캐나다 북극군도는 중요한 국제 무역 항로로 이루어져 있으며, 대기 하층 기온인 국지 표면 공기온도(SAT)는 북반구 여름(6-7-8-9월) 동안 현장에서 해빙 용융을 크게 좌우한다. 그러나 북극군도 여름 SAT 변동성의 주요 요인은 아직 충분히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 적도 인도양-서태평양(열대 인도-태평양) 대류가 유도하는 북상(극) 전파 로스비 파동 열차를 통해 북극군도 SAT에 미치는 영향이 러시아 북극 해수면 온도 이상(SSTA)에 의해 강하게 조절됨을 확인하였다. 러시아 북극 SSTA가 음(-)의 경우, 적도 방향으로 전파하는 로스비 파동 활동을 통해 동아시아 서풍 제트가 약화된다. 이때 약화된 서풍 제트는 북태평양 상공에서 잠재 와도(potential vorticity)의 자오면 방향 구배를 강화하여 북상 전파 로스비 파동이 북극군도로 유도되게 함으로써 결과적으로 국지 SAT에 영향을 미친다. 반대로 러시아 북극 SSTA가 양(+)의 경우에는 동아시아 서풍 제트를 강화하여 북상 전파 로스비 파동을 저해하며, 그 결과 열대 인도-태평양 대류와 북극군도 SAT 사이의 관계가 약화된다. 본 연구는 ‘열대-북극’ 연결의 변화가 배경 평균 흐기의 변화를 통해 북상 전파 로스비 파동의 형성을 바꿈으로써, 북극의 다른 지역에서의 열적 조건으로부터 기인한다는 기작을 제안한다.

현재 지구온난화에도 불구하고 북대서양 아북극 해역에서 나타나는 냉각 경향으로 정의되는 ‘웜밍 홀(warming hole)’의 미래에 관한 전망에는 큰 불확실성이 있다. 여기서 우리는 웜밍 홀의 향후 변화에 대한 불확실성이 자연적 변동성이나 기후변화 시나리오가 아니라 주로 모델 편향(model bias)에 기인함을 확인하였다. 관측 자료와 모델 결과는 북대서양 아북극 해역에서의 현재 시점 표층 밀도와의 관계를 통해 웜밍 홀의 미래 강도를 제약한다. 현재 시점 표층 밀도가 낮은 모델은 표층 밀도가 높은 모델에 비해 미래에 해양 심층 대류(oceanic deep convection)가 억제되어 더 약한 웜밍 홀 강도(즉, 더 강한 온도 상승)를 예측하는 경향이 있다. 이러한 관계는 모든 시나리오에서 견고하게 확인되었으며, 고배출 시나리오에서 웜밍 홀의 미래 강도에 대한 불확실성을 39% 감소시키는 데 사용되었다.

21세기(21 C)에 들어서, 인위적 강제력에 의해 구동되는 결합된 대기 일반순환모형들의 다중모형 앙상블을 사용한다. 여기서는 엘니뇨가 (1) 더 빠른 속도로 성장하고, (2) 동부 및 극동 태평양에서 더 오래 지속되며, (3) 원격 텔레커넥션을 통해 더 강하고도 구별되는 원격 영향을 갖게 될 것으로 예측됨을 제시한다. 이러한 변화는 열대 태평양의 평균 상태, 지배적인 ENSO 피드백 과정의 유의미한 변화, 그리고 서부 적도 태평양에서의 확률적 서풍 돌풍(stochastic westerly wind burst) 강제력 증가에 기인하며, 향후 엘니뇨가 전 지구적 차원에서 더 중요하고 더 지속적인 영향을 초래할 수 있다.

엘니뇨 남방진동(ENSO)은 열대 태평양의 기후 양식이다. ENSO 원격연결(teleconnections)은 북극의 기온에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으나, 이 관계의 견고성은 여전히 논쟁의 대상이다. 우리는 세 차례의 주요 엘니뇨 사건 동안의 북극 표면 기온이, 관측된 전(全)열대 해수면온도(SSTs)에 맞추어(nudged) 조정했을 때, 최첨단 모델로 매우 정확하게 모의됨을 발견하였다. SST 교란 실험은 겨울철 1982-1983년의 따뜻한 전(全)북극과 1997-1998년의 차가운 전(全)북극이, 1997-1998년 동안 1982-1983년보다 동(東)쪽 극동부의 적도 동태평양 SSTs가 더 높았던 것으로 설명될 수 있음을 보여준다. 일관되게도 2017-2018년 라니냐 동안에는 동일한 지역에서의 비정상적으로 낮은 SSTs가 전(全)북극의 온난화에 기여하였다. 이러한 SST에 대한 전(全)북극 반응은 열대 태평양의 서부 및 동부에서의 잠열 가열(latent heating) 이상(anomalies)을 통해 구현된다. 이 결과는 북극 기후 예측을 위해 SST의 진폭과 패턴을 정확하게 표현하는 것이 중요함을 강조한다.

캐나다 북극군도는 중요한 국제 무역 항로로 이루어져 있으며, 대기 하층 기온인 국지 표면 공기온도(SAT)는 북반구 여름(6-7-8-9월) 동안 현장에서 해빙 용융을 크게 좌우한다. 그러나 북극군도 여름 SAT 변동성의 주요 요인은 아직 충분히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 적도 인도양-서태평양(열대 인도-태평양) 대류가 유도하는 북상(극) 전파 로스비 파동 열차를 통해 북극군도 SAT에 미치는 영향이 러시아 북극 해수면 온도 이상(SSTA)에 의해 강하게 조절됨을 확인하였다. 러시아 북극 SSTA가 음(-)의 경우, 적도 방향으로 전파하는 로스비 파동 활동을 통해 동아시아 서풍 제트가 약화된다. 이때 약화된 서풍 제트는 북태평양 상공에서 잠재 와도(potential vorticity)의 자오면 방향 구배를 강화하여 북상 전파 로스비 파동이 북극군도로 유도되게 함으로써 결과적으로 국지 SAT에 영향을 미친다. 반대로 러시아 북극 SSTA가 양(+)의 경우에는 동아시아 서풍 제트를 강화하여 북상 전파 로스비 파동을 저해하며, 그 결과 열대 인도-태평양 대류와 북극군도 SAT 사이의 관계가 약화된다. 본 연구는 ‘열대-북극’ 연결의 변화가 배경 평균 흐기의 변화를 통해 북상 전파 로스비 파동의 형성을 바꿈으로써, 북극의 다른 지역에서의 열적 조건으로부터 기인한다는 기작을 제안한다.

현재 지구온난화에도 불구하고 북대서양 아북극 해역에서 나타나는 냉각 경향으로 정의되는 ‘웜밍 홀(warming hole)’의 미래에 관한 전망에는 큰 불확실성이 있다. 여기서 우리는 웜밍 홀의 향후 변화에 대한 불확실성이 자연적 변동성이나 기후변화 시나리오가 아니라 주로 모델 편향(model bias)에 기인함을 확인하였다. 관측 자료와 모델 결과는 북대서양 아북극 해역에서의 현재 시점 표층 밀도와의 관계를 통해 웜밍 홀의 미래 강도를 제약한다. 현재 시점 표층 밀도가 낮은 모델은 표층 밀도가 높은 모델에 비해 미래에 해양 심층 대류(oceanic deep convection)가 억제되어 더 약한 웜밍 홀 강도(즉, 더 강한 온도 상승)를 예측하는 경향이 있다. 이러한 관계는 모든 시나리오에서 견고하게 확인되었으며, 고배출 시나리오에서 웜밍 홀의 미래 강도에 대한 불확실성을 39% 감소시키는 데 사용되었다.

21세기(21 C)에 들어서, 인위적 강제력에 의해 구동되는 결합된 대기 일반순환모형들의 다중모형 앙상블을 사용한다. 여기서는 엘니뇨가 (1) 더 빠른 속도로 성장하고, (2) 동부 및 극동 태평양에서 더 오래 지속되며, (3) 원격 텔레커넥션을 통해 더 강하고도 구별되는 원격 영향을 갖게 될 것으로 예측됨을 제시한다. 이러한 변화는 열대 태평양의 평균 상태, 지배적인 ENSO 피드백 과정의 유의미한 변화, 그리고 서부 적도 태평양에서의 확률적 서풍 돌풍(stochastic westerly wind burst) 강제력 증가에 기인하며, 향후 엘니뇨가 전 지구적 차원에서 더 중요하고 더 지속적인 영향을 초래할 수 있다.

엘니뇨 남방진동(ENSO)은 열대 태평양의 기후 양식이다. ENSO 원격연결(teleconnections)은 북극의 기온에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으나, 이 관계의 견고성은 여전히 논쟁의 대상이다. 우리는 세 차례의 주요 엘니뇨 사건 동안의 북극 표면 기온이, 관측된 전(全)열대 해수면온도(SSTs)에 맞추어(nudged) 조정했을 때, 최첨단 모델로 매우 정확하게 모의됨을 발견하였다. SST 교란 실험은 겨울철 1982-1983년의 따뜻한 전(全)북극과 1997-1998년의 차가운 전(全)북극이, 1997-1998년 동안 1982-1983년보다 동(東)쪽 극동부의 적도 동태평양 SSTs가 더 높았던 것으로 설명될 수 있음을 보여준다. 일관되게도 2017-2018년 라니냐 동안에는 동일한 지역에서의 비정상적으로 낮은 SSTs가 전(全)북극의 온난화에 기여하였다. 이러한 SST에 대한 전(全)북극 반응은 열대 태평양의 서부 및 동부에서의 잠열 가열(latent heating) 이상(anomalies)을 통해 구현된다. 이 결과는 북극 기후 예측을 위해 SST의 진폭과 패턴을 정확하게 표현하는 것이 중요함을 강조한다.

일부 기후 변수는 이전의 증가에 이어 대기 중 CO2 농도가 감소하더라도, 과거와 동일한 반응을 보이지 않는다. 그러나 이러한 히스테리시스 효과와 그 지역적 양상에 대한 종합적인 이해는 아직 부족하다. 여기서는 이상화된 CO2 제거 시나리오를 적용한 지구시스템 모델을 사용하여, 수면(지표) 온도와 강수량이 수세기에 걸친 시간 규모에서 전 지구적으로 광범위한 비가역적 변화를 겪음을 보인다. 지역적 규모에서 기후 히스테리시스와 가역성을 탐색하기 위해, 우리는 그것들의 공간적 패턴을 시각화하는 정량화 방법을 개발한다. 우리의 실험은 지표 온도의 경우 전 지구 면적의 89%, 강수량의 경우 58%가 비가역적 변화를 경험함을 예측한다. 지표 온도에 대한 강한 비가역적 반응은 남극해, 북극 및 북대서양에서, 강수량에 대한 비가역적 반응은 열대 태평양, 전 지구 몬순 지역 및 히말라야에서 확인된다. 이러한 전 지구적 비가역 변화의 핫스팟은 개발도상국에서의 부정적 영향 위험이 상승했음을 시사할 수 있다.

지구 온난화가 가속됨에 따라, CO2 농도가 감소할 때 기후 시스템이 원래 상태로 되돌릴 수 있는지에 대한 의문이 제기된다. 여름철 회복의 지연은 폭염, 산불, 사회-환경적 위험에 대해 중요한 함의를 지닌다. 여기서는 CO2 농도의 상승 및 하강을 모사하는 시뮬레이션을 포함한 다수의 기후 모델을 사용하여, 중위도(비열대) 대륙에서의 여름철 지속 기간이 CO2 감소 국면에서 증가 국면보다 더 길어지는 히스테리시스적 반응을 보인다는 점을 제시한다. 북반구보다 남반구에서 훨씬 더 강한 히스테리시스가 관측되며, 관련 기작은 모델 간 상관분석을 통해 규명된다. 남반구 여름철 히스테리시스를 지배하는 우세한 요인은 남극해(Southern Ocean)의 해수면 냉각이 지연되는 것이다. 반대로 북반구의 히스테리시스는 대서양 자오면역순환(Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) 강도와 남극해 해수면 온도에 의해 영향을 받으며, 그 크기는 비교 가능한 수준이다. 극한 고온일의 빈도에서도 유사한 반구 간 대조가 나타나며, 이는 전 지구적 규모에서의 남극해 영향과 북반구에 국한된 AMOC의 영향이 반영된 결과로 해석된다. 기후 모델 시뮬레이션 분석에 따르면, 여름은 CO2가 상승하는 경우보다 감소하는 경우 더 오래 지속되며, 이러한 히스테리시스 효과는 특히 남반구에서 두드러지게 나타난다.

표면 오존(O3)의 온도 민감도는 종종 기후 페널티 계수(climate penalty factor, CPF)라고 불리며, 단위 온도 상승당 O3가 증가하는 정도를 정량화한다. 선행 연구에서는 현재 시대의 조건 하에서 CPF를 규명해 왔으나, 다수 수십 년 규모의 시간 척도에서 CPF가 시간에 따라 어떻게 변화하는지는 아직 충분히 이해되지 못한 실정이다. 본 연구는 MERRA-2 재분석 자료로 구동되는 GEOS-Chem 시뮬레이션을 사용하여 1980년부터 2024년까지 동아시아에서 여름(JJA) CPF의 장기 변화를 조사하였다. 인위적 배출량은 기상에 기인한 변화를 분리하기 위해 고정한 반면, 생물성 배출량은 기상 조건에 따라 반응하도록 허용하였다. 회귀 기반 분해(regression-based decomposition) 접근법을 사용하여, 함께 변하는 기상 조건을 매개로 한 간접 효과와 직접 온도 효과의 기여도를 분리하였다. 예비 결과에 따르면 지난 4개 수십 년 동안 동아시아 대부분의 지역에서 CPF가 증가했으며, 뚜렷한 공간적 패턴이 나타났다. 북부 지역은 주로 직접 온도 효과에 의해 CPF 변화가 좌우된 반면, 남부 연안 지역에서는 간접 효과의 기여가 지배적인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 O3-온도 민감도의 기전을 지역별로 다르게 가지며, 또한 시간이 지남에 따라 변화해 왔음을 시사한다. 본 연구는 CPF가 비정상적(nonstationary) 성격을 가지며 지역적으로 이질적임을 보여주고, 온난화 기후에서의 향후 대기질 예측과 지역 특이적 제어 전략 설계에 대한 함의를 제공한다.

동아시아는 CO2 배출량이 가장 높은 지역이므로, 이 지역의 자연 탄소 흡수원을 정량화하는 것은 기후 예측을 개선하고 완화 전략을 수립하는 데 필수적이다. 우리는 2010–2019년 동안 동아시아(18.5° N–54° N, 73° E–146° E)에서 순생태계교환(Net Ecosystem Exchange, NEE)과 해양 탄소 플럭스를 베이지안 역추정 프레임워크를 사용하여 추정하였다. GEOS-Chem 화학 수송 모델을 GOSAT ACOS v9.0 XCO2 관측 산출물과 결합하였으며, 지역별 사전 불확실성은 육상 및 해양 모델로부터 얻은 표준편차를 사용하여 할당하였다. 사후 추정치는 사전치에 비해 탄소 흡수가 강화된 양상을 보였는데, NEE는 −0.17 ± 0.08에서 −0.31 ± 0.06 PgC yr⁻¹로 증가하였고, 해양 흡수는 −0.20 ± 0.03에서 −0.21 ± 0.03 PgC yr⁻¹로 약간 변화하였다. 사후 플럭스를 기반으로 시뮬레이션한 CO2 농도는 사전 플럭스에서 계산한 경우보다 독립 관측치와 더 잘 일치하였다. 동아시아의 대부분 하위 권역은 지난 10년 동안 순 탄소 흡수원 역할을 하였다. 향상된 식생지수(Enhanced Vegetation Index, EVI) 추세 또한 탄소 흡수 강화와 일치하였다. 그러나 2015–2016년에는 일부 지역에서 일시적인 순 탄소 방출이 관측되었으며, 이는 2015/16 엘니뇨와 연관되었을 가능성이 크다. 동아시아는 2010–2019년 동안 대기 중으로 순 플럭스 +3.45 PgC yr⁻¹를 방출하였다. 자연 흡수원은 화석연료 배출의 약 13.6%만 상쇄하여 상당한 잔여 배출원이 남아 있으며, 사후 흡수원이 강화되었음에도 불구하고 지역 배출을 상쇄하기에는 여전히 부족하여, 높은 CO2 수준과 동아시아로부터의 지속적인 유출을 초래하고 있다.

복합 가뭄-폭염 사건(Compound drought-heatwave events, CDHEs)은 2000년대 초반 이후로 크게 증가하여 사회-생태계에 대한 위험이 높아지고 있다. 그러나 가뭄과 폭염을 유발하는 CDHE의 물리적 특성과, 전체 증가에서 이들이 차지하는 상대적 기여도는 아직 규명되지 않았다. 일별 재분석 자료를 이용한 다중재해 쌍 생성 알고리즘을 통해, 이러한 증가는 주로 폭염 선행 CDHE에 의해 좌우된다는 점을 보인다. 영향을 받는 토지 면적의 증가율 기울기는 2000년대 초반의 1.6%에서 섭씨 1도당 13.1%로, 거의 8배 가까이 상승하였다. 이러한 양상은 전지구적 규모에서 분명하게 나타날 뿐 아니라 상당한 지역적 변이를 보인다. 우리는 1990년대 후반 이후 토지-대기 결합의 비선형적 증폭이, 이전에 반응하지 않던 지역에서 통계적으로 유의한 양(+)의 민감도를 새로이 나타나게 할 뿐 아니라, 발생 빈도가 높은 지역에서의 민감도를 현저히 증대시켰음을 확인하였다. 이러한 결과는 기후변화에 적응함에 있어 폭염 선행 CDHE와 관련된 불균등한 지역 위험을 고려하는 것이 중요함을 강조한다.