A Study on the Mechanism of Arctic Climate Sensitivity through Analysis of Satellite Radiative Flux Observations

Abstract

With the trend of amplified warming in the Arctic, we examine the observed and modeled top-of atmosphere (TOA) radiative responses to surface air-temperature changes over the Arctic by using TOA energy fluxes from NASA’s CERES observations and those from twelve climate models in CMIP5. Considerable inter-model spreads in the radiative responses suggest that future Arctic warming may be determined by the compensation between the radiative imbalance and poleward energy transport (mainly via transient eddy activities). The poleward energy transport tends to prevent excessive Arctic warming: the transient eddy activities are weakened because of the reduced meridional temperature gradient under polar amplification. However, the models that predict rapid Arctic warming do not realistically simulate the compensation effect. This role of energy compensation in future Arctic warming is found only when the inter-model differences in cloud radiative effects are considered. Thus, the dynamical response can act as a buffer to prevent excessive Arctic warming against the radiative response of 0.11 W m−2 K−1 as measured from satellites, which helps the Arctic climate system retain an Arctic climate sensitivity of 4.61 K. However, it remains ambiguous whether the satellite-observed radiative response is invariable because the time period covered by satellite data reflects a rapidly changing transient Arctic climate state with considerable sea ice loss. Therefore, this study additionally evaluates the invariability of the satellite-observed radiative response by comparing the radiative response of high sea ice concentrations (SICs) period to that of low SIC period. The results show that the net radiative response remains approximately unchanged regardless of the SIC (–0.19 ± 0.44 W m-2K-1 and 0.15 ± 0.16 W m-2K-1 for high and low SIC periods, respectively). In addition, seven of the eleven models from the CMIP6 demonstrated that the modeled radiative responses are stable. The ERA-interim reanalysis estimates show that regionally confined changes in individual radiative feedbacks such as albedo, lapse rate, water vapor, and clouds do not vary considerably. Consequently, we infer that the radiative response in the Arctic may remain stable even under rapid Arctic climate change. Hence, if quantitative analyses of the observations identify contribution of atmospheric dynamics and cloud effects to radiative imbalance, the satellite-measured radiative response will be a crucial indicator of future Arctic warming.;북극의 온난화가 다른 지역에 비해 급격히 증가하는 ‘북극 증폭(Arctic amplification)’현상에 대하여 본 연구는 NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 CERES(Clouds and the Earth's Radiant Energy System) 위성 관측 및 CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) 12개 기후 모델의 복사량 자료를 이용하여 북극 평균 지표 대기 온도 변화에 대한 대기 상한에서의 복사 반응을 분석하였다. 대기 상한에서의 복사 반응은 기후 모델에 따라 상당히 차이를 보인다. 이는 북극의 기후 민감도가 대기 상한에서의 복사 반응과 극으로 향하는 역학적 에너지 수송 사이의 보상 작용에 의해 결정되며, 주로 일시적 에디 수송 (Transient Eddy Transport)을 통해 조절되는 것을 증명하는 결과이다. 극 방향으로 수송되는 역학적 에너지는 북극의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지하는데, 이는 북극 증폭 현상에 의해 저위도와 고위도의 온도차이가 감소하면서 일시적 에디 수송이 약화되기 때문이다. 그러나 높은 북극 기후 민감도를 가지는 모델은 이와 같은 대기 상한 복사 반응과 역학적 에너지 수송 사이의 보상 효과를 효과적으로 시뮬레이션하지 못하는 경향을 보인다. 또한 미래 북극 온난화에 대한 복사 반응과 역학적 에너지 수송 사이의 보상 작용은 구름에 의한 복사 반응을 포함할 경우에만 확인할 수 있다. 즉, 역학적 에너지 수송은 위성 관측을 통해 추정한 0.11 W m-2K-1값을 가지는 복사 반응을 완충하여 과도한 북극 온난화를 방지하며, 더불어 북극 기후 시스템이 4.61 K의 기후 민감도를 유지할 수 있도록 하는 역할을 한다. 그러나 위성 관측 자료는 최근 해빙의 급격한 감소에 따라 빠르게 변화하는 북극 기후 상태를 포함하기 때문에 위성 관측 복사 반응은 북극 기후 시스템의 변화에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 연구는 해빙 농도(Sea Ice Concentration)가 높은 기간의 복사 반응과 해빙 농도가 낮은 기간의 복사 반응을 비교하여 위성 관측 복사 반응의 안정성을 증명하고자 하였다. 그 결과, 위성 관측 복사 반응은 해빙 농도에 관계없이 일정한 값을 나타냈으며(해빙 농도가 높은 기간의 경우 –0.19 ± 0.44 W m-2K-1, 해빙 농도가 낮은 기간의 경우 0.15 ± 0.16 W m-2K-1의 복사 반응을 나타냄), CMIP6 11개 모델 중 7개 모델 또한 2000 - 2100년 기간의 미래 북극 기후 시스템에 대해 추정한 복사 반응의 통계적인 변화가 없다는 사실을 입증했다. 해빙 농도가 높은 기간과 낮은 기간에 대해 ERA-Interim재분석 자료를 이용한 평균 개별 복사 피드백 분석 결과는 알베도, 기온 감률, 수증기 및 구름 피드백 모두 통계적으로 유의미한 변화를 보이지 않으며, 개별 피드백의 변화는 북극 내 지역적인 변화에 국한되어 있다는 결과를 나타냈다. 결과적으로, 위성 관측 자료를 통해 추정한 북극의 복사 반응은 급격한 북극 기후 변화에도 불구하고 비교적 안정적인 값으로 유지되며, 향후 북극 기후 민감도에 대한 역학적 에너지 수송과 구름 효과의 정량적인 기여도를 추측할 수 있다면 위성 관측 복사 반응은 미래 북극 온난화를 평가하는 중요한 지표로서 활용될 수 있을 것이다.