https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb0166

Antarctic Sea Ice Loss and Southern Ocean Destratification의 복합적 원인

초록 (Abstract)

남극 해빙 범위는 2015년부터 감소하기 시작하여 1970년대 이후 관측 시대 중 2023년에 최소값을 기록했습니다. 이 감소의 원인을 진단하기 위해, 우리는 2013–2023년을 포괄하는 관측 자료에 기반한 해빙–해양 모델을 분석하여 해빙 후퇴의 세 가지 명확한 단계를 식별했습니다. 첫째, 강화되는 서풍이 따뜻하고 염분이 높은 환극 심층수(Circumpolar Deep Water, CDW)의 상승류를 증가시켜 남양을 사전 조건화했습니다. 둘째, 2015–2016년의 강한 바람이 CDW의 상층 해양으로의 혼합을 촉진하여, 특히 동남극에서 해빙 손실을 시작했습니다. 셋째, CDW의 표층으로의 지속적인 혼합과 해빙 유래 담수의 적도 방향 수출 감소가 결합되어 전례 없이 낮은 해빙 상태를 유지했습니다. 동남극의 해빙 손실은 주로 상승하는 CDW 플럭스를 통한 하층 과정에 의해 주도된 반면, 서남극의 해빙 손실은 장파 복사 플럭스 이상에 의해서도 영향을 받았습니다. 우리의 연구 결과는 인위적 강제 하에서 상승류에 유리한 조건이 지속될 경우 남양이 장기간 낮은 해빙 상태로 진입할 수 있음을 시사합니다.

서론 (Introduction)

남극 해빙은 지구 기후 시스템의 중요한 구성 요소로서, 남양의 반사율(1), 자오선 순환의 상하부 지류(2), 그 내부의 수괴 변환(3), 해양 열 및 탄소 흡수(4), 해양 열 함량(5), 그리고 생물학적 생산성(6)을 조절합니다. 남극 해빙은 1979년부터 2015년까지 약간의 양성 경향을 보였으며(7–9), 이는 큰 지역적 변동을 동반했습니다. 이 기간 동안의 해빙 확장은 주로 바람에 의해 유도된 해빙의 북방향 수송 증가(10)와 이에 따른 고위도 남양에서 해빙 유래 담수 수출로 인한 표층 담수화(11)와 관련이 있을 가능성이 높습니다. 그러나 2015년 이후 관측된 해빙 면적은 지속적인 음의 이상을 경험했으며, 2023년에는 겨울 및 여름철 해빙 범위(Sea Ice Extent, SIE)가 사상 최저치를 기록했습니다(12). 이 음의 SIE 이상은 수심 100m 이내 수층의 온도 상승(13)과 표층 염분 증가(14)와 관련이 있었습니다. 남양 해빙의 기록적 고값에서 기록적 저값으로의 이러한 급격한 변화는 지구 시스템에서 현재 진행 중인 가장 큰 기후 변화 중 하나이며, 행성 온난화를 가속화(1)하고 남양에서의 열 및 탄소 격리 경로를 교란(15)할 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 해빙 손실은 생태계에 악영향을 미칠 수 있으며(16), 해양 온난화에 취약한 빙하를 지탱하는 빙붕의 안정성에도 영향을 미칠 수 있습니다(17).

남극 SIE의 최근 감소를 조절하는 데 있어 해양과 대기의 역할을 설명하기 위해 여러 가설이 제안되었습니다. 제안된 메커니즘의 시간 규모에 따라 이 가설들을 분류하여 재검토하면 가치 있는 통찰을 얻을 수 있습니다. 일기 시간 규모에서, 바람 변동은 해양의 엑만 이류에 즉각적인 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 2016/17년 및 2019/20년 여름, 서풍의 갑작스러운 약화는 비교적 차갑고 담수화된 표층수의 북방향 엑만 이류를 감소시켜, 외해 아한대 남양에서 표층 온난화 및 염분화를 초래했습니다(18). 이 온난화는 여름철 해빙 면적 감소 및 이후 해빙 성장 지연에 기여했을 수 있습니다. 계절 시간 규모에서, 강한 극저기압은 2016년 및 2017년 웨델해에서 외해 폴리냐 형성 및 유지와 관련이 있었을 가능성이 높습니다(19–21). 또한 2016년 동안의 양의 Zonal Wave-3(ZW3) 패턴(22)은 따뜻한 아열대 공기 덩어리의 극방향 수송 강화와 관련되어, 해빙 영역 상공의 구름량 및 하향 장파 복사 플럭스를 증가시켰습니다(19, 23). 2016년 ZW3 패턴의 시공간적 궤적은 해빙 농도와 표류에 영향을 미쳐, 웨델해, 아문젠해 및 벨링스하우젠해, 그리고 서부 로스해에서 SIE 감소에 기여했습니다(23–26). 따뜻한 북풍 기류는 2016년 및 2019년 아문젠해 저기압(ASL)의 심화와 관련이 있었습니다(21, 27).

계절에서 수십 년 시간 규모에서, 남방환모드(Southern Annular Mode, SAM)는 남양 고위도 지역에서 지배적인 기후 변동 모드입니다(28). 양의 SAM 위상은 서풍의 극방향 이동 및 강도 증가와 관련되어 엑만 이류 속도를 조절합니다. 따라서 강화된 SAM은 상층 해양 성층화에 두 가지 상반된 효과를 미칠 것으로 예상됩니다: 극지방 수 및 해빙의 적도 방향 수출 증가로 인한 표층 담수화(11, 29)와 증가된 엑만 펌핑으로 인한 더 남쪽에서의 표층 염분화(30). SAM은 1970년대 이후 양의 경향을 보여왔으며(28), 이는 아한대 남양 상공의 바람 순환성 증가와 관련되어 하층의 따뜻한 심층수 엑만 펌핑을 증가시켰습니다(24, 31, 32). 또한, ASL의 심화 및 ZW3 패턴의 강화로 인해(33) SAM은 증가하는 종방향 비대칭성을 나타내어, 남양의 특정 구역 내에서 따뜻하고 습한 아열대 공기 덩어리의 극방향 흐름을 강화했습니다. 산업화 이전 기후 모델 시뮬레이션은 SAM-ZW3 상호작용이 해빙의 지역적 변동성에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다(34).

미래 해빙 진화는 경쟁 메커니즘 간의 균형에 의해 지배될 가능성이 높습니다. 예를 들어, 인위적 강제 하에서 해양과 대기의 열 함량은 계속 증가할 것으로 예상되며, 이는 해빙 성장을 억제할 것입니다. 반면, 강수 증가(36) 및 빙하 용융수 유입(37)으로 인한 표층 담수화 증가(35)는 상층 해양을 성층화시키고 심층 순환 셀을 감속시켜(37, 38), 열의 수직 혼합을 억제함으로써 해빙 성장을 촉진할 것입니다. 그러나 현재의 남양에서는 다소 예상치 못한 상층 해양 염분화 경향이 발생하고 있습니다(14). 이러한 염분화는 성층화를 약화시키고(14) 담수의 안정화 효과를 반전시켜, 잠재적으로 하층 환극 심층수(CDW) 층으로부터 열과 염분의 혼합을 가능하게 할 수 있습니다.

남극 해빙의 운명을 결정하는 데 있어 서풍 증가의 가능한 역할은 이상화된 모델 연구에 기반한 가설에 의해 강조되었습니다. 이 관점에서, 극방향으로 강화되는 서풍은 해양으로부터 두 시간 규모의 응답을 유발할 것입니다(이하 두 시간 규모 가설이라 칭함)(39). 즉각적인 응답은 고위도 남양으로부터 더 차갑고 담수화된 수의 북방향 엑만 수송 증가를 포함하여, 표층 냉각 및 해빙 범위 증가를 유도할 것입니다. 지연된 응답은 따뜻하고 염분이 높은 CDW의 상승 엑만 펌핑 증가와 관련되어, 해빙 범위가 감소한 더 따뜻하고 염분이 높은 상층 해양을 초래할 것입니다. 그러나 관측된 해양 응답은 더 복잡하며, 성층화 및 순환에 대한 바람 유발 변화를 상쇄할 수 있는 표층 담수화(5) 및 중규모 와동 활동(40, 41)의 영향도 받습니다. 최근 보다 현실적인 시뮬레이션은 자연적 남양 변동성(42) 또는 역사적 강제 조건(43)에서 비롯된 상승류 유리 조건으로부터도 SIE 감소가 발생할 수 있음을 시사합니다. 전반적으로, 2015년 이후 남극 해빙 범위의 점진적 증가 후 급격한 감소라는 관측된 패턴은 두 시간 규모 가설의 예상과 질적으로 일치하지만(13), 상당한 차이점도 남아 있습니다.

많은 잠재적으로 중요한 과정이 제안되었지만, 남극 해빙의 최근 기후 진화를 지배하는 메커니즘은 불확실하며 활발한 과학적 논의의 초점이 되고 있습니다. 기후 모델은 일반적으로 관측된 변동성을 표현하는 데 어려움을 겪으며, 종종 물리적으로 타당하지 않은 시나리오를 시뮬레이션합니다(44). 여기서 우리는 와동 허용, 자료 동화형 해빙–해양 상태 추정치인 생지화학적 남양 상태 추정치(SOSE)(45)를 사용하여 2013년부터 2023년 사이의 남극 해빙 변화의 원동력을 규명합니다. 이 기간은 기록적 고값에서 기록적 저값으로의 해빙 범위 급격한 감소 지점을 포괄합니다(46). 해빙 부피(Sea Ice Volume, SIV) 및 보존된 상층 해양 특성(예: 열 및 염분)의 예산을 구성함으로써, 우리는 해빙 손실의 핵심 요인을 식별하고 그 강제 메커니즘 및 근본적인 인과적 사건의 순서를 평가할 수 있습니다.

우리의 분석은 최근 남극 해빙 손실이 세 가지 구동 단계의 복합적 결과였음을 보여줍니다. 첫째, 2015년 중반 이전에는 상층 해양의 차갑고 담수화된 이상과 함께 SIE가 증가했는데, 이는 해빙 유래 극지방 담수의 적도 방향 수출 증가가 표층을 안정화시킨 패턴과 일치합니다. 둘째, 2015년 중반 이후, 열과 염분이 상층 해양에 축적되기 시작했는데, 이는 처음에 따뜻하고 염분이 높은 CDW의 얕아짐의 결과였습니다. 두 시간 규모 가설과 질적으로 일치하는 이 응답은 상승류에 유리한 바람과, 강화된 서풍에 의해 구동된 열 및 염분의 강화된 수직 혼합에 의해 촉진되었습니다. 셋째, 2018년 이후 선행 해빙 변화가 표층 담수 플럭스를 변화시켰으며, 이는 상층 해양에서 증가된 염분 및 약화된 성층화를 유지하는 데 점점 더 중요해져, 결과적으로 감소된 남극 해빙 상태의 지속성을 촉진했습니다.

마지막으로, 우리는 동남극과 서남극 간 해빙 진화 및 그 구동 메커니즘에서 상당한 차이가 있음을 밝힙니다. 이 종방향 비대칭성은 해당 바람 강제의 대비에서 기인하며, 남양 결합 대기–해빙–해양 역학의 공간적 복잡성을 강조합니다. 각 지역 내 지배적 메커니즘을 식별함으로써, 우리는 환남극 남극 해빙 변화에 대한 통합된 그림을 제공합니다.

결과 (Results)

남양 수문학적 진화 개요

아한대 남양에서, 겨울 동안 CDW는 약하게 성층화된 수역에서 수온약선 바로 아래에 위치합니다(그림 S1 및 S2)(47). 표층수에 비해, CDW는 더 따뜻하고 염분이 높으며, 용존 산소(DO) 농도가 낮고 용존 무기 탄소(DIC) 농도가 높은 특징을 가집니다(48). 동남극의 대륙붕 외역 지역(E Ant; 60°W ~ 150°E 사이; 방법 참조)은 2013–2016년 동안 하층(100m 이하)에서 온난 이상을, 상층 해양(상부 100m)에서 냉각 및 담수화 이상을 보입니다. 이후 상층 해양은 더 따뜻하고 염분이 높아지며, 2018년 이후에는 하층 해양이 200~500m 깊이 사이에서 냉각되고 약간 담수화됩니다(그림 1, A 및 B). 표층 온난화 및 염분화는 상층 해양에서 DO 고갈(그림 1A의 노란 등고선) 및 DIC 증가(그림 1B의 검은 등고선)를 동반합니다.

서남극에서(W Ant; 150°E ~ 60°W 사이; 방법 참조), 상층 해양은 2013년부터 2015년까지 냉각 이상을, 2016년부터 2020년까지 온난 이상을, 그리고 2021년부터 2023년까지 다시 냉각 이상을 보입니다(그림 1C). 상층 해양은 2013년부터 2019년까지 DO 고갈을 보입니다(노란 등고선; 그림 1C). 하층 해양은 2017년부터 2021년까지 DO 농축을 보입니다(검은 등고선; 그림 1C). 상층 해양은 2013년부터 2019년까지 염분 이상을 보이며(그림 1D), 2015년부터 2019년까지 DIC 농축이 관찰됩니다(검은 등고선; 그림 1D). 2020년 이후 상층 해양은 담수 이상으로 전환됩니다. 하층 해양은 2013–2018년 동안 더 차갑고 염분이 높은 이상에서 2018년 이후 더 따뜻하고 담수화된 이상으로 전환됩니다. 이는 동남극과 대조적으로, 동남극에서는 하층이 따뜻하고 염분이 높은 이상에서 차갑고 담수화된 이상으로 전환됩니다.

이 수문학적 변화에 대한 추가적인 맥락을 제공하기 위해, 우리는 실제 온도와 염분장을 그림 S2에 포함시킵니다. 이들은 동남극이 일반적으로 겨울 동안 서남극보다 더 염분이 높은 상층 해양을 가짐을 보여줍니다. 내부 수온약선은 두 지역 모두에서 계절적으로 변동하며, 겨울에는 더 얕은 깊이에 위치하고 여름에는 깊어집니다. 동남극은 또한 서남극(80m)에 비해 더 얕은 겨울 수온약선(50m)을 보입니다.

요약하면, 2015년 중반부터 동남극 대륙붕 외역의 상층 해양은 더 차갑고, 담수화되며, DO가 농축되고, DIC가 고갈된 상태에서 더 따뜻하고, 염분이 높으며, DO가 고갈되고, DIC가 농축된 상태로 명확한 전환을 겪습니다. 이러한 이상 특성은 CDW의 특징(48)이며, 따라서 근표층 해양에서 CDW의 존재 증가를 나타내어 관측 결과와 일치합니다(32). 우리는 다음 섹션에서 열 및 염분 예산에 대한 상세한 분석을 수행하여 관련된 메커니즘을 규명할 것입니다. 대조적으로, 서남극 대륙붕 외역의 수문학적 진화는 더 복잡해 보입니다. 상층 해양이 염분이 높은 상태(2013–2019)에서 담수화된 상태(2020–2023)로의 명확한 전환이 있지만, 다른 매개변수들은 더 복잡한 변화를 보입니다.

SOSE에서 해빙 손실과 관련된 상층 해양의 온난화 및 염분화는 현장 수문학적 프로파일(13) 및 원격 탐사 표층 염분(14)에 기반한 연구와 일치합니다. 여기서 우리는 상층 해양 수문학적 특성 진화에 종방향 비대칭성이 있음을 보여줍니다. 또한 이러한 변화 뒤의 메커니즘은 아직 탐구되지 않았습니다. 다음 섹션에서는 남극 해빙 변동성을 지배하는 역학에 대한 명확성을 높이기 위해 SIV, 온도 및 염분의 예산을 고려할 것입니다.

남극 SIE 및 부피 이상

위성 관측에 따르면, 음의 SIE 이상은 2016년 이후 동남극과 서남극 모두에서 지속되었습니다(그림 2A). 초기 관측은 2008년 이전까지 서남극(로스해, 아문젠해 및 벨링스하우젠해; 방법 참조)과 동남극(서남극 외 모든 지역) 간 해빙 이상의 종방향 시소 패턴을 특징으로 하는 상대적으로 안정된 해빙을 나타냅니다. SOSE의 SIE 이상 시간 경향은 위성 관측과 일치하지만, 그 크기는 2013–2016년 동남극 및 2022–2023년 서남극에서 관측 대비 일부 양의 편향을 보입니다. 또한, SOSE의 이상 시간 경향은 일반적으로 위성 데이터에서 관측된 것과 일치합니다. SIE 이상은 주로 해빙 팩의 적도 방향 가장자리에서의 이상을 반영하지만, SOSE의 해빙 두께 이상은 해빙이 팩 내부에서도 감소했음을 보여줍니다(그림 S3). 동남극과 서남극 모두 2016년 이후 음의 SIV 이상을 보이며, 서남극 대륙붕 외역 해빙은 2021년 이후 회복을 보입니다(그림 2, B~E). 이 회복 기간은 SOSE SIE의 양의 편향과 일치합니다. 우리는 이후 섹션에서 이에 대한 이유를 논의할 것입니다.

예산 분석에 따르면, 동남극 대륙붕 외역(수심 3000m 이상)에서의 SIV 손실은 순 열역학적 해빙 생산량 감소(즉, 성장 대비 용해; 그림 2F 및 그림 S4F)에 의해 주도되었습니다. 이 신호는 2015년 이후의 해빙 손실이 주로 이류나 발산에 의한 기계적 구동이 아니라 열역학적으로 강제되었다는 이전 연구 제안과 일치합니다(49). 그러나 해빙 두께 측정의 불확실성으로 인해, 이전 연구들은 이제 이러한 결과에 의해 명확해진 부피 손실을 정량화할 수 없었습니다. 해빙 이류 및 발산(AD)이 SIP 감소를 부분적으로 상쇄했지만, 완전한 보상을 위해서는 불충분하여 동남극에서 음의 SIV 이상을 초래했습니다(그림 2B). AD 항으로부터의 SIV에 대한 추가 기여는 2015–2016년, 2019–2020년 및 2022–2023년 동안 동남극 대륙붕에서의 SIP 증가에서 비롯됩니다(그림 2G). 이 증가는 대륙붕 외역 지역에서 SIP 감소로 촉진된, 대륙붕으로부터의 해빙 수출 증가로 인한 것일 가능성이 높습니다. 2020년 이후 동남극의 대륙붕 및 대륙붕 외역 지역 모두에서 음의 SIV 이상이 관찰되었습니다(그림 2, F 및 G).

서남극 대륙붕 외역에서의 해빙 부피 손실은 그렇게 뚜렷하지 않으며 2016년 이후 전체 기간 동안 지속되지 않습니다(그림 2; 서남극 대륙붕 외역 및 서남극 대륙붕). 2016–2020년 동안 관찰된 낮은 SIV는 낮은 SIP(2013년, 2015년, 2017년 및 2021–2022년 동안)와 낮은 AD(2018–2020년 동안 명백함; 그림 2H 및 그림 S4H)를 포함하는 요인의 조합에 의해 주도되었습니다. SOSE의 SIV 예산은 해빙 진화에서 종방향 비대칭성을 드러내며, 동남극은 2016년 이후 상대적으로 더 지속적인 음의 SIV 이상을 보입니다(그림 2; 동남극 대륙붕 외역 및 동남극 대륙붕). SIV 이상의 진화는 관측된 SIE 이상과 일치하며, 손실은 동남극에서 더 두드러집니다.

SIV 예산은 동남극에서 해빙 감소에 있어 열역학의 중요한 역할을 강조하며, 해빙 손실을 구동하는 메커니즘이 얼음으로의 열 전달을 포함함을 시사합니다. 열은 위의 대기 또는 일반적으로 수온약선 아래에 위치한 따뜻한 CDW에서 공급될 수 있습니다. 해빙 손실은 상층 해양의 온난화 및 염분화와 함께 DIC 축적 및 DO 고갈과 관련이 있었습니다. 이러한 특징은 근표층에서 CDW 존재 증가와 일치하지만(50), 강화된 대기 열 입력에서도 발생할 수 있습니다. 이러한 가능성을 구분하기 위해서는 다음 섹션에서 상층 해양으로의 열 공급을 제어하는 과정에 대한 상세한 분석이 필요합니다.

웨델해 및 로스해의 큰 아한대 저기압에서, 수온약선(및 하부 CDW 층)은 50~100m 깊이까지 얕아집니다(32, 47). 그러나 성층화가 충분히 약화되어 혼합층으로의 CDW 혼합을 촉진하지 않는 한, 이 열은 수온약선 아래에 갇혀 있습니다(51, 52). 차가운 극지방 수역에서 성층화는 주로 염분에 의해 제어됩니다(53). 성층화 약화 및 혼합층으로의 열 상향 전달을 유도하는 과정을 조사하기 위해, 우리는 다음 두 섹션에서 상층 해양 온도 및 염분 예산을 분석합니다.

남양 상층 해양 온난화

단파 및 장파 플럭스는 주로 두 가지 요인에 의해 영향을 받습니다: (i) 표면 반사율을 변경하는 해빙, 및 (ii) 대기를 통한 단파 복사 전달을 감소시키지만 하향 장파 복사를 증가시키는 구름량. 아한대 남양은 일반적으로 장파 복사를 통한 순 열 손실이 특징입니다. 따라서 하향 장파 플럭스의 양의 이상은 이 열 손실의 감소를 나타내며, 효과적으로 해양 온난화에 기여합니다.

이 프레임워크를 동남극 대륙붕 외역 지역에 적용하면, 상층 해양 온난화는 2015년부터 2018년까지 명백합니다(그림 3A). 2013년 말부터 2015년 중반까지, 표면 플럭스("surf"; 단파 플럭스 제외)는 해빙 범위 확대 기간 동안 양의 이상(온난화 경향)을 보입니다. 이는 장파 및 현열 플럭스를 통한 대기로의 열 손실을 억제하는 해빙의 단열 효과와 일치합니다(2013–2014년; 그림 3C의 빨간선). 2016년 초부터, 표면 플럭스는 해빙 범위 감소로 인한 대기로의 열 손실 증가를 반영하는 두드러지고 지속적인 음의 이상을 보입니다(그림 3C의 빨간선)(12).

이러한 전환에도 불구하고, 2015년 중반부터 시작되는 상층 해양 온난화의 주요 원동력은 수직 혼합 항(Diff_v)이며, 이는 2023년까지 음의 이상에서 지속적 양의 이상으로 전환됩니다(그림 3C의 파란선). 대조적으로, 단파 플럭스(그림 3C의 빨간 점선)는 2015년 중반 해빙 손실 시작 이후인 2016년 중반에야 양의 이상으로 전환됩니다. 이 타이밍은 단파 플럭스가 해빙 감소를 시작하지 않았지만, 이후 강화를 촉진했음을 시사합니다. 표면 플럭스가 2013년 말부터 2015년 초까지 해양을 온난화시켰지만, 이 온난화는 수직 혼합으로 인한 냉각에 의해 상쇄되어 순 온도 변화가 거의 없었습니다. 그러나 2015년 중반부터 온도가 상승하기 시작하며(그림 3A), 처음에는 수직 혼합의 강화에 의해 주도됩니다.

서남극 대륙붕 외역 지역도 2015년부터 시작되어 2017–2020년 사이에 정점을 찍고, 이후 냉각 기간을 겪는 상층 해양 온난화를 경험합니다(그림 3B). 그러나 이 온난화를 구동하는 메커니즘은 동남극의 메커니즘과 현저히 다릅니다. 동남극에서는 수직 혼합이 초기적이고 지속적인 역할을 하는 반면, 서남극에서는 수직 혼합이 특정 연도(2018년, 2021년 및 2022년)에만 온난화에 기여합니다. 또한, 동남극과 달리, 서남극의 단파 플럭스는 2016/17년 및 2019/20년 여름과 같이 비정상적으로 감소된 해빙 범위 기간 동안에도 음의 이상을 보입니다. 동시에, 나머지 표면 플럭스 구성 요소는 양의 이상을 보입니다. 이 패턴은 서남극에서 장파 복사를 통한 열 손실 감소로 인한 온난화를 시사하며, 이는 동남극과 대조적입니다. 동남극에서는 해빙 감소가 항상 단파 플럭스 증가 및 다른 표면 플럭스의 음의 이상과 일치합니다.

표면 열 플럭스 구성 요소를 더 자세히 조사하기 위해, 우리는 동남극 및 서남극 대륙붕 외역 지역에 대해 ERA5를 분석했습니다. 결과(그림 4)는 SOSE에서 관찰된 패턴(그림 3)과 일치합니다. 동남극에서, SIE 강화 기간은 일반적으로 단파 플럭스의 음의 이상과 관련이 있습니다: 높은 SIE 기간(양의 이상) 동안, 시간 평균 이상은 단파에 대해 −0.3 W/m², 장파 플럭스에 대해 0.1 W/m²입니다. 반대로, 감소된 SIE 기간(음의 이상) 동안, 단파 플럭스는 일반적으로 양의(온난화) 이상을 보이는 반면, 장파 플럭스는 일반적으로 음의 이상을 보이며, 해당 평균은 각각 0.19 및 −0.06 W/m²입니다(그림 4A).

그러나 서남극에서는 감소된 SIE가 항상 양의 단파 플럭스 이상과 관련되지는 않습니다. 2016/17년 및 2019/20년 여름과 같은 저-SIE 기간 동안, 단파 플럭스는 음의 이상(냉각 경향)을 보이는 반면, 장파 플럭스는 양의 이상을 보입니다(그림 4C). 이 여름 동안 단파 및 장파 플럭스의 시간 평균 이상은 각각 −0.46 및 0.14 W/m²입니다. 이러한 신호는 해당 지역의 구름량 증가(점선 파란선; 그림 4C)와 관련되어 있으며, 이전 연구(22, 33)와 일치합니다. 이 연구들은 강화된 ZW3 패턴에 의해 구동되는 따뜻하고 습한 아열대 공기의 극방향 이류와 관련된 구름량 증가를 연관시킵니다.

동남극에서 총 열 플럭스는 2013년 초~중반, 2016년 중반, 그리고 2021년 중반부터 2023년까지 짧은 양의 이상을 보입니다(그림 4B). 대조적으로, 서남극에서 총 열 플럭스는 초기에 그리고 2014년부터 2016년 말까지 더 지속된 기간 동안, 그리고 다시 2018년 중반부터 2020년 초까지, 그리고 2023년에 온난 이상을 보입니다(그림 4D).

2023년 순 표면 플럭스에서도 온난 이상이 명백하며(그림 4D), 서남극에서 상층 해양 온난화를 재개합니다(그림 3D). 이전 해빙 예산 분석에서, 우리는 2022년 및 2023년에서 SOSE와 관측 간의 차이를 지적했는데, SOSE가 관측된 해빙 감소를 포착하지 못했습니다. 그러나 열 예산은 이 기간 동안 SOSE가 상층 해양 온난화 재개를 시뮬레이션함을 나타냅니다. 이는 해빙 손실이 결국 뒤따를 수 있음을 시사합니다. 이는 관측된 경향과의 근본적인 불일치라기보다는 해양 온난화에 대한 SOSE의 해빙 응답에서 가능한 지연을 지적합니다.

남양 상층 해양 염분 및 성층화 변화

열의 수직 수송이 상층 해양 온난화의 중요한 원동력으로 밝혀졌으므로, 이제 우리는 상층 해양 성층화를 제어하는 과정으로 전환합니다. 아한대 남양에서 성층화는 주로 염분에 의해 설정됩니다(53). 따라서 우리는 성층화 변화를 지배하는 메커니즘을 식별하기 위해 염분 예산을 검토하는 것부터 시작합니다.

동남극의 상층 해양은 2013년부터 2015년까지 담수 이상을 보입니다(그림 S7). 그 후, 지역 상층 해양은 염분화되며(그림 5A) 상층 해양 열 함량 증가를 수용합니다. 초기 담수화의 일부는 해빙의 적도 방향 수출 및 용해 증가를 반영할 가능성이 높으며(11), 이후 염분화는 해빙 수송 감소와 일치합니다. 다음 논의에서, 우리는 상층 해양 염분화가 열과 염분의 상향 혼합에 의해 시작되며, 이후 해빙 형성 감소 및 관련 적도 방향 수출 및 용해로부터 추가적인 기여가 발생함을 보여줍니다.

그러나 서남극에서는, 동남극에서 보이는 증가 경향이 나타나지 않습니다. 대신, 서남극 대륙붕 위의 염분은 2015년 및 2016년에 정점을 찍고 그 후 담수화되며, 관련 성층화 강화가 동반됩니다. 담수화 및 성층화 강화는 서남극 대륙붕 위에서 더 뚜렷하며, 서남극 대륙붕 외역은 2019–2023년 동안 약간의 담수화를 경험하며 관련 성층화 강화를 보입니다.

동남극 대륙붕 외역의 염분 예산

우리는 이제 공간 평균 염분 및 관련 예산 항을 검토하여 동남극 위의 염분화 및 서남극 위의 담수화의 원인을 진단합니다. 동남극 근표층 염분화는 상층 해양 성층화 감소(Δσ; 수심 240m 및 0m에서의 잠재 밀도 차이로 정의됨)와 관련되어 있으며, 2023년에 최소값을 보입니다(그림 5A). 상층 해양 염분 증가는 처음에는 수직 이류 항(회색선; 그림 5C 및 그림 S8C)에 의해 주도되며, 이는 2013년과 2016년 사이에 양의 이상을 보입니다. 이 항은 염분이 높은 수의 상승류를 반영하며, 상부 100m에서 염분 증가에 기여하는 CDW 층의 얕아짐을 나타냅니다. 수직 혼합 또한 2015년 및 2016년 동안 동남극 대륙붕 외역에서 양의 이상을 보입니다(그림 5C의 파란선). 수평 이류 또한 2015–2016년 동안 동남극 대륙붕 외역에서 염분화에 기여했습니다. 따라서 2016년 이전에는 이류 및 확산 항 모두 염분의 수직 및 수평 전달 강화에 역할을 했습니다. 우리는 다음 섹션에서 이 염분화 경로의 가장 가능성 있는 원동력을 논의할 것입니다.

수직 확산과 수직 이류 모두 염분 예산에 중요한 기여를 하지만, 열 예산에서는 수직 확산이 지배적이며 수직 이류는 더 작은 역할을 합니다. 이 차이는 수직 온도 구배가 해당 염분 구배보다 대략 1~2 자릿수 더 크기 때문에 발생합니다(그림 S10).

동남극 대륙붕 외역 위의 표면 플럭스 항은 2013–2014년 동안 양의 이상을 보였고, 2015–2016년에는 음의 이상을, 2016년 이후에는 양의 이상을 보였습니다. 이러한 패턴은 동남극 대륙붕 외역 위의 SIP 이상(그림 2F)과 해당되어, 표면 플럭스 이상이 해빙 형성 및 수송 변동에 의해 유도되었음을 나타냅니다. 2013–2014년의 양의 이상은 염분 배출을 통해 염분을 증가시키는 강화된 SIP를 반영합니다. 대조적으로, 2015–2016년의 음의 이상은 상층 해양 담수화를 초래한 감소된 SIP와 일치합니다. 마지막으로, 2016년 이후의 양의 이상은 감소된 적도 방향 해빙 유래 담수 수송과 해당됩니다("종합" 섹션에서 더 자세히 논의됨). 표면 플럭스와 SIP는 0.68의 상관관계를 가지며, 95% 신뢰 구간은 [0.64, 0.72]입니다(본 논문 전체에서 대괄호 안의 숫자는 자기상관 보정 후 계절성 및 경향 제거된 상관관계의 95% 신뢰 구간을 나타냄). 상층 해양 담수화는 감소된 염분 배출과 동남극 대륙붕으로부터의 해빙 수출 증가 모두에서 비롯되었으며, 이는 여름 동안 용해되어 대륙붕 외역 지역에 담수를 퇴적시킵니다.

서남극 대륙붕 외역의 염분 예산

서남극 위의 상층 해양 염분은 동남극 위에서 보이는 증가 경향을 보이지 않습니다. 대신, 서남극 대륙붕 위의 염분은 2015년 및 2016년에 정점을 찍고 그 후 담수화되며, 관련 성층화 강화가 동반됩니다. 담수화 및 성층화 강화는 서남극 대륙붕 위에서 더 뚜렷하며, 서남극 대륙붕 외역은 2019–2023년 동안 약간의 담수화를 경험하며 관련 성층화 강화를 보입니다.

서남극 담수화는 2015–2021년 동안 서남극 대륙붕 외역(그림 5D) 및 2017–2019년 동안 서남극 대륙붕(그림 S8D)에서 수직 이류 항의 지속적인 음의 이상에 의해 설명됩니다. 2020년부터 시작되어 2023년까지 계속되며, 수직 이류 항은 서남극의 대륙붕 및 대륙붕 외역 지역 모두에서 강화의 징후를 보입니다.

염분 및 성층화 변화에 대한 표면 응력 강제

해빙 진화를 형성하는 상층 해양 염분 및 성층화 변화의 원동력을 평가하기 위해, 우리는 염분 예산의 수직 및 수평 이류 항을 재검토하고 SOSE의 표면 응력과 비교합니다. 해양에 대한 표면 응력은 바람과 해빙 표류의 결합된 효과를 반영합니다. 수직 염분 이류는 표면 응력의 순환성에 의해 구동되는 엑만 펌핑에 응답할 것으로 예상되며, 상층 해양의 자오선 염분 이류는 자오선 응력에 응답할 것으로 예상됩니다(54). 이 분석은 동남극 및 서남극의 대륙붕 외역 지역으로 제한됩니다. 응력 컬을 계산할 때, 전체(자오선 및 자오선) 표면 응력 벡터가 고려되었으며, 자오선 응력의 이상은 양의(동향) 값만을 사용하여 계산되었습니다. 이 접근 방식은 서풍을 구동하는 동향 응력 및 북향 엑만 이류를 선택하는 공간 마스크를 사용하는 것과 동일하며, 이는 해빙 손실의 원동력으로 제안된 메커니즘입니다(18).

예상대로, 표면 응력에서 순환성 강화 기간 동안(∇ × τ의 음의 이상; 그림 6B), 수직 염분 이류 항은 비정상적으로 양의 값을 보입니다(그림 6A의 회색선). 반대로, 표면 응력에서 순환성 약화 기간 동안(∇ × τ의 양의 이상; 그림 6B), 수직 이류 항은 음의 이상을 보입니다. SOSE는 응력 컬에서 종방향 비대칭성을 드러냅니다: 동남극은 2013년부터 2017년까지 순환성 강화를 경험한 후 약화되는 반면, 서남극은 2014년부터 2017년까지 약한 순환성을 보인 후 그 후 강화됩니다. 표면 응력 컬의 이 종방향 비대칭성은 2021년 중반부터 2023년까지 동남극과 서남극 간 수직 이류의 유사한 비대칭성에 해당합니다. 동남극에서 표면 응력 컬과 염분의 수직 이류는 −0.26 [−0.33, −0.19]의 상관관계를 가지는 반면, 서남극에서는 −0.28 [−0.35, −0.21]의 상관관계를 가집니다. 우리는 여기서 엑만 펌핑과 수직 염분 이류가 대규모 순환을 통해 관련되어 있지만, 그 경향이 항상 일치할 필요는 없음을 지적합니다(그림 6). 엑만 펌핑은 표면 바람 응력의 컬에 의해 유도된 수직 속도를 반영하는 반면, 수직 염분 이류는 이 수직 속도와 국지적 수직 염분 구배 모두에 의존합니다.

동남극과 서남극 위의 동향 응력 강도에서도 종방향 비대칭성이 발견됩니다. 두 지역 모두 2014–2016년 사이 및 2020–2023년 동안 강화를 보입니다(그림 6B). 그러나 자오선 응력은 일반적으로 2014–2016년 사이 동남극에서 더 강한 반면, 2020–2023년 동안에는 서남극에서 더 강하게 나타납니다. 동남극과 서남극의 수평 이류 항은 동향 응력의 시간 변동과 공변하여, 엑만 이류가 상층 해양에서 수평 염분 이류 이상을 구동하는 데 역할을 함을 시사합니다. 동남극에서 염분의 수평 이류와 동향 자오선 응력은 상대적으로 강하게 상관되어 0.62 [0.57, 0.67]인 반면, 서남극에서는 상대적으로 약하게 상관되어 0.12 [0.05, 0.19]입니다. 다시 한번, 우리는 엑만 이류가 수평 염분 이류를 완전히 설명하지 않음을 지적합니다. 바람 유발 저기압 변동성 변화(55) 및 순환 변화(31)와 같은 다른 과정도 기여할 수 있습니다.

이 결과를 남양 기후의 수십 년 변화 맥락에서 이해하기 위해, 우리는 1970년부터 2023년까지 동남극 및 서남극 대륙붕 외역 지역에 대한 ERA5 바람장(해수면 위 10m에서의 월평균)을 분석합니다(그림 6C). "WANT: u" 및 "EANT: u" 계산에는 자오선 바람의 동향 성분만 고려됩니다. 바람 컬 및 서풍은 월평균에 대한 이상으로 계산되었으며, 10년 이동 평균을 사용하여 수십 년 변동성을 포착했습니다. 아한대 남양은 동남극 및 서남극 모두에서 바람 컬의 장기적 강화를 경험했습니다. 또한, 서풍은 지속적 양의 경향을 보이며, 2010–2023년 기간 동안 최고 크기에 도달했습니다. 바람의 장기적 경향은 하층 해양으로부터 열과 염분의 상향 수송을 유도하는 과정의 강화를 나타냅니다.

종합 (Synthesis)

이전 섹션에서 문서화된 남극 SIE 변화, 상층 해양 수문학 및 성층화 변화는 세 가지 명확한 기간으로 종합될 수 있습니다: P1(2013년 중반~2014년), P2(2015–2017년), 및 P3(2018–2023년). 이러한 기간은 총 남극 SIV 변화의 주요 기여자인 동남극 대륙붕 외역의 시간적 진화(그림 2B)를 기준으로 선택되었습니다. P1은 높은 SIV 기간에 해당합니다. P2는 SIV 손실의 시작을 표시합니다. P3은 추가 감소와 함께 낮은 SIV 상태의 지속성을 포착합니다.

P1 동안, 상층 해양은 동남극 대부분에서 담수 이상을 보이는 반면, 서남극 지역은 염분 이상을 보입니다(그림 7; P1-염분). P2에서, 이러한 이상의 크기는 전반적으로 감소합니다. P3은 동남극에서 염분 이상 및 서남극에서 담수 이상이 특징입니다. 염분 및 담수 이상은 각각 감소 및 강화된 상층 해양 성층화와 관련됩니다.

P1(2015년 이전) 동안, 아한대 남양 전체에서 양의(염분화) 이상을 보이는 유일한 예산 항은 수직 이류 항입니다(그림 7; P1-수직이류). 표면 플럭스 항은 로스해, 아문젠해 및 벨링스하우젠해 대륙붕 외역, 그리고 동부 웨델해를 제외한 모든 곳에서 양의 이상을 보입니다. 양의 표면 플럭스 이상은 이 기간 동안 강화된 SIP로 인한 염분 배출 증가와 일치합니다.

P2(2015–2017년)는 해빙 손실과 함께 동남극 대부분에서 상층 해양 염분 증가가 특징입니다. 수직 이류 항은 이 기간 동안 표면 응력 컬의 순환성 증가와 일치하여 동남극의 넓은 지역에서 상층 해양을 계속 염분화합니다. 표면 플럭스는 대륙붕으로부터의 해빙 수입 증가 및 이후 외해에서의 용해와 일치하여 해빙 가장자리 근처에서 담수화 경향을 보입니다. 표면 플럭스는 또한 동남극에서 해빙 팩 내부에서 염분화 경향을 보입니다. 일반적으로, 엑만 이류(수평 이류의 구성 요소)는 고위도 지역으로부터 더 차갑고 담수화된 수를 북쪽으로 이동시킵니다. 그러나 P2 동안, 수평 이류는 대륙붕 외역 지역의 북쪽 가장자리를 따라 염분을 증가시키면서 더 남쪽 지역에서는 담수화 경향을 보임으로써 표면 플럭스를 부분적으로 상쇄합니다. 이 패턴은 2016년 동안 동남극에서 동향 표면 응력의 양의 이상 및 서남극에서 표면 응력의 강한 음의 이상과 함께 발생합니다. P2는 또한 아한대 남양 대부분에서 증가된 수직 확산(그림 7; P2-수직확산)이 특징이며, 이는 표면 응력 강화와 관련되어 수직 혼합을 촉진할 가능성이 높습니다