Rajakerroksen korkeus voidaan määrittää luotettavasti lidar-mittauksilla

Vaihtelevat sääolosuhteet vaikuttavat ilmakehän pienhiukkaspäästöjen sekoittumiseen ja siten ilmanlaatuun. Hiukkaspäästöjen suurinta sekoittumiskorkeutta mitattiin maan pinnalta vuoden ajan optisella lidar-laitteella, jonka tuloksia verrattiin sekä muihin mittausmenetelmiin että malleihin.

Ilmatieteen laitos mittasi joulukuun 2009 ja tammikuun 2011 välisenä aikana ilmakehän pienhiukkasia lidar-laitteella, jonka kehitystyöhön se on osallistunut saksalaisen ilmakehän tutkimuslaitoksen yhteistyökumppanina. Lidar-tekniikassa ilmakehän pienhiukkasia mitataan taivaalle suunnatulla lasersäteellä, josta valo siroaa takaisin laitetta kohti osuttuaan pienhiukkasiin. Näin esimerkiksi hiukkasmassan korkeus voidaan määrittää valon kulkuajan perusteella sekä hiukkasten pitoisuus laitetta kohti siroavan valon voimakkuutena. Tällaisia laitteita voidaan asentaa maa-asemille tai satelliitteihin.

Vallitsevat sääolosuhteet, kuten lämpötila ja auringonpaisteen voimakkuus, vaikuttavat maasta nousevien pienhiukkaspäästöjen suurimpaan nousukorkeuteen. Tätä ilmakehän alinta kerrosta kutsutaan ilmakehän rajakerrokseksi, jonka korkeus määrittää pienhiukkasten suurimman pystysuuntaisen sekoittumiskorkeuden. Ilmanlaatuun tämä vaikuttaa siten, että matalan rajakerroksen vallitessa esimerkiksi liikenteen päästöt ja tiepöly eivät pääse sekoittumaan ja niiden pitoisuudet maanpinnan lähellä kasvavat suuriksi.

Tutkimuksessa mittaukset suoritettiin Etelä-Afrikan tasavallassa, jossa ilman saastuminen on voimakasta kivihiilivoimaloiden ja ajoittain maastopalojen vuoksi. Näin ollen lidar-laitteella havaitut ilmakehän hiukkaspitoisuudet olivat suuria sekä sääolosuhteiden vaikutus rajakerroksen korkeuteen näkyi selvästi. Vuoden 2010 aikana jatkuvalla mittaustapahtumalla mitattua rajakerroksen korkeutta verrattiin toiseen mittausmenetelmään eli radioluotauksiin, satelliittipohjaiseen lidar-mittaukseen sekä kolmeen erilaiseen sää- ja ilmanlaatumalliin. Tutkimus on tiettävästi ensimmäinen maasta mittaavalla lidar-laitteella suoritettu pitkäaikainen ilmakehän mittausjakso Afrikan mantereella.

Tuloksissa lidar-laitteen sekä käytetyn laskentamenetelmän havaittiin olevan tehokkaita ilmakehän rajakerroksen mittaamisessa: parhaat tulokset saavutettiin kuivan kauden aikana, jolloin pilvisyys tai sumu eivät usein vaikuttaneet laservalon kulkuun tai sirontaan. Vertailu toisiin mittausmenetelmiin osoitti ilmakehän rajakerroksen korkeuden vaihtelevan paikallisesti, koska lidar-mittauspaikasta 120 kilometrin etäisyydellä sijainneen radioluotausaseman mittaukset antoivat eriäviä tuloksia. Satelliittiin kiinnitetyn lidar-laitteen tulokset vastasivat hyvin maasta vastaavalla laitteella mitattuja tuloksia tapauksissa, joissa ilmakehän rajakerros pystyttiin määrittämään luotettavasti myös satelliitista. Vertailussa sää- ja ilmanlaatumallien kanssa havaittiin maailmanlaajuisen säämallin ennustavan rajakerroksen korkeuden tarkimmin mittauksiin nähden, ja seuraavaksi tarkimpaan tulokseen ylsi paikallisen sääkeskuksen käyttämä säämalli. Pienhiukkaspäästöjen ja siten ilmanlaadun ennustamiseen käytettävä malli taasen aliarvioi rajakerroksen korkeutta päiväsaikaan, mikä voi vaikuttaa mallin antamaan ennusteeseen päivittäisen ilmanlaadun kehityksestä.

Lisätietoja:

Mika Komppula, puh. 050 520 7500, mika.komppula@fmi.fi

Korhonen, K., Giannakaki, E., Mielonen, T., Pfüller, A., Laakso, L., Vakkari, V., Baars, H., Engelmann, R., Beukes, J. P., Van Zyl, P. G., Ramandh, A., Ntsangwane, L., Josipovic, M., Tiitta, P., Fourie, G., Ngwana, I., Chiloane, K., and Komppula, M.: Atmospheric boundary layer top height in South Africa: measurements with lidar and radiosonde compared to three atmospheric models, Atmos. Chem. Phys., 14, 4263-4278, doi:10.5194/acp-14-4263-2014, 2014.

http://www.atmos-chem-phys.net/14/4263/2014/acp-14-4263-2014.html