Surface-atmosphere exchange of momentum, energy and atmospheric constituents affects the atmosphere--from alterations in local microclimates and mesoscale weather to climate modification. These exchange processes can be studied using direct eddy-covariance (EC) measurements of vertical turbulent transport, but the technique has not yet readily been applied in non-prevailing ecosystems. Thus, the aim of this thesis is to extend the applicability of the EC technique in two ways: to non-standard sites and by further developing the technique itself. To reach the aim, EC measurements over a boreal lake and three urban sites in Helsinki were performed.
Long-term measurements over a lake revealed that the water below the thermocline was decoupled from the atmosphere and thus not important for atmospheric vertical turbulent fluxes. The energy exchange between the lake and the atmosphere departs from vegetated surfaces especially due to large nocturnal evaporation fuelled by lake-water heat storage. Long-term measurements at a semi-urban site in Helsinki showed that the surface-atmosphere exchange is altered by anthropogenic activity: changes in surface-cover and an additional anthropogenic heat release (13 W m-2) led to an altered surface energy balance, and anthropogenic CO2 emissions led to a large positive annual CO2 balance (1.8 kg C m-2). Intra-site and intra-city variation in surface-cover led to differences in atmospheric stability and CO2 emissions. The EC technique evaluation demonstrated that (i) the 'energy imbalance problem' in EC measurements is not primarily surface-cover dependent, and that (ii) common calculation errors in EC calculations can be almost 30% of the flux. Water vapour flux measurements with a closed-path analyser were affected by sorption: the signal's arrival is delayed and it is attenuated. A new spectral-correction method based on wavelet analysis was developed to automatically correct for this signal attenuation of constituents.
The conclusions of this thesis improve the understanding of surface-atmosphere exchange over non-standard ecosystems. The lake measurements will continue to be used for improving weather forecasts, and the results from the urban studies can be used in city-planning. The EC technique is developed by offering guidance in calculations at urban sites and by introducing a new correction algorithm.Pyörrekovarianssitekniikalla maanpinnan ja ilmakehän välisen vuorovaikutuksen jäljillä
Maanpinta ja ilmakehä ovat vuorovaikutuksessa keskenään erilaisten energian ja materian pystyvirtausten, eli voiden, kautta. Turbulenttiset pystysuuntaiset vuot kuljettavat muun muassa lämpöä, vesihöyryä ja hiilidioksidia. Turbulenttisten voiden suuruus riippuu pinnan tyypistä sekä ilmakehän ominaisuuksista, ja vuot vaikuttavat sekä paikallissäähän että ilmastoon. Ihmisten aiheuttamat lämpöpäästöt voivat esimerkiksi aiheuttaa korkeampia lämpötiloja kaupungeissa ja hiilidioksidipäästöt kiihdyttävät ilmastonmuutosta. Näitä turbulenttisia pystyvoita voidaan mitata suoralla pyörrekovarianssi-mittaustekniikalla. Se perustuu korkeataajuisiin tuulen, lämpötilan ja kaasujen pitoisuusmittauksiin, jotka tehdään korkeassa mastossa, tutkittavan ekosysteemin yläpuolella.
Tämän väitöstyön tavoitteena oli laajentaa pyörrekovarianssi-tekniikan soveltuvuutta uusiin ympäristöihin (järvi ja kaupunki) sekä kehittää uusia vuonlaskentamenetelmiä. Tutkimus perustui useamman vuoden mittauksiin eteläsuomalaisella järvellä sekä kolmella mittausasemalla Helsingissä. Työn uusia ympäristöjä käsittelevässä osiossa osoitettiin, että järven pinnan energiatase eroaa suuresti maanpinnan taseesta, koska järvi haihduttaa vettä myös läpi yön ja sillä on suuri lämmönvarastointikapasiteetti. Nämä tulokset painottavat kuinka tärkeää on huomioida järvien olemassaolo säänennustusmalleissa. Kumpulan kampuksella Helsingissä tehdyt mittaukset osoittivat, että ihmisperäinen lämmönpäästö on suurta (13 W m 2), ja että hiilidioksidipäätöt aiheuttavat positiivisen vuositaseen (1.8 kg C m 2), vaikka kasvillisuus onkin hiilidioksidinielu. Kaupungin sisäisen vaihtelun analyysi osoitti, että Helsingin keskustan suuret lämpöpäästöt pitävät meteorologiset inversiotilanteet loitolla myös talvisin, ja että keskustassa on myös jatkuvasti suuremmat hiilidioksidipäästöt kuin Kumpulassa, koska kasvillisuutta on vähemmän. Näitä tuloksia voidaan hyödyntää kaupunkisuunnittelussa.
Laskentamenetelmiä kehiteltäessä huomattiin, että pyörrekovarianssimenetelmälle tyypillinen pinnan energiataseen epätasapaino ei riipu pinnasta, ja että tyypilliset virheelliset laskentamenetelmät voivat aiheuttaa helposti 30 prosentin virheen tuloksissa. Vesihöyryn takertuminen mittauslaitteiston putkistoon etenkin aiheuttaa suurta signaalihäviötä. Tätä varten kehitettiin uusi aikasarja-analyysiin perustuva korjausalgoritmi joka palauttaa hävitetyn signaalin. Näitä tuloksia voidaan käyttää pyörrekovarianssimittauksien analysoimisessa ympäri maailman, riippumatta mitattavasta pinnasta
