Estimation of Climate Feedback within Northern High Latitudes Using Satellite Data

Abstract

This study investigates the total climate feedback strength over the Northern high-latitude (NHL; poleward of 60°N) regions using satellite data, and makes a quantitative comparison of individual feedback parameters (albedo (la), water vapor (lw), lapse rate (lL), and cloud (lc)), which have effect on the high-latitude amplification. The estimation of NHL climate feedback parameters was based on the satellite-based observational outgoing radiative flux and surface air temperature. In particular, each individual feedback component was decomposed using the radiative kernel method. The results show that the accurate magnitude of total short and longwave feedback in the NHL regions could be identified a value of 1.83 ± 0.17 W m-2 K-1 and 2.38 ± 0.09 W m-2 K-1 respectively, when seasonal characteristics are removed, because the strong seasonality works as a noise to the feedback estimation over the NHL regions. We further demonstrate that the clouds feedback (by 0.86 ± 0.48 W m-2 K-1) works as a major feedback process to nonlinearly regulate the changes in shortwave radiation by reducing the effect of the surface albedo feedback (decreased to the value of 0.47 ± 0.05 W m-2 K-1 from the value of 1.14 ± 0.10 W m-2 K-1 in the cloud-free condition). Moreover, the changes in longwave radiation is mainly dominated by the lapse rate feedback of 1.35 ± 0.10 W m-2 K-1 due to the heavy surface warming than the changes in upper atmosphere, and extremely dry air in the NHL regions. The accurate estimation of climate feedback strength should provide a basis for the future NHL climate projections of the climate models.;북반구 고위도 지역은 기후 온난화에 가장 민감하게 반응하는 지역으로써, 이 지역의 온도가 얼마나 상승할 것인가를 예측하는것이 최근 중요한 이슈로 부각되고 있다. 전 지구 기후 모델에서 온도의 상승폭을 결정하는 기후 민감도는 기후 피드백 현상에 의해 그 수준이 결정되는데, 특히 고위도 지역의 기후 민감도는 전 지구에 비해 1.5배~4.5배 크게 나타나고 있다. 즉, 북반구 고위도 지역은 기후 피드백이 가장 강력하게 발생하는 지역이며, 기후 시스템이 갖는 다양한 피드백 메커니즘인 알베도 피드백, 수증기 피드백, 기온감율 피드백, 구름 피드백의 효과에 따라 온도 증폭 현상이 강화되거나 둔화된다. 이에 본 연구에서는 위성 자료를 이용하여 북반구 고위도 지역의 전체적인 기후 피드백 강도를 추정하고, 기후 피드백 메커니즘에 관계된 다양한 피드백의 정량적 크기를 비교하여 고위도 온도 증폭 현상에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 기후 피드백은 지표 온도 변화에 대한 방출 복사량의 반응으로 정의된다. 이에 따라 전체전인 기후 피드백 강도는 지표 온도의 시계열 변화와 방출 단파 및 장파 복사량의 시계열 변화 사이의 단순 선형 회귀 분석을 통하여 추정이 가능하다. 그러나 북반구 고위도 지역의 복사량은 주로 계절따라 크게 변화하기 때문에, 계절적 특성은 북반구 고위도 지역의 기후피드백을 추정하는 데 있어 불확실성의 주요 원인으로 작용한다. 따라서, 본 연구에서는 지표 온도, 방출 복사량의 월별 시계열 자료를 12개월씩 이동 평균하여 계절적 특성을 제거하였고, 재 구성한 시계열 자료를 이용하여 기후 피드백 강도를 추정하였다. 그 결과, 북반구 고위도 지역의 단파 복사 피드백 값은1.83 ± 0.17 W m-2 K-1로, 장파복사 피드백 값은2.38 ± 0.09 W m-2 K-1로 나타났다. 단순 선형 회귀 분석을 통해 추정된 전체 피드백 값은 복사 커널 (radiative kernel)을 이용하여 각 개별 피드백 값으로 분리하였다. 그 결과, 단파복사에서의 구름 피드백값은0.86 ± 0.48 W m-2 K-1로, 알베도 피드백 값은0.47 ± 0.05 W m-2 K-1 로 계산되었다. 이는 구름 효과에 의해 지표 알베도 피드백이 감소함을 나타내며, 구름 피드백이 단파 복사를 조절하는 주요 피드백 과정으로 작용하고 있다는 사실을 의미한다. 또한, 장파복사를 조절하는 가장 중요한 피드백은1.35 ± 0.10 W m-2 K-1의 강도를 갖는 기온감율 피드백으로 밝혀졌다. 이는 고위도 지역의 차갑고 건조한 대기 상태와, 지표면의 큰 알베도 변화에 의해 대기 하층의 온도변화가 상층보다 크게 나타나기 때문인 것으로 해석된다. 궁극적으로, 위성 자료를 바탕으로 본 연구에서 제시된 제시된 북반구 고위도 지역의 기후 피드백 값은 미래 기후 모델의 예측 능력을 평가하는 자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.