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문제 정의
- 이러한 맥락에서 미래 기후변화의 전망을 위해 유일한 과학적 도구로서 이용되는 기후 모델이 재현하는 기후 시스템에서의 해들리 순환의 모습을 심도있게 이해하고자 하는 시도는 매우 중요하다. 이에, 본 연구에서는 다양한 역학적 측면에서의 해들리 순환의 장기적 변화에 대해 IPCC AR4 기후 모델들에 의한 20세기 기후 모의 자료를 재분석자료와 비교 분석함으로써 다중 모델 앙상블 평균의 해들리 순환 변화의 모의 능력을 평가하고자 한다. 이것은 현 기후 모델 들에 의한 해들리 순환의 미래 변화 전망을 올바르게 해석하기 위한 근거를 마련하기 위한 것이기도 하다.
- 본 연구에서는 ECMWF 40년 재분석자료와 IPCC AR4에서 제공하는 20C3M 시나리오 하의 21개 CGCMs의 20세기 모의 결과를 이용하여 다중-모델 앙상블 자료를 분석, 모델에서 나타나는 20세기 후반 해들리 순환 변화의 특징을 살펴보았다. 1961-1990년까지의 현재 기후에서 나타나는 해들리 순환에 대해, 모델 간편차는 존재하나 MME는 관측에서 나타나는 기후 평균을 상당히 잘 재생산한다.
제안 방법
- 20C3M 모의 결과에 대해서는 1950년부터 1999년까지를 분석 기간으로 삼았으며, ERA40과의 비교를 용이하게 하기 위해 모델 고유의 격자 체계를 위·경도 2.5° × 2.5°의 수평 해상도로 내삽하여 통일된 격자 체계에서 분석하였다.
- 이 연구에서는 구면 조화 전개 (spherical harmonic expansion)를 사용하여 분광도메인에서 D를 계산한 후 역분광변환을 취함으로서 Χ를 산출하였다.
- 전통적으로 해들리 순환은 동서-평균 남북 바람 및 연직 바람의 유선함수를 이용해 정의된다 (예, Oort and Yienger, 1996). 이 연구에서는 이 방법을 통해 질량 유선함수를 계산하여, 해들리 순환의 2차원적 구조를 분석하였다.
- 이 연구에서는 전통적인 방법으로 질량 유선함수를 계산해 해들리 순환의 2차원적 구조를 살펴보고, 속도 포텐셜의 위도별 최대값을 구해 해들리 순환 강도의 변화를 탐구하였다.
- 20C3M MME에서 나타나는 재분석자료와는 뚜렷하게 다른 경향이 다중-모델 평균장만의 특징인지, 아니면 모든 모델에서 일관되게 나타나는지 살펴보기 위해 분석에 이용한 21개 CGCMs의 북반구 해들리 순환 강도의 경년 변동성에 대한 선형 회귀 기울기를 Table 1에 나타냈다. 분석 기간은 관측에서 해들리 순환의 강화 경향이 매우 분명하게 나타난 11월에서 4월까지 추운 달에 대해서며 MME는 각각의 모델의 변화 경향을 먼저 계산 후 평균을 도출하였다. 모든 기후 모델들에서 모의된 해들리 순환 변화의 크기는 재분석자료에 비해 현저히 작다.
대상 데이터
- 해들리 순환의 변화를 분석하기 위해 ERA40 (Uppala et al., 2005)으로부터 수평 바람 (u, v) 및 연직 (ω) 바람장을 사용하였다.
- , 2005)으로부터 수평 바람 (u, v) 및 연직 (ω) 바람장을 사용하였다. 이 자료는 1957년 9월부터 2002년 8월까지 가용한데, 이 논문에서는 1961년부터 2000년까지의 40년 기간에 대해 분석하였다. 이 자료의 수평 해상도는 위·경도 2.
- 이 연구에 사용된 모의 자료는 IPCC AR4를 위해 21개 대기-해양 접합 모델 (Coupled Global Climate Models, 이하 CGCMs)에 의해 생산된 자료로서, 이 중에서 20세기 기후 재현 실험인 20C3M 결과를 분석하였다. 이 자료는 PCMDI (Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison)에 의해 구축된 WCRP (World Climate Research Programme) CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project Phase-3) 다중-모델 자료집합 아카이브를 통해 확보되었으며, 21개 CGCMs의 목록은 다음과 같다: CCCMA-T47, CCCMAT63, CNRM-CM3, CSIRO-MK3.
- 이 연구에 사용된 모의 자료는 IPCC AR4를 위해 21개 대기-해양 접합 모델 (Coupled Global Climate Models, 이하 CGCMs)에 의해 생산된 자료로서, 이 중에서 20세기 기후 재현 실험인 20C3M 결과를 분석하였다. 이 자료는 PCMDI (Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison)에 의해 구축된 WCRP (World Climate Research Programme) CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project Phase-3) 다중-모델 자료집합 아카이브를 통해 확보되었으며, 21개 CGCMs의 목록은 다음과 같다: CCCMA-T47, CCCMAT63, CNRM-CM3, CSIRO-MK3.0, CSIRO-MK3.5, GFDL-CM2.0, GFDL-CM2.1, GISS-AOM, GISS-EH, GISS-ER, IAP, INM-CM3.0, IPSL-CM4, MIROC-3.2 (hires), MIROC-3.2 (medres), MPI-ECHAM5, MRICGCM2.3.2, NCAR-CCSM3.0, NCAR-PCM1, UKMOHadCM3, and UKMO-HadGEM1. 20C3M 모의는 대부분 지난 20세기동안 관측된 온실기체의 증가로 강제되나, 몇몇 모델은 추가적 특별한 강제를 포함한다; 예를 들면, 황산염 에어로졸이나 화산 폭발, 혹은 태양 복사 같은 강제 (Santer et al.
이론/모형
- 수평 바람 벡터로부터 D를 구한 후, 수치적 방법을 이용하여 Poisson 방정식 (2)의 해를 구함으로써 Χ를 구할 수 있다.
- 또한 수평 바람장의 발산 성분으로 부터 해들리 순환을 도출하는 Tanaka et al. (2004)의 방법에 따라 위도에 따른 해들리 순환의 강도를 탐구하였다. 대기 순환의 3차원 구조는 배경 구조를 결정하는 바람의 회전 (비발산) 성분이 주도적이라 하더라도, 발산 순환에 의해 강하게 영향 받기 때문이다 (Trenberth et al.
성능/효과
- (2004)은 전체 속도 포텐셜 Χ로 부터 각각의 순환에 해당되는 속도 포텐셜을 도출하였다. 먼저 해들리 순환은 자오 차등 가열에 의해 구동되는 축대칭 순환 부분으로 정의되어 Χ의 동서평균으로부터 분리시킬 수 있으며, 워커 순환과 몬순 순환의 정보는 동서 평균장으로부터의 편차에 들어있다: 1) 대륙과 해양 분포에 기인한 열적 차이에 의해 구동되는 몬순 순환은 편차장의 계절 변화 부분으로 정의되며, 편차장으로 부터 연평균을 빼줌으로써 구할 수 있다. 2) 마지막으로 적도 지역을 따라서 해면 온도의 차이에 의해 구동되는 워커 순환은 동서 편차장의 연평균으로 정의된다.
- 먼저 해들리 순환은 자오 차등 가열에 의해 구동되는 축대칭 순환 부분으로 정의되어 Χ의 동서평균으로부터 분리시킬 수 있으며, 워커 순환과 몬순 순환의 정보는 동서 평균장으로부터의 편차에 들어있다: 1) 대륙과 해양 분포에 기인한 열적 차이에 의해 구동되는 몬순 순환은 편차장의 계절 변화 부분으로 정의되며, 편차장으로 부터 연평균을 빼줌으로써 구할 수 있다. 2) 마지막으로 적도 지역을 따라서 해면 온도의 차이에 의해 구동되는 워커 순환은 동서 편차장의 연평균으로 정의된다. 즉, 세 가지 열대 순환은 다음 식과 같이 직교 공간 패턴들 (orthogonal spatial patterns)의 선형 조합으로 표현될 수 있다:
- 이 결과에 따르면, 양반구 겨울철, 위도 27.5º 부근에서 최대 상층 수렴 (하강기류)이 나타나고 반대 반구의 위도 12.5~15º 부근에서 최대 상층 발산 (상승기류)이 나타난다.
- 21개 모델 각각에 대해 살펴본 결과, DJF 계절의 속도 포텐셜의 최대값은 −25.425 (INM-CM3.0)에서 −59.936 (UKMO-HadCM3)까지 적지않은 편차를 보인다.
- 모델의 경우 (Fig. 2(c)와 2(d)) 감소 경향의 최대가 나타나는 위도가 질량 유선함수 중심 지역과 거의 같으며 남위 30도 근처 순환의 하강역에서 미약한 증가 경향이 나타나 (Fig. 2(d)) 90년대 해들리 순환의 확장 경향을 보인다.
- 3(b))은 겨울철 순환과 대칭이나 속도 포텐셜의 피크는 더 크다. 20C3M MME는 피크의 크기에서는 다소 차이를 보이나 위치나 패턴, 값의 규모 모두에서 ERA40과 상당히 유사한 결과를 보이며 기후 평균을 매우 잘 모의한다. 21개 모델 각각에 대해 살펴본 결과, DJF 계절의 속도 포텐셜의 최대값은 −25.
- 20세기 후반에 뚜렷하게 나타난 ITCZ 상승기류 및 아열대 지역 하강기류의 강화 영향이 강수량 변화에도 대규모적 영향을 끼치지 않을까 예상하였으나 일관된 뚜렷한 변화는 나타나지 않았다. 십 년 평균 강수량은, 비록 그 변화가 매우 작긴 하나, 오히려 ITCZ에서 감소하고 아열대 지역에서 증가하는 경향을 보였다. 이는 강수량의 경우 대규모적 순환의 영향 뿐 아니라, 지형이나 종관 기상상태 등 국지적인 요소에 더 강하게 영향 받기 때문으로 추정된다.
- 한편 변화 경향에 대해서, 모델과 재분석자료는 서로 다른 특징을 나타낸다. 관측적 증거는 해들리 순환이 지구 온난화와 관계되어, 1960년대 이래로 점진적으로 뚜렷하게 증가함을 보인다. 이런 강화 경향은 질량 유선함수에서 확인한 기후값에서 뿐만이 아니라 순환의 강도를 나타내는 속도 포텐셜, 남북바람의 연직쉬어를 통해 확인한 순환의 남북 수송, 그리고 해들리 세포의 상승역 및 하강역에서 나타나는 연직 바람 속도 등 모든 요소에서 뚜렷하고 일관되게 나타난다.
- 분석 기간은 관측에서 해들리 순환의 강화 경향이 매우 분명하게 나타난 11월에서 4월까지 추운 달에 대해서며 MME는 각각의 모델의 변화 경향을 먼저 계산 후 평균을 도출하였다. 모든 기후 모델들에서 모의된 해들리 순환 변화의 크기는 재분석자료에 비해 현저히 작다. 또한 변화 경향의 방향성은, 비록 크기가 매우 작아 방향성을 논의하기에는 고려해야할 점이 많긴 하지만, 일관된 특징 없이 각 모델마다 다름을 알 수 있다.
- 또한 변화 경향의 방향성은, 비록 크기가 매우 작아 방향성을 논의하기에는 고려해야할 점이 많긴 하지만, 일관된 특징 없이 각 모델마다 다름을 알 수 있다. 관측에서처럼 11월에서 4월까지 모든 달에서 강화 경향 (즉, 음의 기울기)이 나타나는 모델은 CSIRO-MK3.0과 GISS-ER이며, 고해상도 MIROC-3.2 모델은 11월을 제외한 달에서, GISS-AOM은 12월을 제외한 달에서, NCARPCM1은 2월을 제외한 달에서 강화 경향을 보인다. 반면 대부분의 달에서 약화 경향을 보이는 모델은 CCCMA-T63과 MRI-CGCM2.
후속연구
- 특히 더 빠르고 뚜렷한 지구 온난화가 전망되는 21세기에, 해들리 순환 강도 변화의 비현실적인 재현은 21세기 미래 기후 예측에서는 더 문제가 될 수 있음을 조심스럽게 제기한다. 그러므로 모델에서 나타나는 변화 경향이 어떠한 기작으로 재생산되며 현실의 기후와 어떤 차이가 있는지에 관해 보다 더 심도 있는 연구가 수행되어야 하며, 개개의 CGCMs에서 생산되는 해들리 순환 변화 경향의 특징을 파악하는 것이 필요하다.
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