환경 강화된 엘니뇨 유사 대류의 지배력은 전 지구적 대기 순환 변화에 관련됨
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강화된 엘니뇨 유사 대류의 지배력은 전 지구적 대기 순환 변화에 관련됨
복잡한 전 지구적 대기 순환 변화는 열대 지방의 대류 이상에서 비롯될 수 있으며, 이는 기후 체계 1 , 2 , 3 , 4 의 전 지구적 원격연결의 예입니다 . 강우와 관련된 잠열 방출로 인해 유발된 대기 신호의 전 지구적 전달은 인구 밀도가 높은 지역을 포함한 다른 지역에서 극심한 날씨를 악화시킬 수 있습니다. 대류 활동과 직접적으로 결합된 기본적인 장기 해수면 온도(SST) 변화는 광범위한 기후 변동성의 원인으로 인식되어 예측 목적으로 사용되었습니다. 5 , 6. 특히 남아시아 여름철 몬순은 엘니뇨가 발달하는 여름 동안 정상보다 약해지는 경향이 있으며 7 , 8 , 9 이는 관련된 변칙적인 워커 순환 10 , 11 에 기인합니다 . 또한 북미와 남미 모두 극지방으로 전파되는 대기 로스비파 열차, 즉 태평양 북아메리카(PNA)와 태평양 남아메리카(PSA) 패턴 1 , 12 , 13 , 14 의 영향을 받는데 , 이는 엘니뇨-남방 진동(ENSO)과 직접 관련된 열대 중부 태평양(CP)의 이상 강우에 대한 반응입니다. 마찬가지로 남극을 향해 극지방으로 전파되는 파동 열차는 인도양 쌍극자 15 , 16 에 의해 유도됩니다 . 또한 북대서양 온난화 17 , 18 와 인도양 분지 온난화 19 , 20 , 21 는 동쪽으로 전파되는 켈빈파를 통해 동남아시아와 동아시아의 기후 변화를 조절할 수 있습니다.
열대 해양-대기 결합의 대규모 원격상관(teleconnection)은 각 해양에서 독립적으로 나타나는 경우가 있는데, 그 중 하나가 개별적으로 발생할 수도 있기 때문입니다 .22 , 23 , 24 하지만 세 열대 해양의 공변동성으로 인해 공동 영향이 증폭된다는 점이 더욱 주목할 만합니다 .25 , 26 , 27 , 28 따라서 다양한 대류 이상 현상이 지구 및 지역 기후 변화에 미치는 상대적인 영향을 연구하는 것은 광범위한 관심사입니다 .29 , 30 , 31. 특히, 특정 기후 모드의 강도를 측정하는 지수(즉, 시계열)를 기준으로 삼는 것은 상관 관계 또는 회귀 지도를 통해 선형 반응을 조사하는 데 일반적으로 채택됩니다. 그러나 몇 가지 단일 시계열에 기반한 이 단순화된 방법은 복잡한 지구 시스템 뒤에 있는 지형적 특징을 재현하기 어렵게 만듭니다. 이전 연구에서 보고된 바와 같이, 일반적으로 사용되는 Niño3.4 및 Niño3 지수만으로는 열대 태평양 SST의 복잡한 변동을 표현하기에 부적절하여 32 , 33 ENSO의 원격 영향의 일부 중요한 특성이 포착되지 않습니다. 더욱이 여러 지수가 다양하고 호환되지 않는 방식으로 식별되면 서로 다른 해양의 원격 연결을 비교하는 것이 어렵습니다.
최첨단 기후 모델을 사용하는 민감도 실험은 다양한 지역에서 대류 및 SST 변칙의 잠재적 영향을 평가하는 데에도 유익합니다 3 , 34 , 35 , 36 . 그러나 모델 매개변수화의 본질적인 불확실성과 현재 기후 모델의 제한된 해상도는 잘 설계된 실험에서도 얻은 결과의 신뢰성을 손상시킬 수 있습니다.예를 들어, 적도 태평양의 차가운 혀에서 기후 모델이 나타내는 큰 편향은 ENSO와 그 전 지구적 원격상관을 시뮬레이션하는 기술에 상당한 불확실성을 가져올 수 있습니다.37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42. 또한 다양한 모델을 사용하는 포괄적인 해양-대기 결합 실험 은 계산적으로 비용이 많이 듭니다.이것은 관측 및 재분석 데이터 세트에서 대류 이상과 대기 변화 간의 복잡한 관계를 정량적으로 평가하는 데 적합한 데이터 기반 접근 방식을 개발해야 할 필요성을 강조합니다.이렇게 하면 대류 이상의 원격 효과를 각 단일 그리드 셀에서 정량화하고 다양한 영역에서 비교할 수 있습니다. 복잡한 네트워크 분석은 지역에서 전 지구적 규모에 이르는 비정상적인 기상 현상 간의 복잡한 연관성을 밝혀낼 수 있는 높은 잠재력을 가지고 있습니다. 이전 기후 네트워크 연구에서는 극한 강우 43 , 44 , 가뭄 45 , 그리고 폭염 46 , 47 의 동기화 특징과 전파 경로를 밝혀냈습니다. 더욱이, 복잡한 대기 순환 패턴이 기후 극한 원격상관(즉, 원격 동시 발생)을 조절하는 데 중요한 역할을 한다는 점이 네트워크 분석 43 , 44 , 46 , 47 , 48을 기반으로 강조되었습니다.
예를 들어, 고기압 이상(폭염)과 저기압 이상(한랭 현상) 사이에 약 2,700km의 눈에 띄는 거리가 있는 대기 로스비파 열차는 네트워크 분석 47 으로 포착할 수 있습니다 . 나아가 아마존과 티베트 고원 49 사이의 팁핑 과 북극 활동 및 중위도 날씨 50 를 연결하는 대기 신호가 네트워크 분석에 의해 전파되면서 기후 변동성의 복잡한 원격 연결에 대한 이해가 향상되었습니다.
이 연구에서는 복잡한 네트워크 방법론을 적용하여 그리드 셀( 2.5° × 2.5° 해상도 의 관측 CMAP 강우량 51 의 글로벌 그리드와 2° × 2° 해상도의 ERA5 재분석 데이터 세트 52 사용 )에 대한 대류 이상이 이후 "글로벌 기후 관련성"이라고 하는 글로벌 대기 순환 변화와 어느 정도 연결되어 있는지 정량화합니다. 대류와 대기 순환 사이의 더 직접적인 연관성을 고려하여, 대부분의 이전 연구(위 참조)에서처럼 해수면 온도(SST)를 사용하는 대신 대류를 사용하여 기후 네트워크를 구축했습니다. 7개의 기후 네트워크는 지구 규모에서 이상 강우와 상층 대류권 기압 사건 간의 시간적 유사성을 기반으로 구축되었습니다(자세한 내용은 방법 참조). 두 격자 셀 간 연결 강도는 한 격자 셀에서 이상 강우가 발생하고 다른 47개 격자 셀에서 이상 상층 대류권 기압 사건이 발생하는 동시 펜타드(분석 기간 1979~2016년)의 개수로 정의됩니다(자세한 내용은 방법 참조). 특정 강우 격자 셀에 대한 모든 주요 연결 강도(즉, 지구 순환에 대한 차수 중심성)는 해당 격자 셀에서 대류 이상 현상이 지구 기후와 관련이 있음을 나타냅니다. 본 연구에서는 복합 네트워크 분석을 통해 엘니뇨 유사 대류의 우세를 강조했습니다. 또한, 우리는 CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6) 53 의 모델 출력에 동일한 종류의 분석을 적용하고 , 미래 지구 온난화의 SSP585 및 SSP245 시나리오에서 엘니뇨와 유사한 대류의 지구 기후 관련성이 강화될 것으로 예상합니다.
결과
지구 순환 변화에 관련된 엘니뇨와 유사한 대류의 관찰된 우세
우리는 정상 이상 강우량, 정상 이하 강우량, 정상 이상 상층 대류권 기압 사건 및 정상 이하 상층 대류권 기압 사건 간의 동시 펜타드 수를 기반으로 7개의 기후 네트워크를 구성합니다(자세한 내용은 방법 참조).4개의 대류-순환 네트워크의 지구 순환에 대한 차수 중심성을 분석하여(자세한 내용은 방법 참조) 다양한 지역에 대한 이상 강우 사건의 지구 기후 관련성을 정량화합니다(그림 1). 구체적으로, 지구적 이상 기압 사건에 대한 내도 중심성은 특정 격자 셀에 대한 대류 이상이 지구 순환 변화에 어느 정도 관련이 있는지를 나타냅니다. 저희 분석에 따르면, 해양 대륙(MC)과 적도 CP에 대한 대류 이상은 4개 네트워크의 합산된 내도 중심성에서 알 수 있듯이 지구 순환 변화와 가장 강력한 연관성을 보입니다(그림 1a ).
그림 1: 지구 대기 순환의 변화에 관련된 엘니뇨 유사 대류의 관측된 우세. 지구적 이상 기압 사건에 대한 내도 중심성(단위: ×10,000)은 a 모든 4개 대류 순환 네트워크, b 정상 이상 강우 사건에 기반한 2개 네트워크, c 정상 이하 강우 사건에 기반한 2개 네트워크에 대해 합산되었습니다. (b)의 두 네트워크에는 (1) 정상 이상의 강우와 고기압 현상, (2) 정상 이상의 강우와 저기압 현상이 극단적으로 동시에 발생하는 반면, (c)의 다른 두 네트워크에는 (3) 정상 이하의 강우와 고기압 현상, (4) 정상 이하의 강우와 저기압 현상이 동시에 발생합니다. (a~c)의 높은 값의 영역은 이상 강우 현상이 300 hPa에서 전지구 이상 대기압 현상과 매우 동시에 발생하는 곳을 나타냅니다. 해양 대륙(남위 10°~북위 10°, 동경 90°~160°)과 적도 중앙 태평양(남위 10°~북위 10°, 동경 170°~서경 120°)은 (a~c)의 색칠된 상자로 표시되어 있습니다. 네트워크 결과는 1979~2016년 동안 300 hPa에서 5배 평균 CMAP 강우량과 ERA5 지오포텐셜 높이를 기반으로 합니다. 전체 크기 이미지 강우 패턴을 명확하게 보여주기 위해 정상 이상 및 정상 이하 강우에 따른 네트워크 결과가 다음에 별도로 제시됩니다.전 세계 대기 순환의 변화는 적도 CP의 정상 이상 강우(그림 1b ) 와 MC의 정상 이하 강우(그림 1c ) 모두와 강력하게 연결됩니다.이 두 가지 변칙적인 강우 사건은 독립적으로 발생하는 것이 아니라 서로 밀접하게 연결되어 있다는 점을 강조하는 것이 중요합니다.정상 이상 및 정상 이하 강우 사건 간 네트워크의 교차 중심성을 기반으로, CP의 정상 이상 강우가 시놉틱 시간 척도에서 MC의 정상 이하 강우와 매우 동시에 발생한다는 것을 발견했습니다(그림 2a, b ).CP 및 MC에 대한 이러한 대류 변칙의 서-동 쌍극자는 연간 시간 척도에서 관찰된 엘니뇨와 유사한 대류 패턴과 매우 유사합니다 3 , 4 . 엘니뇨가 연간 시간 척도에 현저한 영향을 미치더라도 적도 태평양의 시놉틱 대류 사건의 연간 빈도는 엘니뇨와 유사한 해수면 온도(SST) 이상 현상에 의해 상당히 조절되며 특히 동부형 엘니뇨의 경우 더욱 그렇습니다(그림 2c, d ; 보충 표 S1 참조).
). 이는 ENSO와 관련된 느리게 진화하는 SST 이상 현상이 대류 현상을 시놉틱 시간 척도에서 조절할 수 있는 지속적인 대규모 배경을 제공하기 때문입니다 .54 , 55. Madden-Julian 진동(MJO)과 같은 계절 미만 시스템도 MC에 대한 대류 활동을 조절할 수 있습니다. 그러나 이 쌍극자 패턴의 누적 효과는 엘니뇨와 더 두드러진 관계를 보입니다. 반면에 이전 연구에서는 ENSO가 MJO 관련 대류를 포함하여 계절 미만 시간 척도에서 대기 대류를 상당히 조절할 수 있다고 제안했습니다 .56 , 57 , 58. 따라서 이 연구에서 CP에 대한 정상 이상의 강우량과 MC에 대한 정상 이하의 강우량을 엘니뇨와 유사한 대류로 인식합니다.
그림 2 적도 중앙 태평양(CP)에 대한 정상 이상의 강우량과 해양 대륙(MC)에 대한 정상 이하의 강우량은 엘니뇨와 유사한 대류로 인식됩니다. 적도 CP에서 정상 이상 강우 사건 내의 정상 이하 강우 사건과 MC에서 정상 이하 강우 사건 내의 정상 이상 강우 사건의 교차 중심성. CP에서 정상 이상 강우의 연간 빈도 c와 MC에서 정상 이하 강우의 연간 빈도 d에 대한 해수면 온도의 경년 상관 계수. (a, b)에서 높은 값의 영역은 해당 상자에서 이상 강우 사건이 반대 강우 사건과 매우 동시에 발생하는 곳을 나타냅니다. (c, d)에 표시된 모든 상관 계수는 유의미합니다(p < 0.05). 적도 CP(10°S–10°N, 170°E–120°W)와 MC(10°S–10°N, 90°–160°E)는 각각 (a, c)와 (b, d)의 색상 상자로 표시되어 있습니다. 전체 크기 이미지 글로벌 순환과 높은 연결성을 가진 엘니뇨 유사 대류는 네트워크 과학의 "리치 노드"와 동등하며 전 세계에서 가장 높은 글로벌 기후 관련성에 도달합니다(그림 1b, c ). 반면 인도양과 대서양의 대류는 글로벌 순환과 상대적으로 약한 연결을 보여줍니다(그림 1b, c ). MC에서 정상 이상의 강우량과 CP에서 정상 이하의 강우량이 발생하는 것도 라니냐 유사 대류와 밀접한 관련이 있습니다(보충 그림 S1 참조 ). 이러한 결과는 글로벌 기후 변화에 대한 열대 태평양-대기 결합의 필수적인 변조를 강조합니다. 또한 ERA5 강수량을 사용하거나(보충 그림 S2 참조 ) 변칙적인 대류 사건이 나가는 장파 복사(OLR) 변칙을 기반으로 식별되는 경우(보충 그림 S3 참조) 엘니뇨 유사 대류의 지배적인 글로벌 기후 관련성이 변경되지 않는다는 점이 주목할 만합니다.
), 열대 대류 활동의 강도를 나타내는 일반적으로 사용되는 지표입니다.
엘니뇨와 유사한 대류는 어떻게 전 지구 대기 순환의 변화와 유의미하게 연관되어 있습니까?태평양 이상 강우에서 네트워크에서 파생된 외측 중심성은 엘니뇨와 관련된 전 지구적 원격상관 패턴을 나타냅니다(보충 그림 S4a, b 참조 ): (1) 열대 워커 순환의 동서 이동, (2) PNA 및 PSA 패턴을 포함하는 극지방으로 전파되는 로스비 파동 열차.태평양 5중 평균 강우 이상에 대한 회귀 지도에서 얻은 유사하지만 덜 중요한 결과(보충 그림 S4c, d 참조)는 이 연구에서 사용된 네트워크 지표를 기반으로 한 신뢰할 수 있는 물리적 표현을 나타냅니다.ENSO 원격상관의 물리적 메커니즘은 이전 문헌 3 , 13 , 14 에서 잘 확립되어 있으므로 이 연구의 초점이 아닙니다.
뚜렷한 기후 관련성은 이상 강우 사건의 높은 지역적 동시 발생과 연관됨
이전 연구에서는 엘니뇨가 지구 기후에 미치는 현저한 영향을 보고했지만 적도 CP와 MC에 대한 이상 대류의 강력한 기후 관련성은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 정상 이상 및 정상 미만 강우 사건 모두에서 가장 강렬한 강수량 이상은 해양 대륙 근처에서 관찰되었습니다(그림 3a, b ). 정상 이상 강우 사건의 주요 지역(즉, 적도 CP)은 강한 강우 이상 현상이 있는 지역보다 동쪽에 위치해 있습니다. 비교적 약한 강우 이상 현상으로 인해 CP에 대한 정상 이상 강우 사건이 어떻게 지구 대기 순환 변화를 강하게 조절할 수 있을까요? 이상 강우 간 네트워크 결과를 기반으로 정상 이상 강우가 1500km 이내에서 동시에 발생할 가능성이 높다는 것을 발견했습니다(그림 3c ). 따라서 각 사건이 중간 강도이더라도 CP에 대한 이러한 대규모 동시 발생 사건은 현저한 영향을 미칩니다. 태평양 반대편에서는 적도 MC에서 발생하는 정상 이하의 강수 현상이 높은 강도와 국지적 집중으로 인해 해당 지역의 기후 관련성이 높습니다(그림 3b, d ).
그림 3: 이상 강수 현상의 국지적 동시 발생 빈도가 높아 전 지구적 기후 관련성이 높음.
1979년~2016년 동안 모든 정상 이상 강우 사상과 b 정상 이하 강우 사상의 평균 강수량 이상(단위: mm/day). 주변 지역(<1500km)에서 정상 이상 강우 사상 내의 c 정상 이상 강우 사상과 주변 지역(<1500km)에서 정상 이하 강우 사상 내의 d 정상 이하 강우 사상의 중심성. (c, d)에서 높은 값의 영역은 1500km 이내에서 이상 강우 사상의 국지적 발생이 매우 동시적으로 발생하는 곳을 나타냅니다. (c)와 (d)에서 영역은 마스크 처리되고 점으로 표시되었으며, 평균 강수량 이상 사상의 절대값이 정상 이상 강우 사상의 경우 3mm/day 미만이고 정상 이하 강우 사상의 경우 2mm/day 미만입니다. 적도 중앙 태평양(10°S–10°N, 170°E–120°W)과 해양 대륙(10°S–10°N, 90°–160°E)은 각각 (a, c)와 (b, d)의 빨간색 상자로 표시되어 있습니다.
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엘니뇨와 유사한 대류와 비교할 때, 라니냐와 유사한 대류의 변조는 약하며, 특히 CP의 정상 이하 강우로 인한 외도 중심성의 경우 그렇습니다(보충 그림 S5 참조 ).아마도 강도가 약하고 국지적 동시 발생이 낮기 때문일 것입니다(그림 3b, d ). 이것은 엘니뇨로 인한 것보다 라니냐로 인해 유발된 CP 및 MC의 약한 강수량 이상과 관련이 있을 수 있습니다.이는 ENSO 진폭의 비대칭성 59 , 60 및 SST 이상에 대한 대류의 비선형 응답 61 , 62 , 63 때문 입니다.태평양, 대서양 및 인도양 간의 열대 기후 상호 작용도 네트워크 분석에서 관찰할 수 있습니다(보충 그림 S6 , S7 참조 ).또한 다른 열대 외 지역에 비해 열대 외 북대서양 강우량의 비교적 높은 글로벌 관련성은 북반구의 순환 글로벌 원격상관과 강력한 연관성을 보이지만 남반구에서는 매우 약한 연관성이 감지됩니다(보충 그림 S8 참조 ).열대 대류의 높은 글로벌 기후 관련성은 아마도 어느 반구가 아닌 두 반구의 기후 변화에 대한 조절에 기인한 것일 것입니다.
미래에 엘니뇨와 유사한 대류의 지구 기후 관련성이 더욱 강화될 것으로 예상됨
여러 CMIP6 모델에서 예측한 미래 변화를 조사하기 전에, 엘니뇨와 유사한 대류와 전 지구 순환 변화 사이의 과거 기간 관계를 시뮬레이션하는 모델의 성능을 검토합니다. 23개 모델의 다중 모델 평균은 적도 CP에 대한 정상 이상 강우와 전 지구적 이상 기압 사건 사이의 높은 일치성을 안정적으로 시뮬레이션할 수 있었지만 MC에 대한 정상 이하 강우의 중요성을 약간 과소평가했습니다(보충 그림
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