Asian dust activities in response to the climate changes over East Asia = 동아시아 기후변화에 따른 황사 활동의 변화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Asian dust, also referred to as mineral dust, is one of the most important natural aerosol components of the Earth system. Originating primarily from arid and semi-arid regions of East Asia, Asian dust plays a crucial role in regulating the radiative balance of the atmosphere, modifying cloud microphysical processes, and influencing biogeochemical cycles through long-range transport and deposition. In addition to its climate impacts, Asian dust is a major contributor to air quality degradation in downwind regions, including Korea, where dust outbreaks frequently elevate particulate matter concentrations and exacerbate public health risks. Consequently, understanding the long-term variability of Asian dust activity and its response to climate change is of both scientific and societal importance.
Observational records over recent decades suggest an apparent weakening of Asian dust activity, particularly in terms of dust observations over downwind regions. However, this overall decreasing tendency masks pronounced regional heterogeneity. Moreover, the mechanisms driving recent changes in dust emission, transport remain incompletely understood. Previous studies have proposed multiple, sometimes competing, drivers, including surface warming, changes in vegetation cover and soil moisture, weakening meridional temperature gradients, Arctic amplification, and large-scale ocean-atmosphere variability. These factors interact across a wide range of spatial and temporal scales, complicating attribution of observed dust trends to specific climatic processes.
This dissertation aims to provide a comprehensive assessment of recent changes in Asian dust activity by jointly examining dust source regions and transport pathways in the context of both externally forced climate change and internally driven climate variability. The central hypothesis is that recent Asian dust variability cannot be explained by a single monotonic trend, but instead reflects a restructuring of dust soure regions and a simultaneous modification of synoptic-scale transport mechanisms. To test this hypothesis, this study integrates long-term surface observations, satellite-based aerosol products, atmospheric reanalysis datasets, and climate model simulations.
The first major finding of this study is that East Asian dust source regions have undergone a pronounced restructuring since the early 2000s. During the 1990s, dust activity was concentrated primarily over the Gobi Desert. In contrast, during the 2000s and 2010s, dust occurrence expanded markedly northward into Mongolia, where annual mean Dust Occurrence Frequency (DOF) nearly tripled. This increase occurred despite the fact that Mongolia is climatologically characterized by grassland and steppe surfaces with relatively high threshold wind speeds for dust emission. Detailed analysis revels that this enhanced dust activity cannot be explained by increased wind erosivity. Instead, it is driven by a substantial increase in surface erodibility associated with land-surface drying.
Surface wind statistics show that strong winds capable of initiating dust emission have not increased over Mongolia; in fact, wind speeds weakened until the early 2010s. However, the probability of dust occurrence under moderate wind conditions has increased sharply since 2000. This shift indicates a reduction in the resistance of the land surface to wind erosion. In contrast, both erosivity and erodibility over the Gobi Desert have declined, leading to a net decrease in dust activity there. These contrasting responses highlight the importance of land-surface conditions in controlling regional dust emissions.
The enhancement of surface erodibility over Mongolia is closely linked to unprecedented summer precipitation deficits. Summer precipitation accounts for the majority of annual rainfall in inland East Asia and exerts a strong control on soil moisture and vegetation conditions. This study shows that summer precipitation over Mongolia experienced a persistent and extreme decline from the late 1990s through the 2000s, with values remaining well below long-term climatological means for more than a decade. Due to soil memory effect with seasonal freezing and snow cover, summer soil moisture anomalies persist through subsequent autumn, winter, and spring, preconditioning the land surface for enhanced dust emission in the following spring.
In contrast, the Gobi Desert exhibits little seasonal persistence in soil moisture because precipitation evaporates rapidly. As a result, summer precipitation deficits have a weaker long-term influence on spring dust activity in the Gobi Desert. This fundamental difference in land-surface hydrological response explains the divergent dust trends between Mongolia and the Gobi Desert and underscores the critical role of summer precipitation in reshaping East Asian dust source regions.
The study further demonstrates that the extreme summer drying over Mongolia is not solely a local phenomenon but is strongly modulated by large-scale ocean-atmosphere variability. Since the 1990s, the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) have exhibited synchronized regime shifts, characterized by a negative PDO phase and a positive AMO phase. This unprecedented alignment of Pacific and Atlantic sea surface temperature anomalies has reinforced anticyclonic circulation over inner Eats Asia through circumglobal and Eurasian teleconnection patterns. The strengthened anticyclonic circulation suppresses upward motion, reduces moisture transport, and weakens summer precipitation over Mongolia. Additionally, changes in the thermal and snow conditions over the Tibetan Plateau play an important intermediary role. Reduced snow cover and enhanced plateau warming amplify upper-tropospheric anticyclonic circulation, further weakening the East Asian summer jet Stream (EASJ). Empirical Orthgonal Function (EOF) analysis of zonal wind fields reveals a poleward shift and weakening of the EASJ since the 1990s, which expands subsidence over Mongolia at the jet exit region. Theses circulation changes are strongly correlated with observed declines in summer precipitation, establish a dynamical pathway linking ocean-atmosphere variability to regional land-surface drying and dust source expansion.
While dust emissions over source regions have intensified or saturated, dust observations over downwind receptor regions, including Korea and Japan, have declined since the early 2000s. This apparent paradox is resolved by examining changes in dust transport efficiency. Cyclone tracking analysis using the Hodges algorithm reveals a significant decrease in southward-propagating cyclone tracks that are favorable for transporting dust to the Korean Peninsula and Japan. At the same time, cyclone activity has increasingly followed more northerly pathways.
The reduction in southward cyclone tracks is closely associated with weakened midlatitude baroclinicity, reflected by a reduced meridional temperature gradient and lower Eady growth rates. These changes are consistent with large-scale warming and Arctic amplification, which act to flatten temperature gradients and suppress baroclinic cyclone development. As a result, dust transport has become increasingly zonal, confirming dust plumes to higher latitudes and reducing their impact on traditional receptor regions.
Satellite-based Absorbing Aerosol Index (AAI) anomalies since 2010 corroborate this interpretation, showing enhanced dust signals over Mongolia but negative anomalies over Korea and Japan. The spatial pattern of these anomalies indicates preferential eastward transport rather than southward transport. Consequently, dust activity in source and receptor regions has become decoupled, marking a fundamental shift in the East Asian dust system.
Taken together, this dissertation demonstrates that recent Asian dust variability from the combined effects of land-surface drying, large-scale circulation changes, and altered cyclone activity. The findings emphasize that future Asian dust activity cannot be inferred from emission trends alone but must account for evolving transport pathways. In particular, continued warming and shifts in ocean-atmosphere variability may further enhance dust emissions over northern source regions while simultaneously reducing dust impacts over downwind regions. These results have important implications for air quality prediction, climate modeling, and assessments of future environmental risk in East Asia.

국문 초록 (Abstract)

황사(Asian dust)는 지구 시스템에서 가장 중요한 자연 기원 에어로졸 중 하나이다. 주로 동아시아의 건조 및 반건조 지역에서 발생하는 아시아 황사는 대기의 복사 균형을 조절하고, 구름 미세물리 과정에 영향을 미치며, 장거리 수송과 침적을 통해 생지화학적 순환에 중요한 역할을 한다. 또한 아시아 황사는 한반도를 포함한 하류 지역의 대기질 악화에 크게 기여하여, 미세먼지 농도를 증가시키고 공중보건 위험을 증대시키는 주요 요인으로 작용한다. 따라서 아시아 황사 활동의 장기 변동성과 기후 변화에 대한 반응을 이해하는 것은 과학적, 사회적으로 모두 중요한 과제이다.
최근 수십 년간의 관측 자료는 동아시아 황사 활동이 전반적으로 감소하는 경향을 나타냄을 시사하였다. 이에 대한 원인으로 기존 연구들은 지표 온난화, 식생 및 토양 수분 변화, 남북 온도 경도 약화, 북극 증폭 (Arctic amplification), 해양-대기 상호작용 등 다양한 요인을 제시해 왔다. 그러나 이러한 평균적인 감소 추세는 지역 간 이질적인 변동성을 내포하고 있으며, 황사 배출과 수송 변화의 메커니즘은 아직 명확히 규명되지 않았다.
본 연구는 외부 강제력에 의한 기후 변화와 내부 기후 변동성을 모두 고려하여, 아시아 황사 발원지와 수송 경로의 변화를 통합적으로 분석하는 것을 목표로 하였다. 본 연구의 핵심 가설은 최근의 아시아 황사 변동성이 단일한 단조 추세로 설명될 수 없으며, 발원지의 재편성과 종관 규모 수송 메커니즘의 동시적 변화를 반영한다는 것이다. 이를 검증하기 위해 장기간 지상 관측 자료, 위성 자료, 대기 재분석 자료, 그리고 기후 모형 모의 결과를 종합적으로 활용하였다.
동아시아 황사 발원지는 2000년대 초반 이후 뚜렷한 재편을 겪은 것으로 나타났다. 1990년대에는 황사 활동이 주로 고비 사막에 집중되어 있었으나, 2000년대와 2010년대에는 몽골 지역으로 황사 발생이 현저히 북상하였으며, 몽골의 연평균 황사 발생 빈도(Dust Occurrence Frequency, DOF)는 약 세 배 증가하였다. 이는 상대적으로 식생이 분포하고 황사 발생 임계 풍속이 높은 초원 지형이라는 몽골의 기후적 특성을 고려할 때 주목할 만한 변화이다. 본 분석의 결과로 이러한 황사 발생 빈도의 증가는 지표 풍속의 증가 및 강풍 빈도의 증가만으로는 설명될 수 없으며, 토양 건조화에 따른 지표 침식성(erodibility)의 증가에 의하여 주도된 것으로 나타났다.
몽골 지역에서는 황사 발생을 유발할 만큼 강한 풍속의 빈도가 증가하지 않았으며, 오히려 2010년대 초반까지 평균 풍속은 약화되는 경향을 보였다. 그럼에도 불구하고, 일정한 풍속 조건 하에서 황사가 발생할 확률은 2000년 이후 급격히 증가하였다. 이는 지표 침식성의 증가에 기인한다.
몽골 지역의 지표 침식성 증가는 전례 없는 여름철 강수 감소와 밀접하게 연관되어 있다. 내륙 동아시아에서 여름철 강수는 연 강수량의 대부분을 차지하며, 토양 수분과 식생 상태를 결정하는 핵심 요인으로서 작용한다. 본 연구는 몽골 지역에서 1990년대부터 2000년대까지 여름철 강수가 장기간에 걸쳐 극심하게 감소하였으며, 10년 이상 장기간 평균보다 현저히 낮은 수준을 유지하였음을 보여준다. 토양 기억 효과(soil memory effect)는 이러한 여름철 강수의 감소에 따른 여름철 토양 수분의 감소가 다음 봄까지 지속될 수 있도록 작용하여 봄철을 포함한 전 계절 황사 발생 횟수의 증가에 기여한 것으로 나타났다.
반면, 고비 사막에서는 강수가 빠르게 증발하여 토양 수분의 계절적 지속성이 약하므로, 여름철 강수 감소가 이듬해 봄 황사 활동에 미치는 영향은 제한적이다. 이러한 토양 수문 반응의 근본적인 차이는 몽골과 고비 사막 간 상이한 황사 추세를 설명하며, 여름철 강수가 동아시아 황사 발원지 구조를 재편하는 데 핵심적인 역할을 했음을 보여준다.
또한 몽골 지역의 극심한 여름 건조화는 국지적 현상에 국한되지 않고, 대규모 해양-대기 변동성에 의하여 조절되는 것으로 나타났다. 1990년대 이후 10년 주기 태평양 진동(Pacific Decadal Oscillation, PDO)의 음의 위상과 대서양 수십 년 주기 진동(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)의 양의 위상이 동조적으로 나타나면서, 전례 없는 해수면 온도 분포가 형성되었다. 이러한 태평양-대서양 변동성의 결합은 원격상관 패턴을 통해 동아시아 내륙에 고기압성 순환을 강화시켜 몽골 지역의 여름철 강수를 약화시켰다.
더 나아가 티베트 고원의 열적 및 적설 조건 변화, 동아시아 여름 제트(East Asian Summer Jet stream, EASJ)의 약화 및 북상 등의 지역적 요인들 역시 몽골 지역의 고기압성 순환을 강화하였다. 이는 지역적 요인 역시 여름 강수 감소와 밀접한 연관이 있으며, 해양-대기 변동성이 지역적 요인의 변화를 매개로 동아시아 황사 발원지의 건조화를 강화할 수 있음을 시사하였다.
한편, 황사 발원지의 재편으로 인하여 몽골 고원의 황사 발생 빈도는 2000년대에 감소하는 추세가 나타나지 않았음에도 불구하고 한반도와 일본을 포함한 풍하 지역에서는 황사 관측 빈도가 2000년대 이후 감소하였다. Hodges 알고리즘을 이용한 저기압 추적 분석 결과, 한반도와 일본으로 황사를 수송하는 데 유리한 남하형 저기압이 유의미하게 감소한 반면 북쪽 경로를 따르는 저기압 활동이 증가하였다. 남하형 저기압 감소는 중위도 경압성 약화와 밀접하게 연관되어 있다. 이는 지구 온난화와 북극 증폭에 의하여 남북 온도 경도가 완만해지고 경압성이 줄어드는 현상과 일관된다. 그 결과, 황사 수송에 의한 풍하 지역의 황사 관측 빈도는 줄어든 것으로 분석하였다.
종합적으로 본 연구는 최근 아시아 황사 변동성이 지표 건조화, 대기 순환 변화, 그리고 저기압 활동의 변화가 결합된 결과임을 규명하였다. 본 연구 결과는 향후 아시아 황사 활동을 예측함에 있어 배출변화와 수송경로의 변화를 종합적으로 고려해야 함을 나타낸다. 특히 지속적인 온난화와 해양-대기 변동성의 변화는 북부 발원지에서의 황사 배출을 강화하는 동시에, 풍하 지역에 대한 황사 영향을 감소시킬 가능성이 있다. 이러한 결과는 동아시아 지역의 대기질 예측, 기후 모형 개선, 그리고 미래 환경 위험 평가에 중요한 시사점을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents vii
• List of Tables ix
• List of Figures x
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background and Motivation 1
• 1.2. Scientific Questions 8
• 1.3. Objectives of this study 10
• Chapter 2. Data and analysis 10
• 2.1. Datasets 10
• 2.1.1. Observations 10
• 2.1.2. Meteorological data 12
• 2.1.3. Ocean-atmosphere oscillations 13
• 2.1.4. Multi-Sensor Absorbing Aerosol Index (MS-AAI) 13
• 2.1.5. MERRA-2 dust products 14
• 2.1.6. Community Earth System Model 2 (CESM2) 14
• 2.2. Method 15
• 2.2.1. K-Means clustering 15
• 2.2.2. Empirical Orthogonal Function analysis (EOF) 15
• 2.2.3. Piecewise linear regression 16
• 2.2.4. Hodges’ cyclone tracking algorithm 16
• 2.3. Study region 17
• Chapter 3. Results 17
• 3.1. Exacerbation of PM concentration due to Asian dust 17
• 3.2. Changes in Asian dust activity over the past decades 26
• 3.3. Restructuring of the East Asian dust source regions linked to soil drying 31
• 3.3.1. Dust activity changes in Mongolia and the Gobi Desert 31
• 3.3.2. Summer precipitation decline enhances soil erodibility in Mongolia 39
• 3.3.3. Ocean-atmosphere oscillations modulate Monoglia precipitation 44
• 3.3.4. Contrasting erosivity and erodibility of the Mongolia and the Gobi Desert 53
• 3.4. Reduction of dust transport due to weakening of cyclone activity over receptor regions 56
• 3.4.1. Decreased dust observations over receptor region in the recent decade 56
• 3.4.2. Possible mechanism of decreased dust transport over receptor regions 70
• Chapter 4. Summary and conclusions 74
• References 81
• 국문 초록 91