최근 북서태평양 지역에서는 지속적으로 해수면 온도 상승의 경향이 나타났으며, 북동태평 양지역에서는 해수면온도 하강 경향이 나타났다 (Figure 2.8.1). 이러한 북태평양 지역에서의 해수면온도 경향 분포는 1988/89년과 1998/99년 북태평양에서 발생한 regime shift와 매우 밀 접한 관련이 있다. 우선 1988/89년 regime shift발생 이후에는 북태평양 전체지역에서 평균 해 수면온도 상승이 발생하였으며, 1998/99년 regime shift때는 북태평양지역 중에서도 남서와 남
중 북태평양 지역에서 평균 해수면온도 상승이 발생하였다 (Figure 2.8.2a,b). 특히, 최근 북태 평양 해수면온도 경향 분포에 1988/89년 regime shift보다 1998/99년 regime shift때 더욱 높은 기여도를 보였는데, 이는 남서와 남중 북태평양 지역의 해수면온도 편차의 시계열에서도 확인 할 수 있다 (Figure 2.8.2c). Figure 2.8.2c는 남서와 남중 북태평양 지역의 해수면온도 편차의 시계열을 나타낸 것으로, 1998/99년의 경계로 해수면 온도의 상승과 해수면 온도 편차의 유의 한 shift가 발생한 것을 확인 할 수 있다.
Figure 2.8.1 Spatial pattern of the linear trend in sea surface temperature based on the December-January-February (DJF) seasonal mean for the 1976/77-2011/12 periods.
1998/99년 북태평양 regime shift의 특징은 약 40°N을 기점으로 남서와 남중 북태평양 평균 해수면온도의 유의한 상승이며, dipole-like structure를 보이는 것이 특징이다(Figure 2.8.2b,c).
이렇게 dipole-like strucure를 나타내면서 1998/99년을 경계로 남서와 남중 북태평양 해수면온 도의 갑작스러운 상승에 대한 주된 원인으로 본 연구에서는 해수면온도와 해양표층 바람의 slow dynamic adjustments와 관련된 해양의 열 이류를 통한 남북방향의 열 교환 때문으로 가 정하였다. 1998/99년 이전 북태평양의 동풍계열의 표층바람 편차가 약 40°N을 기점으로 우세 하게 나타났으며, 이는 남쪽에서 positive wind stress curl을 북쪽에서 negative wind stress curl을 유도한다 (Figure 2.8.3a). 동풍계열의 표층바람 편차는 1998/99년 regime shift 이전에 북태평양 전체 영역에 걸쳐 나타난 해수면온도의 상승과 연관이 있다. 기본적으로 본 연구에 서는 해양의 바람응력 강제력과 해양순환 사이에 지연상관관계를 가지고 slow adjustment 가 성립한다고 가정하였는데, 그것은 십수년 주기의 변동성을 만들어 낼 수 있다. 이렇게 유도된 각각의 wind stress curl은 1998/99년 이후에 남쪽에서는 북으로 향하는 해류를 형성하고 북쪽 에서는 남으로 향하는 해류를 형성한다 (Figure 2.8.3b~e).
Figure 2.8.2 Difference in North Pacific (20°N-60°N, 120°E-120°W) during winter-mean SST (°C) (a) between 1976-87 and 1988-97 (b) between 1988-97 and 1998-11. Dots denote the region where the statistical significance is above the 95% confidence level based on a Student’s t test. (c) Time series of SST (°C) anomaly in the western and central North Pacific (20°N-44°N, 120°E-150°W) during winter for the period 1976-2011 and the epoch averaged divided by the decadal abrupt changes. The decadal abrupt changes exceed the 95% confidence level.
Figure 2.8.3 (a) Anomalous zonal-mean zonal wind in the period 1988/89-1997/98. (b) Anomalous zonal-mean meridional surface current for the period 1998/99-2007/08.
(c)-(g) are the same as in (b) except but the anomalous zonal-mean meridional current averaged from the surface to the depth of 45m, 100m, 200m, 300m, and 3000m, respectively. The zonal mean is taken over 120°E-120°W.
따라서 이렇게 남과 북에서 형성된 해류에 남쪽에서는 저위도 지역의 온난한 물을 북으로 수동하고 북쪽에서는 고위도 지역의 차가운 물을 남쪽으로 수송한다. 그 결과 남북의 해류 때 문에 40°N을 기점으로 남쪽지역에서는 해수면온도의 유의한 상승이 북쪽지역에서는 해수면온 도의 하강과 함께 warm and cold의 dipole-like structure가 나타났다. 따라서 1998/99년 북태 평양 regime shift의 원인은 1988/89년 이전에 북태평양지역에서 나타난 해수면온도와 해양표 층바람의 slow dynamic adjustment 때문에 유도된 1998/99년 이후의 열 이류를 통한 남북방 향의 열 교환 때문이다 (Figure 2.8.4).
Figure 2.8.4 Schematic diagram of the evolution feature of SST, surface zonal wind, wind stress curl, and upper-layer meridional current anomalies indicating the multi-decadal climate oscillation. The positive and negative wind stress curl are marked as () and (), respectively.
또한 1998/99년을 기점으로 서태평양 지역 특히, Kuroshio current가 시작하는 지점에서 평 균 해수면온도의 상승과 해수면온도 편차 시계열에서 유의한 shift가 발생하였다 (Figure 2.8.5). Kusoshio current는 적도의 온난한 물을 중위도 까지 수송하는 역할을 하기 때문에 그 지역에서의 해수면상승은 1998/99년 이후 북태평양의 해수면온도 변화에 크게 기여하였을 것 으로 사료된다. 뿐만 아니라, 최근 연구결과에 의하면 Kuroshio current가 시작되는 지점이 점 차 적도 쪽으로 남하하면서 예전보다 좀 더 온난화한 물을 수송할 가능성이 있다 (Qiu, 2001;
Qu and Lukas, 2003; Chen and Wu, 2012; Wu et al., 2012). 1998/99년 regime shift의 원인을 설명하는데 있어서는 여러 가지 기작이 존재 하겠지만, 추후에 tropical-midlatitude oceanic teleconnection을 통하여 1998/99년 북태평양 regime shift의 원인을 설명하겠다.
Figure 2.8.5 Time series of SST (°C) anomaly in North Equatorial Current bifurcation region (10°N -20°N, 120°E-170°E) during winter for the period 1976-2011 and the epoch averaged divided by the decadal abrupt changes. The decadal abrupt changes exceed the 95% confidence level.
서태평양과 인도양사이에 위치하는 남중국해(South China Sea)는 남동아시아에서 가장 큰 연해이다. 남중국해는 남동아시아 몬순 시스템에 영향을 받으며, 남중국해 주변 지역의 바람 분포에 의하여 다양한 표층순환이 발생하는 것으로 알려져 있다(Wyrtki 1961). 남중국해는 또 한 동인도양과 서태평양 난기풀 (warm pool) 지역의 일부분으로서 해양과 대기의 상호작용이 매우 중요하게 나타나는 지역이다 (Wu and Wang 2001). 또한 최근 연구 결과에 의하면 (Shin et al. 2011) 동아시아 몬순 변동성에 가장 민감한 영향을 끼치는 해역은 남중국해인 것 으로 제시되었다. 특히 최근 남중국해의 여름철 표층 수온은 경년 변동성과 함께 뚜렷한 온난 화 경향을 보이고 있는 것으로 나타났다(Figure 2.8.6). 이와 같은 온난화 경향은 이 지역에서 의 해양과 대기의 상호 작용 특성에 변화를 줄 수 있으며, 남중국해 지역의 표층 수온의 증가 는 표층해수의 증발을 야기해 대기 하층에서 수증기의 수렴을 발생시키고 이것은 이 지역에서 대류현상을 발생시켜 대기를 불안정하게 만들 수 있다 (Lestari et al. 2011).
Figure 2.8.6 Time series of sea surface temperature averaged in South China Sea during the boreal summer (June-July-August) for the period of 1979~2011. Unit is °C.
그러므로 이 지역에서의 표층 수온의 증가는 대기의 대류활동 및 강수량을 증가시키는 주 요 요인으로 작용할 수 있다. 이와 반대로 이 지역에서의 강수 현상 및 구름 운량의 변화와 같은 대기의 특성 변화는 해양에 도달하는 태양 복사량 및 해양의 증발, 해수 혼합 등과 같은 특성에 영향을 줌으로 남중국해 지역의 표층 수온의 변화를 유도할 수 있다. 따라서 이 지역 에서 해양표층온도-강수-구름간 상호작용의 특성을 이해하고 주변 아시아 지역의 일기 및 기 후 변동성에 미치는 영향을 파악하여 이와 같은 특성이 KIOST 기후 예측 시스템 모형의 적 분 결과에서 어떻게 구현되는지를 검증하고 모형 내부의 특성을 이해함으로 모형의 물리과정 개선에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
남중국해 지역의 해양-대기 상호작용 특성의 장주기 변동성을 알아보기 위해 이 지역에서 평균된 여름철 표층 수온과 강수량의 11년 이동 상관계수를 계산하였다 (Figure 2.8.7). 그림에 서 볼 수 있듯이 1999년을 전후로 남중국해의 표층 수온과 강수량의 상관성이 뚜렷하게 변화 한 것을 확인할 수 있다. 즉 1979년부터 1998년까지 표층 수온과 강수량은 음의 상관성을 나 타낸 반면에 1999년 이후에는 양의 상관성을 나타내었다. 상관계수가 대기-해양의 물리적 특 성을 온전히 설명하는 것은 아니지만 표층 수온과 강수량의 음의 상관성은 표층 수온 즉 해양 변동성이 강수량 변동성 즉 대기 변동성에 의해 반응하고 있음을 암시하며 반대로 두 변수의 양의 상관성은 해양 변동성이 대기 변동성의 강제력으로 작용하고 있음을 암시적으로 보여주 고 있는 것이다 (Wu and Kirtman 2007).
Figure 2.8.7. The 11-year running correlation coefficients between Sea Surface temperature and precipitation over South China Sea for the period of 1979-2011. Note that the X-axis indicates a center of year in the 11-year window, therefore, the 2004 indicates a correlation coefficient in the year of 1999-2009.
Figure 2.8.8의 a,와 b는 Figure 2.8.7의 결과를 근거로 표층수온과 강수량의 상관성이 음의 상관성에서 양의 상관성으로 변화한 1999년을 경계로 1999년 이전을 전반기로, 이후를 후반기 로 정의하여 각 기간에서 표층 수온과 강수량의 상관성을 나타낸 그림이다.
(a)
(b)
Figure 2.8.8. (a) Simultaneous correlation coefficients in Precipitation-SST during summer for the period 1979-1998. (b) is the same as in (a) except but the period of 1999-2011.
표층수온의 격자를 선형 보간법을 통하여 강수량의 격자에 맞춘 후 격자별 상관성을 계산 하였다. 전반기의 표층 수온과 강수량의 상관성은 남중국해 대부분의 지역에서 음의 상관성을 나타냈지만, 후반기의 경우에 표층 수온과 강수량의 상관성이 남중국해 지역을 중심으로 양의 상관성이 나타나는 것을 볼 수 있으며 이것은 Figure 2.8.7의 결과와 일치하는 것이다. 즉 Figure 2.8.8의 (a)과 (b)의 결과들은 1990년대 후반을 경계로 남중국해 지역의 대기와 해양의 상호작용의 특성이 뚜렷하게 변하였음을 암시한다.
Figure 2.8.9의 a와 b는 남중국해의 여름철 월별 평균 표층 수온에 대하여 대기 변수들 과의 지연 상관성 분석을 전반기와 후반기로 각각 나누어서 분석한 결과이다. 전반기에는 거 의 모든 대기변수들이 지연 시간 변화에도 불구하고 표층 수온과의 상관성이 음의 상관성 또 는 양의 상관성을 지속적으로 유지하고 있다 (Figure 2.8.9a). 표층 수온과 강수량, 표층 풍속, 구름 운량은 지연 시간 변화에 따라 음의 상관성을 유지하고 있으며 연직 속도, 단파 복사, 잠 열속과는 양의 상관성을 가진다. 이 결과는 대기 강제력이 해양의 표층 수온 변화를 주도하는 상태를 나타낸다. 즉, 대기의 지속적인 영향에 의해서 해양의 표층 수온이 반응하고 있으며, 그 상관성이 시간의 흐름에 따라 계속 일정하게 유지되고 있다는 것을 알 수 있다. 하지만 후 반기의 경우에는 표층 수온의 변화에 따른 대기변수들의 변화는 전반기와 큰 차이가 나타났다 (Figure 2.8.9b). 예를 들면 표층 수온의 증가는 두 달 후의 잠열속량과 구름 운량 및 연직 속 도를 증가시키며 단파 복사량의 감소와 함께 강수량의 증가와 상관성이 있음을 알 수 있다.
비록 상관계수의 결과이지만 이와 같은 결과는 표층 수온의 증가가 시간 지연을 두고 대기 변 수의 변화를 유도하고 있음을 보여주는 것이다. 나아가 대기 변수들 또한 시간 지연을 두고 표층 수온의 변화와 약하지만 어느 정도 상관성을 가지고 있음을 알 수 있다.
즉 강수량, 잠열속, 연직 속도 그리고 구름 운량의 증가 및 단파 복사의 감소는 한 달 후 표층 수온의 감소와 상관성이 있음을 알 수 있는데 결론적으로 표층 수온의 증가는 두 달 후의 잠열속의 증가, 수직속도의 증가, 구름 운량의 증가와 함께 강수량의 증가를 가져오며, 단파 복사량의 감소가 나타난다. 그리고 이러한 강수량의 증가, 구름 운량의 증가, 단파 복사 의 감소는 한 달 뒤에 표층 수온의 감소를 유도한다고 생각할 수 있다. 이와 같은 결과들 1990년대 후반 이전에는 남중국해의 대기-해양 상호작용은 대기 강제력에 의한 해양 변화가 뚜렷하였다면 1990년대 후반 이후에는 해양 강제력에 의한 대기 변동성이 뚜렷함과 동시에 시 간 지연을 두고 해양과 대기의 상호작용이 일어났음을 보여주는 것이다.