Projected changes in precipitation and wind speed over Finland from a convection-permitting regional climate model

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorMerikanto, Joonas
dc.contributor.authorUtriainen, Laura
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorLund, Peter
dc.date.accessioned2023-05-21T17:05:05Z
dc.date.available2023-05-21T17:05:05Z
dc.date.issued2023-05-16
dc.description.abstractClimate change is a global issue with far-reaching consequences, leading to, for example, more frequent and intense precipitation events. In Finland, the climate scenario studies have projected an increase in precipitation in the future. This trend is expected to continue towards the end of the century, with potentially severe consequences on ecosystems and economy. Magnitude of the intensification is dependent on the scenario, which relies on the rate of mitigation. The future’s climate can be simulated using global circulation models (GCMs), which apply relatively coarse spatial resolutions and hence, they cannot resolve all the features on the regional scale. Regional climate modeling is a dynamical downscaling method, which uses GCM data as its boundary conditions. High-resolution regional climate models (RCMs) allow to explore very fine grid resolutions down to 1−5 km, which allows to resolve deep-convection explicitly. In addition to the added value of more accurate modeling of topography and short-duration weather in RCMs, this convection permitting scale adds more value specifically in extreme and short-duration precipitation events at local scales. This thesis studies precipitation in Finland’s land area and if there is any change its intensity under the given climate change scenario. The simulated data is from the convection-permitting regional climate model called HARMONIE-Climate AROME (HCLIM38), using data from the global circulation model (EC-Earth2) as boundary conditions. The comparison is made for the historical time period 1985−2005 and the scenario data RCP4.5 for the near future 2040−2060. The examined months for this study was: May, June, July, August, and September. The frequency analysis of the precipitation intensities showed an increasing trend of higher precipitation intensities, and the trend was stronger as the intensity increased. Light precipitation appeared to decrease while heavy and extreme precipitation became more common. For the intensity category 0.1−5 mm/h, the change between examined time intervals showed a notable but statistically insignificant decrease of (−5.2 +/- 6.7) %. For the heavier intensities beyond that showed a strong positive and statistically significant relative changes: 5−10 mm/h had a corresponded change of (+14.6 +/- 9.0) %; 10−20 mm/h had a change of (+23.2 +/- 13.0) %; 20−30 mm/h had a change of (+41.1 +/- 25.0) %; and 30−45 mm/h had a change of (+68.7 +/- 45.0) %. The highest examined intensity was 45 mm/h or more, and it had an outstanding change of (+106.0 ± 72.0) %, which however failed to reject the null hypothesis. The countrywide and regional average precipitation was studied for the whole warm season and for the months separately. The analysis showed an increase in overall precipitation by the year 2050, which is consistent with prior studies. However, the statistical significance analysis of the average precipitation changes showed that all the changes failed to reject the null hypothesis and such result could suggest that the studied climatic periods, both 21 years, were not long enough. Longer time intervals should be considered to gain statistically robust results. Besides precipitation, wind speed was also studied. The projected wind speed did not show any strong signals or statistically significant results with the one-model set-up, as was expected based on the previous studies. The frequency analysis showed a slight indication of a decrease in the future’s wind speed, but the projection processes a high uncertainty. Overall, my results show that heavy precipitation events are projected to increase in Finland due to ongoing climate change even if the changes in overall precipitation remain insignificant. This may have notable impacts on activities such as farming and traffic in Finland already in near future.en
dc.description.abstractIlmastonmuutos on maailmanlaajuinen kriisi, jonka vaikutukset ulottuvat pitkälle tulevaisuuteen, esimerkiksi voimakkaiden rankkasateiden yleistymisenä. Ilmastoskenaariotutkimukset arvioivat sademäärän kasvavan Suomessa tulevaisuudessa. Tämän kehityssuunnan odotetaan jatkuvan vuosisadan loppuun mennessä johtaen mahdollisesti tuhoisiin seurauksiin ekosysteemeille ja taloudelle. Arvioidun voimistumisen suuruus riippuu eri ilmastoskenaarioista, jotka perustuvat lieventämistoimenpiteiden nopeuteen ja tehokkuuteen. Tulevaisuuden ilmastoa voidaan simuloida globaaleilla ilmastomalleilla, jotka toimivat verrattain karkealla erotuskyvyllä, minkä takia ne eivät pysty simuloimaan tarkasti alueellisen mittakaavan sääilmiöitä. Alueellinen ilmastomallinnus toteutetaan käyttämällä dynaamista skaalausmenetelmää, jossa reunaehtoina käytetään globaalia ilmastomallia. Hienohilaisten alueellisten ilmastomallien avulla pystytään ilmastoa tutkimaan erittäin tarkalla erotuskyvyllä, jopa 1−5 km mittaluokassa, ja tämä mahdollistaa syvän konvektion eksplisiittisen ratkaisemisen. Alueelliset ilmastomallit ovat ennestään jo tuoneet lisäarvoa esimerkiksi paikallisen topografian tarkemman mallintamisen avulla ja lyhytaikaisten sääilmiöiden simuloinnissa. Nyt lisäksi tämä vielä tarkempi konvektion salliva mittakaava parantaa erityisesti lyhytaikaisten rankkasateiden mallinnusta paikallisesti. Diplomityössä tutkittiin sadantaa Suomen maa-alueilla ja sademäärän intensiteetin muutoksia yhden ilmastoskenaarion perusteella. Simuloitu mallidata on peräisin konvektion sallivasta alueellisesta ilmastomallista nimeltä HARMONIE- Climate AROME (HCLIM38), jossa on käytetty reunaehtoina globaalia ilmastomallia EC-Earth2:iä. Vertailu tehtiin historiallisen malli-ilmaston vuosille 1985−2005 ja lähitulevaisuuden ilmastoskenaarion RCP4.5 vuosille 2040−2060. Tutkielmassa keskityttiin viiteen lämpimimpään kuukauteen: toukokuu, kesäkuu, heinäkuu, elokuu ja syyskuu. Esiintymistiheysanalyysi osoitti tunnittaisten voimakkaitten sateiden yleistymisen, ja yleistyminen oli sitä suurempaa mitä voimakkaampaa tunnittaista sademäärää tarkasteltiin. Kevyet sademäärät näyttivät vähenevän, kun taas rankkasateet näyttivät yleistyvän. Sadekategoria 0.1−5 mm/h näytti huomattavan, mutta tilastollisesti ei-merkitsevän, suhteellista vähenemisen (-5.2 +/- 6.7) % verran. Kovemmille sadevoimakkuuksille analyysi osoitti selkeän positiivisen sekä tilastollisesti merkittävän muutoksen: sadekategorian 5−10 mm/h suhteellinen kasvu oli (+14.6 +/- 9.0) %; 10−20 mm/h sadekategoriassa muutos oli (+23.2 +/- 13.0) %; 20−30 mm/h muutos oli (+41.1 +/- 25.0) % ja 30−45 mm/h muutos oli (+68.7 +/- 45.0) %. Voimakkaimman tarkastellun sadevoimakkuuden kategoria oli 45 mm/h tai sitä korkeammat, joka näytti erittäin voimakkaan suhteellisen muutoksen (+106.0 +/- 72.0) %. Tämä muutos kuitenkin epäonnistui kumoamaan nollahypoteesin otannan pienen koon tähden. Maanlaajuisen ja alueellisen keskimääräisen sadannan muutoksia tutkittiin koko lämpimälle vuodenajalle sekä kuukausille erikseen. Analyysi osoitti kokonaissadannan vähäistä kasvua vuoteen 2050 mennessä, mikä on linjassa aikaisempien tutkimuksien kanssa. Keskimääräisen sadannan muutoksille tehty tilastollinen merkitsevyysanalyysi kuitenkin epäonnistui hylkäämään nollahypoteesia millekään muutokselle. Tämä voisi viitata tutkittujen 21 vuoden ilmastojaksojen riittämättömään tarkastelupituuteen. Pidemmät ilmastojaksot tai laajemmat mallidatakokoelmat mahdollistaisivat luotettavampia tilastollisia tuloksia kokonaissadannan muutoksista. Sadannan lisäksi tutkittiin tuulen nopeutta Suomen maa-alueilla. Arvioitu tulevaisuuden tuulennopeus ei osoittanut merkittäviä signaaleja eikä tilastollisesti merkittäviä tuloksia tällä yhden mallidatan tarkastelulla, kuten myös oli odotettavissa aikaisempien tutkimusten perusteella. Esiintymistiheysanalyysi osoitti lieviä viitteitä tulevaisuuden keskimääräisen tuulennopeuden laskusta Suomessa, mutta tulos on epävarma yhden ilmastomallin tutkimuksessa. Vaikka muutokset kokonaissadannassa jäävät vähäisiksi, niin tulokset kuitenkin osoittivat rankkasateiden yleistyvän Suomessa ilmastonmuutoksen vuoksi. Tällä voi olla merkittäviä vaikutuksia, esimerkiksi maanviljelyyn ja liikenteeseen jo lähitulevaisuuden Suomessa.fi
dc.format.extent64 + 5
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/120943
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-202305213279
dc.language.isoenen
dc.programmeMaster’s Programme in Engineering Physicsfi
dc.programme.majorMaterials Physics and Quantum Technologyfi
dc.programme.mcodeSCI3056fi
dc.subject.keywordregional climate modelingen
dc.subject.keywordconvection-permittingen
dc.subject.keywordHCLIM38en
dc.subject.keywordprecipitationen
dc.subject.keywordwind speeden
dc.subject.keywordFinlanden
dc.titleProjected changes in precipitation and wind speed over Finland from a convection-permitting regional climate modelen
dc.titleSadannan ja tuulen nopeuden muutokset Suomessa − konvektion salliva alueellinen ilmastomallinnusfi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
local.aalto.electroniconlyyes
local.aalto.openaccessyes
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Utriainen_Laura_2023.pdf
Size:
4.73 MB
Format:
Adobe Portable Document Format