Ilmastolla ja pilvillä ei voi tehdä hallittuja kokeita laboratorio-olosuhteissa. Yksittäisiä ilmakehän ilmiöitä voi tutkia myös kokeellisesti, mutta vuorovaikutusten, kokonaisuuksien ja tulevaisuuden näkymien eli esimerkiksi ilmastonmuutoksen ennustaminen on mahdollista ainoastaan niihin tarkoitetuilla matemaattisilla malleilla. Väitöskirjatutkija Jaakko Ahola tutki miten Ilmatieteen laitoksen käyttämällä pilvimallilla voidaan mallintaa tarkemmin pilvissä tapahtuvia ilmiöitä. Tarkempi mallinnus auttaa kehittämään ilmastonmuutosennusteita, mutta tutkimuksessa kehitetyt menetelmät voivat päätyä myös sääennustekäyttöön.
Ilmaston tutkimuksessa ilmastomallit simuloivat muutoksia ilmakehässä siten, että mallille syötetään tietyt lähtöarvot, joiden pohjalta tietokone laskee tilan muuttumisen ajan myötä. Laskennan myötä saadaan loppuarvo eli ennuste. Laskutehtävien massiivinen määrä vaatii suurta laskentatehoa tietokoneilta.
Väitöstutkimuksessa tarkasteltiin, miten Ilmatieteen laitoksen käyttämää numeerista pilvimallia voidaan parantaa, jotta sillä pystytään mallintamaan tarkemmin pilvissä tapahtuvia ilmiöitä, kuten sateen muodostumista, myös jääkiteiden osalta. Tämä auttaa ymmärtämään pilvien ja erilaisten pienhiukkasten merkitystä ilmastossa. Tarkempi jääkiteiden mallinnus on myös askel kohti parempia ilmastonmuutosennusteita.
– Osoitimme, että parantamamme pilvimalli toimii ja tuottaa realistisempia simulaatioita kuin edellinen pilvimallisukupolvi. Kehitetty malli on yksityiskohtaisempi ja sen ansiosta voimme selvittää esimerkiksi, miten jääkiteet tai tuulen merestä nostattama merisuola vaikuttavat pilvien elinaikaan. Pilvien elinaika vaikuttaa kokonaispilvisyyteen, joka taasen vaikuttaa maapallon heijastuvuuteen, eli kuinka paljon auringonvalosta heijastuu takaisin avaruuteen tai maasta lähtevä säteily ei pääse karkaamaan avaruuteen, Ahola kertoo.
– Sään ennustamiseen tästä ei ole vielä suoranaisesti hyötyä, sillä laskenta on liian hidasta lähitulevaisuuden sään kuvaamiseen. Jos laskentateho paranee tulevaisuudessa, voidaan mallia hyödyntää myös entistä tarkempien sääennusteiden menetelmänä, Ahola lisää.
Tekoälyn avulla saadaan tarkempia ilmastosimulaatioita
Tutkimuksessa käytetty pilvimalli on erittäin tarkka verrattuna koko maapallon kattaviin ilmastomalleihin, joiden resoluutio on varsin karkea.
Näiden laajojen ilmastomallien kuvaamat pilvet ovat rakeisia aivan kuin ensimmäisten kännykkäkameroiden ottamat kuvat. Tutkimuksessa tarkensimme karkearesoluutioista pilvikuvausta ikään kuin kameran kuvanlaatua parantamalla, Ahola havainnollistaa.
Karkearesoluutioisen ilmastomallin tarkentamisessa hyödynnettiin tekoälyä. Tutkijat loivat hienoresoluutioisen pilvimallin avulla koneoppivia malleja eli niin sanottuja sijaismalleja.
– Sijaismalli tuottaa riittävällä tarkkuudella alkuperäisen pilvimallin tulokset, mutta huomattavasti nopeammin kuin laskennallisesti raskas pilvimalli. Lisäsimme tällaisen sijaismallin jo olemassa olevaan ilmastomalliin, mikä mahdollistaa aiempaa tarkemmat ilmastosimulaatiot erityisesti pilvien ominaisuuksien osalta.
***
FM Jaakko Ahola esittää väitöskirjansa ”Mathematical modelling and numerical simulation of physical cloud processes in a wide range of spatiotemporal scales” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 15.12.2023 klo 12.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorio, Vesilinnantie 5, Turku).
Yleisön on mahdollista seurata väitöstä myös etäyhteyden kautta
Vastaväittäjänä toimii professori Jari Hämäläinen (LUT-yliopisto) ja kustoksena professori Marko Mäkelä (Turun yliopisto). Tilaisuus on suomenkielinen. Väitöksen alana on sovellettu matematiikka.
Väittelijän kuva
