[논문]북극지역 대류권계면 기압의 연변화와 변화경향

최우갑; 김혜실

[국내논문] 북극지역 대류권계면 기압의 연변화와 변화경향
Annual Variation and Trends of the Arctic Tropopause Pressure 원문보기

The tropopause pressure in the Arctic region is calculated by the conventional thermal and dynamical methods using 30-year reanalysis data. The tropopause pressures determined thermally and dynamically both show semiannual cycles with one peak in April and May, and another in October, contrary to the tropopause temperatures. Although tropopause levels are higher both in January and July, the level of the tropopause in January seems to be associated with the stratospheric temperatures while that of July seems to be associated with the tropospheric temperatures. During the 30-year period the most significant trend appears in April, and it is shown that the altitude of the Arctic tropopause has been rising. Although a potential reason for this trend is stratospheric cooling due to ozone depletion, significant tropospheric warming in April is considered to be another reason.

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문제 정의

본 연구에서는 다른 연구보다 상대적으로 많은 연구가 이루어지지 않았고, 기후온난화에 따라 가장 기온의 상승이 크다고 알려져 있는 북극지역에서, 대류권계면이 어떻게 변화하는지에 대하여 연구의 초점을 맞추었다. 또한 하부성층권과 대류권 중 어느 고도에서의 변화가 북극지역 대류권계면의 변화에 더 큰 영향을 주는지에 대해 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 다른 연구보다 상대적으로 많은 연구가 이루어지지 않았고, 기후온난화에 따라 가장 기온의 상승이 크다고 알려져 있는 북극지역에서, 대류권계면이 어떻게 변화하는지에 대하여 연구의 초점을 맞추었다. 또한 하부성층권과 대류권 중 어느 고도에서의 변화가 북극지역 대류권계면의 변화에 더 큰 영향을 주는지에 대해 알아보고자 하였다. 2절에서는 사용된 자료와 대류권계면의 정의에 대하여 기술하였다.

가설 설정

8). 선형경향의 신뢰구간을 구하기 위하여 자료를 t분포로 가정하여 검정통계량을 구하였다 (김우철 등, 2008; Santer et al., 2000). Fig.

제안 방법

각 지점의 계산이 끝난 후 북극지역을 대표하는 값을 얻기 위하여 각각의 변수를 70°N부터 90°N까지 면적에 대하여 가중평균하였고, 그런 방법으로 얻어진 값을 “북극지역”의 값으로 정의하였다.
이 때 필요한 상수 규모고도(scale height)는 7 km로 정하였다. 17개의 등압면 사이에 있는 16개의 등압면은 상하등압면의 기하평균으로 구하였고, 그 16개 등압면 고도에서 기온감률을 계산하였다. 그 후에 기온감률이 2 K km^-1보다 작은 i번째 고도와 큰 i + 1번째 고도의 기온감률을 내삽하여 기온감률이 2 K km^-1가 되는 고도를 열적대류권계면으로 정의하였다.
, 1987) 두 고도 사이의 차이는 무시할 수 있다. R-2에서 제공하는 17개의 등압면에서 각각 잠재와도를 계산한 후 3.5 PVU보다 작은 i번째 고도와 큰 i + 1번째 고도의 값을 사용하여 내삽법으로 역학적대류권계면의 기압을 얻었다. 각 지점의 계산이 끝난 후 북극지역을 대표하는 값을 얻기 위하여 각각의 변수를 70°N부터 90°N까지 면적에 대하여 가중평균하였고, 그런 방법으로 얻어진 값을 “북극지역”의 값으로 정의하였다.
열적대류권계면 고도의 경년변화에 영향을 미치는 기온의 고도가 계절에 따라 다르다는 것을 보기 위하여 각 달에 대하여 대류권계면 기압의 시계열과 R-2에서 얻은 17개 등압면의 기온 시계열 사이의 상관계수를 계산하였다 (Fig. 5). 상관계수가 통계적으로 유의한지 알기 위하여 검정통계량을 계산하였고 (김우철 등, 2008), 그 결과 상관계수가 0.
대류권계면 고도가 평균보다 높거나 낮을 때 기온의 연직분포는 어떻게 다른지 알기 위하여 30년 자료에서 각 달에 대하여 대류권계면이 높은 경우와 낮은 경우를 선택했다(Table 1). 각 달에 대하여 대류권계면 평균기압에서 표준편차를 뺀 기압보다 작은 경우를 대류권계면 고도가 높은 해(High TP)로 정의하였고 평균 대류권계면 기압에서 표준편차를 더한 기압보다 큰 경우를 대류권계면 고도가 낮은 해(Low TP)로 정의하였다.
잠재와도의 연변화가 어떤 항의 영향을 가장 많이 받는지 알기 위하여 식 (1)을 이루고 있는 항들을 수평과 연직방향 성분으로 나누어 크기를 비교하였다. 잠재와도를 이루는 성분 중 수평방향의 성분이 연직방향 성분보다 103차수 이상 작기 때문에 잠재와도는 다음과 같이 근사하여 표현할 수 있다.
1c)는 열적대류권계면 기압의 표준편차보다 변화의 정도는 작으나 패턴이 같아서 2월에 최대값을 보이고, 여름에 최소값을 보인다. 따라서 3.2절에서 열적대류권계면의 경년변화 분석과 같은 방법을 사용하여 역학적대류권계면 고도가 높고 낮은 경우의 해를 선택하였다(Table 1). 대류권계면 고도가 높은 경우와 낮은 경우를 각각 평균하여 그 차이를 구한 후, 각 달의 평균 잠재와도로 나누어 Fig.
대류권계면 기압의 경향과 기온의 연관성을 고도에 따라 좀 더 자세히 보기 위해 모든 고도에서 기온과 기온감률의 선형경향을 나타내었다(Fig. 8). 선형경향의 신뢰구간을 구하기 위하여 자료를 t분포로 가정하여 검정통계량을 구하였다 (김우철 등, 2008; Santer et al.
재분석자료 R-2를 이용하여 북극지역의 열적대류권계면과 역학적대류권계면을 30년 동안의 월평균 값으로 구했다. 열적대류권계면과 역학적대류권계면은 각각 특별한 기온감률과 잠재와도 값으로 정의되는데, 잠재와도는 기온감률에 의하여 주로 결정되기 때문에 이 두 가지 대류권계면의 특성은 거의 일치한다.
4a)가 큰 것과도 일치한다. 이러한 경년변화에 가장 큰 영향을 주는 기온의 고도를 알아보기 위하여 대류권계면 기압과 17개 등압면의 기온 사이의 상관계수를 계산하였다. 대류권계면 기압의 변화는 계절마다 다른 고도의 기온과 연관이 있어서 겨울철에는 하부성층권 기온과, 여름철에는 대류권 기온과 큰 상관계수를 갖는다.

대상 데이터

대류권계면 고도를 계산하기 위하여 1979년 1월부터 2008년 12월까지 30년 동안의 National Centers for Environmental Prediction (NCEP) Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP) 재분석자료(R-2)의 기온과 바람의 월평균 자료를 사용하였다. R-2는 경도방향으로 0°부터 360°까지 2.

데이터처리

2절에서 열적대류권계면의 경년변화 분석과 같은 방법을 사용하여 역학적대류권계면 고도가 높고 낮은 경우의 해를 선택하였다(Table 1). 대류권계면 고도가 높은 경우와 낮은 경우를 각각 평균하여 그 차이를 구한 후, 각 달의 평균 잠재와도로 나누어 Fig. 11에 백분율차이로 나타내었다. 역학적대류권계면 고도가 높은 경우의 잠재와도에서 낮은 경우를 뺀 결과이므로 대류권계면에서 음의 차이가 보일 것이라고 예상할 수 있는데, 실제로 대류권계면 근처에서는 모든 계절에서 큰 음의 차이가 나타나고 있다.

이론/모형

등압면 자료로부터 기온감률을 계산하고 대류권계면 기압과 기온을 구하는 방법은 Zängl and Hoinka (2001)의 방법을 따랐다.
잠재와도를 계산하고 역학적대류권계면을 구하는 방법은 Zängl and Hoinka (2001)를 따랐다.
그 고도에서의 대류권계면 기온은 Zängl and Hoinka (2001)의 방법을 따라 외삽법으로 구하였다.
본 연구에서 사용한 열적대류권계면은 World Meteorological Organization (WMO) (1957)의 정의를 따랐다. 이 정의에 의하면 열적대류권계면은 연직 기온감률이 2 K km^-1가 되는 고도를 의미하는데, 이렇게 결정된 고도로부터 2 km이내에서 기온감률이 2K km^-1이하로 유지되어야 한다.

성능/효과

상관계수의 결과를 살펴보면 모든 계절에서 대류권계면 기압은 성층권 기온과 양의 상관을, 대류권 기온과 음의 상관을 보이는데 이것은 일반적으로 알려진 대로 성층권 기온이 하강하고 대류권 기온이 상승할 때 대류권계면 고도가 높아진다는 사실과 일치하는 결과이다. 1월의 대류권계면의 기압(Fig.
표준편차는 겨울에 크게 나타나고 특히 2월에 가장 크다. 3.1절에서 대류권계면의 고도가 겨울철에는 하부성층권의 영향을, 여름철에는 대류권의 영향을 많이 받는다는 점을 보였는데, 그에 따라 겨울철 하부성층권 기온의 경년변화가 여름철 대류권의 경년변화보다 클 것이라고 추정할 수 있다. 이러한 추정이 맞는다는 것은 모든 달과 고도에서 보인 기온의 표준편차(Fig.
5b)에는 하부성층권과 대류권에서 모두 대류권계면 기압과 기온 사이의 뚜렷한 상관관계를 보인다. 통계적으로 유의한 상관관계를 갖는 성층권의 고도범위를 보면 1월에는 27 km에 이르나, 4월에는 21 km에 불과해서 겨울에서 봄으로 갈수록 대류권계면에 영향을 주는 성층권의 영역이 변화함을 알 수 있다. 7월(Fig.
(2000)의 경우 Hoinka (1998)의 연구와 같은 지역에서 1965년부터 1990년까지 라디오존데 자료를 3개월씩 평균하여 각 계절을 대표하는 대류권계면 기압의 경향을 계산하였다. 결과는 모든 계절에 다 음의 경향을 보이지만, 겨울철을 대표하는 12월부터 2월까지의 대류권계면 기압의 경향이 가장 크게 나타났다. 기존의 두 연구는 본 연구와는 자료와 기간이 다르나 4월(Highwood et al.
대류권계면 기압의 선형경향으로부터 봄과 여름에 시간에 따라 대류권계면 고도가 상승하고 있다는 것이 통계적으로 유의하게 나타났다. 대류권계면의 변화경향은 특히 4월에 가장 뚜렷하게 나타나는데, 한 가지 원인으로는 오존층의 파괴에 따른 성층권의 냉각이 거론된다(Hoinka, 1998; Highwood et al.

후속연구

(2003)에서 언급한 바와 같이 기후변화에 따른 전구적인 대류권계면 변화가 일어나고 있다. 앞으로 대류권계면 고도 변화와 북극지역에서 나타나는 여러 기후변화 사이의 관련성에 대한 연구가 지속적으로 이루어진다면 대류권계면의 변화는 극지역 기후변화를 대표하여 설명할 수 있는 중요한 지표가 될 수 있을 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

대류권계면은 무엇인가?

대류권계면은 대류권과 성층권 사이에서 기온감률, 잠재와도(potential vorticity)등의 변수들이 급격하게 변화하는 곳이다. 또한 오존, 이산화황, 질소산화물과 같은 화학성분의 농도 역시 대류권계면을 기준으로 크게 변화한다(WMO, 1986).

대류권계면에 대한 연구가 초기에 적도지역을 중심으로 이루어진 이유는?

대류권계면에 대한 연구는 초기에 적도지역을 중심으로 이루어졌다(Reid and Gage, 1984; Highwood and Hoskins, 1998). 그 이유는 적도지역의 대류권계면 기온의 연변화가 수증기의 수송을 비롯한 Brewer-Dobson 순환과 관계가 있기 때문이다(Reid and Gage, 1996). 그러나 대류권과 성층권 사이의 물질교환에 대한 연구 (Holton, 1990; Appenzeller et al.

대류권계면의 정의는 어떤 방식으로 이루어지는가?

또한 오존, 이산화황, 질소산화물과 같은 화학성분의 농도 역시 대류권계면을 기준으로 크게 변화한다(WMO, 1986). 이러한 불연속의 성질을 이용하여 대류권계면을 정의할 수 있는데, 기온감률로 결정할 경우 열적대류권계면이라고 정의하고, 특정 잠재와도 값으로 결정할 경우 역학적대류권계면이라고 부른다. 또한 화학성분의 농도로 결정하는 대류권계면을 화학적대류권계면으로 정의하는데 그 예로는 오존 대류권계면이 있다(Tomikawa et al.

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