북미 토네이도 생성 과정 규명… 수개월 전 예측 가능
예측이 불가능했던 북미지역 토네이도1 발생을 인근 해수면 온도 패턴으로 수개월 전 예측할 수 있게 됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 기후물리 연구단 악셀 팀머만 단장(Axel Timmermann, 부산대 석학교수) 연구팀은 4월에 발생하는 북미 지역 토네이도 발생 횟수가 해수면 온도와 대규모 기압 패턴2에 의해 조절됨을 밝혀냈다.
1 토네이도(Tornado) : 빠르게 회전하면서 소용돌이치는 바람으로 주로 슈퍼셀이라는 천둥번개를 동반한 비구름에서 발생하며, 회전기류가 지면에서부터 구름하부까지 이어지는 깔때기 모양을 가지는 특징이 있다.
2 기압패턴 : 고기압·저기압 배치를 의미한다.
토네이도는 최소 시속 100 km로 빠르게 회전하는 바람으로 전 세계 토네이도의 75%인 평균 1000여 개가 북미지역에서 발생한다. 그러나 해마다 발생 횟수는 크게 달라진다. 예를 들어 2011년에는 평년의 2배 가까운 1898개 토네이도가 발생해 500명 이상의 사상자를 냈다. 예측이 어려워 그만큼 많은 피해를 발생시킨다는 의미다. 특히 4, 5월은 토네이도 발생이 최고조에 달하는 시기이기 때문에, 봄철 토네이도 예측은 기후과학의 중요한 과제다.
문제는 토네이도가 반경 수백 미터 가량의 작은 지역에서 일어나는 현상이라 장기적인 예측이 불가능하다는 점이다. 장기 예측을 위해서는 열용량이 크고 변화가 느린 해수면 온도와 토네이도의 관계를 밝히는 것이 중요한데, 지금까지는 그 원리가 설명되지 못해 발생 1-2주 전에야 낮은 신뢰도로 예보가 가능했다.
연구진은 빠르게 변화하는 봄철 내 기후에 주목했다. 기존 연구에서는 계절 평균을 사용해 4월에서 6월까지의 토네이도 횟수를 평균적으로 고려했다. 그러나 4월에서 5월이 되면서 수증기 양이 2배 이상 증가해, 봄철 동안에도 토네이도에 영향을 미치는 환경에는 급격한 변화가 있다.
연구진은 이를 고려해 토네이도 횟수와 기후 환경의 상관관계를 월별로 분석했다. 지난 62년간 축적된 북미 지역 토네이도 관측 자료와 모형 시뮬레이션을 면밀하게 분석한 결과, 연구진은 4월에 한정해 해수면 온도가 특정 패턴을 가질 경우 북미 토네이도 발생 횟수가 증가함을 규명했다.
중앙 태평양 지역이 평년보다 따뜻하고, 미 서쪽 해안이 차가우며 멕시코 만이 따뜻할 때, 중앙 태평양부터 멕시코 만 일대에 ‘고기압-저기압-고기압’으로 파동 형태의 기압패턴이 형성된다. 이를 ‘음의 태평양-북미패턴(The negative phase of the Pacific North American teleconnection pattern)3 ’이라고 한다.
연구진은 이러한 기압패턴이 4월에 형성될 경우 멕시코 만에서부터 다량의 수증기를 유입시킴을 발견했다. 이 수증기는 미 서부 록키산맥 (Rocky Mountains) 우측을 따라 수송되어, 내륙의 강한 바람을 연직으로 회전시키는 연료 역할을 한다. 그 결과 동부 내륙에 슈퍼셀 뇌우4 와 토네이도가 발생한다.
3 음의 태평양-북미패턴 : 해양과 대기 사이의 열과 수증기 교환을 통해 적도 중앙 태평양에서부터 멕시코 만까지 파동형태의 기압패턴이 형성되는 것을 말한다. 양의 위상은 저기압-고기압-저기압 형태이고, 음의 위상은 반대로 고기압-저기압-고기압 형태다.
4 슈퍼셀 뇌우(Supercell thunderstorm) : 강하게 회전하는 상승기류를 동반하는 구름을 의미하며 거대한 메조사이클론이 함께 발생한다. 네 종류의 뇌우 (슈퍼셀, 스콜, 멀티셀, 싱글셀) 가운데 가장 위험한 뇌우에 해당하며 종종 토네이도를 동반한다.
실험 결과 해수면 온도의 이러한 영향력은 4월에 국한됐다. 4월에는 내륙에 수증기가 충분하지 못해, 기압패턴이 유입시키는 수증기가 토네이도 발생 횟수를 증가시키는 직접적인 원인이 된다. 하지만 5월에는 록키산맥 우측에 풍부한 수증기와 강한 회전성 바람이 존재하기 때문에, 해수면 온도와 토네이도 발생 사이의 직접적인 연관성은 사라진다.
이번 연구결과를 적용하면 1-2주 전에 이뤄졌던 토네이도 예측을 수개월 앞당길 수 있을 것으로 보인다. 공동저자인 이준이 연구위원(부산대 기후과학연구소 조교수)은 “4월 해수면 온도 예측은 세계 여러 기후 모델링 센터에서 정기적으로 수행하고 있다”며 “이번 연구와 해수면 온도 예측값을 이용해 토네이도 발생횟수의 장기 예측이 가능해질 것”이라고 설명했다.
제 1저자인 추정은 연구위원은 “이번 연구로 대규모 기후 조건과 토네이도의 인과관계를 밝혔다면, 앞으로는 기후변화가 북미 지역 토네이도에 어떻게 영향을 미치는지 슈퍼컴퓨터를 이용해 연구할 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)에 8월 22일 새벽 3시(한국시간)에 온라인 게재됐다.
연구 추가 설명
논문명/저널명
North American April tornado occurrences linked to global sea surface temperature anomalies / Science Advances
저자정보
Jung-Eun Chu, Axel Timmermann*, June-Yi Lee
연구내용
보충설명
- 규모가 작고 예측 불가능했던 토네이도 발생과 해수면온도·기압패턴과 같은 대규모(large-scale)의 현상과의 연결고리는 지금까지 연구된 바 없었다.
-분석을 위해 장기간 레이더관측을 기반으로 한 토네이도 자료, 해수면온도 강제력에 반응하는 대기모형 실험 자료 (Atmospheric General Circulation Model)를 이용하였다.
- 토네이도의 연도별 변동성을 살펴볼 때 토네이도의 계절(주로 4월에서 6월까지) 평균을 취한 값을 주로 사용하는데 이는 가장 많이 발생하는 5월의 값에 편향되어 있을 가능성이 있다. 이와 더불어 4월에서 5월이 되면서 수증기량이 2배 이상 증가하는데, 이러한 배경장의 변화를 고려했다.
- 급변하는 토네이도성 슈퍼셀 뇌우 또는 수증기 수송과 같은 대기현상은 오랜 시간 지속되지 않기 때문에 1~2주 이전부터 예측하기에는 한계가 있다. 이번에 발견한, 열용량이 큰 해양 온도와의 연관성을 이용하면 수개월 이전부터 예측이 가능하기 때문에 4월 토네이도 발생의 계절예측 (seasonal forecast) 가능성을 높일 수 있을 것으로 예상된다.
- 장기 예측 혹은 계절 예측이란, ‘이번 여름이 100년 만에 가장 덥다’ 혹은 ‘겨울이 길 것이다’와 같이 해당 계절의 평균적인 경향을 예측하는 것을 말한다.
연구 이야기
[연구 배경] 4월과 5월에 최고조에 달하는 북미 토네이도 발생은 시간 및 공간적으로 불균일한 특성을 보이며, 예측 불가능한 현상으로 알려져 왔다. 토네이도 발생의 경년변동성이 중앙태평양 및 멕시코 만 등 지역적 해수면온도 분포와 관계가 있다는 가설이 제기된 바 있지만 그에 관한 물리적 메커니즘에 대한 이해는 매우 부족한 상태이다. 또한 기존 연구들은 계절 평균의 측면에서만 진행되어 봄철 계절 내에 존재하는 큰 변동성을 고려하지 못한 한계가 있다.
[어려웠던 점] 토네이도와 같이 수백 미터 이내의 소규모 현상과 수천~수만 킬로미터에 달하는 대규모 현상이 어떤 물리적 경로를 통하여 연결되는지, 서로 다른 두 규모 현상의 연결고리를 찾는 과정에 어려움이 있었다. 또한 공간적 시간적으로 불균질한 토네이도 관측 자료는 불확실성이 크기 때문에, 자료의 불확실성을 최소화 하고 물리적 통계적으로 유의한 연결고리를 찾는데 어려움이 있었다.
[향후 연구계획] 본 연구팀은 이번 연구를 통해 토네이도의 변동 메커니즘을 이해하는데 상당한 진보를 이뤄냈다. 그러나 기후변화가 북미 지역 토네이도를 포함한 극한날씨에 어떻게 영향을 미치는지는 여전히 알려진 바가 없기 때문에 앞으로 초고해상도 시뮬레이션을 통해 미래 기후변화에 따른 토네이도의 변동성에 대해 분석할 예정이다.
4월 토네이도 활동을 강화시키는 대규모 해수면 온도 분포 및 대기 순환 패턴. 붉은색은 평년보다 따뜻한 해수면 온도, 푸른색은 차가운 해수면 온도 지역을 의미한다. 흰색은 고기압(H), 어두운색은 저기압(L)을 나타낸다. 이 해수면 온도 분포가 기압패턴을 발생시키고, 이는 수증기 수송을 증폭시킨다(붉은 화살표). 하단의 그래프는 미국 중남부 지역으로 유입되는 수증기의 월별 분포로 검정 선은 평년, 붉은 선은 4월에 대규모 기압패턴 발생 시를 나타낸다.
