiraatio, evaporaatio ja hiilensidonta vastaisivat paremmin vastaavia havaintoja. Kalibrointiin käytettiin kahta eri Bayesilaista menetelmää: adaptive Metropolis sekä adaptive population importance sampler -algoritmeja. Kalibrointiprosessissa ilmenneitä parametrien välisiä riippuvuuksia, identifioituvuutta ja merkitsevyyttä analysoitiin perusteellisesti. Lisäksi lopullisia parametrijakaumia ja -arvoja verrattiin useisiin kirjallisuuslähteisiin. Validointi toteutettiin sekä kalibroinnista riippumattomilla että erillisten mittausasemien havainnoilla. Näiden tarkastelujen pohjalta muodostettiin tulevaisuussimulaatioihin soveltuva mallirakenne ja parametrijakaumat, jotka kuvaavat JSBACH-mallin sisäistä epävarmuutta. Tulevaisuussimulaatioiden epävarmuuslähteiden vaikuttavuutta arvioitiin kanonisen korrelaatioanalyysin pohjalta. Metsäekosysteemien tilaa kuvaavia indikaattoreita tutkittiin em. analyysissa sekä kaikkia kerralla että jaoteltuna eri ryhmiin vaikuttavuutensa perusteella. Voimakkaimmaksi epävarmuuslähteeksi vuosisadan lopussa nousivat sekä metsänhoitosuunnitelmat että päästöskenaariot, joita seurasivat järjestyksessä ilmastopakotteet ja mallien sisäinen epävarmuus.
  • Björkqvist, Jan-Victor (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 159
    Waves are important for both the leisure and safety of the human population. Open-sea waves have been studied since the 1940’s and their central properties are known. The wave field is described by the so called wave spectrum, which is a decomposition of the wave energy with respect to the wave frequency. In practice, the wave field is still often reduced to a few parameters, most importantly the dominant frequency (so called peak frequency) and the significant wave height. These parameters, however, does not sufficiently describe an archipelago wave field, but waves in archipelagos have still received rela - tively little attention from the scientific community. This thesis focuses on waves in archipelagos, and the study was carried out by using both numerical models and instrumental observations from the Helsinki archipelago and the Archipelago Sea in the Baltic Sea. Waves in archipelagos are heavily affected by the numerous small islands; they attenuate long waves arriving from the open sea, while also defining new fetches for local waves. As a result, the wave spectrum has a wide frequency range where the energy is practically constant. The existence of this energy carrying range is in contrast to open sea measurements where the energy is concentrated around one dominant frequency. This study proposed a characteristic frequency that quantified the centre of the energy carrying range. For a traditional open sea spectrum the characteristic frequency closely resembled the dominant frequency, thus making it suitable for a wide range of wave conditions. The height of single waves in the archipelago were lower relative to the significant wave height. As a consequence, there was a large (10-15%) discrepancy between two definitions of the significant wave height; in the open sea this discrepancy is typically only 7-8%. The three numerical models of this study simulated the archipelago wave field well. The largest discrepancy with the observations was found in an area just outside the archipelago that was sheltered by a peninsula. Inside the archipelago the models disagreed slightly on the energy distribution within the energy carrying range. These small differences strongly affected the dominant frequency in a way that was not representative of the good model performance. The differences were inconsequential for the significant wave height. During certain conditions the energy of the shortest waves were underestimated when using more advanced methods to calculate the energy transfer from the wind to the waves, most probably because a too small friction velocity. A simple older method to determine the friction velocity reproduced the shorter waves well. Coarse operational wind products were sufficient to force the high-resolution coastal wave models. Providing wind data only every third hour reduced the variability in the modelled wave field in the time scales between 2 and 10 hours. An hourly wind product captured all variations well, except for the statistical sampling variability in the measurements. Spatial properties of the wave field were inferred from high-frequency wave staff measurements taken by R/V Aranda. These measurements were used to form a new wave spectrum where the waves are decomposed according to their inverse phase-speed. The new spectrum agreed well with the spatial wavenumber spectrum for the shortest waves, while the frequency spectrum did not. The good agreement between the inverse phase-speed spectrum and the wavenumber spectrum meant that the effect of the Doppler shift was small. The reason for the disparate results of the frequency domain were attributed to wave non-linearities. Using direct measurements to determining the waves as a function of their phase speed can be useful when studying the interaction between the wind and the waves, since no additional current measurements are needed to quantify the real wave speed relative to the wind. *** Havsvågor är viktiga för människor både ur ett rekreations- och säkerhetsperspektiv. Det öppna havets vågor har studerats sedan 1940-talet och deras centrala egenskaper är kända. Vågfältet beskrivs av det så kallade vågspektrumet, i vilket vågornas energi bryts med avseende på deras frekvens. I praktiken reduceras vågfältet ofta till några beskrivande parametrar, varav de viktigaste är den dominanta vågfrekvensen och den signifikanta våghöjden. Dessa parametrar beskriver inte vågorna i skärgården tillräckligt bra, men skärgårdens vågor har ändå fått tämligen lite vetenskaplig uppmärksamhet. Denna avhandling undersökte skärgårdens vågor både med numeriska modeller och observationer från Helsingfors skärgård och Skärgårdshavet. Skärgårdens vågor påverkas i betydande grad av skärgårdens otaliga små öar; de dämpar längre vågor som anländer från det öppna havet, medan de samtidigt skapar nya svepsträckor för lokala vågor. Därför har vågspektrumet ett brett frekvensband där vågenergin är praktiskt taget konstant. Existensen av ett sådant här energibärande frekvensband står i kontrast till observationer från det öppna havet där energin är starkt koncentrerad kring en dominant frekvens. I detta arbete definierades en ny karakteristisk frekvens vilken beskriver medelpunkten av det energibärande frekvensbandet för skärgårdsvågor. För de typiska vågorna i öppna havet var denna nya karakteristiska frekvens nära den traditionella dominanta frekvensen, vilket gjorde denna nya parameter lämplig för att beskriva vågfält under vitt skilda omständigheter. I skärgården var höjden på de enskilda vågorna (i förhållande till den signifikanta våghöjden) lägre än på det öppna havet. Som en följd skilde sig de två traditionella definitionerna på den signifikanta våghöjden starkt (10-15%); på öppna havet är denna skillnad oftast bara 7-8%. De tre numeriska vågmodellerna simulerade vågfältet i skärgården väl. De största felen fanns i ett område utanför skärgården som var delvis skyddat av Porkala udden. Inom skärgården betonade modellerna energidistributionen i det energibärande frekvensbandet på olika vis. För den traditionella dominanta frekvensen införde de små skillnaderna en stark avvikelse gentemot observationerna, även om denna avvikelse inte stod i proportion till de egentliga skillnaderna mellan modellerna och observationerna. För beräknandet av den signifikanta våghöjden var skillnaderna obetydliga. Under vissa omständigheter underbetonades energin för de korta vågorna ifall energiflödet från vinden till vågorna beräknades enligt en mera avancerad metod. Detta var troligen ett resultat av en för låg friktionshastighet. En äldre metod för att beräkna energiflödet till vågorna uppvisade inte en liknande avvikelse. De grova operativa vindprodukterna var tillräckliga för att driva vågmodellerna vid kusten, men modellerna kunde inte simulera vågfältets variationer med en tidsskala på 2–10 timmar ifall vindinformationen uppdaterades bara var tredje timme. Med vinddata som gavs varje timme kunde modellen fånga alla variationer, förutom den statistiska variabiliteten i vågobservationerna. Genom att använda R/V Arandas högfrekventa vågobservationer tagna med kapacitiva trådar kunde även spatiell information deduceras. Dessa observationer användes för att definiera ett nytt vågspektrum i vilket vågorna beskrivs genom deras (inverterade) fashastighet istället för deras frekvens eller vågnummer (inversen av våglängden). Detta nya vågspektrum stämde överens med det rent spatiella vågnummerspektrumet för de kortaste vågorna, medan frekvensspektrumet gav olika resultat. Dopplereffekten bedömdes vara liten, eftersom den skulle ha påverkat fashastighetsspektrumet. Orsaken till skillnaderna var vågornas icke-linjära egenskaper, vilka påverkade den högfrekventa delen av frekvensspektrumet. Att beskriva vågorna med hjälp av den direkt observerade fashastigheten kan vara användbar då man undersöker interaktionen mellan vinden och vågorna, eftersom man då inte behöver skilda vattenströmningsmätningar för att bestämma vågornas verkliga hastighet i förhållande till vindhastigheten.
  • Saponaro, Giulia (2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 156
    Clouds play a vital role in Earth’s energy balance by modulating atmospheric processes, thus it is crucial to have accurate information on their spatial and temporal variability. Furthermore, clouds are relevant in those processes involved in aerosol-cloud-radiation interactions. The work conducted and presented herein concentrates on the retrievals of cloud properties, as well as their application for climate studies. While remote sensing observation systems have been used to analyze the atmosphere and observe its changes for the last decades, climate models predict how climate will change in the future. Altogether, these sources of observations are needed to better understand cloud processes and their impact on climate. In this thesis aerosol and cloud properties from the three above mentioned sources are applied to evaluate their potential in representing cloud properties and applicability in climate studies on local, regional and global scales. One aim of this thesis focuses on evaluating cloud parameters from ground-based remote-sensing sensors and from climate models using the MODerate Imaging Spectroradiometer (MODIS) data as a reference dataset. It is found that ground-based measurements of liquid clouds are in good agreement with MODIS cloud droplet size while poor correlation is found in the amount of cloud liquid water due to the management of drizzle. The comparison of the cloud diagnostic from three climate models with MODIS data, enabled through the application of a satellite simulator, helped to understand discrepancies among models, as well as discover deficiencies in their simulation processes. These findings are important to further improve the parametrization of atmospheric constituents in climate models, therefore enhancing the accuracy of climate projections. In this thesis it is also assessed the impact of aerosol particles on clouds. Satellite data can be used to derive climatically crucial quantities that are otherwise not directly retrieved (such as aerosol index and cloud droplet number concentration) which can be used to infer the sensitivity of clouds to aerosols changes. Results on the local and regional scales show that contrasting aerosol backgrounds indicate a higher sensitivity of clouds to aerosol changes in cleaner ambient air and a lower sensitivity in polluted areas, further corroborating the notion that anthropogenic emission modify clouds. On the global scale, the estimates of the aerosol-cloud interaction present, overall, a good agreement between the satellite- and model-based values which are in line with the results from other models.
  • Roiha, Petra (2019)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 157
    Managing the sea environment is a complicated interdisciplinary task. To understand changes in the sea, knowledge of the present state is essential. Many variables are monitored constantly, and long historical data sets exist. However, the spatial and temporal data coverage varies widely over the Baltic Sea. The preparation for the emerging circumstances demands the ability to forecast the future marine conditions. Thus, improved modelling and forecasting systems are needed. In this thesis, methods were developed to 1) understand the present state of the sea and 2) predict future conditions. The study areas were the Bothnian Sea and the Eastern Gotland Basin. Argo floats are a common tool in the oceans, but so far they have not been used in shallow marginal seas, such as the Baltic Sea. The autonomous measurement device brings possibilities to fill the gaps in the existing observation network (e.g. research vessels, moorings) as well as to enable new scientific experiments. To better understand the present state of the Northern Baltic Sea, methods were developed using the Argo floats. The salinity, temperature and GPS data collected with these floats from the area is analysed in this thesis for the first time and its applicability for studying the different physical phenomena, such as currents at the float diving depth and wind induced mixing, are evaluated. The usability of Argo data was compared with the ship-borne CTD data. Due to the higher frequency of the Argo data, the seasonal variations can be studied in detail with this method. However, the spatial coverage of the Argo data is not as good as the CTD data collected with a research vessel due to the fact that the floats only operate near the deep areas of the Baltic Sea. To be able to predict the future conditions of the Baltic Sea, monthly ensemble forecasting system was developed. A 3D biogeochemical model was forced with monthly ensembles of the atmospheric forcing and the results were applied to forecast upwelling events and harmful algal blooms. The monthly ensemble forecasts for upwelling events were evaluated. The result was that the upwelling events could be forecasted on a weekly scale. This enables, for example, better planning of the scientific study of upwelling events or the improvement of local-scale weather forecasts. The same probability-based ensemble prediction system was used to produce harmful algal bloom forecasts. The forecasts showed the effects of the weather scenarios on marine biogeochemistry. In the future, it will be possible to interconnect the observations and forecasts better than before. The more dense observations can be used to improve the computational methods, for example, by assimilation. The probability-based forecasts can help, for example, to mitigate the environmental risks.
  • Leppänen, Leena (2019)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 158
    Information on snow water equivalent (SWE) of seasonal snow is used for various purposes, including longterm climate monitoring and river discharge forecasting. Global monitoring of SWE is made feasible through remote sensing. Currently, passive microwave observations are utilized for SWE retrievals. The main challenges in the interpretation of microwave observations include the spatial variability of snow characteristics and the inaccurate characterization of snow microstructure in retrieval algorithms. Even a minor variability in snow microstructure has a notable impact to microwave emission from the snowpack. This thesis work aims to improve snow microstructure modelling and measurement methods, and understanding the influence of snow microstructure to passive microwave observations, in order to enable a more accurate SWE estimation from remote sensing observations. The thesis work applies two types of models: physical snow models and radiative transfer models that simulate microwave emission. The physical snow models use meteorological driving data to simulate physical snow characteristics, such as SWE and snow microstructure. Models are used for different purposes such as hydrological simulations and avalanche forecasting. On the other hand, microwave emission models use physical snow characteristics for predicting microwave emission from a snowpack. Microwave emission models are applied for the interpretation of spaceborne passive microwave remote sensing observations, for example. In this study, physical snow model simulations and microwave emission model simulations are compared with field observations to investigate problems in characterizing snow for microwave emission models. An extensive set of manual field measurements of snow characteristics is used for the comparisons. The measurements are collected from taiga snow in Sodankylä, northern Finland. The representativeness of the measurements is defined by investigating the spatial and temporal variability of snow characteristics. The work includes studies on microwave emission modelling from natural snowpacks and from excavated snow slabs. Radiometric observations of microwave emission from natural snowpacks are compared with simulations from three microwave emission models coupled with three physical snow models. Additionally, homogenous snow samples are excavated from the natural snowpack during the Arctic Snow Microstructure Experiment, and the incident snow characteristics and microwave emission characteristics are measured with an experimental set-up developed for this study. Predictions of two microwave emission models are compared with the radiometric observations of collected snow samples. The results indicate that none of the model configurations can accurately simulate the microwave emission from natural snowpack or snow samples. The results also suggest that the characterization of microstructure in the applied microwave emission models is not adequate.
  • Tuononen, Minttu (2019)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 155
    Synoptic situation and different meteorological phenomena can highly affect renewable energy production. Investigating different phenomena will give new information on the occurrence and characteristics of specific phenomena and their impacts on renewable energy applications. Different observational data sets and numerical models can be widely used in different phases of renewable energy projects; from planning of the project to help with the operation and the maintenance of the existing wind or solar field. In this thesis a meteorological phenomena, a low-level jet, is investigated. Thesis comprises analysis of the climatological occurrence of low-level jets, their characteristics and forcing mechanisms, as well as numerical model capability to capture the phenomena. In addition, solar radiation forecasts obtained from the operational numerical weather prediction model are evaluated and the role of cloud cover forecast skill in solar radiation forecast error is investigated. Long data sets of observational data: mainly Doppler wind lidar, ceilometer, and solar radiation observations, are used, in addition to reanalysis and operational numerical weather prediction model data. A low-level jet is a wind phenomenon that can affect wind energy production. Nighttime low-level jets are a commonly known boundary-layer phenomenon occurring during stably stratified conditions over flat terrain. In this thesis, new information on the occurrence, characteristics, and forcing mechanisms of a low-level jet was gained in different conditions: in Northern Hemisphere mid-latitude and polar regions based on reanalysis data and at two different sites in Finland and Germany based on long-term Doppler lidar observations. The low-level jet identification algorithms developed in these studies can be used to repeat the studies by using different models covering different areas or at any site operating a Doppler lidar. The low-level jet identification algorithm for Doppler lidar data can also be applied to operationally detect low-level jets, which is useful information for example from wind energy point-of-view. Solar radiation and cloud cover forecasts were evaluated at one site in Finland based on long time-series of solar radiation and ceilometer observations. The role of cloud cover forecast in solar radiation forecast error is investigated. The solar radiation and cloud cover forecasts were obtained from operational numerical weather prediction model that can be used to predict the expected power production at solar field day-ahead. It was found that there is a positive bias in the forecast incoming solar radiation even if the cloud cover forecast is correct. The study can guide model improvements as the bias is likely due to underestimation in the forecast cloud liquid water content or incorrect representation of cloud optical properties. The methods created in this study can be applied to hundreds of sites globally. In addition, the algorithms developed in this study can be further used in different applications in the field of renewable energy, for example to detect potential in-cloud icing conditions.