How tropical instability waves impact the equatorial Pacific interannual SST variability and heat budget in 2024

적도 태평양은 전 세계의 날씨 패턴을 결정하는 비밀스러운 리듬을 간직하고 있습니다. 이 시스템의 중심에는 보통 적도를 따라 위치하는 '콜드 텅(cold tongue, 냉수대)'이라 불리는 차가운 해역이 있습니다. 이 물이 비정상적으로 따뜻해지면 엘니뇨를 유발하여 어떤 곳에는 폭우를, 어떤 곳에는 가뭄을 몰고 옵니다. 반대로 비정상적으로 차가워지면 라니냐를 유발하며, 종종 그 효과를 역전시키기도 합니다. 과학자들은 이 두 상태 사이의 전환이 항상 매끄럽지는 않다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 때때로 바다는 따뜻한 시기가 끝난 후 예상대로 식지 않고 주저하는 듯한 모습을 보입니다. 수년간 연구자들은 콜드 텅을 관찰하며, 무엇이 보이지 않는 힘이 이를 다시 따뜻하게 밀어 올려 다음 냉각 단계의 도착을 지연시키는지 이해하려고 노력해 왔습니다.

2024년, 난징 정보과학기술대학교의 과학자 팀은 이 순환 과정 중 특정하고 당혹스러운 순간에 주목했습니다. 2023년과 2024년 초의 강력한 엘니뇨 현상 이후, 세상은 2024년 말까지 태평양이 라니냐 단계로 전환될 것이라 예상했습니다. 하지만 대신에 냉각 현상이 정체되었습니다. 동태평양의 해수는 예상보다 더 따뜻하게 유지되었고, 기대했던 한파는 완전히 찾아오지 않았습니다. 연구진은 그 이유를 알고 싶어 했습니다. 그들은 답이 해양 자체의 혼돈스럽고 요동치는 움직임, 구체적으로는 열대 불안정 파동(tropical instability waves)의 거동에 있을 것이라고 의심했습니다. 이들은 콜드 텅의 가장자리를 따라 형성되어 서쪽으로 이동하며 물을 섞는 거대한 소용돌이 형태의 에디(eddy)입니다. 이들은 이전에도 연구된 바 있지만, 2024년 라니냐를 차단한 데 있어 이들의 구체적인 역할은 불분명했습니다.

이 미스터리를 해결하기 위해 연구팀은 적도 태평양의 상세한 디지털 모델을 구축했습니다. 그들은 단순히 바다를 관찰한 것이 아니라, 두 가지 버전을 만들어 나란히 실행했습니다. 첫 번째 버전의 모델은 자연스럽게 작동하도록 하여, 저러한 요동치는 파동이 형성되고 수온과 상호작면하도록 두었습니다. 두 번째 버전에서는 수학적 필터를 사용하여 물을 매끄럽게 처리함으로써, 다른 모든 조건은 동일하게 유지하면서 파동만을 효과적으로 제거했습니다. 이 두 가지 시뮬레이션을 비교함으로써, 그들은 파동의 정확한 영향력을 분리해 낼 수 있었습니다. 만약 파동이 있는 버전이 파동이 없는 버전보다 더 따뜻하게 유지된다면, 파동이 온도의 원인이라는 뜻이 됩니다.

결과는 놀라웠습니다. 모델은 2024년 여름에 열대 불안정 파동이 평소 이 시기의 평균보다 훨씬 더 활발하고 강력했음을 보여주었습니다. 파동이 존재하도록 허용한 시뮬레이션에서는 콜드 텅이 눈에 띄게 더 따뜻하게 유지되었습니다. 반면 파동을 제거한 시뮬레이션에서는 해수가 훨씬 더 급격히 식어 명확한 라니냐를 나타내는 온도에 도달했습니다. 연구진은 이러한 파동이 냉각 효과를 거의 절반 가까이 감소시켰음을 발견했습니다. 구체적으로, 핵심 지역인 니뇨3(Niño3) 영역에서 파동은 냉각 이상 현상을 49% 약화시켰습니다. 이는 파동이 강력한 브레이크 역할을 하여, 엘니뇨 이후 바다가 정상적으로 식는 것을 막았음을 시사합니다.

이 파동들이 어떻게 물을 따뜻하게 만들었는지 이해하기 위해, 과학자들은 해양 표층의 열 수지(heat budget)를 분석했습니다. 그들은 열이 어디서 오고 어디로 가는지 살펴보았습니다. 그들은 주요 동력이 태양이나 해양 위의 공기가 아니라, 물 자체의 움직임이라는 것을 발견했습니다. 파동은 북쪽과 남쪽으로부터의 거대한 온수 흐름을 만들어 적도로 밀어 넣었습니다. 요동치는 파동에 의해 유도된 이 수평적 물의 이동은 콜드 텅에 매달 섭씨 0.81도의 온도를 더했습니다. 이를 체감하기 위해 비교하자면, 이 가열 효과는 바다가 태양과 대기로부터 받는 열을 합친 것보다 거의 세 배나 더 강력했습니다. 파동은 대기가 해수를 식힐 수 있는 속도보다 더 빠르게 콜드 존으로 따뜻한 물을 펌프질하여 주입하고 있었던 것입니다.

또한 이 연구는 이러한 가열이 균일한 담요처럼 덮이는 것이 아니라 특정한 집중된 열 띠라는 점을 밝혀냈습니다. 파동은 적도 바로 북쪽과 남쪽의 물을 따뜻하게 하는 데 가장 효과적이었으며, 콜드 텅과 주변 해수 사이의 온도 차이를 줄이는 구역을 만들었습니다. '이류(advection)'라고 알려진 이 과정은 움직이는 해류에 의한 열의 물리적 수송을 의미합니다. 연구진은 소용돌이치는 움직임이 이 가열의 거의 전부를 담당하는 반면, 안정적인 배경 해류는 매우 미미한 역할만을 수행한다는 것을 발견했습니다. 일반적으로 심해의 차가운 물을 끌어올리는 수직적 물의 움직임은 이 특정 맥락에서 무시할 만한 수준이었으며, 이는 수평적 요동이 지배적인 힘이었다는 점을 더욱 강조합니다.

이러한 발견은 왜 2024년 라니냐가 예상대로 실현되지 못했는지에 대한 명확한 설명을 제공합니다. 2024년 여름 동안의 격렬한 열대 불안정 파동 활동은 역동적인 장벽 역할을 하여, 콜드 텅에 지속적으로 따뜻한 물을 보충했습니다. 이 메커니즘은 바람 패턴과 같은 기존의 요인들과 결합하여, 바다가 식기를 거부하는 상황을 만들어냈습니다. 이 연구는 이 파동들이 단순한 표면의 잔물결이 아니라, 주요 기상 현상의 타이밍과 강도를 변화시킬 수 있는 강력한 기후 변화의 요인임을 확인시켜 줍니다. 이 파동들이 얼마나 많은 열을 이동시켰는지 정량화함으로써, 본 연구는 해양 내부의 요동이 때로는 대기의 신호를 압도할 수 있다는 점을 보여주며 미래의 기후 변화를 예측하는 새로운 퍼즐 조각을 제공합니다.

또한 이 작업은 현재 기후 모델의 한계를 부각합니다. 많은 표준 모델은 이러한 파동을 명확히 볼 수 없을 정도로 해상도가 낮아, 이 중요한 가열 효과를 완전히 놓칠 수 있습니다. 연구진은 이러한 파동을 포착할 수 있는 고해상도 모델을 사용하여 실제 열 수송의 규모를 파악할 수 있었습니다. 이러한 세부 사항이 없었다면, 2024년에 대한 예측은 해양의 역동성이 적극적으로 저항하고 있는 냉각 추세만을 가정하여 빗나갔을 가능성이 높았습니다. 이는 미래의 엘니뇨와 라니냐를 정확히 예측하기 위해서, 과학자들이 거대한 기후 패턴보다 작은 규모에서 작동하지만 결과에는 막대한 영향을 미치는 이러한 중규모(mesoscale) 파동을 반드시 고려해야 함을 시사합니다.

궁극적으로, 이 논문은 해수의 요동이 글로벌 기후에 결정적인 역할을 하는 역동적이고 자기 조절적인 해양 시스템의 모습을 그려냅니다. 2024년의 사건은 규칙을 깨뜨린 예외적인 현상이 아니라, 해양의 내부 기계 장치가 계절적 변화를 지연시키기 위해 어떻게 개입할 수 있는지를 보여준 사례였습니다. 광범위한 기후 논의에서 종종 간과되던 열대 불안정 파동은 적도 태평양을 따뜻하게 유지하여 라니냐의 차가운 물을 효과적으로 막아낸 핵심 요인임이 증명되었습니다. 이러한 통찰은 기후 단계 사이의 전환을 바라보는 과학자들의 관점을 변화시키며, 해양이 대기 변화의 수동적인 수혜자가 아니라 내부로부터 기후 경관을 재형성할 수 있는 능동적인 참여자임을 강조합니다.