Role of Vegetation and Cloud on Arctic Climate Change: A Modeling Study

Abstract

최근 수 십 년간 북극 지역에서는 전구 평균 기온 상승보다 더 큰 기온 상승이 발생하였다. 북극 증폭 (Arctic amplification) 이라 불리는 이 북극지역의 강한 기온 상승 현상에 다양한 기후 요소가 영향을 미칠 수 있음이 여러 연구를 통해 밝혀지고 있다. 본 연구에서는 전구식생역학모델 (dynamic global vegetation model)의 기후모델에의 접합과 구름모수화과정 및 해빙 해수면 경계조건을 개선한 모델링을 통해 식생과 구름이 이러한 북극의 기후 변화에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 전구역학식생모델을 접합한 기후모델을 이용한 이산화탄소 배증 실험 결과, 온실기체 증가에 따른 고위도 지역의 식생 증가가 북극지역의 기온 상승에 기여하는 것으로 나타난다. 이산화탄소 배증실험에서 역학전구식생모델은 이산화탄소 배증시 북아메리카, 유라시아 대륙 북부의 고위도 지역의 식생 증가를 모의하였다. 식생의 변화를 고려하지 않고 현재 기후에서 모의된 식생분포를 고정한 이산화탄소 배증 실험결과와 비교하였을 때, 이러한 식생 증가는 식생성장 계절에서의 고위도 대륙지역의 기온 상승을 야기하였으며 이에 따라 북극으로의 대기중 북향 수송 에너지 역시 증가하였다. 결국 식생의 변화가 고려된 실험에서 가을철 북극지역의 해빙은 면적과 두께 모두 크게 감소하였으며 이에 따라 북극지역의 기온 역시 크게 상승하였다. 이 결과는 최근 위성자료 등을 통해 관측된 고위도 지역의 식생의 증가가 양의 되먹임 과정을 통해 북극지역의 기온 상승 및 해빙 감소에 기여했을 가능성을 암시한다. 재분석자료와 위성자료 분석과 개선된 기후모델링 실험을 통해 살펴본 결과, 최근 겨울철 북극지역의 해빙 감소와 이에 연관된 북극의 기후시스템의 변화가 북극지역의 구름 증가에 기여하며 이에 따라 북극지역의 구름이 북극지역의 기온 상승에 미치는 영향이 커지는 것으로 나타난다. 재분석자료와 위성자료의 북극지역 겨울철 평균 지면대기온도, 운량의 변화 경향은 1997/1998년을 기점으로 약한 감소 경향에서 강한 증가 경향으로 변화하였다. 겨울철 해빙 역시 1997/1998년을 기점으로 급격하게 감소하기 시작하였다. 북극지역 평균 해빙에 대한 구름수분량의 회귀분석 결과 1997/1998년 이전 시기는 해빙 변화에 대한 구름수분량의 변화가 북극지역 경계에 나타남에 반해 1997/1998년 이후는 북극지역의 중앙에서 나타난다. 두 시기의 평균 대기장의 차이를 살펴보면 1997/1998년 이후 시기에 해빙의 감소, 지면대기온도의 증가, 하층 안정도의 감소, 행성경계층의 확장, 대기경압성의 발달이 발생하였으며 이러한 북극지역의 대기조건의 변화는 국지대류 및 저기압 발생에 호조건을 제공한다. 따라서 1997/1998년 이후 시기에 해빙의 감소와 북극지역의 운량의 증가가 더욱 밀접하게 연관되며, 북극지역 평균 하층운량과 북극지역 동서방향 평균 기온 및 비습의 회귀분석 결과 역시 이러한 관계의 변화를 제시하고 있다. 이러한 최근 북극지역 해빙감소와 운량 증가 메커니즘을 개선된 대기모델 실험에서 확인하였다. 먼저 해빙 변화에 대한 보다 정확한 대기모델의 경계조건을 얻기 위하여 해빙 변화에 대한 해수면온도를 북극지역의 해빙 면적과 해수면온도의 분포 관계에서 계수 다항식 근사 (polynomial fitting)를 통하여 얻어진 3차 다항식을 이용하여 보정하였다. 이 보정 방안을 이용한 대기모델 실험 결과는 해수의 어는점을 이용하는 전통적 보정 방식에 비하여 관측에 더 가까운 대기의 반응을 모의하였다. 다음으로 보다 정확한 운량의 변화를 모의하기 위하여 기존 연구에서 제안된 FREEZEDRY 운량모수화 방안을 대기모델에 접합하고 성능을 확인하였다. 이 운량모수화 방안을 이용하였을 때 북극지역 겨울철 운량의 과다모의 경향과 운량-기온 관계가 개선된 모의 결과를 얻었다. 이 계수 다항식 근사 방안과 운량모수화 방안의 접합을 통해 대기모델 실험 결과, 관측에서 나타난 겨울철 해빙의 감소가 지면대기온도 증가, 하층안정도 감소, 행성경계층의 확장, 대기경압성의 증가 등의 대기조건의 변화를 야기하고, 이에 따라 운량 역시 증가함을 확인하였다. 이에 따라 해빙이 감소하는 경우 운량이 하층 기온 상승에 미치는 영향 역시 커짐을 확인하였다. 이 해빙의 감소와 운량의 증가, 이에 따른 운량과 주변 기후요소와의 관계변화는 제 5차 결합기후모델비교사업 (coupled model intercomparison project phase 5)에 참여한 모델들의 미래기후실험 결과 앙상블 평균에서도 마찬가지로 나타나고 있다. 즉 재분석 자료와 모델 실험 결과들은 해빙이 감소하는 조건에서 겨울철 북극지역의 구름이 지면대기온도와 하층대기의 기온 증가에 더욱 기여할 수 있음을 제시한다.

The Arctic has experienced substantial warming in recent decades of which degree and rate is much larger than global averages. This phenomenon, which is also widely predicted from future climate modeling for several climate change assessment reports of the Intergovernmental Panels for Climate Change, is called as the Arctic amplification. Various climate factors on the globe could contribute to the amplified warming over the Arctic because of the highly sensitive Arctic climate system and the northward transport into the high latitude region. Much of understanding for these contributing factors come from modeling study because of lack of observation datasets owing to severe weather and climate conditions of the Arctic. In particular, less consideration of climate factors such as vegetation, cloud, and sea ice in modeling could bring large uncertainties in understanding the Arctic climate. Thus present thesis examines the contributions of vegetation and cloud to the Arctic amplification through modeling work with adopting a global dynamic vegetation model (DGVM) and improving physical processes related to sea ice and cloud. First, modeling result from simulating the Community Climate System Model 3 (CCSM3) coupled with a DGVM indicates that potential vegetation change under a doubled CO2 situation and its feedback have an influence on surface warming over the Arctic/high-latitude region. This dissertation performed two baseline experiments under the present and doubling CO2 concentration using the CCSM3-DGVM. Then, an additional simulation without DGVM was performed under doubling CO2 concentration with the prescribed vegetation taken from the present CO2 simulation. Model experiments indicate that a vegetation change in high-latitudes may induce substantial alteration of climate in the Arctic/high-latitude during warm and cold seasons. When the interactive vegetation process is included in the future climate simulation, vegetation in high-latitudes increases during growing season and the warming in the Arctic and high-latitude continent appears to be significantly amplified. Furthermore, and the Arctic sea ice exhibits considerable decline both in areal extent and thickness associated with the vegetation feedback effect. The present results demonstrate that a conspicuous climatic change can take place in the Arctic region from the vegetation-climate feedback, and suggest a possible positive vegetation feedback over the Arctic and high-latitude region in association with anthropogenic global warming. Next, diagnosis and modeling on recent Arctic cloud change are conducted. The dissertation first examines changes in Arctic cloud during winter (December to February) in recent three decades and their impacts on atmospheric circulation with multiple datasets from satellite and reanalysis products. From change point analysis applied to both datasets, it was shown that Arctic cloud decreases gradually during the late 20th century and increases considerably after late 1990s. The gradual decrease and substantial increase in each period are also seen simultaneously in the temperature and moisture at lower troposphere over the Arctic. In particular, the recent profound cloud increasing emerges over the most Arctic and expands to higher altitude compared to decreasing period, accompanying increasing in precipitation. Between decreasing and increasing periods, the relationship between cloud and the Arctic Oscillation does not change, and the region where cloud increasing and moisture upward transport are linked to sea ice reducing moves from the margin to the center of the Arctic. Changes in surface conditions between two periods indicate that reduced sea ice cover in cloud-increasing period leads to an increase in turbulent fluxes from surface, a decrease in lower tropospheric static stability, and deepening of planetary boundary layer. As a result, these altered conditions provide a favorable condition for cloud to be more formed through enhancing upward moisture transport. In addition, these changes tighten the local relationship between cloud at lower troposphere and atmospheric states over the Arctic. Diagnosis on recent cloud change suggests that sea ice change could play a crucial role on changes in cloud and its effect on the Arctic climate, also suggests that further modeling is needed due to weakness in datasets. The modeling of the impact of sea ice on recent cloud change first performs an investigation of surface boundary condition related to sea ice change in order to obtain more accurate modeling result. It is found that the atmospheric responses related to Arctic sea ice melt in the cold season (OctoberMarch) depend on sea ice fraction and are very sensitive to in-situ sea surface temperature (SST) from a series of atmospheric general circulation model (AGCM) simulations in which multiple combinations of SSTs and sea ice concentrations are prescribed in the Arctic Ocean. The amplitude of surface warming over the melted sea ice region is controlled by concurrent in-situ SST even if these simulations are forced by the same sea ice concentration. Much of the sensitivity of surface warming to in-situ SST are related with large changes in surface heat fluxes such as the outgoing long-wave flux in early winter (OctoberDecember) and the sensible and latent heat fluxes for the entire cold season. Vertical extension of surface warming and moistening is sensitive to these changes as well

the associated condensational heating modulates a static stability in the lower troposphere. Thus, changes in SST fields in AGCM simulations must be implemented with extra care, especially in the melted sea ice region in the Arctic. In addition, the statistical method in the thesis for adjusting SSTs in conjunction with a given sea ice change can help to model the atmospheric response to sea ice loss more accurately. Finally, modeling result of recent Arctic climate change with refined surface boundary condition and cloud amount parameterization suggests that recent changes in cloud and its effect on the Arctic climate are closely linked to surface condition change due to sea ice retreat even during winter. As seen in reanalyses, modeling result also describes that reduced sea ice cover leads to an increase in turbulent fluxes from surface, deepening of planetary boundary layer, and enhancing of convective process, thereby causing an increasing in cloud and closer relationship between cloud and local atmospheric state over the Arctic. Further investigation from the fifth phase the Coupled Model Intercomparison Project, of which the winter Arctic cloud increases and its impact on the Arctic becomes enhanced in future climate under global warming condition, also confirms this modeling result. The results from diagnosis and modeling emphasize that the cloud may amplify the surface warming over the Arctic during winter in recent decade, under sea ice retreat condition.