Väitös: Parempi ymmärrys lumen rakenteesta parantaisi satelliiteilla tehtävien havaintojen tulkintaa

Tutkija Leena Leppäsen väitöskirja osoittaa, että lumen mikrorakenteen määritelmät, mittausmenetelmät ja mallit tarvitsevat lisää kehitystä. Tarkemmat mallit auttaisivat tulkitsemaan paremmin satelliittihavainnoin saatuja tietoja lumesta.

Ilmatieteen laitoksen tutkija Leena Leppänen selvitti väitöskirjatyössään lumen mikrorakenteen mittausten ja mallinnusten vaikutusta kaukokartoitushavaintojen tulkintaan. Lumen vesiarvotietoa varten satelliiteista havaitaan mikroaaltosäteilyä, mikä mahdollistaa havainnot pilvisellä säällä, kun auringon valoa on vähän. Tutkimuksessa selvisi, että mikään käytetyistä malleista ei mallinna tarkasti lumen vaikutusta havaittuun mikroaaltosäteilyyn.

"Suurin epätarkkuus malleissa aiheutuu lumen mikrorakenteesta. Tulokset viittaavat siihen, että mikrorakenteen esitystapa malleissa ei ole sopiva", Leena Leppänen kertoo.

Lumen mikrorakenteella tarkoitetaan kiteiden kokoa ja muotoa, kiteiden välisiä sidoksia ja kiteiden sijoittumista toistensa suhteen. Mikrorakenne muuttuu jatkuvasti ilman lämpötilasta ja lumisateista riippuen.

Mikroaaltokaukokartoitushavaintoja käytetään lumen vesiarvon monitorointiin. Lumen vesiarvo on tärkeä esimerkiksi hydrologiassa, kuten jokien tulvaennusteissa, ja pitkäaikaisessa ilmaston seurannassa.

Mikroaaltohavaintojen tulkintaa kehitetään torneihin sijoitetuilla laitteilla, jotka vastaavat satelliiteissa olevia laitteita. Kuva: Anna Kontu

Mikrorakenteen tutkiminen on siirtynyt ruutupaperilta tietokoneelle

Perinteisesti lumen mikrorakennetta on mitattu silmämääräisesti arvioimalla kiteiden koko millimetriruudukkoa vasten. Reilun kymmenen vuoden aikana on kehitetty uusia menetelmiä mitata mikrorakennetta maastossa. Menetelmät perustuvat lumen infrapunasäteilyn heijastavuuden ja mikrorakenteen yhteyteen.

Tutkimuksessa hyödynnettiin lumen mikrorakennetta kuvaavaa ominaispinta-alaa (engl. specific surface area) mittaavaa laitetta. Lisäksi tutkittiin uuden spektrometrin mittaaman heijastavuuden yhteyttä lumen mikrorakenteeseen. Lumen mikrorakenteen muutosta pystytään mallintamaan fysikaalisilla lumimalleilla. Mallinnuksissa käytetään meteorologisia mittauksia, kuten ilman lämpötilaa, tuulen nopeutta, suhteellista kosteutta ja säteilymittauksia, joita on saatavilla laajemmin kuin itse lumen rakenteen mittauksia. Fysikaalisten lumimallien simulaatioita lumen kidekoosta verrattiin mittauksiin.

"Malli, joka kuvaa mikrorakennetta huomioiden sekä kiteen koon että muodon, on tarkempi kuin mallit, jotka käyttävät vain kiteen kokoa", Leena Leppänen summaa.

Väitöskirjassa tutkittiin myös fysikaalisilla lumimalleilla simuloidun kidekoon hyödyntämistä kaukokartoitushavaintojen tulkinnassa.

Tutkimuksen mittaukset tehtiin Sodankylän Arktisessa avaruuskeskuksessa.

Lumen mikrorakennetta on perinteisesti mitattu arvioimalla keskimääräisen kiteen suurin halkaisija millimetriruudukkoa vasten. Kuva: Ilkka Mikkola

Väitöskirja tarkastetaan Helsingissä 19.12.

Leena Leppäsen väitöstyö "Measurements and modelling of seasonal snow characteristics for interpreting passive microwave observations" tarkastetaan 19.12.2019 kello 12 Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa. Väitöstilaisuus järjestetään osoitteessa Athena, auditorio 107, Siltavuorenpenger 3 A, Helsinki.

Vastaväittäjänä on tohtori Charles Fierz (WSL Institute for Snow and Avalanche Research SLF), ja kustoksena on professori Petteri Uotila.

Lisätietoja:

tutkija Leena Leppänen, Ilmatieteen laitos, leena.leppanen@fmi.fi

Väitöskirja on saatavilla Helda-palvelussa.

Mikroaaltomittausten havaintoalueen ulkopuolelta tehdään lumikuoppamittauksia, jotta tiedetään lumen ominaisuudet mittausalueella. Lumikuoppamittaukset tehdään viikoittain. Lumikuopalla mitataan lumen kerrokset, kidekoko ja kidetyyppi, ominaispinta-ala, tiheys, lämpötila, vesiarvo ja kosteus. Kuva: Hanne Suokanerva