Multidecadal variability of the ENSO early-winter teleconnection to the North Atlantic in CMIP6 models: robustness and mechanisms

기술 요약: CMIP6 모델에서 나타나는 ENSO의 북대서양 초기 겨울철 원격 상관의 다십년 변동성

문제 제기
엘니뇨-남방진동(ENSO)은 초기 겨울 시즌(11월~12월) 동안 북대서양 대기 순환에 상당한 영향을 미치며, 주로 동대서양 패턴(EAP)에 투영된다. 운영 중인 계절 예측 시스템들은 일반적으로 이러한 원격 상관의 공간적 패턴을 포착하지만, 최근의 관측 분석들은 ENSO-EAP 연결 강도가 비정상성(non-stationary)을 보이며 상당한 다십년 변동성을 나타낸다는 점을 지적해 왔다. 예를 들어, 이 원격 상관은 서로 다른 시기(epoch)에 따라 북대서양 진동(NAO)과 상관관계를 갖거나 EAP와 상관관계를 갖는 방향으로 변화하는 것이 관측되었다. 그러나 관측 기록의 제한된 길이로 인해 이러한 비정상성을 관측 자료를 통해 평가하는 데에는 제약이 따른다. 관측 기록의 하위 기간(sub-period)에 내재된 작은 표본 크기는 관측된 원격 상관의 변화가 실제 역학적 메커니즘에 의해 주도된 것인지, 아니면 단순히 샘플링 변동성에 의한 인위적 결과(artifact)인지 통계적으로 구별하기 어렵게 만든다. 또한, 관측 기록이 이러한 저주파 기후 모드(예: 태평양 데케이드al 진동(PDO) 또는 대서양 다십년 변동성(AMV))의 한두 주기만을 포함하고 있을 때, 이러한 변화를 이들 모드와 연결 짓는 것은 매우 도전적인 과제이다.

연구 방법론
표본 크기의 제약을 극복하고 원격 상관의 정상성을 견고하게 평가하기 위해, 본 연구는 10개의 결합 모델 상호 비교 프로젝트 단계 6(CMIP6) 모델로부터 얻은 긴 전산업 통제(pre-industrial control, piControl) 시뮬레이션을 활용한다. 고정된 인위적 강제력(1850년 수준)과 규정된 자연 강제력을 가진 이 시뮬레이션들은 700년 이상의 기간을 아우르며, 통계적 저하 없이 데이터를 다양한 다십년 단위의 하위 기간으로 분할할 수 있는 충분한 표본 크기를 제공한다.

분석에는 다음과 같은 방법론적 프레임워크가 적용된다:

1. 지수 정의: Niño 3.4 지수는 ENSO 변동성을 특징짓는다. 동대서양 지수(EA)는 ERA5 재분석 패턴과 일치하는 북대서양 평균 해면 기압(MSLP) 편차의 경험적 직교 함수(EOF) 분석을 통해 도출된다.
2. 비정상성 평가: EA와 N34 사이의 21년 이동 상관계수를 계산한다. 관측된 상관관계의 변동성이 샘플링 불확실성만으로 예상되는 범위를 초과하는지 결정하기 위해, 선형 확률 모델 접근법(Rieke et al., 2021)을 사용한다. 이는 정적인 원격 상관을 생성하여 상관관계 변동의 영 분포(null distribution)를 만들기 위해 5,000개의 실현값(realizations)을 생성하는 과정을 포함한다.
3. 기간 분류: 통계적으로 유의미한 양(+)의 EA-N34 상관관계를 보이는 기간은 "POSCORR"로, 상관관계가 약한 기간은 "WEAKCORR"로 명명한다.
4. 메커니즘 진단: 연구는 POSCORR 기간과 WEAKCORR 기간 사이의 합성 기후(composite climatologies) 및 ENSO 회귀 패턴을 비교한다. 분석되는 주요 변수에는 MSLP, 200 hPa 지오포텐셜 고도(Z200), 200 hPa 바람(u200), 대류의 대리 지표인 출구 장파 복사(OLR), 그리고 해수면 온도(SST)가 포함된다. 파동 활동 플럭스(WAF)는 정적인 로스비 파동 전파를 진단하는 데 사용된다.

주요 결과

1. 유의미한 다십년 변동성: 분석 결과, CMIP6 모델에서 ENSO-EAP 원격 상관은 상당한 다십년 변동성을 보임을 확인하였다. 결정적으로, 확률 모델 비교를 통해 10개 모델 중 5개 모델에서 21년 이동 상관의 변동성이 샘플링 불확실성만으로 예상되는 수준보다 유의미하게 크다는 것이 밝혀졌다. 이는 원격 상관이 무작위 노이즈가 아닌 역학적 메커니즘에 의해 주도되는 비정상적 특성을 가진다는 가설을 뒷받침한다.
2. 모델 편향: 모델들은 ENSO-EAP 원격 상관의 공간적 패턴(영국 서쪽의 음(-)의 MSLP 편차)은 대체로 잘 포착하지만, ERA5 재분석 자료에 비해 원격 상관의 강도를 현저히 과소평가한다. 이러한 과소평가는 일반 순환 모델(GCM) 및 계절 예측 시스템에서 알려진 편향과 일치한다.
3. 역학적 메커니즘: 본 연구는 다십년 변동성을 주도할 수 있는 세 가지 주요 메커니즘을 식별하였다:
   • 열대 인도양 대류: POSCORR 기간에는 열대 인도양 상공의 ENSO 관련 대류 쌍극자(강화된 OLR 편차)가 더 강하게 나타난다. 이는 상층 발산을 강화하며, 특히 인도양/동아시아 지역으로부터 북태평양으로 향하는 로스비 파동의 활동 플럭스를 강화하는 더욱 강력한 에너지원으로 작용한다.
   • 북태평양 제트 기류 상태: POSCORH 기간은 북태평양 제트 기류(u200)의 기후적 변화와 연관되는데, 이는 극 방향으로의 변위와 동쪽으로의 신장(elongation)을 특징으로 한다. 이러한 구성은 열대 지방으로부터 북태평양을 거쳐 북미로, 그리고 최종적으로 북대서양으로 이어지는 파동 에너지의 효율적인 전파를 용이하게 한다.
   • 태평양 데케이드알 진동(PDO) 위상: POSCORR 기간과 WEAKCORR 기간 사이의 SST 클리마톨로지 차이는 각각 PDO의 음의 위상과 양의 위상을 닮아 있다. 연구 결과, ENSO-EAP 원격 상관은 (북태평양의 더 강한 외측 연직 SST 경사에 연관된) 음의 PDO 유사 기간 동안 더 강하며, 양의 PDO 유사 기간 동안에는 더 약해짐을 발견하였다.
4. 파동 전파: Z200 회귀 패턴의 차이는 인도양 대류 쌍극자와 일치하는 동아시아 및 북태평양 상의 파동 구조를 보여준다. 이는 인도양 경로의 변화가 북태평양의 제트 기류와 폭풍 경로(storm track) 반응을 조절하고, 이것이 다시 북대서양의 원격 상관을 형성하는 에디-평균 흐름 피드백(eddy-mean flow feedback)에 영향을 미친다는 것을 시사한다.

의의 및 주장
본 논문은 관측 연구에 내재된 표본 크기의 한계를 극복하여 ENSO-EAP 원격 상관의 비정상성을 평가하기 위한 견고한 프레임워크를 제공한다는 점을 주요 기여로 주장한다. 원격 상관의 다십년 변동성이 샘플링 노이즈가 아닌 역학적 메커니즘에 의해 주도될 가능성이 높음을 입증함으로써, 변화하는 원격 상관 패턴에 대한 관측 결과를 검증한다.

저자들은 식별된 메커니즘들, 즉 인도양 대류 경로의 조절, 북태평양 제트 기류의 배경 상태, 그리고 PDO의 위상이 이러한 변동성의 타당한 동인임을 단언한다. 이러한 발견은 북대서양 및 유럽의 계절적 변동성과 예측 가능성에 대한 이해를 높인다. 연구는 모델의 편향이 존재함에도 불구하고, 서로 다른 모델 간의 신호 일관성과 이전의 관측 및 모델링 연구(예: 인도양 및 PDO의 역할에 관한 연구)와의 일치성은 유의미한 비정상성 가설을 지지한다고 결론짓는다. 저자들은 결과가 샘플링 변동성에는 견고하지만, 서로 다른 편향을 가진 모델들을 결합하는 과정에서 신호가 약화될 수 있음을 언급하며, 이러한 메커니즘을 더욱 고립시키기 위한 표적 민감도 실험의 필요성을 제안한다.