Atmospheric responses to changes in the spatial distribution of Arctic sea ice thickness

Abstract

1. 서 론 해빙은 전지구 면적의 7%밖에 차지하지 않지만 에너지 평형, 물 순환, 역학 등에 영향을 주어 기후 시스템에 중요한 역할을 하고 있다 (Screen et al., 2018). 이러한 해빙이 최근 급격히 감소하고 있고 해빙의 감소가 대기에 어떠한 영향을 미치는가? 에 대한 많은 선행 연구들이 있지만 현재까지 이에 대한 대부분의 연구는 해빙 농도의 감소에만 집중되어 있는 실정이다 (e.g. Kim et al., 2014). 그와 비교하여 해빙의 두께가 대기에 미치는 영향에 대한 연구는 상대적으로 많지 않다. 이는 해빙의 두께 관측이 쉽지 않고, 장기간 해빙 두께 자료의 확보는 더더욱 어렵기 때문이다. 이러한 이유로 일부 대기 모델들은 해빙의 농도는 처방하지만 해빙이 존재하는 모든 영역의 해빙 두께를 일정한 두께로 처방해왔다. 그러나 관측된 해빙 두께는 캐나다 군도에서 가장 두껍고 동시베리아부터 카라해 등의 가장자리에서는 얇은 공간분포를 나타내고 있다. Adachi et al. (2006)는 해빙 두께에 따라 지표 기온이 달라짐을 보인 바가 있다. 본 연구에서는 먼저 해빙두께의 공간분포가 대기의 반응에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 알아보고자 한다. 또한 해빙이 감소할 때 해빙의 공간분포가 대기의 반응에 미치는 영향도 알아보고자 한다.

2. 자료 및 방법 본 연구에서 사용한 모델은 Community Earth System Model (CESM) version 1.2.2 이다. CESM은 전지구 기후모델로써 대기, 지면, 해빙, 해양, 육빙, 강 성분 모델이 모두 접합되어있는 모델이다. 그 중에서도 본 연구에서는 대기 모델에 해수면온도와 해빙 농도를 매년 처방하는 형태의 성분모형 세트를 사용하였다. 해빙두께의 공간적 분포가 해빙농도가 존재하는 북극 영역의 해빙두께를 일괄 처방한 실험(CTL)과 관측과 유사한 해빙두께를 처방한 실험(THK)을 수행하였다. CTL 실험과 THK 실험 모두 해수면온도와 해빙농도는 1979년부터 2014년까지 평균된 OISST를 사용하였다. 여기에 CTL 실험에서는 해빙 농도가 존재하는 지역에 대해 2m로 일정한 해빙두께를 처방하는 반면, THK 실험에서는 동일한 기간에 대해 평균된 Global Ice-Ocean Modeling and Assimilation System (GIOMAS)의 해빙두께를 처방하였다. 여기에 추가적으로 카라-바렌츠 해의 11월부터 12월의 면적평균 해빙농도가 50% 보다 적었던 해 (Kim et al., 2014)를 선택하여 해빙이 적은 시기에 대한 대기 반응 실험을 수행하였다. 카라-바렌츠 해빙이 적은 해에 대하여 평균된 해수면온도, 해빙농도, 2m의 일괄 해빙두께를 처방한 실험 (LCTL)과 동일한 해수면온도, 해빙농도에 해빙이 적은 해의 GIOMAS 해빙두께를 처방한 실험 (LTHK)을 수행하였다. 각 실험들은 동일한 경계조건을 처방하여 100년동안 적분하였다. 본 연구에서는 후반 90년의 결과를 분석하였다. 모델 검증을 위해 ECMWF의 ERA-Interim (Dee et al. 2011)을 사용하였다.

3. 결과 먼저 해빙두께 공간분포가 대기에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보기 위하여 해빙이 존재하는 모든 북극 영역의 해빙 두께를 2m로 처방한 실험 (CTL)과 GIOMAS의 평균 해빙두께를 처방한 실험 (THK)을 비교하였다. 평균적으로 캐나다 군도 지역에서는 THK의 해빙두께는 CTL보다 더 두껍고 해빙의 가장자리 지역에서는 THK의 해빙두께가 CTL보다 더 얇게 처방되었다. 해빙두께 공간분포가 달라짐에 따라서 지표온도도 차이난다. THK에서 해빙이 두껍게 처방된 캐나다 군도 지역에서는 CTL보다 지표기온이 낮다. 이러한 특성은 연중 지속적으로 나타나지만 여름에는 차이가 거의 없다. 또한 초겨울에는 랍테프 해 부근에서 THK의 지표온도가 CTL보다 더 높게 나타난다. 이 비교에서 북위 45도 부근의 중위도까지도 해빙 두께의 변화에 따른 기온 변화 효과가 나타난다는 사실은 매우 흥미롭다. 다음으로 해빙이 감소된 해에 대해서 해빙 두께 분포변화는 대기에 어떻게 영향을 미치는지를 살펴보기 위하여 LCTL, LTHK 실험을 CTL, THK 실험과 함께 비교하였다. ERA-Interim은 해빙이 감소된 해의 겨울철에는 전체 기간 평균 지표 온도와 비교하여 북극해 중앙이 온난해지고 유라시아 대륙이 한랭해진다. 북극 해빙 두께를 2m로 고정한 경우보다 (CTL과 LCTL 실험) GIOMAS의 해빙 두께를 처방한 경우에 (THK과 LTHK 실험) 해빙감소에 대한 대기의 반응이 위에 언급한 ERA-Interim의 반응과 더욱 유사하게 나타났다. 본 연구를 통하여 해빙두께의 공간분포를 GIOMAS로 처방함으로써 해빙이 중위도 및 고위도 대기에 미치는 영향에 대한 이해를 더욱 높일 수 있음을 확인하였다.