Aerosolimallit ja aerosolisään ennustaminen Suomen olosuhteissa MATINE hanke 800 Suorituspaikka: Ilmatieteen laitos Rahoitus: 56 0000 eur Tutkimuksenjohtaja: Dos. Heikki Lihavainen
AEROSOLIEN VAIKUTUS SÄTEILYNKULKUUN ILMAKEHÄSSÄ Millainen on aerosolien aiheuttama vaimennus suomalaisissa olosuhteissa?
Mistä vaimennus johtuu? Ilmassa olevista kaasuista: pääasiassa vesihöyrystä ja hiilidioksidista Näiden aiheuttama vaimennus voidaan laskea Lisäksi ilman pienhiukkaset eli aerosolit aiheuttavat vaimennusta Aerosolien ominaisuudet ja määrä riippuvat ajasta, paikasta, ilmamassan alkuperästä ja kulkureitistä Tässä projektissa on tutkittu juuri aerosolivaimennuksen ennustamista PVTT suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä
Miksi IR-alueen vaimennuksen arviointi on haasteellista? Ilmakehän läpinäkyvyyttä IR-alueella ei kyetä arvioimaan aistinvaraisesti Myös mittaaminen hankalaa (PVTT:n transmissometri) => käytettävä laskennallista mallia! Toimivatko tarjolla olevat standardiaerosolimallit suomalaisissa olosuhteissa? Sekä FOI:n että PVTT:n tutkimusten perusteella amerikkalaiset mallit aliarvioivat voimakkaasti ilmakehän vaimennuksen IRalueella tietyissä sääolosuhteissa yliarvioimme IR-järjestelmiemme suorituskyvyn havaintoetäisyydet lyhempiä kuin kuvittelemme PVTT suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä
FOI-PVTT-aerosolivaimennusmalli Vaimennuskerroin (km -1 ) 0.5 0.4 0.3 0.2 V met = 10 km RH = 85 % T = 10 C p = 1013 mbar Rural Urban Maritime Normstorp Lövsättra 0.1 0.0 0.5 1 10 20 Aallonpituus (µm) PVTT suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä
PVTT:n ATRAIN-tutkimus Johtopäätökset 1) Rural-aerosolimalli ennustaa aerosolien aiheuttaman säteilyn etenemisvaimennuksen yleensä oikein suomalaisessa aerosoliympäristössä. Kuitenkin noin neljäsosassa tapauksista eli noin 15 % todennäköisyydellä se aliarvioi voimakkaasti aerosolien aiheuttaman vaimennuksen infrapuna-alueella. Aallonpituuden kasvaessa virhe kasvaa voimakkaasti. 2) Ilmakehän aerosolien aiheuttaman säteilyn etenemisvaimennuksen tarkka arvioiminen infrapuna-alueella on käytännössä mahdotonta helposti mitattavien perussääsuureiden avulla. PVTT suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä
Tutkimustarpeet Nykyisessä tutkimusprojektissa Miksi MODTRAN:in Rural-aerolimalli ei aina toimi? Miten aerosolimallia olisi korjattava? Miten aerosolien aiheuttaman vaimennuksen ennustamista voitaisiin kehittää luotettavammaksi? Tulevaisuudessa Ennustetyökalun kehittäminen, operatiivinen IRsää PVTT suojan osaamiskeskus Tutkimuksesta suorituskykyä 7
Tutkimushankkeen tavoitteet 1) määritellä Suomen alueella tyypillisimmät infrapuna-aallonpituudella vaikuttavat aerosolimallit 2) tehdä ohjelmistoprototyyppi, joka määrittää ennusteen aerosolien aiheuttamaan säteilynvaimenemisen ilmakehässä infrapunaaallonpituuksilla Hanke on tarkoitettu kolmevuotiseksi, meneillään ensimmäinen vuosi.
Hiukkasen ja säteilyn vuorovaikutus Absorptio + Sironta = Vaimennus Päätekijät hiukkasen ja säteilyn vuorovaikutuksessa: 1) säteilyn aallonpituus 2) hiukkasen koko 3) hiukkasten taitekerroin Seinfeld & Pandis, 1998, p. 1116
Tavoite 1: Aerosolimalli Tarvittavat parametrit Aerosolihiukkasten lukumäärä (kuiva halkaisija > 100 nm) Aerosolihiukkasten kokojakauma (kuiva halkaisija > 100 nm) Hiukkasten kemiallinen koostumus Kasvukerroin Taitekerroin
Aerosolien kokojakauma lähdealueilla Olemassaolevan aerosolidatan perusteella on selvitetty lähdealueen sekä vuodenajan vaikutus mitattavaan aerosolien kokojakauman muotoon. Käytettävissä pitkiä aikasarjoja usealta mittausasemalta, erityisesti Hyytiälästä, Kuopiosta ja Pallakselta (hiukkasten kuiva halkaisija 0,1 13 µm) Havaittiin kaksi selkeästi toisistaan eroavaa aerosolien kokojakaumaa; Merellinen Manterellinen
Hiukkas-jakaumat merellisille ja mantereellisille (perustuuko koko dadaan) 2/3 datasta sijoittuu katkoviivojen välille
Vertailu nyt määriteltyjen ja aiemmin käytetyn Shettle & Fenn (1979) aerosoli kokojakaumien välillä
Hiukkasten tilavuusjakauman muoto Selvä ero merellisen ja mantereellisen ilman välillä Ero kesän ja talven välillä (vuodenaikaisvaihtelu) Vähän eroa eri lähdealueiden välille (esim alueiden III ja II välillä)
Hiukkasten tilavuuspitoisuus Mantereellisessa ilmassa suurempi kuin merellisessä Etelässä suurempi kuin pohjoisessa Idässä suurempi kuin lännessä Kesällä suurempi kuin syksyllä / talvella 6 5 µm 3 /cm 3 4 3 2 Talvi Kevät Kesä Syksy 1 0 Pallas meri Pallas maa Puijo meri Puijo maa Hyytiälä meri Hyytiälä maa
Tavoite 2: aerosolien aiheuttaman vaimennuksen ennustaminen Säänennustusmalli Ilmamassan kulkeutumisreitti (Aerosolimallit)*skaalaus(esim. PM10) + extralähteet (esim. metsäpalot) Aerosoliennuste + ennustettu sää IR-säteilyn vaimenemisennuste
Kuiva hiukkasjakauma Käytetään lähdealueiden (meri / maa) vuodenajasta riippuvia keskimääräisiä hiukkasjakaumia. Painotettu keskiarvo sen mukaan, kuinka kauan ilmamassa on ollut lähdealueen yläpuolella. Skaalataan hiukkasten kokojakauma kokonaistilavuudella tai PM10 massalla. Lasketaan säteilyn vaimeneminen halutuilla aallonpituuksilla. Verrataan suoriin mittaustuloksiin.
Tilavuuspitoisuus PM10 massasta Hiukkasten kokonaismassa (PM10) verrannollinen tilavuus pitoisuuteen ja vaimenemiseen Alueellisesti kattava havaintoverkko suomessa Mittausdata tunnin välein Kaupunki-ilma vs taustapitoisuudet PM10 pitoisuus voidaan myös ennustaa esim. ilmanlaatumalleilla
Säteilynvaimeneminen λ=1µm λ=10µm Ennustetusta (pystyakseli) ja mitatusta (vaaka-akseli) kuivasta hiukkasjakaumasta laskettu säteilynvaimeneminen 1 ja 10 µm aallonpituuksilla, yksikkö 1/m.
Miten tästä eteenpäin? Määritetään lähdealueita vastaavat hiukkasten kemialliset koostumukset, ja siten tarkempi taitekerroin ja kasvukerroin. Lasketaan hiukkasten todellinen koko kasvukertoimen ja suhteellisen kosteuden avulla. Lasketaan säteilynvaimeneminen käyttäen hiukkasten märkää kokojakaumaa ja taitekerrointa. Verrataan säteilynvaimenemista suoriin mittaustuloksiin. 01.02.08 20
Haasteet Ennustemenetelmä perustuu statistiikkaan; aerosoliprosesseja ei suoraan mukana Erikoistapaukset; esim. metsäpalot, tulivuoret, suuri sateisuus Mittaustiedon puute isojen hiukkasten (>1 µm) kasvukertoimista Mittaustiedon puute hiukkasten kasvukertoimista suurissa suhteellisissa Kosteuksissa (>98%) 01.02.08 21
Projektin lopputuote Pystytään määrittämään hiukkasten aiheuttama säteilynvaimeneminen puolustusvoimien kannalta mielenkiintoisilla aallonpituuksilla. Suomen aerosoliklimatologia ja lähdealueet suurten (yli 0.1 µm) hiukkasten osalta. Työkalu jota voidaan hyödyntää operatiivisessa IR- sään ennustamisessa. 01.02.08 22