Understanding the variability of East Asian CO2 concentration and its associated climate variables

Abstract

인위적인 배출, 생물권에서의 반응 그리고 기후 변동성 간의 복잡한 상호 작용으로 인해 특정 시간, 공간의 CO2 농도를 정확하게 예측하는 것은 여전히 어려운 과제이다. 대기 중 CO2 농도 증가는 주로 화석연료 연소에 의한 것이지만, 자연 기후 변동성 또한 전 지구 CO2 농도를 조절하는 것으로 알려져 있다. 따라서 기후 변동성과 탄소 순환 시스템의 상관관계를 이해하는 것이 중요하다. 본 연구의 제1부에서는 동아시아에서의 CO2 변동성과 태평양 10년 진동(PDO) 간의 관계를 조사하였다. 1987년부터 2020년까지 동아시아의 기후학적 최대 및 최소 CO2 농도는 각각 4월과 8월로 나타났다. 우리는 7, 8, 9월(JAS) 평균 동아시아 CO2 농도가 1990년대 후반 이전과 2010년대 초반 이후에는 평년보다 낮고, 1990년대 후반부터 2010년대 초반까지는 평년보다 높은 것을 확인하였다. JAS 기간 동아시아 CO2 농도의 장주기 변동성은 태평양 10년 진동(PDO)과 유사한 해수면 온도 구조와 밀접하게 관련되어 있었다. 따라서, 우리는 JAS 기간의 대기와 해양을 분석했고, JAS 기간 동안 동아시아의 강수량이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 식생의 광합성 활동을 증가시키는 강수의 증가가 PDO와 관련된 해수면 온도 강제력에 의한 것으로 추측하였다. 광합성의 증가는 대기 중 CO2 흡수를 강화함으로써 JAS 기간 동안 동아시아의 CO2 농도를 평년보다 낮게 만든다. 이와 일관되게, JAS 기간 CO2 농도가 평년보다 낮은 기간에 육상 식생 활동을 나타내는 잎 면적 지수는 동아시아에서 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 제2부에서는 동아시아의 평균 CO2 농도와 전 지구 평균 CO2 농도의 차이 시계열과 상관관계가 있는 해양-대기 환경 변수를 분석했다. 동아시아의 평균 CO2 농도에서 전 지구 평균 CO2 농도가 제거된 시계열을 동아시아의 탄소 순환에 의한 localized CO2 농도의 변동성으로 추정하였다. 이 시계열은 4월과 8월에 각각 기후학적 최대와 최소 CO2 농도를 보였다. 우리는 이 시계열의 3, 4, 5월(MAM) 평균 시계열이 열대 동태평양의 해수면 온도 변동성과 밀접한 관련이 있으며, 7, 8, 9월(JAS) 평균 시계열은 PDO와 밀접한 관련이 있다는 것을 발견했다. 이후 이러한 변동성이 MAM과 JAS 기간 동안 각각 해수면 온도, 동아시아 표면 온도, 강수량, 잎 면적 지수(LAI) 그리고 총 일차 생산량(GPP)을 포함하는 여러 대기 및 생물학적 변수와 어떻게 연관되어 있는지 조사하였다. 이러한 결과를 바탕으로, 우리는 동아시아의 localized CO2 변동성이 생물-지구-물리학적 과정에 의해 어떻게 영향을 받는지 이해하였다.| Accurate prediction of CO2 concentrations in time and space remains difficult due to complex interactions between anthropogenic emissions, biosphere responses, and climate variability. The increase in CO2 concentration in the atmosphere is mainly due to the burning of fossil fuels, but the natural variability in climate system is also known to cause changes in the global CO2 growth rate. Therefore, understanding the correlation between climate variability and carbon systems is important for evaluating its human and natural effects. In part 1 of this study, we examined the relationship between CO2 variability in East Asia and Pacific Decadal Oscillation (PDO). The climatological maximum and minimum CO2 concentrations in East Asia for 1987–2020 have been recorded in April and August, respectively. We found that the CO2 concentration in East Asia during July, August, and September (JAS) is smaller than normal before the late 1990s and after early 2010, and larger than normal from the late 1990s to the early 2010s. The low-frequency variability of CO2 concentration in East Asia during JAS correlates closely with Pacific Decadal Oscillation (PDO)-related sea surface temperatures (SSTs). We analyzed atmospheric and oceanic conditions during JAS, finding that precipitation in East Asia increased during JAS, possibly due to PDO-related SST forcing, which increases photosynthetic activity. This leads to a lower CO2 concentration than normal for East Asia during JAS through enhanced uptake of CO2 from the atmosphere. Consistently, the leaf area index, which represents terrestrial vegetation activity, is higher in East Asia in JAS when CO2 concentrations are lower than normal. In part 2, We analyzed ocean-atmospheric environment variables that correlate with the time series obtained from the difference between the average CO2 concentration in East Asia and the global average CO2 concentration. The time series, in which the global average CO2 concentration was removed from the average CO2 concentration in East Asia, was estimated as the variability of localized CO2 concentration by carbon cycle in East Asia. The time series had climatological maximum and minimum CO2 concentrations in April and August, respectively. We found that the localized CO2 variability averaged in March, April and May (MAM) is closely related to the SST variability in the eastern tropical Pacific, and that during July, August and September (JAS) is closely related to PDO. And then, we examined how these variabilities are associated with several atmospheric and biological variables including SST, East Asian surface temperature, precipitation, leaf area index (LAI) and gross primary production (GPP) during MAM and JAS, respectively. Based on these results, we understood how the localized East Asian CO2 variability is influenced by the biogeophysical processes.