^*열대수렴대: 적도 부근의 높은 수온으로 인해 해수면 위 공기의 강한 수렴과 대류가 일어나고 이에 따라 강우량이 매우 집중되는 지역을 일컫는 말이다. 열대수렴대의 변화는 지역 기후뿐만 아니라 전 지구적으로 큰 영향을 미치는 것으로 알려졌고, 열대수렴대의 변화 메커니즘 이해와 예측성 향상은 기후학계의 중요한 도전 과제 중 하나다.

^*ETIN-MIP: Extratropical-Tropical Interaction Model Inter Comparison Project

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

열대 강우는 좁은 지역에 매우 많은 강우량이 집중되는 특성(열대 수렴대)1)을 보여, 그 지역의 수자원 공급과 식량 생산에 직결된다. 또 열대 지역에서 강우로 인한 잠열 방출은 로스비파(Rossby Wave, 편서풍 파동)의 전파 등을 통해 고위도 지역의 강수량과 온도 변화에도 지대한 영향을 미친다. 따라서 열대 강우를 정확하게 예측하는 일은 전 지구적으로도 매우 중요하다. 그러나 여러 기후 모델에서 ‘열대 강우 모의’는 매우 불확실하다. 대부분의 기후 모델2)은 남반구 열대 지역의 강우량을 과대 모의하고, 적도 지역과 북반구 열대 지역의 강우량을 과소 모의하는 ‘이중 열대수렴대 문제(double ITCZ problem)’3)를 가지고 있기 때문이다. 이 부분은 25년 동안이나 개선되지 않는 기후 모델의 고질적인 문제로 꼽힌다.

선행연구에서는 이중 열대 수렴대 문제의 원인을 ‘남극해 구름을 과소 모의’하고, 그 지역에 ‘과도하게 태양열이 유입’됐기 때문으로 예상했다. 다양한 국가와 기관에서 이 가설을 검증하기 위해 기후 모델의 남반구 고위도에 냉각 효과를 가지는 강제력을 주입해 이중 열대수렴대 문제가 개선되는지 확인했다. 그런데 흥미롭게도 많은 기후 모델에서 해양 변화가 대기 변화를 대체해 강우량 오류가 개선되지 않았고, 그 정도는 모델마다 매우 상이했다.

모델 오차의 개선을 위해서는 고위도 강제력에 대한 각 모델의 차이를 이해할 필요가 있다. 특히 모델의 해양이 고위도 강제력에 대해 왜 서로 다르게 반응하는지 이해해야 한다. 이를 목적으로 강사라 교수팀은 고위도-열대 원격상관4) 다중 모델 프로젝트(Extratropical-Tropical Interaction Model Inter Comparison Project, ETIN-MIP)를 제안했다. 이 프로젝트를 통해 지난 3년간 전 세계 9개 기관에 실험을 요청하고 결과를 받아 검증-배포하며 이 분야 연구를 선도하고 있다.

2. 연구내용

지구 에너지 지역별 에너지 불균형을 해소하려는 성질이 있다. 남극에서 햇볕을 많이 받아 에너지가 넘치게 되면 대기, 해양 또는 복사현상이 남는 에너지를 에너지가 부족한 쪽으로 옮기는 역할을 하게 된다. 이 때 ‘대기’가 에너지를 운송하는 매개체가 된다면 남극과 적도간 거리 차에도 불구하고 대기가 적도지역의 강우에 영향을 미치게 된다. 대기 순환과정 중 대기가 상승하는 곳에 구름을 생기는데 에너지를 순환시키기 위한 대기의 흐름이 바뀌면서 구름의 위치를 바꾸는 것이다.

연구팀은 냉각효과를 주는 강제력을 도입해, 9개 모델에서 해양, 대기, 그리고 복사(대기상층 에너지교환)가 지구 에너지 불균형을 해소하기 위해서 어떤 역할을 수행하는지에 대해 연구했다.

참여하는 모델링 그룹에게 산업화 이전의 상황을 적분한 대조군 실험과 각 대조군 실험에 서로 다른 위치의 냉각효과를 주는 강제력(햇볕양 줄임)을 주입한 3개의 실험을 추가로 요청했다. 모든 실험은 대기-해양이 접합된 기후 모델을 사용해 150년간 적분했고, 강제력은 각 위도대의 일사량을 일정한 비율로 줄임으로써 주입했다. ETIN-MIP 실험의 강제력 위치와 그 세기는 그림2과 같다. 이때 전 지구에 주입된 에너지의 총량은 모든 실험에서 0.8PW로 동일하며, 각 강제력의 위치는 기후 모델에서 구름으로 인한 일사량의 반사도가 가장 불확실한 곳을 기준으로 선정했다.

강제력에 의한 반구 간 에너지 불균형의 변화는 그림3에 요약돼 있다. 이 그림에서 y축의 값은 강제력에 의한 반구 간 에너지 불균형이 대기 에너지 수송(CATM), 해양 에너지 수송(CSFC) 그리고 대기 상층의 에너지 교환(CTOA)에 의해 각각 얼마나 보상됐는지 나타내며, 셋의 합은 항상 1이 된다. CATM의 값이 클수록 강제력에 의한 반구 간 에너지 불균형이 대기순환인 해들리 순환5)(Hadley Circulation)의 변화로 인해 많이 해소되고, 열대 강우의 변화량이 큰 것을 나타낸다.

먼저, 다중 모델 평균값의 분석을 통해 해양 역학으로 인한 고위도-열대 원격상관의 조절 메커니즘을 이해했다. 그림3에 따르면 열대 지역의 단위 강제력(STRO)은 고위도 지역의 강제력(NEXT, SEXT)에 비해 대기 에너지 수송을 효과적으로 바꿔 열대 강우에 큰 영향을 미친다. 이는 열대 지역의 해수면에서 단파 복사량이 줄면서 증발량 감소가 효과적으로 이뤄져 해양 에너지의 변화는 최소화하고 대기 중 에너지를 효과적으로 감소시키기 때문이다.

반면 고위도 지역의 단파 복사량이 줄어들면 증발량 감소가 열대 지역보다 효과적이지 못해 해양 에너지의 감소가 상대적으로 크고 대기 중 에너지 변화는 적다. 이는 단위 온도 감소로 인해 해수면으로부터의 증발량 감소와 잠열 보존량이 해수면 온도의 기후 값에 따라 지수적으로 증가하기 때문이다.

고위도-열대 원격상관에서 해양 역학 변환에 관한 선행연구들에서 반구 간 해양 에너지 수송은 세 가지 요소에 의해 만들어진다고 알려졌다. 해들리 순환으로 조절되는 ‘에크만 수송’6)과 표층 바람에 의해 조절되는 ‘표층 해류’, 고위도의 침강과 용승으로 인한 ‘열염순환’7)이다. 하지만 어떠한 종류의 해양 순환 변화가 해양 에너지 수송 변화에 더 기여하는지에 관한 이해와 연구는 아직 부족한 실정이다.

본 연구의 열대 지역 강제력 실험의 경우 해들리 순환의 변화가 매우 강하게 나타난다. 그런데 이는 에크만 수송에 의한 에너지 수송 또한 열대 지역의 강제력에서 가장 크게 나타날 것을 의미한다. 하지만 그림2에서 열대지역 강제력의 경우 고위도 강제력에 비해 해양 에너지 수송이 적게 변화한다. 이는 고위도 강제력 실험의 경우 에크만 수송보다 열염순환의 변화가 에너지 수송 변화에 더 크게 기여함을 나타낸다.

실제로, 고위도 강제력 실험의 해양 순환 변화를 살펴보면 두 경우 모두 열염순환이 크게 변화하며, 열대 지역의 아열대 순환은 크게 변화하지 않는 것으로 보인다. 이는 고위도 강제력의 경우 열염순환의 변화를 통해 해양 에너지 수송량을 바꾸어 대기 에너지 수송과 강우량 변화를 감소시킬 수 있음을 나타낸다. 반면 열대지역 강제력의 경우 열염순환은 거의 변화하지 않고 아열대 순환만 변화하며 해양 에너지 수송의 변화는 적게 나타났다. 모델마다 해양 에너지 수송의 변화량은 매우 상이한데, 고위도 강제력에 대한 실험들에서는 열염순환의 반응 차이가 적도에서의 해양 에너지 수송 차이를 만들고 있다. 후속 연구에서는 열염순환 변화의 모델 간 차이를 분석해 불확실성의 원인을 더 심층적으로 파악할 계획이다.

3. 기대효과

ETIN-MIP은 기후 모델에서 열대 강우 모의량 오차 원인을 정확하게 진단하기 위해 고안됐지만 열대 강우량 관련 연구뿐만 아니라 다양한 기후 연구 분야에서 활용할 수 있다. 열대 태평양의 온도가 고위도 변동으로 인해 어떻게 변하는지를 이해해 지구온난화에 따른 열대 태평양의 수온 패턴 변화 메커니즘을 얻을 수 있으며, 지구온난화를 감소하기 위해 어느 지역에 냉각 효과를 주는 게 가장 효과적일지 간접적으로 보여줘 지구공학 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.

전 세계 9개 기관에서 동일한 조건으로 대기-해양 접합 모델 실험을 수행하는 경우는 극히 드물다. 공동연구를 통해 더 견고하게 위에 제시된 지구 시스템의 현상과 기후모델의 불확실성을 체계적으로 이해할 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 열대수렴대(Inter-Tropical Convergence Zone, ITCZ)

적도 부근의 높은 수온으로 인해 해수면 위 공기의 강한 수렴과 대류가 일어나고 이에 따라 강우량이 매우 집중되는 지역을 일컫는 말이다. 열대수렴대의 변화는 지역 기후뿐만 아니라 전 지구적으로 큰 영향을 미치는 것으로 알려졌고, 열대수렴대의 변화 메커니즘 이해와 예측성 향상은 기후학계의 중요한 도전 과제 중 하나다.

2. 기후모델

기후모델은 대기, 해양, 육지, 식생 등의 복잡한 기후 시스템을 물리법칙을 통해 수식으로 전환한 이후 슈퍼컴퓨터를 이용해 풀어내는 걸 일컫는 말이다. 기후 시스템에 대한 이해가 높아질수록 기후 모델은 복잡하게 발전돼 왔고, 높은 연산비용과 큰 저장용량으로 인해 장기간 자료 생산이 어렵다.

3. 고위도-열대 원격 상관

기후 시스템의 고위도를 열적 강제력으로 뜨겁게 만들거나 차갑게 만들었을 때, 그 효과는 대기와 해양에서의 과정을 통해 열대 지역으로 전파되게 된다. 최근 학계에서는 고위도에 에너지를 주입해 열대수렴대의 위치가 더 많은 에너지가 주입된 반구 쪽으로 이동하는 것을 보이며, 그 과정에서 해양과 대기의 상대적인 역할에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

4. 이중 열대수렴대 문제(Double ITCZ problem)

연평균 관점에서 관측한 열대 강우는 적도 북쪽에 집중되어 있는데, 이는 마치 열대 수렴대가 적도 북쪽에 하나만 존재하는 형상을 보인다. 하지만 대부분의 기후 모델들의 열대 강우는 적도 북쪽뿐만 아니라 적도 동태평양 남쪽에도 상당히 집중되어 있으며 마치 열대 수렴대가 적도 북쪽과 남쪽에 각각 하나씩 이중으로 존재하는 형상을 보인다. 이러한 모델의 오차를 학계에서는 “이중 열대 수렴대 문제”라 칭하고 있고, 1995년 이 문제가 처음으로 논문에서 다뤄진 이후 꾸준한 노력에도 불구하고 개선되지 않고 있는 기후 모델의 고질적인 문제점이다.

5. 해들리 순환

적도 지방에서 상승하고 중위도(위도 30° 부근)에서 하강한 후 다시 적도 방향으로 흐르는 대기 순환.

6. 에크만수송

해양 위를 부는 바람의 표면을 미는힘(응력)에 의하여 일으켜지는 흐름. 바람이 일정한 방향으로 계속 불면 해수의 점섬에 의해 상층에서 하층으로 마찰력이 전달돼, 표면으로부터 깊은 곳까지 해수의 움직임이 일어나는데 그 전체 값을 적분한 것이다. 

7. 열염순환

해면에서의 열의 유입(가열) · 유출(냉각), 염분의 유입(해수의 증발 · 결빙) · 유출(강수, 얼음의 융해, 하천수의 유입)에 기인하는 밀도차에 의한 해수의 순환을 말한다.

[붙임] 그림설명

그림1. ETIN-MIP 프로젝트를 요약하는 도식. a는 연구의 배경이 되는 이론 설명. 대기에 의한 에너지 순환(FAMT0)이 열대수렴대(ITCZ)의 위치를 이동시키는 것을 보여줌 (b) 열대 지역의 강제력(Tropical Perturbation)이 대부분 해양보다 대기에 더 크게 작용해 강수량이 크게 변하는 것을 나타냄 (c)는 고위도 지역의 강제력(Extratropical perturbation)이 해양에 더 크게 작용해 강수량이 적게 변하는 것을 나타낸다.

그림2. 프로젝트에서 3지역(남극, 북극, 남반구 적도 부근)에 주입된 강제력(냉각효과)의 연 평균 값. NEXT는 northern extra-tropics(북극 강제력), STRO는 southern tropics(남반구 적도 강제력), SEXT는 southern extra-tropics(남극 강제력)의 약자임.

그림3. 강제력에 대한 세부 기후 시스템의 에너지 불균형 보상도. 바 그래프는 모델 평균값을 의미하며 각 모델의 값은 서로 다른색으로 표시됨. 극지방에서는 대기에 의한 단위 에너지 불균형 보상보다, 해양에 의한 단위 에너지 불균형 보상이 더 크게 나타났다. 똑같은 단위 강제력을 주었을 때 열대지역의 강제력이 고위도 지역의 강제력보다 열대 강우에 대해 직접적 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있다.