Cloud-longwave feedback processes over the tropical and Arctic regions

• Main Author: 조희제
• Other Authors: 허창회, Cho, Heeje, 자연과학대학 협동과정 계산과학전공
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: 서울대학교 대학원 2020
• Subjects: 004; Arctic
• Online Access: https://hdl.handle.net/10371/167612; http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000160336

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :자연과학대학 협동과정 계산과학전공,2020. 2. 허창회. 구름은 대기 상부와 지구 표면에서의 복사량을 조절하여 지구의 온도를 크게 변화시킬 수 있다. 지구가 온난화를 겪는 과정에서 구름이 어떤 식으로 변화하고 있는지를 아는 것은 미래 기후 예측에 매우 중요하지만, 관측 자료 및 수치 모델링을 통해 이를 파악하기에는 어려움이 있다. 구름 되먹임으로 일컬어지는 이 물리 과정은 관측 자료를 통해 그것의 정량적 규모를 판단하기가 쉽지 않다. 이 학위 논문에서는 대기 상부 복사량의 위성 관측 자료를 이용하여 이러한 되먹임 작용의 규모를 추정할 수 있는지를 살펴보았다. 되먹임 지수는 지구 평균 기온의 변화에 대한 대기 상부 복사량의 반응으로 정의되는데, 대기 상부 복사량의 시간적 변화 속에는 이러한 되먹임 작용으로 인한 반응 뿐 아니라 잡음 역시 포함되어 있다. 다양한 조건에서의 개념 모델 실험 결과, 복사량 시계열에서의 잡음 비율이 표준편차 기준으로 약 5% 미만이라면 시계열 분석을 통한 되먹임 지수의 정량 추정이 가능하다고 여겨진다. 하지만 위성 관측에서 나타난 전지구 평균 대기 상부 복사량의 시계열에서 잡음 비율은 약 13%를 상회하는 것으로 드러났다. 반면 전지구 평균이 아니라 북위 20도와 남위 20도 사이의 열대 지역의 복사량, 특히 지구가 방출하는 장파복사량의 시계열을 사용하는 경우에는 되먹임값 정량 추정의 가능성을 보였으며 그 값은 3.9 W m−2 K−1으로 추정되었다. 이는 대기의 연직 대류 활동이 매우 활발한 열대 지역에서는 해수면 온도의 변화가 구름 및 수증기의 변화를 유도하여 해당 지역에서의 복사량 반응을 끌어낼 수 있음을 의미한다. 또한 태양광의 반사에 해당하는 단파복사에 비해 지구가 방출하는 장파복사의 경우, 되먹임 작용의 신호 대 잡음비가 커서 복사 되먹임 작용의 정량 추정 가능성이 높음을 의미한다. 이러한 이해를 바탕으로, 구름의 장파복사 되먹임을 정량 진단할 수 있을 것으로 기대되는 두 가지 지역 기후를 대상으로 연구를 진행하였다. 첫 번째는 열대 서태평양(20°N–20°S, 130°E–170°W)으로, 구름이 해수면 온도의 변화에 가장 민감한 것으로 알려진 지역이다. 두 번째는 겨울철의 북극해 지역인데, 이때는 태양광이 존재하지 않는 극야 기간이므로 구름의 복사 효과가 장파복사 효과 만을 가질 수 있다. 열대 서태평양의 구름 장파복사 되먹임을 진단하기 위해 정지궤도위성의 관측자료를 이용하였는데, 정지궤도위성은 높은 시간 및 공간 분해능의 관측을 제공하므로 열대 지역 대기의 대류 활동을 관측하기에 적합하다. 결과적으로 이 지역 구름의 장파복사 되먹임 지수는 15.72 W m−2 K−1으로 추정되었는데, 이는 해수면 온도가 증가/감소할 때 구름을 통한 장파복사 방출이 큰 폭으로 증가/감소되어 본래의 온도 평형 상태를 빠르게 회복하려는 효과가 존재함을 의미한다. 이러한 효과는 해수면 온도가 증가할 때 구름의 수평 면적이 감소하고, 해수면 온도가 감소할 때 구름의 수평 면적이 증가하는 과정을 통해 (−14.4% K−1) 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다. 최근 북극 및 주변 지역의 겨울철 운량은 증가하는 추세인데 지난 몇 세기 동안의 북극해 해빙 감소가 이에 영향을 끼쳤을 수 있다. 만약 그렇다면, 증가한 운량은 지면으로의 장파복사를 강하게 하여 해빙을 더욱 감소시키는 양의 되먹임 효과를 가진다. 그러나 해빙 면적 뿐 아니라 해수면 온도 및 대기 순환의 변화 역시 운량에 영향을 줄 수 있으므로, 해빙의 변화가 구름에 끼치는 영향 만을 분리하기 위해서는 수치 모델 실험이 필요하다. 이 학위 연구에서는 보다 현실에 가까운 구름을 모의하기 위해 중규모 모델을 이용하였고, 위성 구름 관측과의 비교를 통해 이 모델이 북극의 겨울철 구름을 잘 모의하고 있는지를 우선 검증하였다. 다른 모든 조건을 동일하게 하고 해빙 면적 만을 감소시켰을 때, 북극해의 운량 및 구름의 질량은 해빙이 줄어든 영역을 중심으로 증가하였는데, 재분석 자료에서 나타난 지난 40년 간의 구름 변화와 유사성을 보이고 있어서, 이 변화의 많은 부분을 해빙 감소로 설명할 수 있음을 ...