Characteristics of Global Monsoon Precipitation in a Warm Climate: Extremes and Rainy Season :온난 기후에서 글로벌 몬순 강수 특성 연구: 극한 강수 강도 및 강수 기간

문수연

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자료유형: 학위논문

저자정보: 문수연 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 하경자

발행연도: 2022

저작권: 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수12

초록· 키워드

온난화에 따른 전 지구 몬순 강수의 변화를 다양한 관점에서 이해하기 위하여 1) 지구 온난화 시나리오에서의 몬순 강수의 특성 변화, 2) 인위적 강제력이 강수 강도의 변화에 미치는 영향, 3) 지표 토양 수분과 대기의 상호작용이 몬순 시작일에 미치는 영향에 관한 연구가 수행되었다.
먼저, 몬순의 특징인 강수의 연 주기를 이용하여 몬순 지역을 새롭게 정의하였다. 이는 변동성이 많은 강수를 조화 분석을 통하여 각 변동성을 구분함으로써 종관 규모 강수의 영향만을 고려한 물리적 접근이라는 장점이 있다. 본 논문에서는 전 지구 몬순을 지역별로 구분하여 몬순 강수 특징의 변화를 정량화하였다. 온난 기후에서 열역학 인자가 여름 계절 평균 및 극한 강수의 증가를 주도함을 확인했다. 특히 아시아 몬순 중에서도 인도와 동아시아 몬순이 온난 기후에 따른 강수 강도의 증가에 민감하게 반응하였으며, 소말리아 제트 기류의 북쪽 확장 및 대륙과 해양 열적 차이의 심화에 의한 수증기 수송의 강화로 인하여 역학 인자 또한 강수 증가에 기여함을 밝혔다. 또한, 몬순 기간의 연장과 기온 증가에 따른 강수 민감도가 강한 양의 상관이 있음을 보였다.
기후 온난화 추세가 지속되는 경우의 강수는 자연 변동성과 인위적 강제력의 영향이 결합되어 변화한다. 동일한 강제력에 초기 조건을 미세하게 다르게 하여 수행된 기후 모형 시뮬레이션을 이용하여, 인위적 강제력이 지구 강수 변화의 주요 요인이 될 수 있음을 보였다. 자연 변동성의 영향을 초월한 인위적 강제력의 영향에 의하여, 여름철 일 평균 최대 강수량의 강도 증가가 나타나는 지역이 2024년부터 급격하게 확장되며 2100년 내에 전체 몬순 지역의 88%에 해당될 것으로 모의되었다. 강수 변화에 대한 취약성을 파악할 수 있는 미래 인구 변화와, 자연재해에 대한 회복력을 파악할 수 있는 국가별 미래 GDP를 통하여 인위적 강제력이 사회 경제학적 측면에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과, 특히 아프리카 몬순 지역에서 계절 평균 강수와 극한 강수에 대한 인위적 강제력의 발현 시기가 근 미래에 나타날 것으로 판단되고, 인구성장률은 현재에 비하여 두 배 이상 증가하지만 경제 성장률은 세계 평균과 비교하여 더딜 것으로 예상되므로 특히 온난화에 따른 강수 변화에 대한 대책을 마련할 필요가 있음을 시사한다.
또한, 인간 활동에 직간접적인 영향을 미치는 몬순의 시작일을 지표 토양 수분과 대기의 상호작용을 통하여 이해하였다. 장기 기억을 통해 하층 대기에 영향을 주는 지표 토양수분의 특성을 활용하였다. 인도 여름 몬순의 경우, 이란 지역의 봄철 낮은 토양 수분은 현열 플럭스를 통해 하층 대기를 가열시킨다. 지표와 대기의 상호작용이 봄부터 유지됨에 따라 육지와 해양의 열적 차이가 강화되고, 이에 따른 수증기를 품은 하층 서풍의 유입으로 인해 몬순 시작일이 평년보다 이르게 나타남을 밝혔다. 또한, 지표 토양수분의 몬순 시작일에 대한 전구물질로서의 역할을 온난한 기후에 적용시켜 살펴보았다. 온난한 기후에서 이란 지역의 봄철 토양 수분은 감소한다. 하지만, 고 배출 시나리오하에서 토양수분의 건조가 가속화됨에 따라 지표와 대기의 상호작용의 강도가 약해짐을 확인하였다. 즉, 고 배출 시나리오 하에서 건조한 토양과 대기에 대한 건조한 토양의 영향은 선형적 관계가 아님을 밝힘으로써 지표와 대기 상호작용에 대한 이해를 향상시키는데 이바지할 수 있음을 시사한다.

Global monsoon precipitation is expected to change in a warm climate. How much precipitation changes in the monsoon domain, which is home to billions of people worldwide, is a critical issue to prepare for proper policies for climate change. This study aims to understand the global and regional monsoon precipitation changes in a warm climate. I have investigated (1) the robustness of future monsoon precipitation in response to a warm climate, (2) the impact of anthropogenic forcing on future precipitation and potential impacts on human society, and (3) the role of soil moisture-atmosphere interaction in terms of a precursor of monsoon onset.
Firstly, the global monsoon domain is newly defined based on the harmonic analysis. In addition, precipitation changes in a warm climate are quantified in diverse aspects. Changes in monsoon precipitation are expected to increase, but this has been challenged due to substantial regional uncertainties. I have tried to understand the variations in the amount of summertime precipitation, the change in length of the rainy season, and the factors modulating precipitation changes over the regional monsoon domain. The sensitivity of precipitation depends on the regional monsoon. The Asian monsoon, especially Indian and East Asian, is vulnerable in both seasonal mean and extreme precipitation. In general, changes in precipitation intensity in warm climates are mainly affected by the thermodynamic component. However, over Indian, and East Asian monsoon, the dynamic component also modulates the future precipitation intensity. In addition, the length of the rainy season is expanded over most monsoon domains, except over the American monsoon. The regions where the precipitation sensitivity is expected to enhance in the future are likely to have a more extended monsoon season. Longer rainy seasons might affect people’s lives in additional ways than those discussed so far.
Secondly, the intensity of precipitation is controlled in a warm climate, resulting from the combined effects of internal variability and anthropogenic forcing. An increase in moisture leads to the enhancement of extreme precipitation. Numerous previous studies have examined the extreme precipitation affected by human-induced changes. But there are few studies for extreme detection of the anthropogenic signal based on large ensemble simulations. Moreover, it is also necessary to identify when anthropogenic forcing influences the mean and extreme precipitation regionally. Extreme precipitation is strongly affected by anthropogenic forcing over most global monsoon regions. The emerging time for extremely heavy rainfall, when the anthropogenic signal overtakes natural variability, is expected to expand rapidly from 2024 and appear in 88% of the global monsoon region within 2100. The emerging time for the length of a dry spell is fatal over American, southern African, and Asian, primarily East Asian monsoon. Furthermore, the socio-economic impacts of climate change are also investigated using projected future population and GDP. Among the global monsoon domain, the African monsoon is vulnerable mainly due to population increase, but the economic growth rate is slow. The highly vulnerable and less resilient regions require urgent plans for climate change.
Finally, I investigated the role of soil moisture and atmosphere interaction on monsoon onset. The onset date of the monsoon influences society directly. Therefore, advancing the predictable time for monsoon onset is essential. As a precursor of monsoon onset, I used the soil moisture dataset, which has a long memory and provides leading impacts on the summer monsoon onset by modulating the surface energy budget. In the case of the Indian monsoon, the low surface soil moisture during spring over the Iranian region can induce warm air by enhancing the sensible heat flux. The land-ocean thermal contrast is strengthened from spring, resulting in increasing the vertical wind shear, which influences the monsoon onset. In other words, the low (high) soil moisture over the Iranian region can induce the early (late) monsoon onset. The role of spring soil moisture in the Iranian region plays as a precursor of Indian monsoon onset under the low emission scenario. However, the relationship weakens under high emission scenarios due to a decrease in the strength of soil moisture-atmosphere interaction. Under high emission scenarios, “dry soil” and “impact of dry soil on the atmosphere” are not linear relationships. This study helps in understanding the relationship between the present and future soil moisture-atmosphere interaction in more detail.
In conclusion, gaining a better knowledge of future changes in regional monsoon precipitation can raise awareness of precipitation risk and aid in the development of appropriate mitigation strategies. Furthermore, understanding the present and future relationships in climatic systems, particularly the interaction of soil moisture and atmosphere, helps to understand the global hydrological system.

#기후변화 #몬순강수 #극한강수 #몬순기간

Contents i
Contents of Table ii
Contents of Figure iii
1 Introduction 1
1.1 Backgrounds 1
1.1.1 Importance of change in monsoon precipitation 1
1.1.2 Roles of anthropogenic forcing on precipitation changes 7
1.1.3 Future changes in the length of the rainy season 8
1.2 Objectives 12
2 Data and Methods 14
2.1 Datasets 14
2.1.1 Reanalysis data 14
2.1.2 Climate model datasets 15
2.2 Methods 20
2.2.1 New definition of global monsoon domain 20
2.2.2 Extreme precipitation indices 24
2.2.3 Definition of monsoon onset, retreat, and duration 25
2.2.4 Atmospheric moisture budget equation 27
2.2.5 Time of Emergence in precipitation 29
2.2.6 Two-phase linear regression 31
2.2.7 Apparent heat source and moisture sink 32
3 Response of Global Monsoon Precipitation to Warm Climate 33
3.1 Projected changes in sensitivity of monsoon precipitation under various scenarios 33
3.2 Extreme precipitation response to future scenarios 39
3.3 Change in rainy season in a warm climate 46
3.4 Contribution of the thermodynamic and dynamic components to monsoon precipitation change 51
4 Anthropogenic Effects on Mean and Extreme Precipitation in a Warm Climate 57
4.1 Emergence of seasonal mean and extreme precipitation by anthropogenic effects 57
4.2 Relationship between the Time of Emergence of precipitation and society 78
4.3 Risk assessment of precipitation 83
5 Role of Soil Moisture and Atmosphere Interaction on Monsoon Onset in Present and Future 85
5.1 Internal process of monsoon onset in terms of thermodynamics over Asian monsoon 85
5.2 Linkage between the soil moisture and atmosphere 91
5.3 Role of soil moisture as a precursor of monsoon onset 97
5.4 Future change in the role of surface soil moisture on the monsoon onset 105
6 Summary 111

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