엘니뇨는 태평양에서 수개월에서 1년 간 해수가 비정상적으로 따뜻해지는 현상으로, 1～2년에 걸쳐 해수의 이상 저온현상인 라니냐로 전환된다. 엘니뇨 현상은 기상이변 및 이상기후를 일으키며 생태계, 농업 생산성, 세계 시장 및 국가 경제에까지 "파급효과"를 가진다. 전 세계 기상 재해의 주원인으로 주목되어 왔지만, 공간패턴, 주기, 강도, 지속기간 등이 발생할 때마다 불규칙하게 나타나는 다양성을 지녀 장기 예측이 어렵다.

엘니뇨의 다양성을 이해하기 위해서는 수학, 물리학, 대기과학, 해양학 등 다양한 학문을 통합적으로 이용해야 하고, 고기후를 포함하는 관측, 간단한 이론 모델, 복잡한 해양-대기 결합 모델 등 여러 연구 방법을 종합적으로 적용해야 한다. 따라서 단일 연구팀보다는 엘니뇨와 관련된 여러 분야의 세계적 전문가들이 한자리에 모여서 함께 논의하고 합의점을 도출해야 하는 필요성이 대두되었다.

기초과학연구원(IBS) 기후물리연구단 악셀 팀머만 단장(부산대 석학교수)과 11개국 40여명의 국제공동 연구팀이 동태평양 엘니뇨(EP 엘니뇨)와 중태평양 엘니뇨(CP엘니뇨)의 상호작용에 따라 매번 다른 형태의 다양한 엘니뇨현상이 발생하는 것을 규명하였다.

▲ [그림 1] 두 개의 엘니뇨 고유 진동 모드 도식도엘니뇨 현상이 라니냐 현상으로 전환되고 다시 엘니뇨 현상이 반복되는 진동 구조를 표현한 모식도이다. 지속적으로 자극을 가하지 않으면 강도가 줄어드는 감쇠 진자처럼, 엘니뇨의 진동 상태는 일정한 자극을 필요로 한다. 태평양에서 나타나는 대기와 해양의 상호작용은 크게 3~7년 주기의 동태평양 엘니뇨(EP엘니뇨)와 2~3년 주기의 중태평양 엘니뇨(CP엘니뇨)로 나뉘어진다. 해양의 평균 상태 변화 (해양 상층 더운 물층의 깊이 변화), 서태평양의 열대저기압을 포함하는 돌발적 기상 현상, 또는 인도양 및 대서양과 서태평양 사이의 상호작용 등에 변화가 주어지면, EP엘니뇨와 CP엘니뇨의 발현 정도도 달라져 다양한 조합의 상호작용으로 엘니뇨의 다양성이 나타난다.

연구팀은 다양한 엘니뇨 컴퓨터 시뮬레이션, 이론 수학 모델 개발, 관측 빅데이터 분석을 통해서 태평양에서 나타나는 대기와 해양의 상호작용은 크게 서로 다른 특징을 지닌 동태평양 엘니뇨(EP엘니뇨)와 중태평양 엘니뇨(CP엘니뇨)로 나뉘어지는 것을 확인했다. 두 진동 모드의 다양한 결합에 따라 광범위한 스펙트럼의 엘니뇨 현상이 나타남을 수학적으로 모델링 하였다.

이번 연구는 두 진동 모드의 주기와 공간 분포 등 차별적인 특징을 확인하고, 발생 메커니즘을 밝혀냈다. EP엘니뇨는 3~7년 주기로 동태평양 지역 해수면 온도가 주로 증가하는 현상이며, CP엘니뇨는 2~3년 주기로 중태평양 지역 해수면 온도가 주로 증가하는 현상이다. 연구팀은 간단한 수학 모델을 이용해 태평양 지역 해양-대기 결합 시스템의 다양한 상태에 따라서 특정 엘니뇨가 더 잘 발현될 수 있다는 것을 보였다. 예를 들어 EP엘니뇨는 해양 상층 열에너지가 주로 수직 이동을 할 경우, CP엘니뇨는 열에너지가 주로 수평 이동을 할 경우 발생빈도가 증가하게 된다.

EP엘니뇨는 열대 태평양 전 해상에서 발생하는 해양-대기 상호작용과 관련 있으며 열대 태평양의 평균 수온약층 깊이가 (thermocline depth) 더 많이 깊어지고 (즉, 열대 해양 상층부에 따뜻한 해수 더 많이 축적), 무역풍이 많이 약화될 때 발생하는 경향이 있다. 적도 무역풍(동풍)으로 인해 서태평양에 더운 물이 충분히 모이게 되면 수온약층이 많이 기울어지고 그 위의 공기가 불안정해진다. 수년을 주기로 더운 물 층의 동서 방향의 기압 기울기가 파괴되면서 동서무역풍이 현저히 약화된다. 그 영향으로 적도 해양에 켈빈파(Kelvin wave)가 발생한다. 켈빈파는 적도를 따라 동쪽으로 이동하는데 서태평양의 더운 물은 이 파를 따라 움직이게 된다. 더운 물이 동태평양에 몰리고 찬 물의 용승 작용이 약해지면서 열에너지의 상승으로 해수면 온도가 높아져 EP엘니뇨가 더 잘 발생하게 된다. 이와 같은 과정을 수온약층 피드백이라 부른다. 일반적으로 EP 엘니뇨는 라니냐로 전환된다.

반면 CP엘니뇨는 국지적으로 나타나는 해양-대기 상호작용과 관련되어 있으며 태평양의 평균 수온약층 깊이가 상대적으로 적게 증가하고 (즉, 열대 해양 상층부에 따뜻한 해수가 상대적으로 적게 축적), 무역풍이 강할 때 발생하는 경향이 있다. 이 경우 해수면 온도 변동은 연직방향이 아닌 동서방향으로의 따뜻한 물의 이동에 더 좌우되어지며, 중태평양에서 해수면 온도 상승이 크게 나타나게 된다. 이를 동서방향 이류 피드백이라 부른다. 또한 수온약층 깊이가 상대적으로 얇으면 수온약층을 따라 동쪽으로 이동하는 캘빈파가 동태평양에 도달하기 전 중태평양 지역에서 해수면과 만나기 때문에 이 지역에서 온도 상승이 크게 된다. CP 엘니뇨 이후 라니냐로의 전환이 일어나는 확률은 EP엘니뇨에 비해 작다.

▲ [그림 2] 엘니뇨-남방진동(ENSO) 현상과 여러 주요 기후 현상들과의 상호작용태평양의 해양-대기 결합 변동 모드인 엘니뇨-남방진동 (ENSO)는 수일부터 수세기 까지 다양한 시간 규모를 가지는 여러 기후 현상들과 상호작용을 한다. 화살표 들은 각 기후현상들 사이의 상호작용을 나타내며, 그 상호작용이 아직 확실히 이해되지 않은 경우 점선으로 표시되었다. ENSO와 다양한 기후 현상들과의 상호작용도 ENSO의 다양성을 만들어내는데 기여한다.

진자의 반복 운동에 에너지가 필요한 것처럼, 연구진은 엘니뇨의 진동 현상이 태평양 해양-대기 결합 시스템의 에너지 순환과정에서 주기적으로 발생할 뿐 아니라, 해양의 평균 상태 변화, 서태평양의 열대저기압을 포함하는 돌발적 기상 현상, 또는 인도양 및 대서양과 서태평양 사이의 상호작용 등 여러 외부 자극으로도 발생할 수 있음을 밝혔다. 연구진은 발생 조건들에 다양한 변수가 생기면서, EP엘니뇨와 CP엘니뇨의 발현 강도가 달라져, 다양하고 예측이 어려운 엘니뇨 현상이 나타남을 밝혔다.

이번 연구는 엘니뇨의 다양성이 매우 복잡하고 예측불가능하게 발생하는 것 같이 보이지만 그 내부에는 간단한 수학적 구조가 숨겨져 있다는 것을 밝혔다. 다양한 학문의 결합이 기후과학의 난제를 해결할 수 있다는 것을 보여준 좋은 사례로, 엘니뇨의 전지구적인 영향력에 대한 이해를 제고하는데 기여할 것으로 기대된다.

IBS 커뮤니케이션팀
김다희