Pro gradu -tutkielma Meteorologia SUOMESSA ESIINTYVIEN LÄMPÖTILAN ÄÄRIARVOJEN MALLINTAMINEN YKSIDIMENSIOISILLA ILMAKEHÄMALLEILLA Karoliina Ljungberg 16.04.2009 Ohjaajat: Ari Venäläinen, Jouni Räisänen Tarkastajat: Ari Venäläinen, Jouni Räisänen, Hannu Savijärvi HELSINGIN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS PL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2) 00014 Helsingin yliopisto
Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Faculty Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Ilmakehätieteiden ja geofysiikan osasto Laitos Institution Department Fysiikan laitos Tekijä Författare Author Karoliina Ljungberg Työn nimi Arbetets titel Title Suomessa esiintyvien lämpötilan ääriarvojen mallintaminen yksidimensioisilla ilmakehämalleilla. Oppiaine Läroämne Subject Meteorologia Työn laji Arbetets art Level Pro Gradu -tutkielma Tiivistelmä Referat Abstract Aika Datum Month and year 16.4.2009 Sivumäärä Sidoantal Number of pages 55 s. + liitteet 4 s. Tässä Pro Gradu -tutkielmassa oli tarkoitus määrittää ne lämpötilan ääriarvojen maksimi ja minimi arvot, jotka ovat vielä fysikaalisesti mahdollisia Suomen ilmastossa. Työssä käytettiin hyväksi kahta eri yksidimensioista ilmakehämallia, 1D-H634 sekä 1D-RCA3. Ensiksi mainittu pohjaa HIRLAM 6.3.4- malliin. Jälkimmäisessä mallissa HIRLAMin pintaprosessit on korvattu ruotsalaisen Rossby-keskuksen RCA3 -mallin fysiikalla. Tutkimukseen otettiin mukaan kaikki kolme luotausasemaa Suomesta (Jokioinen, Jyväskylä ja Sodankylä). Työ aloitettiin poimimalla Ilmatieteen laitoksen ilmastotietokannasta ne ajankohdat, joina kahden metrin lämpötila on ylittänyt kesällä +30 C ja alittanut talvella -35 C. Seuraavaksi etsittiin näitä ajanjaksoja vastaavat luotaustiedot. Luotauksia tutkimalla pyrittiin selvittämään mitkä tekijät vaikuttivat äärilämpötilojen esiintymiseen. Tämän jälkeen nämä luotaustiedot interpoloitiin vastaamaan mallin 40 vertikaalitasoa. Nämä tiedot syötettiin malleille yhdessä päivämäärän, kellonajan sekä koordinaattien kanssa ja tulokseksi saatiin vuorokauden kahden metrin lämpötilakäyrät. Koska yksidimensioiset mallit eivät ota huomioon lämmön advektiota, laskettiin Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskuksen (ECMWF) ERA40-uusanalyysien pohjalta kyseisiä ajanhetkiä vastaavat lämmön advektiot. Lisäksi laskettiin keskimääräiset advektion vuorokausirytmit kesällä (kesä-heinä-elo) ja talvella (tammi-helmi). Suomesta saatujen luotaustietojen pohjalta tehtyjen ajojen kahden metrin lämpötilat eivät kesätilanteessa kyenneet ylittämään Turussa vuonna 1914 mitattua lämpötilaennätystä +35,9 C. Verrattaessa kuitenkin malliajojen tuloksia tehtyihin havaintoihin, voitiin kesätilanteissa todeta mallin antavan jopa 5 C lämpimämpiä arvoja kuin kyseisissä tilanteissa on mitattu. Lopuksi päätettiin tehdä malliajo, jossa luotaus otettiin Tallinnan lentoasemalta elokuulta 1992. Tämän luotaustiedon pohjalta tehdyn ajon tulos (+36,4 C) ylitti Suomessa havaitun lämpötilaennätyksen. Talvitilanteissa 1D-H634-malli ei puolestaan kyennyt saavuttamaan Suomen pakkasennätystä (-51,5 C), joka mitattiin Kittilässä vuonna 1999. Mallitetut pakkaslukemat olivat kuitenkin suurimmassa osassa ajoja kireämpiä kuin mitä kyseisten tilanteiden havainnot kertovat. Käytettäessä 1D-RCA3-mallia päästiin pakkasissa -53,8 C:seen ja pakkaslukemat olivat muutenkin paljon alhaisempia verrattuna 1D-H634- mallin tuloksiin. Avainsanat Nyckelord Keywords lämpötila, ääriarvot, HIRLAM, ERA40 Säilytyspaikka Förvaringställe Where deposited Kumpulan tiedekirjasto Muita tietoja Övriga uppgifter Additional information
! # % & ( ) (!& +, + ). + / +, + 0% #1 % 2 3 +, + 4! + ). & % # % 5 6. % ( % % % % ( % % # ) 7 % 7 %
( ( 8 )2. 9... ( 8 )2. 9... ( 8 )2. 9... ( 3#4.. + 8, #, ))
( #, +, 6 ( :, + 7, # (, # 5 +,, #, 6 6 &! #.., ; < + + +
, & / 0, 6 = =, = + # / 0 6 7, #,, / 0 = 9 /#0 7, / 0 /& 0
+, 7! > 7 : ) 2, +?4! +?4 Α 4 )2 /Β,... 0 = 5, ( +!, 5 6+ #, 8,, &, 8 #, # 7 /, )) 0 : 8, 7 + /, ))20 8 9, : /, )) 0
,, : 6 ( + /, )) 0 7 8 0 / 9 0 1 0 / 9 0 )2 9... / 0 7 /+ 0 2 9?4 # / +0 ( + ( / 0 /Χ %?40, 7 7, (
7 1,.?4 = ( +. (. 7 0 7, )2 9... 10 7, )2 9... / 0 ( 9, %. + &, ( 9,.?4 >,.?4, # +.?4 %
&!:, >,, 7 :, # 7 & : ( Β + / 44+,..20 7 : 7, /, ))20 / 0 Ε Φ Ε : Γ Ε
Ε 1 Ε (> Ε / Η Η 0 Ε / 1 0 5 Ε Ι Ε : / 0 / + 0, 1 ϑ 7 8, / 0 9 / 0 7 ρ 8 7 = 1, /8,..20.. / 0.. / 0. / 0!: + /,.. 0 : 7 Κ= / 0, # >+ %? 8 : 2
. 1. # : /, ))20 :, & / 0 ϑ 1 1 = / ϑ0 /4ϑ 0, /,.. 0 & : 6 + > : #,.? : /#, ) )0 7 /#, ) )Λ,.. 0 + #,!, 1 (, & & 6 =,
, : : ; < &, 1 + & :, + & + /, )) 0 #,, ( ( 1 &, 1 : / ΜΜ,.. 0 # /&,..20!, : : #,,, ( & /,.. 0, 7 +, #, (,, : # # 8 )
, 7, :, /8,..20 +, + ϑ : # + %. : /, ))20 # 1 1 /,.. 0 #,, /8,..20 7 7 / ϑ0, /4ϑ 0, /4 0, /= ϑ0 /ϑ 0,! :,!, 1 1 #,, / 44+,..20 # 1 =, # = : # 1 +.
# ( 0, 0 1 :,, 0 1 /8,..20 7 % ( Ν /!,.. 0 (, + 7 % Ν ( Ν! + /,.. 0 / 0 + +, : # Ο+ + #, ( # =, (,, 7
#, 1 # 1 /8,..20 #,, # 7, : : 7,,, :, ( 1, (, 8,, #, Χ %,) 4 # ) ) # >
, #, : # 9 % 4 /&Π 6, ) 0 +%,% 4 7 ))) >, >+.,% 9 4 +( % 4 /, )))0 # ))) + >+ # %. 4, /+ 2 40! /Χ,% 40 /, )))0 # +> + /ΘΘΘ Θ :, ΗΗΘΘΘ 0 ( Ρ 4Σ ( Ρ 4Σ 8 Χ %, 4 8Τ +,%?4 Τ: ( Χ 2,% 4 Υ +,)?4 3 Χ,. 4 3 ς &Π +%,.?4 & : = Χ %, 4 = 1 +%,?4 7 # Χ, 4 1 +,?4 Ω # +> =, >,, (, #
, :, > 3, :, : # # 8 /..20 +, + #, # >, /Ε 0.. /Ε 0 /8,..20 # # : %., )..+, : = ( > + / 5 +0 /8,..20 :, + : # 7
, 7,,,!!!,, / 44+,.. 0 7 > + / 44+,.. 0 > (, =, %
..,?4 9,?4, ). 9 ))) / 44,..20, ( /,,, 60, :, : & :, %., /&,..%0 # > + / 44 +,.. 0! ϑ 8,2.%., 2.. # # / 0! Ι > : 6! # > : :! Ξ > 1! :, & : Ξ 7 : 7 : Ξ #, > +, = > +, /&,..%0
# #, )).+ > + 8.. / 20 # 7 2 44.., 5.. / ΗΗ1 ΑΑ Η..2Ψ.ΨΨ Α,.. 0 5 1,, #.. = /&,..%0 >, /=,.. 0, : 1 # : 1,!, & 2
+ =, / 0 /=,.. 0! # 5 +, + + 4!! + # + 7, 7, # 6 + + + # (!& + + 6, # 8 3 + / + 4! 0, # #, # 6,
!! + /..., ) % %. 0 = > >4&ΒΙ /> 4 6 & : Β Ι Α :0 &! + >!.+ ) / ) )+..20 >!.+.,%? Ο,%? = 5 + / 0 /..,., 0, %!, + + # #! % & (& ) (!& + +, + + (!& + & 6, : # 8, : 6 + +, 5 6 ( 1! +. + +. ). )
# #. &. #, 7 : & 6, :, 1 & 6 + % 7 (!& = /3Ζ,.., )) 0 & / )).0 # + / Β0 /(Β0, / 0, + / 2 0 / 0 = : 7 :! ( /20 1 1 # 1 1,.
/20 : Μ 7 + : ( 1 7 /20, (, 4ϑ ϑ 1 1 & (!& +, > / 0 / 0, + #,, =,
( 1 α!! /)0! & /.0 8. /0 ε σ 6 +Ξ Μ ( /0 # 6 8 6, & (!& + + :, # +, + + #, # : /,..20
6 / 0 = +, (, : 6 (!& Η,,, Η 8 4 Α /4 Α )%%0 8, : 8, 66 ( Λ /.0 ( 1,, ( 1 ( (, 7 (!& + + / + 0, 3 +, > (!& Ξ!+ / Α Ξ! 0 /= ς & 6 6, )) 0 & 6 Α + & > #Ε Α : # Ε,,, % Η %& /0 + / 0 /= ς & 6 6, )) 0
/0, / 0 / 0 τ % % % % /0 # 6 Α + ρ% % % & &. % & % &( / 0 + & 7 7 :,, Ξ! :,,, : & +ϑ1 = : #, Η,,,,,, = +
& & + #1 (!& γ, / %0 %) ) / %0 γ, (, ( γ 1 γ (!&,, + / 0 ( %, %# %,,, % % /0 % %# %#, %, / 20 γ γ 16 /Ψ+6 0, /5, )220 γ : 6, 1 ( γ = Ψ+6 %
, #1 (!& #7>+ /#1 7 > : 0 :.( #7>+ & 1 #7>+ 1 / / /( / 0 > )%) / / 0 γ,, θ #1 / (. ( / #7> 1 : / )%) )%) %) ) %) /%) ) 2 0 1 / )0 # #7>, Ξ #7> # # #7> # #7> +:.( (!& 1. 1. 7 /.0. ( (.. (. /.0 /. ( ( Ξ+8+. : 16,.( 1 1
7, / 0, (!& & #!4ϑ / 6 #! 4 0 7 +Ι Α, : &, + 8 + 1 ϑ,, >#( />Γ1 # (0 #, : & 6 Γ /Γ, )) 0 & / 0 + 8 6 + / Η 0 & 4! >+ 4! > /4 Α! 1 > : 0 : :, + 1, 7 + 2
. & (&#/ = 3 + (!& ϑ, 1 + 4! & + + + # 4! + /,.. 0 7 4! + & /,.. 0 3 +, &,,,,! Η,, / Μ. Μ. 0 / Μ # +Μ #% 0, (,. Α, Α 7
,,.,. :, & +ϑ1, = : + & 3 + /,,,,, 0 = : 4 1: / )2 0 &Α41 / ) 0 ( / 0, ρ + φ λ φ φ 3 7,. + 4 3 /0 8 + 0 /0 λ 66 γ 0 θ + Η,,, / 0 )
/ 0 / 0 3 + /0 + / 0 ρ,,, & & &, Η ( &, & & /0 & & & / 0 &, / %05 &, 7, ( Ξ + Α, 1 6, & &. &. 4 &. / %0 7 / 0 : / 0 > / 0,, # +. 9,.
3 +!, /Α 0 ( 1! 1, 1 ( 6,, = # (, (, & #, 1 % #, 7+ 7 + (, + > )2 +.. &,.?4, #, + %?4 +?4 = (,, # Β : /3 6 Β :0, #
=. 6 ( 6 &, = : &, 7.... 7 & #,..+ + 4! +, & +, : : (,,! Μ. Μ. / 0 & & 6 / %0, Α + +, 7 +ΙΑ + 4! +
# 8, : 6 ; < # : 6 1 & : 6. 9. Η 7 & ( + +, + #, 6 + +, # # + + 6, # 1 /4 Ο,.. 0 &., & + / ΗΗ1 6 6 0 + # # > #, 7,
/,.. 0 6 2! 2 /0, 6,, 2, Η + / 2!.,% 0 66!! 7,! 7, =, : # 6 66 + # 66 # # 66 / Ο, )) 0 /. 0 /. 0 # # /. 0 (.,.,2.,.,%.,..,.,,! / ).0,.. 7 ), 3
,! # %& 7 ) 2.. /+.Α 0 /,2 0 / ΗΗ1 6 6, &! #+ 0 7. #.,2 66 /# 0! 7.. 7 % 4. 4 (,! # %& ( (! ) 7. # %
# % ) Χ %,)?4 8 %?4 / 0 # + + / 0 ))) + 4! + + 4! + &, = # :,..3#4, = # : > : / 0, 8,
, = & /.. 0, &, 7 + #, + 4! +, + + >, + 4! + + + 3 + 4! + + +, (!& + + + 4! +,, 7 : & &, =, + 7,, # 2
7 & + + + 4! + 7 + +, + +, + +, + +, + +, + +, + +, + +,, + +,, + +,, + +,, + +,,,+ +,, + +,, + +,,, + + + + + + + + + + ) + +, ) + +, ) + +, ) + +, ) + +, ) + +, ),+ +, ),+ +,, ) + +,, ) + +,, ) + +,, ),+ +,, + +, + +,,+ +, + +, + +, + +, + +,,+ +, + +, + +,. /0 1. /2%1 0 (! # %& 3( 4 45
7 & + + + 4! + 7 &,, (, > ) + +, + +, + +, + +,, ) + +, ) + +, ) + +, ) + +, ) + +,, ) + +, ) + +, ) + +, ) + +, ),+ +, + +, + +,,+ +, + +, + +,,, + +,,, + +,,,,+ +,,,,,. 0. 2% / ( 1. 2% / (1 0! # %& 3( 4 45
,.?4 + 4! + +,?4 + + +,2?4 #, # 1, =, : : : &, + 7, + 0 1 & : 6 : 6 5 6. Η.,% 4 ( : 6. Η, 4 / 0 7 /# 0, /#0 /#0 7, &,.
! # %& 6((( ( () 6! ) )) 4(, /. 0 1 6((() # +)& 6 6 6) 7 # #, # # 9, + + # : 6 # : 6 / 9 Η 0.,% 9?4 % Η % 4 / 0! # %& 6((( ( () 6! )),,, /. 0 1, 6((() # +)& 7 > 2 ))), (!& + + & + #, 8 1
#1! 7, & :, #,, # 6! + +, & # / + + 4! 0, + + #, 6 + + + % + 4! + 9 2?4 )?4 / 0 + 4! +,. 9 % ΒΗ
Θ,, ( (, # / 0 1, # : & (, #, 7 > 6 #, % ΒΗ. 7,, 6 & : 6, 7 #,... ΒΗ +,
# 7 %. ΒΗ. ΒΗ,. 1 7 1, = 7, # (, 1 (, = 7 + +,,, & & #, / %0, 1 #,
7 % + +, 2.. / 0 7, 5 6, 1! 6, & & + &,,2 Χ. 4,2 +.Α,! 7 5 +, ( / 0 #! >!.+ # + %
, ) ) 9..2 (, + / 20 8 ) ) 9..2,!,! ) %, >!.+... ( ) %, 1 78 7 9:9 8: ; ++,, + + + +,, + +,, + + <1 ++,, + + + +,, + +,, + + 1 ++,, + + + +,, + +,, + + 1 ++,, + + + +,, + +,, + + 7! / 4Η 0 ) %, # >!.+ + 7 7, : /.......0 # :,
7, /.... 0 ( 7 Χ.,. 4Η 8 ) ) 9..2 +.,. 4Η #,,, +.,. 4Η 7 2! / 4Η 0 ) %, # >!.+ + 7 # / 20 # #,, ( 8 Χ., 4Η 7 Χ., 4Η 2 7. 98= ; 6 > 1 <1 1 1
7 /+ + 0 +.,. 4Η +., 4Η 8 / + + 0 Χ., 4Η Χ., 4Η! ( + 8 ) ) 9..2 / + + 0 Χ,.?4Η, +,?4Η 7 /+ + 0 + Χ,?4Η +,?4Η 8 2, 8, ) 7 %,?4, 8 8Τ 8 %,?4, )) # # Β : /3 6 Β :0 ( 3#4.. /( 0 3#4, )?4 #,,,, 8,, 8 3#4.. /( 0,% #,
8 (, ( 8 3#4.. +,?4 / 0 + 4! +, # Α # #, +, & 6 7 8 # / )) 0 & # 5 +, 6 >, >, &,, )
& + # + +, + 4! + #,! +%?4,, & : +%?4 7,, 8 ) %,)?4 7, 3, # # &, #, : 1,, &,, # %.
& #, 3 Ι>Ν /( & :,.. 0 =! ( + +, &,,! 8 5 + :!! 4 Ο %. /. )2)0 ( (, 7 # 8 7 %
4 Ξ, 5 & 1:, )2 (&. 7 47&7( 7.&. &7&5 Β Α,,. 9. 4 Ο,!! & :, Ξ, > Ξ Μ,! Ξ, 4 :, ( 4 :, & Ξ >, Ι Ι,,! 7, 7 : Θ, 5 (, ( Θ, &, # &, 8, 5 Α, 5, 5, #, Β Β:, Β Α, 7 & Ν,.. 0.8 7. ( 7. & 7(&747& 03.0 & 46 (7& 17& &5 Ξ +( :,, 2 9. 5,, )22 % 74&77& 7 7 & Β,, ) % 9 ) ) &, Ξ Ι :, )). 7!(.9( :. 0 7( #;<#8#;; 5 & :,,, ))2 /. (7.7 & 7, :, & :,,.. 6 &7 7 7 2 ( 7&7.7 7 &7 >!Α Α, Ξ=.++ %. %+, ))).( 7 (( #;;;, = )+. ) 44 / : 4 4 : 0,... ( #= 04 15 7& 3 774,7&&77&6 ( 7&74 & 7& (.. 7. (5 4 1 : 3, 4 1 : Ξ=.%+.2 2+. %% 44 / : 4 4 : 0,..2. ( <=. 0 15 7& 3 774,7&&777 & 6 ( 7&74 & 7& (.. 7. ( 4 1 : 3, 4 1 : Ξ= )2 +.+%+..)+ 9. %
( & :,.. 0>? 8 >&) &4 &7 =Α ΗΗ 6 6 Η 1Η ΑΗ 66+Ψ 6 ΟΨ 6 &Α41 & 4,!, ) 0 (. 77444 74 &44. 74 (7& (7.( &. (7. #5 07.. & 5, )) ) 9 )) & 8, 5, (, #,!!,,,, (, &, &,..%.( 7 ( 7..7 (&5 & + 8 7 ϑ, 8 Ξ= )% + % +..+Ν % 9 % & ΘΘΘ+, % ).. =ΒΒ%%%5( (. 7 54 & : 4 :6, ) Χ:4&49&...#;#Ε5, & # (,..2 7.74 0 7%7&2& 6 & (& & 5 6! & : 4 :,,.. 9. =,,.. ((.( 7.(. 7!7.( 7 ( 7!66 Α Ι ϑ Η 7, Ξ= )2 +)% +%) + ) +2 9. =, +Ι & 6 6, )) 016.&4& ( & 7( 5 1 4 :,, % 9 %) Ο,! ϑ, )) 74. (! Ξ=.+ +2+ ΜΜ, # 8, &! 5 :, Ξ 4 :,.. 0 &4.37 (& ( 7&1.0 &&7%(.& 7! 6 5 Α :,, 2 9! +, ΘΘΘ+, ).. ΗΗΘΘΘ6 Η[ Η, 7, > 66 0 7(. 99&!Φ. Γ77 ϑ 7, 7 Ξ= )% +) %+) +Ν %
7,.... (7.7 7, :, & :,,.. /7.( : 7 ((! :, Ι,,, 5,! 3 :,... 8&4(74 73&& 7. (7&. ((7. 6Α+5 ΗΗΘΘΘ, ΘΘΘ+, ) ).. Ξ, (,, )) 6 8 70 ( = 27(7 ΗΗ :Η, ΘΘΘ+,...,..2 (& ( 7&7.7, 7, :, Ι,, & :! 8, (,,..2 & ( & 774 &7 & 444 7&4&7 6 5 #,, 2) 9 ), ))) / #;Α#8#;Η!#;Η#8#;;.9( :.7 9! &.( 77 95 & :,, Γ, )). 774 74&7( 7&.7 & ( & 747&7. &. 7. 4!,, 2 9 2 # Ξ, ) ).. 6 & 7 8 9. (99&9 &..7..0 7( & :,, #, >, 4,..2 (. (774 0. 8 7. ( 7. 47&7 7%.77&&.80 6 & 7&5! 5 Α,, 2 9 % 3Ζ,,.. 6 8Ι 04 27(7 ΗΗ :Η ΘΘΘ+, 2.. 3 6 Β :, 4 : 6 > : :, 6! Α %
Α Α ΗΗΘ Θ Η Η :, ΘΘΘ+, %.. 8!,, # 7, 7, #,! 8, 7,,..2 09999& 8.( : 9 0 7(,,, 8 #,..2! &&7 4, 7, : Β ΗΗ Θ :ΗΘ Η# Ψ Ο :Ψ ΨΨΑ ΗΗ Θ :ΗΘ Η# Ψ Ο 4 Ψ ΨΨΑ ΘΘΘ+,. 2.. %%
! # %&& ( ( & ) & %& (!!!# # # # # %& (!!!# # # # #
! # %&& ( ( & ) &!! & () # # % # # # # #!! & () # # % # # # # #
! # %&& ( ( & ) &!! & () # # % # # # # #!! & () # # % # # # # #
% &! #