세 가지 재분석 자료에서의 겨울철 북반구 평균 자오면 순환-에디 상호작용

1. 서 론

전 지구적으로 열, 수분, 운동량 수송 및 교환에 중요한 역할을 하는 에디 활동은 대기 순환과 날씨 및 기후의 변화와 밀접한 연관이 있다. 에디 변동성과 평균 자오면 순환 사이의 관계를 논의한 많은 선행 연구에서는 열대에서 확장된 중위도 에디가 해들리 순환을 강화시킬 뿐만 아니라 해들리 순환의 변동성 역시 중위도에서의 에디 변화에 영향을 준다는 것을 밝혔다(Becker et al., 1997; Kim and Lee, 2001; Walker and Schneider, 2006; Caballero, 2007). Kuo (1956)는 에디 운동량 플럭스는 해들리 순환과 페렐 순환에 영향을 주며, 에디 운동량 플럭스의 발산이 평균 자오면 순환의 주요한 원인이라고 밝혔다. Walker and Schneider (2006)는 해들리 순환에 의존하는 에디 운동량 플럭스는 중위도 순환의 특성을 설명하는 남북 온도 경도의 영향을 받는다고 하였다. 그리고 경압 에디 성장과 밀접한 관계가 있는 배경류 및 열적 경도와 에디 열 플럭스는 에너지의 수렴과 준지균 평균장의 에디 피드백 분석을 통해 평균류와 에디 상호작용의 변화를 설명할 수 있다(Lee et al., 2011, 2012). 또한 열 플럭스는 해들리 순환에 의해 주로 동반되고, 작은 규모의 대류 시스템에 의해 증가하며, 이 플럭스의 계절적 순환이 남반구보다 북반구에서 뚜렷하다고 설명하였다(James, 1995). 따라서, 본 연구에서는 북반구에 초점을 맞췄으며 에디 활동이 활발한 겨울철에 대해 분석을 진행하였다. Pfeffer (1981)는 평균 자오면 순환을 계산하기 위해 에디 운동량 플럭스와 열 플럭스의 균형이 필요하다고 하였다. Hare and James (2001)에서는 두 에디 플럭스의 결합된 효과가 대기 순환에 중요한 영향을 미친다고 밝혔다. Lee and Ha (2009)에서 제시한 섭동 운동 에너지와 Eliassen-Palm 플럭스 그리고 순압 에너지의 수렴에 대한 분석을 통해 일정한 지역에서 월별로 다르게 나타나는 평균류와 에디 상호작용을 이해할 수 있다.

Caballero (2008)에서는 여러 모델을 이용하여 해들리 순환의 세기를 모의하는 모델들의 변동성은 고정 에디 응력과 유의한 상관이 있으나 일시 에디 응력과는 상관이 없음을 보였다. 더불어 이 논문에서는 에디 응력과 해들리 순환의 세기에 대한 모델 성향은 중위도 지방의 온도와 습도의 유의한 성향과 연관된 것이라 언급하였다. Jin et al. (2006a, b)는 평균류와 종관 에디의 상호작용을 설명하는 에디 플럭스에 대한 왼손 법칙을 고안하였다. 에디 와도 플럭스는 저주파 흐름의 방향과 관계없이 왼쪽방향을 향하며 두 성분이 이루는 각이 직각일 때 플럭스가 최대로 수송됨을 밝혔다. 또한 에디 와도 플럭스뿐만 아니라 에디 온도 플럭스, 수분 플럭스도 왼손의 법칙을 만족하며, 에디 플럭스와 평균류 사이에 피드백 및 상호작용이 존재한다고 하였다(Kug and Jin, 2009; Kug et al., 2010). 이러한 피드백은 북대서양 진동 패턴(North Atlantic Oscillation, NAO)와 태평양-북미 진동 패턴(Pacific-North America, PNA)과 같은 주요 기후 모드에 있어서 중요한 역할을 한다. 그리고 에디 피드백의 강도에 따라서 제트 기류와 일시 에디 활동들의 강도가 달라지며, 종관 에디 피드백으로 인해 강한 일시적인 모델들은 강한 신호 변동성과 잡음 변동성을 보인다고 Kang et al. (2011)에서 모델 결과 분석을 통해 밝혔다. 앞에서 언급한 평균류와 에디의 상호작용에 대한 선행 연구 결과, 대부분의 논문들에서 에디 운동량 플럭스, 열 플럭스 등 다양한 에디의 영향이 평균 자오면 순환에 영향을 준다고 밝혔으나 하나의 연구에서 하나의 에디 플럭스 변수와의 관계만을 밝혔고, 각 결과들에 이용된 에디 계산방법에 약간의 차이가 존재하였다. 그래서 본 연구에서는 동일한 방법을 적용하여 평균 자오면 순환에 대한 에디 운동량 플럭스 및 열 플럭스의 영향을 밝히고자 한다. 또한 에디를 구성하는 두 항(고정 에디와 일시 에디)의 영향이 다르게 작용하기 때문에, 에디 운동량, 열 플럭스를 시간평균 항과 그에 대한 섭동 항으로 구분하여 두 개의 에디 항의 기여도에 대해 분석하였다.

또 다른 선행 논문에서는 해들리 순환의 세기와 폭에 대한 변동성과 경향성을 더 자세하게 설명하기 위하여 다양한 재분석 자료를 비교하여 분석하였는데, 재분석 자료간 해들리 순환의 세기가 달랐으며, 순환의 변동성 또한 강해지거나 약해지는 등 다르게 분석됨을 보여줬다(Stachnik and Schumacher, 2011). 이 논문을 바탕으로 해들리 순환을 분석하는 데 있어서 재분석 자료간의 차이가 있음을 알게 되었다. 본 연구에서는 각각 다른 기관에서 만들어진 세 개의 재분석 자료를 이용하여 평균 자오면 순환이 에디 및 비단열 가열항과 어떠한 상호작용을 가지는지 분석하고자 한다.

본 연구에서는 평균 자오면 순환과 에디의 상호작용을 분석하기 위한 방법으로 평균 자오면 순환과 에디 상호작용 방정식을 사용하였으며, 다음 방정식을 이용하여 평균 자오면 순환과 연관된 각 항(에디와 비 단열항)에 대하여 분석하였다. 또한 방정식의 각 항의 관계에 대해 이해하였으며 세 가지 재분석자료의 각각의 차이에 대해 비교 분석하였다. 2장에서는 자료 및 분석 방정식에 대해 설명하고, 3장에서 평균 자오면 순환에 대한 재분석 자료를 비교하고, 4장에서는 에디 운동량 플럭스, 열 플럭스와 비단열 가열항에 대한 분석 결과를 설명하고, 5장에서는 주요 결과를 요약한다.

2. 자료 및 분석 방정식

2.1 재분석 자료의 특징

많은 선행연구들은 다양한 재분석 자료를 사용하여 분석을 진행한다. 그러나 사용되는 재분석 자료는 관측 자료와 완벽히 일치하지 않으며 각각의 재분석 자료들도 다르다. 본 연구에서는 선행 연구에 널리 분석되고 있는 비교적 최근 재분석 자료 세 개를 사용하여 각 재분석 자료가 가지는 특성을 논의하고자 한다. 또한 선정된 자료들은 각각 다른 해상도 및 격자 간격을 가지고 있으며 이에 대한 차이를 분석하였다. 재분석 자료는 기본 자료 바탕의 차이 이외에 비단열 가열항의 취급 등 세부적인 차이가 있으며, 경년 변화를 고려한 경우에 나타나는 재분석 자료의 차별성도 분석하였다.

본 연구에 사용한 재분석 자료는 ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)에서 제공하는 재분석 자료인 ERA-INTERIM 자료, NCEPDOE(National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy)에서 제공하는 NCEP2 자료와 JMA (Japan Meteorological Agency)에서 제공하는 JRA-55 자료를 사용하였다(Kanamitsu et al., 2002; Dee et al., 2011; Ebita et al., 2011). 각 자료들에 대한 상세한 설명은 Table 1에 제시되어 있다. 또한 비단열 가열항에 대해서 분석하기 위하여 열역학 방정식을 이용하여 구하였고, NCEP2에서 제공하는 비단열 가열에 관한 6개의 항(두꺼운 대류 가열항, 얇은 대류 가열항, 태양 복사 가열항, 장파 복사 가열항, 큰 규모의 응결 가열항, 연직 확산 가열항)을 이용하여 비단열 가열항을 구분하여 추가적인 분석을 진행하였다.

각각의 재분석 자료들을 필요에 따라 수평적으로 2.5도× 2.5도의 격자, 연직적으로 17개의 층으로 내삽하여 분석하였다. 분석에 이용된 기간은 1979년부터 2014년까지이며 1979/80~2013/14 35년 동안의 북반구 겨울철에 대해서 분석하였다.

Table 1.

Reanalysis data sets used in this study.

3. 평균 자오면 순환 분석

먼저 식 (10)의 왼쪽 항을 의미하는 평균 자오면 순환에 대해서 분석하고자 한다. 평균 자오면 순환은 동서 평균된 유선함수(ψ)에 의해 결정되며, 유선함수는 아래의 식을 통해 계산되었다.

재분석 자료에 대한 결과를 보면 북반구에서 양의 값은 해들리 순환, 음의 값은 페렐 순환을 의미한다(Fig. 1). 세 개의 재분석 자료간의 차이를 보기 위한 분석이므로 앙상블 평균 결과가 아닌 앙상블 평균 결과와 가장 유사한 ERA-Interim을 기준으로 각 자료의 결과를 비교하였다. ERA-Interim은 북반구(1000 hPa-100 hPa) 지역에 대해서 앙상블 평균 결과와의 공간 상관계수가 0.989로 가장 높았으며, 그 뒤로 NCEP2와 JRA-55는 각각 0.968, 0.887의 공간 상관계수를 가졌다. ERA-Interim에 비해 NCEP2와 JRA-55는 해들리 순환의 폭이 각각 7%, 1% 넓으며, 해들리 순환의 세기에 대해서는 JRA-55가 9% 강하고, NCEP2는 2% 약하였다. 또한 페렐 순환의 폭은 NCEP2와 JRA-55가 각각 17%, 3% 좁고, 세기는 JRA-55가 10% 강하고, NCEP2는 14% 약한 것을 볼 수 있었다. 이를 이해하기 위해 남북 바람과 연직 바람을 비교해 보았을 때, 남북 바람은 ERA-Interim에서 가장 강하며, JRA-55가 약했고, 연직 바람은 JRA-55가 가장 강하고 NCEP2가 가장 약하였다(그림 미제시). 해들리 순환의 세기는 연직 바람의 세기와 비례하는 경향이 있음을 보여주었다.

재분석 자료간의 해들리 순환의 세기가 다른 이유를 알아보기 위해 선행 논문들에서 제시한 해들리 순환에 영향을 주는 요인들을 분석하였다. 일반적인 순환 모델의 결과를 보면 열대 또는 아열대 지역에서의 남북 지표 온도 경도가 감소하면 해들리 순환의 세기가 약화된다고 연구되었다(Levine and Schneider, 2011; Williamson et al., 2013). 그러나 또 다른 선행논문에서는 남북방향의 온도 경도가 증가하면 열 수송이 활발해지고 다시 온도 경도를 감소시켜 해들리 순환을 약화시킨다고 하였다(Seo et al., 2014). 이렇듯 다른 요인으로 인해서 같은 결과가 나왔다. 해들리 순환의 세기에 영향을 주는 남북 지표 온도 경도를 동서방향으로 평균하여 분석하였을 때, 열대 지방(10-20N)에서는 ERA-Interim에 비해 NCEP2가 15.6% 강하고 JRA-55는 1.5% 약하며, 아열대 지방(25-35N)에서는 ERA-Interim에 비해 JRA-55가 6.5% 강하고 NCEP2는 1.4% 약하다(Fig. 2). 평균 자오면 순환(해들리 순환과 페렐 순환)이 하강하는 지역인 아열대 지방에서 지표 온도 경도와 해들리 순환의 세기가 비례 관계를 가졌다. 또한 온도 경도가 강한 중위도 지방(35-45N)에서는, ERA-Interim에 비해 NCEP2가 3.1% 강하고, JRA-55는 8.2% 약하다. 이 지역은 북쪽으로 향하는 열 플럭스 수송이 강하므로 온도 경도를 다시 감소시켜서 해들리 순환의 세기와 반비례 관계를 가진다(Grotjahn, 1993). 하지만 t-검정 결과 재분석 자료들간의 차이는 통계적으로 유의하지 않다.

Fig. 1.

Meridional cross-sections of the implied mean meridional streamfunction values for (a) Ensemble mean (b) ERAInterim, (c) NCEP2, and (d) JRA-55 during 79/80-13/14 DJF. Contour interval for ψ is 3 × 1010 kgs−1

Fig. 2.

The climatology of the meridional surface temperature [K] (contour) and its negative of gradient (shading) at 1000 hPa during 79/80-13/14 DJF for (a) ERA-Interim, (b) NCEP2, and (c) JRA-55. (d) The climatology of the zonal mean meridional temperature gradient for the three reanalysis data sets.

다음은 해들리 순환의 확장(폭)에 영향을 주는 요인인 대류권계면의 높이를 비교해 보았다(Fig. 3). Lu et al. (2007)에 따르면 중위도 대류권계면이 높이는 총 정적 안정도와 같은 의미로 해들리 순환의 폭에 영향을 준다. 아열대 근처에서 총 정적 안정도가 증가하면 경압 불안정이 억제되어 해들리 순환의 경계를 조절하게 되며, 중위도 지방이 안정화되면 해들리 순환이 극으로 확장하게 된다. 또한 총 정적 안정도의 증가와 아열대 근처의 대류권계면의 상승은 해들리 순환의 확장에 영향을 준다. 세 재분석 자료의 대류권계면이 높이를 비교해 보면 열대 지방(20S-20N)에서는 NCEP2, ERA-Interim 그리고 JRA-55의 순서로 높았으며, 중위도 지방(35-55N)에서는 JRA-55, NCEP2 그리고 ERA-Interim 순서로 높았다. 해들리 순환이 극으로 확장되는 정도는 NCEP2 (35N), ERAInterim (33N) 그리고 JRA-55 (32.5N)의 순서로 강하게 확장되었다. 대류권계면의 높이와 해들리 순환의 폭을 비교해보면 NCEP2가 열대에서 가장 높으며, 중위도에서는 두 번째로 높고 해들리 순환이 극 쪽으로 가장 많이 확장되었다. 그러나 다른 두 자료의 대류 권계면의 높이와 해들리 순환의 폭 사이에서 대응하는 비례관계를 설명하기 어려웠다. 남북 온도 경도와 대류권계면의 높이가 해들리 순환의 세기와 폭에 대해서 명확하게 연결지어 설명하기 어려운 것을 볼 수 있는데, 이는 해들리 순환에 영향을 주는 요인이 본 논문에서 고려한 두 역학적 요인 외에 외부 요인들이 있기 때문이다. 해들리 순환에 영향을 주는 요인들로는 적도와 극의 지표 온위 경도와 같은 역학 메커니즘과 온실 기체의 증가와 성층권 오존 농도의 변화를 포함한 외부 요인들이 있으며, 이러한 외부 요인은 온위 경도에 영향을 미쳐 해들리 순환을 변화시킬 것이므로 각 재분석 자료를 만드는 기관에서 외부 요인을 어떻게 정의하는지에 따라 결과가 다르게 나올 수 있다.

Fig. 3.

The climatology of the tropopause pressure [hPa] calculated from temperature fields for (a) ERA-Interim, (b) NCEP2, and (c) JRA-55 during 79/80-13/14 DJF.

Fig. 4.

Meridional cross-sections of the eddy momentum flux [u*v*] (top panels, unit: m2s−2), eddy momentum divergence ∂[u*v*]/∂y (middle panels, Contour interval is 10−3 ms−2) and pressure derivative of the momentum divergence ∂(∂[u*v*]/∂y)/∂p (bottom panels, Contour interval is 10−7 ms−2Pa−1) for (a, d, g) ERA-Interim, (b, e, h) NCEP2, and (c, f, i) JRA-55.

Fig. 5.

Meridional cross-sections of correlation coefficient (top panels, Contour interval is 0.2) between streamfunction and pressure derivative of the momentum divergence contributions. Shadings of upper panels represent the values significant at the 95% and 99% confidence level. Meridional cross-sections of the time mean part ([u*¯v*¯], middle panels), and perturbation part([u*'¯v*'¯], bottom panels) for (a, d, g) ERA-Interim, (b, e, h) NCEP2, and (c, f, i) JRA-55. Unit of bottom 6 panels is m2s−2.

4. 에디와 비단열항 분석

4.1 에디 운동량 플럭스

각 재분석 자료 별로 수평 에디 운동량 플럭스([u^*v^*])와 남북 방향의 수평 에디 플럭스 발산과 수렴에 대하여 분석하였다. 세 자료 모두 에디 운동량 플럭스가 적도와 고위도 부근에서 남향하며 30도 부근에서 북향하는 구조는 비슷하였으며, 200 hPa 상층에서 가장 강하게 수송되며, 각 자료간의 강도에 차이가 있었다(Figs. 4a~c). 적도 부근에서는 JRA-55의 강도가 가장 약하게 나타났고 ERA-Interim이 가장 강하게 나타났고, 북위 30도 부근에선 ERA-Interim과 NCEP2가 강하였고, 고위도 지역에선 NCEP2가 강하였다. 에디 운동량 플럭스 발산항(∂[u^*v^*]/∂y)은 해들리 순환이 존재하는 저위도에서 발산하고, 페렐 순환이 존재하는 중위도에서 수렴하였다. 200 hPa 부근에서 최대로 나타나며, 고위도 중층에서도 약하게 발산하는 것을 볼 수 있다. 각 재분석 자료들의 구조는 비슷하나 JRA-55의 강도가 다른 두 자료에 비해 약하게 나타나고, 이는 플럭스의 강도가 약한 것에 기인한 것으로 보인다(Figs. 4d~f). 에디 운동량 발산항을 연직 방향에 대해서 미분한 항(∂(∂[u^*v^*]/∂y)/∂p)은 Figs. 4g~i에 나타내었으며, 식 (10)에 의해 유선 함수와 비례관계를 나타낼 수 있다.

식 (10) 오른쪽의 첫 번째 항과 유선함수의 상관계수를 통해 규모 상호작용 분석을 하였다(Figs. 5a~c). 에디 운동량 플럭스와 유선함수는 주로 200 hPa 아래 고도인 중 · 하층에서 유의한 상관을 가지며 중위도와 고위도에서 유의한 상관관계를 갖는 것을 볼 수 있었다. 특히 에디 운동량 플럭스가 발산 및 수렴하는 지역 중에서 200 hPa 아래 지역에서 유의한 양의 상관관계를 가지는데, 이런 지역은 에디 운동량 플럭스가 평균 자오면 순환의 경년 변동성을 조절한다고 설명된다. 반면에, 고위도 상층에서 상관계수 값이 높게 나타났는데, 그 이유는 두 항(유선함수와 미분 항)의 크기가 작기 때문이다. 세 재분석 자료의 일반적인 구조는 비슷하나, ERA-Interim과 JRA-55는 적도 200 hPa 부근의 상층에서 유의한 상관을 보이며, 적도 상층에서 남향하는 에디 운동량 플럭스가 유선함수의 변동성을 조절하고 있음을 설명한다. 반면에, NCEP2는 다른 두 자료에 비해 연직 해상도가 낮기 때문인 것으로 유의한 상관관계가 나타나지 않으며, 남향하는 에디 운동량 플럭스가 유선함수의 변동성을 조절하지 못한다고 볼 수 있다. 그리고 식 (11)과 같이 섭동 항($$ \left[\overline{u^{*\text{'}}}\overline{v^{*\text{'}}}\right]$$)과 시간평균 항($$ \left[\overline{u^{*}}\overline{v^{*}}\right]$$)으로 나누어 두 항의 기여도를 분석하였다(Fig. 5). 세 재분석자료 모두 북위 30도 부근의 북향하는 에디 운동량 플럭스는 섭동 항이 평균 자오면 순환의 경년 변동성에 더 지배적으로 영향을 주었고, 적도와 북위 60도 부근의 남향하는 에디 운동량 플럭스는 시간평균 항이 지배적인 영향을 주었다(Figs. 5d~i).

에디 운동량 플럭스와 평균 자오면 순환의 상관계수 결과(Figs. 5a~c)를 두 자료를 이용한 공간 상관관계를 통해서 각 자료간의 결과를 비교하였다. 이는 각 변수들이 평균 자오면 순환의 경년 변동성에 영향을 주는 지역이 재분석자료 결과간에 어느 정도의 유사한 또는 상이한 결과를 보이는지 알기 위해 수행하였다. 분석 결과, ERA-Interim과 JRA-55가 0.869로 가장 높은 상관을 가지며, NCEP2와 ERA-Interim의 상관계수는 0.844, JRA-55는 0.818이었다(Fig. 11). 대체로 세 자료 모두 비슷한 지역에서 에디 운동량 플럭스가 평균 자오면 순환의 경년 변동성을 주도하였으나, ERA-Interim과 JRA-55의 지역이 가장 유사하였다.

Fig. 6.

Meridional cross-sections of the eddy heat flux [θ*v*] (top panels, unit: K m s−1), eddy heat divergence ∂(∂[θ*v*]/∂y (middle panels, Contour interval is 10−3 Ks−1) and the negative meridional derivative of the heat divergence ∂(∂[θ*v*]/∂y)/∂p (bottom panels, Contour interval is 10−6 Km−1s−1) for (a, d, g) ERA-Interim, (b, e, h) NCEP2, and (c, f, i) JRA-55.

Fig. 7.

Meridional cross-sections of correlation coefficient between the streamfunction and meridional derivative of the heat divergence contribution (top panels, Contour interval is 0.2). Shadings of top 3 panels represent the values significant at the 95% and 99% confidence level. Meridional cross-sections of the time mean part ([θ*¯v*¯], middle panels), and perturbation part ([θ*'¯v*'¯], bottom panels) for (a, d, g) ERA-Interim, (b, e, h) NCEP2, and (c, f, i) JRA-55. Unit of bottom 6 panels is K m s−1.

4.2 에디 열 플럭스

재분석 자료들의 에디 열 플럭스([θ^*v^*])는 북위 50도 부근에서 북쪽으로 수송되며, 연직적으로 상층 200 hPa과 하층 850 hPa에서 강하게 수송된다(Figs. 6a~c). 또한 아열대 지역 상층에서 약하게 남쪽으로 수송된다. 각 자료들의 구조는 비슷하나 상층에서 강도에 차이가 나타나는 것을 볼 수 있는데, JRA-55는 북향 · 남향하는 플럭스 모두 다른 두 자료에 비해 약하며, NCEP2가 가장 강하였다. 그러나 각 자료간의 차이가 에디 운동량 플럭스의 차이보다 작게 나타난다. 앞에서 분석된 결과와 비슷한 이유로 남북 방향의 바람의 세기 차이에 기인한 것으로 설명된다. 이러한 에디 열플럭스는 상층에선 제트 기류 파동에 의해 열이 수송되며 하층에선 경압파 구조로 열을 수송하게 된다(Grotjahn, 1993). 또한 100 hPa 이상에서도 강한 에디열 플럭스가 존재하는데, 이는 겨울철에 성층권 polar night jet가 강하기 때문에, 이로 인해 강한 열 플럭스가 형성되었기 때문이다(Kuroda and Kodera, 2004). 에디 열 플럭스의 발산항(∂[θ^*v^*]/∂y)은 북위 40도 부근에서 발산하고 북위 65도 부근에서 수렴하며, 각 자료들은 비슷한 구조를 가진다. JRA-55의 결과가 다른 두 결과에 비해 약하게 나타내며, 이는 남북 방향으로 열 플럭스의 차이가 작기 때문이며 또 다른 이유는 높은 해상도로 인하여 복잡한 결과가 나타나는 것이다(Figs. 6d~f). 해상도가 높을 경우 남북방향으로 격자 간격이 많기 때문에 미분하는 과정에서 해상도가 낮은 재분석자료보다 미분한 값이 복잡해질 것이다.

에디 열 플럭스 발산항을 남북 방향으로 미분한 항(∂(∂[θ^*v^*]/∂y)/∂p)은 Figs. 6g~i에 나타내었으며, 식 (10)을 통해 유선함수와 비례관계를 가짐을 알 수 있다. 에디 열 플럭스는 200 hPa 이상의 상층에서 유의한 상관관계를 가지며 재분석 자료에 따라 일부 중 · 하층에서도 유의한 상관관계가 있음이 나타났다(Figs. 7a~c). 아열대 지역에선 상층에서부터 중층까지 유의하며, 북위 60도에서 75도 부근에서는 상층부터 하층까지 유의한 상관관계를 보인다. 유의한 관계를 보이는 지역은 에디 열 플럭스가 발산 및 수렴하는 지역과 유사하다. 유의한 상관을 가지는 지역이 의미하는 바는 에디 열 플럭스가 평균 자오면 순환의 경년 변동성을 조절하는 것이다. 또한 NCEP2가 다른 두 자료에 비해 유의한 지역이 넓게 나타나는데, Figs. 6g~i의 결과와 비교해보면 패턴에 큰 차이가 없는 것으로 보아 남북 · 연직 격자가 적기 때문이다. 반면에 JRA-55는 격자 간격이 많아서 미분되는 과정에서 양과 음의 값이 복잡하게 나오므로 유의한 부분이 제한적이다. 격자 간격이 다른 세 자료의 결과를 이용하였기 때문에, 격자 간격에 따라 미분된 항에 대한 분석에 차이가 있었다. 식 (11)과 같이 에디 열 플럭스를 이루는 시간평균 항($$ \left[\overline{{\theta }^{*}}\overline{v^{*}}\right]$$)과 섭동 항($$ \left[\overline{{\theta }^{*\text{'}}}\overline{v^{*\text{'}}}\right]$$)으로 나누어 분석한 결과, 중위도 중 · 상층의 북향하는 에디열 플럭스의 시간평균 항이 평균 자오면 순환의 경년 변동성 조절에 더 큰 영향을 하였고, 세 자료 모두 동일한 결과가 나타났다(Figs. 7d~i). 그러나 하층에선 ERA-Interim과 NCEP2는 섭동 항의 영향이 컸고, JRA-55는 하층까지 시간평균 항의 영향이 더 강하였다.

에디 열 플럭스에 대한 상관계수 결과(Figs. 7a~c)를 두 자료간의 공간 상관계수를 이용하여 각 결과들을 분석해보면, ERA-Interim과 NCEP2가 0.645로 가장 높았고, 반면에 JRA-55와 NCEP2의 상관계수는 0.555, NCEP2는 0.505이었다(Fig. 11). 에디 운동량 플럭스의 결과와 달리 ERA-Interim과 NCEP2의 에디 열 플럭스가 평균 자오면 순환의 경년 변동성에 영향을 주는 지역이 비슷하였고, JRA-55는 두 자료와 약간 다를 것으로 생각된다.

Fig. 8.

Meridional cross-sections of the diabatic heating term ([Q][θ]/[T], top panels, and Contour interval is K day−1) and meridional derivative of the diabatic heating term ∂(∂([Q][θ]/[T])/∂y (bottom panels, Shading interval is 10−3 Km−1day−1) for (a, d) ERA-Interim, (b, e) NCEP2, and (c, f) JRA-55. Solid lines and dashed lines represent positive and negative value, respectively.

4.3 비단열 가열항

식 (10)의 마지막 항인 비단열 가열항에 대해서 분석하기 위해 열역학 방정식을 통해 얻어진 ERAInterim, NCEP2 그리고 JRA-55 자료의 값을 이용하여 분석하였다. 세 자료는 공통적으로 적도의 전체 연직 대기와 저위도의 하층에서 가열되며, 그 외 대부분의 대기에선 냉각되며 특히 저위도의 850 hPa에서부터 200 hPa의 고도에서 강하게 냉각된다(Figs. 8a~c). 일반적으로 알려진 결과에 따르면 적도의 가열은 잠열 방출에 의해서, 저위도 하층의 가열은 현열에 의해 나타날 것이며, 이러한 비단열 가열 및 냉각은 대기 순환에 영향을 주어 평균 자오면 순환의 변화에 대한 원인으로 작용한다. 각 재분석 자료의 다른 점을 비교해보면 ERA-Interim과 JRA-55의 중위도 상층에서 나타나는 가열은 Fig. 3에서 북위 30도 이상의 위도에서 대류권계면 높이가 200 hPa 이상이며 경도에 따라 300 hPa 이상인 지역도 존재하므로 성층권에서의 가열로 인한 것으로 생각된다. 반면에 NCEP2에선 이러한 가열이 나타나지 않은 것은 자료의 연직 해상도가 낮아서 이러한 대기의 연직적인 변화를 제대로 파악하기 어려운 것으로 보인다. 그러나 어떠한 요인으로 인한 결과인지 자세한 분석이 필요할 것으로 보인다. Figures 8d~f는 남북방향으로 미분한 비단열 가열항(∂([Q][θ]/[T])/∂y)이며, 적도 부근과 저위도는 음의 값, 북위 30도 부근에선 양의 값이 비슷한 구조를 가지며, 각 재분석 자료의 강도는 약간 다른 것을 볼 수 있으며, 식 (10)을 통해 유선함수와 비례관계임을 알 수 있다.

식 (10)을 통해 비단열 가열항과 유선함수와의 규모 상호작용 분석을 하기 위해 비단열 가열항을 남북 방향에 대하여 미분하여 상관계수를 계산하였다. 유선함수와의 상관관계 분석 결과 적도 부근과 중위도 지역에서 높은 상관관계를 보였다(Fig. 9). 특히 적도에선 세 재분석 자료 모두 전체 연직 대기에 유의한 관계를 보이는데 이는 적도의 따뜻한 해수면으로부터 상승기류가 일어나고 응결에 의한 잠열이 발생하므로 해들리 순환의 열원으로 작용한다. 이러한 물리적인 요인으로 높은 상관관계를 갖는다. 또한 중위도 지역에서는 비단열 가열항의 남북 미분 항이 강한 양의 값이 나타나므로, 유선함수와 유의한 상관관계를 가진다. 물리적으로 북위 30도 부근에서 복사 냉각이 일어나므로 하강 기류가 발생되어 해들리 순환과 페렐순환에 영향을 주게 된다. 즉 유의한 상관관계를 보이는 지역에서는 비단열 가열항이 평균 자오면 순환의 경년 변동성을 조절할 수 있다. 그리고 열적 간접 순환인 페렐 순환이 나타나는 중위도 지역에서도 양의 상관관계를 보이는데 이는 중위도에서의 복사 냉각이 페렐 순환의 경년 변동성을 조절할 수 있음을 설명하며, 명확한 물리적인 메커니즘은 더 연구되어야 할 부분이라고 생각된다.

Fig. 9.

Meridional cross-sections of correlation coefficient between the streamfunction and meridional derivative of the diabatic heating term for (a) ERA-Interim, (b) NCEP2, and (c) JRA-55. Shadings represent the values significant at the 95% and 99% confidence level. Contour interval is 0.2.

열역학 방정식으로 구한 비단열 가열항은 어떤 가열항의 요인인지 자세히 알 수 없으므로, NCEP2에서 제공하는 비단열 가열항을 이용하여 순복사 가열항, 잠열에 의한 가열항, 그리고 경계층에서의 가열항으로 나누어 분석하였다(Figs. 10a~d). 다른 두 재분석자료는 비단열 가열항에 대한 자료를 제공하지 않으므로 NCEP2에 대한 결과만을 보였다. 대류권 대부분 지역에서의 가열은 잠열 방출에 의한 가열이며, 대부분 지역에서의 냉각은 복사 냉각에 의한 것이다(Peixoto and Oort, 1992). 전체 비단열 가열항의 경년 변동성은 적도에서 크며, 큰 경년 변동성을 가지는 잠열 방출에 기인한 것이다. 위와 같은 방법으로 식 (10)을 이용하여 유선함수와 전체 비단열 가열항 및 각 세 항과의 상관관계 분석을 하였다(Figs. 10e~h). 계산된 결과(Fig. 9)와 비교하면 북반구에서 유의한 지역이 적도 부근에서 다르며, 계산된 값과 위성자료 등 다른 자료들을 이용하여 만들어진 값(NCEP2 제공)의 차이 때문이다. 전체 비단열 가열항의 유의한 지역과 세 항의 유의한 지역을 비교해보면, 잠열 방출에 의한 가열이 가장 지배적이며, 비단열 가열항이 평균 자오면 순환의 경년 변동성을 조절하는데 있어 잠열 방출의 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 반면 다른 두 항(순복사 가열항, 경계층 가열항)의 영향은 거의 유의하지 않았다.

세 재분석 자료 결과를 비교해보면 NCEP2가 가장 넓은 영역에서 유의한 상관을 가졌으며 ERA-Interim이 가장 좁게 나타났고, 이는 세 자료의 해상도 차이에 인한 영향이 있을 것이다. 마지막으로 세 재분석 자료의 상관계수(Fig. 9)에 대하여 두 자료간의 공간 상관계수를 구하였을 때, ERA-Interim과 JRA-55가 0.902로 두 자료의 패턴이 가장 유사하였고, NCEP2는 ERA-Interim (JRA-55)과의 공간 상관계수는 0.748(0.752)이었다(Fig. 11). 에디 운동량 플럭스 결과와 유사하게 ERA-Interim과 JRA-55는 비슷한 지역에서 비단열 가열항이 평균 자오면 순환의 경년 변동성에 영향을 주는 것을 알 수 있다.

Fig. 10.

The climatology (shading) and interannual variability (contour) of the total diabatic heating rate for atmosphere (a) and its components, i.e., the net radiative heating (b), the latent heat release (c), and the sensible heating in the boundary layer (d) in units of K day−1. Meridional cross-sections of correlation coefficient between the streamfunction and the meridional derivative of (e) total diabatic heating term, (f) net radiative heating, (g) latent heat release, and (h) boundary layer heating for NCEP2. Shadings of right panels represent the values significant at the 95% and 99% confidence level.

5. 요약 및 토의

본 연구에서는 평균 자오면 순환-에디 상호작용 방정식을 통해서 평균 자오면 순환과 에디 그리고 비단열 가열항과의 상호작용을 분석하였으며, 세 가지 재분석 자료(ERA-Interim, NCEP2와 JRA-55)에 대한 결과를 비교하였다. 평균 자오면 순환에 대한 분석 결과, 사용된 세 재분석 자료의 앙상블 평균과 ERAInterim의 공간 상관계수가 가장 컸고, 이는 두 결과가 유사한 분포를 가졌음을 설명한다. 또한 JRA-55는 해들리 순환과 페렐 순환이 강하게 나타났는데, 이는 에디 열 플럭스의 강도와 반비례 관계로 설명된다. 열 플럭스가 강하게 수송되면 남북 온도 경도를 감소시켜 해들리 순환이 약해지게 된다. 해들리 순환의 극쪽으로의 확장에 대해 비교해 보면 NCEP2가 가장 강하였고 JRA-55가 가장 약하게 확장되는 모습을 보였다. 해들리 순환의 세기와 폭에 영향을 주는 남북 온도 경도와 대류권계면의 높이로 설명될 수 있다. 해들리 순환의 세기는 아열대(중위도)의 남북 지표 온도 경도와 비례(반비례) 관계를 가졌다. 그러나 대류권계면의 높이와의 관계는 명확히 밝히지 못하였다. 본 연구에서 이용한 두 역학적 요인 외에도 적도와 극의 지표 온위 경도, 온실 기체의 증가와 성층권 오존 농도 등 다른 역학적 및 외부 요인들의 영향도 함께 고려하여 분석하여야 한다.

다음으로는 에디 운동량 플럭스, 에디 열 플럭스와 비단열 가열항에 대해서 세 재분석 자료 결과를 비교하였다. 세 결과의 구조는 비슷하였고, 강도에서 약간의 차이를 보였다. 에디 운동량 플럭스는 200 hPa에서 최대이며, 적도와 북위 60도(30도) 부근에선 남쪽(북쪽)으로 수송된다. 에디 운동량 플럭스의 발산 및 수렴은 평균 자오면 순환이 일어나는 지역을 결정짓는다. 또한 에디 열 플럭스는 중위도에서 최대로 극쪽으로 수송되며 하층(850 hPa)과 상층(200 hPa)에 두 개의 극 값을 가지며, 특히 200 hPa 부근에서 최대로 극향 수송되었다. 그리고 열 플럭스가 강하게 수송되는 경우 해들리 순환의 세기를 감소시켰다. ERAInterim과 NCEP2는 JRA-55에 비해 에디 운동량과 열 플럭스가 강하게 나타났다. 비단열 가열항은 적도 전체 연직 대기와 중위도 하층에서 가열이 일어나며, 그 외 대기에선 대부분 냉각되었다.

식 (10)의 오른쪽의 세 항을 이용하여 유선함수와의 규모 상호작용 분석과 식 (11)을 통해 에디 플럭스를 두 항으로 나누어 어느 에디 항의 영향이 뚜렷한지 분석하였다. 그 결과 평균 자오면 순환과 에디 플럭스 간의 강제력 반응의 관계는 정확히 파악하기 어렵지만 200 hPa 아래의 고도인 중 · 하층에선 위도에 따라 에디 운동량 플럭스가 유의한 상관관계를 가졌다. 특히 에디 운동량 플럭스가 발산 및 수렴하는 지역 중에서 200 hPa 이하의 지역에서 유의한 양의 상관관계를 보였다. 이 지역은 에디 운동량 플럭스가 평균 자오면 순환의 경년 변동성을 조절함을 의미하며, 시간에 대한 섭동 항의 영향이 더 강하였다. 반면에 에디 열 플럭스와 평균 자오면 순환의 규모 상호작용을 분석한 결과, 에디 열 플럭스가 발산 및 수렴이 강하게 나타나는 지역에서 유의한 양의 상관관계가 존재하는 것을 볼 수 있었다. 대부분 200 hPa 부근에서부터 더 상층의 대기에서 유의한 상관관계를 보였고, 아열대 지역에서 열 플럭스의 발산과 북위 60도 부근의 수렴이 평균 자오면 순환과 큰 관련이 있음을 알 수 있었다. 이러한 지역들은 평균 자오면 순환의 경년 변동성은 에디 열 플럭스에 의해 유의하게 조절되며, 주로 시간평균 항의 영향이 더 강함을 알 수 있었다. 또한 비단열 가열항은 적도의 전체 연직 대기와 중위도 지역에서 유선함수와 유의한 상관관계를 가지며 해들리 순환과 페렐 순환의 경년 변동성에 상당하게 조절하였으며, 잠열 방출에 의한 가열항이 지배적으로 기여하였다. 그리고 각 재분석 자료의 결과를 비교해보면, NCEP2가 가장 넓은 영역에서 유의한 상관을 가졌으며 ERA-Interim이 가장 좁게 나타났다. 세 자료의 격자 간격에 따라 결과에 유의한 상관을 가지는 지역에 차이가 존재하였다.

식 (10)의 미분된 두 에디 항의 크기와 평균 자오면 순환의 강도를 비교하였을 때, 평균 자오면 순환(해들리 순환과 페렐 순환)의 강도는 JRA-55, NCEP2, ERA-Interim 순서로 강하였다. 그리고 연직방향으로 미분된 에디 운동량 플럭스 발산항(a항)은 ERA-Interim, NCEP2, JRA-55 순서로, 남북방향으로 미분된 에디 열 플럭스 발산항(b항)은 JRA-55, ERA-Interim, NCEP2 순서로 강하였다. 즉 a항(b항)은 해들리 순환의 세기와 반비례(비례) 관계를 가지는 경향이 있음을 세 개의 재분석 자료 결과에서 보였고, 이는 본 연구에 사용된 평균 자오면 순환–에디 상호작용 방정식(식 10)을 뒷받침해준다.

세 항과 동서 평균된 유선함수의 상관계수 결과를 각 재분석 자료간의 공간 상관계수를 분석한 결과, 에디 운동량 플럭스와 비단열 가열항은 ERA-Interim과 JRA-55의 상관계수가 가장 컸고, 에디 열 플럭스는 ERA-Interim과 NCEP2와의 상관계수가 컸다. 에디 운동량 플럭스와 비단열 가열항이 평균 자오면 순환의 경년 변동성을 조절하는 지역은 ERA-Interim과 JRA-55가 유사하며, 에디 열 플럭스는 ERA-Interim과 NCEP2가 유사한 것을 알 수 있다. 반면에 세 재분석 자료간의 차이가 가장 큰 항은 에디 열 플럭스이고 자료의 격자 간격에 가장 민감하게 변화하는 것을 보였으며, 특히 JRA-55의 유의한 지역이 좁게 나타났다.

본 연구에서는 겨울철 북반구의 평균 자오면 순환과 에디 플럭스 및 비단열 가열항과의 상호작용을 세 가지 재분석 자료를 이용하여 분석하였다. 에디 운동량 플럭스, 열 플럭스 그리고 비단열 가열항은 평균 자오면 순환과 세 항이 각각 다른 지역에서 유의한 양의 상관관계를 가지는 것을 확인하였으며, 각 세 항이 특정 지역에 대하여 평균 자오면 순환의 경년 변동성을 조절하는 것을 밝혔다. 그리고 재분석 자료마다 평균 자오면 순환의 세기와 폭, 그리고 에디 운동량, 열 플럭스와 비단열 가열항의 강도가 다르며, 각 항의 경년 변동성 또한 다르게 나타난다고 분석된다.

Fig. 11.

Pattern correlation coefficient between two reanalysis data sets of Figs. 5(a~c) (eddy momentum flux), Figs. 7(a~c) (eddy heat flux), and Fig. 9 (diabatic heating). Blue, red, and green dot represent ERA-Interim and NCEP2, ERA-Interim and JRA-55, and NCEP2 and JRA-55 datasets.

Acknowledgments

이 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 핵심연구(No. 2012R1A2A2A01008501)의 지원에 의해서 이루어졌습니다.

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