[보고서]성층권 돌연승온 발생 및 발달에 기여하는 대기 중력파의 역할

전혜영

성층권 돌연승온 발생 및 발달에 기여하는 대기 중력파의 역할
The Role of Atmospheric Gravity Waves in the Evolution of Stratospheric Sudden Warming 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	연세대학교 Yonsei University
연구책임자	전혜영
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2021-03
과제시작연도	2020
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
등록번호	TRKO202200018027
과제고유번호	1711114824
사업명	개인기초연구(과기정통부)(R&D)
DB 구축일자	2022-12-05
키워드	성층권 돌연승온.중력파.행성파.잠재와도방정식.이상실험.Sudden stratospheric warming.gravity wave.planetary wave.potential vorticity equation.idealized simulation.

초록 ▼

연구개요
성층권 돌연승온의 발생 및 발달에 기여하는 대기중력파의 역할을 파악하기 위하여 중력파가 유도하는 잔여 순환 및 온도 변화와 성층권 행성파의 발달에 미치는 중력파의 영향을 분석하였다. 본 연구에서는 극와동의 가장자리를 따라 국지적인 중력파 강제력의 증가를 선행했으며, 극와동의 붕괴로 50 K 이상의 기록적인 온도 상승을 동반했던 2009년 성층권 돌연승온 사례(SSW09)에 초점을 맞추어 다음의 세 가지 분석을 수행하였다. 첫째, 중력파 강제력이 유도하는 잔여순환 및 온도 변화를 파악하였다. 둘째, 국지적인 중력파 강제력의 증가로 인한 행성파의 발생 가능성을 조사함으로써, 중력파 강제력이 동서파수 2 행성파의 강화를 통하여 돌연승온 발생에 기여한 메커니즘을 파악하였다. 셋째, 이상화 된 대기대순환모형을 이용한 수치 실험을 통하여 돌연승온 발생과정에서 나타난 중력파-행성파 상호작용 과정을 고찰하였다.

연구 목표대비 연구결과
SSW09는 극와동의 깨짐을 동반하며, 9일 만에 50 K 이상의 극 성층권 온도 상승을 보였다. 극와동의 붕괴는 동서파수 1 행성파의 약화와 함께 이례적으로 증가한 동서파수 2행성파에 기인하였다. 동서파수 2 행성파의 깨짐은 동서평균류에 음의 강제력을 제공하여, 중위도에서 고위도로 향하는 잔여 순환과 그에 따른 극지역의 하강기류를 유도하여 단열승온을 초래하였다. 성층권에서 중력파는 행성파에 비해 작은 강제력을 가졌으나, 중간권 하부(0.1 hPa 이상)에서는 그 크기가 증가하여 고위도에서 하강기류를 유도하여 단열 승온에 기여하였다. 또한, 돌연승온 발생일 약 2 주전부터 극와동 가장자리를 따라 국지적으로 증가한 중력파 강제력은 지역적으로 전체 항력의 90%에 달하여, 돌연승온의 발생에 있어 그 중요성이 확인되었다.
국지적으로 증가한 중력파 강제력이 돌연승온에 앞서 발달한 동서파수 2 행성파에 미친 영향을 파악하기 위하여, 행성파의 준-지균 잠재와도 방정식을 분석하였다. 중력파 강제력의 수평 변동성으로 인한 비-보존강제력은 중간권 하부/성층권 상부(고도 55-60 km)에서 뚜렷한 동서파수 2의 구조를 보였으며, 이는 성층권의 동서파수 2 행성파와 유의미한 상관관계를 보였다. 2차원 푸리에 변환을 적용하여 비-보존강제력에 의해 유도된 동서파수 2 행성파를 추출해 분석한 결과, 비-보존강제력에 의해 유도된 동서파수 2 행성파는 성층권으로 하향 전파하여, 돌연승온을 야기한 동서파수 2 행성파 강화에 기여하였음을 확인하였다.
SSW09에서 나타난 중력파-행성파 상호작용 메커니즘에 대한 이해를 심화하기 위하여, 중력파 강제력의 동서방향 구조를 달리한 이상 실험을 수행하였다. 중력파 강제력이 동서방향으로 symmetric하게 처방된 실험과 동서파수 2의 구조를 갖도록 처방된 실험을 비교한 결과, 동서파수 2의 구조를 가진 중력파 강제력이 잠재와도 섭동의 비-보존강제력으로 작용하여 동서파수 2의 행성파를 발생시켜, 동서파수 2 행성파의 진폭이 크게 증가함을 확인하였다. 중력파 강제력에 의한 행성파의 in-situ 발생은 동서 평균류에 양의 강제력을 제공할 뿐만아니라, 발생지로부터 상향 및 하향으로 전파하는 모습을 보임으로써, SSW09에서 나타난 중력파-행성파 상호작용을 뒷받침하는 근거가 되었다.

연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
본 연구는 성층권 돌연승온의 발생 및 발달에 있어 중력파의 역할을 직접적으로 평균류에 미치는 영향과 더불어 행성파와의 상호작용을 통해 미치는 영향을 종합적으로 조사했다는 점에서 돌연승온의 발생 메커니즘에 대한 기존의 이론을 확장하는 데에 크게 기여하였다. 특히, 본 연구에서 규명된 중력파-행성파 상호작용은 기존의 파동 간 상호작용의 연구에서는 조명되지 않았던 메커니즘으로 대기 파동 역학에 대한 학문적 수준을 한 단계 심화시켰다.
성층권 돌연승온은 대류권과도 긴밀히 연계된 현상으로 한파와 같은 급격한 날씨 변화를 야기한다. 그러므로, 돌연승온의 발생 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 돌연승온 예보의 정확도를 향상시키는 것은 중장기 기상 예보 발전에 이바지 할 수 있다. 이는 궁극적으로 급격한 날씨 변화로 인한 인적, 경제적, 산업적 손실을 줄이는 데에 기여할 수 있다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
연구결과 요약문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
가. 연구의 배경 ... 4
나. 국내·외 연구동향 ... 4
다. 연구의 필요성 ... 5
라. 연구의 목표 ... 5
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
(1) 1차년도 (2017) ... 6
(2) 2차년도 (2018) ... 6
(3) 3차년도 (2019) ... 7
(4) 4차년도 (2020) ... 7
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 8
1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 8
2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
3) 목표 달성 수준 ... 18
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 19
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
가. 연구성과 활용 체계 ... 19
나. 추가 연구의 필요성 ... 19
다. 타 연구에의 응용 ... 19
6. 참고문헌 ... 20
붙임1 세부 정량적 연구개발성과 ... 22
붙임2 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 26
끝페이지 ... 38

표/그림 (19)

표 Polar stereographic projection maps of the (a) horizontal wind speed and (b) temperature at 10 hPa from 15 January to 27 January 2009 (corresponding to lag = –9 to Lag = +3 when the central date of SSW is defined as lag = 0). The longitudinal (latitudinal) grid lines are drawn every 30° (15° starting from 30°N) with dotted lines
표 Time–height cross sections of the geopotential height amplitudes of planetary waves (PWs) having zonal wavenumbers (a) 1 and (b) 2 at 65°N during the evolution of the 2009 SSW event. (c), (d) As in (a) and (b), respectively, but for the anomalies from the 36-yr (1980–2015) climatological means. The black and brown dots in (c) and (d) denote the regions where the anomalies are statistically significant for the 90% and 95% confidence level, respectively. The pink solid lines denote the central date of the 2009 SSW event
표 Latitude-height cross sections of the (a) EPD by all resolved waves, (b) GWDX, and (c) the percentage of GWDX to the total wave forcing averaged between lag = –30 and –5. The yellow vector overlaid in Figure 3a (Figure 3b) denotes the residual mean velocity (,) induced by EPD (GWDX)
표 Polar-stereography of (a) EPD, (b) GWD, and (c) wave forcing ratio averaged between 10 and 0.1 hPa during Jan. 2009 SSW
표 Polar stereography of the (a) QGPV perturbation tendency (), (b) zonal advection of , (c) meridional advection of planetary potential vorticity, (d) non-conservative GWD forcing (), and (e) zonal wind averaged over 0.3–0.1 hPa at lag = –6 (18 January 2009). In (a)–(d), each variable is calculated using the ZWN 1–3 components. Polar stereography is plotted from the equator to the North Pole with an interval of 15 degree latitude
표 Longitude-height cross sections of (shading) and geopotential height perturbations () (contour) averaged over 50o-80oN from 12 January to 27 January 2009
$Latitude-height cross section of the non-conservative GWD forcing and the E-P fluxes (black vectors) by zonal wavenumber 2 with a frequency of a (a) and (b) at 17 January 2009 (Lag = –7). Note that the magnitude of the reference vector in (a) is 16 times larger than that in (b). The thick magenta and blue contours indicate the zero refractive index and zero meridional PV gradient lines$ 표 Latitude-height cross section of the non-conservative GWD forcing and the E-P fluxes (black vectors) by zonal wavenumber 2 with a frequency of a (a) and (b) at 17 January 2009 (Lag = –7). Note that the magnitude of the reference vector in (a) is 16 times larger than that in (b). The thick magenta and blue contours indicate the zero refractive index and zero meridional PV gradient lines
표 Time-height cross section of amplitude of the (shading) and EPF (vectors, downward only) for ZWN-2 with a frequency component of . and EPFs are averaged over 50°-60°N. The pink solid line denotes the central date of 2009 SSW event
표 Time-height cross-sections of (a) zonal wind (U), and (b-e) ensemble means of zonal pseudomomentum fluxes (Fps) averaged over 30°N-90°N for OGWs and NGWSA11 in the (top) 4D and (bottom) 2D experiments. Contour interval for zonal winds is 10 m/s and negative values are plotted in dashed lines. Transparently shaded areas over the zonal Fps indicate regions where the two-tailed t-test for the 4D and 2D experiments gives p values larger than 0.05
표 Relative vorticity at 5 hPa and meridional pseudomomentum fluxes (Fp) for OGW at z = 38 km on (a, e) 11 (b, f), 15 (c, g) 17, and (d, h) 19 January in 2009 for the (top) 4D and (bottom) 2D experiments. OGW Fp is multiplied by the efficiency factor (0.125). Contour interval for relative vorticity is 5×10-5 s-1, and negative values are plotted in broken lines. Hatched areas over the zonal Fp indicate regions where the paired and two-tailed t test for the 4D and 2D experiments give p values larger than 0.05
표 Variances of brightness temperature perturbations at 4.3 μm for five selected days prior and during the sudden stratospheric warming event of 2009, arranged into 4°(longitude) 6°(latitude) bins. Results represent gravity wave induced perturbations observed by the AIRS/Aqua satellite instrument
표 Latitude-height cross sections of the DJF-mean EPD (first column), OGWD (second column), and CGWD (third column) (shading) with the zonal-mean zonal wind (magenta contour), with a contour interval of 10 m/s, calculated using the CFSR data averaged from 1979 to 2010. Positive (negative) winds are plotted as solid (dotted) lines and zero winds are plotted as thick solid lines
표 Latitude-height cross sections of the DJF-mean mass stream function from the direct method and downward-control principle from the total wave forcing, EPD, CGWD, OGWD, Residual calculated using the CFSR data averaged from 1979 to 2010
표 Latitude-height cross section of (a) NH midwinter RET, (b) parameterized GWD obtained from perpetual NH midwinter run by using the IGCM, (c) prescribed GWD (). Zonal structure of the prescribed GWD in (d) ExpSym and (e)ExpAsy
표 Latitude-height cross sections of zonal-mean zonal wind (left) and temperature (right) in ExpSym (upper) and ExpAsy (lower)
표 Latitude-height cross sections of the geopotential height amplitude of planetary waves having ZWN 1 (1st column), 2 (2nd column), and greater than 2 (3rd column) in (a) ExpSym and (b) ExpAsy
표 Latitude-height cross sections of negative dqdy (shading) and EPD (lines) in (a) ExpSym and (b) ExpAsy. Negative, zero, and postive EPD is denoted blue, black, and red lines, respectively
표 Polar stereography of (a) minus advection, (b) NCGWD, (c) the sum of minus advection and NCGWD, (d) the perturbation QGPV, and (e) the geopotential height amplitude of PW 2
표 Longitude-height cross section of the geopotential height amplitude of ZWN-2 PWs at 70°S

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