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문제 정의
- 본 연구에서는 ECHO-G/S의 ENSO 모의능력과 온난화 시나리오 결과에 나타난 미래 ENSO의 변화특성을 분석하였다. 2절에서는 분석자료를 설명하고 3절에서는 지구온난화에 따른 적도태평양 지역의 해수면온도 반응과 ECHO-G/S의 ENSO 모의 특성 및 바람응력과 해수면온도에 대한 민감도 변화 분석결과를 설명한다.
- 이 절에서는 본 연구에서 사용한 기후값과 아노말리에 대한 정의 및 분석방법에 대해서 설명한다. 분석결과의 불확실성을 줄이기 위해 본 연구에서는 국립기상연구소에서 모의한 두 멤버를 앙상블 평균한 결과를 제시하였다. 20세기 기후모의실험 (20th Century Climate in Coupled Models, 이하 20C3M)의 마지막 20년인 1980~1999의 결과에서 각 달의 평균값을 모델의 월기 후값으로 정의하였다 (이하 20C3M 월기후값).
- 여기서는 ECHO-G/S의 20C 모의실험 및 미래 시나리오 결과에 대한 ENSO의 특징을 살펴보기로 한다. 분석을 보다 용이하게 하기 위해 안정화 시나리오는 제외하고 온실가스 증가 시나리오에 대해서만 결과를 제시하고자 한다. 먼저 모델의 NINO3 지역 해수면온도 편차와 표층 및 표하층 수온과의 지연상관을 분석하여 시간에 따른 수온 아노말리의 진행과정을 살펴보았다 (Fig.
- 여기서는 ECHO-G/S의 20C 모의실험 및 미래 시나리오 결과에 대한 ENSO의 특징을 살펴보기로 한다. 분석을 보다 용이하게 하기 위해 안정화 시나리오는 제외하고 온실가스 증가 시나리오에 대해서만 결과를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 10. Regression maps of ocean subsurface temperature anomalies against zonal wind stress anomalies the central Pacific (averaged over the region 180°W-120°W, 1.4°S-1.4°N) for 20C3M, B1, A1B and A2 scenario runs (left column) and differ- ence maps (right column). The contour interval is 5KPa-1.
- 미래 ENSO 주기 및 강도변화를 분석하기 위해 NINO3 지역의 열대 해수면온도 편차의 시계열 자료를 분석하였다. 각 시나리오는 온실가스 농도가 증가하면서 해수면온도가 증가하는데, ENSO의 고유특성 변화를 분석하기 위해서 선형추세를 제거한 후에 스펙트럼 분석을 실시하였다 (Fig. 6). 관측은 2-7년 주기에서 유의한 경년변동 시그널을 보인다.
- 20세기 기후모의실험 (20th Century Climate in Coupled Models, 이하 20C3M)의 마지막 20년인 1980~1999의 결과에서 각 달의 평균값을 모델의 월기 후값으로 정의하였다 (이하 20C3M 월기후값). 또한 동일한 방법으로 2080-2099의 20년에 대한 SRES B1, A1B, A2의 미래 월기후값을 구하였다. 모든 시나리오에 대한 아노말리는 각 시나리오의 월자료로부터 20C3M 월기후값을 제거한 편차이다.
- ECHO-G/S를 이용한 IPCC 실험은 6개 앙상블 멤버가 있다. 먼저 각 멤버의 초기조건을 얻기 위해 온실 가스 농도를 고정한 제어실험이 수행되었다. 첫 번째 멤버는 1990년의 온실가스 농도로 고정한 실험에서 초기조건을 취하고, 나머지 다섯 멤버는 산업혁명 이전인 1750년의 온실가스 농도로 고정한 제어실험 (Free University of Berlin에서 수행, 이하 FUB 실험)에서 얻는다.
- 분석을 보다 용이하게 하기 위해 안정화 시나리오는 제외하고 온실가스 증가 시나리오에 대해서만 결과를 제시하고자 한다. 먼저 모델의 NINO3 지역 해수면온도 편차와 표층 및 표하층 수온과의 지연상관을 분석하여 시간에 따른 수온 아노말리의 진행과정을 살펴보았다 (Fig. 5). 엘니뇨가 발생하기 12개월 전 (-12 lag)에 따뜻한 수온 아노말리가 서태평양 표하층 180 m를 중심으로 300 m 깊이까지 존재한다.
- 미래 ENSO 주기 및 강도변화를 분석하기 위해 NINO3 지역의 열대 해수면온도 편차의 시계열 자료를 분석하였다. 각 시나리오는 온실가스 농도가 증가하면서 해수면온도가 증가하는데, ENSO의 고유특성 변화를 분석하기 위해서 선형추세를 제거한 후에 스펙트럼 분석을 실시하였다 (Fig.
- 미래 ENSO 진폭의 전반적인 감소 전망에 따라 엘니뇨/라니냐의 출현빈도의 변화를 분석하였다 (Fig. 8). 상승추세와 계절변동성이 제거된 NINO3 해수면 온도 아노말리를 0.
- (1999)의 방식을 따라 대기와 해양의 민감도 분석을 수행하였다. 민감도는 바람응력과 해수면온도 변화 사이에 발생하는 반응강도를 나타내는 것으로 본 연구에서는 NINO3 (150°W~90°W, 5°S~5°N) 해수면온도 편차와 ECHO-G/S에서 바람응력이 최대로 나타나는 지역인 적도 중앙태평양 (180W-120W, 1.4N-1.4S)에서의 동서 바람응력 편차 시계열로 계산하였다. 대기 민감도는 동서 바람응력과 NINO3 해수면온도 편차의 공분산을 NINO3 해수면온도 편차의 분산으로 나눈 값이고 (Pa per ℃), 해양민감도는 두 변수의 공분산을 동서바람 응력 편차의 분산으로 나눈 값이다 (℃ per Pa).
- 바람응력에 대한 해수면에서의 변화가 감지됨에 따라 표하층에서 변화도 살펴보았다. 이를 위해 적도 태평양 상의 바람응력 편차와 표하층 수온간의 회귀분석을 수행하였다 (Fig.
- 본 연구에서는 ECHO-G/S의 20C 및 B1, A1B, A2시나리오 모의 결과를 이용하여 미래 ENSO의 진폭 등의 변화특성을 분석하였다. 이산화탄소 농도가 증가함에 따라 적도태평양의 해수면온도는 지속적으로 상승하였으며 온난화가 진행되는 미래에도 해수면 온도의 경년 및 수십 년 변동이 존재하였다.
- 8). 상승추세와 계절변동성이 제거된 NINO3 해수면 온도 아노말리를 0.1℃ 간격으로 나누어 빈도를 계산하였다. 분석자료는 모든 시나리오의 100년 결과, 즉 20C3M 실험 (1901~2000)과 A1B, B1, A2의 100년 (2001~2100)를 사용하였다.
- 앞서 언급한 바처럼, 기상연구소는 ECHO-G를 이용하여 2002년부터 독일 막스플랑크 연구소 및 독일 본 대학 기상연구소와 협력하여 다양한 온실가스 증가 시나리오 A2와 B2를 바탕으로 미래 기후전망 시나리오 자료를 산출하여 분석하였다 (기상연구소, 2003; 구교숙 등, 2005; Min et al., 2004; Min et al., 2005a,b; Min et al., 2006). 2004년부터는 에어러솔 효과도 고려할 수 있는 ECHO-G/S를 바탕으로 IPCC SRES (Special Report on Emissions Scenarios)에 대한 미래기후전망 자료를 산출하여 IPCC 4차 보고서의 분석자료로 제공한 바 있다 (기상연구소, 2005; 차유미 등, 2007).
- 엘니뇨와 연관된 주요 변동을 분석하기 위해서 NINO3 지역의 해수면온도 변화를 분석하였다. Fig.
- 그러나 21C 후반에 ENSO 진폭이 감소하는 현상은 공통적으로 모의되었다. 온실가스 증가에 따른 진폭변화를 정량적으로 살펴보기 위해 현재와 미래기후에 대한 ENSO 진폭 평균값을 계산하였다. 앙상블 평균한 결과로부터 1901-2000 (100년)의 평균표준편차는 1.
- 바람응력에 대한 해수면에서의 변화가 감지됨에 따라 표하층에서 변화도 살펴보았다. 이를 위해 적도 태평양 상의 바람응력 편차와 표하층 수온간의 회귀분석을 수행하였다 (Fig. 10). 왼쪽 그림은 각 시나리오에 대한 회귀결과이며 오른쪽 그림은 온실가스농도 증가 시나리오와 20C3M 간의 차이를 나타낸다.
- 먼저 FUB 실험의 199년, 299년, 399년의 마지막 해양상태와 ECHAM4 기후값을 초기조건으로 취하여 해양상태를 달리한 앙상블 멤버 3개를 구성하였다. 이후 기후표류를 줄이기 위한 6년의 스핀업 (이하 각각 스핀업1, 스핀업2, 스핀업3 실험)을 거친 다음 IPCC 실험인 20C3M, A1B, B1, A2 시나리오 등을 산출하였다. 이는 독일의 막스플랑크 연구소에서 수행되었다.
대상 데이터
- 여기서 선형추세는 최소자승법으로 구한 1차 방정식에 의한 추세를 의미한다. 또한 관측자료로 해수면온도는 영국의 해들리센터에서 제공하는 GISST (Global Sea Ice and SST) 2.3b를 사용하였다.
- 먼저 FUB 실험의 199년, 299년, 399년의 마지막 해양상태와 ECHAM4 기후값을 초기조건으로 취하여 해양상태를 달리한 앙상블 멤버 3개를 구성하였다. 이후 기후표류를 줄이기 위한 6년의 스핀업 (이하 각각 스핀업1, 스핀업2, 스핀업3 실험)을 거친 다음 IPCC 실험인 20C3M, A1B, B1, A2 시나리오 등을 산출하였다.
- 1℃ 간격으로 나누어 빈도를 계산하였다. 분석자료는 모든 시나리오의 100년 결과, 즉 20C3M 실험 (1901~2000)과 A1B, B1, A2의 100년 (2001~2100)를 사용하였다. 20C3M의 경우 아노말리 크기가 ±1℃를 넘는 빈도는 엘니뇨보다는 라니냐가 다소 많이 나타났다.
- 먼저 각 멤버의 초기조건을 얻기 위해 온실 가스 농도를 고정한 제어실험이 수행되었다. 첫 번째 멤버는 1990년의 온실가스 농도로 고정한 실험에서 초기조건을 취하고, 나머지 다섯 멤버는 산업혁명 이전인 1750년의 온실가스 농도로 고정한 제어실험 (Free University of Berlin에서 수행, 이하 FUB 실험)에서 얻는다. 참고로 FUB 실험은 576년간 수행되었고 초기조건은 ECHAM4의 기후값과 Levitus 해양 기후 값이다.
- 보다 최근의 연구에서도 유사한 결과를 보여주고 있는데, Yeh and Kirtman (2005, 2007)은 적도 태평양 평균상태의 큰 변화에도 불구하고 ENSO 진폭변화가 모델에 매우 의존함을 보였고 Toniazzo (2006)은 중간단계모델과 결합모델 결과로부터 모의기후 내 복잡한 변화가 ENSO에 상반된 영향을 줄 수 있다고 하였다. 현재 세계 10여 개국에서는 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 제 4차 보고서 (이하 AR4)를 위해 다양한 분해능과 모수화를 장착한 23개 모델이 참여하였다. 이들은 동일한 온실가스 증가 시나리오를 바탕으로 미래 기후전망 자료를 생산하였다.
데이터처리
- 따라서 ECHO-G/S가 모의한 지구 온난화 시나리오 하에서 엘니뇨나 라니냐의 강도는 다소 약화될 것으로 예상할 수 있다. 미래 ENSO 진폭 변화를 자세히 분석하기 위해, 선형추세를 제거한 NINO3의 해수면온도 아노말리 자료로 표준편차를 구하였다. Fig.
이론/모형
- 또한 21C의 ENSO 진폭감소는 21C 후반 50년 (2051-2100) 동안 B1, A1B, A2 시나리오에서 뚜렷하게 나타났다. 본 절에서는 적도 태평양에서의 대기와 해양의 평균상태의 변화와 ENSO 진폭변화와의 관계를 이해하기 위하여 Timmermann et al. (1999)의 방식을 따라 대기와 해양의 민감도 분석을 수행하였다. 민감도는 바람응력과 해수면온도 변화 사이에 발생하는 반응강도를 나타내는 것으로 본 연구에서는 NINO3 (150°W~90°W, 5°S~5°N) 해수면온도 편차와 ECHO-G/S에서 바람응력이 최대로 나타나는 지역인 적도 중앙태평양 (180W-120W, 1.
성능/효과
- 20C3M 결과와 온난화 시나리오 결과를 비교해보면, 이산화탄소 농도가 높아졌을 때 스펙트럼의 강도는 약해지는 경향이 나타난다. 따라서 ECHO-G/S가 모의한 지구 온난화 시나리오 하에서 엘니뇨나 라니냐의 강도는 다소 약화될 것으로 예상할 수 있다.
- 모든 시나리오에 대한 아노말리는 각 시나리오의 월자료로부터 20C3M 월기후값을 제거한 편차이다. 3.2절의 동부 적도 태평양 (NINO3, 150°W~90°W, 5°S~5°N) 지역에 대한 스펙트럼 분석과 미래 엘니뇨 및 라니냐 출현 빈도분석에서는 해수면온도 아노말리 자료에 나타나는 온실가스 증가에 따른 선형추세를 제거하였다. 여기서 선형추세는 최소자승법으로 구한 1차 방정식에 의한 추세를 의미한다.
- (2006)은 PCM과 CCSM3의 이산화탄소 2배증과 4배증 결과를 분석하여 아열대 환류의 약화가 적도지역 수온약층의 기울기를 줄여 엘니뇨 진폭이 작아짐을 보였다. ECHO-G/S를 분석해본 결과, 온실가스 농도가 증가했을 때 아열대 고기압이 극쪽으로 약간 치우치는 현상이 나타났는데, 이로 인한 적도 편동풍의 상대적인 약화와 해양민감도의 감소 그리고 적도 태평양 표하층에서의 수온반응의 약화가 미래 엘니뇨 진폭 변화에 영향을 준 것으로 이해할 수 있다.
- 2). 또한 21C의 ENSO 진폭감소는 21C 후반 50년 (2051-2100) 동안 B1, A1B, A2 시나리오에서 뚜렷하게 나타났다. 본 절에서는 적도 태평양에서의 대기와 해양의 평균상태의 변화와 ENSO 진폭변화와의 관계를 이해하기 위하여 Timmermann et al.
- 미래의 ENSO 변동을 분석하기 위해 추세를 제거한 NINO3 지역의 해수면온도의 스펙트럼 분석 결과, 온실가스 농도가 증가한 미래에 ENSO 강도가 약화되는 경향이 있었고, 이에 따라 강한 엘니뇨/라니냐의 출현빈도도 감소하였다. 또한 온실가스 증가 시나리오 (B1, A1B, A2)에서 공통적으로 나타나는 2050년 이후 ENSO 진폭의 감소 현상 (Fig. 7)에 주목하여 2051년에서 2100년까지 50년에 대한 민감도 분석을 수행하여 해양민감도가 감소함을 확인하였다. 또한 지구온난화에 따라 적도지역의 바람응력에 대하여 표하층에서의 수온 반응도 점차 약화되었다.
- 20C3M의 경우 아노말리 크기가 ±1℃를 넘는 빈도는 엘니뇨보다는 라니냐가 다소 많이 나타났다. 미래 B1, A1B, A2 시나리오에서는 강한 엘니뇨와 라니냐의 출현빈도는 줄어들고 평균상태 혹은 약한 라니냐의 출현 빈도가 증가할 것으로 전망되었다. 분석기간을 20C3M 실험 50년 (1951~2000)과 A1B, B1, A2 시나리오 50년 (2051-2100)으로 조정한 경우에도 유사한 빈도 변화가 전망되었다 (그림 미제시).
- ECHO-G/S의 경우 모의된 ENSO의 주기는 준 2년으로 관측값보다 다소 작지만 ENSO와 관련된 서태평양 표하층의 아노말리 출현과 수온약층을 따른 아노말리의 전파, 그리고 동태평양 표층으로의 표출 등 엘니뇨의 일반적인 진행 메커니즘을 잘 표현하고 있었다. 미래의 ENSO 변동을 분석하기 위해 추세를 제거한 NINO3 지역의 해수면온도의 스펙트럼 분석 결과, 온실가스 농도가 증가한 미래에 ENSO 강도가 약화되는 경향이 있었고, 이에 따라 강한 엘니뇨/라니냐의 출현빈도도 감소하였다. 또한 온실가스 증가 시나리오 (B1, A1B, A2)에서 공통적으로 나타나는 2050년 이후 ENSO 진폭의 감소 현상 (Fig.
- 온실가스 증가에 따른 진폭변화를 정량적으로 살펴보기 위해 현재와 미래기후에 대한 ENSO 진폭 평균값을 계산하였다. 앙상블 평균한 결과로부터 1901-2000 (100년)의 평균표준편차는 1.29, 미래 2001-2100 (100년) 의 각 시나리오별 평균표준편차는 B1 1.14, A1B 1.14, A2 1.06의 값을 가져 온실가스농도가 높을 때 진폭이 작아지는 경향이 나타났다. 그러나 온실가스 농도증가와 ENSO 진폭의 감소가 선형적인 관계를 보이지는 않았다.
후속연구
- 미래 ENSO 진폭의 약화는 지구온난화에 따른 해양민감도 감소와 적도 태평양 표하층에서의 수온 반응의 약화가 동시에 작용하여 나타나는 것임을 알 수 있었다. 그러나 ECHO-G/S 모델은 이산화탄소 농도에 따라 ENSO 강도의 변화가 선형적이지는 않았는데, 이에 대한 이해를 높이기 위해 향후 해양 표하층에서의 평균기후장 변화와 연계한 깊이 있는 연구와 다른 모델결과와 비교분석하는 연구가 필요가 있을 것으로 생각된다.
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