[논문]우리나라 겨울철 기온과 북반구 대기 순환과의 상관성 분석

임소민; 예상욱; 김공래

doi:10.14191/atmos.2012.22.2.187

우리나라 겨울철 기온과 북반구 대기 순환과의 상관성 분석
Analysis on the Relationship between the Korean Temperature and the Atmospheric Circulation over the Northern Hemisphere during Winter 원문보기

대기 = Atmosphere, v.22 no.2, 2012년, pp.187 - 197

임소민 (한양대학교 과학기술학부 해양환경과학과) , 예상욱 (한양대학교 과학기술학부 해양환경과학과) , 김공래 ((주)코센)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the relationship between the Korean temperature and the atmospheric circulation such as Arctic Oscillation, Siberian High and Aleutian Low during the winter (December-January) for the period of 1970-2011. It is found that all indices to represent aforementioned circulations are significantly correlated with Korean winter temperature for the period of 1970 - 2011. There are marked contrasts in such relationship, however, before and after the mid-1980s when a significant regime shift of Korean winter temperature occurred. While Korean winter temperature has a close relationship with Arctic Oscillation after the mid-1980s, its relationship with Siberian High and Aleutian Low is weakened. The composite analysis between a positive and negative phase of Arctic Oscillation before and after the mid-1980s is conducted to examine a recent strengthening of Arctic Oscillation-Korean winter temperature relationship. It is found that the structural changes of low-level wind and the geopotential height at 500 hPa between the two phases of Arctic Oscillation are more effective to influence Korean winter temperature after the mid-1980s. This may induce a close relationship between the Korean winter temperature variability and Arctic Oscillation after the mid-1980s compared to before the mid-1980s.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 우리나라 21개 기상대에서 지난 1970-2011년 동안 관측된 겨울철 월평균 기온 자료를 사용하여 겨울철 기온 변동성과 북반구 대기 순환을 나타내는 여러 지수들과의 상관성의 변화를 확인하고자 하였다. 구체적으로 우리나라 겨울철 기온이 뚜렷한 기후 체계 변화를 겪은 시기를 중심으로 앞서 언급한 지수들과의 상관성이 어떤 변화를 보였는지 살펴보았으며 십 년 이상의 장주기 시간 규모에서 이런 변화들이 어떤 경향성을 보이고 있는지를 조사하였다. 이를 통해 기후 체계 변화 이후 우리나라 겨울철 기온 변동성을 어떤 지수가 잘 설명하고 있는지 제시하였다.
따라서 본 연구에서는 우리나라 21개 기상대에서 지난 1970-2011년 동안 관측된 겨울철 월평균 기온 자료를 사용하여 겨울철 기온 변동성과 북반구 대기 순환을 나타내는 여러 지수들과의 상관성의 변화를 확인하고자 하였다. 구체적으로 우리나라 겨울철 기온이 뚜렷한 기후 체계 변화를 겪은 시기를 중심으로 앞서 언급한 지수들과의 상관성이 어떤 변화를 보였는지 살펴보았으며 십 년 이상의 장주기 시간 규모에서 이런 변화들이 어떤 경향성을 보이고 있는지를 조사하였다.
본 논문에서는 북극진동과 우리나라 겨울철 기온과의 상관성의 변화 원인을 근본적으로 전기와 후기 기간 동안 북극진동의 위상 차이에 따른 공간구조의 변화에 기인한 것으로 제시하였다. 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압 구조의 대칭성이 전기에 비해 후기 기간 동안 크게 증가하였음을 알 수 있었는데 이와 같은 대칭성의 증가는 북극진동의 위상 차이에 따른 동아시아 지역의 겨울철 평균 해면 기압의 구조의 차이를 가져왔다.
본 연구에서는 1970년부터 2011년까지 42년간의 우리나라 겨울철 평균 기온 변동과 관련된 북반구 대기 순환을 나타내는 지수들인 북극진동 지수, 시베리아 고기압 지수, 알류산 지수와의 상관성 변화를 확인 하였다.
이 논문에서는 1980년대 중반 이후 북극진동이 우리나라 겨울철 기온과 밀접한 상관성을 가지는 이유를 조사하였다. 이를 위해 1980년대 중반 이전과 이후 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압의 합성도를 제시하였다 (Fig.
구체적으로 우리나라 겨울철 기온이 뚜렷한 기후 체계 변화를 겪은 시기를 중심으로 앞서 언급한 지수들과의 상관성이 어떤 변화를 보였는지 살펴보았으며 십 년 이상의 장주기 시간 규모에서 이런 변화들이 어떤 경향성을 보이고 있는지를 조사하였다. 이를 통해 기후 체계 변화 이후 우리나라 겨울철 기온 변동성을 어떤 지수가 잘 설명하고 있는지 제시하였다.
우리나라는 지난 이십 년 동안 그 이전 시기에 비해 상대적으로 따뜻한 겨울철 기온의 특징을 보이고 있는 것으로 나타났는데 (Chung and Yoon, 2000) 이와 같은 사실은 우리나라의 겨울철 기온에 영향을 주는 동아시아 겨울철 몬순 (전 등, 2002; 안과 김, 2005), 그리고 더 나아가 동아시아 겨울철 몬순 변동에 영향을 주는 북반구 대기 순환의 변동을 암시하는 것이다. 현재까지는 우리나라의 겨울철 기온 변동과 북반구 대기 순환의 상관성이 최근 어떤 변화를 보이고 있는지에 대한 연구가 많지 않기 때문에 본 연구에서는 지난 40여 년 동안 우리나라 겨울철 기온 변동과 주요 북반구 대기 순환 변동과의 상관성을 조사하였다.

제안 방법

1970년부터 2011년까지 우리나라의 21개 지점 지상관측자료를 이용하여 우리나라 겨울철 (12월, 1월)의 평균 기온과 북반구 대기 순환 지수들과의 관계를 살펴보았다. Fig.
우리나라 겨울철 기온과 북반구 대기 순환 지수들과의 상관성 변화를 십년 주기 이상의 장주기 관점에서 좀 더 구체적으로 파악하기 위하여 각 지수들과의 15년 이동 평균 상관계수를 계산하였다 (Fig. 5). 예를 들어 1977년의 값은 1970년부터 1984년까지의 지수들과 우리나라 겨울철 기온과의 상관계수를 의미한다.
우리나라 겨울철 평균 기온은 1986년 전후로 약 1.15°C 가 상승하는 기후 체계 변화가 있었고 이 시기를 기준으로 전기 (1986년 이전)와 후기 (1986년 이후) 기간 동안 북반구 대기 순환 지수들과의 상관성의 변화를 살펴보았다.
이 논문에서는 1980년대 중반 이후 북극진동이 우리나라 겨울철 기온과 밀접한 상관성을 가지는 이유를 조사하였다. 이를 위해 1980년대 중반 이전과 이후 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압의 합성도를 제시하였다 (Fig. 6). Fig.

대상 데이터

1. Locations of 21 weather stations used in this study. (Sokcho, Chuncheon, Gangneong, Seoul, Incheon, Suwon, Seosan, Cheongju, Dajeon, Chupungnyeong, Pohang, Gunsan, Daegu, Jeonju, Ulsan, Gwangju, Busan, Tongyeong, Mokpo, Yeosu, Jinju).
45°N를 기준으로 중위도 기압이 북극보다 높으면 양의 위상으로 중위도 기압이 북극보다 낮으면 음의 위상으로 나타낸다. 북극진동을 나타내는 북극진동 지수는 National weather service/climate prediction center (http://www.cpc.noaa.gov/products/precip/CWlink/ daily_ao_index/ao.shtml) 에서 얻어진 자료를 사용하였다. 시베리아 고기압 지수는 Wu and Wang (2002) 에서 정의한 시베리아 고기압의 중심부를 포함하는 40°-60°N, 80°-120°E 지역의 해면 기압값을 평균하여 사용하였다.
북반구 대기 순환의 변동을 분석하기 위해서 NCEP/ NCAR (National Centers for Environment Prediction/ National Center for Atmospheric Research) 재분석 자료의 해면 기압, 동서바람장, 남북바람장, 500 hPa 지 위고도를 이용하였으며 이 자료들은 모두 위, 경도 2.5°의 해상도를 가지고 있다.

데이터처리

알류산 저기압의 변동을 나타내는 지수는 Trenberth and Hurrell (1994)에서 정의한 북태평양지수를 사용하였으며 30°-65°N, 160° E-140°W 지역에서 영역 가중 평균된 해면 기압의 평균값으로 정의한다. 우리나라 겨울철 평균 기온과 북반구 대기 순환 지수들과의 상관 계수분석 (Correlation coefficient analysis), 회귀분석, 이동 상관분석을 통해 각 변수들 사이의 상호 관련성의 특성 변화를 분석하였다.

이론/모형

시베리아 고기압 지수는 Wu and Wang (2002) 에서 정의한 시베리아 고기압의 중심부를 포함하는 40°-60°N, 80°-120°E 지역의 해면 기압값을 평균하여 사용하였다.
알류산 저기압의 변동을 나타내는 지수는 Trenberth and Hurrell (1994)에서 정의한 북태평양지수를 사용하였으며 30°-65°N, 160° E-140°W 지역에서 영역 가중 평균된 해면 기압의 평균값으로 정의한다.

성능/효과

Fig. 4(a)는 전기 기간의 우리나라 겨울철 기온과 해면기압 사이의 회귀분석 결과로 우리나라 겨울철 기온이 상승함에 따라 시베리아 고기압 지역에서는 음의 회귀값이 알류산 저기압 지역에서는 양의 회귀값이 나타남을 볼 수 있어 이 시기에 우리나라 겨울철 기온과 시베리아 고기압 및 알류산 저기압의 변동성이 밀접한 상관성을 가지고 있음을 알 수 있다. 하지만 북극지역에서의 해면기압 구조는 전형적인 북극진동의 그것과는 차이가 있음을 알 수 있다.
또한 Fig. 4(b) 의 결과는 후기 기간에 우리나라 겨울철 기온 변동성과 시베리아 고기압의 변동성과의 상관성이 전기 기간에 비해 감소하였음을 보여주며 알류산 저기압의 경우는 변동성보다 중심 위치의 변화와 상관성이 있음을 알 수 있다.
5(a)) 그와 반대로 시베리아 고기압의 변동성은 1980년대 중반 이전에는 우리나라 겨울철 기온과 높은 상관성을 가지고 있으나 최근 들어 그 상관성이 낮아 (Fig. 5(b)) 시베리아 고기압의 변동성이 기후 체계 변화 이후인 후기 전체에서는 우리나라의 겨울철 기온과 유의한 상관성을 지녔을지라도 (Table. 2) 그 상관성이 지속적으로 약해지고 있음을 알 수 있다. 즉 우리나라 겨울철 기온에 영향을 미치는 북반구 대기 순환이 과거에는 시베리아 고기압이었다면 1980년대 중반부터는 북극진동으로 바뀌었음을 보여주는 것이다.
1970년부터 2010년까지의 전체 분석 기간 동안 우리나라 겨울철 기온 변동성과 북극진동 지수, 시베리아 고기압 지수 및 알류산 저기압 지수의 상관성은 각각 0.43, −0.52, 0.38로 모두 95% 신뢰수준에서 유의하였다.
그러나 우리나라 겨울철 기온의 뚜렷한 온난화 경향이 관측된 이전 기간과 이후 기간에 우리나라 겨울철 기온과 각 지수들과의 상관성은 상이한 결과를 보였다. 1986년을 기준으로 이전 기간인 1970년부터 1985년까지를 전기로 정하고 이후 기간인 1986년부터 2010년까지를 후기로 정하여 기간별 우리나라 겨울철 기온과 대기 순환 지수들과의 상관성을 분석한 결과 북극진동 지수와의 상관성은 전기에는 유의하지 않았으나 (상관계수: 0.19) 후기에 들어서는 0.72의 매우 유의한 상관성을 갖고 있었다. 그에 반해 시베리아 고기압 지수는 전기에 −0.
Table. 2의 결과와 유사하게 1980년대 중반 이후 북극진동 지수와 우리나라 겨울철 기온의 상관성은 더욱 높아지는 것을 볼 수 있으며 (Fig. 5(a)) 그와 반대로 시베리아 고기압의 변동성은 1980년대 중반 이전에는 우리나라 겨울철 기온과 높은 상관성을 가지고 있으나 최근 들어 그 상관성이 낮아 (Fig.
15°C 가 상승하는 기후 체계 변화가 있었고 이 시기를 기준으로 전기 (1986년 이전)와 후기 (1986년 이후) 기간 동안 북반구 대기 순환 지수들과의 상관성의 변화를 살펴보았다. 그 결과 전기와 후기 기간 동안 북반구 대기 순환 지수들과 우리나라 겨울철 평균 기온과의 상관성이 크게 변한 것으로 나타났다. 북극진동은 전기보다 후기 기간에 우리나라 겨울철 기온과의 상관성이 크게 증가하였으나 시베리아 고기압과 알류산 저기압은 그 상관성이 크게 감소하였다.
(2011)의 결과에 비추어 볼 때 최근 시베리아 고기압 변동성과 북극진동과 선형적/비선형적 관련성을 가진 시베리아 고기압 변동성이 서로 다른 상관성을 보이고 있음을 암시하는 것이다. 나아가 북극진동이 시베리아 고기압의 변조를 통해 동아시아 겨울철 몬순 변동성에 유의한 영향을 주고 있다는 기존의 연구 결과와는 다른 물리적 영향을 동아시아 겨울철 몬순 변동성에 주고 있다는 사실을 추측할 수 있다. 본 논문에서는 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압 구조의 대칭성이 전기에 비해 후기 기간에 증가하였음을 제시하였으나 대체로 우리나라 주변 지역에서는 통계적으로 크게 유의하지 않은 모습을 나타내었다.
15°C가 상승하였다. 두 기간 사이 (1970-1985 그리고 1986-2010)의 평균 기온의 차는 T-검정법을 통해 신뢰도 99%의 범위에서 유의한 차이임을 확인하였다. 1980년대 중반을 경계로 겨울철 기온의 기후 체계 변화는 우리나라 지역뿐만 아니라 동아시아 지역에서도 비슷한 시기에 관측되었다.
46으로 상관성이 감소한 결과를 나타냈다. 또한 알류산 저기압 지수와 우리나라 겨울철 기온의 상관성도 전기에 비해서 후기에 상관성이 감소하였다.
즉 전기 기간과 비교하여 후기 기간 동안 온난한 동풍 계열 바람 변동이 북극진동의 위상 차이에 따라 효과적으로 우리나라 겨울철 기온 변동에 영향을 주었을 것으로 추측할 수 있었다. 또한 우리나라 겨울철 기온 변동과 높은 상관성을 가지고 있다고 알려져 있는 동아시아 지역의 500 hPa 지위고도 평균값도 역시 후기 기간 동안 위상 차이에 따라 전기에 비해 큰 변동폭을 가지고 있음을 확인 할 수 있었다. 위상 차이에 따른 상층 지위고도 편차의 큰 변동은 북극진동이 후기 기간 동안 우리나라 겨울철 기온에 민감하게 작용하였음을 보여 주는 것이다.
나아가 북극진동이 시베리아 고기압의 변조를 통해 동아시아 겨울철 몬순 변동성에 유의한 영향을 주고 있다는 기존의 연구 결과와는 다른 물리적 영향을 동아시아 겨울철 몬순 변동성에 주고 있다는 사실을 추측할 수 있다. 본 논문에서는 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압 구조의 대칭성이 전기에 비해 후기 기간에 증가하였음을 제시하였으나 대체로 우리나라 주변 지역에서는 통계적으로 크게 유의하지 않은 모습을 나타내었다. 따라서 향후에는 우리나라 주변 지역에서 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압 구조의 변화가 어떻게 우리나라의 겨울철 기온 변동에 영향을 주는지에 대한 역학적 원인 분석이 필요할 것이며 또한 북극진동, 시베리아 고기압 및 알류산 저기압이 어떠한 물리적인 원인에 의해 변화하고 있는지에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
본 논문에서는 북극진동과 우리나라 겨울철 기온과의 상관성의 변화 원인을 근본적으로 전기와 후기 기간 동안 북극진동의 위상 차이에 따른 공간구조의 변화에 기인한 것으로 제시하였다. 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압 구조의 대칭성이 전기에 비해 후기 기간 동안 크게 증가하였음을 알 수 있었는데 이와 같은 대칭성의 증가는 북극진동의 위상 차이에 따른 동아시아 지역의 겨울철 평균 해면 기압의 구조의 차이를 가져왔다. 예를 들면 비록 통계적으로 유의하지는 않지만 전기 기간 동안은 위상의 차이에 관계없이 동아시아 지역에서 해면 기압은 음의 편차를 가지고 있는 반면에 후기 기간 동안은 대칭성이 증가하여 양의 위상일 경우에는 양의 편차값을 음의 위상일 경우에는 음의 편차값을 가지고 있었다.
즉 우리나라 겨울철 기온에 영향을 미치는 북반구 대기 순환이 과거에는 시베리아 고기압이었다면 1980년대 중반부터는 북극진동으로 바뀌었음을 보여주는 것이다. 알류산 저기압과 우리나라 겨울철 기온과의 상관성은 장주기 시간 규모에서 특징적인 변화를 발견하기 어렵지만 시베리아 고기압과 유사하게 전기에서 후기로 갈수록 그 상관성이 약해졌음을 확인할 수 있다 (Fig. 5(c)).
이와 같은 경향은 우리나라 겨울철 기온과 관련된 해면 기압 구조의 회귀분석 결과와 각 지수들과의 15년 이동 평균 상관계수 분석에서도 동일하게 나타났다. 이를 통해 우리나라 겨울철 기온 변동에 주요하게 작용하는 북반구 대기 순환이 시베리아 고기압과 알류산 저기압에서 1980년대 중반 이후 북극진동으로 바뀌었음을 알 수 있었다. 본 연구에서 사용한 북극진동, 시베리아 고기압, 알류산 저기압은 수십 년 주기의 변동성을 가지고 있다고 알려져 있다 (Trenberth and Hurrell, 1994; Kerr, 1999; Overland et al.
예를 들면 비록 통계적으로 유의하지는 않지만 전기 기간 동안은 위상의 차이에 관계없이 동아시아 지역에서 해면 기압은 음의 편차를 가지고 있는 반면에 후기 기간 동안은 대칭성이 증가하여 양의 위상일 경우에는 양의 편차값을 음의 위상일 경우에는 음의 편차값을 가지고 있었다. 이를 통해 후기 기간 동안 북극진동의 위상 차이가 우리나라 겨울철 기온의 차이를 가져옴으로써 그 상관성이 증가하게 되었음을 알 수 있었다.
후기 기간 동안에는 전기에 비해 북극진동의 위상 차이에 따라 북서태평양 지역 표층 온도가 뚜렷한 차이를 보였으며 이때 북서태평양 지역에서 우리나라로 향하는 동풍 계열 바람의 세기 변화가 전기에 비해 우세함을 확인하였다. 즉 전기 기간과 비교하여 후기 기간 동안 온난한 동풍 계열 바람 변동이 북극진동의 위상 차이에 따라 효과적으로 우리나라 겨울철 기온 변동에 영향을 주었을 것으로 추측할 수 있었다. 또한 우리나라 겨울철 기온 변동과 높은 상관성을 가지고 있다고 알려져 있는 동아시아 지역의 500 hPa 지위고도 평균값도 역시 후기 기간 동안 위상 차이에 따라 전기에 비해 큰 변동폭을 가지고 있음을 확인 할 수 있었다.
북극진동의 위상 차이에 따른 공간구조의 변화는 전기와 후기 기간 동안의 하층 바람장의 차이에도 변화를 가져 왔다. 후기 기간 동안에는 전기에 비해 북극진동의 위상 차이에 따라 북서태평양 지역 표층 온도가 뚜렷한 차이를 보였으며 이때 북서태평양 지역에서 우리나라로 향하는 동풍 계열 바람의 세기 변화가 전기에 비해 우세함을 확인하였다. 즉 전기 기간과 비교하여 후기 기간 동안 온난한 동풍 계열 바람 변동이 북극진동의 위상 차이에 따라 효과적으로 우리나라 겨울철 기온 변동에 영향을 주었을 것으로 추측할 수 있었다.

후속연구

본 논문에서는 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압 구조의 대칭성이 전기에 비해 후기 기간에 증가하였음을 제시하였으나 대체로 우리나라 주변 지역에서는 통계적으로 크게 유의하지 않은 모습을 나타내었다. 따라서 향후에는 우리나라 주변 지역에서 북극진동의 위상 차이에 따른 해면 기압 구조의 변화가 어떻게 우리나라의 겨울철 기온 변동에 영향을 주는지에 대한 역학적 원인 분석이 필요할 것이며 또한 북극진동, 시베리아 고기압 및 알류산 저기압이 어떠한 물리적인 원인에 의해 변화하고 있는지에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것으로 사료된다.
1). 본 연구에서는 우리나라 겨울철 기온 변동과 상관성을 지니는 북반구의 대기 구조가 서로 유사한 12월과 1월을 겨울철로 정의함으로써 우리나라 겨울철 기온 변동에 따른 북반구 대기 순환의 변동을 좀 더 뚜렷하게 파악할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	북극진동이란 무엇인가?	5°의 해상도를 가지고 있다. 북극진동은 20°N 이북의 해면 기압의 편차를 경험적 직교함수 (EOF; Empirical Orthogonal Function) 분석에서 첫 번째 모드로 추출되는 기압 변동 패턴이다 (Thompson and Wallace, 1998, 2000). 45°N를 기준으로 중위도 기압이 북극보다 높으면 양의 위상으로 중위도 기압이 북극보다 낮으면 음의 위상으로 나타낸다.
	동아시아 겨울철 몬순 변동성은 북반구 대기 순환 중 특히 어떤 것들과 밀접한 상관성을 가지는가?	동아시아 겨울철 몬순 변동성은 북반구 대기 순환 중 특히 북극진동 (Arctic Oscillation), 시베리아 고기압 및 알류산 저기압 변동성과 밀접한 상관성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다 (Gong et al., 2001; Wang and Chen, 2010).
	북극진동은 45°N를 기준으로 어떤 특징이 있는가?	북극진동은 20°N 이북의 해면 기압의 편차를 경험적 직교함수 (EOF; Empirical Orthogonal Function) 분석에서 첫 번째 모드로 추출되는 기압 변동 패턴이다 (Thompson and Wallace, 1998, 2000). 45°N를 기준으로 중위도 기압이 북극보다 높으면 양의 위상으로 중위도 기압이 북극보다 낮으면 음의 위상으로 나타낸다. 북극진동을 나타내는 북극진동 지수는 National weather service/climate prediction center (http://www.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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