Ilmatieteen laitos: Recent submissions

Now showing items 1-20 of 170
  • Venäläinen, Ari; Luhtala, Sanna; Laapas, Mikko; Hyvärinen, Otto; Gregow, Hilppa; Strahlendorff, Mikko; Peltoniemi, Mikko; Suvanto, Susanna; Nevalainen, Seppo; Peltola, Heli; Leskinen, Leena A.; Ala-Honkola, Hannu; Niskanen, Yrjö; Poikela, Asko; Maidell, Marjo; Horne, Paula; Ruuskanen, Olli-Pekka (Ilmatieteen laitos, 2021)
    Raportteja-Rapporter-Reports 2021:1
    Ilmastonmuutoksen seurauksena metsiin kohdistuvat sään aiheuttamat riskit kasvavat, ja siksi tarvitaan tehokkaita sopeutumistoimia. Maa- ja metsätalousministeriön rahoittamassa metsätalouden sopeutumista tukevassa Säätyö-hankkeessa olemme tehneet yhteenvedon sopeutumista auttavista tietoaineistoista, kehittäneet metsätaloutta hyödyttäviä sää- ja ilmastopalveluita sekä kartoittaneet metsätalouden sää- ja ilmastopalveluiden tarvetta. Lisäksi olemme kirjanneet keskeisiä sopeutumista edistäviä jatkokehitystoimia. Säätyö-hankkeessa kehitettiin maan pintakerroksen kosteutta ja kantavuutta kuvaava palvelutuote, jossa esitetään säätietojen avulla laskettu analyysi vallitsevasta tilanteesta sekä 10 vuorokauden ennuste. Hankkeessa myös testattiin pitkien kolmen kuukauden päähän ylettyvien ennusteiden käyttökelpoisuutta. Säätyön ennustepalvelua sivuaa, hyödyntää ja täydentää toinen Ilmatieteen laitoksen ja Metsätehon yhteistyöhanke nimeltään HarvesterSeasons (https://harvesterseasons.com/) HarvesterSeasons-palvelu hyödyntää maaston kantavuusolosuhteiden arvioinnissa pitkiä, noin kuuden kuukauden päähän ulottuvia ennusteita. Itä-Suomen yliopiston Metsätieteiden osastolla kehitettiin Ilmatieteen laitoksen kanssa yhteistyössä tuulituhoriskityökalun testiversio, minkä avulla voidaan laskea puuston tuulituhoon (puiden kaatuminen) tarvittavia tuulennopeuksia. Työkalu soveltuu tällä hetkellä vain tutkijakäyttöön. Säätyö-hankkeessa testattiin myös mahdollisuutta paikantaa pahimmat tuulituhoalueet välittömästi tapahtuneen myrskyn jälkeen. Menetelmänä käytettiin sääasemilla tehtävien tuulihavaintojen alueellista interpolointia. Menetelmän avulla analysoitiin kesällä ja syksyllä 2020 metsätuhoja aiheuttaneita myrskyjä. Myrskyn jälkeisen tilannekuvan laatijat pitivät tehtyjä kartta-analyysejä havainnollisina ja hyödyllisinä. Lumen kertymää puiden oksille, voidaan mallintaa säätietojen, kuten sademäärän, lämpötilan, ilman kosteuden ja tuulen nopeuden, avulla. Säätyö-hankkeessa lumituhoriskin arviointimallia kehitetiin edelleen siten, että kertyneen lumikuorman lisäksi selittäjäksi otetiin myös puuston ominaisuudet sekä maaston korkeusvaihtelut. Tehdyn verifioinnin mukaan abioottisten tekijöiden merkitys kasvoi äärimmäisissä lumikuormaolosuhteissa (talvi 2017–2018). Tavallisina talvina puolestaan korostui bioottisten tekijöiden merkitys. Vertailun mukaan toteutuneet lumituhot pystyttiin selittämään testatulla mallilla hyvin. Hankkeessa kartoitettiin haastatteluissa ja työpajassa tietotuotteiden käyttökohteita, hyötyjä, käyttöönoton edellytyksiä ja kehitysmahdollisuuksia. Tulosten mukaan tietotuotteille ja -palveluille nähtiin monipuolisia käyttömahdollisuuksia ja käytön myötä saatavia hyötyjä. Tietotuotteiden avulla olisi mahdollista kehittää ennakoivaa metsänhoitoa, joka pienentäisi tuhoista aiheutuvia taloudellisia vahinkoja. Tietotuotteiden mahdollistama entistä ajantasaisempi käsitys korjuuolosuhteista tehostaisi hakkuu- ja korjuuoperaatioiden toteutusta ja puuvarastojen hallintaa sekä vähentäisi maasto- ja runko- ja juuristovaurioita. Selvityksen mukaan tiedon käyttöönottoon vaikuttavat etenkin ajantasaisuus ja saatavuus. Vaikka hankkeessa kehitetyistä tietotuotteista ei oltu tällä hetkellä valmiita maksamaan niin haastatteluissa tuotiin esiin kuitenkin useita tietotuotteiden kehitysehdotuksia, joiden myötä niiden kaupallistamista pidettiin mahdollisena.
  • Kyllönen, Katriina; Saarnio, Karri; Makkonen, Ulla; Hellén, Heidi (Ilmatieteen laitos, 2020)
    Raportteja-Rapporter-Reports 2020:4
    Kansallinen ilmanlaadun vertailulaboratorio arvioi tässä hankkeessa ensimmäisen kerran käynnissä olevien ilmanlaadun polyaromaattisten hiilivety- (PAH) ja metallimittausten tulosten oikeellisuutta ja käytettyjä laadunvarmennuskeinoja Suomessa. Hanke kokosi yhteen tiedot direktiivin 2004/107/EY mukaisesta ilmanlaadun seurannasta Suomessa 2000-luvulla. Arvioinnin kohteena oli erityisesti bentso(a)pyreeni ja muut PAH-yhdisteet sekä arseeni, kadmium ja nikkeli PM10:ssä ja laskeumassa. Lisäksi hankkeessa arvioitiin lyijyn ja muiden metallien PM10- ja laskeumamittauksia, kaasumaisen elohopean ja elohopealaskeuman mittauksia sekä lyhyesti muita Suomessa tehtyjä harvinaisempia ilmanlaadun mittauksia kuten haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) ja PM2,5-hiukkasten kemiallisen koostumuksen mittauksia. Hankkeessa suoritettiin metalli- ja PAH-mittausten auditointeja mittauksia toteuttaviin verkkoihin sekä niiden käyttämiin analyysilaboratorioihin. Muiden mittausten osalta arviointi tehtiin suppeasti haastattelujen ja erilaisten saatavilla olevien ilmanlaaturaporttien avulla. Toteutuneita mittauksia selvitettiin myös ilmanlaadun tietojärjestelmästä sekä käyttämällä apuna ilmanlaadun mittausverkkojen asiantuntemusta ja julkaisuja, sillä kaikkia hankkeen aiheeseen liittyviä mittauksia ei ole raportoitu tietojärjestelmään. Auditointeihin osallistui kaikki seitsemän ilmanlaadun metalli- ja PAH-mittauksia vuosina 2019–2020 suorittavaa mittausverkkoa Suomessa. Auditointeja suoritettiin 11 asemalla, kun kyseisiä mittauksia suoritettiin yhteensä 22 asemalla, jakuudessa laboratoriossa. Isojen mittausverkkojen osalta valittiin yksi asema edustamaan verkon toimintaa. Auditoinnilla saatiin tietoa metalli- ja PAH-mittausten vaatimustenmukaisuudesta verrattuna ilmanlaatuasetuksiin ja eurooppalaisiin EN-menetelmästandardeihin. Samalla saatiin yleistä tietoa mittausten suorittamisesta, käytetyistä mittalaitteista ja laadunvarmistusmenettelyistä. Laboratorioauditointien tulokset ovat luottamuksellisia, mutta raportissa on esitetty yleisiä havaintoja auditoinneista, ja mittaajat ovat saaneet tiedon auditointien tuloksista laboratorioiden luvalla. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että käytetyt mittausmenetelmät olivat pääosin referenssimenetelmiä. Kenttätoiminnassa oli siirrytty käyttämään referenssimenetelmiä, joskin ennen vuotta 2018 kolmella verkolla on ollut käytössä muita menetelmiä, jotka ovat voineet aliarvioida pitoisuuksia. Näiden mittausten osalta aiempia mittaustuloksia käsiteltäessä on huomioitava, että mittaustulokset eivät ole vertailukelpoisia referenssimenetelmään. Laboratoriomääritykset oli suoritettu referenssimenetelmällä kahta poikkeusta lukuun ottamatta, joista toinen oli tehty hyväksyttävästi ekvivalentilla menetelmällä ja toisen osalta suositeltiin siirtymistä referenssimenetelmään, mikä toteutui heti 2020 alusta. Joissain tuoreissa mittauksissa laadunvarmistustoiminta ei ollut vielä vakiintunutta. Osa mittausverkoista käytti konsulttia huolto- ja kalibrointitöihin, ja näiden osalta verkko ei ollut aina itse tietoinen tehdyistä toimenpiteistä. EN-menetelmästandardeja noudatettiin mittausverkoissa pääosin hyvin. Virtauksen tarkistuksesta 3 kk välein poikettiin kaikissa verkoissa, ja sen osalta esitettiin parannusehdotuksia useille verkoille. Mittausepävarmuusarvioiden laskentatapaa on syytä kehittää mittausverkoissa. Kunhan mittausverkot ottavat käyttöönsä auditoinneissa esitetyt parannusehdotukset, voidaan katsoa, että mittauksia suoritetaan riittävässä määrin EN-menetelmästandardien mukaan. Selviä tuloksen oikeellisuuteen vaikuttavia tekijöitä ei kenttätoiminnassa havaittu auditoinnin aikana. Sama pätee laboratorioanalyysejä vuonna 2020. Yhden suuntaa-antavia mittauksia suorittavan verkon osalta mittaustuloksia on ollut yli tavoitearvojen, ja mittausten ajallista kattavuutta olisi syytä nostaa. *** This project summarizes the results from 2000–2020 and evaluates the trueness and the quality control (QC) procedures of the ongoing polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) and trace element measurements in Finland relating to Air Quality (AQ) Directive 2004/107/EC. The evaluation was focused on benzo(a)pyrene and other PAH compounds as well as arsenic, cadmium and nickel in PM10 and deposition. Additionally, it included lead and other metals in PM10 and deposition, gaseous mercury and mercury deposition, and briefly other specific AQ measurements such as volatile organic compounds (VOC)and PM2.5 chemical composition. This project was conducted by the National Reference Laboratory on air quality and this was the first time these measurements were assessed. A major part of the project was field and laboratory audits of the ongoing PAH and metal measurements. Other measurements were briefly evaluated through interviews and available literature. In addition, the national AQ database, the expertise of local measurement networks and related publications were utilised. In total, all the seven measurement networks performing PAH and metal measurements in 2019–2020 took part in the audits. Eleven stations were audited while these measurements are performed at 22 AQ stations in Finland. For the large networks, one station was chosen to represent the performance of the network. The audits included also six laboratories performing the analysis of the collected samples. The audits revealed the compliance of the measurements with the AQ Decree 113/2017, Directive 2004/107/EC and Standards of the European Committee for Standardization (CEN). In addition, general information of the measurements, instruments and quality control procedures were gained. The results of the laboratory audits were confidential, but this report includes general findings, and the measurement networks were informed on the audit results with the permission of the participating laboratories. As a conclusion, the measurement methods used were mainly reference methods. Currently, all sampling methods were reference methods; however, before 2018 three networks used other methods that may have underestimated concentrations. Regarding these measurements, it should be noted the results are not comparable with the reference method. Laboratory methods were reference methods excluding two cases, where the first was considered an acceptable equivalent method. For the other, a change to a reference method was strongly recommended and this realized in 2020. For some new measurements, the ongoing QC procedures were not yet fully established, and advice were given. Some networks used consultant for calibration and maintenance, and thus they were not fully aware of the QC procedures. EN-Standards were mostly followed. Main concerns were related to the checks of flow and calculation of measurement uncertainty, and suggestions for improvement were given. When the measurement networks implement the recommendations given in the audits, it can be concluded that the EN-Standards are adequately followed in the networks. In the ongoing sampling, clear factors risking the trueness of the result were not found. This applies also for the laboratory analyses in 2020. One network had concentrations above the target value, and the indicative measurements should be updated to fixed measurements.
  • Korkiakoski, Mika (Finnish Meteorological Institute, 2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 174
    Drained peatlands are a challenge to the climate change mitigation, due to acting as sources of carbon and greenhouse gases to the atmosphere. However, different management practices could be used to reduce these emissions. In this thesis, the objective was to quantify the changes in water table level (WTL), evapotranspiration (ET) and greenhouse gas (GHG) fluxes for the first few years following clearcutting and partial harvesting a nutrient-rich peatland forest. The experimental forest was divided to partial harvest, clear-cut and control subsites, where WTL was monitored and direct flux measurements were made with the eddy covariance (EC), and manual and automatic soil chamber methods. Before clearcutting, the subsite was a small CO2 and CH4 sink, but N2O emissions were small. After clearcutting, WTL rose by 24 cm due to a 45% decrease in ET. The loss of photosynthesising biomass and addition of respiring logging residues turned the clear-cut subsite from CO2 sink into a large CO2 source for the next few years. Forest floor N2O fluxes increased significantly, possibly due to residues releasing reactive nitrogen, hence promoting N2O production. Also, soil compression and WTL rise might have enhanced N2O production through increased denitrification. The soil turned from CH4 sink into a small source as a result of thinning of oxic peat layer, which decreased CH4 oxidation. The partially harvested subsite was a small CO2 source before the partial harvest, meaning more carbon was lost through peat decomposition than was taken up by growing trees. Forest floor was a small CH4 sink and N2O source. After partial harvest, WTL rose by 12 cm and ET decreased by 17% compared to the control site. Also, CO2 emissions increased. However, compared to the clear-cut site, CO2 emissions were significantly smaller at the partial harvest site. No considerable changes in CH4 and N2O fluxes were observed after partial harvest. The difference in CO2 emissions between the harvest treatments can be explained with remaining tree stand, which kept ET higher, WTL lower and acted as CO2 sink. Also, the amount of decomposing logging residues was smaller after partial harvesting than after clearcutting. *** Kuivatut turvemaat ovat haaste ilmastonmuutoksen kannalta, koska ne toimivat hiilen ja kasvihuonekaasujen lähteinä, mutta erilaisilla käsittelytavoilla voidaan mahdollisesti hillitä näitä päästöjä. Tässä väitöskirjassa tavoitteena oli määrittää muutokset runsasravinteisen suometsän pohjaveden korkeudessa (WTL), haihdunnassa (ET) sekä kasvihuonekaasuvoissa (KHK-voissa) ensimmäisinä vuosina avohakkuun sekä osittaishakkuun jälkeen. Tutkimusmetsä jaettiin kolmeen koealaan: osittaishakkuu, avohakkuu ja kontrolli. Koealoilla mitattiin WTL:ää, ET:tä ja KHK-voita pyörrekovarianssi, automaatti- ja manuaalikammiomenetelmillä. Ennen avohakkuuta koeala oli pieni hiilidioksidin (CO2) ja metaanin (CH4) nielu ja pieni typpioksiduulin (N2O) lähde. Avohakkuun jälkeen ET laski 45%, joka johti 24 cm vedenpinnan nousuun. Yhteyttävän biomassan häviäminen ja hajoavien hakkuutähteiden lisääminen muutti avohakatun alan suureksi CO2-lähteeksi. Metsänpohjan N2O-vuot kasvoivat merkitsevästi todennäköisesti hakkutähteiden vapauttaman reaktiivisen typen vuoksi. Samaan aikaan maan tiivistyminen ja WTL:n nousu tehostivat denitrifikaatiota ja siten N2O:n tuottoa. Maaperä muuttui CH4-nielusta lähteeksi hapellisen turvekerroksen ohennuttua, joka pienensi CH4:n hapettumista. Osittaishakattava ala oli pieni CO2-lähde ennen hakkuuta, eli turpeen hajoamisesta muodostuvat CO2-päästöt olivat suuremmat kuin mitä puusto sitoi. Metsänpohja oli pieni CH4:n nielu ja N2O:n lähde. Osittaishakkuun jälkeen ET pieneni 17% ja WTL nousi 12 cm verrattuna kontrollialaan. CO2-päästöt kasvoivat verrattuna hakkuuta edeltävään tilaan, mutta merkittävästi vähemmän kuin avohakkuun jälkeen. CH4- ja N2O-voissa ei havaittu merkitsevästi muutoksia. Erot avohakkuun ja osittaishakkuun välillä selittyvät jäljelle jääneellä puustolla, joka piti haihdunnan korkeammalla, WTL:n matalammalla sekä sitoi CO2:a. Myös hakkuutähteiden määrä oli merkittävästi pienempi osittaishakkuun jäljiltä.
  • Jylhä, Kirsti; Ruosteenoja, Kimmo; Böök, Herman; Lindfors, Anders; Pirinen, Pentti; Laapas, Mikko; Mäkelä, Antti (2020)
    Raportteja - Rapporter - Reports 2020:6
    Ilmaston lämmetessä ja vesisateiden talvisinkin yleistyessä myös rakennetussa ympäristössä tulisi varautua muuttuviin sääolosuhteisiin. Tässä tutkimushankkeessa on luotu säähavaintoihin pohjautuvia tiedostoja, joita voidaan käyttää laskelmien pohjana arvioitaessa rakennusten energiantarvetta ja rakennusfysikaalista toimintaa nykyisessä ja tulevassa ilmastossa. Aluksi tarkasteltiin neljän paikkakunnan (Vantaa, Jokioinen, Jyväskylä ja Sodankylä) säähavaintoja 30 vuoden pituiselta aikajaksolta 1989–2018; paikat edustavat kutakin neljää energialaskennan lämpötilavyöhykettä. Havaintojen pohjalta muodostettiin lämpötilan, ilman suhteellisen kosteuden, auringon kokonaissäteilyn, hajasäteilyn, sädettä vastaan kohtisuoralle pinnalle saapuvan suoran säteilyn, tuulen suunnan ja nopeuden sekä sademäärän tunnittaiset aikasarjat vuosille 1989–2018. Ilmastomallien ennustamien muutosten perusteella nämä aikasarjat muunnettiin kuvaamaan tulevaisuuden olosuhteita vuosina 2015–2044 (lähitulevaisuutta kuvaava vuoden 2030 ilmasto), 2035–2064 (vuosisadan puoliväliä kuvaava v. 2050 ilmasto) ja 2065–2094 (vuosisadan loppupuolen eli v. 2080 ilmasto). Kaikki nämä tulevaisuuden ilmaston sääaikasarjat muodostettiin erikseen kolmelle kasvihuonekaasuskenaariolle, joista RCP2.6 vastaa vähäistä, RCP4.5 kohtalaista ja RCP8.5 hyvin voimakasta ilmastonmuutosta. Jakson 1989–2018 ilmastoa kuvaavista aikasarjoista haettiin kutakin 12 kuukautta kohti se vuosi, jona kyseisen kuukauden sääolot olivat vastanneet mahdollisimman hyvin keskimääräisiä ilmasto-oloja. Yhdistämällä nämä 12 kuukautta saatiin muodostettua kullekin energialaskennan vyöhykkeelle uusi rakennusten energialaskennan testi-vuosi TRY2020. Testivuotta kuvaavassa tiedostossa ovat mukana lämpötila, kosteus, auringon säteily (kokonaissäteily, suora säteily kohtisuoralle pinnalle ja hajasäteily) sekä tuulen suunta ja nopeus, mutta ei sademäärää. Samoja valittuja kuukausia käyttämällä muodostettiin vastaavat energialaskennan testivuodet myös kolmelle tulevaisuuden jaksolle, erikseen kullekin kasvihuonekaasuskenaariolle. Aiemmin laadittuun testivuoteen TRY2012 verrattuna uusi testivuosi TRY2020 koostuu lämpötilavyöhykkeestä riippuen 7–11 uudesta tyyppikuukaudesta, kun taas loput kuukaudet ovat samoja kuin aikaisemmin. Vantaalla, Jyväskylässä ja Sodankylässä, joita tarkasteltiin molempia testivuosia muodostettaessa, TRY2020 on koko vuotta ajatellen 0.17–0.36°C lämpimämpi kuin TRY2012, vaikka joinakin yksittäisinä kuukausina se onkin viileämpi. Vuotuisen kokonaissäteilyn erot uuden ja aiemman testivuoden välillä ovat pieniä, mutta joinakin yksittäisinä kuukausina säteilymäärät kyllä poikkeavat melko selvästi. Rakennusten energialaskennan testivuosien ohella koottiin rakennusfysikaalisten tarkastelujen vertailuja varten todellisen menneen vuoden (Jokioinen v. 2015) tunnittain mitatut säätiedot; näitä muokattiin myös kuvaamaan tulevaisuuden ajanjaksoja. Lisäksi hankkeessa tuotettuja 30-vuotisia nykyisen ja tulevaisuuden ilmaston säätietoja voidaan käyttää esimerkiksi aiemmin valittujen rakennusfysikaalisten testivuosien päivittämiseen. Raportissa tarkasteltiin myös lämmitysjärjestelmien mitoitukseen käytettäviä kylmiä lämpötiloja sekä sitä, miten ilmastonmuutos vaikuttaa nykyään harvoin esiintyvien lämpötilojen, sademäärien ja tuulen nopeuksien yleisyyteen tulevaisuudessa. *** Då det finska klimatet blir varmare och nederbörd i form av regn allt vanligare också vintertid, måste den bebyggda miljön vara beredd på förändringar i väderförhållanden. I detta arbete har vi framställt väderdata, som kan användas för att bedöma behovet av värme- och kylenergi samt byggnadsfysikalisk funktion i det nuvarande och framtida klimatet. Väderdata samlades från fyra orter i Finland, Sodankylä, Jyväskylä, Jockis och Vanda, som representerar de olika temperaturzonerna för energiberäkning i byggnader. Timvis väderdata för åren 1989–2018 sammanställdes för följande väderparametrar: temperatur, relativ luftfuktighet, vindhastighet och riktning, global-, diffus- och direkt solstrålning samt nederbörd. De här trettioåriga tidsserierna omräknades för att representera det framtida klimatet i enlighet med simuleringar gjorda med klimatmodeller. Tre framtida perioder betraktades: 2015–2044 beskriver den nära framtiden, 2035–2064 mitten av seklet och 2065–2094 klimatet i slutet av seklet. Perioderna har namngetts enligt året i mitten av perioden, dvs. 2030, 2050 och 2080. Alla de tidsserier som representerar det framtida klimatet sammanställdes för tre växthusgasscenarier: RCP2.6 motsvarar små, RCP4.5 medelmåttliga och RCP8.5 mycket stora utsläpp. Därefter användes de 30-åriga tidsserierna för att konstruera det nya testreferensåret, eller typåret, för efterfrågan av byggnadsenergi (TRY2020) för alla fyra termiska zoner. Typåret innehåller hela kalendermånader, som valts ut så att de rådande väderleksförhållandena under månaden motsvarar typiska långtida statistiska fördelningarna. I datafilerna för TRY2020 inkluderades alla ovannämnda väderparametrar förutom nederbörd. De valda månaderna användes också för att sammanställa typårsdata, som beskriver det framtida klimatet. Detta gjordes separat för alla tre framtida perioder och de tre växthusgasscenarierna. Jämfört med det tidigare typåret TRY2012 består det nya typåret TRY2020 av 7–11 nya typmånader, beroende på den termiska zonen, medan resten av månaderna är desamma som i TRY2012. Då man granskar de tre orterna, för vilka båda typår finns tillgängliga, är den årliga medeltemperaturen i TRY2020 0,17–0,36°C högre än i TRY2012, även om några enstaka månader är svalare. Den årliga summan av global solstrålning är nästan identisk i de två typåren, men under några enskilda månader skiljer strålningsmängden sig tydligt. Förutom typåren för energiberäkningar, sammanställdes väderdata för ett historiskt år (Jockis 2015) som kan användas för exempelvis byggnadsfysiska studier. Även detta jämförelseår omräknades till att representera framtida förhållanden. Dessutom kan de 30-åriga tidsserier, som utarbetats i projektet, användas för att uppdatera tidigare byggnadsfysiska typår. Rapporten undersöker också förekomsten av mycket låga temperaturer, som är relevanta för dimensioneringen av värmesystem. Dessutom granskade vi, hur den förväntade klimatförändringen inverkar på extrema temperaturer, nederbördsmängder och vindhastigheter i framtiden. *** As the Finnish climate becomes warmer and liquid precipitation events will be increasingly frequent even in winter, it is necessary to be prepared for changing weather conditions in the built-up environment. In this study, we have elaborated weather data files that can be utilized in assessing energy demand and physical functioning in buildings in the current and future climate. Weather datasets were compiled for four measurement sites in Finland, Sodankylä, Jyväskylä, Jokioinen and Vantaa, each of them representing different thermal zones for building energy demand. The datasets, comprising years 1989–2018, contained the following variables at hourly resolution: temperature, relative humidity, wind speed and direction, total, diffuse and direct normal solar radiation and precipitation. The tridecadal datasets were transformed to represent future climate by modifying the hourly values of the weather variables in accordance with climate model projections. Three future periods were considered, 2015–2044 representing the immediate future, 2035–2064 mid-century and 2065–2094 the late century climate. Henceforth, the periods will be referred to according to the mid-point year, i.e., 2030, 2050 and 2080, respectively. All the time series representing future climate were compiled for three representative concentration pathways, RCP2.6 representing small, RCP4.5 medium and RCP8.5 very large greenhouse-gas emissions. Next, the 30-year datasets were used to find for each of the twelve calendar months a "standard" month during which weather conditions have been as close as possible to typical long-term statistical distributions. These twelve months originating from different years were merged to create the new test reference year of building energy demand (TRY2020) for all four thermal zones. In the test reference year datasets, all the above-mentioned weather variables were included apart from precipitation. The months selected were likewise used to extract test reference year data from the data files representing future climate, separately for all three future periods and the three representative concentration pathways. Compared to the previously-compiled test reference year TRY2012, the new reference year TRY2020 consists of 7–11 fresh months, depending on the thermal zone, the remaining months being the same as in TRY2012. Regarding the three measurement sites for which both references years are available, the annual mean temperature in TRY2020 is 0.17–0.36°C higher than in TRY2012, even though some individual months are cooler. The total annual solar radiation sum in the two test reference years is nearly identical, while some single months exhibit quite remarkable differences. In addition to the test reference year for building energy demand, hourly measurements during a historical year (Jokioinen 2015) were collected for comparison purposes in building physical calculations. This comparison year data was also transformed to represent future climates. Moreover, the 30-year datasets elaborated in the project can be used to update previously-selected building physical test years for the Finnish climate. The report likewise examines very cold temperatures relevant for the design of heating systems. As well, we explored how the projected climate change affects the future occurrence of temperature, precipitation and wind speed extremes.
  • Kyllönen, Katriina (2020)
    Aerosols are well known to have effects on climate and human health. The chemical composition of aerosols in particular has a profound effect on the latter. Many trace elements (e.g. cadmium, lead and arsenic) found in the particulates as well as mercury (existing mostly in the gaseous form) are considered toxic for humans while deposition of these elements poses risks to the ecosystems. Due to emission abatement strategies, emissions of trace elements have significantly reduced in the recent decades. The overall objective of this thesis was to gain knowledge on the different sources as well as the temporal and spatial changes of atmospheric trace elements in Finland. The thesis was focused on the priority trace element pollutants mercury, arsenic, cadmium, nickel and lead. Also, other elements of interest were studied (aluminium, chromium, cobalt, copper, iron, manganese, vanadium, and zinc). Gaseous, particulate and deposition forms of the elements were investigated. The work was concentrated in background areas far away from possible anthropogenic sources; however, urban and industrial sites were also surveyed. The measurement techniques were partially developed or further validated in this thesis, and partially we utilised measurements conducted as a part of international measurement programmes. Sources of trace elements were studied with source apportionment method using positive matrix factorisation (PMF) and enrichment factors. Enrichment factors were used to characterize the source of a pollutant between natural and anthropogenic, and this grouped the elements from mainly crustal (Al, Fe) to highly anthropogenic origin (As, Cd, Pb, Zn) and others in between. PMF produced a more precise analysis of sources for Pallas, in which trace elements were associated with soil, sea emissions, and various long-range transported sources e.g. copper and nickel smelters in Kola Peninsula, Russia. In addition, magnitude of mercury soil and wetland emissions was investigated at one background site with the chamber technique. The air-terrestrial surface exchange measurements of elemental mercury showed that the soil emissions were found similar to depositional fluxes at the site (but opposite) and larger than the ones observed at wetland. For most trace elements, a clear south-to-north decreasing gradient in both atmospheric concentrations and deposition was observed due to minor local sources and longer distance to the large European source areas in the north than in the south. Additionally, the differences in the length of the snow-cover period have an effect on resuspension of some of the elements. For several elements both in particulate matter (PM) and deposition, statistically significant decreasing trends up to 80 % were detected since the 1990s. For gaseous mercury, no statistically significant trends were found. No statistically significant increasing trends were observed for PM, however, at two sites increases in deposition of single elements were detected. *** Ilmakehän hiukkasilla on tunnetusti vaikutuksia ilmastoon ja ihmisten terveydelle. Erityisesti näiden hiukkasten kemiallinen koostumus vaikuttaa jälkimmäiseen. Monien ilmakehässäkin esiintyvien raskasmetallien (kuten elohopean, kadmiumin ja lyijyn) tiedetään olevan myrkyllisiä ihmiselle, kun taas näiden laskeuma aiheuttaa haittaa ekosysteemeille. Päästövähennystoimenpiteiden myötä raskasmetallien päästöt ovat yleisesti vähentyneet viime vuosikymmeninä. Tämän väitöskirjan yleisenä tavoitteena oli selvittää ilmakehän raskasmetallien lähteitä sekä ajallisia ja maantieteellisiä trendejä Suomessa. Tutkimus keskittyi erityisen haitallisiin alkuaineisiin elohopeaan, arseeniin, kadmiumiin, nikkeliin ja lyijyyn. Myös alumiini, koboltti, kromi, kupari, mangaani, rauta, sinkki ja vanadiini olivat selvityksen kohteena. Väitöskirjassa on tutkittu näiden esiintymistä kaasumaisena, hiukkasiin sitoutuneena ja laskeumassa keskittyen kaukana päästölähteitä sijaitseviin tausta-alueisiin. Myös kaupunki- ja teollisuusympäristöt olivat kohteena. Tutkimuksessa käytettiin itse kehitettyjä tai validoituja mittausjärjestelmiä sekä kansainvälisissä mittausohjelmissa kerättyä tietoa. Raskasmetallien lähteitä tutkittiin kahdella lähdeanalyysillä. Rikastumiskertoimilla metallit jaettiin luonnosta ja ihmistoiminnasta peräisiin, ja analyysin perusteella suurin osa metalleista oli selvästi peräisin antropogeenisistä lähteistä, kun taas muutamat maaperän pölyämisestä. Yhdellä mittausasemista (Pallas) tutkittiin tarkemmin lähteitä positiivisen matriisin faktoroinnilla (PMF), jonka perusteella raskasmetallien lähteiksi tunnistettiin maaperän pölyäminen, meri, sekä erilaisia kaukokulkeumana vaikuttavia lähteitä, kuten kupari-nikkelisulatot Kuolan niemimaalla. Lisäksi elohopeatasetta tutkittiin ilmakehän ja maaperän/suon välillä kammiomenetelmällä yhdellä eteläisistä tausta-asemista. Tutkimuksessa havaittiin, että elohopeaa haihtui enemmän metsämaasta kuin suolta, ja metsämaasta haihtunut elohopean määrä vastasi karkeasti maahan laskeuman mukana kertynyttä osuutta. Useimpien raskasmetallien ilmapitoisuudet ja laskeuma kohosivat pohjoisesta etelään päin johtuen eroista paikallisissa päästöissä sekä pidemmästä etäisyydestä Euroopan suuriin päästöalueisiin. Myös etelän pohjoista lyhyempi lumikausi vaikutti joidenkin metallien pitoisuuksiin kohottavasti. Useimpien raskasmetallien ilmapitoisuuksien ja laskeuman todettiin vähentyneen tilastollisesti merkitsevästi, enimmillään 80 % 1990-luvun lopusta vuoteen 2018. Sen sijaan kaasumaisen elohopean pitoisuuksissa ei havaittu tilastollisesti merkitseviä muutoksia. Tilastollisesti merkitsevää ilmapitoisuuden nousua ei havaittu millään tutkituista metalleista pohjoisella mittausasemalla; sen sijaan laskeuman osalta kahdella mittausasemalla havaittiin yksittäisten alkuaineiden nousua.
  • Anttila, Pia (Finnish Meteorological Institute, 2020)
    Finnish Meteorological Institute Contributions 163
    In this thesis, long-term, multicomponent, high-resolution (time and accuracy) air quality monitoring data from about 400 sites across Finland since 1994 are integrated into a single unified and compact view to demonstrate past air quality development and to assess the reasons behind the development at the national level. This thesis demonstrates that internationally launched and nationally implemented regulatory controls have had an important role in improving air quality in Finland. The pollutants subject to long-term ambitious international abatement strategies (like SO2 and persistent organic pollutants) have decreased the most. Also, NOx emission control has been successful, but urban roadside NO2 concentrations have not decreased as expected. The increase in diesel cars (and their potentially high primary NO2 emissions) may have been one factor in slowing down the decline of concentrations. However, the development of emission reduction technologies together with the improved type approval test procedures have resulted in a reduction in the significance of primary NO2 emissions in Europe. In Finland, our relatively old car fleet and the increased import of old diesel cars cause uncertainty for future development. Due to the use of studded tyres and manifested as elevated concentrations of PM10, springtime street dust is a local air pollution problem. This thesis suggests that local abatement measures (e.g., reducing traffic, changes in the car fleet, road maintenance activities) have been moving in the right direction, and the springtime street dust levels have been reduced. Although air quality standards are not exceeded today, street dust remains a persistent flaw in our otherwise good air quality. In Finland, the ozone peak levels have been declining since 2006. Similar development has been detected in Europe and North America, and it is related to decreasing anthropogenic precursor emissions of NOx and VOCs. For Finland, high background concentrations are more problematic, and reducing them would require international and even hemispheric cooperation. The available long-term background data of PAH concentrations suggest that no widespread decrease in concentrations has occurred. This is not necessarily surprising as the major global sources are small-scale solid fuel combustion and wildfires. Efforts to reduce these emissions have been relatively limited or non-existent so far. *** Tässä väitöskirjassa on koottu yhteen Suomen ilmanlaadun mittaustiedot yli parinkymmenen vuoden ajalta ja noin 400 mittausasemalta. Aineistosta arvioidaan ilmanlaadun kehitystä ja syitä havaittuun kehitykseen kansallisella tasolla. Tämä opinnäyte osoittaa, että kansainvälisesti käynnistetyillä ja kansallisesti toteutetuilla päästöjen rajoittamistoimilla on ollut tärkeä rooli ilmanlaadun parantamisessa Suomessa. Epäpuhtaudet, joihin on kohdistunut pitkäaikaisia kunnianhimoisia kansainvälisiä päästöstrategioita (kuten SO2 ja pysyvät orgaaniset ympäristömyrkyt), ovat vähentyneet eniten. Myös NOx-päästöjen vähentäminen on onnistunut, mutta kaupungeissa NO2-pitoisuudet eivät ole vähentyneet odotetusti. Dieselautojen lisääntynyt määrä (ja niiden mahdollisesti korkeat suorat NO2-päästöt) on saattanut olla yksi tekijä, joka on hidastanut NO2-pitoisuuksien laskua. Päästöjen vähentämistekniikoiden ja tyyppihyväksyntämenettelyjen kehittyminen on kuitenkin vähentänyt suorien NO2-päästöjen merkitystä Euroopan tasolla. Suomessa suhteellisen vanha autokanta ja vanhojen dieselautojen lisääntynyt tuonti aiheuttavat epävarmuutta tulevaisuuden kehitykselle. Kevään katupöly, joka johtuu nastarenkaiden käytöstä ja joka ilmenee korkeina PM10-pitoisuuksina, on paikallinen ilmanlaatuongelma. Tämä opinnäyte viittaa siihen, että paikalliset vähennystoimenpiteet (esim. liikennemäärien vähentäminen, muutokset autokannassa, tienhoitotoimet) ovat olleet oikeansuuntaisia ja kevään katupölytasot ovat vähentyneet. Vaikka ilmanlaatunormeja ei tällä hetkellä ylitetä, katupöly on edelleen sitkeä ilmanlaatuhaitta muuten hyvässä ilmanlaadussamme. Suomessa otsonin huipputasot ovat laskeneet vuodesta 2006. Vastaavaa kehitystä on havaittu Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa, ja se on liitetty typen oksidien (NOx) ja haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) päästöjen vähentämiseen. Suomessa kuitenkin korkeat taustapitoisuudet ovat ongelmallisempia, ja niiden alentaminen edellyttää laajaa kansainvälistä yhteistyötä. PAH-pitoisuuksissa ei ole tapahtunut laaja-alaista laskua. Tämä ei ole välttämättä yllättävää, koska suurimpia lähteitä maailmanlaajuisesti ovat pienpoltto ja metsä- ja maastopalot. Pyrkimykset näiden päästöjen vähentämiseksi ovat toistaiseksi olleet suhteellisen vähäisiä tai olemattomia.
  • Gregow, Hilppa; Rantanen, Mika; Laurila, Terhi K.; Mäkelä, Antti (Finnish Meteorological Institute, 2020)
    Raportteja - Rapporter - Reports 2020:3
    Strong winds caused by powerful extratropical cyclones are one of the most dangerous and damaging weather phenomena in Northern Europe. Stormy winds can generate extreme waves and rise the sea level, which leads occasionally to storm surges in coastal areas. In land areas, strong winds can cause extensive forest damage. In general, windstorms induce annually significant damage for society. Moreover, due to climate change, the frequency and the impacts caused by the windstorms is changing. In this report, we introduce a literature review on the occurrence of strong winds, extratropical cyclones and their impacts in Northern Europe. We present the most important findings on both past trends and current climate on wind speeds and extratropical cyclones based on in-situ measurements and reanalysis data. We also briefly analyse impacts caused by extreme convective weather. Furthermore, we aim to respond to the question on how the wind climate in Northern Europe is going to change in the future under climate change. The decadal changes in the frequency of extratropical cyclones in Northern Europe follows the changes in the storm track regions. Regarding the past climate, confident estimates of the past trends are difficult to make due to inhomogeneities in the number and type of assimilated wind speeds into reanalysis data. Based on homogenized in-situ observations, the wind climatology in 1959-2015 in Finland shows a slight downward trend, but no trend is evident in the number of potential forest damage days in Finland. Possible change points are however detected for wind speeds and the impacts. Forest damage is not only a function of wind speeds but also the environmental factors, such as the amount of frost in the ground, play a role. In the future, the strongest signal in Northern Europe for slightly increasing wind speeds is in the autumn while other seasons do not show remarkable trends. It has been shown that the total number of the strongest windstorms are projected to decrease in the North Atlantic and Europe, but regional differences are likely to appear due to changes in the storm tracks. The strong wind gusts associated with thunderstorms in parts of Northern Europe will likely increase in frequency by the end of the 21st century. *** Voimakkaista keskileveysasteiden matalapaineista johtuvat myrskytuulet ovat yksi eniten vaaraa ja vahinkoa aiheuttavista sääilmiöistä Pohjois-Euroopassa. Myrskytuulet aiheuttavat korkeita aaltoja ja nostavat meriveden pintaa, mikä johtaa toisinaan merivesitulviin. Sisämaassa voimakkaat myrskytuulet aiheuttavat ajoittain laajoja metsätuhoja. Myrskyistä koituu vuosittain merkittäviä vahinkoja yhteiskunnalle. Ilmastonmuutoksen myötä myrskyjen toistuvuus ja tuulista johtuvat tuhot muuttuvat. Raportissa käydään kirjallisuuden pohjalta läpi voimakkaiden tuulien ja myrskyjen esiintyvyyttä Pohjois-Euroopassa. Raportissa esitellään tärkeimmät havaintoihin ja uusanalyyseihin perustuvat tutkimustulokset tuulista, myrskyistä ja niiden vaikutuksista. Lisäksi esitellään lyhyesti muutoksia konvektiivisten säähäiriöiden aiheuttamissa tuulissa. Lopuksi pyritään vastaamaan kysymykseen, miten tuulisuus tulee muuttumaan Pohjois-Euroopassa ilmastonmuutoksen myötä. Myrskyjen lukumäärän alueelliset muutokset ovat sidoksissa myrskyratojen muutoksiin. Menneiden myrskytrendien tutkiminen uusanalyysien avulla on kuitenkin osoittautunut ongelmalliseksi, koska eri uusanalyyseihin on assimiloitu vaihteleva määrä ilmakehän havaintoja ja siten aineisto on epähomogeenista. Yksittäisten uusanalyysien pohjalta ei näin ollen voida tehdä varmoja johtopäätöksiä menneistä myrskytrendeistä. Kirjallisuuden mukaan voimakkaat tuulet ovat olleet Suomessa laskusuunnassa vuosina 1959-2015, mutta potentiaaliset metsätuhopäivät Suomessa eivät näytä vähentyneen. Metsätuhojen määrään vaikuttaa tuulisuuden lisäksi myös muun muassa maaperän roudan määrä. Metsätuhojen ja tuulisuuden trendeissä on lisäksi havaittu viime vuosina mahdollisia käännekohtia. Tutkimusten mukaan Pohjois-Euroopassa ei ole odotettavissa suurta muutosta tuulisuudessa, joskin syksyisin keskimääräisen tuulisuuden odotetaan hieman lisääntyvän. Voimakkaiden myrskyjen kokonaislukumäärä Pohjois-Atlantilla tulee todennäköisesti laskemaan, mutta alueellisia eroja voi ilmetä myrskyratojen muutoksista johtuen. Kesän rajuilmoihin liittyviä voimakkaita tuulenpuuskia voi vuosisadan loppuun mennessä Pohjois-Euroopassa esiintyä useammin kuin nykyilmastossa.
  • 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.