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~ 북극해 항로상의 안전항행을 위한 예측 정도의 향상 ~

국립연구개발법인 해양연구개발기구(JAMSTEC) 어플리케이션연구실은 대학공동이용기관법인 정보시스템 연구기구 국립극지연구소, 독일 알프레드 베게너연구소와 공동으로 2012년 8월에 발생한 북극 해상의 맹렬한 저기압에 대해 JAMSTEC의 슈퍼컴퓨터 ‘지구 시뮬레이터’로 구축한 데이터동화시스템과 대기대순환모델을 이용하여 예보실험을 수행한 결과, 동시기에 북극역에서 실시한 독일의 쇄빙관측선에 의한 고층기상관측 데이터가 그 예측정도 향상에 큰 영향을 미친다는 것을 발견하였다.

북극해상에서 발달하는 저기압은 ‘북극 저기압’이라고 하며, 북극해에서의 강풍, 높은 파도, 해빙이동 등에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 북극 저기압은 북극 해상의 선박 운항에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있기 때문에 그 예보가 중요시되고 있다. 또한 최근 북극역의 해빙 감소와의 관계도 주목을 받고 있으며, 기후에 미치는 북극 저기압의 영향도 연구대상이 되고 있다. 그러나 이 북극 저기압에 관해서는 해명되지 않은 부분이 많고, 특히 그 발생 메커니즘 및 며칠 전부터 발생을 예측할 수 있는지, 어떤 대기 상태가 예측에 중요한 것인지 충분히 해석, 평가될 필요가 있다.

2012년 8월 초순에 ‘great Arctic cyclone’이라는 강렬한 북극 저기압(AC12)이 발생하였다. 이 저기압은 8월에 발생한 북극 저기압 중에서 가장 강한 것이며, 다음 달에 관측된 최소 해빙면적의 기록 갱신과의 관계도 주목을 받았다. AC12의 발생은 거의 동시기인 7월 중순부터 8월 초순에 걸쳐 독일 쇄빙관측선 Polarstern호가 노르웨이 본토에서 약 1,000km 북쪽에 위치한 스피츠버겐(Spitsbergen)섬 근처의 북극 해상에서 라디오존데에 의한 고층 기상관측을 수행하였다. Polarstern호는 AC12보다 수천 km 떨어져 있지만, 선박에 의한 고위도에서의 라디오존데 관측은 대류권 상층 전체의 재현성 향상에 도움이 된다는 것이 밝혀졌기 때문에 연구그룹은 이번 관측 데이터도 AC12의 재현성 및 예측 정도를 향상시킬 수 있을 것으로 생각하였다.

대기의 상태를 정밀하게 재현, 예측하기 위해서는 수치모델에 관측 데이터를 입력할 필요가 있다. 특히 라디오존재 관측은 상공(고층)의 기온 및 풍속 등 상세한 연직분포를 취득할 수 있기 때문에 데이터 동화에는 반드시 필요한 정보원이다. 그러나 통상, 북극해는 지상관측이 곤란한 영역이기 때문에 고위도 해역의 고층 기상관측 데이터는 상당히 제한되어 있다. 그래서 연구그룹은 이번에 AC12의 사례에 관해 JAMSTEC에서 개발한 데이터 동화시스템 및 대기대순환 모델을 이용하여 Polarstern호의 라디오존대 관측 데이터가 AC12의 재현성과 예측에 어느 정도 영향을 미치는지 조사하였다.

연구그룹은 우선 라디오존데 관측 데이터를 동화한 경우와 동화하지 않은 경우 두 종류의 재현실험을 수행하여 그 차이를 봄으로써 관측 데이터의 영향을 평가하였다. 그 결과 관측데이터를 동화한 실험이 대류권 상층 대기의 재현성이 좋게 나타났다. 그리고 관측 데이터가 AC12의 재현성 향상에 어느 정도 기여하고 있는지 조사한 결과, 그 영향이 스피츠버겐섬 인근의 관측지역으로부터 동측으로 약 1,000km 정도 하류지역까지 미쳤다. 이것은 대류권 상층의 강한 서풍에 의한 영향이 하류지역까지 도달하였기 때문이라고 생각된다. 그리고 이 하류지역은 극소용돌이(polar vortex)의 위치에 대응하고 있으며, 이 극소용돌이가 지표면 부근의 AC12 형성에 기여하였다. 즉, 관측된 기압변화의 영향은 상공의 서풍에 의해 먼 곳의 AC12 발생지역에까지 미치고 있다는 것을 알았다.

다음으로 위의 재현 데이터를 초기치로 한 예보실험을 AC12가 형성되는 시각(2012년 8월 3일)부터 수행한 결과, 동화한 실험에서는 AC12 형성과 중심기압의 강하를 높은 정도로 예측할 수 있었던 반면에 동화하지 않은 실험에서는 그것을 충분하게 예측할 수 없었다. 즉, Polarstern호 관측은 대류권 상층의 서풍에 의해 하류지역의 극소용돌이의 재현성을 향상시켜 그것에 의해 AC12 형성의 예보정도를 향상시켰다는 것을 알았다.

그림 1. 2012년 8월 6일 ‘great Arctic cyclone(AC12)’의 해면기압과 Polarstern호의 관측위치
그림 2. (좌) AC12 형성 시의 Polarstern호의 관측을 동화시킨 실험과 동화시키지 않은 실험의 대류권 상층의 기압차 분포, (우) 극소용돌이에 의한 지표의 북극 저기압 형성의 개념도
그림 3. Polarstern호의 관측을 동화한 실험(빨간선)과 동화시키지 않은 실험(파란선)에서의 AC12 형성, 발달의 예보결과