기후 예측 인자로 이용되는 북극 해빙의 변동성은 극 지역과 중위도 지역의 날씨와 기후에 상당한 영향을 미친다. 이러한 북극 해빙의 면적은 최근 빠르게 감소하고 있으며, 변동성이 증가하고 있다. 이에 따라 북극 해빙에 대한 예측 수요가 증가함과 동시에 해빙 예측성 향상에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 중장기 시간 규모를 갖는 북극의 해빙 면적 예측을 위해 전 지구 해빙 역학 모형을 구축한 후, 너징(Nudging) 자료동화 기법에 기반을 둔 해빙 역학 모형의 자료동화 시스템을 개발하였다. 자료동화 된 변수는 해수면 온도, 해빙 농도, 그리고 카테고리 별 해빙 두께이다. 자료동화 시스템을 이용하여
현실적인 초기조건을 생산하기 위해 완화시간규모(Nudging time scale)에 대한 민감도 실험(Sensitivity experiment)을 수행하였다. 또한, 시스템의 예측성 향상 여부를 검증하기 위해 1990년부터 2008년까지 매해 9월에 12개월을 예측하는 과거 예측실험(Hindcast)을 수행하였다.
먼저 모형 내 해빙 농도 변수와, 해빙 변수의 유지 및 변화에 기여하는 해수면 온도, 그리고 카테고리 별 해빙 두께 변수에 대해 독립적으로 자료동화를 진행하였다. 모형 적분 값을 재분석 자료로 치환하는 실험(Replace test)과 민감도 실험을 통해 각 변수별로 자료동화가 성공적으로 이루어짐은 확인하였으나, 해빙농도 재분석 자료와의 상관관계 분석 결과 예측성 향상을 담보할 만한 초기조건이 형성되기는 어려울 것으로 판단하였다.
이러한 이유로, 세 가지 변수를 조합하여 자료동화하는 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 자료동화에 이용된 세 변수는 모형 내에서 서로 영향을 주고받으며, 특히 카테고리 별 해빙 두께 변수의 경우 열적 과정에 있어 민감한 예단 변수(Prognostic variable)이기 때문에 모형 내 변수 간 균형을 유지하는 조합을 찾는 민감도 실험을 수행하였다. 반복적인 민감도 실험 수행 결과 각 변수별 완화시간규모를 해수면 온도는 1일, 해빙 농도 6시간, 그리고 카테고리 별 해빙 두께는 5일로 설정한 시스템에서 현실적인 초기조건이 생산될 것으로 판단하였다. 바이어스(Bias) 분석과 상관관계 분석을 통해 세 변수가 모두 성공적으로 자료동화 됨을 확인하였고, 이 시스템을 해빙 자료동화 시스템 버전1로 정의하였다.
구축된 해빙 자료동화 시스템 버전1을 통해 생산된 초기조건을 이용하여 과거예측실험을 수행하였다. 예측실험 결과와 재분석 자료의 해빙 농도 상관관계 분석 결과 전반적으로 양의 관련성이 나타났고, 예측시작으로부터 5개월 후까지 예측성이 나타남을 확인하였다. 북극의 각 해역별로 예측성을 평가한 결과 바렌츠 해, 보퍼트 해, 그리고 동 시베리아 해 지역에서 예측 시작으로부터 4개월 후 까지 상관계수 0.5 이상의 예측성이 나타났지만, 바렌츠 해와 척치 해 등의 지역에서는 예측성이 거의 나타나지 않았다. 총 해빙 면적(Sea-ice area)의 상관관계 분석 결과 예측 시작 2개월 후까지 상관계수 0.5 이상의 예측성이 나타나지만, 3개월 후부터는 급격히 감소하여 예측성이 사라지는 결과를 보였다. 이는 각 해역 별 예측성의 차이에 기인하는 것으로 판단된다.
결론적으로 세 예단변수를 적절히 조합하여, 예측성 향상을 담보할만한 초기 조건을 생산하는 전 지구 해빙 역학 모형의 너징 기반 자료동화시스템이 구축되었다. 생산된 초기조건을 이용하여 해빙 역학 모형을 통해 과거 예측실험을 수행한 결과, 규준실험에 비해 예측성이 향상됨을 확인하였고 예측 시작으로부터 약 2개월 정도까지 북극 해빙 변동성에 대한 예측성이 나타났다.