Mechanisms of future changes in extreme precipitation over Northeast Asia and Korea: A multi-RCM study

Abstract

This study examines future changes in extreme precipitations over Northeast Asia including Korea using five Regional Climate Models (RCMs) simulations driven by single GCM under two RCP emission scenarios. Focusing on summer season (June-July-August, JJA) when heavy rains dominate in the region, we first evaluate RCM performances in extreme precipitation in comparison with observations for the present period (1981-2005). The RCM outputs in future period (2071-2100) is then analyzed to study spatio-temporal patterns of extreme precipitation changes relative to the present. Physical mechanisms are examined by analyzing moisture flux convergence at 850hPa level, which is shown to be closely related to precipitations, and assessing relative contribution of thermodynamic (moisture increase due to warming) and dynamic (atmospheric circulation change) effects to the moisture changes. It is found that RCMs can simulate extreme precipitation events (> 80 mm/day) over Korea similar to observations, which are not well captured by GCM. RCMs consistently project increases in the frequency of heavy rains (> 50 mm/day) and also the intensification of extreme precipitation (measured as 95th percentile, 12-15% increase by the end of 21st century). Thermodynamic contribution to the extreme precipitation increase is confirmed by inter-RCM and inter-scenario relationship. However, dynamical effect is also found to induce local scale changes, which shows large inter-RCM differences, resulting in nonlinear and uncertain future changes in precipitation extremes. Composite analysis of daily synoptic patterns indicates that extreme precipitation events in both present and future climates are mainly associated with the southwest to northeast evolution of large-scale low-pressure system. This synoptic pattern is analyzed to move along the monsoonal (Chang-ma) front that corresponds to the boundary between warm and humid air mass and cold and dry air mass.

본 연구에서는 하나의 GCM을 기반으로 수행한 다중 지역기후모델(RCM)의 미래 시나리오 모의자료를 이용하여 동북아시아 및 한반도의 극한강수 미래 변화 전망과 그 메커니즘을 분석하였다. RCP 4.5와 RCP8.5 시나리오를 이용하였으며 한반도 호우의 대부분이 발생하는 여름철(6월~8월)을 중심으로 분석하였다. 다중 RCM의 모의성능을 현재 25년(1981~2005년)에 대하여 관측과 비교하여 평가하였고, 21세기 후반(2071~2100)에 대하여 극한강수의 미래 전망 패턴을 분석하였다. 물리 메커니즘을 분석하기 위하여 강수와 유의한 상관성을 갖는 850 hPa의 수분속수렴 변화를 분석하고 열역학적 효과와 역학적 효과의 상대적 기여도를 파악하였다. 저해상도의 GCM에서 잘 모의되지 않는 극한강수(80mm/day 초과)를 RCM에서는 관측과 유사한 빈도로 모의 할 수 있었다. 모든 지역기후모델은 극한강수의 빈도(50 mm/day 초과)가 미래에 증가할 것으로 전망하였고, 또한 극한강수의 강도(95퍼센타일 기준)도 현재대비 12~15% 증가할 것으로 전망했다. 온난화에 따른 수분 증가를 나타내는 열역학적 기여를 통한 극한강수가 증가하는 전망은 다중지역기후모델과 두 시나리오에서 모두 일치하게 나타났다. 하지만, 지역규모의 수분속수렴에 영향을 줄 수 있는 역학적 효과는 각 RCM마다 전망 차이가 컸다. 이러한 역학적 기여 전망의 모델간 차이가 강수 전망의 불확실성에 기여한 것으로 판단된다. 일별 종관장을 합성분석한 결과는 현재와 미래의 한반도 극한강수가 한반도 남서쪽에서 북동쪽으로 발달하여 진행하는 저기압 시스템의 영향을 받는 것으로 파악되었다. 이러한 종관장 패턴은 고온다습한 기단과 한랭건조한 기단의 사이의 장마전선의 형성위치에 따라 영향을 받는 것으로 판단된다.