Tommi Norri
Lumitilanteen kartoittaminen on tärkeää vesitalouden, maanviljelyn ja säähavaintojen kannalta. Sen avulla kyetään ennustamaan lumen sulamisesta johtuvien tulvien suuruutta, arvioimaan roudan aiheuttamia tuhoja, parantamaan sääennustuksia ja tehostamaan vesivoimaloiden energiantuottoa.
Kaukokartoitusmenetelmien hyväksikäyttöä lumitilanteen kartoituksessa on tutkittu viimeisen kolmenvuosikymmenen ajan. Kaukokartoituksen avulla on mahdollista kattaa laajoja alueita ja seurata sellaisia alueita, joita ei voida tarkkailla maa-asemaverkon avulla.
Viime vuosina on alettu yhä enenevässä määrin kehittämään mikroaaltoalueella toimivia instrumentteja. Mikroaaltoinstrumenttien avulla on mahdollista saada informaatiota lumipeitteen paksuudesta, mikä on tärkeää tietoa suunniteltaessa edullista ja tarkoituksenmukaista tapaa lumen hyödyntämiseksi.
Tässä seminaariesitelmässä tarkastellaan mikroaaltoradiometrillä tapahtuvaa lumen kaukokartoitusta ja selvitetään sen käyttökelpoisuutta lumeen varastoituneen vesimäärän määrittämisessä.
Lumitilanteen kartoittamista kaukokartoitusmenetelmillä on tutkittu kolmella eri taajuusalueella. Taulukossa 2.1. esitetään eri taajuusalueiden soveltuvuus lumipeitteen erilaisiin ominaisuuksiin.
Taulukko 2.1. Eri taajuusalueiden vertailu lumen kaukokartoitukseen (Rango 1983)
Ominaisuus/Aallonpituus Näkyvä valo/ Lämpö Mikroaalto
lähi-infrapuna infrapuna
Lumen peittämän alueen kyllä kyllä kyllä
laajuus
Lumen syvyys kohtuullinen heikko kohtuullinen
(jos lunta vähän)
Lumen vesiarvo kohtuullinen heikko kohtuullinen
(jos lunta vähän)
Lumen albedo kyllä ei ei
Nestemäisen veden määrä heikko heikko kyllä
Lämpötila ei kyllä heikko
Mittausmahdollisuus ei ei kyllä
säästä riippumatta
Kuvan resoluutio kymmeniä satoja passiivinen:
metrejä metrejä 5 -150 km
aktiivinen:
kymmeniä metrejä
Mikroaaltoalueen laitteistoilla on huomattavia etuja muihin nähden:
- mittausten suorittaminen on lähes riippumaton ilmakehän olosuhteista. Mittaukset eivät vaadi auringonvaloa, joten ne voidaan suorittaa vuorokauden ajoista riippumatta. Tämän lisäksi aallot läpäisevät pilvipeitteen, joten mittauskyky on lähes riippumaton myös sääoloista, tosin runsaasta vesisateesta voi aiheutua ongelmia.
- mikroaaltotaajuuksilla saadaan informaatiota myös kohteen sisältä niiden tunkeutumiskyvyn ansiosta.
Mikroaaltoalueen passiivisten insrumenttien huonona puolena on heikko resoluutio. Sen sijaan saman alueen aktiivisilla järjestelmillä on mahdollista päästä lähes samaan resoluutioon kuin optisen alueen instrumenteilla.
Tarkasteltaessa mikroaaltojen ja lumen vuorovaikutusta olennaisia asioita ovat mikroaaltojen absortio ja emissio lumessa sekä lumessa tapahtuva sironta.
Kaikki materia, jonka lämpötila ylittää 0 kelviniä, säteilee sähkömagneettista säteilyä. Mustalla kappaleella tarkoitetaan esinettä, joka absorboi kaiken siihen tulevan säteilyn ja myös emittoi kaiken absorboimansa energian. (Ulaby ym. 1981)
Ideaalista mustaa esinettä ei ole olemassa, mutta joidenkin kappaleiden säteily noudattaa lähes mustan kappaleen säteilyä.
Kaukokartoitus mikroaalloilla tarkoittaa käytännössä maanpinnan kirkkauslämpötilan mittaamista. Kuivan maanpinnan säteily muistuttaa melko paljon mustan kappaleen säteilyä, jolloin sen kirkkauslämpötila on lähellä, vain 5...20 K päässä, sen fysikaalisesta lämpötilasta.(Jolma 1986)
Aineen absorptiolla kuvataan sähkömagneettisen säteilyn imeytymistä siihen. Absorptioon vaikuttavat aineen dielektriset ominaisuudet ja käytettävä aallonpituus.
Lumessa dielektrisistä ominaisuuksista aiheutuva vaimennus riippuu lumen kosteustilasta. Kuivassa lumessa niillä on pieni merkitys, mutta kosteassa lumessa niiden aiheuttama vaimennus on dominoiva. Suuret häviöt vaikuttavat mikroaaltojen tunkeutumiskykyyn merkittävästi. Kuvassa 3.1 on esitetty lumen kosteuden vaikutus tunkeutumiskykyyn eri taajuuksilla.
Kuva 3.1 Mikroaaltojen tunkeutumiskyky märässä lumessa
(Jolma 1986)
Mittauksilla on kyetty osoittamaan, että lumen emissiivisyys riippuu seuraavista fyysisistä tekijöistä : lumen vesiarvosta, kidekoosta, mittaustaajuudesta sekä pinnan epätasaisuudesta.
Lumen kidekoko ja mittaustaajuus ovat avaintekijöitä kuivassa lumessa tapahtuvan sironnan ja tunkeutumiskyvyn kannalta. Aallonpituuden lähestyessä kiteen kokoluokkaa alkaa tapahtua tilavuussirontaa ja siitä tulee dominoiva tekijä lumipeitteessä tapahtuvaan vaimennukseen.
Kuva 3.2 Mikroaaltojen tunkeutumiskyky kuivassa lumessa.
(Jolma 1986)
Sironnalla tarkoitetaan radioaaltojen suunnan muuttumista väliaineen epähomogeenisuuden vuoksi. Sironta jaetaan pintasirontaan ja tilavuussirontaan. Pintasironta tapahtuu aineen pinnan epätasaisuuden vuoksi ja tilavuussironta aineen sisärakenteen epähomogeenisuuksien vuoksi. Edellytyksenä sironnalle on, että aineen epähomogeenisuuksien koko on vähintään n. 10% aallonpituudesta, lisäksi tilavuussironta edellyttää sellaista tunkeutumissyvyyttä, että mikroaallot voivat edetä väliaineen sisällä vähintään muutamia aallonpituuksia.(Jolma 1986).
Tarkkaa alarajaa taajuudelle, joka siroaa lumessa, ei pystytä määrittämään, mutta noin 20 Ghz:a voidaan pitää sellaisena keskitalven olosuhteissa.(Jolma 1986)
Sironnan merkitys kaukokartoituksessa on merkittävä, sillä se aiheuttaa kirkkauslämpötilan muuttumisen. Passiivisilla mikroaaltoinstrumenteillä tapahtuvassa lumen kaukokartoituksessa havaittava suure on kirkkauslämpötila.
Mikroaaltoradiometri on passiivinen kaukokartoitusinsrumentti, joka mittaa kohteen luonnostaan lähettämää lämpösäteilyä mikroaaltoalueella. Radiometrin mittaama suure on kirkkauslämpötila. Kirkkauslämpötilalla tarkoitetaan kohteena olevan kappaleen pinnan emissiivisyyden ja fyysisen lämpötilan tuloa. Kirkkauslämpötila ilmaisee siis kohteen emittoiman tehon suuruutta tietyllä taajuuskaistalla.
Mikroaaltoradiometrin soveltuvuutta lumen kaukokartoitukseen on tutkittu paljon Nimbus-7 -satelliitistä. Nimbus-7:n SMMR-mittausjärjestelmällä (Scanning Multi-channel Microwave Radiometer) suoritettut mittaukset ovat olleet merkittäviä tietolähteitä tutkittaessa mikroaaltoradiometrin soveltuvuutta lumen kaukokartoitukseen.
Nimbus-7 SMMR - mittausjärjestelmän ominaisuuksia :
Lumipeitteisten alueiden kirkkauslämpötilaan vaikuttavat monet erilaiset osatekijät. Ne tulevat kolmesta eri lähteestä: mittauslaitteistosta, lumesta ja maastosta.
Mikroaaltoradiometrin mittaustuloksiin vaikuttavat parametrit ovat mittaustaajuus, mittauskulma ja polarisaatio. Ne tulee valita huolella, sillä onnistuneella parametrien valinnalla minimoidaan muiden tekijöiden vaikutus kirkkauslämpötilaan ja mahdollistetaan hyvä korrelointi kirkkauslämpötilan ja vesiarvon välille.
Lumimittauksissa käytetyin mittaustulokulma on 50 astetta. Silloin kyetään havaitsemaan suurin ero horisontaali- ja vertikaalipolarisaation välillä.
Taajuuden valinnalla pyritään minimoimaan ilmakehän vaikutusta käyttämällä sellaisia taajuuksia, joihin ilmakehässä olevan vesihöyryn aiheuttama vaimennus on mahdollisimman pieni. Kuvassa 5.1 on esitetty ilmakehän läpäisykerroin taajuuden funktiona.
Kuva 5.1 Ilmakehän tehon läpäisykerroin standardiolosuhteissa.
(Jolma, 1986)
Lumipeitteen kirkkauslämpötilaan vaikuttavat parametrit ovat lumipeitteen paksuus, lumen kidekoko, lumipinnan epätasaisuus ja lumen dielektrisyys.
Nämä parametrit siis vaikuttavat mikroaaltojen ja lumen vuorovaikutukseen. Tällöin olennaisia asioita ovat mikroaaltojen absorptio, emissio ja lumessa tapahtuva tilavuussironta. Näitä asioita tarkasteltiin tarkemmin kappaleessa 3.
Mittausalueen maatyypillä on todettu olevan vaikutusta kirkkauslämpötilaan. Sen vaikutusta pyritään eliminoimaan etsimällä kullekin maatyypille (metsä, pelto, suo, järvi) oma vaste, eli kirkkauslämpötilan riippuvuus lumen vesiarvosta ko. maatyypin kohdalla. (Jolma 1986)
Kuva 5.2 Kirkkauslämpötilan muutos metsän tiheyden suhteen
(Kurvonen 1994)
Mätzler (1987) on mittaustensa perusteella määritellyt lumelle kolme eri luokkaa: kuiva talvilumi, kostea lumi ja uudelleen jäätynyt lumi. Kyseinen lumen luokittelu pohjautuu erityyppisissä lumikerroksissa havaittaviin suuriin muutoksiin mikroaaltojen tunkeutumiskyvyssä ja emissiossa.
Mikroaaltoradiometrimittauksilla on mahdollista erottaa kuiva lumi märästä lumesta ja lumettomasta alueesta. Kirkkauslämpötiloissa tämä näkyy kuivan lumen osalta kirkkauslämpötilan laskuna.
Kostean lumen havaitseminen mikroaaltoradiometreillä ei onnistu. Tämä johtuu siitä, että kostean lumen kirkkauslämpötila on hyvin likellä lumettoman maan kirkkauslämpötilaa. Kuvassa 5.3 näkyy erilaisten lumitilanteiden vaikutus kirkkauslämpötilaan.
Kuva 5.3 Keskimääräinen kirkkauslämpötilojen muutos eri maastotyyppien suhteen erilaisissa lumiolosuhteissa.
(Kurvonen 1994)
Keväisin päivä- ja yölämpötilojen ero saattaa olla jopa yli kaksikymmentä astetta. Päivisin auringon paistaessa tapahtuu lumen sulamista, mutta yöllä lämpötilan laskiessa lumi alkaa uudelleen jäätyä.
Mikroaaltoradiometrillä tehdyissä mittauksissa tämä ilmiö voidaan havaita jyrkkänä päivä- ja yökirkkauslämpötilojen vaihteluna. Kuvassa 5.4 on esitetty lumen uudelleen jäätymisen vaikutus kirkkauslämpötilaan.
Kuva 5.4 Kirkkauslämpötilojen muuttuminen yön aikana uudelleen jäätyneen lumikerroksen paksuuntuessa.
Mittaustaajuuksina 4.9, 21 ja 36 Ghz. Mittauskulma 50 astetta.
Tutkimuksissa, jotka tarkastelevat lumipeitteen kirkkauslämpötilan korrelointia lumen vesiarvoon, käytetyt vesiarvoalgoritmit perustuvat yksittäisiin kanaviin tai lähinnä kahden eri kanavan välisiin erotuksiin.
Paras tulos on saatu vähentämällä 18 ja 37 Ghz kirkkauslämpötilojen erotuksesta vastaava erotus lumettoman maan tilanteessa.
Kuvassa 6.1 on esitetty erilaisilla algoritmeilla saadut kirkkauslämpötilan muutoksien korrelaatiot lumen vesiarvoon nähden.
Kuva 6.1 Kirkkauslämpötilan muutoksen korrelaatio vesiarvoon
(Jolma 1986)
Mikroaaltoradiometreillä on mahdollista havaita lumi luotettavasti. Tosin lumen vesiarvo kyetään määrittämään ainoastaan kuivasta lumesta. Tällöin on mahdollista saavuttaa noin 30 mm tarkkuus ja sitä on mahdollista parantaa keskimäärin 10 %:a huomioimalla erilaiset maatyypit mittausten analysoinnissa.
Mikroaaltoradiometrien erotuskyky satelliitista on siis nykyisellään kymmenien kilometrien luokkaa. Sen sijaan aktiivisilla insrumenteilla on mahdollista saavuttaa yhtä hyvä erotuskyky kuin optisilla ilmaisimilla, joka on kymmenien metrien luokkaa.
Viime vuosina onkin ryhdytty tutkimaan aktiivisten kaukokartoitusinstrumenttien soveltuvuutta lumen kaukokartoitukseen. Suomessa on tutkittu SAR-kuvien käyttökelpoisuutta lumen kaukokartoituksessa (Koskinen 1994) Tutkimuksessa tarkasteltiin kuivan maan, kuivan lumen, märän maan ja märän lumen erottumista ja tuloksena todettiin, että ERS-1:n SAR-tutka soveltuu erinomaisesti märän lumen kaukokartoitukseen. SAR-kuvista on myös mahdollista seurata lumen sulamista. Sen sijaan muiden lumityyppien erottaminen SAR-kuvilta on vaikeaa ilman lisäinformaatiota.
Lumimittauksen hyöty koituu yhteiskunnalle vesivoiman, tulvatorjunnan, muun vesien käytön, vesien suunnittelun, rakennusten suunnittelun ja käytön sekä tutkimuksen kautta. (Perälä 1992)
Suomen sähköenergiasta tuotetaan vesivoimalla noin 20 %. Vesivoimaloiden toimintaan liittyy läheisesti voimaloiden yläpuolisten altaiden säännöstely, jolla pyritään siirtämään virtaamaa taloudelllisesti edullisempiin ajankohtiin. Voimatalouden lisäksi vesistöjä säännöstellään tulvansuojelun, vesiliikenteen, uiton ja veden hankinnan tarpeisiin. Keväisin sulava lumi aiheuttaa yleensä suuriakin ylivirtaamia ja näiden ennustaminen on tärkeää, jotta vesistöjä kyettäisiin tarkoituksen mukaisesti käyttämään. (Kuittinen 1985)
Taulukossa 7.1 on esitetty rahallinen arvio lumi-informaatiosta koituvista hyödyistä Suomessa. Taulukossa esitetyt arviot perustuvat J. Perälän tekemiin keskusteluihin eri asiantuntijoiden kanssa. Mitään asiaan suoraan liittyviä julkaisuja tai sisäisiä selvityksiä ei ole tehty. Näin ollen taulukossa esitetyt luvut ovat pikemminkin valistuneita arvauksia kuin varsinaisia selvityksiä. (Perälä 1992).
Taulukko 7.1 Lumi-informaation keskimääräinen vuotuinen hyöty kaudella 1971 -1990 (Perälä 1992)
Hyöty
(milj. mk)
Vesivoimahyöty 9.5
Tulvatorjunta 2.0
Muu säännöstelystä koituva hyöty 1.3
Rakennusten käyttö 0.3
Suunnittelu 1.0
Tutkimukselle yleensä koituva hyöty 1.0
YHTEENSÄ 15.1
Radiometreillä on mahdollista havaita lunta luotettavasti. Niiden käyttökelpoisuus tulee erityisesti esiin tarkasteltaessa kuivaa talvilunta. Tällöin kyetään mittaamaan lumen vesiarvo kohtuullisen tarkasti.
Lumitilanteesta saadaan parhaiten informaatiota, kun käytetään maasta käsin suoritettuja mittauksia ja kaukokartoitusmenetelmin saatuja havaintoja. Niiden lisäksi voidaan hyödyntää pitkän ajanjakson tilastotietoja, joista on mahdollista tarkastella lumipeitteiden keskimääräistä käyttäytymistä.