Frontiers in Earth Science

Amosfääritieteet käsittävät tutkimuskohteena kaikki ilmakehässä tapahtuvat prosessit ja sen yhteydet muihin järjestelmiin, lähinnä hydrosfääriin, kryosfääriin, litosfääriin, biosfääriin ja ulkoavaruuteen. Ilmakehätieteet ovat laaja tieteenala, eikä tärkeimpien haasteiden kuvaaminen ole helppoa, ja niihin liittyy melko paljon päällekkäisyyksiä eräiden muiden maa- ja ympäristötieteiden suurten haasteiden kanssa. Koska päällekkäisyyksiä voi esiintyä erityisesti ilmastotieteiden kanssa, on syytä muistaa, että ilmakehän prosessit eroavat ilmastoprosesseista ajalliselta mittakaavaltaan, sillä jälkimmäiset tapahtuvat pitkien ajanjaksojen aikana, jotka ovat tyypillisesti yli 30 vuotta, mutta joka tapauksessa riittävän pitkiä tuottamaan mielekkäitä keskiarvoja. Ilmakehän prosessit ovat keskeisessä asemassa ilmaston tilan määrittämisessä, mutta myös monien sellaisten voimien ja takaisinkytkentöjen kannalta, jotka määrittävät ilmastonmuutoksen suuruuden ja sen mahdolliset vaikutukset. Lisäksi ilmakehätieteissä on viime aikoina tapahtunut vaikuttavaa edistystä yksilöille ja organisaatioille tarjottavien hyötyjen osalta. Ilmakehästä saatavalla ”tiedolla” on huomattava merkitys terveyteen, maatalouteen, energiaan, energiaan ja ympäristöön liittyvissä päätöksissä. Tässä ”Suuret haasteet” -artikkelissa keskitytään ilmakehään, vaikka voimakas vuorovaikutus maapallon muiden osien ja ympäristön kanssa sekä siihen liittyvät yhteiskunnalliset vaikutukset ovat yhteinen teema kaikille kuvatuille haasteille.

Edistyminen ilmakehätieteissä on lähivuosina olennaista, jos halutaan parantaa perusprosessien ymmärtämistä ja niiden mallintamista; tämä edellyttää todellista edistystä havainnollisissa, käsitteellisissä ja teknologisissa lähestymistavoissa. Tästä syystä seuraavassa ei-tyhjentävässä 12 valitun haasteen luettelossa ovat mukana havainnointiin ja tiedon assimilaatioon liittyvät haasteet, perinteisten tieteenalojen (ilmakehän fysiikka ja ilmakehän kemia, ilmakehän dynamiikka ja sääennusteet) piiriin kuuluvat haasteet, ilmakehän ja sen rajojen välisiin vuorovaikutuksiin liittyvät haasteet sekä ilmastotutkimuksen ilmakehäosioon liittyvät haasteet.

Haaste 1: Tiedon assimilaatio

Tiedon assimilaatioon liittyvät lähivuosien haasteet maanhavainnoinnissa liittyvät teknisiin ja yleisiin temaattisiin näkökohtiin sekä kykyyn hyödyntää uusia ja jännittäviä mahdollisuuksia maanhavainnointijärjestelmissä. Näihin haasteisiin vastaamisesta saatavat hyödyt sisältävät todennäköisesti parannuksia reanalyyseihin, parannuksia sääennusteisiin, paremman havainnointijärjestelmän ja paremman perustan, jolle ilmastomallien osatekijät voidaan rakentaa. Teknisistä haasteista viisi aluetta on merkittävimpiä: (Esimerkkeinä voidaan mainita ilmakehän ja valtameren, valtameren ja kryosfäärin sekä ilmakehän ja maan kytkeytyminen toisiinsa; (2) ensemble-datan assimilaatio luonnollisen vaihtelun huomioon ottamiseksi ja/tai maapallon järjestelmässä esiintyvien virheiden esittämiseksi – tässä yhteydessä teknisissä ponnisteluissa keskitytään realististen ensemblen suunnitteluun; (3) tietojen assimilaation suorittaminen suuremmilla alueellisilla resoluutioilla, jolloin maapallojärjestelmää edustetaan hienojakoisemmilla mittakaavoilla (mesoskaalalla ja hienojakoisemmilla mittakaavoilla), mukaan lukien teoreettinen kehitys tasapaino-olosuhteiden muutosten huomioon ottamiseksi; (4) tietojen assimilaatiossa käytettävien havaintojen ja mallien virheiden (satunnaisten virheiden ja vinoutumien) parempi esittäminen, mukaan lukien ennustevirheiden, mallien virheiden ja online-vaiheen vinoutumakorjausten esittäminen; (5) yhteisen tila-arvionnin (Joint State Estimation) ja käänteisen mallinnuksen lähestymistapojen laajentaminen ja vakiinnuttaminen bio-geokemiallisten syklien tutkimiseksi (mm.g., hiilen kierto). Kaiken kattavana haasteena on sää- ja avaruusvirastojen, tutkimus- ja operatiivisen toiminnan sekä in situ – ja satelliittihavainnointialustojen yhteisöllisten tietojen assimilaatiopyrkimysten yhdistäminen ja integrointi, mukaan luettuina kaikki mantereenlaajuiset ja maailmanlaajuiset yhteistyöhankkeet, sekä näiden pyrkimysten tehokas soveltaminen uusien maanhavainnointitehtävien kehittämiseksi.

Haaste 2: Pienen mittakaavan prosessit ilmakehässä

Pienen mittakaavan prosessien ja niihin liittyvien sovellusten perustavanlaatuiseen ymmärtämiseen liittyy useita haasteita, joista monista keskustellaan ja tutkitaan parhaillaan aktiivisesti. Ensinnäkin lisääntynyt laskentateho mahdollistaa fluidimekaniikan ongelmien yksityiskohtaisemman simuloinnin, joten jopa vakaasti kerrostuneita virtauksia mallinnetaan nykyään suoralla numeerisella simuloinnilla. Samalla nämä kehittyneet laskentatekniikat edellyttävät myös uuden sukupolven parametrisointijärjestelmiä numeerista sääennustusta (NWP) ja ilmastomallinnusta varten. Suurilla resoluutioilla esimerkiksi kaupunkialueilla esiintyvää monimutkaista dynamiikkaa ei voida jättää huomiotta, ja tarvitaan erityisiä NWP-järjestelmiä niiden esittämiseksi. Pienemmillä ruudukkokokoluokilla NWP:ssä lähestytään niin sanottua turbulenssin harmaata vyöhykettä, ja tämän vaikutukset on ymmärrettävä ja kvantifioitava. Pilvien ja syvän konvektion vuorokausisyklin esittämisessä on parantamisen varaa, ja sama koskee myös fysikaalisia prosesseja, jotka ohjaavat vakaita rajakerroksia ja vuorokausisykliä, sekä turbulenssin ajoittaista luonnetta erityisesti tyynissä olosuhteissa. Lisäksi korkeammat resoluutiot edellyttävät kehittyneempiä tekniikoita, jotta tehtyjä havaintoja voidaan tulkita. Rajakerrosmeteorologiassa pinnan energiataseen ja lämpöbudjetin sulkemiseen kenttähavainnoista on kiinnitettävä enemmän huomiota. Lopuksi, myös meteorologian datahaasteet lisääntyvät, mikä johtuu erityisesti sekä ammattimaisten että joukkoresurssihavaintojen laajemmasta saatavuudesta (Muller et al., 2013).

Haaste 3: Ilman epäpuhtauksien kemia

Ohjelman keskeiset osat, joiden avulla voidaan vastata ilman epäpuhtauksien kemian tutkijoiden tärkeimpiin haasteisiin, voidaan kuvata seuraavilla kolmella otsikolla: (1) Sisäilman epäpuhtaudet ja terveys: Koska ihmisillä on taipumus pysytellä työssään, koulussa ja vapaa-ajallaan suurelta osin sisätiloissa, on tärkeää tutkia sisäilman epäpuhtauksien vaikutusta ihmisten terveyteen sisäilman päästöjen ja/tai ulkoilman tunkeutumisen seurauksena. Viime vuosina sisäilman laatua säätelevät prosessit ovat muuttuneet huomattavasti, kun rakennusmääräyksiin on tehty muutoksia energiatehokkuuden parantamiseksi. Sisäilman laatuun vaikuttavista lähteistä, yhdisteistä ja prosesseista sekä niiden vaikutuksesta ihmisten hyvinvointiin ei ole vielä paljon tietoa. (2) Pöly ja ilmanlaatu: Ajoneuvojen päästöjen ominaisuuksien jatkuvan parantumisen myötä aerosolien aiheuttaman pilaantumisen vaikutukset kaupunkialueilla voidaan nykyään yhä useammin jäljittää muihin päästölähteisiin, kuten luonnollisen pölyn kulkeutumiseen ja tiepölyn uudelleen suspendoitumiseen pääasiassa Etelä-Euroopan alueilla, joilla ilmasto on kuivempi, alueilla, joihin vaikuttaa pölyn kulkeutuminen Pohjois-Afrikan aavikoilta. Näiden vaikutusten ymmärtäminen ja lieventämistoimenpiteiden soveltaminen (tiepölyn resuspension osalta) ovat molemmat tulevia tutkimusalueita. (3) Biomassan poltto: ilmastonmuutoksen ja fossiilisten polttoaineiden vaikutuksista ja kustannuksista aiheutuvan huolen vuoksi biomassan polttoa käytetään nykyään yleisesti kotitalouksien lämmitykseen Euroopassa. Monilla kaupunkialueilla, pääasiassa talvella, kotitalouksissa käytettävän biomassan on todettu olevan merkittävä hiukkasten aiheuttama ilmansaasteiden lähde. Tällä hetkellä kiinnitetään jonkin verran huomiota biomassan polton vaikutusten arviointiin kaupunkien ilmanlaadun kannalta sekä biomassan polttolaitteiden ja -laitteistojen päästöominaisuuksien tutkimiseen ja biomassan poltossa syntyvien hiukkasten koostumuksen vaikutukseen ihmisten terveyteen.

Haaste 4: Aerosolien ja pilvien vuorovaikutukset

Ei ole epäilystäkään, etteivätkö aerosolihiukkaset osallistu aktiivisesti pilvien muodostumiseen pilvien kondenssiytymis- (CCN, cloud condensation nuclei) ja jääydinten (IN, ice nuclei) tarjonnan kautta. On esitetty, että muutokset aerosolipitoisuuksissa muuttaisivat pilvien elinikää ja sademäärän tehokkuutta ja vaikuttaisivat siten maapallon säteilypakotteeseen. Aiheeseen on panostettu paljon, mikä on johtanut tietämyksen, menetelmien ja tekniikoiden nopeaan kehitykseen (esim. Wang, 2013). Tästä edistyksestä huolimatta on edelleen vaikeaa tehdä mielekkäitä johtopäätöksiä aerosolien ilmastovaikutuksista alueellisella ja globaalilla mittakaavalla. Sen sijaan aerosolien ja pilvien vuorovaikutuksesta molekyyli- ja mikrofysikaalisilla mittakaavoilla on tullut yhä ennustettavampaa ja sen mallintamisesta entistä deterministisempää. Näyttää siltä, että pienen mittakaavan (molekyyli- ja mikrofysikaalisten) prosessien ja suuren mittakaavan (alueellisten/globaalien) tapahtumien välillä on tällä alalla merkittävä tietämyskuilu. Ehdotamme, että on edelleen tarpeen syntetisoida monimittakaavaisia tuloksia, jotta voidaan tunnistaa selkeästi asiaan liittyvät ongelmat ja parantaa nykyisiä työkaluja ja menetelmiä, joita tarvitaan kuilun kuromiseksi umpeen.

Haaste 5: Sään ennustaminen

Nesteiden kuvaamat ilmiöt ovat monimutkaisia, mutta nesteiden liikkeen lakien esiintyminen on petollisen yksinkertaista, näitä lakeja säätelevät yhtälöt ovat epälineaarisia, mikä merkitsee monentyyppisiä (ja vaikeasti hahmotettavia) takaisinkytkentävaikutuksia. Ilmakehä ja sen tilan ajallinen kehitys eivät vapautu tästä ongelmasta. Joka tapauksessa yksi ilmakehätieteiden tutkimuksen lippulaivoista viime vuosikymmeninä on ollut luotettavien ennusteiden laatiminen 2-7 vuorokauden alueella, kun otetaan huomioon valtavat mahdolliset taloudelliset hyödyt; tällaiset tekniikat kärsivät kuitenkin edelleen ongelmista, jotka johtuvat enimmäkseen valtamerten yläpuolella kerättävien tietojen keräämisestä ja hyödyntämisestä. Satelliiteista ja maanpäällisestä kaukokartoituksesta saatavien uusien tietojen käyttö voisi auttaa tässä suhteessa, samoin kuin perinteisten tietokokonaisuuksien, kuten nyt jo jonkin verran vanhentuneen maailmanlaajuisen rawinsonde-verkon, asianmukainen ylläpito. Myös vesihöyryn ja maanpinnan ominaisuuksien mittausten parantaminen on ensisijaisen tärkeää. Fysikaaliset haasteet ovat edelleen samat kuin ne määriteltiin yli kymmenen vuotta sitten (National Research Council, 1998): ilmakehän ja maanpinnan prosessien vuorovaikutuksen luonteen parempi ymmärtäminen, hydrologinen kierto, syvän konvektion dynamiikka, tropopaussin rooli ilmakehän dynamiikassa, uuden sysäyksen antaminen mesoskaalamallien kehittämiselle ja sää- ja ilmastomallien aaltopohjaisissa malleissa käytettävien parametrien parantaminen. Esimerkkinä näiden parannusten tärkeydestä on orografinen gravitaatioaaltovastus, jonka parametrointi sää- ja ilmastoennustemalleissa on saatettava ajan tasalle, kun otetaan huomioon joidenkin viimeaikaisissa tutkimuksissa tärkeiksi osoittautuneiden vaikutusten merkitys. Tällaisia ovat muun muassa tuulen leikkauksen vaikutus sekä pintavastukseen että aaltojen impulssivirtaan (ja sen häviämiseen) sekä loukkuun jääneiden lee-aaltojen aiheuttama vastus, joiden energia etenee ja häviää pikemminkin alavirtaan kuin ylöspäin. Näiden orografisten painovoima-aaltojen vaikutuksia selkeän ilman turbulenssiin (CAT), joka on erittäin vakava ilmailun vaaratekijä, ei ole kvantifioitu tyydyttävästi. Useimmissa CAT-ennustusmenetelmissä käytetään empiirisiä ennusteita, jotka eivät liity nimenomaisesti painovoima-aaltoihin, mutta on hyvin tiedossa, että suunnattu leikkaus (joka on luonnossa kaikkialla läsnä) johtaa painovoima-aaltojen murtumiseen, mikä voi olla merkittävä CAT:n lähde. Painovoima-aaltojen jääminen vuorten tai kukkuloiden suojaan johtaa epävakaiden, turbulenttisten, suljettujen kiertokulkujen muodostumiseen, joita kutsutaan roottoreiksi ja jotka ovat myös vakava ilmailuvaara. Ymmärryksemme näiden virtausrakenteiden syntyyn tarvittavista olosuhteista on epätäydellinen, ja se epäilemättä hyötyy viimeaikaisista edistysaskelista vuoristoaaltoteoriassa.

Haaste 6: Meteorologian ja ilmaston kaukokartoitus

Maa- ja satelliittikaukokartoitus on tuonut merkittäviä edistysaskeleita sekä sää- että ilmastojärjestelmien ja niissä tapahtuvien muutosten ymmärtämisessä (Yang et al., 2013), sillä sen avulla on voitu kvantifioida ilmakehän, maa-alueiden ja valtamerten prosesseja ja spatio-temporaalisia tiloja. Satelliittikuvien intensiivinen käyttö meteorologiassa ja merenpinnan nousun alueelliset mallit ovat tästä hyviä esimerkkejä. Kyseisten aikasarjojen kesto on yleensä liian lyhyt, jotta niitä voitaisiin käyttää monien ilmastomuuttujien pitkän aikavälin kehityssuuntien kuvaamiseen, joten yksi suuri haaste on näiden aikasarjojen keston pidentäminen. Pilvien ja sademäärien alueellisten ja maailmanlaajuisten syklien kaukokartoitus on myös tarpeen ilmaston seurantaa ja mallitulosten todentamista varten. Ilmakehän fysiikan alalla on kaksi merkittävää haastetta: ensinnäkin on suunniteltava innovatiivisia tutkimuksia, joissa keskitytään pilvien mikrofysiikkaan ja niiden yhteyteen salamapurkausten fysiikkaan sekä kaikkiin ilmakehän sähkön havainnointiin ja mittaamiseen liittyviin näkökohtiin, ja toiseksi on kehitettävä uusia passiivisia radiometri- ja tutkatutkimuksia, jotka auttavat meitä ymmärtämään pilvien ja sademäärän rakennetta painottaen erityisesti trooppisia lämpimiä sadeprosesseja, kevyitä sademääriä keskellä leveysasteita, lumisadetta, pilvien nestemäisen veden ja jään vesisäilyvyyttä ja satavan veden ja vesihöyryn ominaisuuksia. Yksi hydrometeorologinen haaste on laajentaa ja parantaa havaintojamme ja mallintamistamme ilmakehän ja mantereen vesikierron osista, jotta vesikierto voidaan sulkea (esim. vuoristoalueet, napa-alueet).

Haaste 7: Hydrologisen kierron ilmakehän osa

Hydrologiseen kiertoon liittyvien monien haasteiden joukosta on mainittava erityisesti ne, jotka liittyvät kosteuden kulkeutumiseen ilmakehässä, koska ne kuuluvat täysin ilmakehätieteiden alaan. Seuraavassa tarkastelemme Gimenon et al. (2012) hiljattain julkaistussa katsauksessa kuvatuista haasteista kiireellisimpiä. Kosteuslähteiden diagnosoinnista on tullut tärkeä tutkimusväline ääri-ilmiöiden (esim. tulvien ja kuivuuden) analysoinnissa, ja sitä voidaan pitää perustyökaluna alueellisissa ja maailmanlaajuisissa ilmastoarvioinneissa; sen vuoksi on tarpeen tarkistaa ilmakehän vesihöyryn lähde-imeytymissuhteiden määrittämiseen käytettävien eri lähestymistapojen johdonmukaisuus. Keskeistä on parantaa ymmärrystämme siitä, miten kosteuden lähteet vaikuttavat sademäärän isotooppeihin; tämä on tärkeää sinänsä, mutta se on myös ratkaisevan tärkeää, jotta merkittävimpiä paleoklima-arkistoja, kuten jääsydämiä ja luolasedimenttejä, voidaan tulkita oikein. Haasteena on myös ymmärtää paremmin kosteuden kulkeutumisen merkitystä meteorologisten ääri-ilmiöiden pääasiallisena aiheuttajana (rankkasateet matalien suihkuvirtausten ja ilmakehän jokien kaltaisten rakenteiden kautta tai kuivuus, joka johtuu vesihöyryn pitkäaikaisesta vähenemisestä kosteuden lähdealueilta). Sen arvioimiseksi, ovatko kosteuden lähdealueet pysyneet paikoillaan menneinä vuosina, on tarpeen ymmärtää ilmaston vaihtelun päämuotojen vaikutuksia kosteusalueiden vaihteluun ja sitä, miten kosteuden kulkeutuminen tapahtuu muuttuvassa ilmastossa. Nämä ratkaisemattomat kysymykset ovat merkittävä haaste ilmastotutkijoille.

Haaste 8: Mittakaavojen vuorovaikutus ilmastosimuloinnissa

Erilaisten alueellisten ja ajallisten mittakaavojen välinen vuorovaikutus johtaa siihen, mitä kutsumme ilmastoksi. (Lorenz 1967) korosti ensimmäisten joukossa mittakaavojen vuorovaikutuksen merkitystä selitettäessä joitakin eri alueilla havaittuja ilmaston keskeisiä piirteitä. Useimpien näiden mittakaavavuorovaikutusten epälineaarinen luonne on vaikeuttanut niiden mallintamista, mikä on edelleen epävarmuuden lähde ilmastosimulaatioissa. Joitakin empiirisiä menetelmiä on ehdotettu ilmastomallien tulosten pienentämiseksi, mutta ne ovat edelleen jossain määrin kiistanalaisia (Pielke ja Wilby, 2011), erityisesti kun niitä käytetään pitkän aikavälin ilmastoennusteiden tulkintaan alueellisella tasolla. Sellaisen globaalin mallin reunaehtojen käyttöön, jossa ennustetaan ilmastojärjestelmän kaikkien tärkeimpien osajärjestelmien (ilmakehä, valtameri, biosfääri ja kryosfääri) välisiä kytkeytyneitä vuorovaikutuksia, liittyy useita ongelmia, kuten suuren mittakaavan ilmastovirheiden säilyminen globaaleissa malleissa, suuri riippuvuus sivusuunnassa sijaitsevista reunaehdoista tai kaksisuuntaisen vuorovaikutuksen puuttuminen alueellisten ja globaalien mallien väliltä. Pienen mittakaavan ilmakehäprosessien, jotka ovat yleensä lyhytaikaisia ilmiöitä, merkitys osoittautuu erittäin tärkeäksi erityisesti trooppisilla alueilla, joilla mesoskaaliset konvektiiviset järjestelmät ovat vuorovaikutuksessa suuren mittakaavan kiertokulkujen kanssa ja joilla on ratkaiseva merkitys hydrologisessa kierrossa. Esimerkiksi trooppiset syklonit voivat aiheuttaa hyvin märkiä tai kuivia vuosia joillakin alueilla riippuen niiden aktiivisuudesta ja lentoradasta. Tätä elementtiä on melko vaikea simuloida ilmastomalleissa, mutta sen vaikutus alueelliseen ilmastoon on kiistaton, ja sitä on ymmärrettävä paremmin, jotta se voidaan sisällyttää ilmastomallijärjestelmiin.

Haaste 9: Äärimmäiset tapahtumat

Viime vuosina erilaisten sää- ja ilmastoilmiöiden vaikutukset ovat kasvattaneet merkitystään tiedotusvälineiden ja koko väestön silmissä, mikä on osittain seurausta äärimmäisistä tapahtumista, kuten Euroopassa (2003), Venäjällä (2010) tai USA:ssa (2011) esiintyneistä helleaalloista tai viime vuosina tiheään asutuille alueille iskeneistä kuolettavista ja erittäin kalliista hurrikaaneista, kuten New Orleansin kaupunginosassa (Katrina, 2005) ja New Yorkin metropolialueella (Sandy, 2012). Samoin pitkittyneet kuivuusjaksot ovat aiheuttaneet vakavia ongelmia viljantuottajille muun muassa Etelä-Australiassa (2002-2010) tai Yhdysvaltojen lounaisosissa, ja metsäpalojen todennäköisyys on kasvanut (Amazonia, 2005 ja 2010). Jotkin näistä ääri-ilmiöistä liittyvät läheisesti Pohjois-Atlantin heilahtelun (NAO) kaltaisten voimakkaiden kiertokulkujen esiintymiseen tai myrskyratojen ja suihkuvirran tukkeutumiseen ja siirtymiseen. Äärimmäisilmiöt ovat määritelmällisesti harvinaisia aikasarjoissa, minkä vuoksi äärimmäisten tapahtumien analysointiin liittyy kiireellinen tarve laajentaa ilmastosarjoja mahdollisimman pitkälle, ja tästä syystä menneisyyden ilmaston rekonstruktiot, jotka perustuvat instrumentaalisiin, historiallisiin ja proxy-tietoihin, ovat edelleen välttämättömiä. IPCC:n äskettäinen raportti (IPCC, 2013) osoittaa, että tätä kasvavaa kiinnostusta ilmaston ääri-ilmiöitä kohtaan on käsiteltävä ilmastonmuutoksen laajemmassa yhteydessä, koska globaalissa, alueellisessa ja jopa paikallisessa ilmastossa odotettavissa olevat muutokset tuntuvat todennäköisimmin ääri-ilmiöiden suuruuden ja esiintymistiheyden muutoksina.

Haaste 10: Auringon vaikutus ilmastoon

On arvioitu, että noin 8 prosenttia viimeaikaisesta maailmanlaajuisesta ilmastonmuutoksesta voidaan katsoa johtuvan auringon vaihtelusta, mutta tähän lukuun on suhtauduttava varovaisesti, koska monet auringon vaikutuksen näkökohdat ja mekanismit, jotka kytkevät auringon vaihtelun maapallon ilmastojärjestelmään, ovat edelleen huonosti tunnettuja (Gray et al.,, 2010). Koska ilmakehä- ja ilmastomallit ovat yhä monimutkaisempia ja kehittyneempiä ja koska tehtyjen ennusteiden tarkkuutta on lisättävä, on tärkeää, että näihin malleihin voidaan sisällyttää kattavampi kuva auringon vaikutuksesta. Auringon vaikutuksen lähteet voidaan jakaa säteilyyn ja hiukkasiin perustuviin komponentteihin. Säteilyyn perustuvan pakotteen tieteellinen painopiste on tällä hetkellä siirtymässä maailmanlaajuisista alueellisiin reaktioihin, jotka johtuvat auringon spektrisen irradianssin (SSI) vaihteluista. Jäljellä on vielä useita kysymyksiä, jotka koskevat SSI:n vaihteluiden luonnetta, sitä, miten ne olisi sisällytettävä malleihin, ja sitä, miten ne muuttuvat tulevissa aurinkosykleissä, jos aurinko siirtyy pois nykyisestä auringon aktiivisuuden suurimmasta maksimista kohti uutta maunder-minimiä. Hiukkasperäinen komponentti jaetaan edelleen energeettisen hiukkassateen (EPP) ja kosmisen säteilyn (CR) vaikutuksiin. EPP-vaikutus vaikuttaa aluksi ylempään stratosfääriin ja alempaan termosfääriin. Vaikka EPP:n kemialliset vaikutukset ilmakehään tunnetaan nyt hyvin, on kiireellisesti ymmärrettävä dynaamisia vaikutuksia sekä mahdollisia mekanismeja ja suuruuksia maapallon ilmaston kannalta. EPP:n mahdollinen vaikutus ilmastoon on nouseva tutkimusalue, jonka merkitys kasvaa nyt, kun ilmastomalleja laajennetaan korkeammille korkeuksille, joihin EPP vaikuttaa suoremmin. EPP on yksi tärkeimmistä kuljetusreiteistä alemmasta termosfääristä stratosfääriin ja edelleen troposfääriin stratosfäärin ja troposfäärin välisen kytkennän kautta napa-alueilla. EPP:n vaikutus voi myös korostua lähitulevaisuudessa, kun auringon aktiivisuuden siirtyminen kohti ukkosminimityyppiä vaikuttaa enemmän säteilyyn. CR:n aiheuttamaa komponenttia pidetään tällä hetkellä Auringon pakottavan vaikutuksen lähteistä vähiten tunnettuna, vaikka tämän kysymyksen selvittämiseksi tehdäänkin parhaillaan kohdennettuja kansainvälisiä tutkimustoimia. Viimeaikaiset tulokset ovat viitanneet siihen, että vaikka CR:t saattavat edistää aerosolin nukleaatiota, globaalisti tarkasteltuna nämä vaikutukset eivät ole suuria, ja CR:t ja aerosolin nukleaation yhdistävistä fysikaalisista mekanismeista on vielä epäselvyyksiä.

Haaste 11: Kaupunkien sää ja ilmasto

Urbaanien lämpösaarekkeet (Urban Heat Island, UHI) ovat ehkä tunnetuin vaikutus, joka kaupunkien läsnäololla on paikalliseen mikroilmastoon; kaupunkien yöaikaan vallitseva ilmastonlämpötila voi yöllä olla paljon korkeampi kuin ympäröivällä alueella, jopa jopa 10 °C:n lämpötilaa. Kaupunki-ilmasto, joka oli 20 vuotta sitten meteorologian uusi ala, on nyt kypsä tutkimusala. Se kattaa monenlaisia aiheita teoreettisista perustutkimuksista soveltavampaan tutkimukseen, ja sen päätavoitteena on ilmastotiedon soveltaminen kaupunkien parempaan suunnitteluun eri puolilla maailmaa. Mikrometeorologia on aina ollut kaupunkitutkimuksen keskeinen kiinnostuksen kohde, koska se liittyy mittakaavoihin. Kaupunkiklimatologian instrumentalistit ovat olleet edelläkävijöitä instrumentoinnin ja prosessianalyysin jatkuvassa kehittämisessä 1970-luvulta lähtien. UHI:n muodostumiseen johtavat prosessit (jotka ovat luonteeltaan enimmäkseen fysikaalisia johtuen kaupunkirakenteen kolmiulotteisesta muodosta ja materiaaleista, joista kaupunkirakenne muodostuu) nousivat esiin näistä varhaisista tutkimuksista. Tämän varsin monimutkaisen urbaanin rajakerroksen mittaamiseen liittyy nykyään vielä useita haasteita. Uusia lyhyen kantaman kaukokartoituslaitteita käytetään, jotta saadaan erikoistunut näkemys asiaan liittyvistä fysikaalisista prosesseista. Tällainen instrumenttien kehitys jatkuu väistämättä. Ilmakehämallinnuksen laatijat alkoivat käsitellä kaupunki-ilmastoa vasta, kun ilmakehämallit saavuttivat riittävän korkean resoluution (muutama kilometri), jotta kaupunkeja voitiin kuvata yksiselitteisesti. Ensimmäiset mallit, jotka kuvaavat energian ja veden vaihtoa kaupunkien pintojen ja ilmakehän välillä, ilmestyivät 2000-luvun alussa (ks. katsaukset Masson, 2006 ja Martilli, 2007), ja niitä käytetään nyt yhä enemmän numeerisissa sääennustemalleissa. Kaupunkimallien ensimmäisissä kansainvälisissä vertailuissa (Grimmond et al., 2010, 2011) keskusteltiin joistakin ilmeisistä parannuskeinoista, esimerkiksi kaupunkikasvillisuuden esittämisessä. Lisäksi noin 15 vuotta ilmakehämalleja myöhemmin alueellisilla ilmastomalleilla on nyt kaupunkimittakaavan kanssa yhteensopiva alueellinen resoluutio. Tämä asettaa luonnollisesti uuden haasteen kaupunkien asianmukaiselle esittämiselle ilmastomalleissa. Samoin kaupunkimeteorologiset tutkimukset eivät voi rajoittua fysiikkaan tai kemiaan, vaan niissä on otettava huomioon asukkaiden käyttäytyminen. Vaikka biometeorologisia tutkimuksia on jo olemassa erityisesti ihmisten viihtyvyydestä, meteorologisen ja sosiaalisen maailman välinen vuorovaikutus sekä ihmisten viihtyvyyden että esimerkiksi meteorologiasta riippuvaisen energiankäytön osalta on edelleen yksi kaupunkimeteorologien suurimmista haasteista.

Haaste 12: Otsonikerroksen heikkeneminen ja elpyminen

Vaikka stratosfäärin otsonipitoisuuden minimit ovat edelleen havaittavissa monilla alueilla, elpymisen merkkejä on alkanut näkyä. Etelämantereen stratosfäärissä halogeenihiilivetyjen pitoisuus saavutti huippunsa vuoden 2000 tienoilla ja alkoi sitten pienentyä. Nykyisten ennusteiden mukaan täydellinen elpyminen voisi tapahtua vuoden 2050 tienoilla. Tämä tarkoittaa, että yksi suurimmista haasteista on varmistaa sekä otsonin että otsonikerrosta heikentävien kaasujen jatkuva seuranta, jotta elpyminen voidaan taata. Prosessien perusymmärryksen parantaminen ja niiden simulointi on erityisen tärkeää muuttuvan ilmaston yhteydessä. Molempiin suuntiin on simuloitava, eli miten muuttuva ilmasto vaikuttaa otsonikerrokseen ja miten otsonin palautuminen vaikuttaa säähän ja ilmastoon. Ns. ilmastokemian mallit (CCM, Lamarque et al., 2013) näyttävät olevan tässä tapauksessa avainasemassa.

Edellinen luettelo ilmakehätieteiden tutkimuksen lähivuosien haasteista koskee vain muutamia kiireellisimpiä ratkaisemattomia kysymyksiä ja jää luonnollisesti puutteelliseksi. Tässä kuvattuja haasteita ei pidä pitää Frontiers in Atmospheric Science -lehden todennäköisinä päätutkimusaiheina; minkä tahansa mielenkiintoisen työn, joka liittyy ilmakehätieteiden sateenvarjoon, pitäisi löytää paikka lehdessä.

Kiitokset

Tukea on osittain myönnetty MINECO:lta (Espanja), hankkeesta TRAMO ja FEDER. Frontiers in Atmospheric Science -lehden Associated Editors -ryhmä antaa hyödyllisiä kommentteja.

Gimeno, L., Stohl, A., Trigo, R. M., Dominguez, F., Yoshimura, K., Yu, L., et al. (2012). Mannermaan sademäärän valtamerelliset ja maanpäälliset lähteet. Rev. Geophys. 50:RG4003. doi: 10.1029/2012RG000389

CrossRef Full Text

Gray, L. J., Beer, J., Geller, M., Haigh, J. D., Lockwood, M., Matthes, K., et al. (2010). Auringon vaikutus ilmastoon. Rev. Geophys. 48:RG4001. doi: 10.1029/2009RG000282

CrossRef Full Text

Grimmond, C. S. B., Blackett, M., Best, M. J., Barlow, J., Baik, J-J., Belcher, S. E., et al. (2010). The international urban energy balance models comparison project: first results from phase 1 (Kaupunkien energiatasemallien kansainvälinen vertailuhanke: vaiheen 1 ensimmäiset tulokset). J. Appl. Meteorol. Climatol. 49, 1268-1292. doi: 10.1175/2010JAMC2354.1

CrossRef Full Text

Grimmond, C. S. B., Blackett, M., Best, M. J., Barlow, J., Baik, J-J., Belcher, S. E., et al. (2011). Kansainvälisen kaupunkien energiatasemallien vertailun vaiheen 2 alustavat tulokset. Int. J. Climatol. 31, 244-272. doi: 10.1002/joc.2227

CrossRef Full Text

IPCC. (2013). Ilmastonmuutos: Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin arviointiraportti. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

Lamarque, J.-F., Shindell, D. T., Josse, B., Young, P. J., Cionni, I., Eyring, V., et al. (2013). The atmospheric chemistry and climate model intercomparison project (ACCMIP): yleiskatsaus ja kuvaus malleista, simulaatioista ja ilmastodiagnostiikasta. Geosci. Model. Dev. 6, 179-206. doi: 10.5194/gmd-6-179-2013

CrossRef Full Text

Lorenz, E. N. (1967). Ilmakehän luonne ja teoria. Geneve: WMO, 161.

Martilli, A. (2007). Nykyinen tutkimus ja tulevaisuuden haasteet kaupunkien mesoskaalamallinnuksessa. Int. J. Climatol. 27, 1909-1918. doi: 10.1002/joc.1620

CrossRef Full Text

Masson, V. (2006). Kaupunkien pintamallinnus ja kaupunkien meso-tason vaikutukset. Theor. Appl. Climatol. 84, 35-45. doi: 10.1007/s00704-005-0142-3

CrossRef Full Text

Muller, C. L., Chapman, L., Grimmond, C. S. B., Young, D. T., and Cai, X. (2013). Sensorit ja kaupunki: katsaus kaupunkien meteorologisiin verkostoihin. Int. J. Climatol. 33, 1585-1600. doi: 10.1002/joc.3678

CrossRef Full Text

National Research Council. (1998). The Atmospheric Sciences: Entering the Twenty-First Century. Washington, DC: The National Academies Press.

Pielke, R. A. Sr., and Wilby, R. L. (2011). Regional climate downscaling-what’s the point of the point? EOS 93, 52-53. doi: 10.1029/2012EO050008

CrossRef Full Text

Wang, C. (2013). Antropogeenisten absorboivien aerosolien vaikutus pilviin ja sademäärään: katsaus viimeaikaiseen edistymiseen. Atmos. Res. 122, 237-249. doi: 10.1016/j.atmosres.2012.11.005

CrossRef Full Text

Yang, J., Gong, P., Fu, R., Zhang, M., Chen, J., Liang, S., et al. (2013). Satelliittikaukokartoituksen rooli ilmastonmuutostutkimuksissa. Nat. Clim. Change 3, 875-883. doi: 10.1038/nclimate1908

CrossRef Full Text

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.