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문제 정의
- 본 연구는 성층권 돌연승온과 동아시아 지표기온및 한랭일 발생일수 사이의 연관성을 분석하였다. 돌연승온 발생시 북유라시아 지역에서는 직접적인 기온 하강이 발생하지만 한반도를 포함하는 동아시아에서는 통계적으로 유의한 기온 및 한랭일수의 변화가 나타나지 않았다(Figs.
- 본 연구에서는 Woo et al. (2015b)과 달리 동아시아 지역을 한반도를 중심으로 설정하였으며, 돌연승온 발생 후 계절내 시간규모에서 돌연승온의 영향을 살펴보았다. 구체적으로 돌연승온 발생 후, 60일 동안의 지위고도, 기상기온(surface air temperature, SAT)과 한랭일(cool days, 寒冷日)의 특징을 조사하여 돌연승온이 한반도를 포함한 동아시아 지표 기후에 미치는 영향을 객관적으로 조사하였다.
- 본 연구에서는 돌연승온과 연관된 지표 기온의 변화를 한반도 중심의 동아시아 지역에서 보다 상세히 조사하기 위해 110-145oE, 30-45oN 영역을 동아시아 영역으로 설정하였다. 또한 자료분석의 통계적 유의성을 확인하기 위해 t-검정을 이용하였으며, 모든 자료는 95% 신뢰수준에서 통계적 유의성을 검정하였다.
제안 방법
- 기준에 따라 최종승온은 동풍에서 서풍으로 역전된 바람이 10일이내에 다시 서풍으로 회복되지 않는 경우로 정의하였으며, 이를 돌연승온 발생일에서 제외하였다. PCI 정의의 경우 최종승온을 따로 제거할 수 없기 때문에, PCI 정의에 따른 돌연승온 중 CP07에서 선택된 최종 승온 발생일과 비슷한 시기(15일 이내)에 발생한 사례는 최종승온으로 간주하였다.
- 또한 자료분석의 통계적 유의성을 확인하기 위해 t-검정을 이용하였으며, 모든 자료는 95% 신뢰수준에서 통계적 유의성을 검정하였다. T-검정을 시행하기 위하여, 기후 값이 평균이라는 가정하에 표본집단인 아노말리 평균이 모집단의 평균인 0으로부터 어느 정도 떨어져있느냐를 기각 조건으로 설정하였다. 그리고 기각 조건에 해당하는 t 값은 양측검정에서 95%에 해당하는 값으로 정하였다.
- (2015b)과 달리 동아시아 지역을 한반도를 중심으로 설정하였으며, 돌연승온 발생 후 계절내 시간규모에서 돌연승온의 영향을 살펴보았다. 구체적으로 돌연승온 발생 후, 60일 동안의 지위고도, 기상기온(surface air temperature, SAT)과 한랭일(cool days, 寒冷日)의 특징을 조사하여 돌연승온이 한반도를 포함한 동아시아 지표 기후에 미치는 영향을 객관적으로 조사하였다. 먼저, 2장에서 돌연승온의 정의와 본 연구에 사용된 자료와 분석 방법을 소개하였다.
- 보다 구체적 설명하면, 50 hPa에서의 PCI 값을 큰 값부터 작은값 순서대로 나열한 뒤, 전체 개수의 90%에 해당하는 값을 돌연승온 정의를 위한 기준 값으로 설정하였다. 그리고 시간에 따라 변화하는 50 hPa PCI 값이 이기준 값을 넘을 때를 돌연승온 발생날로 정의하였으며, 발생일이 30일 이내로 겹칠 경우 같은 돌연승온 으로 간주하여 먼저 발생한 돌연승온을 돌연승온 발생일로 간주하였다. 동서바람을 이용하여 돌연승온을 정의할 경우, Charlton and Polvani (2007, CP07)에서 제시한 방법에 따라 60oN와 10 hPa에서 동서평균 바람이 서풍에서 동풍으로 변한 첫 번째 날을 돌연승온 시작일로 정의하였다(Urev SSW).
- 44 K)을 기준으로 설정하였다. 돌연승온 발생 이후 60일 동안 평균된 기온 아노말리 값이 음의 표준편차 혹은 음의 표준편차의 1/2보다 낮을 경우, 동아시아에 기온 하강이 발생한 돌연승온 사례(cold East Asia, CA)로 분류하고, 양의 표준편차 및 양의 표준편차의 1/2보다 높을 경우는 기온 상승이 발생한 돌연승온 사례(warm East Asia, WA)로 분류하였다. 또한 동아시아 기온 변화가 크지 않은, 즉 음의 기준과 양의 기준 사이의 기온 아노말리를 가질 때를 중립 사례(neutral East Asia, NA)로 분류하였다.
- 돌연승온 발생 후 시간의 흐름에 따라 동아시아 지역의 기온 변화의 가능성이 존재하므로, 더 작은 시간 규모(10일 평균)에서의 돌연승온에 대한 동아시아 지역 기온 아노말리의 변화를 조사하였다. Figures 5a, c는 90p 기준의 돌연승온 발생 30일 전부터 60일 후까지를 10일 간격으로 평균한 지상기온과 한랭일의 아노말리를 보여준다.
- 두 가지 정의 방법에 따라 1958~2012년 겨울철 동안(11~3월, NDJFM) 각각 40개(90p)와 33개(Urev)의 돌연승온이 탐지되었다. 또한 돌연승온 강도에 따른 지표 반응의 민감도를 조사 하기 위해 PCI에 의한 돌연승온 정의 기준을 95% 백분위 값(95p)과 99% 백분위 값(99p)으로 변화시켜 가며 돌연승온을 정의하였고, 각각의 결과를 비교하였다. 정의된 돌연승온의 발생일은 Table 1에 제시하였다.
- 이를 고려하여, 본 연구에서는 합성장 분석을 통해 돌연승온 발생 이후 60일 동안의 지상기온 아노말리와 한랭일 발생빈도를 조사하였다. 또한 돌연승온과 연관된 기온 변화의 원인을 조사하기 위해 돌연승온 발생 후 성층권(50 hPa)과 대류권 중층(500 hPa), 그리고 하층(850hPa)에서의 지위고도장을 분석하였다. 여기서 지상기온과 지위고도 아노말리는 격자점별로 각각의 원시 자료에서 일 기후값 및 지구온난화의 선형 추세를 제거하여 계산하였다.
- 돌연승온 발생 이후 60일 동안 평균된 기온 아노말리 값이 음의 표준편차 혹은 음의 표준편차의 1/2보다 낮을 경우, 동아시아에 기온 하강이 발생한 돌연승온 사례(cold East Asia, CA)로 분류하고, 양의 표준편차 및 양의 표준편차의 1/2보다 높을 경우는 기온 상승이 발생한 돌연승온 사례(warm East Asia, WA)로 분류하였다. 또한 동아시아 기온 변화가 크지 않은, 즉 음의 기준과 양의 기준 사이의 기온 아노말리를 가질 때를 중립 사례(neutral East Asia, NA)로 분류하였다. Table 2는 위의 기준에 따라 구별했을 때의 돌연승온 발생 횟수를 90p, 95p, 99p와 대해 보여준다.
- , 2015). 본 연구에서는 대표적으로 많이 사용되는 동서바람과 PCI 값을 이용하여 돌연승온을 정의하였다. 이를 통해 돌연승온 정의에 따른 결과의 불확실성을 고려했다.
- 이를 구체적으로 살펴보기 위해 돌연승온 발생 이후의 동아시아 지역 기온에 따라 돌연승온 사례들을 분류하여 대기 순환장에 어떤 특징이 나타나는지를 조사하였다. 사례 선정을 위해 먼저 NDJFM 기간 동안 동아시아 지역에서 60일 이동평균된 지상 기온 아노말리 표준편차(std~0.88 K)와 표준편차의 1/2 (1/2std~0.44 K)을 기준으로 설정하였다. 돌연승온 발생 이후 60일 동안 평균된 기온 아노말리 값이 음의 표준편차 혹은 음의 표준편차의 1/2보다 낮을 경우, 동아시아에 기온 하강이 발생한 돌연승온 사례(cold East Asia, CA)로 분류하고, 양의 표준편차 및 양의 표준편차의 1/2보다 높을 경우는 기온 상승이 발생한 돌연승온 사례(warm East Asia, WA)로 분류하였다.
- 성층권-대류권 접합 현상의 공간 분포를 살펴보기 위해 돌연승온 발생 이후 60일 동안 평균된 성층권과 대류권 중상층의 지위고도 아노말리를 조사하였다(Fig. 3). 두 돌연승온 정의에서 모두 극지역에서의 양의 지위고도장 아노말리와 중위도 지역에서의 음의 아노말리가 성층권부터 대류권까지 뚜렷하게 발생하여 전형적인 음의 극진동 형태를 보여준다.
- 또한 돌연승온과 연관된 기온 변화의 원인을 조사하기 위해 돌연승온 발생 후 성층권(50 hPa)과 대류권 중층(500 hPa), 그리고 하층(850hPa)에서의 지위고도장을 분석하였다. 여기서 지상기온과 지위고도 아노말리는 격자점별로 각각의 원시 자료에서 일 기후값 및 지구온난화의 선형 추세를 제거하여 계산하였다. 한랭일은 지구온난화 선형추세가제거된 지상기온 값에서 분석 기간 중 하위 10% 백분위 값보다 작은 값을 가지는 날을 구한 뒤, 해당 값의 일 기후 값을 제거하였다(Kolstad et al.
- 위 결과는 돌연승온 발생 이후 동아시아 지상기온과 한랭일의 변화가 통계적으로 유의하지 않음을 의미한다. 이 결과가 돌연승온 강도에 얼마나 민감한지 파악하기 위해 강한 돌연승온 사례에 대해서 별도의 합성장 분석을 수행하였다(Fig. 6). 여기서 돌연승온의 강도는 95p와 99p 돌연승온 정의를 사용해 변화시켰다(총 23개와 8개의 돌연승온이 선택되었다).
- , 2002). 이를 고려하여, 본 연구에서는 합성장 분석을 통해 돌연승온 발생 이후 60일 동안의 지상기온 아노말리와 한랭일 발생빈도를 조사하였다. 또한 돌연승온과 연관된 기온 변화의 원인을 조사하기 위해 돌연승온 발생 후 성층권(50 hPa)과 대류권 중층(500 hPa), 그리고 하층(850hPa)에서의 지위고도장을 분석하였다.
- 이는 돌연승온이 강하게 발생할수록 동아시아 지표기후에 영향을 미칠 가능성이 증가하지만 예외가 존재함을알 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보기 위해 돌연승온 발생 이후의 동아시아 지역 기온에 따라 돌연승온 사례들을 분류하여 대기 순환장에 어떤 특징이 나타나는지를 조사하였다. 사례 선정을 위해 먼저 NDJFM 기간 동안 동아시아 지역에서 60일 이동평균된 지상 기온 아노말리 표준편차(std~0.
대상 데이터
- JRA-55 자료는 1958년 1월 1일부터 2012년 12월 31일까지 55년 기간을 가지고 있으며, 1.25° × 1.25°수평 해상도와 37개의 연직층으로 구성되어 있다.
- 일관성 있는 자료 확보를 위해, 1957~1958년 겨울과 2012~2013년 겨울 돌연승온은 제외하였다. 따라서 본 연구에서는 38개의 PCI 정의에 따른 돌연승온 사례와 32개의 Urev 정의에 따른 돌연승온 사례를 사용하였다.
- 본 연구는 일본기상청에서 제공하는 Japanese 55-year Reanalysis (JRA-55) 일평균 자료를 사용하였다 (Kobayashi et al., 2015). JRA-55 자료는 1958년 1월 1일부터 2012년 12월 31일까지 55년 기간을 가지고 있으며, 1.
- 또한 JRA-55 재분석 자료는 신뢰할 수 있는 장기간 자료를 제공하므로 다수의 돌연승온 사례를 확보할 수 있어 통계적 유의성 측면에서도 돌연승온 분석에 적절한 자료라고 판단된다. 분석 변수로는 지표 2 m의 지상기온(SAT)과 지위고도를 사용하였다.
- 6). 여기서 돌연승온의 강도는 95p와 99p 돌연승온 정의를 사용해 변화시켰다(총 23개와 8개의 돌연승온이 선택되었다). 그림으로 보여주지 않았지만, 95p와 99p 기준으로 정의된 돌연승온이 발생한 뒤에 평균적으로 60일 동안 음의 NAM 패턴이 강화되는 것을 확인할 수 있었다.
데이터처리
- Closed circles show statistical significance at the 95% confidence level according to a Student’s t-test.
- Hatched lines show statistical significance at the 95% confidence level according to a Student’s t-test.
- Shaded areas indicates statistical significance at the 95% confidence level according to a Student’s t-test.
- N 영역을 동아시아 영역으로 설정하였다. 또한 자료분석의 통계적 유의성을 확인하기 위해 t-검정을 이용하였으며, 모든 자료는 95% 신뢰수준에서 통계적 유의성을 검정하였다. T-검정을 시행하기 위하여, 기후 값이 평균이라는 가정하에 표본집단인 아노말리 평균이 모집단의 평균인 0으로부터 어느 정도 떨어져있느냐를 기각 조건으로 설정하였다.
이론/모형
- 돌연승온을 동서평균 동서바람의 역전으로 정의할 때, 봄철 태양 복사에 의한 동서평균 동서바람이 서풍에서 동풍으로 변하는 계절진동 현상(최종승온, final warming)을 돌연 승온으로 정의할 수 있게 된다. 최종승온의 경우, 돌연승온과 역학적인 발생과정이 다르므로 이 둘을 구분해야 하는데, 최종승온을 제거하기 위해 본 연구에 서는 CP07에서 사용한 기준을 따랐다. 기준에 따라 최종승온은 동풍에서 서풍으로 역전된 바람이 10일이내에 다시 서풍으로 회복되지 않는 경우로 정의하였으며, 이를 돌연승온 발생일에서 제외하였다.
성능/효과
- 여기서 돌연승온의 강도는 95p와 99p 돌연승온 정의를 사용해 변화시켰다(총 23개와 8개의 돌연승온이 선택되었다). 그림으로 보여주지 않았지만, 95p와 99p 기준으로 정의된 돌연승온이 발생한 뒤에 평균적으로 60일 동안 음의 NAM 패턴이 강화되는 것을 확인할 수 있었다. 이 패턴은 성층권뿐만 아니라 대류권에서도 강해짐을 알수 있었다.
- , 2010; Cohen and Jones, 2011). 돌연승온을 Urev로 정의했을 경우에도 발생 후 60일 동안 통계적으로 유의한 지상기온과 한랭일 아노말리는 나타나지 않아 90p 사례와 일관성을 보였다(Figs. 5b, d)
- 6에서 돌연승온 강도가 증가함에 따라 동아시아 기온하강이 더 강해진다는 결과와 맥락을 같이한다. 또한 표준편차 기준에 따른 분류와 상관없이 돌연승온의 강도가 강해짐에 따라 CA 사례의 비율이 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 구체적으로 90p와 95p에서는 CA와 WA 사례의 비율이 비슷한데 반해 99p의 경우 CA와 WA 사례 발생횟수의 차이가 급격히 증가하였다. 이를 통해 강한 돌연승온 발생시 동아시아 기온하강이 더 빈번히 일어남을 확인할 수 있다.
- 위 결과는 돌연승온 발생 이후 동아시아 지상기온과 한랭일의 변화가 통계적으로 유의하지 않음을 의미한다. 이 결과가 돌연승온 강도에 얼마나 민감한지 파악하기 위해 강한 돌연승온 사례에 대해서 별도의 합성장 분석을 수행하였다(Fig.
- Figure 7은 돌연승온이 강해짐에 따라 1/2std 기준의 CA와 WA 사례에서의 PCI 연직구조를 시간에 따라 보여준다. 전체적으로 CA 사례에서는 돌연승온의 강도에 크게 관계없이 성층권-대류권 접합이 뚜렷하게 나타나는 반면 WA 사례에서는 성층권에서만 강한 양의 PCI가 보이며 대류 권과의 접합은 거의 나타나지 않았다. 이는 동아시아 지상기온의 변화가 성층권-대류권 접합이 활발할수록 뚜렷하게 발생함을 보여준다.
후속연구
- , 2013), 돌연승온과 연관된 동아시아 지역의 기온 변화도 ENSO와 PDO에 의한 영향을 받을 가능성이 있다. 하지만 이러한 결론을 내리 기에는 아직까지 더욱 상세하고 역학적인 조사가 필요할 것으로 판단된다.
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