Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2019.05a
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pp.312-312
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2019
지구온난화로 인하여 기상학적 변동성 증가 및 수질, 수자원, 생태계 등의 다양한 영역에 영향을 야기하고 있으며, 이를 통한 피해가 전 세계적으로 증가하고 있는 추세이다. 이에 본 연구에서는 최근 다양한 분야에서 수문학적 빈도에 영향을 미친다고 알려진 AO(Arctic Oscillation), NAO(North Atlantic Oscillation), ENSO(El $Ni{\tilde{n}}o$-Southern Oscillation), PDO(Pacific Decadal Oscillation), MJO(Madden-Julian Oscillation)등의 외부인자중 SST, MJO를 활용하여 계절단위의 수문량 정도에서 기상학적 변량과 관측유역 강수량의 관계를 정립하고 발생 가능한 24시간 지속시간 극치강수량을 모의하였다. 이를 위하여 Bayesian 통계기법을 이용한 비정상성 빈도해석모형을 근간으로 외부 기상인자에 의한 계절강수량 예측모형인 계층적 베이지안 네트워크(Hierarchical Bayesian Network, HBN)를 구축한 후 산정된 결과를 입력 자료로 하여 직접적으로 일단위 이하의 극치강수량을 상세화 시킬 수 있는 베타 모델(four parameter beta, 4PB)을 연계한 계층적 베이지안 네트워크 베타모델(Hierarchical Bayesian Network-4beta Model, HBN4BM)을 개발하여 기상변동성을 고려한 상세화 모형을 개발하였다. 여름강수량 산정 결과 한강 유역의 경우 2016년은 관측값 573.85mm, 모의 값 567.15mm를 나타내어 약 1.2%의 오차를 나타냈으며, 2017년 및 2018년은 4.5%, 6.8%의 오차에서 모의가 이루어졌다. 금강의 경우 2016년은 다른 연도에 비하여 35.2%라는 큰 오차를 보였지만 불확실성 구간에서 모의가 이루어 졌으며, 2017년 및 2018년은 0.3%, 2.1%의 작은 오차가 발생하였다. 24시간 모의 결과는 최소 0.7%에서 최대 27.1%의 오차를 나타냈으며, 평균적으로 16.4%의 오차 결과가 모의되어 모형의 신뢰성을 확인하였다.
This study shows that frequency of tropical cyclone (TC) around Korea in summer (June-September) has positive relation with Arctic Oscillation (AO) in the preceding April. In a positive AO phase, each of anomalous cyclone and anomalous anticyclone is developed in low latitude and middle latitude regions of East Asia from the preceding April to summer. As a result, while anomalous southeasterly around Korea serves as a steering flow that TCs move toward this area is strengthened, northwesterly that reinforced in southeastern area of East Asia plays a role in preventing TCs from moving toward this area. In addition, due to this distribution of pressure systems developed in this AO phase, TCs tend to occur, move and recurve in further northeastern region in the western North Pacific than TCs in a negative AO phase. On the contrary, TCs in a negative AO phase mainly move westward toward southern China or Indochina Peninsula from Philippines. Eventually, intensity of TCs is weaker than those in a positive AO phase due to the terrain effect caused by high passage frequency of TCs in mainland China.
In this study, we investigate the associations between the solar variability and teleconnection indices, which influence atmospheric circulation and subsequently, the spatial distribution of the global pressure system. A study of the link between the Sun and a large-scale mode of climate variability, which may indirectly affect the Earth's climate and weather, is crucial because the feedbacks of solar variability to an autogenic or internal process should be considered with due care. We have calculated the normalized cross-correlations of the total sunspot area, the total sunspot number, and the solar North-South asymmetry with teleconnection indices. We have found that the Southern Oscillation Index (SOI) index is anti-correlated with both solar activity and the solar North-South asymmetry, with a ~3-year lag. This finding not only agrees with the fact that El $Ni{\tilde{n}}o$ episodes are likely to occur around the solar maximum, but also explains why tropical cyclones occurring in the solar maximum periods and in El $Ni{\tilde{n}}o$ periods appear similar. Conversely, other teleconnection indices, such as the Arctic Oscillation (AO) index, the Antarctic Oscillation (AAO) index, and the Pacific-North American (PNA) index, are weakly or only slightly correlated with solar activity, which emphasizes that response of terrestrial climate and weather to solar variability are local in space. It is also found that correlations between teleconnection indices and solar activity are as good as correlations resulting from the teleconnection indices themselves.
The relationship between the Quasi-Biennial Oscillation (QBO) and the surface air temperature (SAT) in the Korean Peninsula is investigated for the period of 1979~2019. The QBO shows a statistically significant causal relationship with the Korean SAT in early spring when the El Niño-Southern Oscillation (ENSO)'s effect is relatively weak. In particular, when the QBO wind at 70 hPa is westerly, the Korean SAT becomes colder than normal in March. This relationship in March, which is statistically significant, is valid not only for March QBO but also for February QBO, indicating that the QBO is leading the Korean SAT. The Granger causality test indeed shows a causal relationship between February QBO and March Korean SAT. The QBO-Korean SAT relationship is more pronounced in the southeastern part of the Korean Peninsula. As the QBO-related circulation anomalies are evident in the North Pacific and the eastern Eurasia, they induce the horizontal temperature advection to the southeastern part of the Korean Peninsula. This result suggests that the QBO could be useful for improving seasonal prediction of the Korean SAT in March.
Solar activity has an important impact not only on the intensity of cosmic rays but also on the environment of Earth. In the present paper, a coupled oscillator model is proposed to explain solar activity. This model can be used to naturally reduce the 89-year Gleissberg cycle. Furthermore, as an application of the coupled oscillator model, we herein attempt to apply the proposed model to El $Ni{\tilde{n}}o$-southern oscillation (ENSO). As a result, the 22-year oscillation of the Pacific Ocean is naturally explained. Finally, we search for a possible explanation for coupled oscillators in actual solar activity.
In order to simulate and investigate the major characteristics of El Nino/Southern Oscillation(ENSO) and Madden Jullian Oscillation(MJO), an intermediate type atmosphere-ocean coupled model is developed and their results are examined. The atmosphere model is a time-dependent non-linear perturbation moist model which can determine the internal heating for itself. The counterpart of the atmosphere model is GCM-type tropical ocean model which has fine horizontal and vertical grid resolutions. In the coupled experiment, warm SST anomaly and increased precipitation and eastward wind and current anomalies associated with ENSO and MJO are properly simulated in Pacific and Indian Oceans. In spite of some discrepancies in simulation MJO, the observed atmospheric and oceanic low-frequency characteristics in the tropics are successfully identified. Among them, positive SST anomalies centered at the 100m-depth of tropical eastern-central Pacific due to the eastward advection of warm water and reduced equatorial upwelling, and negative anomalies in the Indian and western Pacific seem to be the fundamental features of tropical low-frequency oscillations.
We examined problems of the principal component analysis(PCA), which is able to analyze at the low dimensionality as a methodologv to assess hydrologic time series, and introduced the theory and characteristics of independent component analysis(ICA) that can supplement problems of principal component analysis. We also applied the global sea surface temperature(SST) of the Nino region and assessed the correlation between El $\tilde{n}ino$-Southern Oscillation(ENSO) and SST. The results of examining separation-ability of principal components using mixed signals indicate that the independent component analysis is statistically superior compared to that of the principal component analysis. Finally, we assessed correlation between ENSO and global anomaly SST. The independent component analysis was applied to the $5^{\circ}{\times}5^{\circ}$(latitude and longitude) global anomaly SST in the Nino+3.4 region that is the El $\tilde{n}ino$ observation section. We assessed the correlation with the ENSO years. These results of the analysis show that only one independent component($86\%$) was able to represent the entire behavior and was consistent with the main ENSO years. Finally, we carried out independent component analysis for summer seasonal rainfalls at nine stations and could extract ICs to reflect geographical characteristics. The increasing trend has been shown at IC-1 and IC-2 since 1970s.
We have presented a nonparametric stochastic approach for the SOI(Southern Oscillation Index) series that used nonlinear methodology called Nonlinear AutoRegressive(NAR) based on conditional kernel density function and CAFPE(Corrected Asymptotic Final Prediction Error) lag selection. The fitted linear AR model represents heteroscedasticity, and besides, a BDS(Brock - Dechert - Sheinkman) statistics is rejected. Hence, we applied NAR model to the SOI series. We can identify the lags 1, 2 and 4 are appropriate one, and estimated conditional mean function. There is no autocorrelation of residuals in the Portmanteau Test. However, the null hypothesis of normality and no heteroscedasticity is rejected in the Jarque-Bera Test and ARCH-LM Test, respectively. Moreover, the lag selection for conditional standard deviation function with CAFPE provides lags 3, 8 and 9. As the results of conditional standard deviation analysis, all I.I.D assumptions of the residuals are accepted. Particularly, the BDS statistics is accepted at the 95% and 99% significance level. Finally, we split the SOI set into a sample for estimating themodel and a sample for out-of-sample prediction, that is, we conduct the one-step ahead forecasts for the last 97 values (15%). The NAR model shows a MSEP of 0.5464 that is 7% lower than those of the linear model. Hence, the relevance of the NAR model may be proved in these results, and the nonparametric NAR model is encouraging rather than a linear one to reflect the nonlinearity of SOI series.
This study evaluated the effect of a mother wavelet in the wavelet analysis of various times series made by combining white noise and/or sine function. The result derived is also applied to short-memory arctic oscillation index (AOI) and long-memory southern oscillation index (SOI). This study, different from previous studies evaluating one or two mother wavelets, considers a total of four generally-used mother wavelets, Bump, Morlet, Paul, and Mexican Hat. Summarizing the results is as follows. First, the Bump mother wavelet is found to have some limitations to represent the unstationary behavior of the periodic components. Its application results are more or less the same as the spectrum analysis. On the other hand, the Morlet and Paul mother wavelets are found to represent the non-stationary behavior of the periodic components. Finally, the Mexican Hat mother wavelet is found to be too complicated to interpret. Additionally, it is also found that the application result of Paul mother wavelet can be inconsistent for some specific time series. As a result, the Morlet mother wavelet seems to be the most stable one for general applications, which is also assured by the recent trend that the Morlet mother wavelet is most frequently used in the wavelet analysis research.
Sea levels are rising as a result of climate change, and low-lying areas along the coast are at risk of flooding. Therefore, we tried to investigate the relationship between sea level change and climate indices using satellite altimeter data (Topex/Poseidon, Jason-1/2/3) and southern oscillation index (SOI) and the Pacific decadal oscillation (PDO) data. If time domain data were converted to frequency domain, the original data can be analyzed in terms of the periodic components. Fourier transform and Wavelet transform are representative periodic analysis methods. Fourier transform can provide only the periodic signals, whereas wavelet transform can obtain both the periodic signals and their corresponding time location. The cross-wavelet transformation and the wavelet coherence are ideal for analyzing the common periods, correlation and phase difference for two time domain datasets. Our cross-wavelet transform analysis shows that two climate indices (SOI, PDO) and sea level height was a significant in 1-year period. PDO and sea level height were anti-phase. Also, our wavelet coherence analysis reveals when sea level height and climate indices were correlated in short (less than one year) and long periods, which did not appear in the cross wavelet transform. The two wavelet analyses provide the frequency domains of two different time domain datasets but also characterize the periodic components and relative phase difference. Therefore, our research results demonstrates that the wavelet analyses are useful to analyze the periodic component of climatic data and monitor the various oceanic phenomena that are difficult to find in time series analysis.
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