Reconstruction of missing data and analysis of air temperature variability at the Arctowski Station (Antarctic Peninsula region), 1977–2025

기술 요약: 아르크토프스키 기지(1977–2025)의 결측 데이터 재구축 및 기온 변동성 분석

문제 제념
남극 반도는 급격한 해빙과 기온 변화를 포함한 급격한 환경 변화를 겪고 있는 기후 "핫스팟"으로 인식되고 있다. 그러나 이 지역의 기상 기록은 운영 중단, 장비 고장 또는 물류적 어려움으로 인해 데이터 공백이 발생하는 경우가 많다. 킹 조지 섬에 위치하며 1977년부터 운영되어 온 헨리크 아르크토프스키 폴란드 남극 기지(HA)는 간헐적인 관측으로 점철된 약 50년의 역사를 보유하고 있다. 이러한 공백은 장기적인 기후 변동성 및 추세 분석을 저해한다. 또한, ERA5와 같은 재분석 데이터셋은 전 지구적 범위를 제공하지만, 지형, 지표 복사 수지 및 국지 순환의 차이로 인해 극지 지역의 현지 기상 관측값과 비교했을 때 체계적인 편차를 보이는 경우가 많다. 본 연구가 다루는 주요 과제는 ERA5 재분석 값과 현지 기상 관측값 사이의 불일치를 고려하면서, 1977–22025년 기간 동안 HA 기지의 결측 일평균 기온 데이터를 재구축하여 균질하고 연속적인 시계열을 생성하는 것이다.

연구 방법론
본 연구는 결측 데이터를 재구축하고 기온 변동성을 분석하기 위해 다단계 접근 방식을 채택하였다:

1. 데이터 식별 및 소스 선택: 저자들은 HA 기지의 1977–2025년 기록 내에서 결측된 일일 데이터의 특정 기간을 식별하였으며, 이는 전체 일수의 약 29.8%를 차지한다. 결측값은 HA 기지를 포함하는 격자 셀(62.00°–62.25° S, 58.25°–58.50° W)에 해당하는 ERA5 재분석(코페르니쿠스 기후 변화 서비스)의 시간별 데이터를 사용하여 보완되었다.
2. 회귀 모델링: HA 기지와 ERA5 값 사이의 체계적 차이(특히 HA가 여름철에 일반적으로 ERA5 격자보다 더 따뜻하다는 결과)를 해결하기 위해, 저자들은 월별 선형 회귀 방정식을 개발하였다. 이 모델들은 기상 관측치와 ERA5 데이터가 모두 존재하는 2013년부터 2025년까지의 완전하고 균질한 데이터셋을 사용하여 보정되었다. 월별 방정식의 피어슨 상관 계수($R$)는 0.92에서 0.95 사이였다.
3. 검증 및 균질성 테스트: 재구축된 데이터는 1978–1990년 기간의 측정 데이터와 비교 검증되었으며, 그 결과 상관 계수 $R = 0.949$를 얻었다. 재구축된 1977–2025년 시계열의 균질성은 Alexandersson(1986)의 표준 정규 균질성 검정(SNHT)을 통해 테스트되었다.
4. 기후 분석: 연구에서는 다음과 같은 다양한 기후 매개변수를 계산하였다:
   • 평균, 최댓값 및 최솟값 기온.
   • 대륙성(Gorczyński 지수, $K_G$) 및 해양성(Marsz 지수, $O_M$) 지수.
   • 양의 적산온도(PDD) 및 빙점 이하 적산온도(FDD).
   • 연간 및 월간 평균에 대한 Student's t-test를 이용한 추세 분석.
   • 인근 기지(Bellingshausen 및 Faraday/Vernadsky)와의 비교 분석.

주요 결과

• 데이터 재구축: 재구축된 1977–2025 데이터셋은 균질한 것으로 결정되었으며, SNHT 검정 통계량($T(k) = 7.86$)은 0.05 유의 수준에서의 임계값(8.20)보다 낮았다.
• 기온 특성: HA 기지는 해당 지역에서 가장 높은 연평균 기온인 $-1.6^\circ\text{C}$를 나타낸다. 연주기는 온화한 겨울(7월 평균: $-5.8^\circ\text{C}$)과 서늘한 여름(2월 평균: $2.3^\circ\text{C}$)을 보인다. 극값은 $-32.3^\circ\text{C}$에서 $16.7^\circ\text{C}$ 사이에 분포한다.
• ERA5와의 계절적 불일치: HA와 ERA5 사이에는 유의미한 차이가 존재한다. 겨울철 차이는 미미하지만(HA가 때때로 더 낮음), 여름철 차이는 상당하며, HA가 2월에 ERA5보다 최대 $1.1^\circ\text{C}$ 더 따뜻하다. 이는 푄 현상이나 빙하가 없는 지형에 의한 태양 복사 등 국지적 요인이 ERA5의 광역 격자와 비교하여 기지 미기후에 중요한 영향을 미치고 있음을 시사한다.
• 추세 및 변동성: 전체 1977–2025 기간 동안 통계적으로 유의미한 장기 온난화 또는 냉각 추세는 관찰되지 않았다($p = 0.74$). 대신, 데이터는 뚜렷한 다십 년 단위의 변동 주기를 보여준다: 1984년까지 온난화, 1994년까지 냉각, 1999년까지 온난화, 2015년까지 냉각, 그리고 이후의 상승기이다.
• 해양 영향: 이 지역은 낮은 연간 기온 진폭($7.4^\circ\text{C}$), 낮은 Gorczyński 대륙성 지수($12.0\%$), 높은 Marsz 해양성 지수($11.2$)로 나타나는 극단적인 해양성 기후 특성을 보인다.
• 적산온도: 연평균 양의 적산온도(PDD) 합계는 $329.6^\circ\text{C}$였고, 빙점 이하 적산온도(FDD)는 $-898.4^\circ\text{C}$였다. 연구 기간 동안 PDD나 FDD에 대한 통계적으로 유의미한 추세는 발견되지 않았으나, 높은 연간 변동성이 관찰되었다.
• 지역적 일관성: HA의 기온 변동성은 Bellingshausen 기지와 강하게 상관관계($R=0.95$)를 보였고, Faraday/Vernadsky 기지와는 중간 정도의 상관관계($R=0.65$)를 보였으며, 이는 공유된 지역적 대기 동력을 반영한다.

의의 및 주장
본 논문은 재구축된 1977–2025 데이터셋을 남극 반도의 기후 역학을 이해하기 위한 핵심 자원으로 규정한다. 저자들은 본 연구가 장기 극지 기록의 데이터 공백 문제를 성공적으로 해결하여, 변동성 분석을 가능하게 하는 균질한 시계열을 제공했다고 주장한다.

연구의 의의에 관한 주요 주장은 다음과 같다:

• 방법론적 기여: 본 연구는 ERA5가 결측치를 채우는 데 유용한 도구이지만, 직접적인 대체는 편향을 초క래한다는 점을 입증한다. 국지적 조건을 기반으로 한 월별 회귀 방정식을 개발하는 것은 극지 기상 데이터를 정확하게 재구축하기 위해 필요한 단계이다.
• 기후 맥락: 연구 결과는 선형적 추세보다는 높은 연간 변동성과 뚜렷한 온난화/냉각 단계를 특징으로 하는 남극 반도 기후의 복잡한 성격을 뒷받지한다. 이는 1990년대 후반부터 2015년 사이의 온난화 정체기(Antarctic Hiatus)와 그 이후의 재온난화 단계를 설명하는 개념을 지지한다.
• 국지적 vs 글로벌 동력: 연구 결과는 지형, 해빙 범위, 푄 바람과 같은 국지적 요인이 광역적인 재분석 추세를 압도하며 기온 기록에 결정적인 역할을 한다는 점을 강조한다. 기지의 여름철 열적 이점은 이러한 국지적 메커니즘에 기인한다.
• 환경적 기준선: 재구축된 데이터는 어드머럴티 베이(Admiralty Bay) 지역에서 수행되는 다학제적 연구의 일환으로서, 빙하 및 영구 동토층과 같은 빙권(cryosphere)에 미치는 기후 변화의 영향을 평가하기 위한 기준선 역할을 한다.

저자들은 관측된 변동성이 대기 순환(남극 환상 모드, 대기 천사/atmospheric rivers) 및 해빙 범위의 변화와 일치함을 결고하며, 이 민감한 지역의 미래 기후 체제를 이해하기 위한 지속적인 모니터링의 필요성을 강조하며 결론을 맺는다.