기후 시스템 모델링을 이용한 ENSO-해양 생태계 상호작용 연구

Abstract

본 연구에서는 열대태평양의 주요 기후 변동성인 ENSO의 물리적 변동성과 해양의 기초생산자인 식물플랑크톤의 척도가 되는 클로로필의 생물학적 변동성과의 상호작용을 알아보기 위하여, 두 단계에 걸쳐 모델 실험을 수행하였다. 먼저, 첫 번째 실험은 엘니뇨에 대한 클로로필의 반응을 조사하기 위하여, 생지화학 모델과 결합된 해양모델에 1951년부터 2010년까지의 표층 바람장을 관측 값으로 처방하여 수행하였다. 표층 바람을 관측 값으로 처방한 모델 실험 결과는 완벽하지는 않지만 열대 해양의 물리적, 생지화학적 변동성 및 엘니뇨를 관측 대비 유사하게 모의하였으며, 이를 통해 최근 소개된 열대 중태평양에 양의 온도편차의 최대값이 나타나는 새로운 타입의 엘니뇨(Warm pool El Niño; 이하 WP-El Niño)와 기존 알려진 열대 동태평양에 양의 온도 편차의 최대값이 나타나는 전통적인 엘니뇨(Cold Tongue El Niño; 이하 CT-El Niño)에 대한 클로로필의 반응 차이를 조사하였다. CT-El Niño의 발달시기에 클로로필의 음의 농도편차는 동태평양에서 나타났고, 반면에 WP-El Niño의 경우에는 중태평양에서 나타났다. 두 종류의 엘니뇨에 대한 클로로필의 시공간적 반응 차이는 열대 서태평양의 저농도의 영양염 및 클로로필이 무역풍의 감소로 인해 정상상태보다 이류 된 것으로 사료된다. 또한 WP-El Niño의 쇠퇴시기에 클로로필 양의 농도 편차가 동태평양에서 발달하기 시작하는 반면, CT-El Niño 에는 SST가 여전히 양의 편차를 보임에도 불구하고 중태평양에서 발달하였다. 이는 두 엘니뇨를 유도하는 무역풍의 차이가 CT-El Niño 시기에 음의 해면고도를 북서 태평양에서 남동방향으로 이동시키면서 유도되는 고압성 지형류가 적도잠류를 강화하여 엘니뇨 시기동안 하층에서 상승한 영양염을 공급했기 때문으로 사료된다. 다음으로 클로로필의 변동성이 ENSO에 주는 생물학적 효과를 알아보기 위하여, 생지화학적 모델을 포함시킨 실험(이하 TOPAZ On)과 클로로필의 기후값을 처방하여 고정시킨 실험(이하 TOPAZ Off) 실험을 수행하였다. TOPAZ On 실험은 TOPAZ Off 실험에 비해 유의한 수준에서 수온 변동성이 높은 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 연직방향 클로로필 농도의 변동성을 조사하였을 때, 1차적으로 평균 농도가 높은 혼합층 경계에서 가장 높은 변동성을 보여주었지만, 평균 농도는 높지 않으나 중태평양 지역의 혼합층 아래에서 두 번째로 높은 변동성을 보여주었다. 이 지역의 클로로필 변동성은 열대 서태평양의 하층수온과 높은 관련성을 가지며, 또한 1년의 정도의 시간차를 두고 해면수온의 변동성과 유의한 상관관계를 가졌다. 실제로 두 실험에서 약 1.5도의 편차를 갖는 엘니뇨 및 라니냐의 전후 1년 열대 해양수온 편차의 연직방향 분포를 보면 엘니뇨가 발달하는 시기에 서태평양 하층 수온 편차가 TOPAZ ON 실험이 더 높았고, 라니냐의 경우 더 낮았다. 이는 클로로필이 ENSO의 발달과정에서 엘니뇨는 약화시키고, 라니냐는 강화시키는 역할을 하였음을 제시하며, 이 같은 비대칭성 효과는 엘니뇨와 라니냐가 서로 상쇄시킨 후에도 음의 수온편차를 남기게 되어 평균 수온을 상대적으로 차갑게 한다. 이러한 효과는 장주기적 ENSO의 강도에도 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 ENSO에 의한 물리적 변동성과 그에 따른 생물학적 변동성의 상호작용을 알아보았다. 해양의 물리적 변동성은 수평 및 수직 이류의 효과로 영양염 공급에 변화를 주어 클로로필의 변동성에 영향을 줄 수 있으며, 클로로필의 변동성은 해양으로 입사되는 태양복사량의 연직 분포에 영향을 주고, 해양의 성층을 변화시켜 수온과 같은 물리적 변동성에 영향을 주어 ENSO의 강도에 영향을 미칠 수 있는 가능성을 제시하였다.