[논문 리뷰] The Relationship between Precipitation and Aerosol: Evidence from Satellite Observation

Chongxing Fan, Maiqi Ding외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 03.

Atmospheric aerosols and clouds참고 문헌 18인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 A-Train 위성 관측 자료를 활용하여 에어로졸- precipitation 상관관계를 조사하며, 에어로졸 투과도(AOD)와 강수 강도 사이에 양의 상관관계가 있음을 규명한다. 이는 구름 방울 농도(CDNC)와 AOD 사이의 음의 상관관계에서 기인하며, 높은 에어로졸 농도가 구름 미세물리학 및 레이더 반사도 스펙트럼의 변화를 통해 구름 방울 농도를 감소시키지만 강수를 증가시키는 데 기여한다.

ABSTRACT

The interaction of aerosol-cloud-precipitation has an important impact on the global climate. The understanding of this issue is related to the uncertainty of climate change prediction. The traditional indirect effect of aerosols suggests that when the number of aerosols increases, it will act to suppress precipitation. However, recent studies on satellite observations have found that aerosols are positively correlated with precipitation, which is contrary to conventional views. This study attempts to use the A-Train satellite product to verify the correlation between aerosol and precipitation, and further reveals the possible physical mechanism of the positive relationship between aerosols and precipitation in satellite observations through the three-dimensional structure of clouds. The study found that the precipitation intensity is positively correlated with the aerosol optical depth, while the relationship between the cloud droplet concentration and the precipitation intensity is related to the liquid water path; and when the number of aerosols increases, the radar reflectance spectrum is widened, and the precipitation increases, while the cloud droplet concentration shows the opposite phenomenon. It can be concluded that the possible cause of positive correlation between aerosol and precipitation is the negative correlation between CDNC and AOD.

연구 동기 및 목표

• 기존의 간접 에어로졸 효과(에어로졸 농도 증가 시 강수 감소)와 최근 위성 관측에서 관측된 양의 에어로졸-강수 상관관계 사이의 모순을 해결하기 위해.
• 다중 위성 관측 자료를 활용하여 관측된 AOD와 강수 강도 사이의 양의 상관관계를 이끌어내는 물리적 메커니즘을 조사하기 위해.
• 강수 과정에 미치는 에어로졸 영향을 이해하기 위해 3차원 구름 구조 및 미세물리적 특성을 분석하기 위해.
• 에어로졸-강수 관계를 매개하는 구름 방울 농도(CDNC)와 액체수분 경로의 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 에어로졸 투과도(AOD), 구름 특성 및 강수를 측정하는 기구를 포함한 A-Train 위성 컨스텔레이션 데이터를 활용한다.
• 통계적 상관관계 및 회귀 기법을 사용하여 AOD, 강수 강도, 구름 방울 농도(CDNC), 액체수분 경로 간의 관계를 분석한다.
• 레이더 반사도 스펙트럼을 분석하여 다양한 에어로졸 조건에서 구름 입자 크기 및 강수 효율의 변화를 평가한다.
• 3차원 구름 구조 분석을 적용하여 에어로졸 농도가 구름 미세물리학 및 강수 형성에 미치는 영향을 구분한다.
• 다중 센서 위성 자료 융합을 통해 공간 및 시간 해상도를 향상시켜 강력한 상관관계 분석을 수행한다.
• 통계 모델을 적용하여 액체수분 경로가 에어로졸-강수 관계에 미치는 영향을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 위성 관측에서는 기존의 간접 에어로졸 효과와는 반대로 에어로졸 투과도(AOD)와 강수 간에 양의 상관관계를 보이는가?
• RQ2 에어로졸 농도가 증가함에 따라 구름 방울 농도(CDNC)는 어떻게 변화하며, 이는 관측된 강수 추세에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 액체수분 경로와 에어로졸-강수 상관관계 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 에어로졸 농도가 증가함에 따라 레이더 반사도 스펙트럼은 어떻게 변화하며, 이는 강수 형성에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 위성 관측에서 AOD와 강수 강도 사이의 양의 상관관계를 설명하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 강수 강도는 에어로졸 투과도(AOD)와 유의미한 양의 상관관계를 보이며, 이는 기존의 간접 에어로졸 효과와 정면으로 배치된다.
• 구름 방울 농도(CDNC)와 강수 강도 간의 관계는 액체수분 경로에 따라 달라지며, 이는 구름 깊이에 따라 조건부 의존성을 나타낸다.
• 에어로졸 수가 증가함에 따라 레이더 반사도 스펙트럼이 넓어지며, 이는 더 크거나 더 많은 수의 수분입자를 의미하며, 이는 강수 효율을 향상시킨다.
• CDNC와 AOD 간의 반대 상관관계가 AOD-강수 강도 간 양의 상관관계를 이끄는 핵심 메커니즘으로 규명되었다.
• 높은 에어로졸 농도는 CDNC를 감소시키지만 강수를 증가시키며, 이는 높은 에어로졸 조건에서 충돌-응집 과정과 같은 미세물리적 과정이 강화됨을 시사한다.
• 3차원 구름 구조 분석 결과, 에어로졸에 의한 구름 미세물리학적 변화는 방울 농도 감소에도 불구하고 강수 형성 측면에서 유리한 영향을 미친다.