워커 순환
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1. 개요
워커 순환은 해수면 온도 차이에 의해 발생하는 대기 순환 현상으로, 열대 태평양 지역의 기압과 해류, 강수량 등에 영향을 미친다. 1900년대 초 길버트 워커에 의해 연구되었으며, 인도양 계절풍과 태평양 지역 기압의 상관관계를 분석하여 남방진동 현상과의 연관성을 밝혀냈다. 워커 순환은 무역풍에 의해 서태평양에 따뜻한 해수가 축적되고, 동태평양에서 용승이 일어나는 과정에서 형성되며, 엘니뇨와 라니냐 현상과 밀접한 관련이 있다. 엘니뇨 시기에는 워커 순환이 약화되고, 라니냐 시기에는 강화되는 경향을 보인다. 최근 연구에서는 지구 온난화가 워커 순환에 미치는 영향에 대한 논의가 진행 중이다.
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| 워커 순환 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 대기 순환 |
| 관련 현상 | 엘니뇨-남방진동 라니냐 |
| 설명 | |
| 정의 | 열대 태평양 상공에서 나타나는 대규모 대기 순환 |
| 특징 | 동서 방향의 순환 고리 형태 해수면 온도, 기압 분포와 밀접한 관련 |
| 작동 방식 | 동태평양의 고기압과 서태평양의 저기압 사이의 기압 경도력에 의해 구동됨 상승 기류와 하강 기류를 동반 |
| 강화 조건 | 동태평양의 용승 작용 강화로 인한 저수온 현상 심화 서태평양의 해수면 온도 상승 |
| 약화 조건 | 동태평양의 해수면 온도 상승 서태평양의 해수면 온도 하강 |
| 영향 | |
| 전 지구적 기후 | 엘니뇨-남방진동 (ENSO) 현상과 밀접하게 연관 전 세계적인 기온 및 강수 패턴 변화 유발 |
| 지역적 기후 | 인도 몬순에 영향 오스트레일리아와 인도네시아의 강수량 변화 |
| 해양 생태계 | 용승 변화에 따른 영양염류 공급량 변화 어류 분포 및 생산량에 영향 |
| 관련 용어 | |
| 남방 진동 | 태평양 양쪽의 기압 변화를 나타내는 지표 |
| 엘니뇨 | 동태평양의 해수면 온도 상승 현상 |
| 라니냐 | 동태평양의 해수면 온도 하강 현상 |
| 기타 | |
| 명칭 유래 | 길버트 토머스 워커 경의 이름을 따서 명명됨 |
2. 워커 순환의 발견과 연구
워커 순환은 20세기 초 영국의 수학자이자 기상학자인 길버트 워커에 의해 처음으로 그 존재가 알려졌다.[19][5] 그는 1904년 인도 관측소 소장으로 부임한 후,[19][5] 인도양 계절풍과 태평양 지역 기압 변화 사이의 연관성을 연구하는 과정에서 이 순환 패턴을 발견하였다.[19][5] 워커는 방대한 기상 자료 분석을 통해 남방진동이라 불리는 대규모 기압 변동 현상을 밝혀냈으며, 이는 워커 순환 이해의 중요한 기초가 되었다.[19][5]
2. 1. 길버트 워커의 연구
길버트 워커는 케임브리지 대학교에서 활동한 저명한 응용수학자였다.[19][5] 그는 1904년 인도 관측소 소장으로 부임하여[19][5] 인도양 계절풍의 특성을 연구하기 시작했다. 특히 1899년 계절풍 강수량 감소로 발생한 1899-1900년 인도 기근은 중요한 연구 계기가 되었다.[19][5]워커는 이후 15년 동안 인도와 전 세계의 방대한 기상 자료를 분석했다.[19][5] 이를 통해 인도와 태평양 사이의 대기압이 마치 시소처럼 변동하는 큰 규모의 진동 현상(남방진동)을 처음으로 설명했으며, 이 현상이 인도 등 열대 지역의 온도 및 강수량 패턴과 밀접한 관련이 있음을 밝혔다.[19][5] 그는 인도 기상청과 협력하며 계절풍과 남방진동 현상을 연결하는 연구에 힘썼다.[19][5] 이러한 공로로 1911년 인도 성훈장 컴패니언 등급을 받았다.[19][5]
워커는 당시 기상학 연구에서 주로 사용되던 연 단위 분석이 부적절하다고 판단했다. 계절에 따라 지역 간의 기상 관련성이 크게 달라질 수 있기 때문이었다.[19][5] 그래서 그는 1년을 네 계절(12월~2월, 3월~5월, 6월~8월, 9월~11월)로 나누어 분석하는 방법론을 도입했다.[19][5]
또한, 워커는 '행동 중심'(centers of action)이라는 개념을 사용했다. 이는 특정 지역(예: 인도 반도) 중에서도 영구적 또는 계절적으로 고기압이나 저기압이 형성되는 핵심 지역, 또는 강수량이나 바람 등이 중요한 통제 요인이 되는 지점을 의미했다.[19][5] 그는 여름과 겨울의 기압 및 강수량 값을 중심으로 분석을 시작하여 나중에는 봄과 가을까지 연구를 확장했다.[19][5]
연구 결과, 워커는 온도 변화가 주로 기압과 강수량 변화에 의해 결정된다고 결론지었다.[19][5] 당시 일각에서 제기된 흑점 변화가 온도 변화의 원인이라는 주장에 대해서는, 흑점과 온도, 바람, 구름, 강수량 등의 월별 자료를 비교하여 상관관계가 일치하지 않음을 보여주며 반박했다.[19][5]
워커는 자신의 연구에서 중요하다고 밝혀진 관련성뿐만 아니라 중요하지 않다고 밝혀진 관련성까지 모든 상관관계 분석 결과를 발표하는 것을 원칙으로 삼았다. 이는 다른 연구자들이 존재하지 않는 관련성을 찾느라 시간을 낭비하는 것을 막기 위한 배려였다.[19][5]
3. 워커 순환의 원리
워커 순환은 기본적으로 해수면 온도의 지역적 차이 때문에 발생한다. 적도 부근에서는 동쪽에서 서쪽으로 부는 무역풍이 지속적으로 분다. 이 바람은 해수면에 힘을 가하여 따뜻한 표층수를 서쪽으로 이동시키는 적도 해류를 만드는데, 이는 풍성 순환의 일종이다.
그러나 태평양과 같은 넓은 바다에서는 대륙이 해류의 흐름을 막기 때문에, 서쪽 지역(예: 인도네시아 부근)에는 따뜻한 물이 쌓여 두꺼운 열대 난수 풀이 형성된다. 반면, 동쪽 지역(예: 남아메리카 페루 연안)에서는 따뜻한 표층수가 서쪽으로 빠져나간 자리를 메우기 위해 바다 깊은 곳의 차가운 심층수가 표면으로 올라오는 용승 현상이 활발하게 일어난다. 이 결과, 적도 태평양에는 서쪽은 따뜻하고 동쪽은 차가운 뚜렷한 해수면 온도 차이가 나타난다.
이러한 해수면 온도 차이는 대기에도 영향을 미친다. 따뜻한 서태평양 상공에서는 공기가 데워져 가벼워지면서 상승하는 적운 대류가 활발해지고 강력한 상승 기류가 만들어진다. 이로 인해 지표면 부근에는 저기압이 형성되고, 주변의 공기를 끌어들여 동쪽에서 서쪽으로 부는 바람(하층 동풍)이 강화된다. 상승한 공기는 대기 상층으로 올라가 동쪽으로 이동하며 점차 냉각되고 무거워져, 차가운 동태평양 페루 연안 상공에서 하강하는 하강 기류를 형성한다. 이 하강 기류는 지표면 부근에 고기압을 발달시키고, 하강한 공기는 다시 동풍이 되어 서태평양으로 이동한다.
결과적으로, 지표면 근처에서는 동쪽에서 서쪽으로 부는 바람(무역풍)이, 대기 상층에서는 서쪽에서 동쪽으로 부는 바람이 형성되어, 태평양 적도 지역을 동서 방향으로 순환하는 거대한 대기 순환 시스템이 만들어지는데, 이를 워커 순환이라고 부른다.
3. 1. 해양의 영향
워커 순환은 열대 지방의 주요 대양인 인도양, 태평양, 대서양의 온도 구조에 큰 영향을 미친다. 북반구 여름철을 기준으로, 인도양에서는 서풍이 우세하게 불고, 태평양과 대서양에서는 동풍이 강하게 분다. 이러한 바람의 차이로 인해 세 대양의 해수면 온도는 뚜렷한 불균형을 보인다. 태평양과 대서양의 경우 적도 부근 동쪽 해역의 해수면 온도가 상대적으로 낮게 나타나는 반면, 인도양에서는 서쪽 해역에서만 낮은 온도가 관측된다.[20][6]
이러한 해수면 온도의 지역적 차이는 바닷속 수온약층의 깊이에도 영향을 미친다.[21][7] 수온약층은 표층의 따뜻한 물과 심층의 차가운 물 사이에서 수온이 급격하게 변하는 층을 말하는데, 해수면 온도가 낮은 동태평양과 동대서양에서는 수온약층의 깊이가 얕아지고, 해수면 온도가 높은 서태평양과 서대서양, 인도양 대부분 지역에서는 깊어진다.
워커 순환의 강도나 패턴 변화는 해수면 온도 변화와 밀접하게 연관되어 나타난다. 이러한 변화는 계절 변화와 같은 외부적인 요인에 의해 일어나기도 하지만, 해양과 대기 사이의 자체적인 피드백 과정을 통해서도 발생한다.[22] 예를 들어, 동풍이 강해지면 태평양 동쪽 해역의 해수면 온도는 더욱 낮아진다. 이는 동쪽과 서쪽의 온도 차이를 더 크게 만들어 결과적으로 동풍을 더욱 강화시키는 효과를 낳는다. 강화된 동풍은 적도 부근 해수 표층의 물을 서쪽으로 더 많이 이동시키고, 이를 보충하기 위해 아래쪽의 차가운 물이 표층으로 올라오는 용승 현상을 더욱 활발하게 만든다. 이로 인해 동쪽 해역의 수온약층은 더욱 얕아지게 된다.[8] 만약 지구가 적도를 기준으로 완벽하게 대칭적인 기후를 가졌다면, 적도를 가로지르는 바람은 거의 없을 것이고, 현재와 같은 뚜렷한 동서 간 온도 차이나 강력한 용승 현상은 나타나기 어려웠을 것이다.[22]
워커 순환은 무역풍을 통해 태양 에너지로 데워진 따뜻한 표층 해수를 태평양 서쪽으로 이동시키는 역할을 한다. 이 과정에서 태평양 동쪽, 특히 페루와 에콰도르 연안에서는 차갑고 영양염류가 풍부한 심층수가 표층으로 올라오는 용승 현상이 활발하게 일어난다. 이 용승된 차가운 물은 풍부한 영양분을 공급하여 플랑크톤의 성장을 촉진하고, 이는 다시 어류의 풍부한 먹이가 되어 해당 지역의 어업 생산량을 크게 증가시키는 중요한 요인이 된다.[23][9] 근본적으로 워커 순환은 무역풍에 의해 발생하는 풍성 순환의 일종으로, 육지의 영향으로 서태평양에 따뜻한 해수가 쌓이고 동태평양에서는 차가운 심층수가 용승하면서 발생하는 동서 간의 해수면 온도 차이가 대기 순환을 유발하여 형성된다.
4. 엘니뇨-남방진동(ENSO)과의 관계
워커 순환은 태평양 동쪽의 고기압과 인도네시아 부근 서쪽의 저기압 사이에서 발생하는 기압 경도력에 의해 만들어지는 대기 순환이다. 이 순환은 차가운 해양심층수가 표층으로 올라오는 용승 현상을 촉진하여 해수면 온도를 낮추는 역할을 한다.
워커 순환의 세기 변화는 엘니뇨-남방진동(ENSO) 현상과 밀접하게 연관되어 있다. 워커 순환이 평소보다 약해지거나 멈추면 동태평양의 용승이 약화되어 해수면 온도가 비정상적으로 상승하는 엘니뇨 현상이 발생한다. 반대로 워커 순환이 평소보다 강해지면 용승이 강화되어 해수면 온도가 평년보다 낮아지는 라니냐 현상이 나타난다.
평상시(엘니뇨나 라니냐가 아닌 상태)에는 워커 순환으로 인해 적도 부근에서 동쪽에서 서쪽으로 부는 무역풍이 강하게 나타난다. 이 바람은 따뜻한 표층 해수를 서태평양으로 이동시키고, 페루와 에콰도르 연안에서는 차갑고 영양이 풍부한 심층수가 표면으로 올라오는 용승을 활발하게 만든다. 이 용승 덕분에 이 지역은 풍부한 어장을 형성한다.[10] 한편, 따뜻한 해수가 모이는 서태평양 지역은 덥고 습하며 저기압이 발달하여 태풍이나 뇌우가 자주 발생한다. 이러한 해수의 이동 때문에 서태평양의 해수면 높이는 동태평양보다 약 60cm 더 높다.[11][12][13][14]
한편, 워커 순환의 장기적인 변화 추세에 대해서는 논쟁이 있다. 2006년 네이처에 발표된 연구에서는 19세기 중반부터 워커 순환이 점차 느려지고 있으며, 그 원인으로 지구 온난화를 지목했다.[15] 그러나 2011년에 발표된 다른 연구에서는 1871년부터 2008년까지의 기상 자료를 재분석한 결과, 엘니뇨-남방진동에 의한 단기적인 변동을 제외하면 워커 순환의 전체적인 세기나 방향에는 뚜렷한 장기적 변화 추세가 나타나지 않았다고 주장했다.[16]
4. 1. 엘니뇨
엘니뇨는 태평양 적도 부근 동쪽 해상의 해수면 온도가 비정상적으로 높아지는 현상으로[10], 평상시 워커 순환이 약해지거나 멈출 때 발생한다. 워커 순환은 동태평양의 고기압과 인도네시아 부근 서태평양의 저기압 사이 기압 경도력으로 인해 발생하며, 차가운 해양심층수의 용승을 유발하여 동태평양 해수면 온도를 낮게 유지한다.엘니뇨 시기에는 이러한 순환 패턴이 변화한다. 대류 활동이 활발한 지역이 평소의 서태평양에서 태평양 중부로 이동하며, 이로 인해 태평양 중부와 동부에서는 수온 약층(따뜻한 해수와 차가운 해수가 접하는 수온 변화가 큰 경계층)의 깊이가 평소보다 깊어진다. 또한 따뜻한 해수 표면층(고수온역) 역시 동쪽으로 이동한다. 반면, 서태평양에서는 하강 기류가 발달하고 평소의 동풍 대신 서풍이 불면서 워커 순환 자체가 약화된다.
반대로, 워커 순환이 평소보다 강해질 경우에는 라니냐 현상이 발생한다. 라니냐 시기에는 동태평양의 용승이 더욱 강화되어 해수면 온도가 평년보다 낮아지며, 서태평양과 해양 대륙 지역에서는 대류 활동이 더욱 활발해진다.
4. 2. 라니냐
워커 순환이 평상시보다 강해지면 동태평양에서의 용승이 더욱 활발해져 해수면 온도가 평년보다 낮아지는 라니냐 현상이 발생한다. 즉, 강화된 워커 순환은 차가운 심해수의 용승을 촉진하여 해수면 온도를 평균 이하로 냉각시키는 것이다.라니냐 시기에는 서태평양과 해양 대륙(인도네시아 부근)에서 대류 활동이 활발해지면서 워커 순환이 더욱 강해지는 특징을 보인다.
5. 기후 변화와 워커 순환
기후 변화가 워커 순환에 영향을 미치는지에 대한 연구가 진행되고 있다. 2006년 5월 과학 저널 ''네이처''에 발표된 연구에 따르면, 워커 순환은 19세기 중반부터 점차 느려지고 있으며, 연구자들은 지구 온난화가 이러한 바람 패턴 약화의 주요 원인일 수 있다고 주장했다.[15]
그러나 2011년에 발표된 다른 연구에서는 20세기의 기상 자료를 재분석한 결과, 엘니뇨 남방진동과 관련된 주기적인 변동을 제외하면 1871년부터 2008년까지 워커 순환의 전반적인 속도와 방향은 비교적 일정하게 유지되었다고 분석했다.[16] 이처럼 워커 순환의 장기적인 변화 추세와 그 원인에 대해서는 아직 학계에서 논의가 진행 중이다.
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