CMIP5 모델을 이용한 북태평양지역의 미래 열대저기압 활동 변화 전망

Abstract

Global warming plays an important role on environmental of the tropical cyclone (TC). Understanding the tropical cyclone formation factor based on climate change is very important in future tropical cyclone activity. In this paper, the projection of TC activity based on power dissipation index (PDI) is investigated using 10 Coupled Model Intercomparison Project 5 (CMIP5) global climate models, 2 reanalysis data and Joint Typhoon Warning Center (JTWC) best-track data. The simulation for future projection is based on the one (8.5) representative concentration pathways (RCP) scenario from 2075 to 2099 and compared with historical PDI from 1981 to 2005 over the North Pacific. In order to project changes in the future activities of TCs, we evaluated performance of the 10 CMIP5 models for environmental factors of TC. In the end of 21st century, CMIP5 multi model ensemble simulated sea surface temperature (SST), vertical wind shear (VWS), maximum potential index (MPI) and the other climate conditions which influence the PDI, show increasing or decreasing patterns in their temporal changes. However, these patterns were different regionally. In order to predict TC's activity based on PDI, we developed multi regression equation using environmental factor of TC and project the future TC's activity (PDI) after verification observation data. The PDI value over the Western North Pacific (WNP) is larger than that over the Eastern North Pacific (ENP) in historical period. At the end of 21st century, over (WNP) SST/MPI is expected to increase while VWS decrease due to global warming. Such climate conditions are favorable for increasing of PDI but different results are projected over ENP.

본 연구는 지구온난화에 따른 열대저기압 환경인자들의 변화가 미래 열대저기압 활동에 미치는 영향을 살펴보았다. RCP8.5시나리오로 적분된 10개의 CMIP5 모델을 사용하여 미래 북태평양 지역의 열대저기압의 강도, 빈도, 지속기간이 포함된 활동지수(PDI)를 이용하여 미래 열대저기압 활동을 전망하였다. 미래 예측에 대한 불확실성을 줄이기 위해 열대저기압 환경인자들에 대해 10개의 CMIP5 모델과 2개의 재분석자료 및 관측값(JTWC-Best Track data)와의 검증 및 평가를 실시하여 미래예측에 사용할 CMIP5 모델을 선정하였다. 모델 선정방법은 대기인자와 해양인자를 각각 다르게 하였다. 대기인자는 IPCC AR5(2007)에서 사용한 ESMValTool (Earth System Evaluation Tool)을 사용하여 실시하였고, 해양인자에 대해서는 재분석자료와의 상관도로 하였다. CMIP5 모델의 모의성능을 파악하기 위해 20세기 말 기간(1981~2005년)동안 10개의 CMIP5모델과 2개의 재분석자료의 열대저기압 환경인자(해수면온도, 연직윈드시어, 최대잠재강도)를 비교해 보았다. CMIP5 모델앙상블 평균값과 2개의 재분석자료의 앙상블 평균값은 수평적으로 비슷한 분포를 나타냈다. 하지만 CMIP5 모델에서 해수면온도는 중앙태평양 부근에서 낮게, 연직윈드시어는 북태평양 0~40°N에서 높게 모의하였다. 이러한 결과는 최대잠재강도를 계산 시 CMIP5 모델이 재분석자료보다 낮은 강도로 모의하는 결과를 나타내는 원인이 되었다. 하지만 북동태평양 연안에서는 CMIP5 모델이 재분석자료보다 해수면온도, 연직윈드시어, 최대잠재강도 모두 높게 모의하는 결과를 보였다. 현재와 같은 지구온난화 효과가 적용된 RCP8.5시나리오로 적분된 CMIP5 모델의 미래전망에서는 20세기 말 대비 21세기 말(2075~2099)에 모든 CMIP5 모델은 해수면온도 상승을 전망한다. 열대저기압의 강도는 따뜻한 해수면온도에 민감하게 반응한다는 Emanuel (1999)의 보고와 더불어 본 연구에서도 21세기 말에 최대잠재강도가 증가하는 것으로 모의되었다. 하지만 연직바람시어는 북서태평양의 열대저기압 발생에 민감한 북서태평양 남동쪽 지역에서 감소하고 북동태평양의 열대저기압 발생지역에서는 증가하였다. 이는 새로운 회귀식을 사용하여 미래전망을 한 본 연구 결과에 직접적으로 영향을 주었다. 20세기 말 기간의 열대저기압의 발생이 잦은 북반구 여름철(7~10월)의 관측값(JTWC-Best Track)과 재분석자료(NCEP-NCAR)와의 상관분석을 실시한 결과, 북서태평양에서 열대저기압 활동에 민감한 지역은 Choi et al. (2015)에서 제시한 북서태평양 남동쪽해역과 비슷한 해역인 0°N~10°N, 165°E~180°E이었으며, 북동태평양에서는 열대저기압의 주 발생지역인 7°N~20°N, 230°E~260°E에서 높은 상관도를 나타내어 분석에 사용할 해역으로 선정하였다. 선정된 해역을 중심으로 열대저기압 활동지수(PDI)와 환경인자(최대잠재강도, 연직윈드시어) 사이의 회귀분석을 통해 새로운 회귀식을 만들고, 새로운 회귀식을 통해 미래 열대저기압 활동에 대해 전망하였다. 선행연구의 보고에 따라 북서태평양과 북동태평양에 대한 회귀식은 다르게 계산되었다. 20세기 말 기간동안의 새로운 회귀식으로 계산된 PDI는 관측으로 계산된 PDI와의 상관도가 0.74(북서태평양), 0.66(북동태평양)의 높은 상관도를 보였다. 같은 해역에 대해 10개의 CMIP5 모델 앙상블을 적용한 결과, 0.61(북서태평양), 0.51(북동태평양)의 상관도를 보였다. 해역별 PDI의 증감 트랜드를 살펴 보았을 때, Wu et al. (2008)에서 제시한 내용과 본 연구에서의 PDI가 일치함을 확인하였다. 또한, 각각의 CMIP5 모델로 계산한 PDI와 관측값으로 계산된 PDI값의 상관도를 조사하여 앞서 대기 및 해양인자에 대해 선택된 모델들과 교차검색을 하여 미래 전망을 위한 CMIP5 모델은 북서태평양과 북동태평양 해역에 대해 각각 다르게 선정되었다. 최종적으로 선택된 CMIP5 모델로 모의한 PDI는 북서태평양에서 증가하고 북동태평양에서 감소하는 것으로 전망하였다. 북서태평양에서의 증가원인은 열대 저기압 활동 민감지역에서의 열대저기압 활동과 양의 상관도를 가진 최대잠재강도 증가와 더불어 음의 상관도를 가진 연직윈드시어의 감소에 의한 것으로 분석 되었다. 또한, 북동태평양에서의 열대저기압 활동의 감소원인은 음의 상관도를 가진 연직윈드시어가 열대저기압 주 발생지역에서 증가하기 때문이다. 이러한 결과는 미래 지구온난화가 열대저기압 활동에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 하지만 역학적 상세화 기법과 6개의 CMIP5 모델, RCP8.5시나리오를 사용하여 미래 열대저기압 활동을 전망한 Emanuel (2013)에서는 21세기 (2006~2100년) 전반에 걸쳐 과거 (1950~2005년)보다 열대저기압 활동이 증가할 것이라고 보고하였지만, 상관도가 낮은 열대저기압 발생지수를 사용하였기 때문에 북동태평양 해역에 대해서는 본 연구와 상이한 결과를 보였다. 하지만 본 연구는 모델, 방법, 기간이 다르고, 대기인자, 해양인자 및 새로운 회귀식의 검증을 통해 CMIP5 모델은 선택하고 미래전망을 하였다는 사실에 초점을 맞추어야 한다. 향후 본 연구결과의 유의성을 확보하기 위해 다양한 모델의 자료를 추가 할 필요가 있다. 3차원 해양자료를 통해 열대저기압으로 인한 해양연직순환과 더불어 그에 따른 영향분석도 해봐야 할 것이며, 모델결과가 불연속성이 존재하는지 과거부터 21세기 말까지의 선형분석이 필요하다. 또한, 지구온난화가 지속될 가능성으로 가정한 시나리오를 사용하였기 때문에 열대저기압의 주된 활동기간이 변화 할 가능성도 염두해야 한다. 추후 새로운 모델 결과에 대한 추가 분석은 미래 열대저기압 활동변화에 대한 이해를 높이는데 기여할 것으로 사료된다.