현재–바람 상호작용은 공기–해양 운동량과 난류 열 플럭스(열유속)를 조절하며, 이는 열대저기압(Tropical Cyclones, TCs)의 에너지 순환에서 핵심적이다. 그러나 열대저기압 하에서 표층 해류가 공기–해양 교환에 미치는 영향은 아직 불명확하다. 본 연구에서는 대기–해양 연성(결합) 모델을 사용하여 현재–바람 상호작용이 열대저기압의 강도 결정에 어떤 역할을 하는지 조사하였다. 표층 해류는 전반적으로 표층 바람과 일치하는 경향을 보인다. 현재–바람 상호작용을 고려하면, 이 일치는 공기–해양 난류 열 플럭스와 운동량 플럭스 모두를 감소시키는데(평균 1.0% 및 2.5%), 이는 각각 열대저기압의 에너지 공급원과 에너지 흡수원 역할을 한다. 에너지 공급원(흡수원)의 감소(증가)는 열대저기압의 성장률을 평균 −1.9%(+1.3%)만큼 낮추며, 최대 −13.7%(+11.1%)까지 변화시킨다. 계절 규모를 넘어서는 시뮬레이션에서는 현재–바람 상호작용의 누적 효과가 열대저기압의 발달(생성)에 영향을 주어, 열대저기압 계절 동안의 표층 바람 속도와 해수면 온도를 변화시킨다. 이러한 결과는 현재–바람 상호작용에 의해 유발되는 열대저기압 관련 중요한 되먹임(feedback) 메커니즘이 있음을 보여준다.

2050년까지 담수화 플랜트에 의한 담수 생산은 오늘날 수준에 비해 여섯 배 이상 증가할 것으로 전망된다. 현재 아라비아 걸프(Arabian Gulf)에는 수백 기의 해수 담수화 플랜트가 가동 중이며, 염수(brine) 방류에 대한 지역 및 국지적 반응은 특히 남서부 걸프의 아라비아 해안에서 상당히 클 수 있다. 본 연구에서는 염수화 억제 시나리오가 담수화가 전혀 없는 경우부터 현재 수준의 50배(50×)에 이르는 극단적 조건까지 다양하게 설정된 상황에서, 담수화 유도로 인한 걸프 내 순환과 수괴(water mass) 변환에 대한 염분 증가의 영향을 규명하기 위해 걸프 및 오만해(Sea of Oman)를 대상으로 2.5 km 해상도의 해양 모델을 사용한다. 강제력이 강화될수록 염도가 높고 따뜻하며 밀도가 큰 해수가 걸프의 바닥으로 침강하여 염분과 수온이 증가하며, 가장 극단적인 시나리오에서는 남쪽 해안선 인근의 수층(지하/중층에 해당하는) 수온과 염분이 각각 약 0.6 °C와 2 g/kg 상승하는 것으로 나타났다. 강제력이 증가함에 따라, 호르무즈 해협(Strait of Hormuz)을 통해 더 담수화된 물이 유입되는 표층 유입은 강화되고, 따뜻하고 염도가 높은 물의 오만해로의 유출은 더 강해진다. 염수 방류에 의해 증진되는 걸프 내측과 오만해 사이의 효율적인 수괴 교환은 호르무즈 해협을 통해 강화되고 심화되어, 유입 및 유출 유량을 각각 20 % 증가시키며, 극단적인 담수화 시나리오에서도 대규모의 수온과 염분 변화를 효과적으로 완화한다. 영향은 담수화 플랜트 인근에서 훨씬 더 크게 나타나며, 표층 및 중층(부층) 흐름 패턴의 변화, 질량(수괴) 변환의 증가, 그리고 자오(meridional) 및 연직(zonal) 방향의 재전도(overturning) 순환의 강화가 관찰된다.

대서양 자오선 적도반전 순환(AMOC)은 열 수송에서의 역할 때문에 기후 시스템의 중요한 구성 요소이다. 이 순환의 강도는 표층 밀도에 민감하지만, 남극해 담수 이상 현상이 미치는 영향의 메커니즘은 상대적으로 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 중간 복잡도의 지구 시스템 모델을 사용하여 남극 빙상 용융수(ice sheet meltwater)가 대서양 자오선 적도반전 순환에 미치는 영향을 규명한다. 남극해의 태평양 부문에서 발생한 용융수는 동쪽으로 수송되고, 드레이크 해협(Drake Passage)을 통과한 뒤 북쪽으로 이동하여 북대서양에 도달한다. 또한 남극해의 냉각은 열대 수렴대인 열대수렴대(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)를 북쪽으로 이동시키며, 그 결과 열대 대서양에서의 강수량이 증가한다. 이에 따라 감소한 염분이 대서양 자오선 적도반전 순환을 약화시킨다. 담수 호싱(freshwater hosing)의 총량은 일정하게 유지한 채 호싱의 지속 기간을 변화시킨 추가 실험 결과, 용융수의 진폭(amplitude)과 지속 기간(duration)이 대서양 자오선 적도반전 순환의 감소 정도를 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것이 나타났다. 해양-대기 결합 일반순환모델 결과에 따르면, 남극 빙상 용융수는 표층을 냉각하고 ITCZ를 북쪽으로 이동시켜 강수량을 증가시키고 염분을 낮추며, 그 결과 북부 열대 대서양에서 순환 강도를 감소시키면서 대서양 자오선 적도반전 순환에 영향을 미친다.

남극의 계절 해빙대(seasonal ice zone) 상공에서의 자오선 방향 바람(meridional winds)은 변화해 왔으며, 최근 수십 년 동안 해빙 면적의 변동성에 기여했을 가능성이 있다. 본 연구에서는 관측자료와 남극 계절 해빙대를 대상으로 한 부정확성-해상(eddy-resolving) 채널 모델을 사용하여, 자오선 방향 바람 변화가 해빙 분포에 미치는 영향을 조사하고, 그에 따라 기저 해양이 어떻게 변화할 수 있는지 문서화한다. 남반구 겨울(austral winter) 동안 남풍(southerly) 이상(anomalies)은 적도 방향으로의 해빙 표류를 촉진함으로써 해빙 면적의 증가로 이어지는 것으로 나타난다. 그 결과, 해안 지역 인근에서는 더 많은 리드(leads)와 폴리냐스(polynyas), 얼음 생산, 부력 상실이 발생하고, 남극순환해류(Antarctic Circumpolar Current) 인근의 열린 해양에서는 담수화가 진행된다. 반대로, 여름철(summertime) 남풍 이상은 해빙 경계(sea ice edge) 인근의 온난화 이상으로 인해 해빙 면적을 감소시킨다. 이는 표면 열 플럭스(surface heat flux)와 염분 배출(brine rejection)을 통한 부력 상실이 강화되어 유발된 자오선 방향 대수직 순환(meridional overturning circulation, MOC)의 강화의 결과이며, 상대적으로 따뜻한 해수가 여름철 해빙 경계 쪽으로 유입되기 때문이다. 수괴(water-mass) 변환 분석은 리드와 폴리냐스에서 염분 배출 및 열 손실로 인해 증가된 저층수(bottom water) 형성을 보여준다. 바람 이상이 남풍에서 북풍(northerly)으로 부호를 전환할 경우, 해빙 면적과 MOC의 변화는 반대 양상으로 나타난다. 본 연구는 자오선 방향 바람 이상이 해빙 분포와 폴리냐스의 면적, 더 나아가 공기-해양 부력 플럭스뿐 아니라 해양의 MOC 및 저층수 특성까지도 변화시킬 수 있음을 보여준다.

해양 극한 온도 사건(METs)은 해양 열파(MHWs)와 한파를 포함하며, 해양 생태계와 사회경제에 미치는 중요한 영향 때문에 최근 많은 주목을 받고 있다. METs는 북서 태평양 아열대 환류권(NPSG)에서 상층 해양 성층 및 겨울철 대류 혼합을 변화시킬 수 있으므로, 부영양화 모드 수(STMW; subtropical mode water)의 유입을 조절함으로써 식물플랑크톤 군집의 번성을 조절할 가능성이 있다. STMW는 NO ${}_3^{-}$ 가 풍부한 수괴이다. 또한, STMW는 전년도 겨울에 형성된 뒤 그 형성 위치의 동쪽에서 다음 겨울에 다시 출현하므로, STMW에 각인된 METs 활동은 그 형성 위치와는 먼 지역의 식물플랑크톤 번성에도 영향을 미친다. 본 연구에서는 위성 관측과 자료동화 기반 결합 물리-생지화학 모델 자료를 이용하여 METs 활동, STMW 체적, 그리고 식물플랑크톤 번성과의 관계를 조사하였다. 겨울철 STMW 형성 지역에서 나타나는 METs 활동은 STMW의 형성과, 이 수괴로부터의 NO ${\mathrm{<mrow>\; <mn>3</mn>\; </mrow>\; <mrow>\; <mo>-</mo>\; </mrow>}}_{}^{}$ 의 공급을 조절하며, 후자는 해당 지역에서 봄/가을 번성을 NO ${}_3^{-}$ 제한 조건 하에서 결정한다. 이어서, 이 수괴는 다음 봄에 STMW 형성 위치의 동쪽에서 다시 출현하기 전까지 NPSG의 북쪽 측면 내에서 심층에서 동쪽으로 수송된다. 이러한 과정은 재출현 지역의 표층 클로로필과 METs 활동 사이에 음의 시차 상관관계를 초래하며; 예를 들어, STMW 형성 위치에서 겨울철 MHWs는 재출현 지역에서 1년 뒤 표층 클로로필 농도를 낮추는 경향이 있다. 본 연구는 해양 과정이 STMW 형성 위치에서 METs를 모니터링함으로써 해양 생태계에 대해 1년의 예측 가능성을 제공할 수 있음을 시사한다.

해양 열파(Marine heatwaves, MHWs)는 더 빈번해지고, 강도가 높아지며, 지속 기간이 길어지고 있어, 식물플랑크톤 군집을 포함한 해양 생태계에 대한 위협이 증가하고 있다. 그러나 관측 자료와 과정(과정-해상) 모형 연구의 수가 제한되어 있기 때문에, MHW가 식물플랑크톤 군집 구조에 미치는 영향을 이해하는 데에는 여전히 어려움이 있다. 여기서는 고도화된 결합 해양-생지화학 모델( MITgcm–Darwin )을 사용하여 310종의 식물플랑크톤에 대한 생지화학적 과정을 명시적으로 해석하는 모형화 프레임워크를 개발하였다. 이 모형에서 310종은 핵심 특성의 서로 다른 조합에 의해 정의되며, 14개의 크기 범주, 10개의 온도 선호도, 8개의 생태학적 기능으로 구성된다. 우리는 MHW 동안 식물플랑크톤 조성이 전반적으로 작고 온도 선호가 높은 유형 쪽으로 이동함을 발견하였다. 그러나 세부적인 특징은 지역과 특성에 따라 상당한 차이를 보인다. 예를 들어 열대 태평양에서는, 크기 및 온도 특성 모두에 대해 열파 강도가 커질수록 조성 변화의 크기가 대체로 증가하는 경향이 나타난다. 또한 온도 특성에 대해서는 지속 기간이 미치는 영향이 중간 정도인 것으로도 확인되었다. 반면 인도양에서는 열파 강도가 크기 조성에 영향을 미치는 주요 요인이었으며, 온도 선호에 대한 유의미한 조성 변화는 관측되지 않았다. 두 지역 모두에서 이러한 조성 변화는 풍부도(richness)와 균등도(evenness)의 감소로 반영되는 유의미한 생물다양성 손실을 동반한다. 이러한 결과는 짧은 기간의 기후 극한 현상이라도 식물플랑크톤 군집을 실질적으로 교란할 수 있음을 시사하며, MHW와 같은 교란이 심화될수록 식물플랑크톤에 의존하는 해양 먹이망과 생태계 기능에 대한 잠재적 영향도 증가할 수 있음을 보여준다.

동해/일본해(East/Japan Sea, EJS)는 북서태평양의 주변해(marginal sea)로서, 특히 겨울철에 현저한 등밀도면(등기산성, isopycnal) 경사(isopycnal slopes)를 보인다. 이는 수직층화에 따른 잠재에너지 저장이 바르로클리닉 불안정성(baroclinic instability)에 이용 가능하며, 따라서 잔차(평균+부산) 역전환( overturning ) 순환 잔차에 대해 소용돌이(eddy) 과정이 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 여기에서 우리는 고해상도 시뮬레이션을 이용해 EJS에서 최초로 잔차 역전환 순환을 계산하고, 대기–해양 플럭스와 해양 내부 혼합에 의해 유발되는 수괴(water-mass) 변환 과정과 이를 연관시킨다. 실제로 기울어진 등밀도면 인근에서 상당한 소용돌이 구동 순환이 확인된다. 겨울철 표층 부력 손실은 고밀도 분류로의 체적 플럭스를 촉진하며, 그 주요 기여 요인은 잠열 손실(latent heat loss)이고, 현열 손실(sensible heat loss)도 일부 역할을 한다. 북쪽으로 향하는 심층(아심부) 흐름의 밀도 증가(densification)는 대각획간 혼합(diapyncal mixing)과 연관된다. 변환율로부터 도출된 수괴 형성률(water-mass formation rate)은 북극전선(subpolar front) 부근 39.5°N의 남쪽과 북쪽에서 각각 용승(upwelling)과 침강(downwelling)을 구분해 보여주며, 이는 잔차 역전환 순환의 전반적 패턴과 일치한다. 중요성 진술(Significance Statement): 동해/일본해(EJS)에서 우리는 최초로 잔차 역전환 순환을 계산하고, 이를 대기–해양 플럭스와 해양 내부 혼합을 통한 수괴 변환과 연결하였다. 우리는 특히 겨울철에 기울어진 등밀도면을 동반하는 유의미한 소용돌이 구동 순환을 발견하였다. 잔차 역전환 순환은 표층 부력 플럭스와 협동한다. 특히 겨울철 부력 손실은 주로 잠열에 의해 구동되며, 고밀도 분류로의 체적 플럭스와 관련된다. 또한 우리는 수괴 형성률을 바탕으로 아극전선 주변에서 용승과 침강의 양상을 확인하였고, 이는 전체 잔차 역전환 순환과 일관된다. 이러한 결과는 EJS 순환에서 소용돌이와 대기–해양 부력 플럭스가 갖는 역할을 이해하는 데 핵심적이며, 온난화 기후에서 해양순환이 변화할 것으로 예상되는 양상에 대한 지침을 제공한다.

강화된 해양 혼합은 수직 수온 분포와 생지화학적 상태 모두를 변화시킬 수 있다. 물리–생지화학 연계 해양 모델을 사용하여 베링해에서 매개화된 랭뮤어 순환(Langmuir circulation, LC)이 해양 탄소 시스템에 미치는 영향을 조사한다. LC는 여름철에는 영향이 제한적이지만 겨울철에는 난류 혼합을 유의하게 증강시켜, 평균 겨울철 혼합층의 심화가 약 11% 증가하는 것으로 나타난다. 겨울철 수온 역전이 존재하는 경우, LC에 의해 유도된 혼합은 더 따뜻한 심층 해수의 표층 유입(entrainment)을 강화하여 표층 해양의 CO 2 부분압( p CO 2 )을 증가시킨다. 동시에, 수직 혼합의 강화는 탄소가 풍부한 심층 해수를 표층으로 유입시켜 겨울철 표층 p CO 2 를 추가로 상승시킨다. p CO 2 를 열적 성분과 비열적 성분으로 분해한 결과, 용존무기탄소(DIC) 공급 변화가 온도에 기인한 변화보다 더 큰 영향을 미치며, 3월에 비열적 p CO 2 가 최대 8.5 µatm까지 증가하고 비열적 과정의 계절성을 증폭시키는 것으로 확인된다. 열적 성분 또한 3월에 p CO 2 를 약 4.3 µatm 증가시키지만, 계절 진폭에 대한 기여는 상대적으로 작다. 이러한 결과는 고위도 지역에서 겨울철 수온 역전과 결합된 수직 혼합의 강화가 p CO 2 및 대기–해양 CO 2 플럭스를 실질적으로 변화시킬 수 있음을 보여준다. 이러한 역전이 없는 지역에서는 열적 및 비열적 LC 효과가 서로 상쇄될 가능성이 높다.

현재–바람 상호작용은 공기–해양 운동량과 난류 열 플럭스(열유속)를 조절하며, 이는 열대저기압(Tropical Cyclones, TCs)의 에너지 순환에서 핵심적이다. 그러나 열대저기압 하에서 표층 해류가 공기–해양 교환에 미치는 영향은 아직 불명확하다. 본 연구에서는 대기–해양 연성(결합) 모델을 사용하여 현재–바람 상호작용이 열대저기압의 강도 결정에 어떤 역할을 하는지 조사하였다. 표층 해류는 전반적으로 표층 바람과 일치하는 경향을 보인다. 현재–바람 상호작용을 고려하면, 이 일치는 공기–해양 난류 열 플럭스와 운동량 플럭스 모두를 감소시키는데(평균 1.0% 및 2.5%), 이는 각각 열대저기압의 에너지 공급원과 에너지 흡수원 역할을 한다. 에너지 공급원(흡수원)의 감소(증가)는 열대저기압의 성장률을 평균 −1.9%(+1.3%)만큼 낮추며, 최대 −13.7%(+11.1%)까지 변화시킨다. 계절 규모를 넘어서는 시뮬레이션에서는 현재–바람 상호작용의 누적 효과가 열대저기압의 발달(생성)에 영향을 주어, 열대저기압 계절 동안의 표층 바람 속도와 해수면 온도를 변화시킨다. 이러한 결과는 현재–바람 상호작용에 의해 유발되는 열대저기압 관련 중요한 되먹임(feedback) 메커니즘이 있음을 보여준다.

2050년까지 담수화 플랜트에 의한 담수 생산은 오늘날 수준에 비해 여섯 배 이상 증가할 것으로 전망된다. 현재 아라비아 걸프(Arabian Gulf)에는 수백 기의 해수 담수화 플랜트가 가동 중이며, 염수(brine) 방류에 대한 지역 및 국지적 반응은 특히 남서부 걸프의 아라비아 해안에서 상당히 클 수 있다. 본 연구에서는 염수화 억제 시나리오가 담수화가 전혀 없는 경우부터 현재 수준의 50배(50×)에 이르는 극단적 조건까지 다양하게 설정된 상황에서, 담수화 유도로 인한 걸프 내 순환과 수괴(water mass) 변환에 대한 염분 증가의 영향을 규명하기 위해 걸프 및 오만해(Sea of Oman)를 대상으로 2.5 km 해상도의 해양 모델을 사용한다. 강제력이 강화될수록 염도가 높고 따뜻하며 밀도가 큰 해수가 걸프의 바닥으로 침강하여 염분과 수온이 증가하며, 가장 극단적인 시나리오에서는 남쪽 해안선 인근의 수층(지하/중층에 해당하는) 수온과 염분이 각각 약 0.6 °C와 2 g/kg 상승하는 것으로 나타났다. 강제력이 증가함에 따라, 호르무즈 해협(Strait of Hormuz)을 통해 더 담수화된 물이 유입되는 표층 유입은 강화되고, 따뜻하고 염도가 높은 물의 오만해로의 유출은 더 강해진다. 염수 방류에 의해 증진되는 걸프 내측과 오만해 사이의 효율적인 수괴 교환은 호르무즈 해협을 통해 강화되고 심화되어, 유입 및 유출 유량을 각각 20 % 증가시키며, 극단적인 담수화 시나리오에서도 대규모의 수온과 염분 변화를 효과적으로 완화한다. 영향은 담수화 플랜트 인근에서 훨씬 더 크게 나타나며, 표층 및 중층(부층) 흐름 패턴의 변화, 질량(수괴) 변환의 증가, 그리고 자오(meridional) 및 연직(zonal) 방향의 재전도(overturning) 순환의 강화가 관찰된다.

대서양 자오선 적도반전 순환(AMOC)은 열 수송에서의 역할 때문에 기후 시스템의 중요한 구성 요소이다. 이 순환의 강도는 표층 밀도에 민감하지만, 남극해 담수 이상 현상이 미치는 영향의 메커니즘은 상대적으로 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 중간 복잡도의 지구 시스템 모델을 사용하여 남극 빙상 용융수(ice sheet meltwater)가 대서양 자오선 적도반전 순환에 미치는 영향을 규명한다. 남극해의 태평양 부문에서 발생한 용융수는 동쪽으로 수송되고, 드레이크 해협(Drake Passage)을 통과한 뒤 북쪽으로 이동하여 북대서양에 도달한다. 또한 남극해의 냉각은 열대 수렴대인 열대수렴대(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)를 북쪽으로 이동시키며, 그 결과 열대 대서양에서의 강수량이 증가한다. 이에 따라 감소한 염분이 대서양 자오선 적도반전 순환을 약화시킨다. 담수 호싱(freshwater hosing)의 총량은 일정하게 유지한 채 호싱의 지속 기간을 변화시킨 추가 실험 결과, 용융수의 진폭(amplitude)과 지속 기간(duration)이 대서양 자오선 적도반전 순환의 감소 정도를 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것이 나타났다. 해양-대기 결합 일반순환모델 결과에 따르면, 남극 빙상 용융수는 표층을 냉각하고 ITCZ를 북쪽으로 이동시켜 강수량을 증가시키고 염분을 낮추며, 그 결과 북부 열대 대서양에서 순환 강도를 감소시키면서 대서양 자오선 적도반전 순환에 영향을 미친다.

남극의 계절 해빙대(seasonal ice zone) 상공에서의 자오선 방향 바람(meridional winds)은 변화해 왔으며, 최근 수십 년 동안 해빙 면적의 변동성에 기여했을 가능성이 있다. 본 연구에서는 관측자료와 남극 계절 해빙대를 대상으로 한 부정확성-해상(eddy-resolving) 채널 모델을 사용하여, 자오선 방향 바람 변화가 해빙 분포에 미치는 영향을 조사하고, 그에 따라 기저 해양이 어떻게 변화할 수 있는지 문서화한다. 남반구 겨울(austral winter) 동안 남풍(southerly) 이상(anomalies)은 적도 방향으로의 해빙 표류를 촉진함으로써 해빙 면적의 증가로 이어지는 것으로 나타난다. 그 결과, 해안 지역 인근에서는 더 많은 리드(leads)와 폴리냐스(polynyas), 얼음 생산, 부력 상실이 발생하고, 남극순환해류(Antarctic Circumpolar Current) 인근의 열린 해양에서는 담수화가 진행된다. 반대로, 여름철(summertime) 남풍 이상은 해빙 경계(sea ice edge) 인근의 온난화 이상으로 인해 해빙 면적을 감소시킨다. 이는 표면 열 플럭스(surface heat flux)와 염분 배출(brine rejection)을 통한 부력 상실이 강화되어 유발된 자오선 방향 대수직 순환(meridional overturning circulation, MOC)의 강화의 결과이며, 상대적으로 따뜻한 해수가 여름철 해빙 경계 쪽으로 유입되기 때문이다. 수괴(water-mass) 변환 분석은 리드와 폴리냐스에서 염분 배출 및 열 손실로 인해 증가된 저층수(bottom water) 형성을 보여준다. 바람 이상이 남풍에서 북풍(northerly)으로 부호를 전환할 경우, 해빙 면적과 MOC의 변화는 반대 양상으로 나타난다. 본 연구는 자오선 방향 바람 이상이 해빙 분포와 폴리냐스의 면적, 더 나아가 공기-해양 부력 플럭스뿐 아니라 해양의 MOC 및 저층수 특성까지도 변화시킬 수 있음을 보여준다.