Arctic–Eurasian Linkages in a Warming Climate : Contributions from Storm–Blocking Interactions

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Arctic has warmed far faster than the global average—a phenomenon known as Arctic Amplification （AA）—and this warming increasingly coincides with cold Eurasian winters, the Warm Arctic–Cold Eurasia （WACE） pattern. This dissertation aims to understand the Arctic–Eurasian winter linkages from synoptic-scale storm–blocking interactions to the multidecadal evolution of the WACE pattern. The dissertation is organized into six chapters. Chapter 1 introduces the paradox between Arctic warming and Eurasian winter cooling, identifies the knowledge gaps, and outlines the scientific objectives. Chapter 2 describes the datasets and methods used throughout. On synoptic timescales, Chapter 3 shows that the magnitude of the positive Arctic Oscillation （AO）, not its phase alone, modulates storm–blocking interactions: a strong positive AO steers more North Atlantic storms into the Barents–Kara Sea （BKS）, warming the region and weakening the meridional potential vorticity （PV） gradient so that Ural blocking becomes anchored and lasts longer. Tracing this chain to the event level, Chapter 4 identifies individual Atlantic windstorms as a precursor of Deep Arctic Warming （DAW）, in which the entire BKS troposphere warms simultaneously; of the 40 DAW events identified, 70% follow a windstorm intrusion, with poleward moisture transport enhancing cloud cover and downward longwave radiation at the surface while orographic interaction over Greenland extends the warming into the mid-troposphere. On decadal timescales, Chapter 5 decomposes Northern Hemisphere winter temperature variability into AA, AO, and Barents Oscillation （BO） modes over 84 winters; for the pronounced WACE trend of 1990/91–2014/15, Arctic warming is largely explained by AA while Eurasian cooling is driven by the negative AO trend—indicating that internal variability, not AA, dominates the decadal Eurasian cooling signal. A regime shift to a warmer Arctic （2004–2024） further weakens the PV gradient under negative AO and BO phases, increasing blocking frequency, a behavior confirmed by idealized model experiments. Chapter 6 synthesizes the findings into a unified framework: AA alone does not account for the decadal Eurasian cooling trend but acts as a background condition that amplifies Arctic–Eurasian linkages through PV-gradient weakening, while internal variability remains the primary driver of decadal Eurasian temperature trends. Better understanding how AA and internal variability interact across timescales will be important for reducing uncertainty in projections of Eurasian winter climate under continued Arctic change.

국문 초록 (Abstract)

북극은 전 지구 평균보다 훨씬 빠르게 온난화되고 있으며, 이를 북극 증폭（Arctic Amplification, AA）이라 한다. 이러한 북극 온난화와 역설적으로 유라시아에서는 추운 겨울이 빈번해지는 따뜻한 북극–추운 유라시아（Warm Arctic–Cold Eurasia, WACE） 패턴이 주목받고 있다. 본 학위논문은 북대서양 폭풍과 블로킹의 종관 규모 상호작용부터 WACE 패턴의 수십 년 규모 변화에 이르기까지, 북극– 유라시아 겨울철 연계성을 다중 시간 규모에 걸쳐 규명하는 것을 목표로 한다. 본 논문은 총 6 개의 장으로 구성된다. 제 1 장은 북극 온난화와 유라시아 한파의 역설적 관계를 소개하고, 기존 연구의 한계와 본 연구의 과학적 목표를 제시한다. 제 2 장은 연구 전반에 활용된 재분석 자료 및 관측 자료와 방법론을 기술한다. 종관 규모에서 제 3 장은 양의 북극 진동（Arctic Oscillation, AO） 세기가 폭풍–블로킹 상호작용을 조절하는 과정을 분석하였다. 강한 양의 AO 시기에는 상층 제트가 강화되어 더 많은 북대서양 폭풍이 바렌츠–카라해（Barents–Kara Sea, BKS）로 유도된다. 이는 해당 지역의 온난화와 잠재 소용돌이도（PV） 경도 약화를 유발하며, 그 결과 우랄 블로킹（Ural blocking, UB）이 특정 위치에 고착되어 더 오래 지속된다. 이 과정을 개별 사례 수준에서 추적한 제4장에서는 북대서양 폭풍이 심층 북극 온난화（Deep Arctic Warming, DAW）의 선행 인자임을 밝혔다. DAW 는 BKS 상공의 대류권 전 층이 동시에 온난화되는 현상으로, 분석된 40 개의 DAW 사례 중 70%에서 북극으로 유입된 강한 폭풍이 선행한 것으로 나타났다. 폭풍에 의한 고위도로의 수증기 수송은 하층운과 하향 장파복사를 증가시켜 지표를 온난화시키며, 이 수증기가 그린란드 지형과 상호작용할 때 발생하는 비단열 가열은 온난화를 중층 대류권까지 확장시킨다. 수십 년 규모에서 제5 장은 북반구 겨울철 기온 변동성을 AA, AO, 바렌츠 진동（Barents Oscillation, BO） 모드로 분해하였다. 1990/91–2014/15 의 뚜렷한 WACE 추세에서 북극 온난화는 AA 모드의 양의 추세, 유라시아 한랭화는 AO 의 음의 추세로 대부분 설명되며, 이는 수십 년 규모의 유라시아 한랭화를 주도하는 것이 AA 가 아닌 내부변동성임을 시사한다. 또한 온난 북극 시기（2004–2024）로의 전환 이후 음의 AO·BO 위상에서 PV 경도가 더 크게 약화되어 블로킹이 더 자주 발생하며, 이는 이상화 모델 실험에서도 재현되었다. 제 6 장에서는 각 장의 결과를 통합적 체계로 종합하였다. AA 는 유라시아 한랭화 추세를 단독으로 설명하지 못하지만 PV 경도 약화를 통해 북극–유라시아 연계를 증폭시키는 배경 조건이며, 수십 년 규모의 유라시아 기온 변화는 내부변동성이 주된 동인으로 남아 있다. AA 와 내부변동성이 다중 시간 규모에 걸쳐 어떻게 상호작용하는지를 더 깊이 이해하는 것이 지속되는 북극 변화 속에서 유라시아 겨울철 기후 전망의 불확실성을 줄이는 데 중요할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Scientific Objectives 3
• 1.3 Organization of Thesis 5
• Data and Methodology 7
• 2.1 Data description 7
• 2.1.1 JRA-55 reanalysis data 7
• 2.1.2 ERA5 reanalysis data 8
• 2.1.3 OISST 8
• 2.1.4 SSMIS 9
• 2.1.5 Observation data 9
• 2.2 Blocking Detection 10
• 2.2.1 Large-scale Reversal （LAR） Method. 10
• 2.2.2 Regional Hybrid （RHYB） Method 10
• 2.3 North Atlantic Storm Tracking 13
• 2.4 Empirical Orthogonal Function （EOF） analysis 14
• 2.5 Mean-Shift Model analysis 15
• Chapter 3. Enhanced Persistence of Ural Blocking under Strong Positive AO 17
• 3.1 Introduction 17
• 3.2 Methodology 22
• 3.2.1 AO Index and UB Classification 22
• 3.3 Results 23
• 3.3.1 AO Magnitude-Dependent Storm Organization 23
• 3.3.2 AO Magnitude and UB Persistence 25
• 3.3.3 Thermodynamic Pathway: Storm Intrusion to BKS Warming 27
• 3.3.4 PV Gradient Weakening and Blocking Anchoring 38
• 3.3.5 Downstream Impact: WACE Pattern Development 41
• 3.4 Summary 45
• Chapter 4. Atlantic Windstorm Intrusion as a Precursor of Deep Arctic Warming 48
• 4.1 Introduction 48
• 4.2 Methodology 51
• 4.2.1 DAW event definition 51
• 4.3 Results 52
• 4.3.1 Windstorm Intrusion as a DAW Precursor 52
• 4.3.2 Thermodynamic Pathway of Storm-Driven DAW 56
• 4.3.3 Atmospheric and Surface Response to Storm Intrusion 63
• 4.3.4 Pre-2000 and Post-2000 Changes in DAW Response 68
• 4.4 Summary 71
• Chapter 5. The Warm Arctic–Cold Eurasia Pattern: Interplay of Arctic Amplification and Internal Variability 74
• 5.1 Introduction 74
• 5.2 Methodology 78
• 5.2.1 Arctic Amplification Index and Local Amplification Map 78
• 5.2.2 East Siberian Blocking 78
• 5.2.3 Idealized GCM Experiments 79
• 5.3 Results 81
• 5.3.1 Decomposition of WACE: AA and Internal Variability 81
• 5.3.2 Arctic Climate Regime Shifts and Blocking Frequency 93
• 5.3.3 PV Gradient Response to Arctic Warming: Idealized GCM Experiments 106
• 5.4 Summary 111
• Chapter 6. Conclusions and Discussions 114
• 6.1 Conclusions 114
• 6.2 Originality of The Study 117
• References 118
• List of Abbreviations 130