오존 전량의 시, 공간 변동 및 대기 열적 상태와의 상관

Abstract

In order to analyze temporal and spatial variability of total ozone, and its correlation with thermal condition, the empirical orthogonal function(EOF) analysis has been performed on the monthly mean and its anomaly, derived from Nimbus 7/TOMS ozone data over the globe for the period of 1979-92. Temporal correlations between ozone and three thermal factors, for instances, the Microwave Sounding Unit(MSU) Ch2(～600 hPa) and Ch4(～70 hPa) brightness temperatures and sea surface temperature(SST) have been also investigated comprehensively. Positive correlations between ozone and lower stratospheric temperature occur in most areas, implying that the ozone reduction is related with the stratospheric cooling. In particular, large positive values in the midlatitudes are inferred to result from vertical propagation of planetary waves. On the other hand, the ozone tends to negatively correlate with either SST or midtropospheric temperature over a wide area. Here the upwelling of the tropopause from warmer atmosphere leads to lower ozone concentration into the stratosphere. As a result, tropospheric warming relates with both reduction in total ozone and lower stratospheric cooling. However, the tropical land regions exceptionally show positive correlations, suggesting possibly the seasonal influx of enhanced tropospheric ozone due to deep convection and biomass burning. In the EOF analysis of monthly mean ozone over the globe, the first mode shows maximum variability over the midlatitude in spring of each hemisphere. Especially, variance near Sahalin-Kamchaka and north of Korea has been the largest. The first mode of ozone anomaly over the tropical Pacific indicates Quasi-Biennial Oscillation(QBO) in time series which has a spatial distribution symmetrical to the equator, and the ozone reduction around the equator caused by the volcanic eruption of Mt. Pinatubo in June 1991. The ozone variability in a period of 20 months is found in the third mode. The fourth mode appears in a dumbbell-shaped spatial pattern almost symmetrical to the equator during El Nio, and with two ozone minima which are located in the north(10N) and south(10S) areas of the tropical eastern(～150W) Pacific, consistent with previous studies. However, the ozone over both the Korean peninsula and the equatorial western Pacific tends to increase during El Nio. This study suggests that the ozone data can be used as an indicator of climate change for lower stratosphere and troposphere because of their significant correlations with thermal factors.

Key word: EOF, MSU, TOMS, Total Ozone, Volcanic Eruption, QBO, ENSO. ; 오존 전량의 시·공간 변동 및 대기 열적 상태와의 상관을 분석하기 위하여, 전구 1979-92년 기간의 Nimbus 7/TOMS 오존 자료의 월평균값과 그 편차에 대하여 각각 경험직교함수 분석을 실시하였으며, 오존에 대한 해수면 온도, 위성관측 MSU 채널2(중간 대류권; ～600 hPa)와 채널4(하부 성층권; ～70 hPa) 밝기온도 등과의 상관을 각각 조사하였다. 오존과 하부 성층권 온도는 대부분의 지역에서 서로 양의 상관(0.5-0.9)을 보여 오존 감소가 하부 성층권의 냉각과 관련되어 있음을 알 수 있다. 특히 중위도에서는 수직으로 전파되는 행성파로 인하여 높은 양의 상관이 나타나는 것으로 추정되었다. 한편, 오존에 대한 해수면 또는 중간대류권 온도와의 관계에서는 음의 상관(-0.6)이 지배적으로, 이러한 원인은 대류권 온도가 상승할 때 대류권계면 고도의 상승과 함께 오존 농도가 적은 공기가 하부 성층권에 유입되기 때문이다. 또한 상승에 따른 하부 성층권의 냉각도 열적으로 오존 감소에 영향을 줄 수 있다고 추정된다(Kayano, 1997). 결과적으로 대류권 온도 상승은 하부 성층권의 냉각 및 오존 감소와 관련이 있는 것으로 보인다. 그러나 지역적으로 아마존강, 콩고강, 인도네시아 등과 같은 열대 우림 육지에서는 예외적으로 오존과 대류권 온도가 서로 양의 상관을 보이는데 이러한 원인은 부분적으로 강한 대류 활동 및 계절적인 생태계에서의 화재로 인한 대류권 오존의 증가에 있는 것으로 사료된다. 오존 월평균값의 경험직교함수 분석에서 고유벡터의 공간 분포는 각 반구 봄에 중위도에서 최대 변동을 보인다. 특히, 우리나라 북쪽의 사할린 캄차카(55N, 140E)부근의 변동이 가장 크다. 오존 편차값의 모드1은 태평양 부근의 적도에 대하여 대칭인 공간 형태와 함께 주성분 시계열에서 약 28개월의 준2년 주기 진동(Quasi-Biennial Oscillation; QBO), 그리고 1991년 6월에 피나투보 화산 폭발에 의한 열대 지방에서의 오존 감소를 보인다. 모드3은 열대 지역에서 오존이 약 20개월 주기로 변동함을 보인다. 모드4는 엘니뇨 기간에 적도에 대하여 아령 모양인 대칭 공간 형태로 적도 동태평양(～150W)의 남(10S)·북(10N) 부근의 오존이 감소함을 기존 연구들과 비슷하게 보여준다. 한반도 주변과 열대 서태평양의 오존은 엘니뇨 기간동안 증가하는 경향을 보인다. 본 연구는 위성관측 오존이 대류권 및 성층권의 열적 상태와 유의적인 상관을 보여 기후변동에 상당한 역할을 할 수 있음을 제시한다.

주요어: TOMS, 오존전량, 경험직교함수, MSU, 화산폭발, 준2년 주기 진동, 엘니뇨/남방진동.