Influences of ENSO and QBO on East Asian winter surface climate on sub-seasonal to seasonal timescale

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 자연과학대학 협동과정 계산과학전공, 2023. 8. 손석우.열대 지역에는 ENSO(El Niño-Southern Oscillation)와 QBO(Quasi-Biennial Oscillation)라는 두 가지 주요 모드가 존재한다. 열대 해수면 온도의 경년 변동인 ENSO와 열대 성층권 동서방향 바람의 준2년 주기 변동인 QBO다. 이 두 모드는 열대 지역의 겨울철 변동성의 90% 이상을 설명하는 동시에 원격 상관을 통하여 중위도 지상 기후에도 막대한 영향을 미친다고 알려져 있다. 따라서 ENSO와 QBO의 영향을 정확하게 이해하고 이를 겨울철 동아시아 지상 기온 예측에 활용하는 것이 중요하다. 그러나 그동안의 연구가 겨울철 평균적인 영향에만 한정되어 있었기 때문에, 이들이 계절내 시간규모에서 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 연구가 상대적으로 부족한 실정이었다. 따라서 본 학위 연구는 두 열대 모드가 계절내-계절 시간 규모에서 동아시아 지상 기후에 미치는 영향 및 메커니즘을 조사하여 예측에 활용가능한 가이던스를 제시하고자 하였다. 그 결과, 아래와 같이 세 가지 의미 있는 발견을 하였다. 첫째로, 이들이 동아시아에 미치는 영향이 계절내 변동하고 있으며, 영향의 시기가 서로 구분될 수 있다는 점을 발견하였다. 12월 초겨울은 ENSO가 동아시아에 지배적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이 시기의 ENSO-동아시아 원격상관은 뚜렷한 양(+)의 관계를 띄며 쿠로시오 지역의 대기 순환장 변동에 의해 조절되는 것으로 나타났다. 그러나 2-3월 늦겨울이 되면서 ENSO의 영향은 약해지고 상대적으로 QBO의 영향이 지배적이게 되는 것으로 나타났다. 이때 QBO-동아시아 원격상관은 뚜렷한 음(-)의 관계를 띄며 아시아-태평양 제트의 남북변동과 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 이는 겨울철 동아시아의 계절내-계절 예측에 기존의 기후 인자들(해빙, 눈덮임 등등)뿐만 아니라 ENSO와 QBO를 함께 고려해야 하고, 특히 1990년대 이후로 뚜렷해진 QBO-동아시아 원격상관을 현재보다 적극적으로 활용해야 함을 나타낸다. 또한 초겨울의 ENSO, 늦겨울의 QBO처럼 이들의 영향 시기를 달리 고려해야 함을 다시 한번 더 강조하였다. 둘째로, 원격상관의 핵심 메커니즘을 발견하였다. ENSO-동아시아 원격상관은 ENSO와 관련된 열대 대류 활동 변동에 야기된 로스비파의 선형 조합의 결과로써 쿠로시오 지역의 대기 순환장이 강화되기 때문으로 나타났다. 엘니뇨 시기에 인도양의 대류활동은 증가하고 Maritime Continent의 대류활동은 감소하는데 여기서 유도된 로스비파는 쿠로시오 지역에서 보강간섭을 야기하는 것으로 나타났다. 그 결과, ENSO-동아시아 원격상관을 강화되고 엘니뇨 해 동아시아는 평년 대비 따뜻해지는 경향을 보였다. 이러한 보강간섭에는 열대 대류가 배경장보다 상대적으로 더 중요한 역할을 하였고, 12월에 두 열대 대류활동이 강화되기 때문에 ENSO-동아시아 원격상관 또한 강화되는 것으로 나타났다. 반면, QBO-동아시아 원격상관은 아열대 하부 성층권과 상부 대류권의 배경장 및 에디 변화에 의해 발생하는 제트의 남북변동에 의해 조절되는 것으로 나타났다. QBO가 서풍인 경우, 적도 하부 성층권 지역의 서풍 연직시어와 양의 온도 아노말리는 해당 지역으로 향하는 파를 강화시키는데, 이는 아열대 하부 성층권과 상부 대류권에 에디 모멘텀 수렴 및 아시아-태평양 제트의 남하를 유도한다. 제트의 남하는 북태평양 지역에 저기압성 순환장을 유도하여 동아시아에 평년대비 차가운 공기의 이류를 야기하였다. 이를 통하여 동아시아에 QBO의 세 가지 영향 경로(북극 경로, 아열대 경로, 열대 경로)중 두 번째 경로가 가장 중요하다는 사실을 확인하였다. 또한 아시아-태평양 제트와 티벳 고원의 하부 지역에 위치한 동아시아의 지리적 영향으로 QBO의 영향이 동아시아에서 강할 수 밖에 없음을 확인하였다. 셋째로, 최신 예측 시스템과 기후 모형의 예측성 향상 방안을 제안하였다. ENSO-동아시아 원격상관의 경우, 최신 예측 시스템이 공간 분포는 어느정도 예측하였으나 계절내변동을 잘 예측하지 못하는 특징을 보였다. 반면, QBO-동아시아 원격상관의 경우, 현업 예측 시스템에서 잘 예측되었지만 기후 모형에서는 잘 모의되지 않는 특징을 보였다. 이러한 예측성 저하의 원인은 ENSO와 관련된 열대 대류활동의 계절내변동을 잘 모의하지 못하는 점과 QBO-동아시아 원격상관에 중요한 아열대 경로를 잘 모의하지 못하는 점에서 비롯되었음을 확인하였다. 따라서 동아시아 지상 기온 예측 향상을 위해서 초겨울의 열대 대류 및 이와 관련된 중위도 원격상관과 늦겨울의 QBO와 관련된 평균장 모의 능력을 향상시키는 게 중요함을 제안하였다.El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and Quasi-Biennial Oscillation (QBO) are the two leading modes in tropical regions. The ENSO is a large-scale interannual variability of the sea surface temperature and the associated atmospheric circulation changes in the equatorial Pacific Ocean, while the QBO is a dominant interannual variability of stratospheric equatorial zonal winds. These two tropical leading modes explain over 90% of the winter climate variability in tropical regions and have significant influences on mid-latitude surface climates through teleconnections. Therefore, it is important to understand the teleconnections to improve the prediction of the East Asian winter surface climate. However, previous studies have mainly focused on the seasonal mean effects during winter, resulting in a relative lack of research on a sub-seasonal time scale. Therefore, the present dissertation investigates the influences and mechanisms of the teleconnections on the sub-seasonal to seasonal time scales and provides three remarkable findings: First, the teleconnections on East Asia vary within the winter season. Thus, the timing of their influences can be distinguished as ENSO in early winter vs. QBO in late winter. In early winter (December), ENSO exerts a dominant influence on East Asian surface climate. The ENSO-East Asia teleconnections show a positive relationship between the ENSO and surface air temperature over the East Asia region, which is modulated by the atmospheric circulation variation over the Kuroshio region. In late winter (February-March), the influence of ENSO becomes weak, and that of QBO become relatively dominant. The QBO-East Asia teleconnections exhibit a negative relationship between the QBO and surface air temperature over the East Asia region, which is related to the meridional shift of the Asian-Pacific jet. The above results indicate that ENSO and QBO should be considered in sub-seasonal to seasonal prediction of East Asian winter surface climate. For instance, ENSO in early winter and QBO in late winter. In addition, it should be considered more actively to take into account the influence of the QBO in the East Asian climate prediction. Because the QBO-East Asia teleconnection has become more pronounced in the last 30 years, i.e., since the 1990. Second, the key mechanisms of the teleconnections are identified. The ENSO-East Asia teleconnection is a result of a linear combination of poleward Rossby waves stemming from the tropical convection variations associated with ENSO, which enhances the atmospheric circulation variations over the Kuroshio region. During El Niño years, the tropical convection activity over the Indian Ocean increases while that over the Maritime Continent decreases, leading to the poleward Rossby waves that reinforce the anti-cyclonic circulation anomalies over the Kuroshio region. As a result of the constructive interference, the ENSO-East Asia teleconnection is strengthened, resulting in a relatively warm anomaly over the East Asia. Since this constructive interference is primarily driven by tropical convection rather than mid-latitudes mean states, the strong tropical convections in December lead to the strongest ENSO-East Asia teleconnections in December. On the other hand, the QBO-East Asia teleconnections is mainly modulated by the meridional shift of the Asian-Pacific jet, which is induced by background and eddy changes in the subtropical stratosphere and upper troposphere. When the QBO is westerly phase, the westerly vertical wind shear and positive air temperature anomalies in the lower subtropical stratosphere region strengthen the wave propagation towards that region, inducing a southward shift of the Asian-Pacific jet. This leads to the development of cyclonic circulation anomalies in the North Pacific region, causing the cold advection into East Asia. The above results indicate that the second pathway of QBO associated with the subtropical jet among three pathways (i.e., polar, subtropical, tropical), plays the most important role in East Asian winter surface climate. In addition, the geographical features of East Asia, located downstream of the Asian-Pacific jet and the Tibetan Plateau, reinforces the QBO downward influences. Third, a more realistic representation of the key mechanisms of the teleconnections is required to improve the East Asian winter surface climate prediction. For instance, the state-of-the-art prediction systems are able to predict the spatial distribution of the ENSO-East Asia teleconnections, but have difficulties in predicting its sub-seasonal variations. In addition, the QBO-East Asia teleconnections are well predicted by operational prediction systems but poorly simulated by climate models. The possible reasons for the low predictability are the poor representation of sub-seasonal variations in tropical convection associated with ENSO and the poor representation of subtropical pathway of the QBO-East Asia teleconnections. Therefore, to improve the sub-seasonal to seasonal prediction of East Asian winter surface climate, it is important to enhance the modeling capabilities of tropical convection and its teleconnections to mid-latitudes in early winter, as well as the mean state changes associated with QBO in late winter.Table of Contents Abstract i Table of Contents vi List of Tables vii List of Figures ix 1. Introduction 1 1.1. ENSO teleconnections 1 1.2. QBO downward coupling 4 1.3. Motivations and aims of the Thesis 7 2. Sub-seasonal variability of ENSO teleconnection 10 2.1. Data and Methods 10 2.1.1. Observation and hindcasts 10 2.1.2. Correlation, regression, and composite analysis 12 2.1.3. Causality test 15 2.1.4. Prediction skill 17 2.1.5. Linear baroclinic experiments 18 2.2. Impacts and causality 20 2.2.1. Positive relationship in early winter 20 2.2.2. ENSO-related atmospheric circulation change 25 2.3. Mechanisms with an idealized model experiment 29 2.3.1. A hint in tropical convection: Indian Ocean 29 2.3.2. Evidence in linear baroclinic experiments 42 2.4. State-of-the-art multi-model ensemble systems 43 2.4.1. Prediction skill 43 2.4.2. Incomplete representation of the tropical convection 45 3. Sub-seasonal variability of QBO downward coupling 48 3.1. Data and Methods 48 3.1.1. Observation and climate model simulations 48 3.1.2. Correlation, regression, and composite analysis 53 3.1.3. Causality test 57 3.1.4. Dry dynamical core model 61 3.1.5. QBO nudging experiment 62 3.2. Impacts and causality 65 3.2.1. Negative relationship in late winter 65 3.2.2. Subtropical route on East Asia 80 3.3. Mechanisms with an idealized model experiment 95 3.3.1. Eddy changes in the downward coupling 95 3.3.2. QBO-related stratospheric mean state change 100 3.3.3. Zonal asymmetry induced by the topography 105 3.4. Climate models and operational prediction systems 110 4. Summary and Discussion 114 References 122 Abstract in Korean 138박

압축 영상의 블럭화 현상 제거를 위한 후처리 기법에 관한 연구

Maste

평면브라운관용 Shadow Mask 강판의 고온변형 특성연구

Maste

Relationship between the QBO and Surface Air Temperature in the Korean Peninsula

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 similar to 2019. The QBO shows a statistically significant causal relationship with the Korean SAT in early spring when the El Nino-Southem 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.N

상변태를 고려한 변태유기소성 현상 해석

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :재료공학부,2002.Maste

수정된 활성 슬러지 모델에 의한 미생물 체내저장과 유기물 이용에 관한 연구

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 건설환경공학부, 2013. 2. 정태학.국내 하수처리장의 방류수 수질기준이 강화되면서, 하수의 질소 및 인 등의 영양염류제거를 위한 고도처리로의 전환이 요구되고 있다. 생물학적 질소 제거는 탈질반응이 속도 결정 단계로, 그 과정에서 즉시 이용 가능한 기질인 RBCOD를 요구한다. RBCOD의 부족은 영양염류 제거율이 낮아지는 결과를 가져오기 때문에, 외부 탄소원으로서 메탄올, 유기산 등을 공급하는 등의 연구가 진행되기도 했다. 하지만 운영비의 증가 혹은 외부 탄소원이 다시 오염원으로 작용하는 등의 부작용을 가져오기 때문에 대안이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 생하수 유기물의 대부분을 차지하는 SBCOD가 혐기, 호기, 무산소상태의 조건에서 변화하는 양상을 추적, 조사하여 하수 유기물의 적절한 관리방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 SBCOD를 대표하는 기질로서 액상 전분이 활용되었고, 활성슬러지는 소규모 연속 회분식 반응조(SBR)에서 충분히 전분에 순응시킨 것을 사용하였다. 변화 양상을 확인하기 위하여, 전자수용체와 미생물량을 다르게 하여 회분식 실험을 실시하였고, 무산소 조건의 경우 전자수용체로 nitrate를 사용하여 감소 경향을 확인하였다. 또한 이를 모델의 적용을 위해 ASM을 사용 하였다. 전분의 가수분해는 전자 수용체에 영향을 받지 않고 호기성, 간헐 폭기 그리고 혐기성 조건의 반응에서 모두 동일하게 나타났다. 미생물량에 따른 실험에서는 미생물량이 증가함에 따라 가수분해율이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 기존의 ASM에서 세포내 저장현상에 전자수용체가 필요하다는 것과는 다르게, 전자수용체가 전무한 혐기상태에서도 유기물의 미생물세포 내부저장이 진행되는 것을 확인하였다. 세포 내 저장량은 미생물량에 비례하는 것을 결과를 통해 확인할 수 있었다. 또한 저장된 유기물은 전자수용체가 존재할 경우 세포 증식에 이용되는 것을 확인하였다. 즉 전자수용체로 질산성질소만 존재하는 무산소상태에서의 성장에 필요한 유기물이 액상의 RBCOD 및 체내저장유기물로부터 공급되는 두 가지의 경로를 확인하였다. 이러한 현상을 반영하기 위해서 ASM3 모델에 switching function을 도입, 수정하여 적용한 결과 전분만으로 구성된 유기물이용 실측자료의 의미 있는 설명이 가능하였다. 또한 이와 같은 과정을 통해 한정된 범위지만 모델의 개선이 가능함을 확인 하였다.1. 서론 1.1 연구의 배경 1.2 연구의 목적 2. 이론적 배경 2.1 하수의 유기물 특성 분석 2.2 가수분해 2.3 전분을 이용한 선행연구 2.3.1 전분의 특성 2.3.2 전분을 이용한 실험 2.4 활성슬러지 모델 (ASM) 3. 실험 재료 및 방법 3.1 전분의 성상과 분석방법 3.2 슬러지 순응을 위한 SBR운전 3.3 회분식 실험 3.4 Swiching function 4. 실험 결과 및 고찰 4.1 슬러지의 순응 4.2 용존 상태의 선분 실험 4.2.1 호기성과 혐기성의 비교 4.2.2 미생물량에 따른 비교 4.2.3 NUR test 4.3 ASM의 개선 4.3.1 개선의 근거 4.3.2 모델의 화학양론 행렬과 반응속도식 4.3.3 매개변수의 보정과 적용 4.4 모델의 적용 4.5 모델의 시뮬레이션 4.5.1 Feast 기간 4.5.2 Famine 기간 4.6 부록 5. 결 론 6. 참고 문헌Maste

Emotion-Induced Topological Changes in Functional Brain Networks

In facial expression perception, a distributed network is activated according to stimulus context. We proposed that an interaction between brain activation and stimulus context in response to facial expressions could signify a pattern of interactivity across the whole brain network beyond the face processing network. Functional magnetic resonance imaging data were acquired for 19 young healthy subjects who were exposed to either emotionally neutral or negative facial expressions. We constructed group-wise functional brain networks for 12 face processing areas [bilateral inferior occipital gyri (IOG), fusiform gyri (FG), superior temporal sulci (STS), amygdalae (AMG), inferior frontal gyri (IFG), and orbitofrontal cortices (OFC)] and for 73 whole brain areas, based on partial correlation of mean activation across subjects. We compared the topological properties of the networks with respect to functional distance-based measures, global and local efficiency, between the two types of face stimulus. In both face processing and whole brain networks, global efficiency was lower and local efficiency was higher for negative faces relative to neutral faces, indicating that network topology differed according to stimulus context. Particularly in the face processing network, emotion-induced changes in network topology were attributable to interactions between core (bilateral IOG, FG, and STS) and extended (bilateral AMG, IFG, and OFC) systems. These results suggest that changes in brain activation patterns in response to emotional face stimuli could be revealed as changes in the topological properties of functional brain networks for the whole brain as well as for face processing areas

Brain regions important for recovery after severe post-stroke upper limb paresis

Background The ability to predict outcome after stroke is clinically important for planning treatment and for stratification in restorative clinical trials. In relation to the upper limbs, the main predictor of outcome is initial severity, with patients who present with mild to moderate impairment regaining about 70% of their initial impairment by 3 months post-stroke. However, in those with severe presentations, this proportional recovery applies in only about half, with the other half experiencing poor recovery. The reasons for this failure to recover are not established although the extent of corticospinal tract damage is suggested to be a contributory factor. In this study, we investigated 30 patients with chronic stroke who had presented with severe upper limb impairment and asked whether it was possible to differentiate those with a subsequent good or poor recovery of the upper limb based solely on a T1-weighted structural brain scan. Methods A support vector machine approach using voxel-wise lesion likelihood values was used to show that it was possible to classify patients as good or poor recoverers with variable accuracy depending on which brain regions were used to perform the classification. Results While considering damage within a corticospinal tract mask resulted in 73% classification accuracy, using other (non-corticospinal tract) motor areas provided 87% accuracy, and combining both resulted in 90% accuracy. Conclusion This proof of concept approach highlights the relative importance of different anatomical structures in supporting post-stroke upper limb motor recovery and points towards methodologies that might be used to stratify patients in future restorative clinical trials. © Article author(s) (or their employer(s) unless otherwise stated in the text of the article) 2017. All rights reserved

The contribution of lesion location to upper limb deficit after stroke

Background: Motor deficit after stroke is related to regional anatomical damage. Objective: To examine the influence of lesion location on upper limb motor deficit in chronic patients with stroke. Methods: Lesion likelihood maps were created from T1-weighted structural MRI in 33 chronic patients with stroke with either purely subcortical lesions (SC, n=19) or lesions extending to any of the cortical motor areas (CM, n=14). We estimated lesion likelihood maps over the whole brain and applied multivoxel pattern analysis to seek the contribution weight of lesion likelihood to upper limb motor deficit. Among 5 brain regions of interest, the brain region with the greatest contribution to motor deficit was determined for each subgroup. Results: The corticospinal tract was most likely to be damaged in both subgroups. However, while damage in the corticospinal tract was the best indicator of motor deficit in the SC patients, motor deficit in the CM patients was best explained by damage in brain areas activated during handgrip. Conclusions: Quantification of structural damage can add to models explaining motor outcome after stroke, but assessment of corticospinal tract damage alone is unlikely to be sufficient when considering patients with stroke with a wide range of lesion topography. © 2016 Published by the BMJ Publishing Group Limited

Different alterations in brain functional networks according to direct and indirect topological connections in patients with schizophrenia

Schizophrenia displays connectivity deficits in the brain, but the literature has shown inconsistent findings about alterations in global efficiency of brain functional networks. We supposed that such inconsistency at the whole brain level may be due to a mixture of different portions of global efficiency at sub-brain levels. Accordingly, we considered measuring portions of global efficiency in two aspects: spatial portions by considering sub-brain networks and topological portions by considering contributions to global efficiency according to direct and indirect topological connections. We proposed adjacency and indirect adjacency as new network parameters attributable to direct and indirect topological connections, respectively, and applied them to graph-theoretical analysis of brain functional networks constructed from resting state fMRI data of 22 patients with schizophrenia and 22 healthy controls. Group differences in the network parameters were observed not for whole brain and hemispheric networks, but for regional networks. Alterations in adjacency and indirect adjacency were in opposite directions, such that adjacency increased, but indirect adjacency decreased in patients with schizophrenia. Furthermore, over connections in frontal and parietal regions, increased adjacency was associated with more severe negative symptoms, while decreased adjacency was associated with more severe positive symptoms of schizophrenia. This finding indicates that connectivity deficits associated with positive and negative symptoms of schizophrenia may involve topologically different paths in the brain. In patients with schizophrenia, although changes in global efficiency may not be clearly shown, different alterations in brain functional networks according to direct and indirect topological connections could be revealed at the regional level. © 2017 Elsevier B.V