[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

북극 해빙(海氷)은 기후변화의 영향을 받는 동시에 기후변화를 일으키기도 한다. 예를 들어, 지구온난화의 영향으로 북극 해빙 면적이 줄어들면 특정 지방에서는 한파가 발생한다. 지구가 점점 더워지는 상황에서 매서운 추위가 나타나는 ‘지구온난화의 역설’이 북극 해빙에서 비롯된 것이다. 따라서 기후변화가 북극 해빙에 영향을 주는 과정을 연구하는 일이 중요하다. 하지만 아직 ‘기후변화와 북극 해빙의 상관관계’는 명확히 규명되지 않았다.

지구온난화의 영향으로 북극 해빙은 해마다 크게 줄어들고 있다. 이와 동시에 매년 다른 양상을 보이는 ‘경년 변동성(Interannual Variation)’1)은 강해지고 있다. 이런 경년 변동성에 영향을 주는 요소로 해류와 대기 순환이 있다. 이번 연구에서는 ‘북극 대기 순환을 중심으로 여름철(6~8월) 북극 해빙의 경년 변동성’을 분석했다.

북극의 대기 순환은 주로 ‘북극 진동(AO, Arctic Oscillation)’2)과 ‘북극 쌍극자(AD, Arctic Dipole)’3)에 영향을 받는다. 북극 진동은 북극 지역의 찬 공기의 소용돌이가 수일~수십일을 주기로 강약을 반복하는 현상인데, 이에 따라 대기 순환이 달라질 수 있다. 또 북극 쌍극자는 북극의 동서로 고기압성 순환과 저기압성 순환이 번갈아 가며 나타나는 현상이다. 동쪽에 고기압성 순환이 나타날 경우(양의 위상)와 서쪽에 고기압성 순환이 보이는 경우(음의 위상)에 각각 다른 대기 순환을 보일 수 있다. 최근 기후변화는 북극 진동과 북극 쌍극자에 영향을 줘 대기 순환을 달라지게 하고, 이에 따라 북극 해빙에 변화가 생긴다. 이번 연구에서 그 관계를 분석했다.

2. 연구내용

본 연구팀은 경험적 직교함수(EOF, Empirical Orthogonal Function)4)를 이용해 북극의 대기 순환을 북극 진동과 북극 쌍극자, 그리고 제3의 인자로 분리하고, 각각의 대기 순환 패턴과 북극 해빙 간의 상관관계를 분석했다.

기후변화를 고려해 분석 기간을 과거(1982~1997년)와 최근(1998~2017년)으로 나누고 비교했다. 그 결과, 과거 기간에 ‘–0.05’였던 북극 해빙과 북극 쌍극자의 상관관계가 최근 기간에 ‘0.57’로 크게 증가했다. 북극 해빙과 북극 상극자 사이에 ‘강한 상관관계’가 확인된 것이다. 북극 쌍극자는 최근 동쪽으로 이동하는 공간적 패턴을 보였는데, 이 점이 상관관계를 강하게 만든 것으로 분석된다. 이런 변동으로 지표면 바람이 대서양으로 흘러나가게 되고, 북극 횡단 해류(TDS, Transpolar Drift Stream)5)가 해빙을 대서양으로 흘려보내도록 바뀌었다.

북극 쌍극자에 의해 해빙이 감소하면, 해빙이 감소한 지역에서 햇빛 반사율(알베도)이 감소한다. 그 결과 햇빛을 더 많이 받아 해빙 감소가 가속되는 ‘얼음-알베도 되먹임(Ice Albedo Feedback)’6) 과정이 나타난다. 이런 영향으로 해빙의 변동이 더 뚜렷해진다.

본 연구에서는 ‘태평양 십년 주기 변동(PDO, Pacific Decadal Oscillation)’7)에 의해 대기 순환이 달라진 것을 기후변화의 주원인으로 보고 있다. 이는 NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction and National Center for. Atmospheric Research)의 70년 재분석 자료를 통해 ‘과거에도 태평양 십년 주기 변동의 영향으로 북극 쌍극자의 공간 패턴이 변동했음’을 확인했다.

3. 기대효과

이번 연구를 통해 최근 북극 해빙의 변동성에 대한 이해를 높이고, 대기 순환과의 강한 관계성을 확인했다. 이를 북극 해빙의 예측 인자로 활용하면 북극 해빙의 변동성 예측에 도움될 것으로 기대된다. 또 기후변화에 따른 북극 해빙의 변동성에 대한 가능성을 제시함으로, 미래 기후에서 ‘북극 해빙 변동성’이 어떻게 변화할지에 대한 기초 연구로 활용될 전망이다.

최근 북극 해빙의 변동은 중위도 이상기후와 밀접한 관련이 있다는 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 북극 해빙의 감소가 동아시아 폭염에도 영향을 줄 수 있음이 제시된 바 있다. 이 관점에서 추가 연구를 진행하면 동아시아 기후변화 대응에도 기여할 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 경년변동(Interannual Variation)

해양 현상이 가지는 다양한 시간 규모의 변동성 중에서 수십 년 이내 범위에서 여러 해에 걸쳐서 ‘매년 나타나는 변동’을 경년변동이라 한다. 경년변동의 주기는 매년 불규칙적이거나 수년 정도로 준주기성을 가진다.

2. 북극 진동(AO, Arctic Oscillation)

북극 지역 찬 공기의 극소용돌이가 수일~수십일 주기로 강약을 되풀이하는 현상이다.

3. 북극 쌍극자(AD, Arctic Dipole)

북극 지역에서 동서로 고기압과 저기압성 순환이 번갈아 가며 나타나는 현상이다. 양의 위상에서 북극의 동쪽에 고기압성 순환이, 서쪽에 저기압성 순환이 나타나며, 반대로 음의 위상에서 동쪽에 저기압성 순환, 서쪽에 고기압성 순환이 나타난다. 

4. 경험적 직교함수(EOF, Empirical Orthogonal Function)

경험적 직교함수는 통계학에서 주성분 분석으로 알려져 있으며, 고차원의 데이터를 저차원의 데이터로 환원시키는 기법이다. 서로 연관 가능성이 있는 고차원 공간의 표본들을 선형 연관성이 없는 저차원의 표본으로 변환하기 위해 직교 변환을 통해 독립적인 성분으로 분리하는 기법이다.

5. 북극 횡단 해류(TDS, Transpolar Drift Stream)

북극해 중 베링 해협에서 시작해 프람 해협까지 북극을 관통하는 해류이다.

6. 얼음-알베도 되먹임(Ice Albedo Feedback)

알베도는 외부에서 들어온 빛에 대한 반사율이다. 얼음-알베도 되먹임은 양의 되먹임으로, 기온이 높아지면서 얼음이 계속 줄어드는 현상이다. 온도가 증가해 얼음이 녹으면 얼음으로 덮인 지역이 감소해 알베도가 감소하고, 그에 따라 햇빛을 더 많이 흡수해 기온이 증가하면서 다시 얼음이 감소하는 되먹임 현상이 나타나는 것이다.

7. 태평양 십년 주기 변동(PDO, Pacific Decadal Oscillation)

태평양 십년 주기 변동은 태평양 해수면 온도가 10년 정도의 주기로 변동하는 현상이다. 양의 위상에서는 서태평양이 시원해지고 동태평양의 일부가 따뜻해지며, 음의 위상에서는 반대 패턴이 발생한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 분석 기간을 나누어 해면기압 (Sea Level Pressure)에 대한 경험적 직교함수로 얻어진 대기 순환 양상: 분석 기간을 1982~1997년과 1998~2017년으로 나누어 세 가지 대기 순환 양상을 분리했다. 그 결과 북극 진동(a, b)과 북극 쌍극자(c, d), 또 다른 기후양상(e, f)이 최근 공간적으로 달라진 모습을 확인할 수 있다. 이번 공간적 변화는 북극 해빙 변동과 연결된다. 특히 북극 쌍극자(c,d)의 경우 기압의 중심이 동쪽으로 이동한 것을 확인할 수 있다. (붉은색 고고기압, 푸른색 저기압)

그림2. 북극 대기 순환과 해빙 면적의 시계열과 상관관계: 왼쪽 그림은 경험적 직교함수로 얻어진 세 가지 대기 순환 양상을 시간에 따라 표시한 것(검은 선)과 9월 북극 해빙 면적(빨간 선)을 겹쳐서 그린 것이다. 오른쪽 그림은 대기 순환의 세 가지 양상(북극 진동-초록색, 북극 쌍극자-빨간색, 또 다른 기후양상-파란색)이과 해빙 면적의 상관관계다. 전체 기간을 보면 북극 진동과 해빙 면적이 가장 밀접한 것으로 보이지만(가장 왼쪽), 기간을 다르게 보면 과거 대비 최근 북극 쌍극자와 해빙 면적의 관계는 강한 상관관계를 나타낸다는 걸 알 수 있다.