Miten säätä havainnoidaan Ilmatieteen laitoksessa?

Säähavainnoilla, niiden pohjalta tehdyillä sääennusteilla ja ilmastotilastoilla on tärkeä sija sään, ilmaston ja ympäristön tutkimustoiminnassa sekä erilaisten palveluiden tuottamisessa. Säähavaintoja tarvitaan esimerkiksi lento- tai tieliikenteen, merenkulun, matkailun, energiantuotannon, kunnossapidon, maa- ja metsätalouden sääpalveluissa sekä tiedon tuottamiseen kansalaisille. Säätä havainnoidaan jatkuvasti ympäri maapalloa ja kukin maa huolehtii osaltaan havaintojen teosta ja viestityksestä. Tällä sivulla listataan keskeisimmät operatiiviset säähavainnot havaintomenetelmineen.

Sääasemat:

Ilmastollisesti edustava havaintopaikka kuvaa paikkakunnan yleistä ilmastoa ja silloin mittauksessa pyritään sijoittamaan mittarit avoimelle kasvuston ympäröimälle kentälle. Muusta ympäristöstä poikkeavat maastonkohdat kuten mäen harja, jyrkkä rinne tai notkelma eivät ole ihanteellisia sijoituskohteita.

Merellisillä havaintoasemilla, kuten majakoilla, antureiden sijoitteluun usein vaikuttaa se mihin niitä on ylipäätään mahdollista sijoittaa. Yhdellä tietyllä havaintoasemalla ei aina kyetä ilmastollisesti edustavasti mittaamaan kaikkia suureita, joten mittauskokoonpanossa esiintyy asemakohtaista vaihtelua. Esimerkiksi tuuli- tai auringon säteilymittaukset asettavat erityisiä vaatimuksia sääasemaympäristön avoimuudelle. Alla oleva kuva näyttää tyypillisen sääaseman laitekokoonpanon ja sen jälkeen kuvataan keskeisimpien suureiden mittausmenetelmiä.

Esimerkki automaattisen sääaseman laitteista (vas.), tuulimasto (oik.).

Ilman lämpötila

Ilman lämpötila mitataan 2 metrin korkeudessa. Automaattinen mittaus tehdään Pt100-vastusanturilla, joka perustuu platinajohtimen resistanssin muutokseen lämpötilasta riippuen. Anturin resistanssi mitataan ja muunnetaan lämpötilalukemaksi sääaseman keskusyksikössä. Anturi on sijoitettuna hyvin tuulettuvan säteilysuojan sisään, joka suojaa mittausta suoralta auringon säteilyltä ja sateelta. Aiemmin lämpötila-anturi tai manuaalisesti luettu nestelämpömittari on ollut sijoitettuna valkeaksi maalatussa puusta valmistetussa kojussa 2 metrin korkeudella.

Ilman lämpötilaa mitataan myös läheltä maanpintaa, jolloin kyseessä on maanpintaminimilämpötilamittaus. Automaattimittaus tehdään kesäkaudella 5 cm korkeudella maanpinnasta keinonurmi- tai luonnonnurmialustalla. Mittausperiaate on sama kuin 2 metrin lämpötilamittauksessa. Maanpintaminimimittarin tulee olla avoimella paikalla, jotta maanpinnasta poistuva lämpösäteily ei esty ja mittaustulokset ovat edustavia.

Lämpötila-anturi säteilysuojassa (vas.). Aiemmin mittauskäytössä olleita puukojuja (oik.).

Automaattinen maanpintaminimilämpötilan mittaus keinonurmialustalla.

Ilman kosteus

Ilman suhteellinen kosteus mitataan kapasitiivisella polymeerianturilla. Anturin polymeeri sitoo tai vapauttaa vesihöyryä sen mukaan paljonko ympäröivässä ilmassa on kosteutta. Polymeeriin sitoutunut vesimäärä puolestaan muuttaa anturin kapasitanssia ja tämän muutoksen anturin elektroniikka muuntaa suhteelliseen kosteuteen verrannolliseksi ulostulojännitteeksi. Jännitteestä edelleen lasketaan kosteuslukema sääaseman keskusyksikössä. Kosteusanturi on yhdessä lämpötila-anturin kanssa sijoitettuna kahden metrin korkeuteen säteilysuojan sisälle. Ilman suhteellisesta kosteudesta johdetaan muita kosteussuureita, joista kenties eniten käytetty on kastepiste.

Aiemmin kosteus on lämpötilan ohella mitattu puukojussa. Manuaalimittauksessa ilman suhteellinen kosteus määritettiin ns. kuivan ja kostean lämpömittarin tai hiuskosteusmittarin avulla. Kuiva lämpötila luettiin tavallisesta lämpömittarista. Kostea lämpömittari on kuivan lämpömittarin kaltainen, mutta sen nestekuula on verhottu kostealla kankaalla ja sitä tuuletetaan kosteuden haihduttamiseksi. Näiden lämpötilalukemien avulla saatiin ilman kosteus määritettyä taulukoista tai laskemalla. Mekaaninen hiuskosteusmittari ilmaisi kosteuden suoraan prosentteina ja se perustui hiuksen ominaisuuteen muuttaa pituuttaan ilman suhteellisen kosteuden mukana.

Tuuli

Sääasemilla tuulensuunnan ja -nopeuden mittaus tapahtuu akustisella tuulianturilla, tai tuuliviirillä ja kuppianemometrillä. Akustinen anturi koostuu neljästä ultraäänimuuntimesta, jotka toimivat signaalin lähettimenä ja vastaanottimena. Akustisen mittauksen etuna on, ettei siinä ole liikkuvia tai kuluvia osia. Akustinen anturi prosessoi mittaussignaalin ja muuntaa sen valmiiksi suunta- ja nopeustiedoksi sääaseman keskusyksikön käyttöön. Tuuliviiri tuottaa 6-bittisen koodin tuulen suunnasta ja kuppianemometri antaa nopeuden taajuusulostulona. Nämä tiedot rekisteröidään sääaseman keskusyksikössä, jossa niiden perusteella lasketaan tuulen suunta- ja nopeusarvot. Tuulianturilta johdetaan tuulen 10 minuutin keskiarvotietojen lisäksi 3 sekunnin puuskatieto.

Tuulensuunta ja -nopeus mitataan noin 10 metriä merkittävien ympäristön esteiden yläpuolella. Edeltävästä mittauskorkeudesta poiketaan esimerkiksi kasuuni-tyyppisillä majakoilla.

Akustinen mittaus (vas.). Tuuliviiri ja kuppianemometri (oik.).

Ennen automaattisen tuulimittauksen aikakautta, olennaisesti ennen 1960-lukua, tuulen suunta- ja nopeustiedot rekisteröitiin ihmisen toimesta Wildin viiriä apuna käyttäen. Menetelmä oli automaattimittauksia selvästi epätarkempi, sillä se perustui mekaanisen viirin ja nopeuslaipan asennon visuaaliseen arviointiin eikä siten sisältänyt myöskään keskiarvolaskentaa.

Manuaalinen tuulensuunnan ja nopeuden arviointi Wildin viirillä.

Ilmanpaine

Ilmanpainemittaus suoritetaan paineanturilla. Mittaus perustuu kondensaattorirakenteeseen, jossa paineen muuttuminen on mitattavissa sähköisesti kapasitanssin muutoksina. Anturi muuntaa paineen muutokset digitaaliseen muotoon ja tulos siirretään sarjaväylää pitkin sääaseman keskusyksikköön. Sääasemalla tehty ilmanpainemittaus redukoidaan vielä merenpinnan tasolle, jolloin eri korkeuksilla sijaitsevien asemien ilmanpainemittaukset ovat keskenään vertailukelpoisia.

Ennen ilmanpainemittauksen automatisointia, ihminen luki ilmanpaineen arvon asemalla elohopeailmapuntarista.

Auringon säteily

Keskeisimpiä säteilysuureista ovat globaali säteily, UV-säteily sekä auringonpaisteen kestoaika. Globaalilla säteilyllä tarkoitetaan auringosta saapuvaa laajakaistaista lyhytaaltosäteilyä, joka tulee anturille koko taivaankannelta. Tätä suuretta mitataan pyranometrillä, joka tuottaa säteilyn voimakkuuteen verrannollisen matalajännitteen. Tämä analoginen jännite mitataan sääaseman keskusyksikössä, jossa saadaan numeerinen arvo säteilyn intensiteetille (W/m^2).

Vastaavasti UV-säteilyn määrä saadaan tarkoitukseen kehitetyllä anturilla, jonka ulostulojännite on verrannollinen UV-säteilyn määrään. Ultraviolettisäteilyn määrä ilmoitetaan yleensä UV-indeksinä (UVI). Auringonpaistetta raportoidaan silloin kun suoraan auringon suunnasta saapuvan säteilyn intensiteetti on vähintään 120 W/m^2. Mittauksen lopputuloksena ilmoitetaan auringonpaisteen kestoaika.

Harvalukuisempia säteilymittauksia ovat lisäksi ns. auringon suoran säteilyn, hajasäteilyn, maanpinnasta heijastuneen säteilyn, ilmakehän pitkäaaltoisen vastasäteilyn, maanpinnasta poistuvan pitkäaaltosäteilyn sekä säteilytaseen mittaukset.

Auringonpaisteajan (vas.) ja globaalin säteilyn mittarit (oik.).

Pilvenkorkeus ja pilven määrä

Pilvenkorkeus ja määrä mitataan automaattisesti pilvenkorkeusmittarilla eli ceilometrillä. Pilvenkorkeudella tarkoitetaan pilven alarajan korkeutta maanpinnasta. Mittaus perustuu laserpulssin etenemiseen valon nopeudella. Kun lähetepulssi kohtaa ilmassa olevia kaiunaiheuttajia, esimerkiksi pilvipisaroita (pilven), siroaa pulssi takaisin maanpinnassa olevalle vastaanottimelle. Mittari laskee korkeustiedon lähetepulssien kulkuajan perusteella.

Pilvenkorkeusmittari asennetaan kiinteään mittauskulmaan likimain kohti zeniittiä. Anturin herkkyyden kasvattamiseksi yhtä raportoitavaa mittausta varten lähetepulssi toistetaan kymmeniä tuhansia kertoja ja kaikusignaalit summataan. Valmis kaikusignaaliprofiili jatkokäsitellään mittarin prosessorikortilla ja tulos viestitetään sääaseman keskusyksikölle sarjaväylää pitkin.

Tyypillisen käytössä olevan pilvenkorkeusmittarin ominaisuuksiin kuuluu 0 - 7,5 km mittausalue. Laserpulssin aallonpituus on 905 nm. Mittarin pilvisyysalgoritmi pystyy periaatteessa raportoimaan 1 - 4 pilvikerrosta perustuen alemmissa pilvikerroksissa oleviin aukkoihin. Pilven määrä saadaan arvioitua summaamalla pilviosumia ennen havaintohetkeä, yleensä 30 minuutin ajalta. Mikäli pilvet eivät liiku, lähetepulssi vaimenee sateen vaikutuksesta ennen pilveä tai pilvet sijaitsevat laitteen mittausetäisyyden yläpuolella, automaatin ilmoittamat arvot voivat poiketa ihmissilmin tehdystä pilven määrän havainnosta.

Pilvenkorkeusmittari.

Ennen pilvisyyden automaattimittauksia kokonaispilvisyys määritettiin visuaalisesti. Se ilmoitettiin pilvien alapintojen yhteenlaskettuna osuutena koko taivaankannesta kahdeksasosina. Ilman teknisiä apuvälineitä pilvenkorkeuden määritys perustui pilvisukujen visuaaliseen tunnistamiseen, joskin matalien pilvien alarajan korkeutta voitiin pimeällä arvioida trigonometrisesti ns. pilvipistoolin (kulmamittari) ja pilveen heijastettavan valonsäteen avulla.

Pilvikuvastossa lisätietoa pilvityypeistä

Vallitseva sää ja näkyvyys

Vallitsevan sään mittarin sekä näkyvyysmittarin toiminta perustuu lähi-infrapunavalon sironnan mittaamiseen. Tällaisessa optisessa mittarissa on lähi-infrapunavalon lähetin ja vastaanotin. Mitä enemmän ilmassa on vesi- tai pilvipisaroita (sumu), sitä enemmän lähetteen valoa siroaa vastaanottimelle.

Meteorologisen näkyvyyden arviointi ei riipu ihmissilmän havaitseman valoisuuden määrästä. Optinen mittari laskee siroavasta valosta näkyvyystiedon, sekä määrittää sironta- ja muiden mitattujen aputietojen avulla vallitsevan sään (esim. sateen tyyppi) koodiluvun.

Automaattinen näkyvyyden ja valitsevan sään mittaus optisella sirontamittarilla.

Manuaalinen näkyvyysmittaus tehtiin aiemmin aina ilman apuvälineitä. Näin meneteltäessä oletettiin eri etäisyyksillä sijaitsevien kohteiden etäisyydet tunnetuiksi. Ihanteellisimmin havainto voitiin tehdä pisteestä, josta avautui näkymä joka suuntaan ja ympäristössä oli hyviä etäisyysmerkkejä kuten tehtaan savupiippu tai metsän reuna. Mikäli kohteen ääriviivojen voitiin todeta juuri ja juuri erottuvan, näkyvyysarvo oli tämän kohteen etäisyys havaintopisteestä. Jos näkyvyys ei ollut yhtä suuri kaikkiin suuntiin, ilmoitettiin pienin havaittu arvo. Manuaalinen mittaustapa on edelleen käytössä joillakin harvoilla asemilla.

Ihmisen tehdessä havainnon vallitsevasta säästä kuvailussa käytetään ilmiöluokittelua. Hieman yksinkertaistaen seuraavat ilmiöt muodostavat keskeiset raportoitavat vallitsevan sään ilmiöt: utu, sumu, tihkusade, vesisade, lumisade, räntäsade, vesikuuro, lumikuuro, raesade ja ukkonen.

Sademäärä

Automaattiset sademittarit ovat punnitsevia sadevaakoja. Niiden mittaus perustuu venymäliuska-anturin käyttöön ja mittarilla prosessoidaan valmis datasanoma sarjaväylään viestitettäväksi. Tuulisuojuksena käytetään samanlaista Tretyakov-tuulisuojusta kuin perinteisesti manuaalisademittauksissa on käytetty. Mittarilla voidaan havaita myös lumisateita kun sadeastiassa käytetään sulatusnestettä. Sademittarin kauluksessa on lisäksi lämmitys, joka ehkäisee suuaukon täyttymisen lumisateella. Sadeastian suuaukko sijoitetaan 1,5 metrin korkeudelle. Ihanteellinen paikka sademittarin sijoitukselle on sellainen, jossa ympäristön esteet ovat noin kaksi kertaa korkeutensa etäisyydellä sadeastiasta.

Sademittausverkkoon kuuluu myös ihmisen tekemiä sademäärän mittauksia. Manuaalisesti sateen määrää mitataan sadeastian avulla. Haihtumisen vähentämiseksi astian avoimeen yläpäähän sijoitetaan kesäaikana suppilo, jonka pienestä reiästä vesi valuu säiliön pohjalle. Tyhjennyksessä astian sisältö kaadetaan mittalasiin ja merkitään lukema muistiin. Mikäli astiaan kertynyt sade ei ole nestemäisessä olomuodossa sen annetaan sulaa sisätiloissa, jonka jälkeen sademäärä mitataan mittalasin avulla.

Punnitseva sademittari modifioidulla Tretyakov-tyyppisellä tuulisuojuksella (vas.). Manuaalinen sademittari Tretyakov-tuulisuojuksella (oik.).

Lumensyvyys

Lumensyvyyden automaattimittaus perustuu ultraäänen kulkuaikaan lähettimen, kohteen ja vastaanottimen välillä. Käytössä oleva ultraäänietäisyysanturi tuottaa sarjaväylään datasanoman, joka sisältää etäisyyden kaikua aiheuttavaan kohteeseen (maa tai lumipinta). Datasanoma luetaan sääaseman keskusyksikköön, jossa lasketaan varsinainen lumensyvyyden arvo. Koska äänen kulkunopeus riippuu ilman lämpötilasta, mittauksen tulos täytyy lämpötilakompensoida. Laskennassa tarvitaan lisäksi tieto anturin asennuskorkeudesta.

Mittauspaikassa ympäröivien esteiden tai kasvuston tulisi sijaita yhtä etäällä mittapaikasta kuin sademittauksessakin. Lumensyvyysmittarin alustana käytetään muovista keinonurmialustaa, joka pysyy rikkaruohottomana.

Lumensyvyysmittaus lumikepillä on havainto-ohjelmassa manuaalisilla sadeasemilla. Lumensyvyys luetaan parin metrin etäisyydeltä vaakasuorassa tasossa pitkin lumen pintaa siten, ettei lumikepin ympäriltä sulanut tai keppiä vasten kasautunut lumi vaikuta lukemaan. Lumensyvyysarvo luetaan senttimetrin tarkkuudella lumikepin mitta-asteikolta.

Lumensyvyyden mittauspaikka (vas.) ja lumikeppi (oik.).

Säätutkat:

Säätutkilla mitataan erityisesti sateen voimakkuutta ja sen alueellista jakaumaa. Lisätietoa mittauksesta löytyy säätutkasivuilta.

Salamanpaikannus:

Salamanpaikanninverkko koostuu useista antureista, jotka sijaitsevat eri puolilla Suomea. Anturit mittaavat salamasta peräisin olevan sähkömagneettisen aallon tulosuunnan ja -ajan, joiden avulla salaman paikka voidaan laskea. Järjestelmällä kyetään määrittämään myös joukko muita salamatutkimuksessa hyödyllisiä suureita kuten salaman voimakkuus, kerrannaisuus ja arvio paikannusvirheelle.

Salamanpaikannusverkon antenni.

Luotaukset:

Sääluotaukset tuottavat ennustemalleille ja meteorologeille tärkeää tietoa koko siitä ilmakehän osasta, jossa sääilmiöt esiintyvät. Suomessa luotauksia tehdään rutiiniluonteisesti Tikkakoskella, Jokioisissa ja Sodankylässä. Päivittäisten sääluotausten (lämpötila, kosteus, paine, tuulen suunta ja nopeus) lisäksi tehdään otsoniluotauksia viikoittain Sodankylässä sekä kampanjaluonteisesti Jokioisissa. Kaikilla kolmella asemalla on lisäksi valmius radioaktiivisuusluotauksiin. Luotauksessa radiolähettimellä varustettu anturipaketti lähetetään vedyllä tai heliumilla täytetyn pallon varassa keräämään tietoja ilmakehän olosuhteista. Luotaus tehdään kahdesti vuorokaudessa ja mittauksia saadaan maanpinnalta jopa 30 kilometrin korkeuteen asti.