Energetics of extratropical teleconnection patterns of boreal winter and the application to the subseasonal prediction

Abstract

The extratropical teleconnection pattern modulates climate variabilities and play a crucial role in influencing on extreme weather events over extensive regions. In addition, the extratropical teleconnection patterns play a potential predictability provided by teleconnection patterns, particularly in the S2S forecasting. Therefore, the understanding dynamical mechanisms of the extratropical teleconnection pattern is crucial. This study aims to enhance understanding teleconnection patterns, focusing on their impact on subseasonal forecasts. Based on the observational understanding of evolution process of the extratropical teleconnection pattern, the prediction skill in a S2S model is also evaluated. To diagnose the growth and maintenance mechanisms of the extratropical teleconnection patterns, the energy budget analyses are examined in monthly and daily time scales. The examination of monthly energy budgets is examined for eight major extratropical teleconnection patterns in the Northern Hemisphere and the patterns are classified into three types based on their energetic characteristics. In particular, the baroclinic energy conversion clearly shows different feature depending on the relative location of the patterns to the mean fields in boreal winter. To probe into the evolution mechanisms of the North Atlantic Oscillation, which is a dominant pattern in the Northern Hemisphere, the energy budget is diagnosed in a daily time scale. The contribution of energy conversion terms in the energy tendency equation is quantified by projecting energy conversion terms onto the EAPE and EKE, respectively. Different energetical processes are shown depending on the NAO phase. The feedback from transient eddy momentum fluxes plays a crucial role during the initial growth of the positive NAO events. On the other hand, for the negative NAO phase, baroclinic growth is preceded by the vertical motion originating from the baroclinic energy conversion. Based on the daily evolution process, the subseasonal forecasting prediction skill for NAO pattern is evaluated. The study shows a decrease in prediction skill after approximately two weeks of forecast lead time. When the prediction skill is high, the hindcast accurately forecasts the development process, likely due to the relatively stationary nature of the observed NAO pattern. However, for low-skill cases, significant changes are observed after two weeks, particularly in capturing wave propagation from the North Pacific to North America. The analysis identifies crucial factors affecting prediction skill, such as the absence of meridional winds in the eastern North Pacific and rapid growth of EAPE in the North Atlantic region. The study also suggests that well-captured teleconnection patterns in S2S dynamical models can enhance subseasonal prediction skills, by using the AO predicted by the ECMWF ensemble forecast system as a predictor in a statistical model improves prediction skills, especially at lead times of 4 weeks. Overall, this research lays the groundwork for understanding the dynamical mechanisms of teleconnection pattern evolution and their evaluation in subseasonal prediction. It highlights the potential for extending to other extratropical teleconnection patterns beyond the AO and NAO. ;중위도 원격상관패턴은 날씨 또는 기후 변동성 및 극한 기상 현상에 영향을 미치는 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 특히 계절 및 계절 예측 분야에서 예측 성능을 높일 수 있는 잠재요인으로써 활용되기 때문에 중위도 원격상관패턴의 역학적 메커니즘을 이해하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 원격상관패턴의 심도 있는 이해를 위해 순압 및 경압적 메커니즘 분석을 진행하였으며, 이를 바탕으로 계절 내 예측에서 원격상관패턴을 활용하고 원격상관패턴의 예측 성능을 평가하고자 하였다. 중위도 원격상관패턴의 성장 및 유지 메커니즘을 진단하기 위해 월별 및 일별 에너지 수지를 분석하였다. 북반구에서 정의되는 여덟 가지 중위도 원격상관패턴에 대한 에너지 수지를 비교하고 그 특성에 따라 패턴을 세 가지 유형으로 분류하였다. 그 결과, 경압적 에너지 변환은 패턴이 북반구의 평균장에 상대적인 위치에 따라 다른 특성을 보인다는 것을 확인하였다. 또한 원격상관패턴의 일별 발달 메커니즘을 조사하기 위해 북대서양진동(NAO) 와 관련된 에너지 수지를 분석하였다. 이를 위해 NAO와 관련된 에디 가용 잠재 에너지(EAPE) 및 에디 운동 에너지(EKE)에 투영함으로써 에너지 변환 항을 정량화 하였다. 그 결과 일별 에너지 변환 항들의 상대적인 기여도가 NAO의 위상에 따라 다른 것으로 나타났다. NAO가 양의 위상일 경우 에디 운동 에너지의 순압적 피드백이 초기 성장 단계에서 우세한 반면, 음의 위상일 경우 경압적 에너지 전환에서 기인한 연직 운동을 통해 초기에 경압적으로 성장하였다. NAO 패턴의 발달 과정의 이해를 기반으로 계절 내 예측 모형의 NAO패턴의 예측 성능을 평가하였다. 예측 성능은 대략 2주의 예측 선행 시간 이후에 감소하는 경향을 보이는데, 예측 성능이 높은 경우를 분류하여 분석한 결과, 관측된 NAO 패턴이 비교적 정체하는 특성을 보였다. 그러나 예측 능력이 낮은 경우, 북태평양에서 북아메리카로 전파되는 것을 파동의 형태가 2주의 선행시간 이후에 나타난다. 에너지 수지를 분석한 결과, 북태평양 지역에서 남북 방향의 바람 아노말리의 모의 성능이 2주의 선행 시간 이후 급격히 떨어짐을 확인하였다. 또한, 북대서양 지역에서 에디 가용 잠재 에너지(EAPE)가 급격히 발달시키는 에디 열 플럭스의 수렴이 잘 모의되지 않는 특성이 예측 능력을 감소시키는 요인으로 나타났다. 본 연구에서는 S2S 역학 모형에서 잘 모의된 원격상관패턴의 활용을 통해 계절 내 기온 예측 성능을 향상시킬 수 있다는 가능성을 제시하였다. ECMWF 앙상블 예측 시스템에서 얻은 북극 진동(Arctic Oscillation, AO) 초기 위상을 예측 모델의 예측 변수로 사용하여 북반구의 겨울 기온을 예측하는 통계 모델을 구축하는 방법을 통해 기존 통계모형에 비해 예측 성능이 개선되었음을 확인하였다. 본 연구는 주로 기존에 강조되지 않았던 중위도 원격상관패턴의 역학적 발달 및 유지 메커니즘에서 경압적 과정의 중요성을 제시하고, 해당 과정 기반의 관측 메커니즘을 활용하여 중위도 원격상관패턴의 예측 성능의 평가를 시도함으로써, 이후 다른 원격상관패턴으로 확장이 가능함을 제시한다