Vertical feedback mechanism of winter Arctic amplification and its relative role to horizontal process

Abstract

Sea ice reduction is accelerating in the Barents and Kara Seas. Several mechanisms are proposed to explain the accelerated loss of Arctic sea ice, which remains to be controversial. In the present study, detailed physical mechanism of sea ice reduction in winter (December–February) is identified from the daily ERA interim reanalysis data. Downward longwave radiation is an essential element for sea ice reduction, but can primarily be sustained by excessive upward heat flux from the sea surface exposed to air in the region of sea ice loss. The increased turbulent heat flux is used to increase air temperature and specific humidity in the lower troposphere, which in turn increases downward longwave radiation. This feedback process is clearly observed in the Barents and Kara Seas in the reanalysis data. A quantitative assessment reveals that this feedback process is being amplified at the rate of ~8.9% every year during 1979–2018. Availability of excessive heat flux is necessary for the maintenance of this feedback process; a similar mechanism of sea ice loss is expected to take place over the sea-ice covered polar region, when sea ice is not fully recovered in winter. Moreover, relative role of vertical processes resulting from the reduction of sea ice in the Barents-Kara Seas is not clearly understood in comparison with the horizontal heat and moisture advection. Moisture, thermal energy and moist static energy budgets are analyzed over the region of sea ice reduction in order to delineate the relative roles of horizontal and vertical processes. A detailed analysis of energy and moisture budgets in the atmospheric column indicates that both the vertical source from the release of heat flux and moisture due to sea ice reduction and the horizontal advection of heat and moisture are essential for explaining the variation of temperature and specific humidity over the Barents-Kara Seas. The vertical flux term explains a slightly larger fraction of the mean increase in temperature and specific humidity, while the horizontal advection is a major source of variability in temperature and specific humidity in the atmospheric column.

바렌츠-카라해를 중심으로 해빙의 감소가 가속화되고 있으며, 이러한 북극 해빙의 유실 증가를 설명하기 위한 여러가지 메커니즘이 제시되어 왔으나 명확하게 규명이 되지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 1일 간격의 ERA Interim 재해석 자료를 이용하여 겨울철 (12월 – 2월) 해빙 감소의 상세한 물리적 메커니즘을 규명하였다. 하향 장파복사가 해빙 감소의 필수 요소이기는 하지만 그 자체만으로는 해빙의 감소를 지속시키지 못하며 해빙이 유실된 해역의 대기에 노출된 해수면에서 과잉 방출되는 열 플럭스에 의해 해빙 감소가 지속될 수 있음을 확인하였다. 증가한 난류 열 플럭스는 하층 대기의 기온과 습도 증가에 기여하며 하향 장파 복사의 증가로 이어진다. 1979년부터 2018년까지의 재해석 자료를 분석한 결과, 이러한 피드백 과정이 바렌츠-카라해를 중심으로 뚜렷하게 나타났으며, 매년 약 8.9%의 비율로 증폭되고 있는 것으로 확인되었다. 과잉 열 플럭스 방출에 의해 지속되는 해빙 감소 피드백 과정은 해빙으로 덮인 다른 극지방에서도 겨울철에 해빙이 완전히 회복되지 않을 경우 유사하게 나타날 수 있을 것으로 예상된다. 한편 열 플러스 방출, 증발 및 강수, 상하향 장파 복사 등과 같은 수직 과정이 해빙 감소에 기여하는 정도를 열과 수증기의 이류에 의한 수평 과정의 기여도와 비교한 상대적인 역할에 대해서도 명확하게 규명이 된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 수평 과정과 수직 과정의 상대적인 역할을 정량적으로 비교하고자 해빙 감소 지역에서의 수분, 열, 습윤 정적 에너지 수지를 분석하였다. 바렌츠-카라 해역 상의 대기 중 기온과 습도의 변화를 설명하기 위해서는 열과 수분의 방출과 같은 수직적 공급원과 이류와 같은 수평적 공급원이 모두 필요한 것으로 나타났으며, 수직 공급원이 평균적으로 기온과 습도 증가에 기여하는 비율이 다소 큰 것으로 계산되었다. 반면, 대기 중의 기온과 습도의 변동성은 수평 이류의 변동성으로부터 기인하는 것으로 확인되었다.