Decadal changes in the physical mechanisms of summertime precipitation variability in Korea

Abstract

최근 강수 강도, 빈도, 강수 기록 지역의 급변화와 같은, 강수 변화와 관련된 문제들은 기후변화에 따른 가장 중요한 변화 현상이다. 극심한 폭우가 기록되는 지역의 변화는 전 지구적인 문제라기 보다는 일부 지역에 특히 제한적으로 나타난다. 따라서 특정 지역에서 그 규모의 집중 호우를 설명할 수 있는 더 자세한 물리적 기작에 관한 연구가 요구된다. 한반도와 주변 동아시아 지역은 여름 강수 변화가 최근 크게 바뀐 지역임으로, 한반도의 여름 강수의 변동성과 그 변화를 연구하였다. 한반도의 여름강수는 아시아 및 동아시아 여름 몬순과 관련된 장마전선, 중위도 경압파, 상층 제트 및 하층 제트의 강도와 위치, 북태평양 고기압대와 오츠크해 기단 등의 영향, 티벳 고원의 영향으로 파생되는 다양한 현상들 등으로부터 기인하는 다양하고 복잡한 원인으로 발생한다. 이러한 한반도 여름 강수 변동성을 분석하기 위해, 1979-2008년 기상청 61개 관측소의 일 강수량의 여름 기간 (5월 19일 – 9월 15일) 자료를 CSEOF 분석기법을 이용하여, 연주기 변동성을 추출하였다. 강수 변동성의 원인을 설명하는 물리적 기작을 시-공간 구조로 더 자세하게 구현하기 위해 아시아 영역에서의 NCEP/NCAR 재분석 자료의 물리 변수를 강수 변동성과 동일한 시간에 대하여 CSEOF 분석을 실시하였다. 한반도 여름 강수의 연주기 변동성을 시간 규모에 따른 세가지 주요 요소인 seasonal 요소, sub-seasonal 요소, high-frequency 요소로 나누었다. Seasonal 요소는, 아시아 대륙과 그를 둘러싼 바다 사이에서 형성되는 계절적 기단차의 결과로 발생하는 아시아 여름 몬순, 특히 동아시아 여름 몬순과 관련된 변동성을 설명한다. 몬순 전선대의 도달과 지속 시기는 한반도 여름 강수의 seasonal 요소의 추이를 주도적으로 형성한다. 두개의 강수 최대치 유형은 이러한 기단의 성질 변화에 의한 하층 순환계 변화에 기인한다. Sub-seasonal 요소는 10-30일 시간 규모의 성격을 가지며 ~40N 부근의 동진하는 상층 요란과 관련성을 가진다. 상층 요란은 하층 수렴/발산에 따른 남북 방향 순환에 영향을 끼친다. 7월 중순부터 8월 중순까지 기간에는, 초여름과 늦여름에 비해 진동 주기가 더 짧아진다. 10일 미만의 시간 규모를 가진 high-frequency 요소는 종관규모 중위도 로스비 경압파와 관련된다. 상층 지위고도와 하층 습윤이류는 한반도 high-frequency 변동성과 높은 상관도를 가진다. 이 요소에서, 한반도에 비가 있을때, ~40N 를 축으로 로스비 경압파에 의한 상층 발산이 위치하며, 주요 물리 변수로 구현하면, 상층 발산과 하층 수렴의 전형적인 경압 불안정 연직구조를 보였다. 이러한 결과를 이용하여, 최근 기후변화에 따른 한반도 지역 여름 강수 변동성의 변화를 각 시간규모에 따른 세가지 요소별 물리적 기작 변화를 기반으로 조사하였다. 1979-1995년 (PRE) 과 1996-2008년 (POS) 시기에 대하여 각각 위의 분석 설계와 동일하게 CSEOF 분석을 실시하였다. 동아시아 여름 몬순과 관련된 변동성을 설명하는 Seasonal 요소에서는, 하층 순환 유형의 변화에 의해, 동아시아 몬순 전선대의 전진, 지속, 후퇴가 최근의 주요한 변화 요인으로 밝혀졌다. 특히 한반도 1차 장마에 의한 강수의 첫번째 최대 시기가 더 빨리 시작되고 그 강도도 증가하였다. 여름강수의 휴지기는 최근에 전반적으로 약해졌는데, 특히 한반도 중북부에서는 휴지기 유형이 거의 사라졌다. 2차 장마에 의한 강수 최대 시기는 최근 시간적으로 완만하게 분포한다. 평균 15일 주기를 가진Sub-seasonal 요소의 강도는 최근 아열대와 중위도 사이의 남북방향 순환이 강화되면서 증가하였다. 최근 한반도 남쪽에서부터 온난이류와 습윤이류이 강해지고 북쪽에서 기인하는 한랭이류가 약화되면서 경압형 연직 구조가 이 규모의 강수를 주도했던 과거와 달리, 순압형 연직 구조가 최근 주를 이뤘다. 상대적으로 강한 sub-seasonal 요소의 활동은 과거 6월 말에서 7월 중순에 있었으나, 최근 8월 초에서 9월 초 시기로 이동하였다. 경압 불안정 구조로 형성되는 high-frequency 요소의 강수는 역학적 열역학적 요인의 진행이 강해지면서 최근 약 25% 증가하였고, 특히 8월 초에서 중순에 두드러졌다. 전체 30년기간의 두번째 CSEOF와 세번째CSEOF 모드는 열대성 저기압의 직/간접적 영향에 의한 국지적 집중호우 사례들을 설명한다. PRE 기간의 두번째 모드 로딩벡터는 전체기간의 세번째 모드의 그것과, POS 기간의 두번째 모드의 로딩벡터는 전체기간의 두번째 모드의 그것과 0.96 이상의 상관관계를 가진다. 과거기간의 두번째 모드는 9월 3일, 남해안 지역에서 강수 최대치가 나타났고, 최근기간의 두번째 모드에서는 8월 7일과 8월 31의 강수 최대치가 중서부 지역과 동부 지역에 각각 나타났다. 이러한 열대성 저기압의 직/간적접 영향에 의한 국지적 집중호우 변화는 열대성 저기압의 진로와 관련된 한반도 주변의 물리 구조 변화에 의한 것으로 나타났다.

Issues related to precipitation changes are currently of great practical importance in association with the impact of climate changes. Areas of extreme precipitation changes compared to the respective mean are limited to a few regions rather than the whole globe. Thus, studies focusing on the detailed physical mechanisms of heavy rainfall on a regional scale are needed. Summertime precipitation variability in Korea has also changed significantly in recent years. Three distinct physical mechanisms in the seasonal cycle of the 120-day (May 19-September 15) summer precipitation in Korea (126°-130°E × 33°-38°N) were identified by cyclostationary empirical orthogonal function (CSEOF) analysis with using the 1979-2008 observed precipitation records at 61 Korea Meteorological Administration stations. Detailed space-time structures of the physical mechanisms of precipitation variability were derived using the daily NCEP/NCAR reanalysis data over Asia (80°-180°E, 0°-60°N). The seasonal cycle of summertime precipitation in Korea exhibits three principal temporal scales—seasonal, sub-seasonal, and high-frequency components—of variability with distinct physical mechanisms. The seasonal component represents the variability associated with the evolution of the Asian summer monsoon, specifically the East Asia summer monsoon, governed primarily by large-scale circulation as a result of varying sea level pressure contrasts between the Asian continent and the surrounding oceans. The arrival and the duration of a monsoon front primarily shape the seasonal evolution of precipitation in Korea. The bimodal peaks are due to the low-level circulation change as a result of temperature and subsequently sea level pressure redistribution during summer. The sub-seasonal component has characteristic time scales of 10-30 days and is associated with eastward moving upper-level disturbances at ~40N. The upper-level disturbances affect the meridional circulations resulting in low-level convergence/divergence underneath and also to the south and to the north of the disturbance. From mid-July to mid-August, the sub-seasonal component is more clearly observable and the period of oscillations is generally shorter than during early or late summer. The high-frequency component with time scales less than 10 days is associated with mid-latitude baroclinic Rossby waves

synoptic-scale variations of upper-level geopotential height and low-level moisture convergence are well correlated with the high-frequency variability of precipitation in Korea. Positive precipitation anomalies over Korea correspond to an upper-level divergence with anti-cyclonic wind anomalies due to baroclinic Rossby waves with their axis around ~40°N. The vertical structures of key physical variables are well explained in the context of baroclinic instability with the geopotential height anomaly field connecting the upper-level divergence and the lower-level convergence tilted westward with height and the temperature anomaly field slanting slightly in the opposite direction. Since various physical mechanisms potentially contribute to changes in Korean summertime precipitation, distinct physical mechanisms with different time scales help analyze the summertime precipitation variability. 61 KMA summertime precipitation data in South Korea for 1996-2008 (POS) in comparison with those for 1979-1995 (PRE) were also analyzed via CSEOF technique. Detailed physical change by extracting space-time structures of the physical mechanisms of precipitation variability were derived from using the daily NCEP/NCAR reanalysis data over East Asia (80°-180°E, 0°-60°N) by CSEOF analysis with the same design to the previous analysis. In the seasonal component, which represents the variability associated with the evolution of the East Asian summer monsoon, due to the change of low-level circulation patterns in the Asian region, the commencement, duration, and retreat of the East Asian monsoon front has varied significantly over recent years. Specifically, the first peak of the bimodal precipitation pattern in Korea has started earlier and significantly increased in intensity. The second peak has broadened in recent years and the typical seasonal period of decreased precipitation has weakened. The strength of the sub-seasonal component has increased in recent years due to the strengthening of meridional circulation between the subtropics and the mid-latitudes. A conspicuous change in the vertical structure of the sub-seasonal component is seen in recent records. Increased warm and moist advections from the south and decreased cold and dry advections from the north seem to be the primary reasons for such a change. Relatively strong sub-seasonal precipitation activity with an averaged period of ~15 days has shifted from late June through mid July in the PRE years to early August through early September in the POS years. The high-frequency component, which is formed by the baroclinic instability, has increased in the POS years by ~25% particularly in early- to mid-August in Korea since dynamical and thermodynamical processes have strengthened. The second and third CSEOF modes in the entire period explain the localized heavy rainfall events, which are mainly associated with the direct/indirect effect of tropical cyclones. The extreme localized heavy rainfall event appeared in the southern provinces of Korea as September 3 in the second CSEOF of 1979-1995. In the second CSEOF of 1996-2008, however, the extreme heavy rainfall events at August 7 and August 31 occur dominantly in the central-western region and in the eastern part of the Korean Peninsula, respectively. This change in the localized heavy rainfalls could be due to the tropical cyclone or depression activities.