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지난 130년 간 한반도 근해의 표층 수온 변화 경향
김성중
*·우성호·김백민·허순도
한국해양연구원 부설 극지연구소 극지기후연구부 (406-840) 인천광역시 인천우체국 사서함 32
Trends in Sea Surface Temperature (SST) Change Near the Korean Peninsula for the Past 130 Years
Seong-Joong Kim
*, Sung-Ho Woo, Baek-Min Kim, and Soon-Do Hur
Division of Polar Climate Research, Korea Polar Research Institute Incheon 406-840, Korea
Abstract : This study examined the change in sea surface temperature (SST) around the Korean peninsula since industrialization at year 1880, and its possible causes using observation based data from the Hadley Center, the Goddard Institute of Space Studies, and National Climate Data Center. Since year 1880, There have been multi-decadal fluctuations with a gradual reduction from 1880 to around 1940, and from 1950- 1980. There has then been a marked increase from 1940-1950, and from 1980 to the present. The ocean surface warming is larger during the boreal winter than summer, and greater in the south. The multi-decadal SST fluctuations around the Korean Peninsula are largely consistent with the negative phase of the Pacific Decadal Oscillation (PDO), which fluctuates with periods of about 20-50 years. Secondly, the El Niño- Southern Oscillation (ENSO), whose long period component moves along with the PDO, appears to influence the SST near the Korean Peninsula, especially in recent decades. Overall, the SST around the Korean Peninsula has warmed since year 1880 by about 1
oC, which is about twice the global-mean ocean surface warming. This long-term warming is aligned with an increase in greenhouse gas concentration, as well as local factors such as the PDO.
Key words : ocean climate change, sea surface temperature, Hadley Center, Goddard Institute of Space Studies, Pacific Decadal Oscillation
1. 서 론
한반도의 기후는동해
,
황해 그리고남해에의해둘러싸여 있어서해양의수온 분포에지대한영향을받는다
.
한반도의연중기온변화가다른지역에비해뚜렷하고위 도에따른수온변화가크게나타나는이유도한반도가 남쪽의해양과북쪽의대륙사이에위치해있어아시아몬 순의영향을지배적으로받기때문이다
.
한반도유역을흐르는해류는대부분적도태평양에서발원한비교적온 난한쿠로시오해류로서동중국해를지나북태평양으로 진입하는중에한반도의 남해를통과하면서 한반도의남 부를연중대체로온난한상태로유지시켜주는역할을 한다
.
반면에 한반도의북부는겨울의대륙성 찬기단의영향을받고수온도남부에비해낮기때문에연중큰기 온차이를 유발하고있다
.
한반도와중국사이에위치하는황해는동중국해와 연 결되어 있고 쿠로시오 해류 지류의 영향을 받으며
(Lie and Cho 2002),
큰 반시계방향의해류가발달한다.
평균*Corresponding author. E-mail : [email protected]
수심이약
45 m
정도로낮아서조류에의한혼합이활발하고외부의기온변화에민감히반응하는경향이있다
.
황해의북부에서는겨울철시베리아기단의확장과함께
1
월중약 −10
oC
의기온을보이는데반해남부에서는약3
oC
의기온을보인다. Yeh and Kim (2010)
연구에의하면최근수십년동안황해와동중국해의수온은온난화
경향을보이는데
,
특히1980
년대중반이후부터현재까지의온난화가 두드러지는 것으로나타난다
.
동해는태평양의북서쪽에위치한반쯤닫혀진바다로 서쿠로시오난류의많은양이대한 해협을통해유입되 어동해의남부를따라흐른다
.
따라서동해의남부는대체로온난한수온을보이는데반해북부는낮은수온이 나타난다
.
동해의수온 변동은연변화,
격년변동,
그리고그이상의변동등다양한주기를가지고변동하는것으 로 보고되고 있고
(Park and Oh 2000; Minobe et al.
2004; Kim et al. 2001, 2004; Park 2007),
동해 주변의바람장변화
,
동아시아몬순,
그리고해양-
대기 상호작용등이이와같은수온변동을일으키는주원인인것으로 알려져있다
(Minobe et al. 2004).
최근의연구에의하면동해남부의온난화경향이두드러지며특히겨울철의온 난화경향이여름에비해더뚜렷한것으로보고되고있 다
(Yeh et al. 2010).
앞에서살펴본바와같이한반도주변의해양은대체로
온난한경향을나타내고있다
.
민과김(2006)
은한국연안의
27
개정점표층수온(Sea surface temperature, SST)
을분석하여
1969
년부터2004
년까지연간0.01~0.06
oC
의수온이증가했으며특히동해에서의수온증가가다른해 역에비해컸으며겨울의수온증가가여름에비해더컸 음을 밝혔다
.
또한 한반도 주변의 표층 수온 변화는PDO(Pacific Decadal Oscillation)
의 변동과관련된북태평양의표층수온과연관되어있음을밝힌바있다
.
최근의다른연구에의하면지난
37
년동안한반도의기온은약
1.3
oC
상승했으며이에반응하여표층 수온은0.97
oC
상승한것으로 나타났다
(Jung 2008).
앞에 열거한 몇몇논문에서동해의수온변화는
1890
년부터,
그리고황해와동중국해는
1950
년도이후의한반도주변해양수온변화를다루었는데
,
한반도주변전체에대한장기수온변동의경향과수온변동의원인에대한연구는다소부족 한실정이다
.
본연구에서는산업혁명이후현재까지한반도주변의표층수온변화를살펴보고장기 수온변동에 영향을미친 요인들을 기술하고자 한다
.
2. 자료 및 방법
본 연구에는
Met Office Hadley Centre
와 뉴욕의Goddard Institute for Space Studies(GISS)
그리고National Climate Data Center(NCDC)
에서제공하는수온자료를 이용하였다
.
자료는 모두 웹에서 제공되는데, Hadley Center
표층 수온 자료(HadISST; Rayner et al.
2003)
는http://hadobs.metoffice.com/ hadisst/data/download.
html
에서, GISS
표층수온자료(GISS SST; Hansen et al.
2010)
는http://data.giss.nasa.gov/gistemp/
에서,
마지막으로
NCDC Extended Reconstruction Sea Surface Temperature version3(ERSST; Smith et al. 2008)
는http://www.ncdc.noaa.gov/ersst/#grid
에서 수집하여 사용하였다
.
세자료모두월평균자료이고HadISST
와GISS SST
는1
o×1
o그리고ERSST
자료는2
o×2
o의 공간해상도를가진다
.
자료의분석기간은두자료의기간을맞추기 위해
1880
년부터2009
년까지총130
년이다.
연구에사용된수온의편차
(anomaly)
자료는세자료모두1951-
1990
년의 각월별 평균장을 제거하여 얻어졌다.
한반도주변표층수온변화의원인을분석하기위하여 여러자료가사용되었다
.
해양순환장변화와의상관관계를조사하기위해
NCEP Global Ocean Data Assimilation
System(GODAS)
의남북방향해류속도자료가사용되었다
.
자료의공간 해상도는 약1
o×0.33
o이고 한반도주변수온과의관계는자료가허락하는
1980
년부터2009
년까지기간에 대하여조사하였다
.
한반도주변 수온의시계열과대규모기후지수
(Climate index)
들사이의상관관계를 조사하기 위해 엘리뇨 남방 진동
(Elniño-Southern
Oscillation, ENSO)
과Pacific Decadal Oscillation(PDO)
지수가사용되었다
. PDO
는20
oN
이상북쪽태평양의월별 수온 편차의 경험직교함수
(Empirical Othogonal Function)
의 주성분 시계열(principal component time series)
로 정의 된다(Zhang et al. 1997).
지수는Joint Institute for the Study of the Atmosphere and Ocean (JISAO)
웹사이트(http://jisao.washington.edu/pdo)
로부터제공받아사용하였다
. ENSO
지수는NINO 3.4
지역(
남위
5
도~
북위5
도,
서경170
도~
서경120
도)
의평균된수온편차시계열을
5
개월이동평균한것으로정의하였다.
표층수온변화값들의통계적유의성을확인하기위하 여신뢰도검사를수행하였으며
,
한반도남쪽에서유입되는해류의변화가표층수온에얼마만큼영향을미치는지 조사하기 위하여선형 회귀 분석을수행하였다
.
3. 결 과
수온 변화경향
Fig. 1
은HadISST
에서얻어진한반도주변의지난130
년간의
(1880-2009)
표층수온변화경향(trend)
과1980
년부터
2009
년까지최근의수온변화경향을보여주고있다
. HadISST
를기준으로봤을때,
한반도주변에서온난화가가장크게나타나는지역은남해이며모든계절에 지난
130
년동안평균1.2
oC
이상의수온상승을보인다.
두번째로온난화가 크게 나타나는곳은 동해로서 특히
,
동해의남부에서온난화가크게나타나며동해북부로온 난화가전파되어가는경향을보인다
.
하지만동해의한반도근해에서는온난화가상대적으로작게나타나고있다
.
황해에서도다른 해역에비해온난화가상대적으로작게 나타나는데
,
황해의북부에서겨울철을제외하고는온난화가지난
130
년동안1
oC
이하로작게나타나며특히,
여름철의온난화가작은경향을보인다
(Fig. 1).
전체적으로지난
130
년동안계절에따른 표층수온변화의경향을보면
,
북반구겨울의수온증가가여름에비해크게나타남을알수있다
.
한반도남해와동해남부그리고중부를따라
1.6
oC
이상의수온상승을보이지만한반도연안에서는공통적으로겨울철온난화가약해지는경향이있 다
.
여름에는 겨울과수온 변화패턴은 비슷하게나타나지만 겨울에비해 수온증가율이 작으며
,
특히 발해만에서는지난세기동안거의온난화가나타나지않았음을알 수있다
. Yeh et al. (2010)
의연구결과에서도 동해의겨울철 수온 증가가여름에비해 더 크게 나타났다
.
최근수십년간의한반도주변수온증가경향이지난
130
년간의수온증가 경향과어떤 차이가있는지살펴보기위하여
1980
년이후의수온 증가경향을나타내보았다
(Fig. 1e-h). 1880
년이후에서현재까지의수온증가경향에비해
1980
년도 이후한반도주변의수온증가가대체로크게 나타남을알 수있다
.
최근30
년간 봄철과겨울철의수온 증가가남해와 동중국해에서크게나타나 며
,
가장큰온난화가제주도남부에서나타나는데, 30
년간봄철에최대
2.4
oC
증가했고겨울철에는최대2.7
oC
증가가나타난다
.
HadISST
를사용한표층수온경향분석결과의신뢰성을검증하기위하여
GISS SST
와ERSST
를조사해보았다
(Fig. 2, 3). GISS SST
는 최근 수십년을 제외하고는HadISST
를생산하기위해이용된비슷한기원의관측자료를이용해재분석했기때문에
HadISST
와대체로비슷한수온변화경향을보인다
.
하지만1980
년도이후의수온변화경향을확인해본결과
, HadISST
에서나타난결과와는달리
, GISS SST
에서는가장큰증가가봄철의동중국해에서 나타났으며
,
두 번째로큰수온 증가가여름철 동중국해 그리고 가을철 동해 북부에서 나타나
HadISST
에서보여주는경향과다소차이가있음을알수있다
. ERSST
에서 얻어진경향은HadISST
나GISS SST
에비해 대체로단조로운 경향성이나타나며
,
수온변화의크기도대체로작게나타난다
(Fig. 3).
이러한HadISST
와
ERSST
의차이는해상도의차이와도일정부분연관이있다고여겨진다
.
앞의3
개자료를바탕으로얻어진한반도주변의표층수온 변화경향은지역에따라 다소간의 차이가나타나지만전체적으로온난화방향으로의경향 성은 일치하고 있다
.
Fig. 4
는1880
년이후부터2009
년까지의계절별한반도 주변
(
동경122.5
도~
동경132.5
도,
북위31.5
도~
북위Fig. 1. The (
oC/period) seasonal mean SST anomaly
(Hadley Center SST) near Korean Peninsula
during 1880-2009 (left column), and 1980-2009
(right column). The shading indicates a region
statistically significant above the 95% confidence
level. Blue boxes in h) indicate the area over
western (122.5-126.5E 34.5-38.5N), southern
(125.5-129.5E 31.5-34.5N), and eastern (128.5-
132.5E 35.5-39.5N) and South China Sea (121.5-
125.5E 28.5-33.5N), respectively
39.5
도)
평균수온의시간변화를보여주며,
장주기변화를보기위하여
5
년이동평균한그래프도나타냈다. HadISST
는검정색으로
, GISS SST
는파란색으로, ERSST
는빨간색으로 나타내었다
.
앞에서 언급했던 바와 같이 최근HadISST
와GISS SST
는20
여년을제외하고사계절모두에서두 자료의차이는거의 없음을알수 있다
.
하지만HadISST
와ERSST
는많은기간에서불일치를보이고있다
.
특히1900
년대부터1950
년대여름철에는ERSST
가HadISST
보다 대체로 낮게 나타난다.
이러한 불일치는HadISST
와ERSST
사이의자료를 가공하여격자화하는방법의차이가중요한원인일수있다
.
또한ERSST
의해상도는
HadISST
에비해해상도가낮기때문에관측자료를격자화할때
HadISST
에비해실제관측치보다과소하게산출할가능성도있다
.
두자료간동화품질의비교우위를결정하기는쉽지 않지만전체적으로 두자료에서 보여주는한반도주변의수온변화경향은지난세기동안 모든계절에
1
oC
이상증가했고,
현재로오면서수온의증가 경향은강해진다
(Fig. 4).
HadISST
를중심으로한반도주변의계절별표층수온변화 경향을 보면
,
봄철에 한반도 주변 모든 해역에서1900
년까지수온이완만히증가하다가,
이후1930
년대말까지는다시완만히감소한다
. 1930
년대말부터1950
년까지급격히수온이증가하는경향을보이다가
1950
년에서Fig. 2. Same as Fig. 1 but for Goddard Institute for Space Studies (GISS) sea surface temperature (SST) dataset
Fig. 3. Same as Fig. 1 but for Extended Reconstructed
sea surface temperature (ERSST) dataset
1980
년까지는몇차례의상승과하강의기복을거처수온이대체로감소하는경향을보인다
. 1980
년부터1998
년까지급격한수온증가를보이다가이후현재까지수온이
다소 감소하는경향을 보이고있다
(Fig. 4a).
전체적으로지난 세기동안봄철의한반도 주변수온은 최소 −
2
oC
에서최대
+2
oC
까지 약4
oC
정도의진폭을가지고변동하고 있다
.
여름철의한반도주변수온변화는봄철과는다른경향
을보이는데
,
봄철에는1940
년도까지대체로완만한수온감소를보인데반해
,
여름철에는1880
대초몇년을제외하고는
1950
년까지완만한상승을보이고있다(Fig. 4b).
이후
1980
년까지는지속적수온하강을보이고, 2000
년까지는급격한상승을보이다가이후현재까지는수온하
강이나타나고있는데
, 1950
년도이후의여름철한반도주변 수온 변화경향은봄철의 경향과유사한형태이다
.
시간에 따른여름철 한반도 주변 수온변화 폭은최소
−
1
oC
에서최대1.5
oC
로최대약2.5
oC
의변화폭을보이는데
,
봄철의변화폭(4
oC)
에비해여름철수온의변화가작게 나타남을 알수 있다
.
가을철 표층수온 변화 경향은
1940
년도 이후에는 봄철과비슷한경향을보이지만
, 1940
년이전까지는다른경향을보인다
. 1880
년대초몇년간수온이하강하다가,
이후
1940
년까지는특별한수온변화경향을보이지않는다
. 1950
년까지급격한수온증가를보이다가1980
년도까지는완만한 수온감소가 나타나는데
,
이는 특히 황해에서
1980
년경의수온감소가중요한역할을한것으로생각된다
.
이후2000
년까지는수온이증가하고2000
년이후현재까지감소하는경향으로다른계절과유사한 패턴이다
.
지난세기 동안한반도 주변의가을철수온 변동폭은 −
1.5
oC
에서최대+1.5
oC
로여름과봄의중간정도이다
.
겨울철한반도주변의수온변화에대한전체적인변화
경향을보면
, 1880
년대말에일시적으로수온이상승하는경향이나타나기도하지만
1940
년까지지속적으로수온이하강하는경향을보인다
. 1950
년까지급격한증가를보이고
, 1980
년까지완만한하강을하다가2000
년까지는상승하는경향을보이고이후현재까지완만한수온하강 을보인다
.
겨울철수온변화경향에서알수있는특징은수온하강은대체로완만하게이루어지지만수온상승은
급격히일어나는전형적인톱니바퀴
(Saw Touth)
형태의수온변화 특징을 보인다
.
수온의 연간변동폭도 최소−
2.5
oC
에서최대+2
oC
정도로지난 세기동안다른계절에비해가장 크게나타나는데
,
예를 들어1940
년경에는최소 −
2
oC
이하의낮은수온을보이다가이듬해에0.5
oC
이상의수온상승이나타나
2
년동안2.5
oC
정도의수온변화를보여주어다른계절에비해수온의변동폭이매
우크게나타남을 알수있다
. 1880
년이후 한반도주변의수온변화경향에서모든계절에공통적으로나타나는
특징은
1940
년도이후1950
년경까지수온상승이나타나고
1980
년까지하강하고2000
년까지상승하다다시하강하는추세이다
. 1940
년도이전까지는계절에따라수온Fig. 4. A time series of the seasonal mean sea surface
temperature (SST) anomaly averaged over the
ocean near the Korean Peninsula (122.5-132.5E,
31.5-39.5N) for a) spring, b) summer, c) autumn,
and d) winter. The black, blue and red lines
indicate Hadley Center surface temperature
(SST), Goddard Institute for Space Studies
(GISS) SST and Extended Reconstructed (ER)
SST, respectively. The black and red thick lines
are 5 year running mean for Hadley Center SST
and ERSST, respectively
변화 경향이다르게나타나고 있다
.
한반도주변의수온변화경향을자세히조사하기위하 여한반도주변을
4
개 해역으로구분하였다(Fig. 1h).
황해는동경
122.5
도에서126.5
도까지,
북위34.5
도에서북위
38.5
도,
동해는 동경128.5
도~132.5
도,
북위35.5
도~ 39.5
도,
남해는동경125.5
도~129.5
도,
북위31.5
도~34.5
도
,
그리고동중국해는 동경121.5
도~125.5
도,
북위28.5
도
~33.5
도의해역으로대표했다. Fig. 5
는HadISST
로부터얻어진해역별
,
기간별,
그리고계절별로한반도주변과전지구평균수온변화 경향을요약해서 보여주고있
다
. 1880
년에서2009
년까지전체기간동안모든해역에서온난화가 나타나는데
,
가장 큰 온난화는겨울철남해에서
(
약1.7
oC/130
년)
나타나고여름철의수온상승이가장작게나타난다
.
특히한반도주변의수온상승은전지구평균수온변화경향
(
약0.5
oC/130
년)
에비해약3
배정도빠르게 수온이증가하는 것으로나타난다
.
기간별로 나누어 수온 변화 경향을 분석해본 결과
,
1880
년에서1940
년까지는 여름을제외하고 모든 계절의모든 해역에서수온 하강이나타났으며
,
특히 겨울의수온이 황해에서
60
년간 약1.7
oC
하강했고,
남해에서도60
년간약1.5
oC
의 수온하강이관측되었다.
두 번째로큰수온 하강은봄철에모든 해역에서 나타났으며
,
가을에는 수온변화가 거의없는 것으로나타난다
.
여름철에는황해에서
60
년간약0.6
oC
정도수온이상승하는것으로나타난다
. 1940
년에서1980
년동안은겨울철수온이동해와황해에서
40
년간약0.5
oC
정도상승하는것으로나타나는데반해 여름철수온은황해에서약
0.5
oC
정도하강하는것으로나타난다
.
이기간동안전지구평균수온은큰변화가없는것으로나타난다
.
앞의수온변화경향의공간분포에서살펴본바와같이
1980
년에서2009
년까지마지막
30
년동안한반도주변의수온변동이가장크게나타나는데
,
겨울철남해에서2
oC
정도로가장크게상승하는 것으로나타났다
.
한반도주변 수온변화의 원인
한반도주변의수십년주기의수온변동에지배적으로 영향을주는요인으로는
PDO
를들수있다. PDO
는북위20
도에서북극까지표층수온의경험직교함수의첫번째모드의주성분시계열을나타내는것으로
, PDO
의위상이양일때북서태평양은평년보다수온이내려가고음의상 태일때는올라가는공간분포를보이며
,
태평양의수온이짧게는
15-25
년주기로길게는50-70
년주기로변동하는것으로알려져있다
(Mantua 1997).
좀더짧은주기의수온변동에영향을주는 요인으로
ENSO
를들수있는데
, ENSO
는전형적으로2
년에서7
년의주기를 가지고변동하는것으로알려져있으며
ENSO
의장주기변동도장기적인 수온 변동에영향을끼칠 것으로여겨진다
.
표층 수온변동의위상과
PDO, ENSO
의 위상이일치하는지조사하기위하여계절평균수온변동과지수들을 비교하였고
(Fig. 6),
장기 수온변동과이들 지수들의 관Fig. 5. A comparison of regional SST anomalies (Hadley Center SST) for a) 1880-2009, b) 1880-1940, c) 1940-1980,
and d) 1980-2009
계를보기위하여
10
년이상장주기성분만을필터하여비교하였다
(Fig. 7). PDO
의변동양상을살펴보면(
비교의편의를위해
PDO
지수에−를곱하였음),
변동폭의차이는있지만모든계절에
1900
년대부터1940
년까지PDO
의위상이감소하는경향을보이다가
1940
년대에급격히증가하는경향을보인다
.
이후 계절에따라 다소 차이는있지만완만한감소를유지하다가
1970
년도중반에급격히감소했다가
1980
년대중반부터다시증가하는경향을보인다
.
수온의장주기변동성을보면, 1970
년대중반까지는모든계절에
PDO
지수와대체로잘일치함을알수있다
.
관측에서보이는1920
년에서1940
년동안의완만한수온하강과
1940
년에서1950
년까지의급격한 수온상승은매우잘일치하고있다
. 1950
년이후부터1980
년도까지의 완만한 수온 하강 경향은 가을철과 겨울철
PDO
의변동패턴과는잘일치하지만이기간의봄철과여름철
PDO
는뚜렷한경향성없이진동하다가1970
년대중반이후 급격히하강한다
(Fig. 7).
계절적으로보면,
표층수온경향은가을과겨울철에
PDO
와가장잘일치하는것으로 나타난다
.
하지만최근으로오면서 수온변화와
PDO
의변화가 서로 다른방향으로 진행하고 있다.
1980
년이후부터2000
년까지는 수온이서서히 증가하다가이후
2009
년까지약간감소하는경향을보이는데반해
, PDO
지수는1980
년도중반까지 감소했다가2009
년까지 대체로증가하는 경향을보인다