(The) upper tropospheric cooling associated with interdecadal change of storm track : its causal analysis = 스톰트랙의 수십년 변동과 관련된 상부 대류권 냉각현상과 그 원인 연구

국문 초록 (Abstract)

스톰트랙은 기후 시스템에서 에너지 균형을 유지하는데 중요한 역할을 하며 그 변동성은 평균장의 변화와 밀접한 관련이 있다. 이에 따라 북반구 겨울철 스톰트랙의 수십년 변동의 원인을 1970년대를 기점으로 나타난 기후의 수십년 변동과 관련하여 분석하였다. 대류권 상부의 온도변화 특징은 지구온난화 경향에 반하여, 유라시아 대륙에서 강한 냉각현상을 보이며, 이는 남북방향 뿐만 아니라 동서, 연직 방향으로도 강한 열적 차이를 유발하여, 경압불안정을 강화하고, 스톰트랙의 발달에 강한 소스로 작용할 수 있다. 이 냉각현상의 원인과 그 메커니즘을 이해하는 것이 곧 1970년대 이후 강화된 스톰트랙을 이해하는데 중요한 단서가 될 수 있기 때문에, 유라시아 지역 대류권 상부 온도의 수십년 변동에 대한 원인이 분석되었다.
스톰트랙과 대류권 상부 온도장의 주모드 시계열들은 경년, 수십년 시간스케일에서 높은 상관을 보였다. 1970년을 전후로 대류권 상부에서 평균장의 변화는 적도지역 해양의 온도상승과 중위도 유라시아 대륙의 냉각현상을 뚜렷하게 보였고, 남북 온도 경도가 강하게 형성된 지역을 따라 종관스케일의 시간 에디 플럭스와 스톰트랙 강화가 나타났다.
유라시아 대류권 상부 냉각의 원인분석에서 유라시아 지역을 고위도 지역과 저위도 지역으로 구분하여 수십년 변동의 온도 아노말리를 시간-연직 차트에서 분석하였다. 성층권에서의 온도 아노말리는 고위도 지역이 저위도 지역에 비해 상당 순압적인 (equivalent barotropic) 특징을 보였다. 특히 11월에 성층권 중층에서 대류권 상부까지 강한 냉각현상이 유의하게 나타났다. 또한 이때 성층권 11월의 온도변동성과 11월에서 1월까지 평균된 대류권 상부 온도의 비정칙치 분해 (SVD)를 이용한 결합모드의 분석결과, 유라시아 상부 대류권 냉각 모드가 유라시아 북동부에서 성층권의 냉각 모드와 경년, 수십년 시간스케일에서 높은 상관을 나타내었다.
이러한 성층권에서의 동서 비대칭적인 아노말리가 성층권 순환장의 변동성과 어떠한 관련이 있는지 보기위하여 동서방향 바람장을 북반구 영역에서 EOF 분석하였고, 그 결과 통계적으로 유의한 두 모드를 얻었다. 첫 번째 모드에서 고리모양의 변동성이, 두 번째 모드에서 유라시아 대륙에 동서방향바람 강화와 관련된 모드가 나타나 각각 고리모양 모드 (Annular mode)와 유라시안 모드(Eurasian mode)로 정의하였다. 유라시안 모드는 유라시아 대류권 상부 온도의 냉각과 관련을 보였다. 이로서 동서 비대칭적인 유라시아 대륙의 온도 변동성이 성층권 기후 변동의 주 모드인 극 소용돌이(Polar vortex)와는 독립적인 현상으로 이해할 수 있었다. 또한 유라시아 모드와 관련된 대류권 순환은 PNA와 NAO를 강화시켜 태평양과 대서양의 두 스톰트랙을 강화시킬 수 있는 모드로 나타났다.
성층권 온도와 순환의 변화는 오존과 대류권으로부터 전파되는 웨이브 엑티비티 (Wave activity)의 변화에 의해 크게 영향을 받는다. 이에 따라 유라시아의 냉각 지역과 동서바람 강화가 나타난 지역을 중심으로 성층권의 연직성분 웨이브 엑티비티 플럭스의 변화를 보았고, 그 결과 이는 1970년대를 기점으로 감소한 것으로 나타났다. 대류권으로부터 성층권으로 유입되는 에너지의 감소는 성층권 냉각과 동서바람 강화를 더 강화시키고, 이것은 대류권으로부터의 웨이브 엑티비티 플럭스를 저위도로 편향시켜 성층권의 온도가 더 감소할 수 있는 양의 피드백을 가지게 된다. 이러한 과정에서 지역적인 성층권 온도감소의 원인으로 오존감소가 제시되어져 왔으며, 이 관계를 보기 위해 연직 웨이브 엑티비티 플럭스 변화에 관계된 오존 변동성을 보았다. 이들은 유라시아 북부에서 양의 상관을 보였으며, 또한 성층권 온도장과 오존양의 SVD 분석에서도 유라시아 북동부 지역의 온도감소가 유라시아 지역의 오존 감소와 높은 상관을 보였다. 이로서 오존감소에 따른 온도변화는 열적효과와 함께 성층권 순환과 관계하여 역학적 효과로서도 성층권 온도감소 피드백에 기여하게 된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Backgrounds 1
• 1.1.1 Characteristics of storm track variability 1
• 1.1.2 Climate regime shift in upper tropospheric cooling 2
• 1.2 Objectives 4
• 2. Data and Methods 6
• 2.1 Observational dataset 6
• 2.2 Analysis methods 6
• 3. Interdecadal Variability of Storm Track and Change in Thermal State 10
• 3.1 Climatological characteristics of storm track 10
• 3.2 Interdecadal change of tropospheric temperature and storm track 12
• 3.3 Relationship between tropospheric temperature and storm track 23
• 4. Causal Analysis of Upper Tropospheric Cooling 28
• 4.1 Definition of the upper tropospheric cooling (UTC) 28
• 4.2 Interdecadal change in stratospheric circulation 36
• 4.3 Upward propagating wave activity and ozone 43
• 5. Summary and Conclusion 50
• References 54
• Abstract 60