Ella-Maria Kyrö. Fysiikan täydennyskoulutuskurssi , Kumpula. kuvan E.-M. Kyrö

Transkriptio

1 Ella-Maria Kyrö Fysiikan täydennyskoulutuskurssi , Kumpula kuvan E.-M. Kyrö

2 kuvan E.-M. Kyrö

3 Meteorologian historiaa maailmalla 300 ekr: Sateen mittaus Intiassa (verotus) 350 ekr: Aristoteles: Meteorologica, sis. mm. veden kiertokulun kuvaus. Meteorologian perustaja 1644: Elohopeailmapuntari (Torricelli) 1654: Ensimmäinen säähavaintoasemaverkko (E-Eurooppa) 1714: Nestelämpömittari (Fahrenheit) 1803: Luke Howardin pilviluokitus 1820: Ensimmäinen sääkartta 1873: IMO (nyk. WMO) perustettiin 1922: Ensimmäinen matemaattinen malli ja menetelmä numeeriselle sääennustusmallille 1950: ensimmäinen tietokoneella tehty sääennuste : WMO:n peruskirja astui voimaan Ilmatieteen päivä 1960-l: ensimmäiset sääsatelliittien pilvikuvat Kuvaileva asteikko objektiivinen mittaus Kuvat: Wikimedia commons sekä Luke Howard: Essay on the Modifications of Clouds (1803)

4 Meteorologiaa Suomessa Suomen vanhimmat lämpötilamittaukset 1737, Tornio Ilmatieteen laitos perustettu 1838 (Alkujaan Magneettis-meteorologinen observatorio, sittemmin Ilmatieteellinen keskuslaitos) Helsingin yliopistolla Meteorologian laitos , Aiemmin meteorologiaa Fysiikan laitoksella Nykyään Fysiikan laitoksen Ilmakehätieteiden osastolla Tunnettuja suomalaisia meteorologian tutkijoita ovat olleet Erik Palmén ( ) ja Vilho Väisälä ( ) Palmén vaikutti norjalaisen rintamamallin ja suihkuvirtauksen käsitteen syntyyn. Väisälä kehitti 1930-luvulla ensimmäiset radioluotaimet. Kuvat: sekä

5 Miksi säähavainnot ovat tärkeitä? Paikallinen havainto: sääilmiöt Havaintojen yhdistäminen kartalle: suuremman skaalan sääilmiöt, säätilan (kuinka pitkään säätila jatkuu?) Havaintojen yhdistäminen ajassa: (kuinka tyypillinen säätila on?) Numeeristen sääennustemallien (sään ennustaminen) Yhteiskunnan eri osa-alueet, käytännön sovellukset (lento- ja tieliikenne, merenkulku, maatalous ) kuvan E.-M. Kyrö

6 Miten säähavaintoja tehdään? alueita, joista ei radioluotauksilla tietoa n. 650 luotausasemaa Laivat, poijut vajaat sääasemaa suurin osa automaattisia sääasemia kuva:

7 Sääasema (SYNOP / SHIP) Lentosääasema (METAR) Ilmastoasema (CLIMAT) Sadeasema Luotausasema (TEMP) Pintasäähavainnot Lisäksi tiesääasemia, yksityisten tahojen ylläpitämiä asemia, Samalla asemalla voidaan tehdä useamman tyyppisiä havaintoja 1980-luvulta koko ajan lisääntynyt automaatio (AWS) kuva:

8 Muita havaintomenetelmiä Mastoasema Paikallisten ilmiöiden tarkkailu; havaintosuureiden pystysuuntainen jakauma Auringon säteilyn mittausasema Paistetunnit, erilaiset säteilyn komponentit (UV, haja-, globaali-) Salamapaikanninverkko Säätutkat ja satelliitit Hyvin tärkeitä; voidaan kattaa laajat alueet kuvat:

9 Maailmanlaajuinen pintasäähavaintoverkko ECMWF (Euroopan keskus), Havaintoja yhteensä

10 Suomen pintasäähavaintoverkko Kaikki toimivat sääasemat Manuaalista toimintaa kuvat: Ilmatieteen laitos

11 Mitä eri sääasemilla mitataan ja havaitaan? SYNOP-havaintoja kolmen tunnin välein WMO:n määrittelemät standardit Mitattavat / havaittavat suureet Lämpötila, kosteus, ilmanpaine Tuulen suunta ja nopeus Näkyvyys, sääilmiöt, pilvet, sademäärä, lumensyvyys Aluetta edustavilta paikoilta Lisäksi lukuisia automaattisia sääasemia (AWS) Luotaukset 1-2 kertaa / vrk Suomessa Jokioinen, Tikkakoski, Sodankylä Ilmakehän pystyprofiili: lämpötila, tuulen nopeus ja suunta, kastepiste METAR-havaintoja 30 min välein Reittiliikenteen lentokentillä Suppeammat havainnot kuin SYNOP-asemilla (näkyvyys, pilven alarajan korkeus tärkeitä) Osa täysin AWS 3 havaintoa / vrk Täydentää muita havaintotietoja ilmastollisesti merkittävistä paikoista Suomen ilmaston tutkimus 1 havainto / vrk Tiheä havaintoverkko

12 Järvi: T, RH, tuulet Metsä: lumen syvyys, tuulen nopeus ja suunta, näkyvyys, pilvet E Metsä: pilvet, näkyvyys, tuulen suunta Kallio: Tuulen suunta, nopeus F Pelto: tuulen nopeus ja suunta (kanavoituminen) D Kallio: tuulen nopeus ja suunta, lämpötila (inversiot) C Metsä: lumen syvyys, tuulen nopeus ja suunta, näkyvyys A B

13 Säähavainnot pakataan tiiviiseen muotoon Havainnot voidaan esittää tekstimuodossa tai kartalla kuvamuodossa. Oikealla esimerkki siitä, minkälainen kuvamuotoinen SYNOP voisi a.o. tekstimuotoisen METARin tilanteessa olla. Helsinki-Vantaa 27. pvä klo 13:20 UTC; jos automaattinen, perään AUTO WD = 240, WS = 9 kn näkyvyys 10 km /8, alarajan korkeus 1600 jalkaa sanoma päättyy T = 6 C, T d = 4 C QNH = 1015 hpa (merenpintapaine) 2h ennuste; ei ylitä arvoille säädettyjä rajoja Esim. PROB30 FZRA = 30 % todennäköisyydellä 2h aikana sataa jäätävää sadetta

14 Säähavainnot pakataan tiiviiseen muotoon Havainnot voidaan esittää tekstimuodossa tai kartalla kuvamuodossa. Oikealla esimerkki siitä, minkälainen kuvamuotoinen SYNOP voisi a.o. tekstimuotoisen METARin tilanteessa olla. Helsinki-Vantaa 27. pvä klo 13:20 UTC; jos automaattinen, perään AUTO WD = 240, WS = 9 kn näkyvyys 10 km /8, alarajan korkeus 1600 jalkaa Jos havaittavia sääilmiöitä, tulevat tähän väliin. DZ = tihkusade GR = rakeita RA = vesisade, SN = lumisade, SG = lumiyväsiä IC = jääneulasia BR = utu FG = sumu FU = savu HZ = auer VA = tulivuorituhka SQ = tuulenpuuskia Etuliitteinä mm. - = heikko + = voimakas PR = osittainen SH = kuuroittainen (SHRA = kuurosade) FZ = jäätävää TS = ukkonen BL = (korkeaa) tuiskua Pilvisyys: SKC (Sky Clear): 0/8 FEWxxx: 1-2/8 SCTxxx (Scattered): 3-4/8 BKNxxx (Broken): 5-7/8 OVCxxx (Overcast): 8/8 VVxxx (Vertical Visibility); vertikaalinäkyvyys

15 Säähavainnot pakataan tiiviiseen muotoon Havainnot voidaan esittää tekstimuodossa tai kartalla kuvamuodossa. Oikealla esimerkki siitä, minkälainen kuvamuotoinen SYNOP voisi a.o. tekstimuotoisen METARin tilanteessa olla. Helsinki-Vantaa 27. pvä klo 13:20 UTC; jos automaattinen, perään AUTO WD = 240, WS = 9 kn näkyvyys 10 km /8, alarajan korkeus 1600 jalkaa sanoma päättyy Ceiling & visibility ok (ei pilviä 5000 jalan alapuolella, näkyvyys vähintään 10 km, ei merkittäviä sääilmiöitä) T = 6 C, T d = 4 C QNH = 1015 hpa (merenpintapaine) 2h ennuste; ei ylitä arvoille säädettyjä rajoja Esim. PROB30 FZRA = 30 % todennäköisyydellä 2h aikana sataa jäätävää sadetta

16 Mitä tietoa pintasäähavainnoista saadaan?

17 Mitä tietoa pintasäähavainnoista saadaan? Ilmavirtaukset kulkevat painepintoja pitkin. Siksi lämpötilan ja pintapaineen samanarvonkäyriä piirtämällä voidaan jo tehdä lyhyt ennuste tulevasta säästä. Siniset viivat 1000 hpa pinnan korkeuksia (matalat arvot matala paine) Vihreät katkoviivat lämpötilan samanarvonkäyriä

18 Mitä tietoa pintasäähavainnoilla saadaan? MetOfficen analyysi 6 tuntia ennen ed. kuvan tilannetta Advektion avulla voidaan päätellä mm. lämpimien ja kylmien rintamien sijaintia. Tällaisen kartan piirtäminen vaatii myös muiden havaintojen ja havainnoista laskettujen parametrien tietämistä.

19 Mitä tietoa luotauksilla saadaan? Helium- tai vetytäytteinen pallo Paketti antureita kuvan E.-M. Kyrö - Lämpötila ja kastepiste (erosta voi päätellä missä on pilviä) - Paine, tuulen nopeus ja suunta (gps:n avulla) - Mahdollisuus myös O 3 ja radioaktiivisuus-luotauksiin.

20 Mitä tietoa säätutkilla saadaan? kuvan E.-M. Kyrö kuva: Matti Leskinen Maa-merituuli -kiertoliike Pyörre Suomenlahdella kuva: Matti Leskinen kuva: Matti Leskinen

21 Mitä tietoa kaukokartoituksella saadaan? UTC Vesihöyry absorboi 6.2 µm aallonpituudella. Siksi kys. kanavalla otettu kuva paljastaa alueet, joissa ilmakehä on kostea tai kuiva. Kuvasta voidaan päätellä myös suihkuvirtausten sijaintia. Satelliittikuvissa hyödynnetään eri aallonpituuksia sekä niiden yhdistelmiä. Tällöin voidaan erottaa erilaisia ilmakehän ilmiöitä.

22 Mitä tietoa kaukokartoituksella saadaan? UTC Komposiittikuva kahdesta näkyvän valon sekä yhdestä lähi-infrapunan kanavasta (1.6 µm, 0.8 µm sekä 0.6 µm). Kuvasta voidaan nähdä, mitkä pilvet koostuvat jäästä (turkoosit) tai vedestä (vaaleanharmaat).

23 Mitä tietoa kaukokartoituksella saadaan? UTC Komposiittikuva kahdesta vesihöyrykanavasta ja kahdesta infrapunakanavasta (WV6.2 ja WV7.2 sekä IR9.7 ja IR10.8). Tällä kombinaatiolla voidaan erottaa lämpimät (vihreä) ja kylmät (violetti) ilmamassat, laskevat liikkeet (punainen) ja eri kerroksissa olevat pilvet (keltainen, valkoinen). Kuvan avulla voidaan erityisesti tutkia, missä kehittyy matalapaineita.

24 laaja-alainen nousuliike ylätroposfäärissä jääkiteitä Cirrus fibratus Altostratus opacus Cumulus congestus vähemmän laaja-alainen, hidas nousuliike keskitroposfäärissä sadetta ja salamointia nyt tai myöhemmin Cumulus mediocris pilvipisaroita (vesipisaroita) Cumulus mediocris kostea ja epävakaa alatroposfääri ilmansaasteiden vaikutukset pilviin? Cumulus mediocris kuvan E.-M. Kyrö

25 Mitä pilvet ovat? Näkyvä osuus koostuu pilvipisaroista, sadepisaroista, jääkiteistä, lumikiteistä, rakeista, alijäähtyneestä vedestä. Pilvien sisältämää vesihöyryä me emme näe. Emme myöskään näe pieniä tiivistymis- ja jäätymisytimiä, joiden ympärille pilvipisarat syntyvät, sillä ytimet ovat yleensä halkaisijaltaan n. 100 nm 1 µm. Pilvet ovat hyvin dynaamisia, jotka paljastavat meille tietoa ilmakehän virtauksista, kosteudesta ja vakaudesta. kuvan E.-M. Kyrö

26 Miten pilvet syntyvät? Pilvi syntyy, kun vesihöyryä tiivistyy (härmistyy) tiivistymisytimen (jäätymisytimen) ympärille. Tätä voi tapahtua eri prosessien kautta, eri kokoskaaloissa Pilvien tyypillinen suuruusluokka 100 m 100 km; suuret pilvijärjestelmät voivat olla yli 1000 km Elinikä minuuteista vuorokausiin Vesihöyryn tiivistyminen alkaa, kun ilma jäähtyy kastepistelämpötilaan, eli suhteellinen kosteus on 100 %. Jos pilvipartikkelit kasvavat tarpeeksi painaviksi, ne alkavat pudota maahan painovoiman vaikutuksesta. Ne voivat nousta ja laskea, jäätyä ja sulaa pilven sisällä monia kertoja ennen kuin lopulta päätyvät sateena maahan.

27 Ilma kylmenee kastepisteeseen syystä tai toisesta. Ilmaan lisätään kosteutta tavalla tai toisella. Miten pilvet syntyvät? T d T Tiivistymistaso Konvektiovirtauksia Lämmintä, kosteaa ilmaa Kylmää, kuivaa ilmaa Kosteutta hävinnyt sateena, joten ilma kuivempaa ja lämpimämpää Konvektio Ilmakehä epästabiili, pystyliikkeitä. Tyypillinen pilven synnyttävä mekanismi kesäpäivinä. h = 120 (T-T d ) Turbulenssi Lämmintä, kosteaa ilmaa sekoittuu kylmään ilmaan. Rintama Lämmin ilmamassa kokee pakotettua nostoa. Pilvet tasaisia ja laaja-alaisia. Suomessa yleisin mekanismi. Konvergenssi Eri suunnista tulevat ilmamassat törmäävät ja joutuvat kohoamaan. Orografia Ilmamassa joutuu kiipeämään vuorta ylöspäin, jolloin sen sisältämä kosteus tiivistyy. Aiheuttaa Föhn-ilmiön. Alustan vaikutus Ilmamassan sisältämä kosteuspitoisuus muuttuu nopeasti esim. meren yllä. Pilvi voi syntyä myös säteilyjäähtymisen seurauksena.

28 Mitä pilvet kertovat ilmakehän tilasta? Tuulen suunta ja nopeus (pilven korkeudella) Onko konvektiovirtauksia vai ilmamassan pakotettua nostoa? Kuinka kostea ilmakerros on? Ilmavirtauksen muoto Epävakaus? Minkälaista säätä on odotettavissa? Tuntien vuorokauden sisällä kuvien E.-M. Kyrö

29 Pilvityyppejä on useita! Karkeasti pilvet voidaan jakaa Kerros- ja konvektiopilviin Vesi-, jää- ja sekapilviin Ylä- (6-10 km), keski- (2-6 km) ja alapilviin (2 m 2 km) Pilvet luokitellaan kymmeneen pääsukuun niiden esiintymiskorkeuden ja muodon perusteella. Suvut jakaantuvat vielä moniin erilaisiin lajeihin, jotka määräytyvät mm. pilven syntytavan, muodon tai dimensioiden mukaan. Koska pilvet eivät ole staattisia, vaan jatkuvassa muutoksessa, ne voivat elinkaarensa aikana muutta eri sukuisiksi nopeastikin. Samassa pilvessä voi olla erilajisia osia.

30 > 6 km Cirrus: Erillisiä, valkoisia, säteittäisiä tai laikuittaisia pilviä. Hiusmainen tai silkkimäinen ulkomuoto. Esiintyy yleensä yli 6 km korkeudella. Syntyy kun (laaja) ilmamassa nousee ylätroposfäärisssä, saavuttaa kyllästystilan ja härmistyy jääkiteiksi. Yksittäiset korkeapaineen vallitessa, laajaalaisemmat ja paksummat ennakoivat matalapaineen saapumista. Cirrocumulus: Ohuita, valkoisia laikkuja tai lakanamainen kerros, joka koostuu hyvin pienistä osasista. Osasten leveys on < 1. Syntyvät hyvin korkealla, 5 km:sta aina 14 kilometriin. Merkki epävakaudesta ylätroposfäärissä ja säärintaman lähestymisestä. Sisältää usein alijäähtynyttä vettä. Syntyy, kun laaja ilmamassa saavuttaa kyllästystilan km > 6 km Cirrostratus: Läpinäkyvä, vaalea, huntumainen; kuitumainen tai tasainen pilvi. Peittää kokonaan tai osittain taivaan ja synnyttää usein haloja. Syntyy yli 6 km korkeudella. Syntyy kun laaja troposfäärin yläosassa oleva ilmakerros kohoaa ja sen kosteus härmistyy. Esiintyy usein lämpimän rintaman edellä, erityisesti jos on hyvin laaja-alainen, laskeutuva ja paksuuntuva. kuvien E.-M. Kyrö

31 2-6 km Altostratus: Harmaa sininen pilviverho joka voi olla kerrostunut. Ulkomuodoltaan juovikas, kuituinen tai tasainen, peittää taivaan osittain tai kokonaan. Aurinko voi kuultaa läpi. Pilvi esiintyy 2-6 km korkeudella. Syntyy laajamittaiseen nousuliikkeeseen, ja liittyy usein lämpimään tai okkluusiorintamaan. Voi syntyä esim. jos Cs paksunee ja laskeutuu. Voi sataa heikohkosti. 2-6 km Alaraja alle 2 km, paksuus useita km:ja Altocumulus: Valkoinen ja/tai harmaa, laikkuinen pilvikerros. Osaset joskus osittain kuitumaisia ja voivat olla joko säännöllisesti järjestäytyneitä (jolloin 1-5 kokoisia) tai selvästi erillään taivaalla. Esiintyy 2-6 km korkeudella, mutta yleensä alempana kuin As. Syntyy yleensä laajamittaiseen nousuliikkeeseen samalla, kun pilven tasolla on epävakautta. Voi ennakoida ukkosta laajalla alueella ja on merkki ilmakehän epävakaudesta. Nimbostratus: Harmaa, paksu, usein tumma pilvipeite, josta sataa enemmän tai vähemmän jatkuvaa, melko voimakasta lumi- tai vesisadetta. Peittää kokonaan auringon. Pilven alaraja on yleensä hyvin matalalla, selvästi alempana kuin 2 km, mutta pilvi voi olla useita kilometrejä paksu. Syntyy useimmiten Altostratuksen paksuuntuessa. kuvien E.-M. Kyrö

32 < 2 km Alaraja yleensä < 500 m < 2 km Alaraja < 600 m, yläosa jopa yli 10 km korkeudella Stratocumulus: Harmaa ja/tai vaalea pilvilaikku tai kerros, joka koostuu laatoista, pyöristyneistä muodoista ja rullista. Yleisin pilvityyppi. Voi syntyä, jos useita Cu-pilviä liittyy yhteen tai jos kostea ilma sekoittuu ylemmän ilman kanssa, mutta konvektion takia syntyy hattaroita. Stratus: Harmaa, tasainen pilvikerros, jolla yhtenäinen alaraja. Ainoa tihkua satava pilvi. Alaraja yleensä alle 500 m:ssä. Syntyy, kun ilmakerros jäähtyy säteilyn tai advektion kautta. Yleinen on myös talvinen K-tilanne: laskevaa liikettä ylhäältä, pinta kylmä. Laskeva ilma ei pääse inversion takia pintaan, ja kosteus tiivistyy. Voi syntyä myös vuoristoon. Cumulus: Erillisiä, tiheitä, pumpulimaisia ja tarkkarajaisia pilviä, jotka nousevat tasaisehkosta alarajastaan. Yläosa kukkakaalimainen ja on kirkkaan valkoinen, alaosa sitä tummempi, mitä paksumpi pilvi on. Solurakenne. Syntyy, kun lämmin ilma nousee paikallisesti ylös (konvektio) ja ilman vesihöyry tiivistyy. Alarajan korkeus riippuu ilmamassan kosteudesta. Jos korkea, voi sataa. Turbulenssia pilven tasolla. Cumulonimbus: Paksu, tornimainen, painava pilvi, joka voi nousta tropopausiin asti. Yläosa usein kuituinen ja levittäytynyt sivuille alasinmaisesti. Alaosastaan pilvi on hyvin tumma. Pilvi sataa, joskus myös ukkostaa. Syntyy voimakkaaseen konvektioon, Cu:n kasvaessa suureksi. kuvien E.-M. Kyrö

33 Matalapaineen saapumisen voi päätellä pilvistä Wikipedia Thomson higher education kuvien E.-M. Kyrö

34 Kylmään rintamaan liittyy konvektiivisia pilviä Wikipedia Thomson higher education kuvien E.-M. Kyrö

35 Pilvet havainnollistavat ilmavirtauksia E-M Kyrö E-M Kyrö Giselle Goloy E-M Kyrö E-M Kyrö E-M Kyrö

36 kuvien Bernhard Mühr Kuurosadepilven kehitys Cu con t = 0 min Cb cal t = 9 min Cb cap t = 15 min Cb cap inc t = 21 min Cb cap inc, Cu con t = 27 min Cb cap inc, Cu con t = 33 min Cb cal t = 39 min Cb cal pil, Cu con t = 48 min Cb cap t = 57 min

37 Ylätuuli 10 km Mitä konvektiopilven sisällä tapahtuu makroskooppisella tasolla? -15 C 5 km uusi solu syntyy etureunaan puuskarintama

38 Miten ukkospilvi varautuu? jääkiteitä Ylätuuli C 10 km Salamointi mahdollista vasta, kun huippu on n. -50 C:ssa. Sähköistyminen on merkittävää vasta, kun pilvi kasvanut väh. -20 C korkeudelle. -15 C lumirakeita C 5 km Negat. varauskeskus pysyy samalla korkeudella (-15 C) koko pilven eliniän. pilvi- ja vesipisaroita uusi solu syntyy etureunaan Lumirakeet voivat kulkeutua monta kierrosta ylös-alas pilven sisällä samalla kasvaen kokoa C puuskarintama

39 Mitä konvektiopilven sisällä tapahtuu mikroskooppisella tasolla? 0 C Törmäys-yhdistymisprosessit Diffuusiokasvu, härmistyminen Jääkideprosessi Jääkiteitä Vesipisaroita Jäätyminen Pilvipisaroita Diffuusiokasvu Pisara-alkioita Tiivistyminen Jääkiteitä Lumihiutaleita (Rakeita) Sulaminen Törmäysyhdistymisprosessit Hajoaminen & Törmäys- yhd. pros. Sadepisaroita Adiabaattinen jäähtyminen Haihtuminen Sade

40 Sateen synty: jääkideprosessi pilvipisaroita tiivistyy pilvipisarat alijäähtyvät S ice > S water : jääkiteet kasvavat pilvipisaroiden kustannuksella jääkiteitä muodostuu (vesihöyryä härmistyy hiukkasten pinnalle tai jäätymisytimet aktivoituvat) Suurin osa Suomen sateista on alun perin lumisadetta! nousuliike

41 Supersaturaatio (g/m 3 ) Kuvat: Lumikiteiden muoto riippuu ilmakehän kosteudesta ja lämpötilasta RH vesi =100%

42 Miksi pilvet ovat tärkeitä? Veden kiertokulku Lämpöenergia Syntyessään pilvet vapauttavat energiaa (paikallisesti lämpötila nousee, vrt. sauna) Haihtuessaan pilvet sitovat energiaa (paikallisesti lämpötila laskee, vrt. hikoilu) Säteilynkulku Alapilvet paksuja, ja heijastavat suuren osan Auringon säteilystä sekä emittoivat lämpösäteilyä avaruuteen. Viilentävä vaikutus. Yläpilvet ohuita, ja päästävät suurimman osan Auringon säteilystä maan pinnalle. Ne myös emittoivat vain vähän lämpösäteilyä avaruuteen. Lämmittävä vaikutus. Epäsuorat vaikutukset

43

44 Etunimi Sukunimi