The effect of vegetation feedback on the regional precipitation in the eastern part of Mongolian Plateau

Abstract

The atmosphere-vegetation feedback is one of the phenomenon that produces large uncertainty in climate studies. In the past, researches on vegetation feedback were mainly focused on the forests rather than the non-forest area including dry land which occupies 40% of the Earths land surface. In dry land, precipitation and soil moisture are strongly coupled, and vegetation modulates the stability of this coupling. Because the precipitation–vegetation feedback in dry land can be either positive or negative depending on region, timing, and magnitude of the initial perturbation, it is needed to be discussed focusing on individual cases. In this thesis, the role of vegetation feedback on the ongoing increasing trend of precipitation in the eastern part of Mongolian Plateau (EMP) was analyzed using statistical analysis with observation dataset and regional climate model simulation. In the EMP region, the normalized difference vegetation index (NDVI) has increased 40% in recent ten years compared to its climatological mean. And the precipitation has increased 60% for the same period. The previous research has claimed that the increased precipitation has led the increase of vegetation activity. However, when the fundamental meteorological fields were examined, no sign of large-scale circulation change was shown that seems to be enough to force the recent precipitation increase. Instead, the dry and moist static stability in the lower atmosphere, which had always been similar in decadal scale variability over the last 50 years, have been observed to split from the mid-2000s. Thus, there was a reasonable doubt that the moisture flux near surface was changed and that change has led the recent increasing trend of precipitation since mid-2000s. Also, the main modulator of surface moisture flux was thought to be the increased activity of vegetation after 2007. Regional climate model experiments were conducted to verify the effect of vegetation activity on local precipitation using The Weather Research and Forecasting (WRF) model. The main driver of recent increasing trend of growing season precipitation in the EMP region was the increased moisture supply from the surface through evapo-transpitation rather than convective motion of the atmosphere. When removed the effect of increased vegetation activity by fixing the leaf area index (LAI) as the value of 2007 which was the lowest in the recent decade, the increased trend of latent heat flux from the land surface was significantly reduced. When the results of the observation data analysis and the regional climate model simulation were synthetically considered, it is reasonable to conclude that vegetation feedback has been playing significant role on the observed recent decades increasing trend of precipitation in EMP region. No evidence has been found that the changes of large-scale circulation have led the precipitation increase. On the other hand, the increasing moisture supply from the land surface into the atmosphere was observed. Also, the result of regional climate model simulation showed that this increasing trend of moisture flux has been mainly due to the increase of transpiration by the vegetation. The overall mechanism was that the steady increase of vegetation activity over the period from 2007 to 2015 had increased the amount of transpiration, so the amount of moisture supplied to the lower atmosphere has increased, resulted in the increase of local precipitation.

식생 피드백은 기후 변화 예측 연구에서 큰 불확실성을 만들어 내는 요소들 중 하나이다. 과거에는 식생의 피드백에 관한 연구가 주로 산림 지역에 초점을 맞추어 이루어졌으며, 지표의 40%를 차지하는 건조 지역을 비롯한 비 산림 지역의 식생피드백은 충분히 연구되지 않았다. 미래의 기후 변화를 정확하게 예측하기 위해서는 건조 지역에서 일어나는 식생 피드백에 대한 연구가 필요하다. 건조 지역에서는 강수와 토양 수분이 밀접하게 연결되어 있으며 식생은 이 연결의 강도를 조절한다. 식생 활동과 강수량은 지역과 시기, 또는 초기 섭동의 크기에 따라 양의 피드백 또는 음의 피드백을 형성할 수 있다. 따라서 개별 사례를 중심으로 연구를 진행 할 필요가 있다. 이 논문에서는 관측 자료와 재분석 자료를 이용한 통계 분석 및 지역 기후 모형 실험을 통하여 2007년부터 2015년까지 관측 된 몽골 고원 동부 지역의 강수량 증가 추세에 식생 피드백이 어떠한 역할을 하였는지 검증하였다. 몽골 고원 동부에서는 2007 년부터 2015 년까지의 기간 동안, 정규 식생 지수가 지난 30년간의 평균값 대비 약 40 % 증가했으며, 같은 기간 강수량은 약 60 % 증가했다. 앞서 이 현상에 대해 논의했던 연구자들은 대기장 변화에 의해 증가 한 강수량이 식생 활동을 증가시켰다고 주장했다. 그러나 2007년부터 2015년까지 외부에서 몽골 고원 동부로 유입되는 수분의 양은 증가하지 않았으며, 기온과 기압 등 주요 대기 변수를 확인해 보았을 때도 강수량 증가를 이끌 만한 유의미한 변화는 관측 되지 않았다. 한편, 2007년부터 2015년까지 하층 대기의 습윤 정적 안정도가 유의미하게 감소한 것을 확인하였는데, 같은 기간 건조 정적 안정도는 유의미한 변화를 보이지 않았다. 건조 정적 안정도와 습윤 정적 안정도는 지난 50년간 장주기 변동성에서 항상 비슷한 추세를 보여왔는데, 2000년대 중반을 기점으로 서로 다른 추세를 보이기 시작하였다. 이는 식생 활동에 의한 증발산이 증가하여 지표에서 하층 대기로의 수분이 증가했기 때문이라고 생각되었다. 지역 기후 모형인 WRF 모형을 사용하여 몽골 고원 동부 지역의 물 순환을 개별 요소로 분해하여 살펴보았을 때, 최근의 강수량 증가 추세의 주된 원인은 대기의 대류 운동 변화보다는 지표로부터의 수분 공급이 증가했기 때문인 것으로 나타났다. 또한 잎 면적 지수(LAI)를 식생 활동이 가장 저조했던 2007년의 값으로 고정하여 식생의 영향을 제거하고 배경 대기장의 변화만을 고려하여 2007년부터 2015년까지의 강수량 변화를 모의하는 실험을 수행하였을 때 지표로부터 대기로 이동하는 잠열의 증가 추세가 현저하게 감소되며 강수량 증가 추세 또한 감소하는 것으로 나타났다. 관측 자료 분석과 지역 기후 모형 실험의 결과를 종합적으로 고려 하면, 몽골 고원의 동부 지역에서 최근 관측 된 강수량 증가에는 식생의 피드백이 중요한 역할을 하였다고 결론 짓는 것이 합리적이다. 대규모 순환의 변화가 강수량 증가를 이끌었다는 증거는 발견되지 않았으며, 지표면에서 대기 중으로 수분 공급이 증가한 것을 확인했다. 또한 지역 기후 모형의 결과는 하층 대기로의 수분 공급의 증가 추세가 주로 식생에 활동에 의한 증산량의 증가로 인한 것으로 나타났다. 전체적인 메커니즘은 2007년부터 2015년까지 식생 활동의 꾸준한 증가로 증산량이 증가했으며, 하층 대기로 공급 되는 수분의 양이 증가하여 국지 강수량이 증가한 것이다.