Eurasian winter temperature trend and its decadal variability = 유라시아 겨울철 기온 추세와 장기변동성

국문 초록 (Abstract)

지구 표면 온도는 인위적 온실가스 배출에 대응하여 최근 수 십년간 꾸준히 상승해 왔다. 이와 대조적으로, 지표기온 추세는 뚜렷한 공간적·시간적 불균질성을 나타내며, 북반구 중위도 대륙에서 두드러진다. 특히 유라시아 대륙은 겨울철 지표기온의 강한 수십 년 규모 변동성을 보이는데, 여기에는 20세기 후반의 유의미한 한랭화 추세에서 2000년대 후반 온난화 추세로의 급격한 반전이 포함된다. 이러한 수십 년 규모 변동성의 물리적 기원을 이해하는 것은 지역적인 기후 변화에서 내부 기후 변동성과 외부 강제력에 의한 반응을 분리하는 데 필수적이다. 본 학위논문은 관측 자료, 재분석 자료, 다중 모형 대규모 앙상블 모의실험, 그리고 기후모형 실험을 사용하여 유라시아 겨울철 지표기온 변동성의 특성과 메커니즘, 그리고 최근의 추세 반전을 규명한다.
관측 분석 결과, 1988–2009년 동안 동서방향으로 비대칭적인 겨울철 지표기온 추세가 나타났으며, 이는 유라시아의 한랭 추세와 북아메리카 북동부 및 그린란드의 온난 추세를 특징으로 한다. 이러한 패턴은 2009년 이후 급격히 반전되었다. 이 수십 년 규모 전환은 온난 북극–한랭 유라시아 패턴만으로 설명되기보다는 북극진동의 위상 변화와 밀접하게 관련되어 있다. 지표 에너지 수지 분석은 북극진동과 연관된 온도 및 수증기 이류에 의해 조절되는 하향 장파복사가 관측된 온도 추세의 주요 열역학적 동인이며, 현열 플럭스는 부차적인 역할을 한다는 것을 보여준다.
유라시아 겨울철 한랭 추세에 대한 내부 기후 변동성의 기여도는 1980년대 후반부터 2000년대 후반까지의 다중 모형 대규모 앙상블 모의실험을 활용하여 추가로 평가되었다. 다중 모형 대규모 앙상블은 유라시아 겨울철 지표기온 추세에서 넓은 분산을 보였으며, 앙상블 평균은 0에 가까워 관측된 한랭 추세가 인위적 강제력에 대한 직접적인 반응이라기보다 내부 기후 변동성의 드문 실현임을 시사한다. 한랭 추세를 재현하는 앙상블들은 대류권에서 연직으로 깊게 발달한 북극 온난화, 성층권 극 소용돌이 약화, 그리고 적도 서태평양의 대류 강화를 특징으로 한다. 예를 들어, 이렇게 강화된 열대 대류는 로스비파 원격상관을 통해 알류샨 저기압 및 바렌츠-카라해 고기압을 강화시켜, 유라시아 한랭 추세에 유리한 순환 아노말리를 강화한다.
이후의 지표기온 추세 반전을 지배하는 역학적 메커니즘은 북대서양 기후 변동성을 조사함으로써 규명되었다. 아극 북대서양 해수면 온도 변동성에 의해 조절되는 북대서양 제트의 수십 년 규모 변동성이 주요 역학적 원천으로 나타났다. 유라시아 한랭 추세 기간 동안, 아극 북대서양 해수면 온도 온난 추세는 남북방향 온도 경도를 약화시켜 북대서양 제트 감속과 그린란드–노르웨이해 상공의 상부 대류권 수렴 강화를 초래하였다. 비선형 정상파 모형 실험을 통해 이 상부 대류권 수렴이 국지적 로스비파 에너지원으로 작용하여 유라시아 한랭 추세를 촉진하는 로스비파 발생으로 이어짐을 확인했다. 2000년대 후반 이후, 아극 북대서양 해수면 온도의 한랭 추세는 북대서양 제트를 가속시킴과 동시에 배경 지구 온난화와 결합하여 유라시아 온난 추세로의 반전에 기여하였다. 북대서양 제트 관련 메커니즘에 대한 아극 북대서양 해수면 온도의 필수적인 역할은 최신의 결합 기후모형 실험에 의해서 뒷받침된다.
종합적으로, 본 학위논문은 유라시아 겨울철 지표기온 추세의 수십 년 규모 변동성과 최근 반전이 북극진동과 관련된 대기 순환 변화, 적도 서태평양 대류 활동, 그리고 북대서양 제트 역학을 포함하는 내부 기후 변동성에 의해 지배된다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 경년–수십 년 규모 시간 척도에서 지역적인 지표기온 변동성을 해석하기 위한 물리적인 체계를 제공하며, 지역 기후 변화를 평가하고 예측할 때 내부 기후 변동성을 명시적으로 고려해야 할 필요성을 강조한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global surface temperature has increased steadily over recent decades in response to anthropogenic greenhouse gas emissions. In contrast, regional surface air temperature (SAT) trends exhibit pronounced spatial and temporal inhomogeneity, particularly over the Northern Hemisphere mid-latitude continents. In particular, the Eurasian continent have experienced strong decadal variability in winter SAT, including a significant cooling trend in the late twentieth century followed by an abrupt reversal to warming trend in the late 2000s. Understanding the physical origin of this decadal variability is essential for separating internal climate variability from externally forced responses in regional climate change. This dissertation investigates the nature and mechanisms of Eurasian winter SAT variability and its recent trend reversal using observations, reanalysis data, multi-model large ensemble simulations, and model experiments.
Observational analyses reveal a pronounced zonally asymmetric winter SAT trend during 1988–2009, characterized by cooling over central Eurasia and warming over northeastern North America and Greenland. This pattern reversed abruptly after 2009. The decadal reversal is closely associated with a phase shift of the Arctic Oscillation (AO), rather than being solely explained by the Warm Arctic–Cold Eurasia (WACE) pattern. A surface energy budget analysis demonstrates that downward longwave radiation, modulated by AO-related temperature and moisture advection, is the dominant thermodynamic driver of the observed temperature trends, while sensible heat flux plays a secondary role over central Eurasia.
The contribution of internal climate variability to the Eurasian winter cooling is further assessed using multi-model large ensemble simulations from the late 1980s to the late 2000s. The simulations exhibit a wide spread in Eurasian winter SAT trends, with an ensemble mean close to zero, indicating that the observed cooling represents a rare realization of internal climate variability rather than a direct response to anthropogenic forcing. Ensemble members reproducing the cooling trend feature tropospheric deep Arctic warming, weakening of the stratospheric polar vortex, and enhanced tropical convection over the western Pacific. For example, this intensified tropical convection deepens the Aleutian low through poleward-propagating Rossby waves, thereby reinforcing the circulation anomalies favorable for Eurasian cooling.
The dynamical mechanisms governing the subsequent trend reversal are elucidated by examining North Atlantic climate variability. Decadal variability of the North Atlantic jet, driven by subpolar sea surface temperature (SST) variability, emerges as a key dynamical source. During the Eurasian cooling period, subpolar North Atlantic warming weakened the meridional SST gradient, leading to jet deceleration and enhanced upper-tropospheric convergence over the Greenland–Norwegian Seas. Nonlinear stationary wave model experiments confirm that this upper-tropospheric convergence acts as a local Rossby wave source, exciting a downstream wave train that promotes Eurasian cooling. After the late 2000s, cooling of the subpolar North Atlantic SST strengthened the meridional SST gradient and re-accelerated the jet, contributing to the reversal toward Eurasian warming in combination with the background anthropogenic warming signal. The essential role of the subpolar North Atlantic SST for the North Atlantic jet-related mechanisms is also supported by fully-coupled climate model experiments, prescribing the observed SST trend pattern.
Overall, this dissertation demonstrates that the decadal variability and the recent reversal of the Eurasian winter SAT trend are predominantly governed by internal climate variability operating through interconnected pathways involving AO-related circulation changes, tropical Pacific convection, and North Atlantic jet dynamics. These results provide a physically consistent framework for interpreting regional SAT variability on interannual-to-decadal timescales and underscore the necessity of explicitly accounting for internal climate variability when assessing and projecting regional climate change.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Eurasian winter temperature trend 1
• 1.2. Decadal variability of Eurasian winter temperature 3
• 1.3. Proposed mechanisms: Anthropogenic forcing and internal climate variability 6
• 1.4. Aims of dissertation 10
• Chapter 2. Eurasian winter temperature trend and its recent reversal in observations 13
• 2.1. Motivation 13
• 2.2. Data and methods 15
• 2.2.1. Dataset 15
• 2.2.2. Lepage statistics 15
• 2.2.3. Surface energy budget 16
• 2.3. Decadal reversal of surface temperature trend 18
• 2.3.1. Zonally asymmetric surface temperature trend 18
• 2.3.2. Large-scale atmospheric circulation changes 21
• 2.4. Surface energy budget analysis 26
• 2.5. Thermodynamic and dynamic processes 30
• 2.6. Discussion 35
• Chapter 3. Role of internal climate variability: Large ensemble perspective 38
• 3.1. Motivation 38
• 3.2. Data and methods 41
• 3.2.1. Dataset 41
• 3.2.2. Classification of ensembles 42
• 3.3. Warm Arctic–cold Eurasia pattern 44
• 3.4. Internally-driven potential sources 53
• 3.4.1. Arctic warming 53
• 3.4.2. Midlatitude snow cover 56
• 3.4.3. Tropical convection 59
• 3.5. Discussion 64
• Chapter 4. Dynamical mechanisms 68
• 4.1. Motivation 68
• 4.2. Data and methods 70
• 4.2.1. Dataset 70
• 4.2.2. Wave diagnostic tools 70
• 4.2.3. Linear baroclinic model 72
• 4.2.4. Nonlinear stationary wave model 73
• 4.2.5. CESM2 pacemaker 74
• 4.3. Influence of tropical Pacific 76
• 4.4. Influence of North Atlantic 86
• 4.4.1. Regional wave sources 86
• 4.4.2. Idealized model experiments 90
• 4.4.3. Coupled climate model experiments 96
• 4.5. Discussion 101
• Chapter 5. Conclusions and final remarks 104
• 5.1. Overall 104
• 5.2. Summary of dissertation 106
• 5.2.1. Chapter 2 “Eurasian winter temperature trend and its recent reversal in observations” 106
• 5.2.2. Chapter 3 “Role of internal climate variability: Large ensemble perspective” 106
• 5.2.3. Chapter 4 “Dynamical mechanisms” 107
• 5.3. Future directions 109
• REFERENCES 111
• 국문초록 123