[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

전 지구 기후를 예측하는 기후 모델(Climate Model)1)에서 ‘적도 태평양의 올바른 모의’는 매우 중요하다. 엘니뇨 현상과 같은 적도 태평양의 수온 변화는 원격상관(Teleconnection)2)을 통해 전 지구에 폭우, 폭염, 가뭄과 같은 기상이변을 일으키는 주된 인자이기 때문이다. 현재 기후의 적도 태평양 수온과 강우 패턴을 현실적으로 모의하면 이런 기상이변을 예측하는 데 도움이 된다. 하지만 기후 모델 초기 개발단계인 1995년부터 적도 태평양의 수온 패턴과 강우 패턴은 고질적인 오차를 보여 왔으며, 기후 예측성을 감소시키는 주요 인자로 여겨져 왔다. 특히, 남반구 열대 지역의 강우량을 과대 모의하는 오차는 대표적인 기후 모델의 오차이며, 그 원인을 찾기 위해 수많은 연구가 진행됐다.

대부분의 선행 연구는 남반구 열대 지역의 강우 과대모의 오차의 원인을 열대 지역의 현상을 표현하는 수식들에서 찾아왔다. 예를 들면, 열대 지역의 하층 구름을 나타내는 수식의 오류, 열대 지역의 대류과정을 나타내는 수식의 오류, 혹은 열대 지역의 바닷물이 적도에서 용승하는 과정을 나타내는 수식의 오류 등이 대표적인 원인으로 지목됐다. 그러나 이런 열대 지역의 오류를 개선해도 열대강우 모의 오차는 지속됐다. 최근에는 ‘열대 바깥 지역의 오류가 원격상관을 통해 열대강우 모의 오차를 형성할 수 있다’는 가설이 제시됐다. 가장 대표적인 가설은 남극 앞바다의 구름이 과소 모의돼 생기는 온난 오차가 원격상관을 통해 열대 태평양의 열대강우를 남쪽으로 이동시킨다는 내용으로, 기후 모델 실험을 통해 검증 중이다. 하지만 실험을 진행한 기후 모델마다 원격상관의 효과가 다르게 나와 논란의 여지가 있는 상태다.

본 연구팀에서는 가설검증을 위해 다중 기후 모델 실험결과를 구축했고 이번 연구에서 실험결과를 활용해 남극 앞바다의 온난 오차를 줄이면 열대강우 과대 모의 오차를 줄일 수 있다는 점을 규명했다.

2. 연구내용

본 연구에서는 8개의 기후 모델에서 남극 앞바다로 들어가는 일사량을 일정하게 줄이는 실험을 진행했다. 그 결과 모든 모델에서 남극 앞바다의 냉각이 원격상관을 통해 열대 남태평양의 수온을 감소시키고 열대강우(열대수렴대3))를 북쪽으로 이동시키는 결과를 보였다. 이는 기후 모델에서 남극 앞바다의 온난 오차가 원격상관을 통해 열대강우를 과도하게 남쪽으로 이동시켜 남반구 열대강우 오차를 만들어낸다는 가설과 일치하며, 남극 앞바다의 구름 오차를 줄여 냉각효과를 주면 열대강우 오차가 줄어들 것을 의미한다.

하지만 8개의 기후 모델의 남극 앞바다 냉각 효과가 동일해도 원격상관에 의한 열대강우 이동 정도는 모델마다 매우 다르게 나타났다. 분석 결과 아열대 지역 구름 피드백(Subtropical cloud feedback)5)의 차이가 원격상관 효과의 모델 간 차이를 만들어내는 것으로 밝혀졌다. 아열대 구름의 경우 수온이 한번 감소하면 구름의 양이 많아지면서 햇빛을 차단해 수온을 다시 감소시키는 ‘양의 피드백’을 가지는데, 이 효과에 의해 원격상관의 세기가 조절된다. 따라서 아열대 구름 피드백의 세기가 강한 모델의 경우에는 남극 앞바다의 냉각이 효과적으로 열대강우 모의 오차를 줄일 수 있었다.

대부분의 기후 모델은 아열대 구름 피드백의 세기가 관측보다 작게 나타나는데, 이는 원격상관의 세기 또한 모델이 현실보다 약할 것을 의미한다. 이는 모델이 현실적으로 아열대 구름을 모의할수록 남극 앞바다의 모의 오차가 열대강우 모의 오차에 더 중요하다는 것을 나타낸다.

3. 기대효과

본 연구에서는 남극 앞바다의 모의 오차 개선이 열대강우 모의 오차를 개선하는 데 있어 중요함을 보였다. 특히, 그 원격상관 효과에 있어 남극 앞바다의 구름 모의 오차와 함께 아열대 구름 피드백의 모의 오차도 중요함을 보였다. 본 연구의 내용을 활용하면 지금의 기후 열대강우 모의 오차를 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

최근 열대 태평양의 수온 패턴을 관측한 결과는 라니냐와 같은 냉각 패턴을 보이는데, 대부분의 기후 모델들은 이산화탄소 증가에 따라 엘니뇨(El Niño)4)와 같은 온난화 패턴을 나타낸다. 라니냐(La Niña)4)와 같은 냉각 패턴은 현재 미국 서부의 극심한 가뭄과 관련돼 있으므로 올바른 미래 기후 예측을 위해서는 라니냐와 같은 냉각 패턴이 일어나는 이유를 이해해야 한다. 본 연구에서 보인 남극해 냉각에 의한 원격상관 효과는 적도 태평양의 냉각을 일으켜 라니냐와 같은 냉각 패턴을 유발한다. 따라서 본 연구가 현실 기후에서 적도 태평양의 수온 패턴을 이해하는 데에 있어 중요한 근거가 될 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 기후 모델(Climate Model)

대기권, 수권, 지권, 빙권, 생물권 등으로 구성되는 지구기후시스템의 장기간 변화를 분석·예측할 수 있는 모델로, 부문별 기술을 총체적으로 결합한 모델이다.

2. 원격상관(Teleconnection)

기후 시스템에서 한 지역의 국지적 기후변화가 다른 지역의 강우량과 온도 등을 바꾸는 효과를 원격상관이라 한다. 대표적인 예로 적도 동태평양의 수온이 증가할 경우 대기 순환의 변화로 캘리포니아의 강우량이 증가하는 현상이 있다. 최근에는 고위도의 국지적 변화가 열대 지역에 미치는 원격상관 효과 연구도 활발하다.

3. 열대수렴대(Intertropical Convergence Zone)

열대수렴대는 열대 지역의 강수가 집중돼 있는 지역이다. 무역풍이 적도로 수렴하고, 그에 따라 나타나는 상승기류로 인해 많은 구름과 강수가 발생하게 된다. 열대 수렴대는 해양의 영향으로 연평균 북위 5도 정도에 위치한다. 기후 모델에서는 현실과 달리 남반구에도 강한 열대수렴대를 가지는 열대강우 모의 오차를 보인다.

4. 엘니뇨와 라니냐(El Niño and La Niña)

엘니뇨(El Niño)는 적도 동태평양의 수온이 평년보다 뜨거운 상태로, 2~7년 주기로 나타나는 현상이다. 라니냐(La Niña)는 반대로 동태평양의 수온이 평년보다 차가운 상태로, 역시 2~7년 주기로 나타난다. 엘니뇨와 라니냐는 열대 강우량의 패턴을 바꿔 전 지구 대기 순환을 조절하는 원격상관 효과를 가져온다.

5. 아열대 구름 피드백(Subtropical cloud feedback)

아열대 구름은 대륙 서안의 낮은 구름으로 햇빛을 반사하는 효과가 있다. 아열대 구름의 경우 수온과 ‘양의 피드백’을 가진다. 수온이 한번 감소하면 대기 안정도가 증가하고, 안정도가 증가하면 대기 경계층 내에 수증기가 응축되면서 아열대 구름의 양이 더 많아진다. 구름의 양이 많아지면 햇빛을 더 차단해 수온을 다시 낮춘다. 따라서 아열대 지역은 한 번 수온 변화가 일어나면 증폭되는 특성이 있다. 기후 모델은 아열대 구름 피드백에 있어 큰 불확실성을 보인다.

[붙임] 그림설명

그림1. 남극 앞바다 냉각에 의한 태평양 수온과 열대강우 변화

(위) 남극 앞바다 냉각(파란색 사각형)은 원격상관을 통해 남태평양에서 삼각형 모양의 냉각 패턴(노란색 삼각형)을 일으킨다.

(아래) 삼각형 모양의 냉각 패턴은 동태평양에서 열대강우를 북쪽으로 이동시킨다 (보라색 화살표). 이는 기후 모델에서 남극 앞바다가 지나치게 따듯한 오차를 줄이면 열대강우가 북쪽으로 이동하여 열대강우 모의 오차를 줄일 수 있음을 나타낸다.

최근 전자산업이 디지털 네트워크로 급격하게 진입하면서 사용자들의 수요가 다양해지고 있다. 이는 초경량, 저전력, 저가격, 휴대성, 고기능성 등의 특징을 가진 전자소자의 필요성으로 귀결된다. 이런 가운데 유연하고(flexible) 신축성 있는(stretchable) 전자소자가 대표적인 기술로 대두되고 있다. 이를 실현하기 위해 기존 무기물 소재를 대체할 다양한 소재들에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 디스플레이, 터치스크린, 태양전지 등 다양한 분야에 적용되고 있는 ITO(Indium tin oxide, 인듐 주석 산화물) 기반의 투명전극은 휘어지거나 늘어날 수 없기 때문에 유연성 전자소자에 적용하는 데 한계가 있다. 게다가 인듐은 광석 1톤당 0.05g 정도만 존재할 정도로 희귀하다. 이를 대체할 소재로 우수한 전기적 특성을 가지는 그래핀이 대두됐으나 대면적 합성에서 발생하는 결함으로 인해 저항을 낮추는 데 어려움이 있다. 본 연구에서는 결함 때문에 발생하는 그래핀의 전기적 특성 저하를 금속 나노와이어로 보상하고, 실제로 유연하고 신축성 있는 소자를 구현해 차세대 투명전극으로서의 가능성을 확인했다.

그림2. 남극 앞바다-열대 태평양 원격상관 메커니즘 도식

남극 앞바다의 냉각은 ‘중위도 대기 에너지 수송’과 ‘해양 에너지 수송’에 의해 아열대 지역으로 전파된다.

- 아열대 지역의 냉각은 ①남동풍 기후 값에 의해 남아메리카 대륙 서안을 따라 적도 쪽으로 전파된다. (Climatological advection).

- 남동태평양의 냉각은 ②바람-증발-수온 피드백(WES feedback), ③아열대 구름 피드백(subtropical cloud feedback), ④해안용승(enhanced coastal upwelling)에 의해 더 증폭되며 적도 동태평양에 다다른다.

- 적도 동태평양의 냉각은 비야크네스 피드백(Bjerkness feedback)*을 통해 서태평양 쪽으로 전파되며 강화된다.

- 결과적으로 남태평양에는 삼각형 모양의 냉각 패턴(노란색 삼각형)이 형성된다. 이 삼각형 모양의 냉각 패턴은 원격상관의 핵심 요소로, 적도 태평양에는 라니냐와 같은 냉각 패턴을 유발하며 동태평양에서는 열대수렴대를 북쪽으로 이동시킨다. 본 연구에서는 아열대 구름 피드백이 삼각형 모양의 냉각 정도를 조절하여 원격상관 세기를 결정하는 주요 인자임을 밝혔다.

* 비야크니스 피드백(Bjerkness feedback): 적도 동태평양은 서태평양에 비해 수온이 낮은 특성이 있다. 이에 따라, 동태평양의 기압은 서태평양보다 높으며 적도 태평양에서는 동쪽에서 서쪽으로 동풍이 강하게 부는 특성이 있다. 이러한 동풍은 동태평양 해안에서 깊은 바다의 차가운 물을 표면으로 용승시켜 냉각효과를 일으킨다. 비야크니스 피드백이란 이러한 상황에서 동태평양의 수온이 한번 차가워졌을 때 일어나는 양의 피드백을 가리킨다. 동태평양의 냉각은 동풍을 강화하고, 강화된 동풍은 동태평양의 용승을 강화해 다시 동태평양의 냉각을 일으켜 양의 피드백을 완성한다.