Characteristics of Mega Asian Dust Storms in Korea

Abstract

High concentration Asian Dust Storms (ADSs) significantly impact health and economic activities by increasing atmospheric particulate matter. This study investigates the migration paths and activity patterns of ADSs focusing on their mechanisms. The research utilizes unsupervised learning methods, specifically Principal Component Analysis (PCA) and K-means clustering, to analyze mega ADS events from 2002 to 2022 using ECMWF reanalysis (ERA5) data. Key meteorological factors identified include geopotential height and temperature at lower atmospheric levels (800-1000 hPa), which are crucial during the origination stages in the source regions. Findings reveal that during the origination stage, enhanced troughs and high temperatures at low levels significantly contribute to atmospheric instability, creating strong updrafts that lift dust particles. These conditions, along with high planetary boundary layer heights (PBLH) ranging from 1400 m to 2950 m and strong pressure gradients, facilitate the elevation of dust particles. During the peak concentration stages in Korea, low-level temperature and specific humidity are critical, with notable contributions from higher atmospheric levels. The study also highlights the variability in atmospheric conditions among different synoptic patterns, which influences dust concentrations. Some patterns exhibit sharp declines in humidity, leading to peak dust events. The comprehensive analysis underscores the importance of understanding ADS mechanisms for issuing timely warnings and conducting atmospheric environment research. Additionally, for mega ADS events with PM10 concentrations exceeding 1000 μg/m³, specifically from pattern two of the origination stage (Origin-PT2) to pattern five of the peak concentration observed in Korea (PeakObs-PT5), the CNOP-I method was applied to identify critical observation areas for improving forecast accuracy. The results indicated that 12 hours prior to high dust concentrations in South Korea, sensitive regions contributing to forecast errors were located at altitudes of 200-500 hPa in northeastern China, including the Gobi Desert. At lower altitudes, significant errors were found around the Korean Peninsula and the South Sea, particularly above 900 hPa. In these lower levels, large errors were observed in North Korea's Hamgyongbuk-do and northeastern China. Enhancing wind data collection in these areas could improve forecast accuracy for South Korea. This comprehensive analysis aids in understanding ADS mechanisms, issuing timely warnings, and identifying critical observation areas to refine numerical weather prediction models, thereby providing essential insights for better prediction and mitigation strategies.;고농도 황사(Asian Dust Storm, ADS)는 대기 중 미세먼지 농도를 증가시켜 건강과 경제 활동에 큰 영향을 미친다. 본 연구는 ADS의 이동 경로와 활동 패턴을 그 메커니즘에 초점을 맞추어 조사한다. 연구에서는 2002년부터 2022년까지의 ECMWF 재분석 데이터(ERA5)를 활용하여 비지도 학습 방법, 특히 주성분 분석(PCA)과 K-평균 군집화(K-means clustering)를 통해 대규모 ADS 사례를 분석한다. 주요 기상 요소로는 발원 단계에서 중요한 하층 대기(800-1000 hPa)의 지위고도와 기온이 포함된다. 연구 결과, 발원 단계에서는 강화된 기압골과 고온이 대기 불안정을 야기하여 먼지 입자를 상승시키는 강한 상승 기류를 생성하는데 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈다. 이러한 조건과 1400 m에서 2950 m에 이르는 높은 행성경계층 높이(PBLH), 강한 기압 경도는 먼지 입자의 상승을 촉진한다. 한국에서의 피크 농도 관측 단계에서는 저층의 기온과 특정 습도가 중요하며, 고층 대기의 영향도 상당하다. 또한, 연구는 다양한 종관 패턴에 따른 대기 조건의 변동성이 먼지 농도에 미치는 영향을 강조한다. 일부 패턴은 습도의 급격한 감소를 보여 최고 수준의 먼지 사건을 유발한다. 본 연구는 한국에서의 대규모 ADS의 역학 및 예측에 귀중한 기여를 한다. 1000 μg m^(-3) 이상의 메가 황사가 관측된 Origin-PT2 발원, PeakObs-PT5 관측 패턴에 대해 CNOP-I 방법을 통해 기상예측모델의 예보 정확도를 향상시키기 위한 목적 관측 지역을 식별한 결과, 남한 지역 바람 모의 오차를 발생시키는 12시간 전 민감 지역이 중국 북동쪽 고비사막 지역의 200~500 hPa 고도에서 나타났다. 하층에서는 한반도 주변과 남해에서 오차가 컸고, 특히 900 hPa 이상의 낮은 고도에서는 북한의 함경북도와 중국의 동북 지역에서 오차가 크게 나타났다. 이 지역들의 바람 자료를 보완하면 남한 지역 예측 모의 정확도가 향상될 수 있음을 시사한다. 본 종합 분석을 통해 ADS 메커니즘을 이해함으로써 신속한 경보 발령과 대기 환경 연구의 중요성과 대규모 ADS와 관련된 기상 특성과 종관 패턴 그리고 수치예보의 예측력 향상을 위해 관측 민감지역을 식별함으로써, 본 연구는 한국에서의 대규모 ADS의 역학 및 예측을 위한 중요한 통찰을 제공한다.