[ Article ]

Atmosphere - Vol. 28, No. 4, pp.415-425

ISSN: 1598-3560 (Print) 2288-3266 (Online)

Print publication date 31 Dec 2018

Received 17 Oct 2018 Revised 20 Dec 2018 Accepted 21 Dec 2018

DOI: https://doi.org/10.14191/Atmos.2018.28.4.415

겉보기 열원 및 습기 흡원의 세 재분석 자료 비교와 몬순 지역별 분석

하경자¹⁾^{, 2)}^{, 3)}^{, *} ; 김서경¹⁾^{, 2)} ; 오효은¹⁾^{, 2)} ; 문수연²⁾^{, 3)}

1)부산대학교 지구환경시스템학부
2)부산대학교 IBS 기후물리연구단
3)부산대학교 대학원 기후시스템전공

Three Reanalysis Data Comparison and Monsoon Regional Analysis of Apparent Heat Source and Moisture Sink

Kyung-Ja Ha¹⁾^{, 2)}^{, 3)}^{, *} ; Seogyeong Kim¹⁾^{, 2)} ; Hyoeun Oh¹⁾^{, 2)} ; Suyeon Moon²⁾^{, 3)}

1)Department of Atmospheric Sciences, Pusan National University, Busan, Korea
2)Center for Climate Physics, Institute for Basic Science (IBS), Busan, Korea
3)Department of Climate System, Pusan National University, Busan, Korea

Correspondence to: ^* Kyung-Ja Ha, Department of Atmospheric Sciences, Pusan National University, 2, Busandaehak-ro 63 beon-gil, Geumjeong-gu, Busan 46241, Korea. Phone: +82-51-510-7869, Fax: +82-51-515-1689 E-mail: kjha@pusan.ac.kr

Abstract

The roles of atmospheric heating formation and distribution on the global circulation are of utmost importance, and those are directly related to not only spatial but also temporal characteristics of monsoon system. In this study, before we clarify the characteristics of apparent heat source <Q₁> and moisture sink <Q₂>, comparisons of three reanalysis datasets (NCEP2, ERA-Interim, and JRA-55) in its global or regional patterns are performed to clearly evaluate differences among datasets. Considering inter-hemispheric difference of global monsoon regions, seasonal means of June-July-August and December-January-February, which is summer (winter) and winter (summer) in the Northern (Southern) Hemisphere are employed respectively. Here we show the characteristics of eight different regional monsoon regions and find contributions of <Q₂> to <Q₁> for the regional monsoon regions. Each term in apparent heat source and moisture sink is shown to come from the ERA-Interim dataset, since the ERA-Interim could be representative of three datasets. The NCEP2 data has a different characteristic in the ratio of <Q₂> and <Q₁> because it overestimates <Q₁> compared to the other two different datasets. The Australia monsoon has been performing better over time, while some regional monsoons (South America, North America, and North Africa) have been showing increasing data inconsistency. In addition, the three reanalysis datasets are getting different marching with time, in particular since the early 2000s over South America, North America, and North Africa monsoon regions. The recent inconsistency among the three datasets that may be associated with the global warming hiatus remains unexplored.

Keywords:

Apparent heat source, apparent moisture sink, global monsoon, three reanalysis data

1. 서 론

열원은 수문 기후적 특성을 파악할 수 있는 인자로써, 열원의 강도와 위치는 대규모 대기 순환을 정의하는데 매우 중요한 역할을 한다. 많은 선행연구에서 대기의 열 공급원이 대규모 대기 순환과 밀접한 관련을 가지는 것을 설명했다(Yanai et al., 1973; Nitta, 1983; Shin et al., 1998). Yanai et al. (1973)에서는 겉보기 분석의 개념을 제안하여 겉보기 열원(Apparent heat source)과 겉보기 습기 흡원(Apparent moisture sink)의 계산을 이용하여, 이 두 값의 변동성이 몬순 지역의 특성을 나타냄을 보였다. 이후 많은 학자들(Luo and Yanai, 1983, 1984; Li and Yanai, 1996; Han and Sohn, 1996; Ueda et al., 2003)에 의하여 이 두 가지 개념적 계산을 중요하게 간주하였다. 대기의 보존량에 대한 지배 방정식은 모두 역학적 과정과 열역학적 과정을 우선시하는 경향이 있다(Wu et al., 2017). 그러나 열의 총량적 표현인 겉보기 열원과 강수로 대변되는 대기 중의 수증기 제거에 대한 물리적 과정을 설명하는 겉보기 습기 흡원으로부터, 우리는 대기 순환에 의한 물의 이동이 곧 대기의 열적 구조를 지배하는 과정을 연결하는 물리를 표현한다고 볼 수 있다.

대기는 끊임없이 변화를 거듭하면서 보존과 평형에 향하여 진화를 지속한다. 그러므로 열원과 습기 흡원의 시간적 그리고 공간적 변화의 비교와 그 두 가지 물리량의 비율은 순간적으로 종관적 평형에 대한 논의가 가능하고, 장기간에 대한 평균적 특성의 비교는 기후학적 균형에 대한 중요성을 논의할 수 있다고 가정하였다. 계절 평균의 경년 변동성 분석을 통하여 시간적 변화를 강조하고, 전 지구 순환에서 각 지역 몬순 지역의 평균으로부터 몬순 지역에서의 몬순 강수의 중요성을 강조하고자 한다(Bosilovich et al., 2008; Oh et al., 2018). 그리고 이 연구는 몬순 지역별 분석을 통하여 지역적 차별성이 자료 간 어떤 특성을 보이고 이들의 의미는 무엇인가를 보기 위한 연구이다.

대류 활동의 순 효과를 보기 위하여 연직 적분된 겉보기 열원과 습기 흡원을 분석하는데, 우리는 다양한 재분석의 자료에 대한 신뢰성을 이 두 변수에 대하여서도 얻고자 하였다. 기후 분석에 가장 많이 사용되는 세 가지 재분석 자료를 이용하였으며, 이들 자료 간의 유사성, 차별성, 이들의 지역적 정확도 등에 대하여서 본 연구에서의 분석으로부터 점검 혹은 재확인이 가능하다고 보았다. 본 연구에서는 각 반구의 여름 몬순을 기준으로 하여 비교를 진행하고자 한다.

기본적으로 열역학 방정식과 습기 방정식의 보존식에 대한 논의를 함으로써 세 재분석 자료 간의 차이의 의미를 살펴보고, 몬순 지역 간의 차이를 통하여 어떠한 물리적 과정으로 인하여 세 가지 재분석의 차이가 유도되는지를 살펴보고자 한다.

이 연구에서는 2장에서 자료와 분석 방법을 소개하고, 3장에서 재분석 자료 간 겉보기 열원과 습기 흡원의 비교와 계절별 겉보기 열원과 습기 흡원의 구성 요소 분석을 할 것이며, 4장에서는 자료 간 몬순 지역별 겉보기 열원 및 습기 흡원의 차이 및 자료 간각 몬순 지역별 습기 흡원의 변화를 분석하고, 마지막 5장에서 요약과 토의를 통하여 결론을 도출하고자 한다.

2. 자료 및 분석 방법

본 연구에서는 선행 연구들에서 주로 사용되었던 세 가지의 재분석 자료를 이용하여 몬순 지역의 특징을 비교 분석하였다. 사용된 재분석 자료는 NCEP-DOE의 NCEP2 자료, ECMWF의 ERA-Interim 자료, 그리고 JMA의 JRA-55 자료의 월 자료를 사용하였다(Kanamitsu et al., 2002; Dee et al., 2011; Ebita et al., 2011). 분석을 위해 온도, 수평 바람, 연직 기압 속도, 비습, 현열 그리고 강수 자료를 이용하였고, NCEP2는 비습을 제공하지 않으므로 기온과 상대습도를 활용하여 계산된 값을 이용하였다. 세 가지 재분석 자료들은 각각 수평 및 연직적으로 다른 격자를 가지고 있으며, 상세한 설명은 Table 1에 명시하였다. 연직 적분된 <Q₁> (Apparent heat source, 연직 적분한 열원량, 이하 겉보기 열원), <Q₂> (Apparent moisture sink, 연직 적분한 습기 제거량, 이하 겉보기 습기 흡원)의 자료 간 비교를 위해, 연직 층의 개수를 통일하였으며 수평 격자 역시 저해상도 격자를 기준으로 분석하였다. 이는 연직 해상도의 차이에 따라 그들의 강도와 패턴의 차이가 나고, 전 지구적인 패턴과 지역적인 강도를 중점적으로 비교 분석하기 위함이다. 따라서 세 가지 재분석 자료들은 수평적, 연직적 자료 중 가장 저해상도인 2.5도 × 2.5도의 격자, 8개의 층(1000 hPa, 925 hPa, 850 hPa, 700 hPa, 600 hPa, 500 hPa, 400 hPa, 300 hPa)을 내삽하여 분석하였다. 분석에 사용한 시간은 1979년부터 2016년까지이며, 38년간 북반구 겨울철(12월~2월), 북반구 여름철(6월~8월)에 대해서 분석하였다. 즉, 1979년 북반구 겨울철은 1979년 12월, 1980년 1월, 그리고 1981년 2월로 정의했다.

Table 1.

Datasets used in this study

지표면에서의 복사, 강수, 증발 등의 작용과 대기의 비단열 가열과의 상호 작용을 이해하기 위해서 겉보기 열원과 습기 흡원을 분석하기 위해 아래의 식을 이용하였다. 겉보기 열원과 습기 흡원은 각각 온도와 수증기의 국지적인 시간 변화, 수평 이류, 연직 이류 등으로 아래와 같이 표현할 수 있다.

Q 1 = C P ∂ T ∂ t + V ∙ ∇ T + p p 0 k ω ∂ θ ∂ p

(1)

Q 2 = - L ∂ q ∂ t + V ∙ ∇ q + ω ∂ q ∂ p

(2)

여기서 T는 온도, θ은 온위, q는 비습, L은 응결 잠열이고, p₀는 1000 hPa이며, $κ = R C p$ 으로 R은 기체 상수, C_P은 건조공기에서의 정압 비열을 의미한다. Yanai et al. (1973)을 참고하여 연직 적분한 Q₁, Q₂을 다음의 식들로 표현할 수 있다.

Q 1 = 1 g ∫ p T 1000 h p a Q 1 d p = Q R + L P + S

(3)

Q 2 = 1 g ∫ p T 1000 h p a Q 2 d p = L P - E

(4)

여기서 <Q_R>, LP, LE, S은 각각 연직 적분한 복사 가열률, 강수, 증발에 의한 응결 잠열 속, 현열 속을 나타내고, Q₁, Q₂을 연직적으로 1000 hPa에서 p_T까지 적분을 할 때, p_T는 대류권 상층의 기압 고도로 본 연구에서는 자료 간 통일성을 위해 300 hPa으로 계산되었다. 본 연구에서는 세 가지 재분석 자료를 사용하여 각 재분석 자료가 가지는 지역별 특성을 비교하고, 특히 강수가 대부분의 겉보기 열원으로 작용하는 지역들을 기준으로 분석하였다.

3. 겉보기 열원과 습기 흡원의 분포

3.1 재분석 자료 간 겉보기 열원과 습기 흡원의 비교 분석

본 연구에서는 세 가지의 재분석 자료를 이용하여 겨울철과 여름철 대기의 열원과 습기 흡원의 분포를 살펴보고, 각 재분석 자료가 모의하는 분포의 특징을 비교 분석한다. Figure 1은 북반구 겨울철 동안 겉보기 열원과 습기 흡원을 세 가지 재분석 자료를 이용하여 나타낸 평년 값이다. 양의 겉보기 열원인 경우 비단열 가열의 발생을, 음의 겉보기 열원인 경우 복사 냉각이 나타남을 의미한다(Ha et al., 2001). 또한 겉보기 습기 흡원이 양의 값을 가지면 해당 지역에서 강수에 의한 응결 잠열 방출이 나타난 것을 의미하고, 음의 값을 가지면 강수보다 증발이 더 활발함을 알 수 있다. 각 재분석 자료마다 겉보기 열원, 수증기의 흡원의 패턴의 유사성 확인을 위해 Pattern Correlation Coefficient (PCC)을 계산했을 때, 북반구 겨울철 동안 겉보기 열원(습기 흡원)은 NCEP2와 ERA-Interim에서 0.85 (0.88), ERA-Interim과 JRA-55에서 0.87 (0.93), 그리고 NCEP2와 JRA-55에서 0.76 (0.85)의 상관계수를 가졌다. 즉, 각 재분석 자료들은 겉보기 열원, 습기 흡원이 명백하게 나타나는 지역에서 강도의 차이가 존재하지만, 자료 간의 높은 PCC를 통해 전 지구 패턴의 유사성을 확인 할 수 있다. 본 분석을 통해 ERA-Interim의 자료가 다른 두 자료의 전반적인 특징을 잘 묘사하기 때문에 ERA-Interim을 기준으로 겉보기 열원과 습기 흡원의 특징을 분석하였다.

Fig. 1.

Climatology of apparent heat source <Q1> [W m−2] and moisture sink <Q2> [W m−2] during December-January-February (DJF) for NCEP2 (left panels), ERA-Interim (middle panels), and JRA-55 (right panels).

북반구 겨울철에는 강화된 해들리 셀의 상승 지역이 남반구까지 확장되어, Intertropical Convergence Zone (ITCZ)의 강수 밴드가 남쪽으로 편향되어 나타나게 되고, 강한 South Pacific Convergence Zone (SPCZ)이 New Guinea에서부터 약 30^oS, 120^oW까지 확장하여 위치한다. ITCZ와 SPCZ 지역에서 겉보기 열원은 현열과 잠열 속을 통한 비단열 가열에 의해서 양의 값을 가지며, 겉보기 습기 흡원도 겉보기 열원과 약간의 강도 차이를 제외하면 매우 유사한 패턴을 보인다. 이러한 패턴은 ITCZ와 SPCZ에서는 응결에 의한 잠열 속 방출이 두드러지게 나타나 전체 열원의 큰 부분을 차지하는 것으로 이해할 수 있다. 남반구 여름 몬순인 남아메리카, 남아프리카, 호주 몬순지역에서는 ITCZ, SPCZ와 마찬가지로 겉보기 열원과 습기 흡원이 동시에 양의 값을 가진다. 게다가 열원의 강도가 더 강하긴 하지만 패턴이 매우 유사한 것을 통해, 응결에 의한 잠열 속 방출에 의해 비단열 가열이 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 한편, 북반구 태평양, 대서양의 스톰트랙 지역에서는 양의 겉보기 열원이 명백하게 나타나는 반면, 겉보기 습기 흡원은 패턴을 뚜렷하게 가지지 않기 때문에 ITCZ, SPCZ이나 몬순지역들과 다르게 응결 잠열 속에 의한 비단열 가열이 약하고, 대신 현열 속에 의한 가열이 주로 나타남을 확인할 수 있다. 그 외 북반구 지역에서는 겉보기 열원이 음의 값을 가지므로 주로 복사 냉각이 일어나는데, 특히 아열대 지역 해양에서는 겉보기 습기 흡원도 음의 값이 나타남에 따라, 강수에 의한 대기 가열보다 증발에 의한 대기의 냉각이 더 많이 일어나는 것을 알 수 있다(Figs. 1b, e). ERA-Interim의 패턴을 기준으로 다른 두 자료들의 특성을 분석하자면, NCEP2는 겉보기 열원이 양의 값을 갖는 남아메리카 몬순, 남아프리카 몬순, 호주 몬순 등 남반구 여름 몬순 지역, ITCZ, SPCZ, 그리고 태평양, 대서양의 스톰트랙 지역에서 과대 모의되었다. 또한, 음의 값으로 나타나는 아열대 해양과 북반구 육지에서 열원이 과대 모의되었다(Fig. 1a). 반면, 겉보기 습기 흡원은 ITCZ의 일부인 남인도양과 동태평양에서 과대 모의되고, 이외의 지역에서는 ERA-Interim의 겉보기 습기 흡원 강도와 패턴과 차이가 작게 나타났다(Fig. 1d). 이는 NCEP2의 하층 대기온도가 ERA-Interim의 하층 대기 온도에 비해 남인도양, 동태평양 지역에서 크게 모의하는 경향이 있기 때문이라 사료된다(그림 미제시). JRA-55은 ERA-Interim과 비교하여 ITCZ지역의 일부인 남인도양, 동태평양, 대서양과 SPCZ지역에서 겉보기 열원과 습기 흡원이 동시에 과대 모의되었다(Figs. 1c, f).

Figure 2은 북반구 여름철 동안 겉보기 열원과 습기 흡원을 세 가지 재분석자료를 이용하여 나타낸 평년 값이다. 여름철 또한 각 재분석 자료의 패턴의 유사성을 확인하기 위하여 PCC를 계산한 결과, NCEP2와 ERA-Interim은 0.74 (0.80), ERA-Interim과 JRA-55는 0.84 (0.91), 그리고 NCEP2와 JRA-55는 0.66 (0.78)의 높은 상관계수를 가졌다. PCC 결과에 따라 북반구 여름철 동안 ERA-Interim의 자료가 다른 두 자료의 전반적인 특징을 잘 묘사하였기 때문에, ERA-Interim을 기준으로 북반구 여름철 겉보기 열원, 습기 흡원의 특징을 분석하였다. 북반구 겨울철과 반대로 북반구 여름철에는 해들리 셀의 상승 지역이 북반구까지 확장되기 때문에 ITCZ가 북쪽으로 편향되어 위치하며, 겉보기 열원과 습기 흡원 모두 양의 값이 강하게 나타난다. SPCZ 지역은 북반구 겨울철 동안 그 강도가 가장 크기 때문에 북반구 여름철 동안은 강도가 비교적 약해져 양의 겉보기 열원, 습기 흡원이 New Guinea에서부터 약 10^oS, 160^oW까지 위치하여 좁게 확장된다(Gruber, 1972). 겉보기 열원과 습기 흡원이 양의 값을 동시에 나타내므로 응결에 의한 잠열 속 방출이 대기의 가열에 주로 작용한 것을 이해할 수 있다. 북반구 여름 몬순인 북아프리카 몬순, 북아메리카 몬순, 인도 몬순, 동아시아 몬순, 그리고 북서태평양 몬순은 ITCZ, SPCZ와 마찬가지로 겉보기 열원과 습기 흡원이 모두 큰 양의 값을 가지므로 열원의 대부분이 강수에 의한 잠열 속 방출로 비단열 가열에 크게 작용하였다. 그러나, 동아시아 몬순의 경우 적도, 아열대에 위치하는 다른 북반구 몬순 지역들과 다르게 중위도에 위치함에 따라 동아시아 몬순지역에서는 다른 몬순지역들보다 낮은 값의 겉보기 열원과 습기 흡원이 기록되었다. 그 외 아열대 지역에서는 겉보기 열원과 습기 흡원이 음의 값으로 나타나서, 복사 냉각과 증발에 의한 잠열이 대기의 냉각에 큰 작용을 한 것으로 사료된다(Figs. 2b, e). ERA-Interim의 패턴을 기준으로 다른 두 자료들의 특성을 분석하면, NCEP2는 양의 값을 가지는 북반구의 여름 몬순 지역들, ITCZ, SPCZ와 음의 값을 가지는 아열대 해양 지역과 남반구 육지에서 과대 모의하였다(Fig. 2a). 습기 흡원의 경우, SPCZ 지역에서 과대 모의로 차이가 나타나고, 그 외 지역에서는 기준인 ERA-Interim의 습기 흡원과 작은 차이가 나타났다(Fig. 2d). 이는 북반구 겨울철과 마찬가지로, NCEP2가 하층 온도를 동태평양과 북반구의 여름 몬순 지역에서 크게 모의하기 때문인 것으로 사료된다(그림 미제시). JRA-55는 겉보기 열원과 습기 흡원 모두에서 ITCZ와 북아메리카, 인도 몬순 지역에서 과대 모의했으며, 그 외의 지역에서는 ERA-Interim과 강도가 비슷했다(Fig. 2c, f). 북반구 겨울철과 여름철 동안 자료 간 PCC를 통해, ERA-Interim의 자료가 남은 두 자료의 전반적인 특징을 잘 묘사함을 알 수 있으며, 세가지 재분석 자료를 이용하여 열원과 습기 흡원의 세부 항들이 서로 유사함을 확인하였다(그림 미제시). 그러므로, 이후 분석은 ERA-Interim을 기준으로 비교 분석을 시행했다.

Fig. 2.

Same as Fig. 1, but for during June-July-August (JJA).

3.2 계절별 겉보기 열원과 습기 흡원의 구성 요소 분석

몬순 지역 강수에 의한 대기의 비단열 가열의 열역학적 평형 과정을 대기 순환을 통해 이해하기 위해, 겉보기 열원과 습기 흡원을 구성하는 요소들로 나누어 자료 간 비교를 수행하였다. 비단열 가열 항인 겉보기 열원은 역학 프로세스인 온도의 수평, 연직 이류에 의해 보상되며, 온도의 국지적인 시간 변화는 수평 이류, 연직 이류에 의한 값의 1/10이상 작은 값을 가지므로, 본 연구에서는 무시한다. 근 적도 지역은 남, 북반구의 무역풍이 수렴하는 지역으로, 대기 가열(냉각)될 경우 상승(하강) 운동으로 인한 단열 하강(상승)이 에너지 평형을 이룬다. 또한 수평 온도 차이가 매우 작기때문에 수평 이류항의 크기가 작다. 반면에 중위도에서는 연직 방향의 단열 과정이 약해서, 수평 온도 이류의 역할을 더욱 강조할 필요가 있다. 한 예로, 북반구 겨울철 동안 중위도에서는 태평양, 대서양 스톰트랙 지역에서 강한 수평 이류가 나타난다(Fig. 3b). 연직 이류 항의 전 지구적 패턴은 겉보기 열원의 패턴과 유사하게 나타나며, 특히 적도, 아열대 지역에서 다른 항들에 의한 보상이 상대적으로 작기 때문에 겉보기 열원의 강도와 비슷하다(Fig. 3c). 비단열 가열은 지표에서의 단위 면적당 강수에 의한 응결 잠열 속, 현열 속, 복사 가열률로 구성된다(Yanai et al., 1973). 강수를 통한 응결 잠열 속 방출은 대기를 가열시키는 역할을 하며, 특히 북반구 겨울철 동안의 ITCZ, SPCZ, 남반구 몬순 지역들, 그리고 북반구의 스톰트랙 지역에서 강하게 나타난다(Fig. 3e). 현열 속은 다른 요소들 보다 상대적으로 작게 대기의 가열에 영향을 미치는데, 남반구인 호주 전 지역, 남동아프리카, 남아프리카에서 지표 현열 속에 의해 대기가 가열되었고, 북반구에서는 쿠로시오 해류, 멕시코 만류, 북적도 해류 등 난류에 의해서 지표 현열 속의 증가로 대기가 가열되었다(Fig. 3f). 본 연구에서는 복사 가열 항을 잔여항(Residual term)으로 계산하였으며, 연직 적분한 복사량은 대부분의 지역에서 대기를 냉각시키고, 예외인 지역은 북동 아시아에 포함되는 한국과 일본 지역과 북동 아메리카 지역으로 복사 가열이 나타난다. 복사 가열항의 계산에서 잔여항의 이용은 조심하여 결과를 해석하여야 하며, 실제 복사 가열항의 계산으로부터 잔여항을 산정할 경우, 잔여항이 미미하게 나오기 때문에 이를 받아들일 수 있다(Fig. 3d).

Fig. 3.

Components of (a) apparent heat source <Q1> [W m−2] during December-January-February (DJF). Apparent heat source is composed of (b) horizontal advection of temperature [W m−2], (c) vertical advection of temperature [W m−2], (d) vertically integrated radiative heating [W m−2], (e) condensation heat released via precipitation [W m−2], and (f) sensible heat flux per unit area at the surface [W m−2].

겉보기 습기 흡원 또한 북반구 여름철 동안 나타나는 수증기 수평, 연직 이류 등의 역학 프로세스를 통해 보상되며, 수증기의 국지적인 시간 변화도 이류에 의한 값의 1/10 이상 작은 값을 가지므로 본 연구에서는 무시한다. 수증기의 수평 이류에 의한 대기의 가열, 냉각 작용의 위도 간 차이는 열 수송에 비해 상대적으로 작지만 동아시아와 북아프리카 몬순지역에서는 무시할 수 없을 정도로 그 값이 뚜렷하다. 수증기의 연직 이류에 의해서는 전체 겉보기 습기 흡원이 대부분 표현이 되며, 패턴이 매우 유사하다(Figs. 4b, c). 겉보기 습기 흡원은 강수에 의한 잠열 속 방출, 증발에 의한 잠열 속 흡수 등으로 구성된다. 북반구 겨울철 동안의 강수에 의한 응결 잠열 속 방출은 앞에서 설명했듯이, 대기를 가열시키는 역할을 하고 특히, 남반구 몬순 지역, ITCZ, SPCZ, 북반구 스톰트랙 지역에서 큰 값이 나타난다. 증발에 의한 응결 잠열 속 흡수는 잔여항으로 계산되었으며, 대기를 냉각시키는 역할을 한다. 게다가 증발은 아열대, 중위도 지역에서 큰 값을 가지며 특히, 북반구 스톰트랙 지역에서도 큰 값을 가지는데 이는 강수에 의한 잠열 속 방출보다 증발에 의한 잠열 속 흡수가 더 큰 값을 가지기 때문에 결과적으로 대기를 냉각시킨다. 앞서 북반구 겨울철 동안 겉보기 열원과 습기 흡원의 수평적 분포에서 자료 간 차이가 존재하였다. 같은 방법으로 각 자료별 겉보기 열원과 습기 흡원의 구성 요소들을 계산했을 때, ERA-Interim 자료와 비교하여 NCEP2는 남반구 여름 몬순 지역, ITCZ, SPCZ, 북반구 스톰트랙 지역에서 그리고 JRA-55 자료는 인도양과 대서양에서 강수에 의한 응결 잠열 방출이 과대 모의되어, 겉보기 열원과 습기 흡원에서 자료 간 차이가 나타난다.

Fig. 4.

Components of (a) apparent moisture sink <Q2> [W m−2] during December-January-February (DJF). Apparent moisture sink is composed of (b) horizontal advection of moisture [W m−2], (c) vertical advection of moisture [W m−2], (d) condensation latent heat flux release via precipitation [W m−2], and (e) latent heat flux absorption via evaporation [W m−2].

북반구 겨울철 동안의 분석과 같은 방법으로 북반구 여름철 동안 겉보기 열원을 보상하는 역학 프로세스와 구성 요소들의 평년 값들을 나타내었다. 온도의 수평 이류는 적도 근처에서는 작은 값을 가지며, 중위도에서 큰 값을 가지는데, 특히 겨울 반구인 남반구에서 제트 기류와 스톰트랙의 강도가 더욱 강화되어 북반구 겨울철 동안의 수평 이류보다 더 큰 값이 나타난다(Fig. 5b). 온도의 연직 이류 항은 겉보기 열원의 전 지구적 패턴과 유사하고, 특히 적도, 아열대에서 그 강도가 상대적으로 매우 비슷하므로 비단열 가열을 온도의 연직 이류가 보상하는 것을 이해할 수 있다(Fig. 5c). 강수에 의한 응결 잠열 속 방출은 전지구의 대기를 가열시키는데 특히, ITCZ, SPCZ, 북반구 몬순 지역에서 큰 값을 가지므로, 해당 지역의 대기를 크게 가열 시키며, 현열 속은 여름 반구인 북반구 육지와 남반구 적도 부근에서 나타나 대기를 가열 시킨다(Figs. 5e, f). 잔여항인 연직 적분한 복사 가열률은 대부분의 지역에서 대기를 냉각시킨다(Fig. 5d).

Fig. 5.

Same as Fig. 3, but for during June-July-August (JJA).

같은 방법으로 북반구 여름철 동안 겉보기 습기 흡원을 보상하는 역학 프로세스와 구성 요소들의 평년값을 계산하였다. 수증기의 수평 이류에 의해서는 대기의 가열, 냉각이 나타나지만 그 값이 겉보기 습기 흡원에 비해서 작다. 다른 북반구 여름 몬순과 달리, 동아시아 여름 몬순의 강수 밴드를 따라 수증기의 수평 이류가 강조되고 있다(Fig. 6b). 역시나 대부분의 겉보기 습기 흡원은 연직 이류에 의해 설명된다(Fig. 6c). 북반구 여름철 동안 강수에 의한 응결 잠열 속 방출은 앞에서 언급했듯이 북반구 몬순, ITCZ, SPCZ 지역에서 특히 강도가 크게 나타난다(Fig. 6d). 증발에 의한 응결 잠열 속 흡수는 전 지구의 대기를 냉각시키는 역할을 한다. 특히, 증발이 활발하게 일어나는 아열대 지역에서 큰 값을 가지므로 증발에 의한 대기 냉각, 적도에서는 강수에 의한 잠열 속 방출의 값이 더욱 지배하고 있기 때문에 대기가 가열됨을 볼 수 있다(Fig. 6e). 앞서 북반구 여름철 동안 겉보기 열원과 습기 흡원의 수평적 분포에서 자료 간 차이를 바탕으로 ERA-Interim이 가장 신뢰할 수 있는 자료라 판단하여, 각각의 구성 요소들의 수평 분포를 제시했다. ERA-Interim과 비교하여 NCEP2는 북반구 여름 몬순 지역, ITCZ, SPCZ 지역에서 강수에 의한 응결 잠열 방출과 복사 냉각률이 과대 모의되어 자료 간 차이를 유발되었으며, JRA-55는 인도, 북아메리카 몬순, ITCZ 지역에서 강수에 의한 응결 잠열 방출이 과대 모의되어, 겉보기 열원과 습기 흡원에서 큰 차이를 나타낸 것으로 사료된다(그림 미제시).

Fig. 6.

Same as Fig. 4, but for during June-July-August (JJA).

4. 전 지구 몬순 지역별 겉보기 열원 및 습기 흡원

4.1 자료 간 지역별 겉보기 열원 및 습기 흡원의 차이

앞선 3장에서는 ERA-Interim이 겉보기 열원과 습기 흡원의 전 지구 수평적 분포를 잘 보여주고 있음을 밝혔다. 그렇다면, 몬순지역에서의 대기 열원과 흡원의 자료 간 불일치성에 대해 조사하고, 지역별로 어떤 차이가 존재하는지 살펴보고자 한다. 전 지구 몬순 지역은 Wang and Ding (2006)에서 규정한 정의를 사용하여 각 몬순 지역을 나누고, 각 지역에서의 값을 영역 평균하여 비교 분석한다. 인도 몬순 지역은 세 자료에서 공통적으로 많은 겉보기 열원과 습기 흡원 양이 나타났으며, 동아시아 몬순 지역은 반대로 공통적으로 가장 적은 겉보기 열원과 습기 흡원 양을 모의하였다. NCEP2이 모의한 겉보기 열원은 모든 몬순 지역에 대해 다른 두 자료 보다 명백하게 크게 모의하는 반면, 겉보기 습기 흡원의 경우 남아메리카 몬순을 제외하면, JRA-55 자료와 비슷한 강도로 모의한다. 이는 전체 몬순 지역의 평균적인 겉보기 열원, 습기 흡원 양을 통해 겉보기 열원, 습기 흡원 모두 다른 자료들보다 크게 모의되지만, 습기 흡원의 경우 자료 간 차이가 적은 점을 확인 할 수 있다. ERA-Interim은 겉보기 열원을 모든 몬순 지역에서, 습기 흡원을 거의 모든 몬순 지역에서 가장 작게 모의하며, 이는 전체 몬순 지역의 평균 값을 통해서도 확인이 가능하다. JRA-55의 자료는 겉보기 열원을 남은 두 자료들의 중간 값으로 모의하며, 습기 흡원은 NCEP2 자료와 함께 크게 모의하였다. 각 자료에서 몬순 지역별 겉보기 습기 흡원 양이 열원 양을 설명하는 정도를 확인하기 위해 겉보기 습기 흡원 양과 열원 양의 비율을 살펴보았다(Fig. 7c). NCEP2 자료는 인도 몬순에서, 그리고 남은 두 자료는 북아메리카 몬순지역에서 비율이 가장 크게 나타났으며, 비율이 가장 작은 지역은 모든 자료에서 공통적으로 동아시아 몬순으로 나타났다. ERA-Interim과 JRA-55 자료는 동아시아 몬순 지역에서의 비율을 제외하면 거의 비슷한 값을 가지는데, NCEP2는 모든 지역에 대해서 남은 두 개의 자료에 비해 작은 비율을 나타냈으며, 특히 북아메리카 몬순에서 비율 간 차이를 크게 가졌다. 이는 NCEP2의 겉보기 습기 흡원은 다른 자료와 비슷하게 모의했지만, 모든 몬순 지역들에 대해 겉보기 열원을 과대 모의했기 때문으로 판단된다.

Fig. 7.

The area averaged (a) apparent heat source <Q1> [W m−2] and (b) moisture sink <Q2> [W m−2], and their ratio (<Q2>/<Q1>) in each regional monsoon region.

4.2 자료 간 각 몬순 지역별 습기 흡원의 변화

몬순 지역별 시간에 따른 자료 비교를 통해, 몬순 지역에서의 자료 간 불일치 혹은 일치성에 대한 추세를 살펴보고자 한다. 이는 특정 몬순 지역에서의 수십년 이상의 변동에 대해 유의해서 분석해야함을 보여준다. 전체 지구 몬순들의 겉보기 열원과 습기 흡원의 비율은 NCEP2에서는 0.68, ERA-Interim은 0.87, 그리고 JRA-55은 0.84으로 대부분의 몬순 지역에서는 겉보기 열원의 상당 부분이 습기 흡원에 의해서 나타난다. 그러므로, 각 몬순 지역에서 시간의 변화에 따른 수증기 열원의 변화를 살펴보기 위해, 세가지 자료의 평균값에 대한 각 자료의 편차들의 시계열을 전지구 몬순 지역별로 나타내어 비교 분석 하였다. Figure 8은 호주, 남아메리카, 북아프리카, 북아메리카 몬순의 자료 간 편차들의 시계열을 비교 분석 하며, 이 외의 몬순 지역에서는 시계열의 변화가 명백하게 나타나지 않기 때문에 제외하였다(그림 미제시). 호주 몬순 지역에서는 시간이 경과함에 따라 각 자료들의 편차가 감소하면서 자료들이 모의하는 값들이 비슷해지며, 1979년부터 1991년까지는 NCEP2가 가장 큰 편차를 기록하였는데 1991년 이후는 JRA-55의 값이 주로 큰 편차를 기록하였다(Fig. 8a). 남아메리카 몬순 지역에서도 시간이 경과함에 따라 각 자료들의 편차가 점차 감소하지만 2002년 이후 다시 편차가 증가하는 추세가 나타나며, 전 기간 동안 NCEP2의 값이 남은 두 자료에 비해서 매우 큰 값을 기록하므로 편차가 크다(Fig. 8b). 반면에, 북아프리카 및 북아메리카 지역에서는 각 자료들의 편차가 점차 증가하며, 2000년 이후 자료 간 편차가 큰 폭으로 증가하는 것이 나타난다(Figs. 8c, d). 공통적으로 남아메리카, 북아프리카, 북아메리카 몬순 지역에서 2000년 이후 각 자료들의 겉보기 습기 흡원의 편차가 갑자기 증가하는 추세를 보이거나 큰 폭으로 증가하게 되는데, 이 기간은 IPCC (2013)에서 언급한 기후변화에 대한 일시 멈춤(hiatus) 기간에 포함된다. 기후 변화의 일치 멈춤은 적도 동태평양 해수면 온도를 낮춰 전 지구 몬순 지역의 강수 변화에 크게 기여한다(Kosaka and Xie, 2013). 따라서, 기후변화 일시 멈춤 작용으로 일부 몬순 지역의 습기 흡원 양을 모의하는 경향이 각 자료에서 달라진 것이라고 판단된다. 또한, <Q2>는 강수와 증발의 차로써 대부분이 강수의 변화에 의해 유도됨을 알 수 있다. 강수량은 자료 간 차이가 더욱 크게 존재하기 때문에 2000년도 이후에 큰 편차를 보여주는 것으로 사료되나 추후 연구가 필요하다.

Fig. 8.

Time series of apparent moisture sink <Q2> deviation among three datasets in (a) Australia, (b) South America, (c) North Africa, (d) North America summer monsoon regions.

5. 요약 및 토의

본 연구에서는 북반구 겨울철, 여름철 동안 겉보기 열원과 습기 흡원의 공간적 분포를 확인하였다. 겉보기 열원과 습기 흡원의 분포의 ITCZ, SPCZ, 여름 몬순 지역에서 강한 양의 값이 나타나고 그들의 패턴이 매우 유사하며, 강수 혹은 증발을 통한 잠열 속의 방출이 대기의 열원에 큰 영향을 미치는 것으로 이해할 수 있다. 또한, 세 가지 재분석 자료들을 이용하여 확인한 겉보기 열원과 습기 흡원의 분포는 자료 간의 PCC 값이 높게 나와 전 지구적 패턴이 매우 유사함을 확인하였으며, ERA-Interim 자료가 남은 두 자료의 전반적인 특성을 잘 나타내어 기준으로 세워 비교 분석하였다. NCEP2 자료는 겉보기 열원에서 전반적으로 강한 강도의 패턴이 나타났고, 습기 흡원은 ITCZ의 일부지역에서 과대 모의되었다. 또한, JRA-55 자료는 겉보기 열원, 습기 흡원 모두 일부 북반구 몬순 지역과 ITCZ 지역의 일부에서 과대 모의되었다. 겉보기 열원은 복사 냉각, 강수에 의한 응결 잠열 속 방출, 현열 속 방출 등으로 구성되고 습기 흡원은 강수에 의한 응결 잠열 속 방출과 증발을 통한 잠열 속 흡수로 구성된다. 공통적으로 포함되는 응결 잠열 속 방출이 큰 강도로 열원에 영향을 미치기 때문에, ITCZ, SPCZ, 전 지구 몬순 지역에서의 강수가 열원의 많은 부분을 차지한다고 이해될 수 있다.

전 지구 몬순은 지역마다 겉보기 열원과 수증기 흡원의 강도가 다르다. 세 재분석 자료를 통해서 분석한 결과, 공통적으로 인도 몬순에서 겉보기 열원과 습기 흡원이 크게 나타나고, 동아시아 몬순에서 가장 작게 나타난다. 하지만 겉보기 열원과 습기 흡원의 전체 분포에서는 높은 PCC로 매우 유사한 패턴을 가짐을 확인 했으나, 각 몬순 지역을 나누어 확인한 결과 그들의 강도는 모두 크게 달랐다. 특히 NCEP2 자료의 겉보기 열원은 남은 두개의 자료보다 높은 값을 가지지만 겉보기 습기 흡원은 다른 자료들과 비슷한 값을 가지므로 겉보기 습기 흡원/겉보기 열원의 비율이 다른 자료들과 비교했을 때 낮게 나타난다. 또한, ERA-Interim 자료는 대부분의 지역에서 가장 낮은 강도로 모의하지만, 겉보기 열원과 습기 흡원 모두 낮은 강도로 모의하기 때문에 그들의 비율은 높게 계산되었다. 게다가, 시간의 경과에 따라 각 자료들이 몬순 지역을 모의하는 경향을 확인 하기 위해 매년 세가지 자료들의 편차를 각 몬순 지역마다 나타내었다. 호주 몬순 지역은 세 가지 자료의 모의하는 값의 시간의 경과에 따라 편차가 줄어드는 것을 확인했으며, 반면에 북아프리카, 북아메리카 몬순에서는 반대로 편차가 점차 증가하며, 남아메리카 지역에서는 편차가 점차 줄어들다가 2000년을 기점으로 다시 증가함을 확인하였다. 시간의 경과에 따라 편차가 증가하는 남아메리카, 북아프리카, 북아메리카 지역에서는 공통적으로 2000년 초반을 기점으로 편차의 증가 폭이 갑자기 커지거나, 감소하다가 다시 증가하는 경향으로 바뀌게 된다. 이 시점은 기후변화에 대한 일시 멈춤(hiatus) 기간에 포함되어, 기후변화에 의해서 모의하는 경향이 달라진 것으로 사료된다. 그러나 왜 일시멈춤 현상으로 알려진 기간 중에 세 가지 재분석 자료에서 차이가 크게 나타나는 것에 대하여 추후 연구가 진행되어야 할 것으로 본다.

Acknowledgments

이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었습니다.

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Dataset	Source	Variable	Analysis output grid
Dataset	Source	Variable	Horizontal	Pressure
NCEP2	NCEP-DOE	Temperature, U wind, V wind, Omega, Relative humidity	144 × 730	17 levels
NCEP2	NCEP-DOE	Precipitation rate, Sensible heat flux	192 × 940	1 level
ERA-Interim	ECMWF	Temperature, U wind, V wind, Omega, Specific humidity	240 × 121	37 levels
ERA-Interim	ECMWF	Precipitation, Sensible heat flux	240 × 121	1 level
JRA-55	JMA	Temperature, U wind, V wind, Omega, Specific humidity	288 × 145	37 levels
JRA-55	JMA	Precipitation, Sensible heat flux	288 × 145	1 level