Understanding the role of the internal variability in determining the acceleration and slowdown of warming in East Asia for the 2℃ target specified in the Paris Agreement

Abstract

The ultimate goal of the research is to understand the response of the circulations in East Asia to external forcing and internal climate variability as global warming progresses. Then we can provide policymakers with valuable insights and guidance regarding the anticipated impacts of climate change in East Asia. In the first part, the k-means method of clustering is used to classify intrinsic atmospheric circulation in Asia based on daily 500 hPa geopotential height during boreal summer (June, July and August) for 1958–2020 using two reanalysis datasets. Among total clusters of atmospheric circulation patterns, two clusters of atmospheric circulation are characterized by a significant increasing trend in occurrence numbers with a different zonal wave number (wave number 1~2 and 3~4) in the mid-to-high latitudes of Northern Hemisphere. The upward trend in occurrence numbers of two clusters is associated with the warming of Indo-Pacific warm pool sea surface temperature. Further analysis indicates that two clusters of atmospheric circulation act to increase the amount of East Asian summer monsoon precipitation by altering the moisture fluxes. By analyzing a long-term simulation of Community Earth System Model version 2 during the pre-industrial period, in addition, we infer that anthropogenic forcing would be responsible for the increasing trend in occurrence of two atmospheric circulations in Asia. This implies the strengthening of East Asian summer monsoon under the increase of anthropogenic forcing owing to the increasing trend in occurrence numbers of intrinsic atmospheric circulations leading to increase the precipitation amount in East Asia. In the second part, we investigate the role of internal climate variability in reaching 2℃ threshold specified in the Paris Agreement for surface temperature in East Asia using the Large Ensemble. Future climate projection uncertainty arises from internal volatility, model uncertainty, and scenario uncertainty. Among them, it has been reported through several studies that internal volatility is a major factor in uncertainty from a regional and short-term perspective. This study analyzed the role of internal volatility on temperature warming in East Asia by analyzing MPI-GE (Max Planck Institute Grand Ensemble) model data. Under the RCP4.5 scenario, the East Asian surface temperature reached 2℃ in 2054, compared to before industrialization. As a result of comparing 100 model ensembles with each other, the ensemble members who reached 2℃ the fastest and the ensemble members who reached the latest were compared. The difference in surface temperature between the two ensemble members was found to be related to the WACE (Cold Arctic-Warm Eurasian or Warm Arctic-Cold Eurasian) pattern. In addition, it was confirmed that there was a significant correlation between the difference in the year when 2℃ was reached between ensembles and the WACE pattern. This suggests that the role of Arctic-Eurasian variability is important in the climate model in reaching 2℃ as specified by the Paris Agreement. Through additional Large Ensemble model analysis, we evaluated model uncertainty and investigated the contribution of internal volatility in East Asia. |연구의 궁극적인 목표는 동아시아의 순환이 외부 강제력과 내부변동성에 대해 어떻게 반응하는지를 이해하는 것이다. 이를 통해 동아시아에서 예상되는 기후 변화의 영향에 대한 가치 있는 통찰과 지침을 정책 결정자에게 제공할 수 있다. 첫 번째 파트에서는 k-means clustering 방법을 사용하여 1958년부터 2020년까지 6월, 7월 및 8월 동안 동아시아의 일일 500hPa 지위 고도에 해당하는 아시아의 내부 대기 순환을 분류한다. 그 중 두 클러스터는 각각 남반구의 중 · 고위도 지역에 서로 다른 동서 방향의 파수(1~2와 3~4)룰 가지는 특징을 보이며 유의미한 발생 빈도 증가를 나타냈다. 두 클러스터의 발생 빈도 증가 추세는 인도-태평양의 warm pool 지역에서 해수면 온도의 증가와 관련이 있다. 추가적인 분석을 통해 두 클러스터가 나타내는 대기 순환은 수분속의 유도를 통해 동아시아 여름철 몬순 강수량을 증가시킴을 알 수 있었다. Community Earth System Model version 2 (CESM2)의 pi-Control 시뮬레이션 결과로부터 인류의 영향에 의해 아시아 내부 대기 순환의 발생 빈도가 증가함을 유추할 수 있었다. 이는 내부 대기 순환의 발생 빈도 증가로 인해 동아시아 몬순이 강화할 수 있음을 시사한다. 두 번째 파트에서는 Large Ensembles (LEs)을 사용하여 동아시아 표면 온도가 파리협정에서 지정한 2℃ 임계 값에 도달하는 데 내부 기후 변동성의 역할을 조사했다. 미래 기후전망 불확실성은 내부변동성, 모델 불확실성, 그리고 시나리오 불확실성으로부터 발생한다. 그 중 내부변동성은 지역적, 단기적 관점에서 불확실성의 주요 요인임이 여러 연구를 통해 보고되고 있다. 본 연구는 MPI-GE (Max Planck Institute Grand Ensemble) 모델 자료를 분석하여 동아시아 지표 온도 온난화에 미치는 내부변동성의 역할을 분석하였다. RCP4.5 시나리오 하에서 동아시아 지표 온도는 산업화 이전과 비교하여 2054년에 2℃에 도달하였다. 100개의 모델 앙상블을 서로 비교한 결과 2℃에 가장 빠르게 도달한 앙상블 멤버와 가장 늦게 도달한 앙상블 멤버를 비교 하였다. 두 앙상블 멤버의 지표 온도 차이는 WACE (Cold Arctic-Warm Eurasian 또는 Warm Arctic-Cold Eurasian) 패턴과 관련 있음이 확인되었다. 또한 앙상블 간 2℃에 도달한 연도의 차이와 WACE 패턴 간 유의한 상관성이 있음이 확인되었다. 이는 기후모델에서 동아시아 지표 온도가 파리 협정에서 지정한 2℃에 도달하는 데 Arctic-Eurasian 변동성의 역할이 중요함을 시사한다. 추가적인 Large Ensemble 모델 분석을 통해 모델 불확실성에 대한 평가 및 동아시아에서의 내부변동성의 기여도를 조사하였다.