2021년 7월 동해에서 발생한 극한 고온현상과 기작

1. 서 론

지구 온난화와 기후 변동성의 증가로 과거에 경험하지 못한 극한 기후 현상의 발생 빈도가 증가하고 있다. 세계기상기구에서는 연속되는 30년 기간 동안 기온, 강수 등의 기후요소 평균을 기후 표준 평년값(climatological standard normals)으로 정의하고 있다(WMO, 2017). 극한 기후 현상은 상단 임계값보다 높거나 하단 임계값보다 낮은 기후요소 값의 발생으로 정의될 수 있으며, 임계값은 1%, 5%, 10% 등으로 다양하게 정의될 수 있다(Seneviratne et al., 2012).

극한 현상은 대부분 기온, 강수와 관련되어 있으며, 극한 현상의 증가는 가뭄이나 홍수와 같은 자연재해의 발생 확률 또한 증가시킬 수 있다. 지구 온난화로인한 기후변화는 이전에 비해 지속시간이 길고, 강한 강도의 극한 현상을 보다 자주 발생시킨다. 지구 온난화는 극한 현상의 주요 원인으로 알려져 있으며, 열과 관련된 극한 현상은 인간 활동에 의한 지구 온난화가 가속화될수록 점차 증가할 수 있다(Zwiers et al., 2012; IPCC, 2014). 고온과 관련된 극한 현상은 해양에서는 고수온에 의한 녹조의 증가와 어패류의 대량 폐사 등으로 해양 생태계에 악영향을 미칠 수 있으며, 육지에서는 폭염에 의한 온열질환 등으로 많은 인명 피해를 야기할 수 있다. 행정안전통계연보(MOIS, 2021)에 따르면 우리나라에서 최근 10년 간 폭염에 의한 인명피해는 집중호우나 태풍으로 인한 인명피해보다 압도적으로 많아지고 있으며, 지난 100년간 우리나라에서 단일 기상재해에 의한 최대 인명피해 또한 1994년 폭염 때 발생한 것으로 보고되었다(Kyselý and Kim, 2009).

한반도 폭염은 7, 8월에 가장 빈번하게 발달하는 경향이 있다. Yeo et al. (2019)은 대기 순환의 공간 패턴을 토대로 한반도 열파를 동서방향 파동과 남북방향 파동의 유형으로 분류하였다. 동서방향 파동 유형은 유라시아 대륙을 가로지르는 대규모 대기 파동을 동반하며, 동진하는 파열의 고기압 노드가 한반도 주변에 위치한다. 남북방향 파동 유형은 북서태평양 아열대 해역으로부터 동아시아 지역으로 북진하는 파열에 의해 유도되며, 북서태평양 아열대 해역의 이례적인 대류 활동에 의해 촉발된다. Kim et al. (2019)은 열파해와 비열파해 여름철 간 합성도 차 분석을 통해 전지구 원격상관과 유사한 패턴이 한반도 상에 고기압 편차를 발생시켜 한반도 열파에 좋은 조건을 형성함을 밝혔다. 또한 7, 8월 일 최고기온과 250 hPa 지위고도의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 분석을 통해 인도 아대륙의 비단열 가열이 전지구 원격상관 기작을 통해 한반도 상에 고기압 편차를 유도할 수 있음을 제시하였다. Lee and Lee (2016)는 경험적 직교 함수(Empirical Orthogonal Function, EOF) 분석을 통해 한반도 폭염 발생 빈도 시계열의 주성분과 회귀된 대규모 순환이 남중국해와 동아시아 간 남북 쌍극 패턴으로 나타남을 보였다. 대규모 순환에 의해 강화된 남중국해의 심층 대류는 남풍을 따라 로스비파의 발생과 전파를 촉발시키고, 이는 한반도 주변에 고기압 편차를 발생시켜 고온 건조한 극한 현상 발생에 좋은 조건을 제공할 수 있다.

2021년에도 세계 각국에서는 폭염, 한파, 폭우, 가뭄 등의 극한 기후 현상이 빈번하게 발생하고 있으며, 기후요소의 관측값들은 이전에 기록된 극값을 끊임없이 경신하고 있다. 한반도 주변에서도 지난 7월 고온과 관련된 극한 현상이 발생하였으며, 동해를 중심으로 지난 40년 중 가장 높은 기온과 해면수온이 기록되었다. 1994년 기록적인 폭염 발생 시 동해와 황해를 비롯한 한반도 주변 해역에서 모두 극값이 나타난 것과 달리, 동해 부근에서만 국지적으로 극한 고온현상이 일어난 것은 상당히 이례적이다. 본 연구에서는 2021년 7월 한반도 주변에서 나타난 기후 환경을 분석하고, 원격상관 분석을 통해 동해의 기록적인 고온을 유도한 기작을 설명하고자 한다.

2. 자 료

대기변수 분석에는 NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research) Reanalysis 1 (Kalnay et al., 1996) 월평균 및 일평균 재분석 자료가 사용되었다. 해면기압, 지위고도, 바람은 경도 2.5^o, 위도 2.5^o 간격의 균일 격자 자료이며, 기온, 강수, 단파복사, 전층운량은 경도 1.875^o , 위도 약 1.9^o 간격의 비균일(T62 Gaussian) 격자 자료이다. 해양변수 분석에는 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) OISST (Optimum Interpolation Sea Surface Temperature) V2 월평균 재분석 자료가 사용되었다. 해면수온은 경도 1.0^o, 위도 1.0^o 간격의 균일 격자 자료이다.

편차는 평년 기간을 1981년부터 2010년까지의 30년으로 정의하고 계산되었으며, 원격상관 지수 산출 시에는 각 지수별로 정의된 변수와 영역에 대하여 계산된 시계열을 그 표준편차로 나누어 표준화된 지수를 분석하였다. 본 연구에서는 동해를 경도 130^o~140^oE, 위도 35^o~45^oN 영역으로 정의하였다. 재분석 자료와 관측 자료 간 비교 검증을 위해 동해 영역 내에 위치하는 울릉도(131.1^oE, 37.5^oN) 해역의 기상청 해양기상부이 자료가 사용되었으며, 기후요소 간 상관관계분석을 위해 기상청 종관기상관측 자료와 장마 통계 자료가 사용되었다.

3. 극한 고온현상의 발생 환경

한반도 지역에서는 장마기간이 길수록 7월 평균 기온은 평년보다 낮고 7월 폭염일수는 감소하며, 장마 기간이 짧을수록 7월 평균 기온은 평년보다 높고 7월 폭염일수는 증가한다. 기상청 전국 62개 지점 관측 자료에서 1973~2020년 동안 장마기간과 7월 평균 기온 간 상관계수는 -0.52이며, 장마기간과 7월 폭염일수 간 상관계수는 -0.60으로 유의한 음의 상관관계를 가진다. 실제로 2020년 7월에는 한반도 상에 정체전선이 장기간 머무르는 역대 최장 장마의 영향으로 1973년 이래 처음으로 6월보다 낮은 7월 기온이 기록되었으나, 2021년 7월은 역대 가장 늦은 장마의 시작에 비해 장마가 일찍 종료되면서 예년보다 고온현상 또한 일찍 시작되었다.

고온현상은 내륙뿐만 아니라 해양에서도 동해를 중심으로 강하게 나타났다. 지난 40년 간 동해의 7월 기온을 살펴보면, 2021년 7월 동해의 기온은 22.9^oC로 평년값인 20.7^oC보다 2.2^oC(표준편차의 약 2.9배) 높았으며, 폭염이 가장 극심했던 1994년 7월의 22.7^oC 보다도 0.2^oC 높은 극값을 기록했다(Fig. 1). 이는 일반화된 극값(Generalized Extreme Value, GEV) 분석 결과에서도 7월 동해 기온을 기준으로 100년의 재현기간(return period)을 가지는 21.6^oC를 크게 웃도는 값이다. 2021년 7월 동해 기온의 극값은 재분석 자료뿐만 아니라 울릉도 해역의 해양기상부이 자료에서도 뚜렷하게 나타난다. 기온뿐만 아니라 해면수온 또한 평년값인 20.2^oC보다 약 3.0^oC 높은 23.2^oC로 극값을 기록했는데, 본 연구에서는 대기와 해양에서 나타난 극한 현상을 모두 포함하는 의미에서 극한 고온현상으로 표현하였다.

Fig. 1.

Time series of July 2 m air temperature (white bar: oC) and sea surface temperature (black bar: oC) over East Sea (35o~45oN, 130o~140oE) during 1982~2021 and July air temperature (blue line: oC) from KMA buoy at Ulleungdo (37.5oN, 131.1oE) during 2012~2021.

한반도 주변 대기 환경을 살펴보기 위해 해면기압, 지위고도 변수를 분석하였다. 일반적으로 북태평양 고기압은 여름철에 가장 강하게 발달하고 겨울철 알류샨(Aleutian) 저기압 발달에 따라 점차 적도 방향으로 이동하는 특성을 보인다. 2021년과 평년 7월 해면기압을 비교해보면 2021년 7월에는 북태평양 고기압이 평년보다 강하게 발달하였으며, 북태평양 고기압의 서쪽 가장자리가 평년에 비해 동해 부근까지 확장되어 있는 것을 확인할 수 있다(Fig. 2). 해수면뿐만 대기 하층부터 중층, 상층에 이르기까지 일본 북부(북해도 부근)를 중심으로 동해 주변에 뚜렷한 고기압성 편차가 분포하고 있다(그림 생략). 고기압성 편차가 나타나는 영역 중에서도 동해를 중심으로 대류권 전층운량이 평년보다 적었고, 해수면에 입사하는 단파복사의 양이 평년보다 많았다(Fig. 3). 일련의 변수별 편차 계산 결과들은 고기압으로 인한 맑은 날씨와 강한 일사로 이어지는 폭염 발생 해의 전형적인 대기 조건과 일치하고 있으며, 그 중심이 이례적으로 동해 주변에서 국지적으로 나타난 것으로 분석된다.

Fig. 2.

Monthly mean sea level pressure (hPa) in July for (a) 2021 and (b) 1981~2010 over East Asia (top) and North Pacific (bottom). Contours denote 1010 hPa isobar.

Fig. 3.

Monthly anomalies of (a) total cloud cover of entire atmosphere (%), (b) downward solar radiation flux at surface (W m-2), (c) sea surface temperature (oC), and (d) 2 m air temperature (oC) for July 2021 relative to 1981~2010 over East Asia.

일자별 편차를 살펴보면, 7월 초 장마 종료 후 운량이 평년보다 적고 표면에 입사하는 단파복사가 평년보다 많은 상태가 7월 말까지 지속되었으며, 이와 함께 기온도 빠르게 상승하였다. 이 시기에 동해에서 기온은 평년보다 최대 4.1^oC 높았으며, 운량은 평년보다 최대 32.7% 적었고, 단파복사는 평년보다 최대 68.9 W m^-2 (27.3%) 많았다(Fig. 4). 기상청에서 발간된 기후분석정보(KMA, 2021)에 따르면, 장마 종료 이후 중위도 제트기류가 약화되고, 티벳 고기압과 북태평양 고기압이 한반도 부근으로 확장하였으며, 중국 북동부 부근 상층 기압능이 강화되고 동서방향 대기 흐름이 정체되었던 것으로 분석되었다. 결과적으로 맑은 날씨로 인한 강한 태양복사와 덥고 습한 공기의 유입의 영향이 더해지면서 고온현상이 지속된 것으로 분석되었는데, 이는 본 연구의 분석 결과와도 일치한다.

Fig. 4.

Time series of (a) 2 m air temperature (oC), (b) total cloud cover of entire atmosphere (%), and (c) downward solar radiation flux (W m-2) anomalies averaged over East Sea (35o~45oN, 130o~140oE) for July 2021.

4. 원격상관

추가적인 원인 분석을 위해 원격상관의 역할을 살펴보았다. 우리나라 여름철 기후에 많은 영향을 미치는 것으로 잘 알려진 대규모 원격상관 인자에는 Ding and Wang (2005)이 제안한 전지구 원격상관(Circumglobal Teleconnection, CGT)과 Nitta (1987)가 제안한 태평양-일본(Pacific-Japan, PJ) 원격상관이 있다.

전지구 원격상관은 여름철 북반구 중위도 순환 패턴으로 상층 대류권 경년 변동성의 두번째 모드에 해당한다. 전지구 원격상관은 서유럽, 유럽러시아, 인도, 동아시아, 북태평양, 북아메리카 등 6개의 작용 중심에 유의한 기온 및 강수 편차를 동반하며, 이들 지역은 여름철 제트기류와 밀접하게 관련되어 있거나 제트의 출구 지역에 위치하고 있다(Fig. 5a). 전지구 원격상관은 인도 몬순, 엘니뇨/남방진동과 유의한 상관관계를 가지지만, 북극 진동이나 북서태평양 여름 몬순의 변동성과는 유의한 관련성을 보이지 않는다(Ding and Wang, 2005). 전지구 원격상관은 중위도 상층 대기에서 동서방향으로 전파되는 모드로 한반도 폭염과 통계적으로 유의한 관련성을 가지는 것으로 알려져 있으며, 1994년과 2018년 한반도 폭염 발생 시에도 강하게 작동하였다. 전지구 원격상관 지수는 인도 북서부(60^o~70^oE, 35^o~40^oN) 지역에 대해 공간 평균된 200 hPa 지위고도 편차로 정의된다.

Fig. 5.

Maps of (a) geopotential height anomalies at 200 hPa correlated to Circumglobal Teleconnection (CGT) index and (b) sea level pressure anomalies correlated to Pacific-Japan (PJ) index for boreal summer (JJA).

태평양-일본 원격상관은 여름철 북서태평양 지역과 동아시아 지역에서 나타나는 대기압의 남북 시소 패턴으로 두 지역 여름 몬순의 경년 변동성에서 가장 지배적인 패턴이다(Nitta, 1987). 태평양-일본 원격상관은 동아시아 지역 기온, 강수 등의 기후요소뿐만 아니라 태풍 활동, 양쯔강 유량 등과도 관련되어 있으며, 엘니뇨/남방진동과는 두 계절 지연된 상관관계를 가지고 있다. Kubota et al. (2016)은 여름철 북서태평양(100^o~160^oE, 10^o~55^oN) 지역 850 hPa 와도의 주성분 분석을 통해 태평양-일본 원격상관 패턴을 추출하고, 주성분에 회귀된 해면기압 편차에서 나타나는 열대-중위도 북서태평양 간 남북방향 쌍극 패턴을 토대로 양극에 위치하는 일본 요코하마(Yokohama)와 음극에 위치하는 대만 헝춘(Hengchun) 지역 간 해면 기압 차로 태평양-일본 지수를 정의하였다. 선행 연구에서는 관측소 자료를 기반으로 태평양-일본 지수를 계산하였으나, 본 연구에서는 재분석 자료를 바탕으로 두 지역이 포함되는 격자 지점의 값을 이용하여 지수를 계산하였다. 양의 위상 태평양-일본 원격상관에서는 동남아시아와 남중국해에서 몬순이 활성화되는 동안 동아시아에는 극한의 고온과 적은 강수가 나타난다. 반대로 음의 위상 태평양-일본 원격상관에서는 동아시아에서 낮은 기온과 많은 강수가 나타나며, 동남아시아와 남중국해에서는 적은 강수가 나타난다(Fig. 5b). 태평양-일본 원격상관은 남북방향으로 전파되는 모드로 북서태평양 지역과 동아시아 지역 여름 몬순 간 음의 상관관계를 보여준다(Lau et al., 2000).

2021년 7월 표준화된 전지구 원격상관 지수는 0.38, 태평양-일본 지수는 1.79이다(Fig. 6). 표준화된 지수로부터 전지구 원격상관은 중립 상태, 태평양-일본 원격상관은 강한 양의 위상이 작동하였을 것으로 추정할 수 있다. 실제로 대규모 원격상관 인자들이 2021년 7월 동해의 극한 고온현상에 어떻게 작동하였는지를 알아보기 위해 파동의 흐름을 분석하였다.

Fig. 6.

Time series of (a) Circumglobal Teleconnection (CGT) index and (b) Pacific-Japan (PJ) index in July during 1979~2021.

파동속(wave activity flux)의 수렴과 발산으로부터 파동의 발생과 소멸 위치를 확인할 수 있으며, 파동의 발생과 소멸을 분석하는 것은 다양한 대기 현상들의 역학을 이해하는 과정에서 중요하다. Takaya and Nakamura (2001)가 제안한 파동속(W)은 다음의 식으로 정의된다.

식에서 p는 정규화된 기압, U, V는 200 hPa 바람 평균장, λ는 경도, ϕ는 위도, a는 지구 반지름, ψ는 유선함수, f₀는 전향력을 의미한다.

전지구 원격상관은 상층 대류권 순환, 태평양-일본 원격상관은 하층 대류권 순환을 통해 전파되므로 층별 파동속 분석을 통해 각 원격상관과 관련된 파동의 전파 특성을 살펴보았다. 대기 상층(300 hPa)과 중층(500 hPa)에서의 파동속 분석 결과를 살펴보면 인도 북서부를 비롯한 전지구 원격상관의 주요 작용 중심으로부터 한반도 지역으로 전파되는 파동속 흐름은 보이지 않는다(Fig. 7). 이는 전지구 원격상관 지수가 중립으로 나타난 것과 일치하는 결과이며, 이를 통해 2021년 7월 한반도 지역 기후 편차는 전지구 원격상관의 영향이 뚜렷하지 않았음을 확인할 수 있다. 반면, 대기 하층(850 hPa)의 파동속 분석 결과에서는 북서태평양 아열대 몬순 지역으로부터 한반도 지역으로 전파되는 뚜렷한 파동의 흐름을 확인할 수 있다(Fig. 8). 필리핀과 대만을 중심으로 많은 강수가 집중되었으며, 이와 함께 대만 부근의 저기압성 편차와 일본 부근의 고기압성 편차가 나타났다. 전형적인 양의 위상 태평양-일본 원격상관을 통해 파동의 전파가 동해로 집중되고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 태평양-일본 지수가 2018년에 이어 역대 두번째로 높은 양의 값을 기록한 결과와도 일치하며, 이를 통해 2021년 7월 태평양-일본 원격상관이 동해 주변 고기압성 편차의 유지와 강화에 상당한 영향을 미쳤을 것으로 생각된다.

Fig. 7.

Wave activity flux (vectors: m2 s-2) and perturbation of geopotential height (shading: m) at (a) 300 hPa and (b) 500 hPa for July 2021.

Fig. 8.

Wave activity flux (vectors: m2 s-2) and perturbation of geopotential height (shading: m) at 850 hPa for July 2021.

5. 요약 및 토의

본 연구는 2021년 7월 동해에서 나타난 극한 고온현상과 관련하여 한반도 주변 대기 환경 변수를 분석하였다. 해면기압 및 지위고도 분석 결과 평년보다 강하게 발달한 북태평양 고기압이 한반도 주변까지 확장되었으며, 이로 인해 대류권 전층의 운량과 강수량이 감소하고 표면으로 입사하는 단파복사가 증가했다. 폭염 발생 시의 전형적인 대기 조건이 동해를 중심으로 형성되면서 동해의 기온과 해면수온 모두 극값을 기록했다. 국지적인 극한 고온현상의 형성 원인을 규명하기 위해 대기 층별 파동속을 분석하였다. 파동속 분석 결과 중위도 주요 제트 중심을 연결하는 전지구 원격상관은 약한 인도 몬순의 영향으로 한반도 지역으로의 유의한 파동속 전파가 나타나지 않았으며, 북서태평양과 동아시아 지역을 연결하는 태평양-일본 원격상관은 양의 위상으로 강하게 작동하여 동해 부근으로 파동속의 집중적인 전파가 나타났다. 일련의 분석 결과를 통해 고온현상을 유도하기 좋은 대기 조건이 대규모 원격상관 중 하나인 양의 태평양-일본 원격상관과 중첩되면서 국지적인 극한 고온현상을 유도할 수 있음을 제시하였다.

대규모 원격상관은 경년 시간규모에서 해마다 위상이나 크기가 다르게 나타난다. 대규모 원격상관은 국지적 대기, 해양 환경과 상호작용하면서 같은 방향으로 기후 편차를 강화시키기도 하고 반대 방향으로 기후 편차를 상쇄하기도 한다. 2021년 7월 동해 주변의 극한 고온현상은 대규모 원격상관과 국지적 대기 조건이 고온현상을 유도하는 같은 방향으로 중첩된 결과로 해석되며, 대규모 원격상관이 반대 방향으로 중첩되었다면 결과는 달라질 수 있었을 것으로 생각된다. 파동의 전파 방향이나 발생 및 소멸 위치 또한 상당히 가변적이며, 원격상관의 전파 방향이 동해가 아닌 한반도 내륙을 향했다면 많은 인명피해를 동반한 기록적인 폭염이 발생했을 가능성도 배제할 수 없다.

태평양-일본 원격상관이 강하게 작동한 원인에 대해서는 추가적인 고찰이 필요하다. 남북방향 원격상관은 북서태평양 아열대 해역의 이례적인 대류 활동에 의해 촉발될 수 있다고 알려져 있는데(Yeo et al., 2019), 2021년 7월의 태평양-일본 원격상관 또한 북서태평양 아열대 해역(120^o~140^oE, 15^o~25^oN) 강수와 밀접하게 관련되어 있을 것으로 생각된다. 실제로 이 해역의 강수량은 과거 7월 강수량 중 가장 많았으며, 최근 들어 그 변동성이 증가하고 있다(Fig. 9). 또한 엘니뇨-남방진동(ENSO)과 같은 강제력이 태평양-일본 원격상관을 작동시키거나 그 변동성을 강화시킬 수 있는 것으로 알려져 있어(Kubota et al., 2016), 주요 대규모 진동들과의 복합적인 연관성도 살펴볼 필요가 있다.

Fig. 9.

(a) Monthly anomaly of precipitation rate (mm day-1) for July 2021 and (b) time series of July precipitation rate (mm day-1) averaged over western North Pacific (15o~25oN, 120o~140oE) during 1979~2021.

Acknowledgments

이 연구는 한국해양과학기술원 해양기후예측센터(해양기후예측센터 운영을 통한 해양기후 정보 생산 및 서비스, PE99972) 및 해양순환연구센터(북서태평양 순환과 기후 변동성이 한반도 주변해역 변화와 물질순환에 미치는 영향 I, PE99911)의 지원으로 수행되었습니다.

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