동아시아 겨울철 몬순(EAWM)은 겨울철 북반구에서 가장 활발한 기후 시스템 중 하나로 동아시아 지역에 뚜렷한 계절적 특성을 나타낸다. 강한 EAWM은 겨울철 동아시아 지역에 추운 겨울 및 한파를 발생시켜 인간 및 동식물들의 생활환경에 영향을 준다. 따라서 EAWM의 변동성을 이해하고 예측에 활용할 필요가 있다. 또한 EAWM은 여러 원격상관패턴에 의해 영향을 받을 수 있다.
그 중 북극진동(AO)은 겨울철 북반구 전체에 걸쳐 나타나는 패턴으로 북극지역과 중위도에서의 기압편차가 반대로 나타나는 패턴이다. AO는 유럽-대서양 지역뿐만 아니라 유라시아 및 동아시아의 겨울철 기후 변동에 전반적으로 영향을 미치는 패턴으로 최근의 EAWM의 변동성을 이해하기 위해 많은 연구들이 진행되어 왔다. 한편, 서태평양 패턴(WP)은 북태평양 서쪽에서 남북 쌍극자의 기압편차의 형태로 나타나는 패턴으로 EAWM의 변동성과 밀접한 관련이 있다. WP의 변동성은 AO와 별개로 나타나고 동아시아 동쪽에서의 대기 순환장을 변화시켜 동아시아 지역에 영향을 미친다.
EAWM에 대한 AO와 WP의 개별적인 영향에 대한 연구들을 통해 두 원격상관 패턴이 EAWM의 변동성에 중요한 영향을 미침에도 두 패턴을 함께 고려한 EAWM에 대한 영향을 살펴본 연구는 많이 이루어지지 않았다.
따라서 본 연구에서는 겨울철 동아시아 지역에서의 기후 변동성을 이해하기 위하여 WP와 AO가 함께 고려하였을 때 그 영향은 어떤지를 살펴보았다. 또한 계절예측시스템에서의 AO에 대한 예측성 평가 연구는 많이 진행되어 왔으나 WP에 대한 모의 능력 및 그 예측성 평가에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 그래서 접합대순환모형에서의 WP의 계절예측성을 평가하여 EAWM의 예측성에 대한 이해를 높이고자 하였다. 마지막으로 최근 가속화된 지구온난화에 따라 EAWM을 비롯한 대기 순환장들에서의 변화들이 나타나고 있다. 따라서 미래기후에서의 AO와 WP의 변화를 살펴보고 EAWM과 관련성을 파악할 필요가 있다.
먼저, 최근 56년(1958/59-2013/14년) 겨울 동안의 재분석자료에서 AO와 WP가 EAWM에 어떻게 영향을 미치는지 합성장 분석을 통해 살펴보았다. AO와 WP가 서로 같은 부호를 가질 때 EAWM의 특성은 강화되는 것으로 나타났고 AO와 WP가 서로 반대 부호를 가질 때에는 각자가 EAWM에 미치는 영향이 서로 상쇄되어 동아시아 겨울철 기온 변화에 뚜렷한 영향을 주지 못했다. 이러한 특징은 zonal wavenumber(ZWN) 분석을 통해 확인할 수 있었다. EAWM의 변동성과 관련된 ZWN은 ZWN2로 AO와 WP가 서로 같은 부호일 때 중위도에서의 ZWN2에 의한 기압 편차는 강화되거나 약화되어 EAWM에 강한 영향을 주게 된다. 반면에, AO와 WP가 서로 반대 부호일 때는 중위도에서 AO와 WP와 관련된 ZWN2 패턴이 반대가 되어 상쇄되고 고위도에서의 AO에 의한 ZWN2의 영향만 남게 된다. 따라서 이 때에는 유라시아지역의 겨울철 기후에 중점적으로 영향을 준다.
다음은 접합대순환모형(CGCM)에서의 WP의 예측성을 살펴보았다. 우선 겨울철에 계절예측에서 WP 지수를 쉽게 활용하고자 기존의 WP 지수들은 만족하는 새로운 WP 지수를 정의하였다. 이 지수는 지역 평균 간의 차이로 WP를 나타내는 지수로써 EOF를 활용해야하는 다른 WP지수에 비해 상대적으로 쉽게 사용가능하다. 또한 이 지수는 기존의 WP 지수의 변동성을 잘 반영한다. 본 연구에서는 APCC 다중모형앙상블 예측시스템에 포함되는 6개의 CGCMs 및 MME의 예측 자료로부터 WP지수의 변동성 및 패턴의 예측 스킬을 평가하였다. WP 지수의 시간적 변동성에 대한 예측 스킬은 MME가 가장 높게 나타났으나 공간적 패턴을 잘 예측하지 못했다. 이로 인해 MME에서의 WP 지수에 의한 동아시아 겨울철 기온은 통계적으로 유의하게 예측되지 못했다. MME 외에 개별 모델 중 3개의 모형이 WP 지수의 공간적 패턴을 모의하지 못하고 ENSO와 관련된 패턴을 WP의 패턴으로 모의하였다. 따라서 MME를 비롯한 절반의 개별 모형들에서의 중위도 북태평양에서의 대기 순환 패턴은 ENSO에 강하게 의존하는 오차를 가지고 있음을 알 수 있었다. 나머지 절반의 모형들은 WP의 패턴을 잘 모의하였으나 그 중 하나의 모형은 시간적 변동성을 잘 예측하지 못했다. MME를 포함한 7개의 CGCMs 중 MSC_CANCM4와 PNU 모형이 WP의 시간적 변동성 및 공간적 패턴을 가장 잘 모의하였고 이와 관련된 동아시아 겨울철 기온과의 상관성도 예측자료에서 잘 나타났다.
마지막으로 CMIP5 모형들을 이용하여 미래기후에서의 AO와 WP의 변화를 살펴보고자 하였다. 우선 27개의 CMIP5 모형들의 현재 기후에서의 AO와 WP 패턴의 모의능력을 평가하고 조건을 만족하는 상위 모형들을 선정하여 그 모델의 MME 결과로부터 미래 변화를 전망하였다. 상위 모형들은 AO 및 WP와 관련된 동아시아에서의 대기 순환패턴을 잘 모의하였다. 21세기 후반 미래기후에서의 AO와 WP지수는 증가추세를 보였고 현재기후 대비 양의 값의 빈도가 증가할 것으로 전망되었다. 또한 AO와 WP지수에 의한 동아시아 대기순환장은 RCP4.5보다 RCP8.5에서 더 큰 진폭을 가질 것으로 전망되었다. 또한, 현재기후에서는 WP지수가 AO지수보다 EAWM과 더 밀접한 관련성을 보였던 반면에 미래기후에서는 AO 및 WP지수가 비슷한 정도로 EAWM과 관련성을 가질 것으로 전망되었다. 한편 미래 기후전망은 기후 변화 시나리오 및 모형, 분석 기간 등에 따라 의존적이기 때문에 불확실성을 염두에 두어야 한다.
본 연구는 원격상관패턴으로부터의 EAWM의 변동성을 이해하는데 도움이 되었을 것으로 생각된다. 본 연구에서는 EAWM 및 AO, WP의 십수년 주기 변동에 대해서는 고려하지 않았다. 그러나 EAWM에 대한 원격상관패턴과의 관련성을 이해를 돕기 위해서는 앞으로 이러한 장주기 변동도 고려하여 분석할 필요가 있다.