Understanding the Interactions between Atmospheric Circulation and Atmospheric Chemical Species in the Climate System

Abstract

This thesis aims to understand the interactions between atmospheric circulation and atmospheric chemical species. Because both atmospheric circulation and atmospheric chemical species can exert various socio-economic impacts, it is important to understand the interactions between them. Although many previous studies examined the interactions between atmospheric circulation and atmospheric chemical species, additional research is required because many unknown physical processes are still out there and large uncertainty is still found in climate model simulations. Based on this necessity for additional research, this thesis investigated the interactions between atmospheric circulation and atmospheric chemical species. To study these interactions, the chemistry-climate model should be employed. We first demonstrate simulation characteristics of a newly developed chemistry-climate model, Global/Regional Integrated Model system-Chemistry Climate Model (GRIMs-CCM) in Chapter 2, and each following chapter focuses on the interactions between atmospheric circulation and atmospheric chemical species. In Chapter 3, we demonstrate the impacts of atmospheric chemical species on the atmospheric circulation. We particularly focus on the impact of ozone on the surface temperature in the Northern Hemisphere in Chapter 3.1. By conducting two experiments using GRIMs-CCM, we show that difference in stratospheric ozone in NH can affect surface temperature during boreal winter. It is found that difference in stratospheric ozone in boreal winter causes a difference in temperature and zonal-mean circulation, and finally causes a difference in surface temperature especially over the Eurasian and Asian continents in boreal winter by causing a negative AO-like pattern in the surface. Consistent results are obtained in the Coupled Model Inter-comparison Project phase 5 (CMIP5). In Chapter 3.2, we demonstrate that the CO2 forcing is more dominant than the Arctic sea ice forcing in the observed long-term (1958–2018) positive trend of AO by conducting the idealized experiments using Geophysical Fluid Dynamics Laboratory’s Coupled Model (GFDL-CM2.1). It is found that CO2 forcing can induce the positive trend of AO by strengthening meridional temperature gradient and the zonal winds in the upper troposphere and lower stratosphere. In addition, the positive trend of AO can also be induced by the tropospheric stationary wave propagation from the eastern Indian Ocean to the Arctic due to the sea surface temperature (SST) warming and an increase in precipitation over the eastern Indian Ocean. In Chapter 4, we demonstrate the impacts of atmospheric circulation on the atmospheric chemical species. In Chapter 4.1, we investigate whether there exist intrinsic atmospheric circulations leading to high concentrations event of PM2.5 in Seoul, South Korea, during cold season (December to February, DJF). By adopting the area weighted pattern correlation (AWPC)-based K-mean clustering. It is found that there are two intrinsic atmospheric circulation patterns associated with the high concentration of PM2.5 out of eight clusters, in which weak horizontal and vertical ventilation over the Korean Peninsula are characterized. This result indicates that occurrence of high concentration of PM2.5 is unavoidable unless the anthropogenic emission source is reduced. In Chapter 4.2, we confirm the results in Chapter 4.1 by adopting GEOS-Chem simulation with a fixed anthropogenic emission sources. Consistently, there are three intrinsic atmospheric circulation patterns leading to high PM2.5 concentration in East Asia. We also suggest that the occurrence frequency of each intrinsic atmospheric circulation pattern is correlated with the sea ice concentration variability over the Barents Sea, or the SST and precipitation variabilities over the western tropical Indian Ocean, respectively. | 본 논문에서는 대기 순환과 대기 화학종 사이의 다양한 상호작용을 이해하고자 하였다. 이러한 기후-화학 상호작용은 사회, 경제적으로 많은 영향을 미칠 수 있기 때문에 현재 기후에서 이들의 상호작용에 대한 이해가 필요하다. 현재 기후-화학 상호작용에 대한 많은 연구가 진행되고 있지만 여전히 불확실성이 존재하고 어떠한 상호작용이 존재하는지에 대한 연구가 많이 필요한 실정이다. 이러한 기후-화학 상호작용에 대한 추가 연구의 필요성을 바탕으로 본 논문에서는 다양한 기후-화학 상호작용에 대해 조사하였다. 먼저 2장에서는 새롭게 개발된 기후-화학 모델인 Global/Regional Integrated Model system-Chemistry-Climate Model (GRIMs-CCM)의 모의 특성에 대해 조사하였는데, 전반적으로 GRIMs-CCM이 재분석 자료에서 나타나는 기후 특성들을 잘 모의하고 있는 것으로 나타났다. 3장에서는 대기 화학종이 대기 순환에 미치는 영향에 대해 조사하였으며, 3.1장에서는 GRIMs-CCM을 이용한 이상화된 실험을 통해 성층권 오존이 북반구 겨울철 표층 기후에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 실험 결과, 중-고위도 성층권 오존이 더 많은 실험에서 겨울철 유라시아 지역에 더 낮은 표층 온도가 모의되는 것으로 나타났는데, 이는 중-고위도 성층권 오존이 더 많음으로써 중-고위도 성층권 온도가 더 높게 모의되고, 나아가 남북방향 온도 경도 감소로 인한 중위도 성층권의 동서 방향 바람의 약화와 관련 있는 것으로 나타났다. 이러한 차이는 표층에서 Arctic Oscillation (AO) 의 음의 위상과 유사한 기압 패턴 차이를 야기해 결국 유라시아 지역에 더 낮은 표층 온도 모의로 이어지는 것으로 알 수 있었다. 추가적으로 이러한 결과는 Coupled Model Inter-comparison Project phase 5 (CMIP5)에서 제공하는 모델들의 결과에서도 유사하게 나타나는 것을 확인하였다. 3.2장에서는 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory’s Coupled Model (GFDL-CM2.1) 모델을 이용해 이산화탄소 (CO2)가 겨울철 AO의 장기 선형 추세에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 관측에서 나타나는 AO의 양의 선형 추세 (1958–2018)에 북극 해빙 감소 효과보다 CO2 증가 효과가 더 우세하게 작용하는 것을 이상화된 실험을 통해 알 수 있었으며, CO2 증가 효과는 대류권 상층, 성층권 하층의 남북 방향 온도 경도를 증가시켜 동서 방향 바람을 강화시킴으로써 AO의 양의 선형 추세에 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 CO2 강제력에 의한 열대 동인도양 지역의 해수면 온도 증가 및 강수 증가 또한 대류권 내에서의 stationary wave 전파를 통해 AO의 양의 선형 추세에 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 마지막으로 4장에서는 대기 순환이 대기 화학종에 미치는 영향에 대해 조사하였으며, 대기 중 초미세먼지 (PM2.5) 고농도 사례를 야기하는 대기 순환에 대해 조사했다. 4.1장에서는 서울 지역 PM2.5 관측 자료 및 Area Weighted Pattern Correlation 기반의 K-mean clustering 방법 (AWPC-based K-mean clustering)을 적용시켜 아시아 지역에 한반도 겨울철 PM2.5 고농도를 야기하는 내재된 대기 순환 패턴이 존재함을 알 수 있었다. 이러한 대기 순환 패턴은 한반도 지역에서 PM2.5의 수평 및 수직 확산을 감소시킬 수 있는 대기 순환 패턴이었으며 상대습도 또한 증가시켜 PM2.5의 대기 중 이차 생성을 촉진시킬 수 있는 대기 순환 패턴이었다. 4.2장에서는 4.1장의 내용을 조금 더 확장시켜 배출량 효과가 제외된 GEOS-Chem 모델 자료를 이용해 동아시아 지역에서 역시 겨울철 PM2.5 고농도를 야기하는 내재된 대기 순환이 존재함을 보였다. 이러한 내재된 대기 순환 패턴의 존재는 인위적 배출량이 감소되지 않으면 한반도 및 동아시아 지역의 PM2.5 고농도는 피할 수 없음을 보여주는 중요한 결과이다. 추가로 4.2장에서는 이러한 대기 순환 패턴의 발생이 북극 바렌츠 해 지역의 해빙 변동성 및 열대 서인도양 지역의 해수면 온도 변동성과 밀접한 연관이 있는 것을 알 수 있었다.