북극진동

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1. 개요
2. 정의 및 설명
- 2.1. 명칭
- 2.2. 발생 원인
3. 주기성
4. 영향
- 4.1. 한국에 미치는 영향
5. 2010년의 이상 기상 현상
- 5.1. 전 세계 이상한파 상황 (2010년)
  - 5.1.1. 아시아
참조

1. 개요

북극 진동은 북극을 중심으로 하는 고리 모양의 해수면 기압 이상 패턴으로, 기후학자들은 전 지구 기상 패턴과 인과 관계가 있다고 본다. 북극 진동 지수는 위도 20°N에서 90°N까지의 일별 또는 월별 1000 hPa 지위 고도 이상치를 사용하여 정의되며, 양수(+)일 때는 북극과 북반구 중위도의 기압차가 크고 중·고위도에서 온난해지는 경향이 있으며, 음수(-)일 때는 북극과 북반구 중위도의 기압차가 작아 한랭해지는 경향을 보인다. 북극 진동은 북대서양 진동과 동일한 현상으로 취급되기도 하며, 북극 진동의 발생 원인은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 북극 진동은 알래스카, 캐나다, 미국 중부·북부, 유럽, 러시아 등에 큰 영향을 미치며, 한국은 영향 범위의 변두리에 위치하여 엘니뇨 등 다른 요인과 복합적으로 작용한다. 2010년에는 북극 진동이 음의 값을 기록하며 미국, 유럽, 아시아 등 전 세계적으로 이상 기상 현상이 나타났다.

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북극진동

2. 정의 및 설명

북극 진동은 극점을 중심으로 하는 고리 모양(또는 "환상형")의 해수면 기압 이상 패턴으로 나타난다. 대륙과 큰 육지의 존재는 북극에서 고리 모양 구조를 방해하는 반면, 남극 주변의 이상은 거의 원형이다.^[3]

기후학자들은 북극 진동이 전 지구 기상 패턴과 인과 관계가 있는 것으로 (따라서 부분적으로 예측 가능한) 것으로 믿고 있다. 제임스 E. 핸슨(James E. Hansen) 미국 항공우주국(NASA) 기후학자는 북극 진동이 북극에서 멀리 떨어진 지점의 날씨에 영향을 미치는 메커니즘을 설명했다. 핸슨에 따르면 북극 공기가 중위도로 침투하는 정도는 AO 지수와 관련이 있으며, 이는 지표 대기압 패턴에 의해 정의된다. AO 지수가 양수일 때, 극 지역의 지표 기압은 높다. 이는 중위도 제트 기류가 서에서 동으로 강력하고 일관되게 불도록 도와주며, 따라서 차가운 북극 공기를 극 지역에 가두어 둔다. AO 지수가 음수일 때는 극 지역의 저기압 경향이 있으며, 약한 조날풍과 차가운 극지 공기가 중위도로 더 많이 이동한다.^[4]

북극 진동 지수는 위도 20°N에서 90°N까지의 일별 또는 월별 1000 hPa 지위 고도 이상치를 사용하여 정의된다. 이상치는 북극 진동 로딩 패턴에 투영되며, 1979-2000년 기간 동안의 월 평균 1000 hPa 지위 고도의 첫 번째 경험적 직교 함수(EOF)로 정의된다. 그런 다음 시계열은 월 평균 지수의 표준 편차로 정규화된다.^[5]

1998년 데이비드 W. J. 톰슨과 존 마이클 월리스는 북반구 해면 기압의 월 평균 평년 편차를 주성분 분석하여, 제1주성분(EOF-1)으로 이러한 변동이 추출되는 것을 제창했다.^[15] 이 변동은 겨울철에 현저하게 나타나, 일본 등 중위도 기후와 강하게 관련되어 있기 때문에, 적도 측의 엘니뇨 현상과 함께 최근 주목받고 있다.^[15] 남반구에서도 남극과 남반구 중위도의 기압이 반대 경향으로 변동하는 현상이 발견되고 있다 (남극 진동 (AAO)).

북극의 기압이 평년보다 높을 때에는 중위도의 기압은 평년보다 낮아진다. 주성분 분석의 결과 얻어지는 이 편차의 정도를 나타내는 값을 북극 진동 지수(AO 지수, AO 인덱스)라고 한다. 북극 진동 지수는 양수와 음수의 값으로 나타낸다. 양수(+)일 때는 북극과 북반구 중위도의 기압차가 크다는 것을 나타내며, 중·고위도에서는 한기의 유입이 약해져 온난해지는 경우가 많다. 한편 음수(-)일 때는 북극과 북반구 중위도의 기압차가 작다는 것을 나타내며, 한기의 유입이 강해져 한랭해지는 경우가 많다.

북극 진동 지수의 부호에 따른 특징은 다음과 같다.

북극 진동 지수	북극 지상 기압	북반구 중위도 지상 기압	북극 상공 성층권 하부 기온	북극 상공 성층권 하부 극 소용돌이
양수(+)	평년보다 낮음	평년보다 높음	낮음	강함
음수(-)	평년보다 높음	평년보다 낮음	높음	약함

변동은 복잡하여, 수 주 정도에서 수십 년 정도까지의 다양한 주기를 가진 변동이 겹쳐 있다고 생각된다. 1970년 이후의 데이터에서는 특히 6~15년 정도의 주기의 변동이 현저하며, 준 10년 주기 진동(QDO)이라고 불린다.

2. 1. 명칭

북극 진동은 북대서양 진동(NAO)과 동일한 현상(AO/NAO)으로 취급되기도 하며, 환상 구조에 주목하여 북반구 환상 모드(Northern Annular Mode, NAM)라고 불리기도 한다.^[15]

2. 2. 발생 원인

북극 진동의 발생 원인은 현재 명확하게 밝혀지지 않았으며, 북극 진동 자체가 하나의 물리적 현상인지, 북대서양 진동(NAO)이나 태평양-북아메리카 패턴(PNA) 등 여러 진동이 겹쳐서 통계적으로 추출된 겉보기 현상인지에 대해서도 연구가 진행 중이다.^[19]

북극 진동의 변화 요인 중 하나로 태양 활동과의 관련성이 알려져 있다.^[20]^[21] 또한, 태양 활동은 성층권 준 2년 주기 진동(QBO)과의 관련성도 지적되고 있다.^[22]^[23] 이러한 태양 활동과 기후 변동의 관계를 조사하는 연구는 점차 주목받고 있으며, 북극 진동에서의 여기 인자 해명의 열쇠가 될 가능성도 있다.

1980년경부터 북극 진동 지수는 양의 값을 나타내는 경우가 많아지고 있는데, 이에 대해서는 지구 온난화와의 관련성이 제기되고 있다. 특히, 북반구의 기온의 장기 변화 경향은 양의 북극 진동 시의 기온 패턴과 거의 일치하기 때문에, 최근 북반구의 기온 상승의 대부분이 북극 진동의 패턴 변화의 영향을 받고 있는 것이 아닌가 추정되고 있다.

3. 주기성

북극 진동은 양의 위상과 음의 위상 사이를 오가며, 수 주에서 수십 년까지 다양한 주기를 가진 변동이 겹쳐 나타난다. 1970년대 이후에는 6~15년 주기의 변동(준 10년 주기 진동, QDO)이 현저하게 나타나기도 했다.^[15] 기상학자들은 단기 예보에서 높은 수준의 북극 진동 예측 정확도를 달성하고 있다. 실제 관측과 7일 평균 전 지구 예보 시스템 앙상블 예보 AO 예보 간의 상관 관계는 약 0.9이다.^[6]

4. 영향

북극 진동은 북반구, 특히 중위도 지역의 기상 패턴에 큰 영향을 미친다. 국립 눈 및 얼음 데이터 센터에 따르면, 북극 진동이 양의 위상일 때는 해양 폭풍이 더 북쪽으로 이동하여 알래스카, 스코틀랜드, 스칸디나비아에는 더 습한 날씨를, 미국 서부와 지중해에는 더 건조한 날씨를 가져온다. 또한 혹독한 겨울 공기가 북아메리카 중앙부까지 확장되지 않아 로키 산맥 동쪽의 대부분의 미국은 평년보다 따뜻하고, 그린란드와 뉴펀들랜드는 평소보다 춥다.^[9] 반대로 음의 위상에서는 한기가 중위도 지역으로 남하하여 혹한, 폭설 등의 이상 기상 현상을 유발할 수 있다.^[9]

미국 해양대기청(NOAA)의 국립 기후 데이터 센터는 2010년 12월 기후 현황 보고서에서 "음의 북극 진동"이 12월 첫 3주 동안 서유럽을 덮친 한파, 눈 폭풍, 얼음 현상의 원인이었으며, 미국 중서부에도 눈 폭풍과 혹독한 추위를 가져왔다고 설명한다.^[9]

1998년 데이비드 W. J. 톰슨(David W. J. Thompson)과 존 마이클 월리스(John Michael Wallace)는 북반구 해면 기압의 월 평균 평년 편차를 주성분 분석하여, 제1주성분(EOF-1)으로 이러한 변동이 추출됨을 제창했다.^[15] 이 변동은 겨울철에 현저하게 나타나며, 일본 등 중위도 기후와 강하게 관련되어 엘니뇨 현상과 함께 주목받고 있다.^[15]

북극 진동에 의한 날씨 변화는 알래스카, 캐나다, 미국 본토 중부·북부, 유럽, 러시아, 알류샨 열도 부근에 큰 영향을 미치며, 특히 영국이나 북유럽 국가들에서 높은 상관성을 보인다.^[15]

2009년부터 2010년 겨울에는 유럽, 유라시아 중앙부와 남부, 미국에서 저온 현상이, 캐나다 동부에서는 고온 현상이 나타났다. 워싱턴 D.C.에서는 2월 중순에 110년 만의 폭설이, 플로리다주에서는 영하의 기온이 기록되었으며, 영국에서도 30년 만의 저온과 폭설이 발생했다. 이는 북극 진동이 음의 변동으로 기울어진 것이 주된 원인으로, 1980년 이후 가장 강한 음의 북극 진동이 발생하여 북반구 고위도 지역에 한파와 폭설을 초래했다.^[16]^[17]^[18]

4. 1. 한국에 미치는 영향

한국은 북극 진동의 영향 범위의 변두리에 해당하기 때문에, 엘니뇨 등 다른 요인의 영향과 복합적으로 작용하여 복잡한 기상 패턴이 나타날 수 있다. 북극 진동이 음의 위상일 때, 한반도에 한파가 발생하고 폭설이 내릴 가능성이 높아진다. 2006년 겨울의 헤이세이 18년 폭설, 2012년-2013년 겨울의 한파 등이 북극 진동 음의 위상과 관련된 사례로 여겨진다.^[16]^[17]^[18]^[24]

5. 2010년의 이상 기상 현상

2010년 2월, 북극 진동은 1950년 이후 가장 낮은 월 평균값(-4.266)을 기록했다.^[10] 이로 인해 미국의 중대서양 지역에서는 기록적인 눈보라가 발생했다. 2010년 2월 5-6일 북미 눈보라는 메릴랜드주 볼티모어에, 2010년 2월 9-10일 북미 눈보라는 볼티모어에, 2010년 2월 25-27일 북미 눈보라는 뉴욕시에 많은 눈을 내렸다.

같은 해 3월 8일에는 카탈루냐와 인접한 프랑스 지역(랑그도크-루시용, 미디-피레네)에 폭설이 내려 지로나에 60cm의 눈이 쌓였다.^[11]

이러한 음의 북극 진동은 플로리다주 남부까지 영향을 미쳐 기록적인 최저 기온을 나타냈으며, 많은 지역에서 여러 달 동안 지속되었다.^[12] 칸쿤에서는 2월, 3월, 12월의 평균 최저 기온이 평년보다 4°C 이상 낮았다.^[13]

5. 1. 전 세계 이상한파 상황 (2010년)

미국 해양대기청(NOAA) 산하 국립 기후 데이터 센터는 2010년 12월, "음의 북극 진동"을 언급하며 이상 기후 현상을 설명했다. 당시 서유럽은 큰 눈 폭풍과 혹독한 추위로 피해를 입었는데, 이는 그린란드 부근의 강력한 고기압(블로킹 시스템)으로 인해 차가운 북극 공기가 남쪽으로 이동했기 때문이다. 이러한 북극 진동의 영향은 유럽뿐만 아니라 미국 중서부 지역에도 미쳐 큰 눈 폭풍과 추위를 야기했다.^[9]

국립 눈 및 얼음 데이터 센터에 따르면, 양의 북극 진동은 중위도의 높은 기압으로 인해 해양 폭풍을 북쪽으로 이동시키고, 알래스카, 스코틀랜드, 스칸디나비아에는 습한 날씨를, 미국 서부와 지중해에는 건조한 날씨를 가져온다. 음의 위상에서는 이와 반대되는 기상 패턴이 나타난다.

5. 1. 1. 아시아

2010년 겨울, 서울은 -16°C, 대전은 -13°C를 기록하는 등 한반도에 강추위가 닥쳤다.^[24] 같은 해 일본에서는 폭설로 인해 46명이 사망하는 등 피해가 발생했다.^[24]

2009년부터 2010년 겨울은 1980년 이후 가장 강한 음(-)의 북극 진동이 발생하여 북반구 고위도 지역에 한파와 폭설이 나타났다. 이 영향은 일본에도 미쳤지만, 시베리아 고기압의 확장세가 약했고 엘니뇨 현상의 영향으로 전반적으로 고온이었기 때문에 한파는 일시적이었다. 이 진동의 원인으로는 가을에 캐나다에서 발생한 성층권 갑작스런 온난화(SSW) 등이 계기가 되었을 가능성이 지적되고 있다.^[16]^[17]^[18]

2012년-2013년 겨울은 일본에서 따뜻한 겨울이 되기 쉽다고 여겨지는 엘니뇨 현상이 발생했음에도 불구하고, 한겨울이 되었다. 이 또한 북극 진동이 음(-)으로 작용했던 것이 하나의 요인으로 여겨지고 있다.

북극 진동에 의한 날씨 변화는 일본을 포함한 동아시아 북부에도 영향이 미치지만, 영향 범위의 변두리에 해당하기 때문에 엘니뇨 등의 영향력이 강하며, 결과적으로 나타나는 날씨는 복잡한 패턴을 보인다.

참조

_[1] 웹사이트 Arctic Oscillation (AO) time series, 1899 – June 2002 https://web.archive.[...] 2012-01-21
_[2] 논문 Arctic Oscillation or North Atlantic Oscillation? http://ams.allenpres[...]
_[3] 웹사이트 CPC - Teleconnections: Arctic Oscillation Loading Pattern https://www.cpc.ncep[...]
_[4] 논문 If It's That Warm, How Come It's So Damned Cold? http://www.columbia.[...] 2013-07-17
_[5] 웹사이트 CPC - Teleconnections: Arctic Oscillation Loading Pattern https://www.cpc.ncep[...]
_[6] 웹사이트 CPC – Monitoring & Data: Daily Arctic Oscillation Index https://web.archive.[...] 2012-01-29
_[7] 논문 Seasonal and Irregular Variations of the Northern Hemisphere Sea-Level Pressure Profile
_[8] 논문 The Arctic oscillation signature in the wintertime geopotential height and temperature fields http://www.agu.org/j[...] 2010-08-28
_[9] 웹사이트 State of the Climate | December 2010 http://www.ncdc.noaa[...] 2012-01-29
_[10] 논문 The February 2010 Arctic oscillation Index and its stratospheric connection http://clima.meteoam[...]
_[11] 논문 The snow storm of 8 March 2010 in Catalonia (Spain): a paradigmatic wet-snow event with a high societal impact https://www.nat-haza[...]
_[12] 웹사이트 2010 South Florida Weather in Review https://www.weather.[...]
_[13] 웹사이트 SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL NORMALES CLIMATOLÓGICAS http://smn.cna.gob.m[...]
_[14] 문서 National Weather Service Climate Prediction Center and NWS Forecast Office, as of 2010
_[15] 논문 北極振動 (新用語解説(49)) https://ndlonline.nd[...] 日本気象学会 2002-08
_[16] 뉴스 北半球中緯度帯に顕著な寒波をもたらした大気の流れについて https://www.jma.go.j[...] 気象庁 2010-03-03
_[17] 뉴스 バンクーバーは「雪不足」、ワシントンは「大雪」の謎 http://www.iza.ne.jp[...] 産経新聞 iza 2010-02-15
_[18] 뉴스 英国30年ぶり大雪、経済的損失は数千億円か https://www.afpbb.co[...] AFP BBNews 2010-01-07
_[19] 논문 http://www.duke.edu/[...]
_[20] 논문 http://strat-www.met[...]
_[21] 논문 http://www.agu.org/p[...]
_[22] 논문 QUASI-BIENNIAL OSCILLATIONS OF THE SOLAR MAGNETIC FIELDS http://helios.izmira[...]
_[23] 논문 http://helios.izmira[...]
_[24] 뉴스 작년 한파 주범 ‘북극 진동’ 55년만의 2월 혹한 몰고와 http://media.daum.ne[...] 동아일보 2012-02-02