MALin gradupalkinto 2022 Elias Vänskälle

MALin pro gradu –palkinto jaetaan vuosittain jollekin matematiikan, fysiikan tai tietojenkäsittelytieteen alalla edellisenä vuotena valmistuneelle työlle. MALin hallitus päätti, palkintotoimikunnan ehdotuksen mukaisesti, palkita Elias Vänskän työstään ”Pääkomponenttianalyysiin perustuva mallin reduktio kaasupäästöjen Bayesilaisessa estimoinnissa”. Hän työskentelee Itä-Suomen yliopistossa laskennallisen fysiikan ja inversio-ongelmien tutkimusryhmässä. Palkinnon arvo on 5000 euroa.

Työssään Vänskä kehitti uusia lasermittausta hyödyntäviä estimointimenetelmiä kasvihuonekaasupäästöjen määrittämiseen, ja tuloksilla on merkittävää käytännön potentiaalia. Työn seikkaperäinen tiivistelmä on alla.

Vänskä kertoo, että ollessaan kesällä 2020 tutkimusharjoittelijana laskennallisen fysiikan ja inversio-ongelmien tutkimusryhmässä hän halusi työskennellä jonkin ympäristösovelluksen parissa ja päätyi sen perusteella professori Aku Seppäsen ohjattavaksi kasvihuonekaasujen monitorointitutkimukseen. 

Vänskä asuu Kuopiossa ja jatkokehittää gradunsa menetelmiä väitöskirjaa varten. 

Tiivistelmä

Tarkkoja kaasulähteiden paikannus- ja kvantifiointimenetelmiä tarvitaan hai-tallisten kaasuvuotojen estämiseksi sekä globaalien kasvihuonekaasupäästö-jen vähentämiseksi. Paikan ja ajan suhteen muuttuvan kasvihuonekaasupitoisuuden määrittämiseen on kehitetty useita erilaisia mittausmenetelmiä. Kaasupitoisuuden määrittäminen ei kuitenkaan tarjoa suoraa tietoa kaasulähteestä. Tästä syystä kaasulähteen paikan ja voimakkuuden ratkaisemiseen ajan suhteen peräkkäisistä konsentraatiomittauksista tarvitaan ongelmaan soveltuvia inversiomalleja.Tässä työssä hyödynnetään Bayesilaista tilaestimointia ajan suhteen muuttuvien kaasukonsentraatio- ja -lähdejakaumien estimointiin kolmiulotteisessa avaruudessa. Tila-avaruusmallissa käytetään avoimen säteen laserdispersiospektroskopiaan perustuvaa havaintomallia, sekä konvektiodiffuusioyhtälöön perustuvaa kaasukonsentraation evoluutiomallia. Lisäksi työssä johdetaan pääkomponenttianalyysiin perustuva redusoitu tilaestimointimalli, jolla pyritään lyhentämään estimaattien laskemiseen vaadittavaa aikaa.Tilaestimointimallien toimivuutta tutkitaan sekä simuloiduista mittauksista että kokeellisista metaanimittauksista laskettujen estimaattien avulla. Kolmiulotteisella mallilla saatuja estimaatteja verrataan tuloksiin, jotka on saatu konvektiodiffuusioyhtälön kaksiulotteista approksimaatiota hyödyntävällä mallilla. Lisäksi redusoidulla mallilla laskettuja estimaatteja verrataan täyden kertaluvun mallin tuloksiin. Sekä täydellä että redusoidulla mallilla lasketut lähdejakaumien rekonstruktiot sijaitsevat metrien sisällä todellisista lähteistä. Redusoidulla mallilla lasketut rekonstruktiot ovat vertailukelpoisia täyden kertaluvun mallin tulosten kanssa ja niiden laskenta-aika on alle 10 % täyden kertaluvun mallinlaskenta-ajasta. Lisäksi kolmiulotteisella mallilla lasketut muuttujien posteriori-jakaumat ovat todenmukaisempia kaksiulotteisella mallilla laskettuihin jakaumiin verrattuina. Myös kokeellisesta datasta kolmiulotteisella redusoidulla mallilla lasketut lähdejakauman rekonstruktiot ovat metrien sisällä todellisesta kaasulähteestä. Estimaattien laskemiseen koko 52 minuutin mittausjaksolta kului 5 minuuttia, kun nykyisin käytössä olevilla inversiomenetelmillä vastaavan mittauksen tyypillinen käsittelyaika on tuntien suuruusluokkaa.