Items filtered by date: July 2011

Motivaatio

Idea tämänkertaiseen pöytälaatikkotutkimukseen alkoi kyteä mielessäni jo reilu vuosi sitten. Taustalla oli huomio, että kuuro- ja ukkospilviä ennustaessa ja tutkiessa huomio keskittyy usein enemmän tai vähemmän konvektion käytettävissä olevan potentiaalienergian (CAPE) määrään. Tämä lähestymistapa on toki luonteva, koska CAPE tiivistää yhteen numeroon kahden syvän kostean konvektion ainesosan vaikutuksen. Mutta miksi ainesosia ja niiden esiintymistä ei voisi tarkastella myös yksitellen? Tunnettu tosiasiahan on, että CAPE ei ole ”jäykästi” ilmakehässä siirtyvä ominaisuus, eikä se kerro mitään energiamäärästä tulevien tuntien aikana. Potentiaalienergian määrään vaikuttavat ainesosat siis elävät enemmän tai vähemmän omaa elämäänsä, minkä vuoksi ainesosakohtaisessa tarkastelussa on erityinen oma mielenkiintonsa.

Penkomalla luotauksia voi esimerkiksi valottaa sitä, mistä ainesosasta meidän leveysasteilla on erityisesti ”pulaa” ja miten yleisiä erilaiset ainesosien kombinaatiot ovat. Näiden ajatusten siivittämänä sukelsin 50 vuotta käsittävään kotimaiseen luotausaineistoon. Hyvin pian huomasin, että sukellus menee syvemmälle kuin oli tarkoitus. Pohjakosketus ei silti ollut suuri vahinko, koska aineistosta paljastui monia hyvin mielenkiintoisia tuloksia. Julkaisen tulokset useammassa erillisessä blogimerkinnässä.

Mitä tulikaan tehtyä?

Sade- ja ukkoskuuropilvet vaativat syntyäkseen kolme ainesosaa:

1.       Instabiilisuus eli sopiva lämpötilan pystyjakauma (eli maanpinnan lähellä riittävän lämmintä suhteessa ylempänä olevaan ilmaan)

2.       Kosteus (maanpinnan lähellä)

3.       Kehityksen käynnistävä tekijä

Jos yksikin näistä aineosista puuttuu, sade- tai ukkoskuuroja ei muodostu. Vaaraa aiheuttaville ukkospilville mainitaan joskus lisäainesosana paksussa ilmakerroksessa esiintyvä tuuliväänne (eli tuulen suunnan ja nopeuden muutokset ylöspäin mentäessä).  Tämä tekijä ei kuitenkaan ole siinä mielessä vertailukelpoinen edellä mainittujen kanssa, että sen olemassaolo ei ole pakollinen vaarallisten ukkospilvien esiintymiselle.

Ainoa havaintoihin pohjautuva tapa tutkia ainesosien esiintymistä viime vuosikymmenien aikana, on tarkastella ilmakehäluotauksia. Niinpä tutkimusaineistoksi valikoituivat luotaushavainnot Jokioisista, Jyväskylästä ja Sodankylästä. Ensin mainitun aseman aikasarja kattaa vuodet 1961-2010 ja kahden viimeksi mainitun vuodet 1965-2010.

Instabiilisuutta kuvaa tässä tutkimuksessa 850 hPa:n ja 500 hPa:n välinen lämpötilavähete, mikä kertoo lämpötilan laskun määrän kilometriä kohti. Tämän noin 3,5 kilometrin paksuisen ilmakerroksen stabiilisuus on yleensä ratkaiseva pilven orastavan kasvun kannalta. Kosteusolosuhteita kuvaa puolestaan maanpinnan ja 500 metrin välinen keskimääräinen vesihöyryn sekoitussuhde. Suure kertoo, kuinka monta grammaa vesihöyryä on kilogrammassa ilmaa. Pelkkää 2 metrin korkeudella havaittua kosteutta ei olisi ollut järkevää ottaa mittariksi, koska käytännössä kosteutta on oltava ainakin muutaman sadan metrin paksuisessa kerroksessa, että se riittäisi kunnolla ruokkimaan ukkospilven kasvua.

Entä kuinka päästä käsiksi kolmanteen ainesosaan eli käynnistävään tekijään? Valitettavasti tämä työmenetelmä ei mahdollista ”triggeröinnin” tutkimista. Sääasema- ja varsinkin luotausasemaverkosto on useissa tapauksissa aivan liian harva, jotta käynnistävä tekijä voitaisiin varmuudella ”eristää” saati luokitella.

Luotausaineiston käyttö ei ole muutenkaan aivan ongelmatonta. Tekniikka, jolla luotauksia on tehty vuosikymmenten varrella, on vaihtunut useita kertoja. Alkuaikoina mittaukset kärsivät etenkin antureiden hitaudesta, jolloin alhaalla olevien ilmakerrosten olosuhteet saattoivat heijastua liian ylös, ja esimerkiksi kosteusanturi saattoi jäätymisen vuoksi pilata kosteusmittaukset ylätroposfäärissä. Mittaustekniikkaan liittyviä epähomogeenisuuksia en ole karsinut aineistosta mitenkään. Joukossa on myös pieni joukko selviä yksittäisiä mittausvirheitä. Nämä tulevat useimmiten näkyviin jakaumien ulkopuolella sijaitsevina pisteinä.

Ennen kuin hypätään tulosten pariin, on vielä syytä korostaa, että ainesosien tarkastelu erikseen ei ole nollasummapeliä. Ei ole siis asetettavissa yksikäsitteisiä raja-arvoja, millä lämpötilavähetteen ja kosteuden arvoilla saadaan aikaan ukkospilviä. Edes näiden kahden tarkasteleminen yhdessä ei riitä, koska kolmas ainesosa jää joka tapauksessa tämän työn ulkopuolelle. Lisäksi valitut suureet jättävät täysin huomiotta 850 hPa:n alapuolella vallitsevan lämpötilajakauman. Käytännössä tämä voi johtaa siihen, että erittäin otollinenkin kosteus-instabiilisuus-yhdistelmä ei voi johtaa esimerkiksi suuren konvektiivisen eston vuoksi ukkoskuurojen kehittymiseen. Kyseisen yhdistelmän tarkastelu kertoo siis enemmänkin siitä, kuinka usein sade- ja ukkoskuuroille otollinen tilanne on ylipäätään olemassa (vaikka CAPE-pajatso jäisikin lopulta tyhjentämättä). Huolimatta työmenetelmän heikkouksista luotausaikasarjoista voi riipiä irti paljon yleissivistävää ja taustoittavaa tietoa Suomen syvän kostean konvektion ilmastosta.

Instabiilisuus on vähäisintä kesän ollessa kuumimmillaan

Alla olevassa kuvassa on esitetty päivittäiset suurimmat keskimääräiset 850 ja 500 hPa:n välisen lämpötilavähetteen arvot Suomen kolmelta luotausasemalta. Kuvasta näkyy, että suuret vähetteet ovat todennäköisempiä talvella kuin kesällä. Lisäksi vähetteiden vaihteluväli on talvella kesää suurempi. Keskimäärin pienimmät (eli ukkospilvien kannalta huonoimmat) vähetteet esiintyvät loppukesästä ja alkusyksystä. Jakaumaa selittää suurelta osin lämpötilavähetteiden lämpötilariippuvuus. Talvisissa lämpötiloissa esimerkiksi kostea-adiabaattinen lämpötilavähete on selvästi suurempi kuin kesäisissä lämpötiloissa.

Lämpimissä kesäolosuhteissa neutraali kostea-adiabaattinen 850 ja 500 hPa:n välinen lämpötilavähete on likimain 6-6,5 K/km. Toisin sanoen, tätä lukemaa suuremmat vähetteet ovat suotuisia sade- ja ukkoskuurojen kehitykselle. Kuvasta nähdään, että kuumimman ukkossesongin aikana yksittäisenä päivänä 75% todennäköisyydellä vähete jää 6,5 K/km heikommalle puolelle. Poikkeuksellisen suuren (97,5% prosenttipiste) lämpötilavähetteen raja menee samaan aikaan 7 K/km kohdalla ennätysten yltäessä lähelle 8 K/km:iä.

Näillä numeroilla mitattuna jäämme huimasti jälkeen esimerkiksi Yhdysvaltojen Keskilännen olosuhteista. Meksikon suunnalta saapuvissa keskitroposfäärin ilmamassoissa 8 K/km lämpötilavähetteet ovat siellä enemmänkin sääntö kuin poikkeus. Eroa selittää suurelta osin se, että Suomessa tai Suomen lähialueilla ei ole olemassa laajaa ylänköaluetta, jossa hurja instabiilisuus voisi muodostua ja liukua lopulta pinnan tuntumassa majailevien kosteiden ilmakerrosten ylle.

Ilmastollisesti mielenkiintoinen näkökulma saadaan, kun tarkastellaan instabiilisuuden kesäkuukausien (kesä-elo) aikasarjaa. Alla olevasta kuvasta nähdään, että keskimääräinen lämpötilavähetteiden vuosittain vaihtelu on absoluuttisella tasolla melko pientä. Aikasarjasta on vaikea erottaa merkittäviä trendejä.

Alatroposfäärin kosteus on suurimmillaan heinä-elokuun vaihteessa

Toisen tarkasteltavan ainesosan vuodenkierto on jokseenkin päinvastainen kuin instabiilisuuden. Ei ole mikään yllätys, että pienimmät kosteusmäärät havaitaan keskitalvella. Suurimmillaan kosteuden määrä on keskimäärin heinäkuun loppupuoliskolla ja elokuun ensimmäisellä viikolla. Lisäksi kesäaikaan kosteuden vaihtelu on suurempaa kuin talvella, mitä selittää yksinkertaisesti kylmän ilman huonompi kyky sitoa kosteutta.

Kesän kosteimpaan aikaan tyypillinen vesihöyryn sekoitussuhde on luokkaa 9 g/kg. Poikkeuksellisen korkea kosteusmäärä tähän aikaan vuodesta on noin 12 g/kg, kun ennätyslukemat yltävät lähes 16 g/kg:aan. Itse olen pitänyt jonkinlaisena merkittävänä tilanteen peukalosääntönä 10 g/kg:aa. Luotausaineisto osoittaa, että näitä lukemia voidaan Suomessa saavuttaa vapusta aina syyskuun loppuun asti. 12 g/kg on puolestaan mahdollisuuksien rajoissa kesä-elokuun ajan.

Jos verrataan kosteusjakaumaa ukkosen esiintymiseen Suomessa (ei kuvaa), huomataan välittömästi, että suurimmat vuorokautiset salamamäärät ja suurimmat kosteusmäärät löytävät melko tarkalleen toisensa. Tästä voisi yksinkertaistaen päätellä, että ukkospilvet pomppivat Suomessa taivaalle ensisijaisesti kosteuden pillin mukaan. Ukkoskauden laidoilla olevien kuukausien (touko- ja syyskuu) aikana kosteusolosuhteet ovat likimain samat, mutta salamointi on hieman yleisempää toukokuussa. Tässä osaselitys voi olla keskimäärin parempi instabiilisuus alkukesän aikana. Myös tämän tutkimuksen ulkopuolelle jäänyt ainesosa (laukaiseva tekijä) saattaa selittää eroa.

Mikäli kosteudella on instabiilisuutta hallitsevampi rooli ilmastossamme, on erityisen kiinnostavaa tarkastella, kuinka kesän keskimääräiset kosteusolot ovat vaihdelleet viime vuosikymmeninä. Alla olevasta aikasarjasta nähdään, että 2000-luvulla on ollut useita varsin kosteita kesiä. Tätä ennen jakaumassa on instabiilisuuden tavoin pieni aallonpohja. Vielä aiemmin eli 60- tai 70-luvuilla kosteat kesät olivat myös melko yleisiä olettaen, että tämän aikaisiin kosteusmittauksiin voi luottaa. Kokonaisuutena tästäkään aikasarjasta on vaikea löytää selvää trendiä. Sen sijaan yhteys voimakkaisiin ukkoskesiin on selvempi kuin lämpötilavähetteellä. Aktiiviset ukkoskesät 1972, 1988, 2003 ja 2010 nousevat aikasarjasta esiin. Kesä 1972 on koko aikasarjan kostein, mitä seuraa hyvänä kakkosena kesä 2010. Salamamäärien ja alatroposfäärin kosteuden välinen korrelaatio ei silti ole kaksinen. Tarkastelin testimielessä heinäkuita ja sain heinäkuiden salamamäärien ja kosteuksien väliseksi korrelaatioksi olemattomat 0,38. Huonoa korrelaatiota selittää tunnettu tosiasia, että kokonaissalamäärissä yksittäiset päivät saavat usein erittäin suuren painoarvon. Niinpä pari runsassalamaista kosteaa päivää muuten kuivan kuukauden aikana nakertaa kuukausitason korrelaatiota tehokkaasti.

Tuuliväännettä riittää

Myös tuuliväänteen jakauma on jokseenkin odotetunlainen. Talviajan voimakkaampi barokliinisyys (eli horisontaaliset lämpötilaerot) johtaa luonnollisesti voimakkaampiin tuuliin etenkin vapaassa ilmakehässä ja sitä kautta voimakkaampaan tuuliväänteeseen. Jakauma käyttäytyy pitkälti lämpötilavähetteen tavoin, jolloin suurimmat lukemat ja vaihteluväli havaitaan talvella. Pienimmät lukemat ja vaihteluväli osuvat puolestaan hyvin lähelle kiivainta ukkossesonkia. Tällöin tyypillinen päivittäinen tuuliväänteen maksimiarvo on noin 15 m/s, eivätkä 20-30 m/s lukematkaan ole kovin harvinaisia. Vuosittaisessa aikasarjassa kesäkausien keskimääräinen tuuliväänne on reilut 10 m/s. Lisäksi aikasarjassa nähdään hyvin heikosti laskeva suuntaus.

Ukkostilanteita ajatellen jo keskimääräinenkin tuuliväänteen lukema 15 m/s olisi kovaa valuuttaa eli tuuliväänteestä ei pitäisi meidän leveysasteilla olla pulaa. Asia ei kuitenkaan ole aivan näin yksinkertainen. Käytännössä voimakkaan tuuliväänteen alueet pyrkivät rajoittumaan fysiikan lakien ahdistamina pintarintamien kylmille puolille, jotka eivät taas ole tyypillisiä runsaan alatroposfäärin kosteuden alueita. Eli toisin sanoen runsas kosteus ja voimakas tuuliväänne kohtaavat perin harvoin. Tämä järkeily oli yksi syy siihen, miksi en voinut jättää kuvaajien piirtämistä tähän. Seuraava blogimerkintä kertookin lisää siitä, kuinka usein otolliset ainesosat löytävät toisensa.

Mitä opimme tästä?

Tämänkertaisessa pöytälaatikkotutkimuksessa tarkastelin 45-50 vuoden pituisia ilmakehäluotausaikasarjoja Suomen kolmelta luotausasemalta. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa tarkastelin erikseen instabiilisuuden (tässä 850 ja 500 hPa:n välinen lämpötilavähete), alatroposfäärin kosteuden (tässä alimman 500 metrin ilmakerroksen vesihöyryn sekoitussuhde) ja paksun kerroksen tuuliväänteen (tässä pinnan ja 500 hPa:n välinen tuuliväänne) esiintymistä vuoden eri aikoina sekä 50 vuoden aikajaksolla.

Merkittävimmät tulokset olivat seuraavanlaisia:

·         Instabiilisuus ja sen vaihtelu on suurinta talvikaudella. Pienimmät lämpötilavähetteen arvot havaitaan juuri vilkkaimman ukkossesongin aikana. Tällöin 7 K/km on poikkeuksellisen suuri lämpötilavähetelukema.

·         Alatroposfäärin kosteus ja sen vaihtelu on suurinta ukkosten esiintymishuipun aikoihin heinäkuussa sekä elokuun alussa. Tällöin keskimääräinen vesihöyryn sekoitussuhde on 9 g/kg ja poikkeuksellisen korkean lukeman suuruus 12 g/kg.

·         Paksun kerroksen tuuliväänne käyttäytyy instabiilisuuden tavoin eli on minimissään ukkossesongin aikana. Tuolloinkin keskimääräinen tuuliväänne on kuitenkin luokkaa 15 m/s, mikä on riittävä lukema vaarallisten ukkospilvien muodostumiselle.

·         50 vuoden aikasarjoissa ei näy selviä kesäkuukausien trendejä tutkituissa parametreissa.

·         Instabiilisuuden ja kosteuden yhteys havaittuihin salamamääriin on varsin heikko. Jälkimmäisen kohdalla korrelaatio on vahvempi mutta silti alhainen.

·         Kosteuden vuodenaikaisjakauma on vahvasti yhteydessä ukkosaktiivisuuden kanssa, mikä antaa vihiä sen instabiilisuutta hallitsevammasta roolista Suomen ilmastossa.

·         Ainesosien ja osatekijöiden tarkastelu toisistaan irrallisina ei kerro mitään siitä, kuinka yleisiä otolliset ainesosien syvälle kostealle (ja vaaralliselle) konvektiolle otolliset yhdistelmät ovat. Kokemuksesta tiedetään, että voimakas tuuliväänne ja suuri alatroposfäärin kosteus esiintyvät usein eri alueilla.