PDO(태평양 수십년 변동)과 엘니뇨의 관계

 

PDO

PDO(Pacific Decadal Oscillation, 태평양 수십 년 변동)은 태평양을 중심으로 해수면 온도(SST)가 수십년 주기로 음, 양의 편차가 번갈아 나타나는 현상을 말합니다. 아래 그림을 보면 PDO가 음일 때 북서태평양의 SST는 양의 편차를 동태평양은 음의 SST 편차를 보이고 있으며 PDO가 양일 때는 반대의 양상을 띠게 됩니다.

PDO 패턴 음(좌) 양(우)

^[각주:1]

When El Niño events peak during boreal winter, the Aleutian low deepens and the changes in the surface heat fluxes, wind-driven mixing, and Ekman transport in the upper ocean all act to create a positive PDO SSTA pattern

Newman, Matthew, et al. "The Pacific decadal oscillation, revisited." Journal of Climate 29.12 (2016): 4399-4427.

 

엘니뇨는 보통 북반구 겨울철에 정점을 찍는데 이떄 알류샨 저기압의 발달이 촉진됩니다. 이는 대기와 해양 간 열교환, 바람에 의한 혼합, 에크만 수송(저기압의 의한 용승으로 추측됨)을 통해 바다의 상층을 차갑게 만들고 이는 양의 PDO(북서 태평양의 음의 SST 편차)에 적합한 환경을 만들어냅니다.

 

PNA

평균 500hPa 바람장 (좌)^[각주:2]PNA 패턴 (우)^[각주:3]

 

잠시 본문과는 조금 다른 내용을 짚고 넘어가겠습니다. 기후 변동 중 하나인 PNA(Pacific-North America Ocillation, 태평양-북미 변동)에 대해 짚고 넘어가겠습니다. 아래 500hPa 평균 바람장을 보면 로키 산맥의 존재로 인해 바람이 약간 위쪽으로 돌아서 가게 되는데(Lee Cyclogenesis) 이로 인해 알래스카 왼쪽에는 알류샨 저기압이 형성되고 미국 로키산맥 서부는 고기압이 다시 미국 동부는 저기압 대가 형성됩니다. 그러나 이러한 패턴의 강도가 항상 일정한 것이 아니고 강화되었다가 약화되기도 하는데 강화될 때를 음의 PNA, 약화될 때는 양의 PNA라고 합니다. 엘니뇨가 발생하는 경우 보통 음의 PNA가 발생하여 알류산 저기압이 강화되고 라니냐의 경우는 약화됩니다.

 

그럼 PDO가 PNA와 거의 비슷한 현상이지 않을까?라는 생각이 들 겁니다.

그러나 그 속살을 파헤치면 사뭇 다른 양상이 벌어진다는 것을 확인할 수 있습니다.

 

PDO와 ENSO SST 분포 및 anomaly 그래프(좌) PDO, ENSO 주기에 따른 Power Spectrum^[각주:4]

 

가운데 그림은 PDO와 ENSO(엘니뇨, 라니냐 진동) 영역에서 SST 편차를 그린 것입니다. 보시면 ENSO는 매우 빠르게 변동하는 반면에 PDO는 음양이 반복되는데 거의 40~50년 정도가 걸립니다. 오른쪽 그림은 PDO와 ENSO 두 현상에 대해 어떤 주기가 가장 지배적인지 나타내는 그림인데 이때 ENSO의 경우 3~7년, PDO는 50년 주기의 인자가 가장 영향을 많이 미치는 것으로 분석되었습니다. 분명 왼쪽 그림에서 나타나는 양상은 거의 비슷해 보이는데 왜 이런 차이가 발생할까요? 

 

그것은 바로 PDO는 ENSO의 누적으로 발현되는 현상이기 때문입니다. 아래 그림은 파이썬으로 직접 그린 그림인데요. 파란색은 정규분포를 따르는 랜덤한 변수들의 값이고 노란선은 10개씩 누적한 값입니다. 보시면 파란선은 0선을 매우 짧은 시간 내에 왔다갔다 하지만 노란선은 주기가 매우 긴 것을 확인할 수 있지요. 여기서 파란선은 ENSO, 노란선은 PDO에 대응하게 됩니다. 따라서 일전에 말했던 ENSO와 밀접한 연관성을 지닌 PNA와 PDO는 다른 현상인 것을 확인할 수 있습니다. 수식적인 부분은 이 글에 담기엔 너무 어려울 것 같아 추후 따로 서술하겠습니다.

 

밑의 식은 PDO에 의한 SSTA(SST 편차)에 대한 간략한 식입니다. 작년값인 SSTA(n-1)에 외부 힘(여기선 ENSO) F가 더해져서 올해의 SSTA가 결정되는데요. 굉장히 쉬운 식이지만 적절한 값을 넣으면 PDO를 잘 설명할 수 있습니다. 

 

$$SSTA(n)\; = \;rSSTA(n-1) \;+\; F$$

 

Reemergence of Ocean Temperature

자 그럼 지금까지는 PDO와 ENSO의 차이를 보았고 마지막으로 PDO가 어떻게 ENSO를 저장하고 누적할 수 있는지에 대해 알아보겠습니다.

 

Illustration of the reemergence of oceanic thermal anomalies.

^[각주:5].

위 그림은 PDO영역의 바다 단면을 그린 것으로 회색선은 혼합층의 깊이, 색은 수온의 편차를 나타냅니다. 우선 가운데 그림을 보시면  x축에 JFM이라는 글자가 보이는데 이는 1~3월, 즉 겨울철을 뜻합니다. 엘니뇨가 정점을 찍는 겨울철에 알류샨 저기압이 바다를 차갑게 만들고 수온의 음의 편차는 혼합층 전체에 퍼지게 됩니다.

 

여름철에는 겨울보다 바람이 덜 불고 태양의 강한 복사로 인해 바다가 안정화되면서 혼합층의 깊이가 얕아지게 되는데 비교적 깊은 혼합층에서의 음의 수온 편차는 바깥과 상호작용을 하지 못해 그 정보가 저장됩니다. 그러고 나서 다시 겨울이 도래하면 바람이 다시 세게 불기 시작하고 혼합층의 깊이가 다시 깊어지게 됩니다.

 

일전에 비교적 깊은 혼합층에 저장되었던 음의 수온 편차는 다시 수면 위에까지 퍼지게 되고 여름이 되면 끊겼다가 다시 겨울이 되면 대기로 퍼지는 패턴이 반복하게 됩니다. 이렇게 바다가 전년도의 대기 상태를 기억했다가 다시 내뱉는 현상을 Reemergence of Ocean Temperature라고 합니다.

 

ENSO는 북반구 겨울철에 보통 피크를 찍기 때문에 남반구 기준에서는 여름이게 되고 이때 남반구의 혼합층 깊이는 깊지 않아서 정보가 깊은 곳까지 전달되지 않습니다. 따라서 특별히 수온 편차 정보가 바다에 저장되지 않아 PDO와 같은 현상이 발생하지 않습니다.

 

-3줄 요약

PDO는 북태평양 SST 편차에 반비례하는 변동으로 주기는 수십 년

PDO는 ENSO의 누적으로 발생하는 현상

겨울철 깊은 혼합층에 ENSO로 인한 음의 수온 편차가 저장되고 여름에는 표층과 상호작용 X, 다음 겨울에 다시 등장

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Image courtesy of Stepen Hare and Nathan Mantua, University of Washington [본문으로]
2. https://www.climate.gov/media/13077 [본문으로]
3. https://sites.ecmwf.int/era/40-atlas/docs/section_D/parameter_vwwia500hpa.html# [본문으로]
4. https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/pacific-decadal-oscillation-pdo-definition-and-indices [본문으로]
5. Newman, Matthew, et al. "The Pacific decadal oscillation, revisited."  Journal of Climate  29.12 (2016): 4399-4427 [본문으로]