Paikallissääsivun hakutoiminnossa on edelleen ongelmia. Pahoittelemme puuttuvia tietoja. Asiaa selvitetään parhaillaan.

Tiedotearkisto: 2018

Väitös: Edistysaskelia lumi- ja räntäsateiden mittaamisessa yhdistämällä kaukokartoitus- ja pintahavaintoja

16.1.2018 15:17

Ilmatieteen laitoksen tutkija Annakaisa von Lerber on väitöstyössään tutkinut, miten lumihiutaleiden ominaisuudet vaikuttavat sää- ja pilvitutkahavaintoihin. Tiedot auttavat arvioimaan esimerkiksi lumisateen määrää tutkahavainnoista.

Kuva: Jussi Liikala

Kuva: Jussi Liikala

Lumisateesta kertyvän sademäärän arvioiminen kaukokartoitusinstrumenteilla, kuten tutkilla tai radiometreillä, on toistaiseksi vielä haastavaa. Tämä johtuu siitä, että lumikiteet ja -hiutaleet ovat muodoltaan epäsäännöllisiä ja niiden ominaisuudet muotoutuvat jatkuvasti ilmakehässä eri mikrofysikaalisissa prosesseissa.

Lumisade voi vaikeuttaa sekä maa- että lentoliikennettä, joten etukäteistieto lumisateen tuottamasta sademäärästä ja saderintaman tarkasta etenemisestä auttavat poikkeusjärjestelyiden suunnittelemisessa. Paranneltua lumisateen sademääräarvioita voidaan tulevaisuudessa hyödyntää tutkapohjaisessa lähihetkiennustamisessa, jossa ennusteaika on noin kaksi tuntia.

Lumisateen mittaaminen satelliitti-instrumenteilla toistaiseksi haastavaa

"Menetelmät ja laitteet vesisateen havaitsemiseen avaruudesta käsin ovat paljon kehittyneempiä ja tarkempia verrattuna lumisateen mittaamiseen. Tällä saralla tarvitaan vielä paljon tutkimusta", von Lerber kertoo. Tutkimuksessa osoitettiin, että NASAn GPM (Global Precipitation Mission) -satelliitin radiometrimittauksiin perustuva algoritmi havaitsee lumisateet hyvällä tarkkuudella, mutta aliarvioi vielä merkittävästi niiden sademäärän.

Sadetietojen tarkkuuden parantamiseksi ja menetelmien kehittämiseksi tarvitaan maanpintahavaintoja, joihin arvioita voidaan vertailla. Väitöstyössä lumihiutaleiden ominaisuuksia on tutkittu maan pinnalla olevilla laitteilla. Havaitut muutokset ominaisuuksissa on yhdistetty sää- ja pilvitutkamittauksiin. Esimerkiksi vahvasti huurtuneet lumirakeet tai avoimen rakenteen omaavat lumihiutaleet näyttäytyvät kolmitaajuustutkamittauksissa erilaisina.

"Tutkakaiku havaitusta kohteesta riippuu kohteen ominaisuuksista, mutta myös oleellisesti tutkan käyttämän säteilyn taajuudesta. Tätä voidaan hyödyntää lumisateen määrän arvioimisessa satelliitti-instrumenteilla, jotka toimivat useammalla taajuudella", von Lerber lisää.

Maanpintahavainnot tukevat säätutkamittauksia lumisateen sademäärän arvioimisessa

Väitöstyössä on toteutettu kaksi eri menetelmää vapaasti putoavien lumihiutaleiden massan tai tiheyden määrittämiseen. Lumihiutaleiden massa-koko -suhteen muutokset on osoitettu olevan yhteydessä ilmakehässä havaittaviin lumihiutaleen kasvutapoihin. "Yksi työn mielenkiintoisista löydöistä on tutkia lumisateen omaisuuksien muutosta aikasarjana lyhyellä aikavälillä ja verrata näitä samanaikaisiin tutkamittauksiin. Tutkamittauksista voidaan erottaa tavallaan sormenjälkiä, milloin lumihiutaleiden koko kasvaa lumikiteitten kiinnittymisellä toisiinsa, tai milloin niiden massa lisääntyy huurtumisen kautta. Näitä voidaan hyödyntää myöhemmin tutkahavaintojen tulkinnassa", von Lerber kuvailee.   

Havaittuja massa-koko -suhdemuutoksia on työssä hyödynnetty säätutkapohjaisessa lumisateen sademäärän arvioimisessa. Arviot paranivat merkittävästi Ilmatieteen laitoksen tällä hetkellä käyttämään keskimääräiseen arvioon verrattuna. Tutkimukseen räätälöityä menetelmää ei kuitenkaan voida suoraan soveltaa Ilmatieteen laitoksen olemassa olevaan havaintoverkkoon, vaan saatuja tuloksia jalostetaan jatkotutkimuksissa. 

Rännän aiheuttama vaimennus säätutkamittauksissa riippuu lumisateen ominaisuuksista sulamiskerroksen yläpuolella

Sulamiskerroksessa lumihiutaleet ja -kiteet sulavat vesipisaroiksi. Korkeilla leveysasteilla kerros saattaa sijaita maanpinnalla, eli silloin sataa räntää. Näin käy Helsingin alueella 5 % sadetapauksista. Sulamiskerroksen aiheuttama vaimennus on tunnetusti merkittävä satelliittimittauksille ja -tietoliikenteelle, mutta myös säätutkalle vaimennus voi olla merkittävä ja aiheuttaa räntäsateen takana olevan vesisateen voimakkuuden aliarvioimista.

Väitöstyössä on selvitetty vaimennuksen voimakkuutta ja siihen vaikuttavien tekijöiden, kuten sulavien lumihiutaleiden ominaisuuksien, merkitystä havaintoihin. Lumihiutaleiden sulamista on mallinnettu ja mallinnettuja tutkamittauksia on verrattu havaintoihin. Näiden pohjalta on kehitetty arvio sulamiskerroksen vaimennuksesta, jota voidaan käyttää tutkan näkemän sateen voimakkuuden korjaamiseen ja lopulta myös sateen parempaan lähihetkiennustamiseen.

Väitöstilaisuus 1. helmikuuta Aalto yliopistossa

Väitöstyö on toteutettu Aalto yliopiston, Helsingin yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen yhteistyönä. Maanpintahavainnot on tehty pääosin Helsingin yliopiston Hyytiälän metsäasemalla ja mittalaitteet ovat osa GPM-satelliittimission validointiprojektia. Säätutkamittauksiin on käytetty Ilmatieteen laitoksen Ikaalisen säätutkaa ja Yhdysvaltain energiaviraston pilvitutkia hyödynnettiin osana BAECC (Biogenic Aerosols—Effects on Clouds and Climate)-tutkimushanketta. Työhön on saatu rahoitusta Aalto yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulun tohtorikoulusta ja Vilho, Yrjö ja Kalle Väisälän rahastosta.

Annakaisa von Lerberin väitöskirja Challenges in measuring winter precipitation: Advances in combining microwave remote sensing and surface observations tarkastetaan Aalto yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulussa. Väitöstilaisuus on torstaina 1.2.2018 kello 12 Auditorio-salissa, Otakaari 3, Espoo. Vastaväittäjänä toimii professori Herman Russchenberg, TU Delft ja kustoksena professori Tuija Pulkkinen Aalto yliopiston Elektroniikan ja nanotekniikan laitokselta.

Lisätietoja:

Tutkija Annakaisa von Lerber, puh. 050 377 6816, annakaisa.von.lerber@fmi.fi

Väitöskirja verkossa: https://helda.helsinki.fi/handle/10138/231104