지난 수십 년 동안 동아시아의 급속한 경제 성장으로 인해 인위적인 배출이 상당히 증가했으며, 그 결과 공기역학적 직경이 2.5μm 미만인 입자상 물질(PM 2.5 )이라는 주요 대기 오염 물질이 발생했습니다. 배출원, 기상 조건, 대기 화학, 수송 과정을 포함한 여러 요인이  동아시아의 PM 2.5 수준에 영향을 미칩니다 . 2013년 이후 중국은 대기 질 규정을 포함하여 인위적인 배출을 완화하기 위한 정책을 시행하면서 상당한 영향을 미쳐 1  한국과 같은 하풍 지역까지 PM 2.5 수준 이 눈에 띄게 감소했습니다 2 , 3 . 기상 효과를 고려한 후 중국의 연평균 PM 2.5  수준은 2013년에서 2019년 사이에 34% 감소한 것으로 나타났으며, 공식적으로 관측된 수준보다 약 10% 적은 감소입니다 1 . 이러한 감소는 완화 전략의 잠재력과  동아시아의 PM 2.5 수준에 영향을 미치는 요인을 이해하는 데 있어서 우리 연구의 중요성을 강조합니다.

인위적인 배출이 PM 2.5 농도 의 주요 원인으로 널리 알려져 있지만 , 기상 조건도 PM 2.5  수준  의 장기적 변화에 상당한 영향을 미칩니다 4 , 5 , 6 . 일반적으로 인위적인 배출에 의한 PM 2.5는  중국에서 겨울에 최고조에 달하는 반면 7 , 8 한국의 하류 지역에서는 주로 기상 조건의 상당한 변조에 의해 영향을 받아 봄철에 농도가 상승하는 것으로 관찰됩니다. 한국의 수도권에서는 계절적 변화가 특히 두드러지며,  겨울의 35%에 비해 봄철 PM 2.5 수준이 45% 증가했습니다 2 . 한국의 봄철 PM 2.5  수준이 최근 감소한 것은 주로 인위적인 배출 감소와 몽골과 중국 북부의 먼지 폭풍 감소에 따른 것입니다 9 , 10 . 이는 동아시아의 봄철 기후 변화가 먼지 폭풍의 발생과 분산을 감소시키고 인위적인 PM 2.5 의  하류 지역으로의 국경 간 이동을 완화한다는 것을 시사합니다. 동아시아의 봄철은 겨울 계절풍의 약화를 특징으로 하는 전환기를 나타냅니다. 동아시아의 봄철 국경 간 PM 2.5는 겨울 계절풍의 변동성을 반영하여  하류 지역의 PM 2.5 수준에  영향을 미칩니다 11 .

11월부터 4월까지의 겨울철에는 성층권 극소용돌이가 극야 동안 두드러진 서풍 순환의 형태로 나타납니다 12. 북극이 수십 도의 온도 급등으로 표시되는 갑작스러운 성층권 온난화(SSW)를 겪었을 때, 성층권 극소용돌이는 감속된 구역 순환으로 약화되었습니다 13. 이러한 사건은 60°N에서 기압 수준이 10hPa인 중간 성층권에서 구역 순환 역전이 발생할 때 주요 SSW로 식별되며, 일반적으로 3개의 겨울에 평균 2번 발생합니다. SSW 사건 동안 약화된 성층권 극소용돌이는 주로 북반구 환상 모드(NAM)의 음의 위상으로 투사됩니다. 부정적인 NAM 신호가 더 낮은 수준 으로 낮아지면서 대류권 순환 이상은 대서양의 북극 진동(AO)의 부정적인 단계나 북대서양 진동(NAO)의 부정적인 단계와 유사한 패턴으로 진화합니다 . 확률적 관점 에서 볼 때, 한파는 북부 대륙에서 증가할 가능성이 높습니다 . 2015/2016 년 겨울 에 발생한 SSW 사건 동안 대류권 기상 조건은 중국 북부에서 북풍이 강해졌습니다 . 이 지배적인 요인은 PM 2.5 농도 의 비정상적인 감소에 상당히 기여했습니다  .

2021년 3월, 비정상적으로 강렬한 성층권 극소용돌이가 2020/2021년 겨울의 SSW 사건에 앞서 발생했습니다.  2020/2021년 겨울 동안 동아시아의 PM 2.5 수준에 대한 겨울 SSW 사건의 영향은 잘 기록되어 있지만 20 , 겨울 SSW에서 차가운 봄 성층권으로의 전이가 봄 동안 해당 지역의 하부 대류권 PM 2.5 수준에 미치는 영향을 조사한 연구는 거의 없습니다. 겨울에서 봄으로의 성층권 극소용돌이의 비정상적인 역전이  동아시아 중위도 의 시놉틱 순환과 그로 인한 하부 대류권 PM 2.5 변화에  미치는 메커니즘과 효과를 제대로 이해하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. 기상 데이터를 화학(WRF-Chem) 시뮬레이션과 결합된 기상 연구 및 예측 모델에 통합하면  동아시아의 PM 2.5 수준에 영향을 미치는 배출 변화를 정확히 지적하는 능력을 향상시킬 수 있습니다 2 , 9 . 이 기능은 차례로 하위 지역 PM 2.5 변화 또는 전달 역학에 상당한 영향을 미치는 배출 강도 수준을 탐지하는 데 도움이 될 수 있습니다  . 게다가 WRF-Chem 모델 내에서 기상 및 기후 데이터를 활용하면 PM 2.5 이상치를 계산할 수 있습니다. 이 방법은 PM 2.5  에어로졸 변화  의 기상적 영향을 평가하고 동아시아에서 인위적인 배출의 기여도와 기후 변화의 기여도를 구별하는 데 사용되었습니다 21 . 이 방법론을 사용하여 PM 2.5 수준 에 대한 성층권 극소용돌이의 비정상적인 역전에서 비롯된 동아시아의 다양한 유형의 시놉틱 순환의 기여도를 정량화합니다  . 이 연구는 동아시아의 기후 변화를 설명함으로써 그러한 변화가 아지역 PM 2.5  변화에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 제공합니다.

결과

성층권 극소용돌이의 비정상적인 변화

이 연구에서는 2020년 12월부터 2021년 4월까지 70°N, 60°N, 50°N의 위도대에 걸쳐 환극권 바람의 일일 변화를 분석했습니다(그림  1 ). 12월 초, 지상에서 약 30km 위에 위치한 10 hPa 수준의 강력한 성층권 극소용돌이가 50°N 북쪽의 위도대에서 30m s- 1 을 초과하는 양의 풍속을 가진 환극 서풍과 일치했습니다  (그림  1a–c ). 그러나 바람은 점차 역전되어 동쪽으로 바뀌었고, 그 결과 2021년 1월 4일까지 70°N에서 -8m s -1 미만의 음의 풍속이 발생했습니다.  동쪽 중심은 극위도의 70°N에서 분명하게 나타났으며, 60°N과 50°N에서 적당한 동쪽 바람이 관찰되었습니다. 지역별 평균 기온 이상치는 19°C를 초과하는 양의 급증을 나타내며, 이는 70°N의 극지방 동풍의 거동과 밀접하게 일치합니다(그림  1d–f ). 기온 이상치가 서풍으로 역전되면서 음수로 바뀔 때까지 2021년 1월에 발생한 주요 남남서풍 사건은 20일 이상 지속되었으며 재분석 제품에서 관찰된 상당한 온난화 패턴을 밀접하게 반영했습니다 .22 2021년 2월 초까지 70°N에서 눈에 띄는 온난화가 극지방 성층권에서 더 남쪽의 지표 근처 수준으로 내려갔습니다. 한편, 70°N의 극지방 동풍은 강한 서풍으로 역전되어 음의 온도 이상치가 특징인 냉각 사건으로 인해 성층권 극지방 소용돌이를 둘러싸고 기온이 -10°C 이하로 떨어졌습니다. 그 해 3월 무렵 냉각된 성층권 공기가 점차 하강하면서 60°N과 50°N에 위치한 최대 서풍 중심이 남쪽으로 이동하여 대류권의 300 hPa 수준까지 확대되었습니다.