[논문 리뷰] Future changes in the vertical structure of severe convective storm environments over the U.S. central Great Plains

Isaac Davis, Funing Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 17.

Meteorological Phenomena and SimulationsEarth and Planetary Sciences인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 기후 변화가 미국 중부 대평원 지역의 극심한 대류성 스톰 환경의 전체 수직 구조에 어떻게 영향을 미칠지 조사한다. 고정된 높은 CAPE와 고른 풍 shear 조건 하에서 열역학적 및 운동학적 프로파일에 중점을 두며, 경계층 수증기와 자유 대류권의 경사도 변화는 미미하지만, 저공역 풍 shear와 스톰 상대 헬리시티 증가로 인해 토네이도 발생 가능성이 높아질 것으로 보이나, 혼입 효과와 더 높은 LCL로 인한 상반된 영향으로 이러한 경향이 상쇄될 수 있다.

ABSTRACT

The effect of warming on severe convective storm potential is commonly explained in terms of changes in vertically-integrated ("bulk") environmental parameters, such as CAPE and 0--6 km shear. However, such events are known to depend on details of the vertical structure of the thermodynamic and kinematic environment that can change independently of these bulk parameters. This work examines how warming may affect the complete vertical structure of these environments for fixed ranges of values of high CAPE and bulk shear, using data over the central Great Plains from two high-performing climate models. Temperature profiles warm relatively uniformly with height, with a slight decrease in free tropospheric lapse rate, and the tropopause shifts upwards at constant temperature. The boundary layer becomes slightly drier (-2--4\% relative humidity) while the free troposphere becomes slightly moister (+2--3\%). Moist static energy (MSE) increases relatively uniformly with height with slightly larger increase within the boundary layer. Moist static energy deficit increases slightly above 4 km altitude. Wind shear and storm-relative helicity increase within the lowest 1.5 km associated with stronger hodograph curvature. Changes are broadly consistent between the two models despite differing biases relative to ERA5. The increased low-level shear and SRH suggests an increased potential for severe thunderstorms and tornadoes, while the slight increase in free tropospheric MSE deficit (enhanced entrainment) and decrease in boundary layer relative humidity (higher LCL) may oppose these effects. Evaluation of the net response of severe convective storm outcomes cannot be ascertained here but could be explored in simulation experiments.

연구 동기 및 목표

• 기후 가열 조건 하에서 전체 수직 열역학적 및 운동학적 구조가 CAPE와 풍 shear와 같은 전체 매개변수에 영향을 받지 않고 어떻게 변화할지 평가하기 위해.
• 경사도, 수증기, 호도그램 곡률과 같은 수직 프로파일 세부 사항의 변화가 CAPE와 풍 shear와 같은 전체 매개변수만으로 예측할 수 없는 극심한 뇌우와 토네이도 위험을 어떻게 변화시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• ERA5 재분석과 비교해 다른 편향을 보이는 두 개의 고성능 기후 모델 간에 이러한 변화의 강건성을 테스트하기 위해.
• CAPE와 전체 풍 shear를 일정하게 유지할 때도 토네이도 발생과 대류 강도에 영향을 줄 수 있는 핵심 환경 변화를 규명하기 위해.

제안 방법

• 미국 중부 대평원 지역에 대해 6시간 간격의 ERA5 재분석 자료와 CMIP6 모델 출력 자료(역사적 및 SSP585 시나리오)를 사용함.
• 전체 매개변수에 영향을 받지 않는 수직 구조 변화를 분리하기 위해 고정된 고CAPE 및 고 0–6km 풍 shear(S06) 조건을 만족하는 환경을 선별함.
• 온도, 수증기, 바람 및 유도 변수(예: 수증기 정적 에너지, 스톰 상대 헬리시티)를 전체 대기열에 걸쳐 분석함.
• 경사도, 상대 습도, 수증기 정적 에너지(MSE), 호도그램 곡률 등의 핵심 변수 수직 프로파일을 계산하여 혼입 및 저공역 순환성 변화를 평가함.
• ERA5와 다른 편향을 보이는 두 개의 CMIP6 모델 간 결과를 비교하여 연구 결과의 강건성을 테스트함.
• 통계적 및 시각적 분석(예: 프로파일도, 이상도)을 사용하여 환경 구조 변화를 해석함.

Figure 1: (a) Map of gridpoint distributions within our region of interest from the ERA5 historical dataset and from the MPI and CNRM climate model datasets. (b) Joint histogram of CAPE and bulk shear (S06) from the ERA5 dataset for March-June for the period 1980–2014, with box denoting the fixed ra

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CAPE와 0–6km 풍 shear를 일정하게 유지할 때 기후 가열이 극심한 대류성 스톰 환경의 수직 열역학적 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 저공역 풍 shear와 스톰 상대 헬리시티에 어떤 변화가 발생하며, 이는 토네이도 발생 가능성에 어떻게 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ3 경계층 상대 습도와 자유 대류권 경사도 변화는 대류 발생 유도 및 혼입 효과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다른 편향을 지닌 다양한 기후 모델 간에 예측된 구조적 변화가 얼마나 강건한가?
• RQ5 수증기 정적 에너지와 MSE 결손의 변화는 깊은 대류와 극심한 스톰 강도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 온도 프로파일이 높이에 따라 균일하게 따뜻해졌고, 일정한 온도에서 열대권 상층부가 상승함으로써 열적으로 팽창된 열대권을 나타냄.
• 경계층 상대 습도가 약 2–4% 감소하여 자유 대류 레벨(LCL)이 상승하고, 대류 발생 효율이 감소할 가능성이 있음.
• 자유 대류권은 상대 습도 약 2–3% 증가하였고, 자유 대류권 경사도는 약간 감소하여 고도가 높아질수록 불안정성이 감소함.
• 수증기 정적 에너지(MSE)는 높이에 따라 균일하게 증가하였고, 특히 경계층에서 약간 더 큰 증가를 보여 대류에 유리한 에너지 가용성이 증가함.
• 저공역 풍 shear와 스톰 상대 헬리시티는 강한 호도그램 곡률로 인해 가장 낮은 1.5km 내에서 증가하여 토네이도 발생 가능성 증가를 시사함.
• 4km 이상 고도에서 자유 대류권 MSE 결손이 약간 증가함을 관측하여, 혼입 및 희석 효과가 강화되어 상승기류 억제 및 극심한 스톰 강도 감소 가능성을 시사함.

Figure 2: (a) Monthly frequency of final subset for ERA5, MPI historical and ssp370 future, and CNRM historical and ssp3 future. (b) Diurnal frequency of final subset (00/06/12/18 UTC). (c) Frequency distribution of convective inhibition (CIN) within final subset in 20 J kg -1 bins starting from zer