[논문 리뷰] Delayed Seasonal Cycle and African Monsoon in a Warmer Climate

Michela Biasutti, Adam H. Sobel|ArXiv.org|2009. 07. 16.

Climate variability and models참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 CMIP3 기후 모델 앙상블을 사용하여 온실가스 농도 증가가 글로벌 해수면온도와 강수량의 계절 주기 시차를 3–4일 연기시킨다는 것을 보여준다. 아프리카 사헬 지역은 계절 주기의 도래 시기가 늦어지고 강수기 기간이 짧아진다. 이 시차는 모델 간 불확실성에도 불구하고 매우 강건하며, 기후 변화 하에서 몬순 지역의 총 강수량 변화보다 계절 주기의 시기 예측 가능성이 더 높다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Increasing greenhouse gases will change many aspects of the Earth's climate, from its annual mean to the frequency of extremes such as heat waves and droughts. Here we report that the current generation of climate models predicts a delay in the seasonal cycle of global rainfall and ocean temperature in response to increasing greenhouse gases, with important implications for the regional monsoons. In particular, the rainy season of the semi-arid African Sahel is projected to start later and become shorter: an undesirable change for local rainfed agriculture and pastoralism. Previous work has highlighted the uncertainty in this region's response to anthropogenic global warming: summer rainfall is predicted either to decrease or increase by up to 30% depending which model is used. The robust agreement across models on the seasonal distribution of rainfall changes signifies that the onset date and length of the rainy season should be more predictable than annual mean anomalies.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 온실가스 농도가 글로벌 강수량과 해수면온도의 계절 주기 시기 변화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 기후 변화 하에서 사헬 지역의 몬순 시기, 특히 강수기 도래 시기와 지속 기간이 연기되는 정도를 평가하기 위해.
• 특히 농업 및 목축업에 의존도가 높은 지역에서 다수의 기후 모델 간 계절 주기 시차의 강건성을 평가하기 위해.
• 관측된 사헬 강수량 추세가 기후 모델의 계절 주기 시기 이동 예측과 일치하는지 평가하기 위해.
• 다양한 기후 모델을 사용하여 전 지구적 계절 주기 시차와 지역 몬순 반응을 구분하기 위해 주성분 분석(EOF)을 활용하기 위해.

제안 방법

• CMIP3 모델의 월별 기후 평균 강수량과 해수면온도(SST)에 대해 주성분 분석(EOF)을 적용하여 주요 공간 패턴과 시간적 변동성을 추출한다.
• EOF에서 유도된 주성분(PC) 시간 시리즈를 사용하여 20세기와 21세기 동안 계절 주기의 단계와 진폭을 정량화한다.
• 21세기와 20세기 간의 첫 번째 주성분(PC1) 이상치(21C-20C)를 계산하여 계절 주기의 이동을 탐지한다.
• PC1의 영점을 기준으로 봄과 가을 전이를 별도로 분석하여 강수기 도래 및 종료 시기의 시차를 추정한다.
• 차이의 차이 접근법(10월과 6월의 21C-20C 이상치 차이)을 사용하여, 이 시차가 EOF 분해의 산물이 아니라는 점을 확인하고, 거의 전 지구적 반응임을 확인한다.
• 모델 앙상블 평균과 개별 모델 출력 결과를 관측 데이터와 비교하여 사헬 지역의 계절 주기 시기 예측의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 증가하는 온실가스 강하가 글로벌 강수량과 해수면온도의 계절 주기 시기 변화에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 기후 변화 하에서 사헬 지역의 강수기 도래 시기와 지속 기간은 얼마나 늦어질까?
• RQ3 왜 사헬 지역에서 계절 주기의 시기 변화는 연간 평균 강수량 이상치보다 모델 간에 더 강건한가?
• RQ4 계절 주기의 시차가 전 지구적 현상인지, 아니면 열대 몬순 지역에 국한된 현상인가?
• RQ5 CMIP3 모델들은 관측치와 비교해 사헬 지역의 역사적 계절 주기 강수량을 얼마나 잘 시뮬레이션하는가?

주요 결과

• CMIP3 모델 전체에서 21세기의 전 지구적 강수량과 해수면온도 계절 주기는 각각 20세기 대비 평균 3.7일과 3.2일씩 지연된다.
• 사헬 지역의 강수기는 평균 3.3일 늦어지고 3.7일 늦게 끝나며, 결과적으로 강수기 기간이 1.5일 짧아진다.
• 봄(도래) 시점의 PC1 시차는 해수면온도 기준 4.1일, 강수량 기준 3.3일이며, 가을(종료) 시점의 시차는 각각 2.5일과 3.7일이다.
• 계절 주기의 시차는 모델 간에 매우 강건하며, 특히 해수면온도의 경우 봄 시차에서 모델 간 변동성이 낮아 전 지구적 반응이 뚜렷하다.
• 사헬 지역 연간 평균 강수량 변화에 대해 높은 불확실성이 존재하나(최대 30% 증감), 강수기 시기의 지연은 모든 모델에서 일관되게 관찰된다.
• 10월과 6월의 21C-20C 이상치 차이를 통해 전 지구적 계절 주기 패tern이 재현되며, 이는 온실가스 강하에 의한 거의 전 지구적 반응임을 확인하며, EOF 분석의 산물이 아님을 증명한다.