The Korean Meteorological Society 1

Current Issue

Atmosphere - Vol. 31, No. 1

[ Article ]
Atmosphere - Vol. 31, No. 1, pp.61-71
Abbreviation: Atmos
ISSN: 1598-3560 (Print) 2288-3266 (Online)
Print publication date 31 Mar 2021
Received 20 Nov 2020 Revised 20 Jan 2021 Accepted 23 Jan 2021
DOI: https://doi.org/10.14191/Atmos.2021.31.1.061

북극진동과 한반도 지표기온 관계의 장기변동성
전예준 ; 송강현 ; 손석우*
서울대학교 지구환경과학부

Decadal Changes in the Relationship between Arctic Oscillation and Surface Air Temperature over Korea
Ye-Jun Jun ; Kanghyun Song ; Seok-Woo Son*
School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul, Korea
Correspondence to : * Seok-Woo Son, School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 08826, Korea. Phone: +82-2-880-8152, Fax: +82-2-880-4972 E-mail: seokwooson@snu.ac.kr

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Abstract

The relationship between the Arctic Oscillation (AO) and surface air temperature (SAT) over Korea is re-examined using the long-term observation and reanalysis datasets for the period of December 1958 to February 2020. Over the entire period, Korean SAT is positively correlated with the AO index with a statistically significant correlation coefficient, greater than 0.4, only in the boreal winter. It is found that this correlation is not static but changes on the decadal time scale. While the 15-year moving correlations are as high as 0.6 in 1980s and 1990s, they are smaller than 0.3 in the other decades. It is revealed that this decadal variation is partly due to the AO structure change over the North Pacific. In the period of 1980s-1990s, the AO-related sea level pressure fluctuation is strong and well defined over the western North Pacific and the related temperature advection effectively changes the winter SAT over Korea. In the other periods, the AO-related circulation anomaly is either weak or mostly confined within the central North Pacific. This result suggests that Korean SAT-AO index relationship, which becomes insignificant in recent decades is highly dependent on mean flow change in the North Pacific.


Keywords: Arctic Oscillation, surface air temperature, decadal variability, North Pacific

1. 서 론

북극진동은 북극 지역과 중위도 북태평양 및 북대서양 지역의 해면기압이 서로 반대 위상을 가지는 지배적인 변동성을 의미한다(e.g., Thompson and Wallace, 1998). 일반적으로 겨울철 북극 지역에는 저기압이 존재하며, 중위도 지역에는 고기압이 존재한다. 이러한 시소(see-saw) 패턴이 강화될 때를 양의 북극진동 위상이라고 하며, 반대로 패턴이 약화될 때를 음의 위상으로 정의한다. 북극진동이 양의 위상을 가질 때에는 유라시아 대륙 및 미국 동부에 양의 기온 편차가 나타나고, 캐나다 북동부와 알래스카, 그린란드 등지에서는 음의 기온 편차가 나타난다. 반대의 경우, 유라시아 대륙과 유럽, 북아메리카 대륙에 북극지역의 찬 공기가 남하해 한파가 증가한다고 알려져 있다(Thompson and Wallace, 1998).

동아시아의 기후변동성 또한 북극진동과 강한 상관관계를 보이는 것으로 알려져 있다(Gong et al., 2001; Jeong and Ho, 2005; Park et al., 2010). 북극진동은 동아시아 제트기류, 시베리아 고기압, 그리고 정체 고기압과 같은 대규모 순환과 관련이 있으며, 구체적으로 겨울철 북극진동이 음의 위상을 가지는 시기에 시베리아 고기압의 월평균 및 일 변동성이 증가하고, 동아시아 동쪽 해안 부근의 골이 깊어지면서 한반도 부근에 한파가 발생하기 좋은 조건이 갖춰진다(Jeong and Ho, 2005). Cheung et al. (2012)는 한파를 초래하는 우랄-시베리아 블로킹이 북극진동이 음의 위상일 때 증가함을 제시하였고, Park et al. (2011)은 상층 파동에 의한 동아시아 한파 발생도 이 시기에 더 강하고 오래 지속되는 경향이 있음을 제시하였다. 결과적으로 북극진동과 우리나라 겨울철 지표기온 사이에는 양의 상관관계가 나타난다(Gong et al., 2001; He et al., 2017).

Woo et al. (2012)에 의하면 북극진동은 수 일에서 수십 일을 주기로 위상 변화가 일어나는데, 이러한 위상 분포는 시간과 공간에 의존하는 장기변동성을 보인다. 북극진동 지수의 경우 전체 분석 기간에 대해서는 완만한 증가 경향을 보이지만 1970년대 이후 1990년대까지는 양의 값을, 1970년대 이전 및 2000년대 이후에는 음의 값을 가지는 장기변동성을 보인다. 공간적으로도 북극진동은 대서양과 태평양 지역에서 각기 다른 장기변동성을 보임이 알려져 있다(Gong et al., 2018). 북극진동과 별도로 한반도 겨울철 지표기온에도 장기변동성이 나타난다. 한반도 겨울철 평균기온은 1986년 전후로 약 1.15oC가 상승하는 기후 체계 변화가 있었지만(Lim et al., 2012), 2000년대 이후 다시 감소하는 경향을 보인다(Yoo et al., 2015).

북극진동과 한반도 겨울철 지표기온 각각 서로 다른 변동성을 가지기 때문에, 이 둘의 관계는 시간에 따라서 달라질 수 있다. 실제 선행연구에서 북극진동과 한반도 겨울철 기후변동성의 관계가 시기에 따라 차이가 있을 수 있음이 부분적으로 제시된 바 있다(Lim et al., 2012). 하지만 이 결과는 북극진동의 위상 차이에 따른 해면기압의 편차를 통해 간접적으로 확인되었으며, 이들 관계가 12월과 1월에 한해서 부분적으로만 제시되었다. 또한 한반도 주변 지역에서는 통계적으로 유의미하지 않은 모습을 나타내었다.

따라서 본 연구에서는 1958/59년 겨울부터 2019/20년 겨울까지 월평균 관측 자료와 재분석 자료를 사용하여 한반도 지표기온과 북극진동의 관계에 장기변동성이 존재하는지 정량적으로 분석하였다. 추가적으로 이들 관계가 공간적으로 어떤 차이를 보이는지 살펴보았으며, 이런 변동성을 유도할 수 있는 원인에 대해 부분적으로 조사하였다.


2. 자료 및 분석방법
2.1 기상청 지상관측자료

본 연구는 기상청에서 제공하는 종관기상관측(Automated Synoptic Observing System) 월평균 자료를 사용하였다. 분석 기간 내에 관측 자료가 존재하는 지상관측 자료를 최대한 활용하여 강릉, 서울, 추풍령, 대구, 전주, 울산, 광주, 부산, 목포, 그리고 여수까지 총 10개 관측 지점의 지상관측 자료를 사용했다. 한반도 겨울철(12월, 1월, 2월) 월평균 지표기온은 이 10개 관측 지점 월평균 지표기온을 평균한 값으로, 1958/59년 겨울부터 2019/20년 겨울까지 계산되었다. 이 논문에서 1958/59년 겨울은 1958년 12월, 1959년 1월, 그리고 1959년 2월의 값을 의미한다. 또한, 1958/59년 겨울부터 2019/20년 겨울까지의 기후값을 사용하여 아노말리를 계산하였다.

한반도 지표기온의 변동은 본 연구의 관심사인 북극진동뿐만 아니라, 지구온난화와 같은 장기 기후변화의 영향이 함께 반영된 결과이다. 따라서 북극진동만의 영향을 고려하기 위해서 지구온난화의 영향을 제거하였다. 지구온난화에 의한 영향은 관측지점별로 각각의 원시자료에서 일 기후값의 선형 추세를 제거하는 것으로 제외하였다. 다만, 선형 추세 제거 유무와 관계없이 결과에 유의미한 차이가 확인되지 않았다.

2.2 JRA-55 재분석 자료

북반구 대기 순환의 변동을 분석하기 위해 일본기상청에서 제공하는 Japanese 55-year Reanalysis dataset(JRA-55) 월평균 자료를 사용하였다(Kobayashi et al., 2015). 기상청 종관기상관측 자료와 동일하게 1958/59년 겨울부터 2019/20년 겨울까지 62년 기간을 사용했으며, 지상관측자료에서와 같은 기후값 산정 기간을 사용하였다. 해당 자료는 1.25o × 1.25o의 수평 해상도와 37개의 연직층을 가지고 있다. 분석에 사용한 변수로는 지표 2m의 지상기온(Surface Air Temperature; SAT), 지표 10m의 동서/남북방향 지상바람(U10/V10), 해면기압(Sea Level Pressure; SLP), 해수면 온도(Sea Surface Temperature; SST), 그리고 500 hPa 지위고도(500 hPa geopotential height)를 사용하였다. 한반도 지표기온은 32.50oN-38.75oN와 123.75oE-130.00oE에 해당하는 격자점에서의 값을 지역 평균하여 계산하였다. 관측 자료와 동일하게 지구온난화의 영향을 제외하기 위해 모든 분석 변수 내의 선형 경향성을 제거한 후 분석에 사용하였다. 참고로 선형 경향성을 제거하지 않은 결과와 비교했을 때 유의미한 차이가 확인되지 않았다.

2.3 북극진동 지수

북극진동은 20oN 이상의 해면기압 아노말리로 경험적 직교함수(Empirical Orthogonal Function) 분석을 진행했을 때 첫 번째 모드로 나타나는 해면기압 변동패턴이다(Tompson and Wallace, 1998, 2000). 북극진동의 위상과 강도를 나타내는 북극진동 지수는 경험적 직교함수 분석의 첫 번째 주성분(Principal Component) 시계열로 구할 수 있다. 본 연구에서 북극진동 지수는 미국 기상청에서 제공하는 National Weather Service/Climate Prediction Center (https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml)의 일자료를 월평균하여 사용하였다. 자료의 기간은 앞서 사용한 자료들과 동일하게 선정하였다. 북극진동 지수 계산에 사용된 기후값 기간(1979~2000)은 기상청 지상관측자료나 JRA-55 재분석 자료의 기후값 기간(1958~2020)과 차이가 존재하지만, 같은 기간에 대한 기후값을 사용하더라도 결과에 큰 차이는 없었다. 다만, 독립된 자료에서 북극진동과 한반도 지표기온의 관계를 확인하고자 National Weather Service/Climate Prediction Center에서 제공되는 북극진동 지수를 기본 분석에 사용하였다.

2.4 분석 방법

기존 연구에 따르면 북극진동의 위상에 따라 북서태평양 지역에서 해면기압의 고기압성 혹은 저기압성 아노말리가 발생할 때, 하층(1000 hPa) 바람장을 통해 한반도 겨울철 지표기온에 영향을 줄 수 있다(Lim et al., 2012). 이를 고려하여, 본 연구에서는 먼저 북극 진동 지수와 한반도 겨울철 지표기온의 선형 상관 정도를 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)로 나타내었다.

rti-tf=titfXt×YttitfXt2×titfYt2

여기서 t는 각 년도를 의미한다. 만약 t = 1958이라면 X(t)는 1958/59년 겨울 한반도 지표기온 아노말리를 의미하며, Y(t)는 동일한 시기의 북극진동 지수 아노말리를 의미한다. 위 식에 각각 겨울철 한반도 지표기온 아노말리와 북극진동 지수 아노말리를 넣게 된다면 r1958-2019는 1958/59년 겨울부터 2019/20년 겨울까지 한반도 지표기온 아노말리와 북극진동 지수 간의 경년 상관관계를 나타내는 식이 된다.

한반도 겨울철 지표기온 아노말리와 북극진동 지수와의 상관관계 변화를 십년 주기 이상의 장주기 관점에서 조금 더 구체적으로 파악하기 위하여 15년 이동상관계수분석을 진행했다. 15년 이동 상관계수는 피어슨 상관계수와 동일한 방법으로 계산하지만, titf 사이의 기간이 15년으로 고정되어 있다는 차이점이 있다. 예를 들어 1965/66년 겨울 15년 이동 상관계수는 1958/59년 겨울부터 1972/73년 겨울까지 한반도 지표기온 아노말리와 북극진동 지수 간의 경년 상관관계를 의미한다. 또한 시간에 따라서 변동하는 15년 이동 상관계수를 이용해 두 변수의 상관관계 변화를 간접적으로 확인할 수 있다.

본 연구에서는 통계적 유의성 검정을 위해 두 종류의 검정 방법을 사용하였다. 피어슨 상관계수분석의 통계적 유의성을 확인하기 위해 스튜던트 t-검정(Student’s t-test)을 이용하고, 이동 상관계수분석의 경우 다중실험문제(Multiple comparisons problem)를 고려하여 몬테카를로 시뮬레이션(Montecarlo simulation)을 적용한 후 스튜던트 t-검정을 이용하였다. 스튜던트 t-검정을 시행하기 위해서 기후값을 평균값이라 가정하고, 표본집단인 아노말리 평균이 모집단의 평균인 0으로부터 얼마나 차이가 나는지를 기각 조건으로 설정하였다. 기각 조건에 해당하는 t 값은 양측검정에서 95% 또는 99%에 해당하는 값으로 설정하였다.


3. 결 과

극진동의 일반적인 패턴은 Fig. 1a에서 보이는 것과 같이 중위도 지역과 북극 지역 해면기압 아노말 리가 서로 반대의 부호를 보이는 시소 패턴이다. 북극 지역에 비해 중위도 지역에서 북극진동 패턴의 위치 및 강도의 동서방향 비대칭성이 뚜렷하게 존재한다. 해면기압 아노말리의 시소 패턴은 크게 북대서양과 북태평양 두 지역으로 나누어져 있으며, 북대서양 지역(90oW-0oE)에서 상대적으로 더 강한 양의 상관관계를 확인할 수 있다. 북극진동 지수에 대한 높은 상관관계는 해당 지역에 강한 변동성이 위치하는 것을 의미한다. 북대서양 지역의 강한 변동성은 아이슬란드 근처의 기압과 아조레스 근처의 기압이 서로 대비되는 변동인 북대서양 진동(North Atlantic Oscillation)을 상당부분 설명한다. 북대서양 지역에 비해 상대적으로 변동성이 약하지만, 북태평양 지역의 해면기압 시소 패턴 또한 유의미한 수준의 강도를 보여준다. 그로 인해 동아시아 지역의 순환장 변화를 해당지역 북극진동과 연결시킬 수 있다.


Fig. 1. 
Correlation coefficients of (a) SLP anomaly and (b) SAT anomaly to the AO-index for 1958/59~2019/2020 winter. Contour interval is 0.2 and zero line is omitted. Values that are statistically significant at the 95% confidence level, based on Student’s t-test, are shaded.

지표 부근 기압 변화는 기온 이류를 통해 지표기온을 바꿀 수 있으므로, 북극진동과 지표기온은 밀접한 관계를 보인다(Thompson et al., 2000). Figure 1b는 북극진동 지수와 북반구 겨울철 지표기온 아노말리 사이의 상관관계를 보여주며, 기온 이류가 강한 해면기압 변동성 가장자리에서 북극진동과 지표기온의 상관관계가 높게 나타나고 있다. 상관계수 분포에서 두드러지는 특징은 북대서양 지역에서 상대적으로 강한 상관관계를 보인다는 것이다. 따라서 북극 지역의 음의 해면기압 아노말리 중심에 의해 캐나다 대륙 북동쪽에는 북동방향에서 불어오는 한랭 이류가 음의 지표기온 아노말리를 유도하고, 유럽 대륙의 북서쪽에는 남서방향에서 불어오는 온난 이류가 양의 지표기온 아노말리를 유도하는 것으로 보인다. 중위도 지역의 양의 해면기압 아노말리 중심에 의해 미국 대륙 동쪽과 아프리카 대륙 북쪽에도 각각 양의 상관관계와 음의 상관관계가 나타난다. 북극진동이 반대 위상을 가질 때, 반대 설명도 가능하다. 다른 특징으로는 북동아시아까지 확인되는 유라시아 지역의 유의미한 양의 상관관계이다. 중국 북부와 러시아 대륙 중부에서 가장 큰 값을 가지며 한반도 및 일본 열도 일부까지도 유의미한 값을 보이는데, 이는 북극진동이 동아시아를 포함한 유라시아 대륙에 강한 영향을 미치고 있음을 보여준다.

Figure 2는 북극진동 지수와 한반도 겨울철 지표기온 아노말리의 시간에 따른 변동성을 보여주며, 이 두 변수는 비교적 비슷한 경향성을 보이는 것으로 확인된다. 특히, 장주기(약 15년) 관점에서 살펴보았을 때 두 변수가 보다 더 유기적으로 변동하는 것이 확인된다. 북극진동 지수의 경우 평균적으로 음의 값을 가지지만 1980년대 중반을 기점으로 양의 값을 보이기 시작했다. 하지만 이후 십년 이상의 장주기를 가지고 감소와 증가를 반복하며 최근에는 큰 양의 값을 보여준다. 비슷한 시기에 한반도 겨울철 지표기온 아노말리에서도 장주기 변동이 나타난다. 이는 선행연구인 Lim et al. (2012)에서도 부분적으로 제시된 바 있는데, 해당 연구에서는 1986년을 전후로 한반도 겨울철 기온 변화가 확인됨을 보여주었다. 이렇듯 북극진동 지수와 한반도 겨울철 지표기온 아노말리가 증가하고 감소하는 장기변동성이 유사하게 확인되고 있다.


Fig. 2. 
The time series of (a) AO-index and (b) SAT anomaly over Korea for 1958/59~2019/2020 winter. Black lines indicate 15-year moving averaged values.

시기에 따른 북극진동과 한반도 지표기온의 상관관계를 살펴보기 위해 서로 다른 기간 동안 두 변수의 상관계수를 기상청 지상관측 자료와 JRA-55 재분석 자료를 사용하여 계절별로 확인하였다(Fig. 3). 가로 및 세로축은 각각 상관계수 계산에 사용된 시계열 자료의 첫 년도와 끝 년도를 의미한다. 십년 이상의 장주기 관점에서 북극진동과 한반도 지표기온의 상관관계를 살펴보기 위해 자료의 최소 기간은 10년으로 설정했다. 예를 들어 Fig. 3a에서 가로축의 1997년과 세로축의 2019년이 만나는 지점의 값은 기상청 지상관측자료를 이용하여 계산한 1997/98년 겨울부터 2019/20년 겨울까지 한반도 지표기온 아노말리와 북극진동 지수 간의 피어슨 상관계수를 의미한다. 계절 및 시기에 따라 북극진동과 한반도 지표기온 사이의 상관관계에 차이가 존재하지만 상당부분 양의 상관관계가 나타나는 것으로 확인되었다. 특히, 유의미한 상관관계는 두 자료 모두에서 1980년대 초반부터 2000년대 초반 사이 겨울철에서만 확인된다. JRA-55 재분석 자료에서 최근 여름철에 일부 유의미한 상관관계가 확인되나, 기상청 관측자료에서는 유의미하지 않으므로 상관관계를 논하기에 다소 무리가 있다고 판단된다. 결과적으로 북극진동과 한반도 지표기온 사이에는 1980년대 초반부터 2000년대 초반 사이 겨울철에만 유의미한 양의 상관관계가 확인되며, 이는 한반도 지표기온 변동성의 인자로 북극진동을 활용할 때 주의가 필요하다는 것을 시사한다.


Fig. 3. 
Correlation coefficients of SAT anomaly from the KMA observation to the AO-index during (a) winter, (b) spring, (c) summer, and (d) fall. (e-h) Same as (a-d) but for Japanese 55-year reanalysis SAT anomaly averaged over Korea (32.50oN-38.75oN, 123.75oE-30.00oE). Slashed (crossed) values indicate the correlations that are statistically significant at the 95% (99%) confidence level, based on Student’s t-test.

이러한 북극진동과 한반도 지표기온 관계의 장기변동성은 12월, 1월, 그리고 2월을 모두 고려한 겨울철 관계에 해당한다. 우리나라 평균기온 및 변동성의 경우 계절내 시간규모에서 다소 차이가 존재하기 때문에, 앞서 확인한 겨울철 장기변동성을 각 월별로 확인해 보았다. 겨울철 평균 장기변동성에서 확인한 바와 같이 12월, 1월, 그리고 2월 모두 1980년대 초반에서 2000년대 초반 사이에 강한 양의 상관관계를 보였다. 그러나 음의 상관관계가 강하게 나타나는 기간이 12월과 2월에서 다소 상이하게 나타났다. 그 원인에 대한 연구는 추후 별도로 수행되어야 할 것으로 보인다.

Figure 4는 앞서 확인된 북극진동 지수와 한반도 지표기온 아노말리의 15년 이동상관계수를 각 자료별로 보여준다. 1980년대 초반부터 1990년대 중반 사이에는 15년 이동 상관계수가 최대 0.60까지 높게 나타나는 반면, 1980년대 이전 혹은 2000년대 이후에는 0.30~0.40 가량의 낮은 이동 상관계수가 확인된다. Figure 3에서와 마찬가지로 95% 이상 신뢰수준에서 통계적으로 유의미한 값은 상관관계가 높았던 1980년대 초반부터 1990년대 중반 사이에만 확인된다.


Fig. 4. 
The 15-year moving correlation coefficients of winter SAT anomaly over Korea to the AO-index. Dotted values (dashed lines) indicate the correlation coefficients (critical values) that are statistically significant at the 95% confidence level, based on Student’s t-test.

앞서 확인된 북극진동과 한반도 지표기온의 상관관계 변화가 일시적으로 존재했던 것인지 혹은 공간에 따라 구조가 변한 것인지 등을 파악하고자, Fig. 5에서 각 시기별 북극진동 지수와 해면기압 및 지표기온 아노말리 사이의 상관계수 공간 분포를 보여주었다. 기간 1(P1)은 통계적으로 유의미한 상관관계를 보이지 않는 1958/59년 겨울부터 1972/73년 겨울까지, 기간 2(P2)는 유의미한 상관관계를 보이는 1981/82년 겨울부터 1995/96년 겨울까지, 그리고 기간 3(P3)은 P1과 마찬가지로 유의미한 상관관계를 보이지 않으며 가장 최근인 2005/06년 겨울부터 2019/20년 겨울까지로 정하였다. Figure 5의 첫 번째 줄은 북극진동 지수와 해면기압 아노말리 사이의 상관계수를 보여주며, 두 번째 줄은 북극진동 지수와 지표기온 아노말리 사이의 상관계수를 보여준다. 북극 지역과 중위도 대서양 지역에서도 시기별로 공간구조의 차이가 일부 존재하지만, 해면기압과 지표기온 모두 본 연구의 관심사인 120oE-120oW 사이의 중위도 태평양 지역에서 뚜렷한 차이가 확인된다. P1에서 태평양 지역 해면기압 아노말리는 북극진동 지수와 최대 0.20 정도의 상관계수를 보이며, 통계적으로 유의미한 지역은 존재하지 않는다(Fig. 5a). 반면 P2에서는 통계적으로 유의미한 지역이 북서태평양 지역에 넓게 분포하고 있으며, 최대 0.55 이상의 높은 상관계수를 보여준다(Fig. 5b). 마지막으로 P3에서는 유의미한 상관계수가 북태평양 동쪽에서 확인되고 있으며, P2에서와 같이 최대 0.55 이상의 높은 상관계수를 보여준다(Fig. 5c).


Fig. 5. 
Correlation coefficients of winter SLP anomaly to the AO-index during the winters in (a) P1 (1958/59~1972/73), (b) P2 (1981/82~1995/96), and (c) P3 periods (2005/06~2019/20). (d-f) Same as (a-c) but for winter SAT anomaly. Shaded values indicate the correlations that are statistically significant at the 95% confidence level, based on Student’s t-test.

해면기압 아노말리 대신 지표기온 아노말리를 사용한 상관계수 분석에서도 유사한 결과를 얻을 수 있다. P1에서 태평양 지역 지표기온은 북극진동과 -0.20에서 0.20까지의 상관계수를 보인다. 양 또는 음의 상관관계가 혼재된 일관되지 않은 상관관계가 나타나며, 통계적으로 유의미한 지역은 존재하지 않는다(Fig. 5d). 반면 P2에서는 통계적으로 유의미한 지역이 한반도와 일본 열도 부근에 나타나며, 최대 0.65 이상의 높은 상관계수를 보여준다(Fig. 5e). P3에서는 유의미한 상관계수가 한반도 북쪽부터 아시아 대륙 중앙부에 넓게 분포하며, 최대 0.60 이상의 높은 상관계수를 보여준다(Fig. 5f). 다만 해당 지역은 태평양 지역 변동성보다 북극 지역 또는 대서양 지역 변동성에 상대적으로 더 많은 영향을 받는 것으로 보인다. Figure 5c에서 태평양 지역 해면기압 변동성은 동쪽으로 크게 치우쳐져 해당 지역과 거리가 멀고, 북극 지역의 해면기압 변동성은 다른 기간에 비해 유라시아 대륙 북부로 넓게 확장되어 있다(Fig. 5c). 이러한 차이가 Fig. 5f에서 보이는 유라시아 중앙에 나타나는 양의 상관관계를 일부 설명할 수 있을 것으로 사료된다.

북극진동이 양의 위상을 가질 때 중위도 지역에는 해면기압의 고기압성 아노말리가 형성된다. 태평양 지역에 강한 고기압성 아노말리가 형성되면, 이 해면기압 변동성과 연관된 지표기온 이류가 발생한다. 북서태평양 지역에서 고기압성 회전에 의한 지표기온 이류가 존재한다는 것은 한반도에 남동풍 계열의 바람이 우세하였다는 것을 의미한다. 겨울철 해양은 육지에 비해, 저위도는 고위도에 비해 상대적으로 따뜻하기 때문에 북서태평양 지역에서 한반도로 이류하는 남동풍 계열의 바람은 한반도 겨울철 지표기온의 상승을 유도할 수 있다. 반대로 북극진동이 음의 위상을 가질 때는 북서풍 계열의 바람이 우세하게 되고, 동일한 이유로 한반도 겨울철 지표기온의 하강을 유도할 수 있다. 따라서 북극진동의 태평양 지역 해면기압 변동성이 한반도에 가까운 북서태평양 지역에서 강하게 발달하는 경우, 한반도 겨울철 지표기온에 유의미한 영향을 미칠 수 있을 것으로 사료된다.

실제로 기간에 따라 태평양 지역 해면기압 변동성의 위치와 강도가 다르게 나타나는지 알아보기 위해 북극진동 지수와 해면기압 아노말리 사이의 선형 회귀분석을 진행하였다. 또한 해당 변동성에 의해 유도되는 지표기온 이류의 공간 분포 차이를 확인하기 위해 북극진동 지수와 10m 고도의 지상바람(U10, V10) 아노말리에 대해서도 동일한 분석을 진행하였다(Fig. 6). 대체로 상관계수분석과 유사한 결과를 확인하였지만, P1에서 다소 차이를 보인다. 상관계수분석과는 달리 선형 회귀분석에서는 P1에서 북태평양 지역에 통계적으로 유의미한 지역이 나타난다(Fig. 6a). 해당 지역에서 해면기압 아노말리는 최대 2 hPa 정도의 값을 가진다. 다만 유의한 지역의 면적이 좁고, 다른 기간과 달리 99% 신뢰수준을 사용하여 검정을 하는 경우 아주 일부 지역을 제외하고는 통계적으로 유의미한 지역이 대부분 사라지는 것을 확인하였다. 이는 상관계수분석 결과와 동일하게 P1에서는 한반도 겨울철 지표기온에 유의미한 영향을 미칠 수 있는 북태평양 지역의 해면기압 변동성이 존재하지 않음을 의미한다. 해당 변동성에 의해 유도되는 유의미한 지상바람도 한반도 부근에서 나타나지 않는다. P2에서는 최대 3 hPa 이상의 해면기압 아노말리를 가지는 유의미한 고기압성 혹은 저기압성 회전이 135oE-135oW 사이에 위치한다(Fig. 6b). 북태평양 중앙 부근에서 강하게 발달한 해면기압 변동성에 동반되는 유의미한 남동풍계열의 바람이 동해와 남해, 그리고 일본 남쪽 해상에 넓게 분포하고 있다. 저위도 해양에서 고위도 육지로 불어오는 지상 바람은 따뜻한 지표기온 이류를 의미한다. 마지막으로 P3에서는 최대 2.5 hPa 이상의 해면기압 아노말리를 가지는 유의미한 변동성이 나타나며, 중심 위치는 130oW-170oW 사이에 나타난다(Fig. 6c). P2와 비교했을 때 상대적으로 더 먼 위치에서, 더 약한 강도를 가지는 해면기압 변동성이 확인된다. 비록 135oE 부근까지 유의미한 영역의 경계가 확장되어 있지만, 변동성의 중심에서 멀리 떨어져 있으며 상관계수분석에서는 나타나지 않는 지역이므로 한반도에 미치는 영향을 논하기에 다소 무리가 있다고 판단된다. 해면기압 변동성에 동반되는 유의미한 지상바람도 북아메리카 대륙 서쪽 경계 부근에 국한되어 나타난다.


Fig. 6. 
Linear regression coefficients of winter SLP anomaly to the AO-index in (a) P1 (1958/59~1972/73), (b) P2 (1981/82~1995/96), and (c) P3 periods (2005/06~2019/20). Shaded values indicate the linear regression coefficients that are statistically significant at the 95% confidence level, based on Student’s t-test. Statistically significant surface winds are also indicated by green arrows.

Figure 7Fig. 5에서 공간적으로 확인한 북극진동과 태평양 지역 해면기압 변동성의 선형 관계 변화를 정량화하여 시간에 따라 보여준다. 특히 선형 관계의 강도와 위치를 정량화하기 위하여, Sung et al. (2019)에서 제시한 방법론을 채택하였다. 구체적으로 위도 20-60oN, 경도 120oE-120oW 범위에서 계산된 북극진동 지수와 해면기압 아노말리 사이의 선형 회귀계수가 상위 0.5% 이상인 영역을 기준으로, 해당 영역 평균 값을 선형 관계의 강도로 정의하였으며, 해당 지역의 중심 위치를 선형 관계의 중심 위치로 정의하였다. 선형 회귀분석은 모두 15년으로 고정된 기간에서 진행하였다. 예를 들어, 1997년의 강도와 중심 위치는 1990/91년 겨울부터 2004/05년 겨울까지 15년 동안의 선형 회귀계수를 이용해 계산하였다.


Fig. 7. 
Time series of the intensity (red line) and central longitude (blue line) of the linear relationship between AO-index and SLP anomaly over the North Pacific based on the 15-year moving linear regression.

북극진동과 태평양 지역 해면기압 변동성의 선형관계에서 중심 위치는 일관된 변화 경향성을 보여준다. 170oW 부근에 위치하던 중심은 1980년대 이후 지속적으로 동진하기 시작하는데, 특히 2000년대에 들어 15o 이상의 큰 폭으로 이동했다. 반면 선형 관계의 강도는 다소 복잡한 형태를 가진다. 1970년대 중반을 기점으로 크게 증가하지만 1990년대 후반 급격한 감소폭을 보인다. 이후 강도를 일부 회복하지만 각 기간 내에서도 약한 변동이 발견된다.

Table 1은 P1-3에 해당하는 북극진동과 태평양 지역 해면기압 변동성의 선형 관계 강도와 중심 위치를 나타냈다. P1의 경우 중심 위치가 171.25oW로 한반도와 가장 가까운 위치에 존재한다. 하지만 강도가 2.06 hPa로 가장 약해 해면기압 변동성과 관련된 유의미한 영향이 형성되기 어려운 환경이 조성되었다. P2의 경우 P1과 비교하였을 때 10o 가량 동진하여 160.63oW에 선형 관계의 중심이 위치한다. 상대적으로 더 먼 위치이지만, 3.09 hPa의 강한 강도를 가지므로 변동성과 관련된 유의미한 영향이 한반도 겨울철 지표기온에 변화를 유도했을 가능성이 높다. 마지막으로 P3의 경우, 강도는 2.52 hPa로 작지 않은 값을 가지지만 선형 관계의 중심이 142.50oW로 상당히 먼 위치에 존재한다. 따라서 P1과는 반대되는 이유로 인해, 해면기압 변동성과 관련된 유의미한 영향이 형성되더라도 한반도에 도달하기 힘든 공간구조를 보여준다.

Table 1. 
The intensity and central longitude of the linear relationship between AO-index and SLP anomaly over the North Pacific.
P1
(1958/59~1972/73 winter)
P2
(1981/82~1995/96 winter)
P3
(2005/06~2019/20 winter)
  Intensity 2.06 hPa 3.09 hPa 2.52 hPa
  Center longitude 171.25oW 160.63oW 142.50oW

결과적으로 북극진동이 한반도 겨울철 지표기온 변동성에 유의미한 영향을 미치는 과정에는 북태평양지역 해면기압 변동성이 핵심적인 역할을 한다. 북극진동과 북태평양 지역 해면기압 변동성의 선형 관계 강도와 중심 위치에 따라 북극진동의 영향력이 달라질 수 있음을 확인했다. 한반도 겨울철 지표기온 변동성은 북태평양 지역에 위치하는 고기압성 혹은 저기압성 회전에 의해 유도되는 지표기온 이류의 영향을 받는 것으로 보인다. 한반도에 유의미한 지표기온 이류가 도달하기 위해서는 한반도 부근에서 지표기온 이류의 강도가 충분히 강해야 한다. 이를 만족하기 위해 크게 두 가지 조건을 생각할 수 있다. 첫 번째로는 지표기온 이류를 유도하는 북극진동과 북태평양 지역 해면기압 변동성의 선형 관계 강도가 충분히 강해야 하며, 두 번째로는 지표기온 이류가 충분히 강한 강도를 가지고 한반도에 도달할 수 있도록 선형관계의 중심 위치가 한반도와 충분히 가까워야 한다. P1의 경우 첫 번째 조건을 만족하지 못하며, P3의 경우는 두 번째 조건을 만족하지 못한다. P2의 경우에만 충분히 강한 해면기압 변동성의 강도와 한반도와 가까운 중심 위치로 인해, 북극진동이 북태평양 지역 해면기압 변동성을 통해 한반도에 유의미한 지표기온 이류를 유도한 것으로 보인다. 정성적이지만, 북극진동과 북태평양 지역 해면기압 변동성의 위치 및 강도 변화가 북극진동과 한반도 지표기온 상관관계의 장기변동성을 설명할 수 있는 것으로 확인된다.

북극진동에 연관된 순환장의 변화 원인은 분명하지 않다. 다만, 선행 연구에 따르면 적도 지역에서 나타나는 장기변동성이 중위도 대기의 평균 순환장을 조절할 수 있음이 알려져 있다(Hoskins and Karoly, 1981; Simmons, 1982; Held and Kang, 1987; Sardeshmukh and Hoskins, 1988; Held et al., 1989, 2002; Trenberth et al., 1998; Sung et al., 2019). 적도 중앙 태평양의 평균적인 대류 강도가 장주기 관점에서 강화 또는 억제되는 변동성을 보이는데, 이 변동성이 정상파의 형태로 중위도 대기의 평균 순환장에 영향을 준다. 평균장의 변화는 곧 북극진동과 관련된 변동성의 공간 변화를 초래할 수 있다. 회귀분석을 통해 북극진동과 한반도 겨울철 지표기온 관계의 장기변동성은 적도 태평양 일부 지역의 해수면 온도와 통계적으로 유의미한 선형 관계를 가지고 있음을 확인하였다. 반면 최근 나타나고 있는 북극증폭의 영향은 분석 기간에 따른 적도 태평양 지역 해수면 온도 편차에 직접적으로 반영되지는 않은 것으로 보인다. Lee et al. (2012)은 1970년대 이후 겨울철 대규모 기후 시스템이 동진하고 있음을 밝혔다. 이에 따라 태평양–북아메리카 패턴의 중심이 최근 들어 동쪽으로 이동하였으며, 이러한 변화는 종관 규모에서의 양의 소용돌이도 되먹임 작용에 기인하고 있음을 제시하였다. 이 결과는 P2 이후 뚜렷하게 나타나는 북극진동 태평양 지역 해면기압 변동성의 중심이 동진하는 원인을 일부 설명할 수 있을 것으로 사료된다.


4. 요약 및 결론

본 연구는 한반도 지표기온 변동성과 북극진동의 관계를 장기변동성 관점에서 분석하였다. 1958/59년 겨울부터 2019/20년 겨울까지 한반도 지표 기온 아노말리와 북극진동 지수는 선행 연구에서 알려진 바와 같이 0.40 내외의 양의 상관관계를 보여주었다. 그러나 분석 기간에 따라 두 변수의 상관관계에 차이가 나타났다. 장주기 변동성 관점에서 15년 이동 상관분석을 진행한 결과, 1980년 이전 혹은 2000년대 이후에는 0.30 가량의 낮은 상관관계가 나타난 반면 1980년 초반부터 1990년대 중반 사이에는 최대 0.60 정도의 유의미한 상관관계가 나타났다. 기간별 상관계수의 차이는 북극진동의 공간구조에 변화가 있었기 때문이다. 특히 1980년대와 1990년대에 북극진동과 한반도 겨울철 지표기온변동성이 유의미한 상관관계가 나타날 수 있었던 이유는 북극진동 태평양 지역 해면기압 변동성의 강도가 충분히 강했고, 그 중심 위치가 한반도에 유의미한 지표기온 이류의 영향을 미칠 수 있을 정도로 가까웠기 때문으로 보인다. 반면 2000년대 이후에는 북극진동과 관련된 기후 변동성의 중심 위치가 동쪽으로 크게 치우쳐 한반도에 미치는 영향이 감소한 것으로 보인다. 북태평양 지역에서 확인되는 북극진동의 경우 알류산 저기압의 변동성이 부분적으로 포함되어있기 때문에, 기후 변동성이 동쪽으로 치우친 것 또한 알류산 저기압의 변화와도 관계가 있을 수 있다. 특히 시베리아 고기압과 알류산 저기압은 동서방향 기압경도에 영향을 주어 지표기온 이류를 통해 동아시아 지역 지표기온에 지배적인 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Ryoo et al., 2002). 그러나 시베리아 고기압 및 알류산 저기압의 장기변동성이 북극진동과 한반도 지표기온간의 관계 변화에 어떤 영향을 끼쳤는지는 분명하지 않다. 향후 추가적인 연구가 필요한 부분이다.

본 연구의 결과는 한반도 겨울철 지표기온을 북극진동으로 설명하기 위해서는, 북극진동의 구조적 변화를 고려해야 한다는 것을 시사한다. 북극진동의 구조에 영향을 미칠 수 있는 중위도 지역 변동성의 원인을 적도 태평양뿐만 아니라 다른 지역에서 찾는 연구도 많이 이루어지고 있다. 대표적으로 하부 성층권의 극소용돌이 약화(Garfinkel et al., 2017), 해빙(e.g., Kim et al., 2014) 및 눈덮임(e.g., Jhun and Lee, 2004; Yeo et al., 2017) 등이 제시되고 있으나, 북극진동과 한반도 지표기온 관계의 장기변동성과 배경장의 장기변동성을 정량적으로 구분하기 어렵다. 따라서 한반도 겨울철 지표기온과 직접적으로 연관된 북극진동을 정확하게 이해하기 위해서는 앞서 제시한 다양한 인자들에 대한 추가 모형 실험이 필요할 것으로 판단된다.


Acknowledgments

이 논문은 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단(2017R1E1A1A01074889)의 지원을 받아 수행되었습니다.


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