Sademääräsimulaatiot ENSEMBLES-hankkeen alueellisissa ilmastomalleissa

Alueellisten ilmastomallien vaakasuuntainen erottelukyky on globaaleja malleja huomattavasti tarkempi, minkä vuoksi niillä on useita käyttökohteita ilmastonmuutoksen vaikutusten arvioinnissa. Tässä Pro Gradu – työssä tutkittiin alueellisten ilmastomallien tuottamia sademääräsimulaatioita sekä sadehavaintoaineistoja Euroopassa. Aineistona käytettiin ENSEMBLES-hankkeen tarjoamia 10 alueellista ilmastosimulaatiota, kahta hilamuotoista havaintoaineistoa sekä Ilmatieteen laitoksen sadeasemahavaintoja. Aineisto oli päiväkohtaista. Vuositasolla ilmastomallit ovat pääsääntöisesti sademäärää yliennustavia, mutta harha vaihtelee alueiden ja vuodenaikojen kesken. Osa tästä harhasta selittyy kuitenkin sillä, että havaintoaineistoihin sisältyy tyypillisesti sademäärän mittaustapahtumasta aiheutuva virhe. Alueellisten simulaatioiden harha pyritään minimoimaan kun halutaan kvantifioida tulevaisuuden sademääriä ilmastomallitulosten avulla. Tutkimuksessa sovellettiin tähän tarkoitettua empiiristä korjausmenetelmää tapauskohtaisella testialueella Suomessa. Korjausmenetelmä huomioi sadetapahtumien harhan niiden intensiteetin mukaan, jolloin se periaatteessa soveltuu paremmin myös rankkasateiden korjaamiseen. Korjausmenetelmässä harhan riippuvuus sadetapahtuman intensiteetistä oletetaan skenaariojaksolla samaksi kuin vertailujaksolla. Edellytyksenä korjausmenetelmän käytölle on se, että sadetapahtumien intensiteettijakauma simulaatioaineistoissa on kohtuullisen lähellä havaittua jakaumaa. Korjausmenetelmä parantaa sademäärän vuodenaikaiskeskiarvoja tarkastelualueella vertailujaksolla, vuoden kokonaissadekertymän harhan suuruus aineiston keskiarvossa on vain 7 mm. Koska sadetapahtumien intensiteettijakauma muuttuu simulaatioissa vertailu- ja skenaariojaksojen välillä, korjausmenetelmä vaikuttaa kuitenkin sademäärän muutoksen suuruuteen. Lisäksi menetelmän vaikutus sademäärän muutokseen jakautuu epätasaisesti sadetapahtuman intensiteetistä riippuen: menetelmä pienentää rankkasateiden kertymien muutosta, mutta kasvattaa sitä tavallisten sadetapahtumien osalta. Rankkasadetapahtumien erilliskäsittely korjausmenetelmässä aiheuttaa sen, että korjatusta sadetapahtumien intensiteettijakaumasta tulee epäjatkuva riippumatta siitä, mikä tarkastelujakso on kyseessä. Tässä työssä käytetty korjausmenetelmä ei ole ainoa laatuaan, perinteisesti mallitulosten korjaamiseen on käytetty vakiokertoimiin perustuvaa menetelmää kaikille sadetapahtumille. Korjausmenetelmien testaaminen on monien sovellusten kannalta tärkeää, mutta parhaan menetelmän löytäminen ei ole yksiselitteisen helppoa. Globaaleihin malleihin verrattuna alueellisten ilmastomallien ja korjausmenetelmien käyttö aiheuttavat molemmat ylimääräisen epävarmuuslähteen ilmastosimulaatioihin.

Pentapeptidirakenteiden yleisimmät yhtäläisyydet

Proteiinit ovat elämälle välttämättömiä orgaanisia yhdisteitä, jotka koostuvat yhdestä tai useammasta aminohappoketjusta. Proteiinien toiminnan määrää niiden kolmiulotteinen rakenne, joka taas riippuu pitkälti proteiinien aminohappojärjestyksestä, sekvenssistä. Proteiinien tunnettujen sekvenssien määrä kasvaa DNA-sekvensoinnin tuloksena selvästi nopeammin kuin selvitettyjen kolmiulotteisten rakenteiden, konformaatioiden, määrä. Proteiinien rakenteitakin tunnetaan jo lähes 45 000, joten niiden tilastollisella analyysillä on yhä merkittävämpi osuus uusien proteiinien rakenteen määrittämisessä, ennustamisessa ja suunnittelussa. Työssä etsittiin pentapeptidejä (viiden aminohapon pituisia ketjuja), joilla on sama konformaatio kaikissa tunnetuissa proteiinien rakenteissa. Näitä rakennuspalikoita voisi käyttää suoraviivaisessa proteiinien suunnittelussa halutun kolmiulotteisen rakenteen aikaansaamiseksi. Aineistona käytettiin proteiinitietopankin joulukuussa 2007 sisältämiä rakenteita, joihin kuului lähes 45 000 proteiinin kolmiulotteista rakennetta. Aineiston laajuuden takia rakennuspalikoita etsittiin kahdessa vaiheessa vertailemalla pentapeptidien rakenteen keskeisten atomien (CA, CB, O, C ja N) sijaintia proteiinien aminohappoketjuissa. Työssä löytyi yli 9000 rakennuspalikkaa, pentapeptidiä, joista jokaisella oli sama konformaatio yli 12 eri rakennetiedostossa, niissä ilmoitettujen tarkkuuksien rajoissa. Löydetyistä rakennuspalikoista 48:lla oli täysin sama konformaatio kaikkialla, mistä ne löydettiin. Näistä useimmin esiintyneitä voi käyttää suoraan proteiinien rakenneanalyysissä valmiina kolmiulotteisen rakenteen osina. Eri konformaatioihin laskostuvia identtisiä pentapeptidejä löytyi yli 266 000 kappaletta. Rakennuspalikoiden stabiiliudesta johtuen ne saattavat olla tärkeitä proteiinien fysikaalisen mallinnuksen tutkimus- ja vertailukohteina. Käytännön kannalta työn lupaavin tulos oli se, että rakennuspalikoita löytyi eri vasta-aineiden rakennetiedostoista. Ehkäpä juuri vasta-aineita voitaisiin suunnitella työssä esitetyillä menetelmillä.

Noncommutative Quantum Field Theories and UV/IR Mixing

Our present-day understanding of fundamental constituents of matter and their interactions is based on the Standard Model of particle physics, which relies on quantum gauge field theories. On the other hand, the large scale dynamical behaviour of spacetime is understood via the general theory of relativity of Einstein. The merging of these two complementary aspects of nature, quantum and gravity, is one of the greatest goals of modern fundamental physics, the achievement of which would help us understand the short-distance structure of spacetime, thus shedding light on the events in the singular states of general relativity, such as black holes and the Big Bang, where our current models of nature break down. The formulation of quantum field theories in noncommutative spacetime is an attempt to realize the idea of nonlocality at short distances, which our present understanding of these different aspects of Nature suggests, and consequently to find testable hints of the underlying quantum behaviour of spacetime. The formulation of noncommutative theories encounters various unprecedented problems, which derive from their peculiar inherent nonlocality. Arguably the most serious of these is the so-called UV/IR mixing, which makes the derivation of observable predictions especially hard by causing new tedious divergencies, to which our previous well-developed renormalization methods for quantum field theories do not apply. In the thesis I review the basic mathematical concepts of noncommutative spacetime, different formulations of quantum field theories in the context, and the theoretical understanding of UV/IR mixing. In particular, I put forward new results to be published, which show that also the theory of quantum electrodynamics in noncommutative spacetime defined via Seiberg-Witten map suffers from UV/IR mixing. Finally, I review some of the most promising ways to overcome the problem. The final solution remains a challenge for the future.

Havaintojärjestelmäkokeet numeerisessa sään ennustamisessa

Sään ennustamisessa tärkeä työväline on numeerinen säämalli, jossa ilmakehän tilan kuvaaminen perustuu niin sanottujen perusyhtälöiden ratkaisemiseen. Niiden avulla lasketaan tuulen nopeuden, ilmanpaineen, lämpötilan ja kosteuden muutokset pienin aika-askelin eteenpäin. Numeerinen säämalli tarvitsee lähtötiedokseen laadultaan hyviä havaintoja ilmakehän todellisesta tilasta. Joka vuorokausi kymmenet in-situ- ja kaukohavaintojärjestelmät tekevät havaintoja ilmakehästä sen pintakerroksesta ylärajaan asti. Pelkät havainnot eivät kuitenkaan riitä antamaan tarpeeksi tarkkoja lähtötietoja säämallille. Ongelman ratkaisu on data-assimilaatiojärjestelmä. Se yhdistää laatukontrollin läpikäyneen havaintotiedon ja mallitiedon, jota kutsutaan ennakkokentäksi, ja luo niiden avulla analyysin ilmakehän todellisesta tilasta. Havaintojärjestelmäkokeiden (OSE) avulla testataan havaintojärjestelmien vaikutuksia data-assimilaatiojärjestelmän tuottamien analyysien ja niistä tuotettujen sääennusteiden laatuun. OSE:n avulla selvitetään, kuinka hyvin saatavilla olevia havaintoja käytetään hyväksi, tai kannattaako jokin uusi havaintojärjestelmä ottaa mukaan operatiiviseen ennustusjärjestelmään. Tämän tutkielman aluksi tutustutaan lyhyesti numeerisiin säämalleihin, havaintojärjestelmiin ja dataassimilaatiojärjestelmiin, minkä jälkeen tehdään yleinen kirjallisuuskatsaus havaintojärjestelmäkokeiden suorittamisesta. Sen jälkeen keskitytään Doppler-säätutkan tuottamien tutkasäteen suuntaisten tuulen nopeushavaintojen hyödyntämiseen rajoitetun alueen HIRLAM-säämallissa, mitä on tutkittu viime vuosina Ilmatieteen laitoksessa (IL). Kaukohavaintojärjestelmien käyttö on lisääntynyt viime vuosien aikana kehittyneiden analyysimenetelmien ansiosta. Tavanomaisten in-situ- havaintojärjestelmien raju vähentäminen dataassimilaatiossa ei näytä kuitenkaan vielä olevan mahdollista. Kaukohavainnot ovat useiden OSE-kokeiden perusteella parantaneet analyysiä ja ennusteita erityisesti alueilla, joissa tavanomainen havaintoverkosto on harva. Tutkatuulihavaintojen on ajateltu tuovan parannuksia rajoitetun alueen säämalleihin, sillä niiden avulla saadaan tärkeää lisätietoa tuulen ageostrofisista ominaisuuksista. Sen johdosta pienen mittakaavan sääilmiöiden kuten meri- ja rinnetuulien ennustettavuuden toivotaan paranevan. IL:ssa on kehitetty tutkatuulihavaintojen käsittely- ja mallintamismenetelmiä, minkä jälkeen on suoritettu OSE Suomen tutkaverkoston tuulihavainnoilla aikavälille 1.-29.2.2008 HIRLAMin operatiiviselle 3D-VAR dataassimilaatiojärjestelmälle. Kyseisen OSE:n aineisto on saatu käyttöön tähän tutkielmaan. Kontrolliassimilaatiossa CON ovat mukana kaikki operatiiviset havaintojärjestelmät ja koeassimilaatioon RAD_ALL on syötetty myös tutkatuulihavainnot. Tässä tutkielmassa OSE:n tulokset todennetaan TEMP-tuulihavaintojen avulla tutkimalla ennakkokentän ja analyysin harhaa sekä satunnaisvirhettä. Tulosten perusteella tutkatuulihavainnot parantavat ennakkokenttää ja analyysiä erityisesti keskitroposfäärissä, mutta alatroposfäärissä vaikutus analyysiin on lähes neutraali. Koska tutkatuulihavainnot ulottuvat n. 4-6 km korkeuteen, ne eivät vaikuta ylätroposfäärin analyysiin. Tulokset eivät kuitenkaan ole tilastollisen testin perusteella tilastollisesti merkitseviä. Parhaimmillaan RAD_ALLassimilaation voidaan osoittaa olevan CON-assimilaatiota parempi 20% merkitsevyystasolla. Lopuksi suoritettu tapaustutkimus osoittaa, että tutkatuulihavaintojen vaikutus näkyy tuulen nopeuden analyysi-inkrementtikentässä sekä jossain määrin myös lyhyessä 12h pintapaine-ennusteessa Suomen alueella. Tapaustutkimuksen perusteella tutkatuulihavaintojen vaikutus analyysiin ja ennusteeseen näyttäisi olevan lähes neutraali. OSE:n toistaminen kesäkuukaudelle voisi olla hyödyllistä, koska talvella ei esiinny esimerkiksi merituulia. Tämän tutkielman tulosten perusteella tutkatuulihavaintojen käyttäminen HIRLAMin 3D-VAR assimilaatiojärjestelmässä on hyödyllistä. Avainsanat – Nyckelord – Keywords Havaintojärjestelmäkoe, data-assimilaatio, Doppler-tutkatuulihavainto Säilytyspaikka – Förvaringställe – Where deposited Kumpulan tiedekirjasto

Paleomagnetic and rock magnetic study with emphasis on the Precambrian intrusions and impact structures in Fennoscandia and South Africa

The importance of supercontinents in our understanding of the geological evolution of the planet Earth has been recently emphasized. The role of paleomagnetism in reconstructing lithospheric blocks in their ancient paleopositions is vital. Paleomagnetism is the only quantitative tool for providing ancient latitudes and azimuthal orientations of continents. It also yields information of content of the geomagnetic field in the past. In order to obtain a continuous record on the positions of continents, dated intrusive rocks are required in temporal progression. This is not always possible due to pulse-like occurrences of dykes. In this work we demonstrate that studies of meteorite impact-related rocks may fill some gaps in the paleomagnetic record. This dissertation is based on paleomagnetic and rock magnetic data obtained from samples of the Jänisjärvi impact structure (Russian Karelia, most recent 40Ar-39Ar age of 682 Ma), the Salla diabase dyke (North Finland, U-Pb 1122 Ma), the Valaam monzodioritic sill (Russian Karelia, U-Pb 1458 Ma), and the Vredefort impact structure (South Africa, 2023 Ma). The paleomagnetic study of Jänisjärvi samples was made in order to obtain a pole for Baltica, which lacks paleomagnetic data from 750 to ca. 600 Ma. The position of Baltica at ca. 700 Ma is relevant in order to verify whether the supercontinent Rodinia was already fragmented. The paleomagnetic study of the Salla dyke was conducted to examine the position of Baltica at the onset of supercontinent Rodinia's formation. The virtual geomagnetic pole (VGP) from Salla dyke provides hints that the Mesoproterozoic Baltica - Laurentia unity in the Hudsonland (Columbia, Nuna) supercontinent assembly may have lasted until 1.12 Ga. Moreover, the new VGP of Salla dyke provides new constraint on the timing of the rotation of Baltica relative to Laurentia (e.g. Gower et al., 1990). A paleomagnetic study of the Valaam sill was carried out in order to shed light into the question of existence of Baltica-Laurentia unity in the supercontinent Hudsonland. Combined with results from dyke complex of the Lake Ladoga region (Schehrbakova et al., 2008) a new robust paleomagnetic pole for Baltica is obtained. This pole places Baltica on a latitude of 10°. This low latitude location is supported also by Mesoproterozoic 1.5 1.3 Ga red-bed sedimentation (for example the Satakunta sandstone). The Vredefort impactite samples provide a well dated (2.02 Ga) pole for the Kaapvaal Craton. Rock magnetic data reveal unusually high Koenigsberger ratios (Q values) in all studied lithologies of the Vredefort dome. The high Q values are now first time also seen in samples from the Johannesburg Dome (ca. 120 km away) where there is no impact evidence. Thus, a direct causative link of high Q values to the Vredefort impact event can be ruled out.

Towards the Use of Radar Winds in Numerical Weather Prediction

Numerical weather prediction (NWP) models provide the basis for weather forecasting by simulating the evolution of the atmospheric state. A good forecast requires that the initial state of the atmosphere is known accurately, and that the NWP model is a realistic representation of the atmosphere. Data assimilation methods are used to produce initial conditions for NWP models. The NWP model background field, typically a short-range forecast, is updated with observations in a statistically optimal way. The objective in this thesis has been to develope methods in order to allow data assimilation of Doppler radar radial wind observations. The work has been carried out in the High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) 3-dimensional variational data assimilation framework. Observation modelling is a key element in exploiting indirect observations of the model variables. In the radar radial wind observation modelling, the vertical model wind profile is interpolated to the observation location, and the projection of the model wind vector on the radar pulse path is calculated. The vertical broadening of the radar pulse volume, and the bending of the radar pulse path due to atmospheric conditions are taken into account. Radar radial wind observations are modelled within observation errors which consist of instrumental, modelling, and representativeness errors. Systematic and random modelling errors can be minimized by accurate observation modelling. The impact of the random part of the instrumental and representativeness errors can be decreased by calculating spatial averages from the raw observations. Model experiments indicate that the spatial averaging clearly improves the fit of the radial wind observations to the model in terms of observation minus model background (OmB) standard deviation. Monitoring the quality of the observations is an important aspect, especially when a new observation type is introduced into a data assimilation system. Calculating the bias for radial wind observations in a conventional way can result in zero even in case there are systematic differences in the wind speed and/or direction. A bias estimation method designed for this observation type is introduced in the thesis. Doppler radar radial wind observation modelling, together with the bias estimation method, enables the exploitation of the radial wind observations also for NWP model validation. The one-month model experiments performed with the HIRLAM model versions differing only in a surface stress parameterization detail indicate that the use of radar wind observations in NWP model validation is very beneficial.

Electromagnetic signatures of lightning near the HF frequency band

The dissertation deals with remote narrowband measurements of the electromagnetic radiation emitted by lightning flashes. A lightning flash consists of a number of sub-processes. The return stroke, which transfers electrical charge from the thundercloud to to the ground, is electromagnetically an impulsive wideband process; that is, it emits radiation at most frequencies in the electromagnetic spectrum, but its duration is only some tens of microseconds. Before and after the return stroke, multiple sub-processes redistribute electrical charges within the thundercloud. These sub-processes can last for tens to hundreds of milliseconds, many orders of magnitude longer than the return stroke. Each sub-process causes radiation with specific time-domain characteristics, having maxima at different frequencies. Thus, if the radiation is measured at a single narrow frequency band, it is difficult to identify the sub-processes, and some sub-processes can be missed altogether. However, narrowband detectors are simple to design and miniaturize. In particular, near the High Frequency band (High Frequency, 3 MHz to 30 MHz), ordinary shortwave radios can, in principle, be used as detectors. This dissertation utilizes a prototype detector which is essentially a handheld AM radio receiver. Measurements were made in Scandinavia, and several independent data sources were used to identify lightning sub-processes, as well as the distance to each individual flash. It is shown that multiple sub-processes radiate strongly near the HF band. The return stroke usually radiates intensely, but it cannot be reliably identified from the time-domain signal alone. This means that a narrowband measurement is best used to characterize the energy of the radiation integrated over the whole flash, without attempting to identify individual processes. The dissertation analyzes the conditions under which this integrated energy can be used to estimate the distance to the flash. It is shown that flash-by-flash variations are large, but the integrated energy is very sensitive to changes in the distance, dropping as approximately the inverse cube root of the distance. Flashes can, in principle, be detected at distances of more than 100 km, but since the ground conductivity can vary, ranging accuracy drops dramatically at distances larger than 20 km. These limitations mean that individual flashes cannot be ranged accurately using a single narrowband detector, and the useful range is limited to 30 kilometers at the most. Nevertheless, simple statistical corrections are developed, which enable an accurate estimate of the distance to the closest edge of an active storm cell, as well as the approach speed. The results of the dissertation could therefore have practical applications in real-time short-range lightning detection and warning systems.

Aerosol size distribution and its connection to cloud droplet number concentration

In order to predict the current state and future development of Earth s climate, detailed information on atmospheric aerosols and aerosol-cloud-interactions is required. Furthermore, these interactions need to be expressed in such a way that they can be represented in large-scale climate models. The largest uncertainties in the estimate of radiative forcing on the present day climate are related to the direct and indirect effects of aerosol. In this work aerosol properties were studied at Pallas and Utö in Finland, and at Mount Waliguan in Western China. Approximately two years of data from each site were analyzed. In addition to this, data from two intensive measurement campaigns at Pallas were used. The measurements at Mount Waliguan were the first long term aerosol particle number concentration and size distribution measurements conducted in this region. They revealed that the number concentration of aerosol particles at Mount Waliguan were much higher than those measured at similar altitudes in other parts of the world. The particles were concentrated in the Aitken size range indicating that they were produced within a couple of days prior to reaching the site, rather than being transported over thousands of kilometers. Aerosol partitioning between cloud droplets and cloud interstitial particles was studied at Pallas during the two measurement campaigns, First Pallas Cloud Experiment (First PaCE) and Second Pallas Cloud Experiment (Second PaCE). The method of using two differential mobility particle sizers (DMPS) to calculate the number concentration of activated particles was found to agree well with direct measurements of cloud droplet. Several parameters important in cloud droplet activation were found to depend strongly on the air mass history. The effects of these parameters partially cancelled out each other. Aerosol number-to-volume concentration ratio was studied at all three sites using data sets with long time-series. The ratio was found to vary more than in earlier studies, but less than either aerosol particle number concentration or volume concentration alone. Both air mass dependency and seasonal pattern were found at Pallas and Utö, but only seasonal pattern at Mount Waliguan. The number-to-volume concentration ratio was found to follow the seasonal temperature pattern well at all three sites. A new parameterization for partitioning between cloud droplets and cloud interstitial particles was developed. The parameterization uses aerosol particle number-to-volume concentration ratio and aerosol particle volume concentration as the only information on the aerosol number and size distribution. The new parameterization is computationally more efficient than the more detailed parameterizations currently in use, but the accuracy of the new parameterization was slightly lower. The new parameterization was also compared to directly observed cloud droplet number concentration data, and a good agreement was found.

Observations of the solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling

In this thesis, the solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling is studied observationally, with the main focus on the ionospheric currents in the auroral region. The thesis consists of five research articles and an introductory part that summarises the most important results reached in the articles and places them in a wider context within the field of space physics. Ionospheric measurements are provided by the International Monitor for Auroral Geomagnetic Effects (IMAGE) magnetometer network, by the low-orbit CHAllenging Minisatellite Payload (CHAMP) satellite, by the European Incoherent SCATter (EISCAT) radar, and by the Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration (IMAGE) satellite. Magnetospheric observations, on the other hand, are acquired from the four spacecraft of the Cluster mission, and solar wind observations from the Advanced Composition Explorer (ACE) and Wind spacecraft. Within the framework of this study, a new method for determining the ionospheric currents from low-orbit satellite-based magnetic field data is developed. In contrast to previous techniques, all three current density components can be determined on a matching spatial scale, and the validity of the necessary one-dimensionality approximation, and thus, the quality of the results, can be estimated directly from the data. The new method is applied to derive an empirical model for estimating the Hall-to-Pedersen conductance ratio from ground-based magnetic field data, and to investigate the statistical dependence of the large-scale ionospheric currents on solar wind and geomagnetic parameters. Equations describing the amount of field-aligned current in the auroral region, as well as the location of the auroral electrojets, as a function of these parameters are derived. Moreover, the mesoscale (10-1000 km) ionospheric equivalent currents related to two magnetotail plasma sheet phenomena, bursty bulk flows and flux ropes, are studied. Based on the analysis of 22 events, the typical equivalent current pattern related to bursty bulk flows is established. For the flux ropes, on the other hand, only two conjugate events are found. As the equivalent current patterns during these two events are not similar, it is suggested that the ionospheric signatures of a flux rope depend on the orientation and the length of the structure, but analysis of additional events is required to determine the possible ionospheric connection of flux ropes.