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문제 정의
- 자료를 이용하여 에어로졸의 직 . 간접 효과가 모두 고려된 모형으로 기후 시스템에 미치는 에어로졸의 복사 강제와 그 기후 효과를 정량적으로 추정하고자 한다.
- 본 연구에서는 위성 자료의 처리를 통해 얻어진 에어로졸 광학 두께 자료를 이용하여 에어로졸에 의한 단파 복사 강제 효과를 정량적으로 이해하고자 하였다. 에어로졸 자료는 현재에 가장 정확하고 신뢰성 있는 MODIS 자료와 AERONET 자료를 사용하였으며 이를 KNU AGCM ST15에 처방하여 적분을 수행하였다.
가설 설정
- 하지만, 에어로졸의 광학 깊이는 전체 공기 기둥에 대한 값이라서 이 값을 모형에 사용하기 위해서는 고도별 자료가 필요하므로 다음과 같은 가정에 의하여 구하였다. 만약 화산 폭발에 의한 성층권으로의 에어로졸 이동을 고려하지 않는다면 에어로졸은 대류권 각 층에 분포하게 되는데 이 양은 대류권 각 층의 건조 공기의 양에 비례한다는 가정에 따라 기층별 광학 깊이를 계산한 값을 사용하였다. 모형의 초기조건인 분광 영역에 따른 시간 평균 에어로졸 광학 깊이의 전구 분포를 Fig.
- 3. (a) Total cloud amount change(in %) (b) Seasonal variations of cloud amount change due to aerosol in AGCM.
제안 방법
- 모형의 각 기층에서 발생하는 오존에 의한 복사 흡수를 고려하기 위 해 기후학적 3차원 (경도■위도-고도) 오존 농도 자료를 사용한다. 이 자료는 Atmospheric Model Intercomparison Project Phase II (AMIP II) 표준 실험을 위해 마련된 2차원 오존 농도 자료功와 Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) 오존 전량 자료를 합성하는 방법%)을 통하여 산출하였다. 한편 모형의 하부 경계로 사용되는 지형 자료는有 l°xl° 자료를 경도 5° X 위도 4。의 모형 격자점으로 내삽 및 평활된 것이다.
- 대기 중 온실 기체들인 CO2, CH4 그리고 NR의 농도는 AMIP II의 표준 실험 권고 사항에 따라 348 ppmv, 1650 ppbv 그리고 306 ppbv로 각각 처방하였다. 또한 Halo-carbon인 CFC-11 과 CFC-12의 농도는 0.
- 또한, 2000년 3월 〜2003년 6월(40개월) 기간의 월 평균값으로 경도 2.5° X 위도 2。의 수평 해상도를 가지며 광학 깊이, 비대칭 인자와 단일산란 알베도로 구성된 값을 수치 실험 모형의 격자체계에 맞게 선형 내삽하여 입력 자료로 처방하였다.
- 세 변수는 단파에 대한 파장별 자료 중 에어로졸에 의한 산란이 효과적인 7개의 파장(자외선 영역에 4개, 근적외 영역에 3개)에서 계산을 수행하였다. 비대칭 인자와 단일 산란 알베도는 모든 고도에 대해 일정하며 각 단파 영역에서 계산된 값을 사용하였다.
- 만약 화산 폭발에 의한 성층권으로의 에어로졸 이동을 고려하지 않는다면 에어로졸은 대류권 각 층에 분포하게 되는데 이 양은 대류권 각 층의 건조 공기의 양에 비례한다는 가정에 따라 기층별 광학 깊이를 계산한 값을 사용하였다. 모형의 초기조건인 분광 영역에 따른 시간 평균 에어로졸 광학 깊이의 전구 분포를 Fig. 1에 나타내었으며, 본 연구를 위해 에어로졸의 단파 복사 효과가 계산될 수 있도록 설계된 National Aeronautics and Space Adm ini stration/ Goddard Space Flight Center (NASA/ GSFC) 복사 모수화 방안이 장착된 수치 모형 입 력자료를 완성하였다.
- 연구를 위하여 모형의 복사 코드 부분에33) 의한적외 복사 모수화 방안으로 수정 하였다. 이 방안은 주요 기체 (수증기, CO2, 03), 대부분의 미량 기체 (N2O, CH4j CFCs) 그리고 구름과 에어로졸에 의한 흡수를 9개의 밴드로 구분된 적외 복사 스펙트럼에서 계산한다.
- 복사 모수화 방안으로 수정 하였다. 이 방안은 주요 기체 (수증기, CO2, 03), 대부분의 미량 기체 (N2O, CH4j CFCs) 그리고 구름과 에어로졸에 의한 흡수를 9개의 밴드로 구분된 적외 복사 스펙트럼에서 계산한다. 기체에 의한 투과 함수는 在분포 방법 (农distribution), 표 참조 방법 (table look-up) 혹은 단일 모수 기온 스케 일링 방법 (one-parameter temper ature scaling)으로 계산된다.
- 그 효과를 정량화하기 위하여 다음과 같은 두 방법으로 모형을 적분하였다. 첫째, 에어로졸의 단파 복사 효과가 포함되지 않은 제어 적분(이하 CTRL)과 둘째, 그 효과가 포함된 실험 적분(이하 AERO)을 각각 5년 기간에 대해 실행하였다. 적분 기간의 첫 2년을 스핀-업 기간으로 간주하여 분석에서 제외시키고, 3년 기간에 대한 두 실험간의 차이를 통해 지구 에너지 수지에 미치는 에어로졸의 효과를 분석하였다.
- 첫째, 에어로졸의 단파 복사 효과가 포함되지 않은 제어 적분(이하 CTRL)과 둘째, 그 효과가 포함된 실험 적분(이하 AERO)을 각각 5년 기간에 대해 실행하였다. 적분 기간의 첫 2년을 스핀-업 기간으로 간주하여 분석에서 제외시키고, 3년 기간에 대한 두 실험간의 차이를 통해 지구 에너지 수지에 미치는 에어로졸의 효과를 분석하였다.
- 있었다. 3.1 절에는 대기 상단(이하 TOA)과 지표(이하 SFC) 에서 각각의 복사 강제에 대해 정량적으로 제시하였으며, 3.2절에는 에어로졸에 의한 대기 중 운량과 총 수증기량, 지표에서의 강수량과 지표 온도의 변화에 대하여 살펴보았다.
- 하였다. 에어로졸 자료는 현재에 가장 정확하고 신뢰성 있는 MODIS 자료와 AERONET 자료를 사용하였으며 이를 KNU AGCM ST15에 처방하여 적분을 수행하였다. 이를 통해 에어로졸의 단파 복사 효과가 포함된 결과를 얻었으며, 에 어로졸의 단파 복사 효과가 포함되지 않은 제어 적분과의 차이를 통하여 복사 강제와 그 기후 시스템에 미치는 효과를 정량적으로 추정하였다.
- 에어로졸 자료는 현재에 가장 정확하고 신뢰성 있는 MODIS 자료와 AERONET 자료를 사용하였으며 이를 KNU AGCM ST15에 처방하여 적분을 수행하였다. 이를 통해 에어로졸의 단파 복사 효과가 포함된 결과를 얻었으며, 에 어로졸의 단파 복사 효과가 포함되지 않은 제어 적분과의 차이를 통하여 복사 강제와 그 기후 시스템에 미치는 효과를 정량적으로 추정하였다.
대상 데이터
- 모형의 각 기층에서 발생하는 오존에 의한 복사 흡수를 고려하기 위 해 기후학적 3차원 (경도■위도-고도) 오존 농도 자료를 사용한다. 이 자료는 Atmospheric Model Intercomparison Project Phase II (AMIP II) 표준 실험을 위해 마련된 2차원 오존 농도 자료功와 Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) 오존 전량 자료를 합성하는 방법%)을 통하여 산출하였다.
- 본 연구에서는 Terra 위성에 탑재하여 1999년에 발사한 MODIS에서 관측한 에 어 로졸 분포 및 광학 성질과 AERONET의 Sun photometer 자료를 이용하였으며, 자료는 자연적인 발생과 인위적인 발생을 모두 포함한다. 또한, 2000년 3월 〜2003년 6월(40개월) 기간의 월 평균값으로 경도 2.
이론/모형
- 이 연구를 위해 사용된 모형은 성층권을 포함한대기 대순환 모형 (이하 ST15)이다”或5). ST15의 수평 격자 간격은 구면 좌표 위에서 5収4。(경도 X 위도)이며, 이 격자 위에서 예단 변수들의 배치는 Arakawa C■방안의 유한 차분법电을 따른다.
- 이 방안은 주요 기체 (수증기, CO2, 03), 대부분의 미량 기체 (N2O, CH4j CFCs) 그리고 구름과 에어로졸에 의한 흡수를 9개의 밴드로 구분된 적외 복사 스펙트럼에서 계산한다. 기체에 의한 투과 함수는 在분포 방법 (农distribution), 표 참조 방법 (table look-up) 혹은 단일 모수 기온 스케 일링 방법 (one-parameter temper ature scaling)으로 계산된다. 구름과 에어로졸에 의한 산란 효과를 고려하기 위한 광학 깊이 (optical thickness)는 단일 산란 알베도 (single-scattering albe- do)와 비대칭 인자 (asymmetric factor)로 스케일 되는데, 이 때 구름의 광학 성질들은 구름의 수액 (얼음) 함량과 크기로 결정된다.
- 175-10 伽 이며, 이 파장 영역에서 자외선 및 광합성 활성 파장역 (photosynthetically ac tive region, PAR)°] 8개의 band로, 그리고 근적외선 영역이 3개의 band로 나뉜다. 구름의 반사율과 투과율은 델타-에딩턴 (^-Eddington) 방법을 이용하여 계산한다. 이 방법의 적용에 필요한 구름의 광학 성질은 수적/빙적의 양 및 유효 반지름(광학 깊이) 혹은 유효 반지름만의 함수 (단일 산란 알베도와 비대칭 인자)로 결정된다.
성능/효과
- 에어로졸의 단파 복사 효과가 계산될 수 있는 수치 모형 실험 결과와 제어 실험 결과의 차이로부터 에어로졸이 기후 시스템에 미치는 복사 강제와 그 기후 효과에 대하여 정량적으로 추정할 수 있었다. 3.
- 실험 적분과 제어 적분의 차이로부터 운량과 강수량은 에어로졸에 의해 전체적으로 각각 약 0.4 % 와 0.03 mm day」로 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 3a와 Fig. 4a). 운량은 저위도 보다 고위도 극지방에서 비교적 많은 감소를 보였으며, 특히 아프리카 대륙의 나이지리아에서 최대 감소를 보이며, 북아메리카와 중앙 시베리아 고원에서 최대 증가가 나타났다.
- 4a). 운량은 저위도 보다 고위도 극지방에서 비교적 많은 감소를 보였으며, 특히 아프리카 대륙의 나이지리아에서 최대 감소를 보이며, 북아메리카와 중앙 시베리아 고원에서 최대 증가가 나타났다. 강수량은 주로 저위도 대륙과 중국 남동부 지역, 그리고 동아시아 적도에서 비교적 많은 감소가 나타났다.
- 강수량은 주로 저위도 대륙과 중국 남동부 지역, 그리고 동아시아 적도에서 비교적 많은 감소가 나타났다. 에어로졸의 광학 깊이 분포를 따라 운량과 강수량의 증감 지역이 상당히 일치함을 보였으며 특징적인 것은 강수량이 중국 남동부 지역과 동아시아 적도 지역 에서 집중적으로 감소하는 것으로 나타났다.
- 4b는 운량 및 강수량의 월별 변화량을 각각 나타냈다. 계절 변화를 살펴보면 봄철 다소 증가를 보이다가 여름과 가을에 감소하는 경향을 나타냈으며, 지역별로는 대륙이 많은 북반구에서 증감의 폭이 더 큰 것을 알 수 있었다. 운량 및 강수량 모두 계절별 또한 증감하는 계절이 일치함을 보이며 전반적인 운량의 감소로 알 수 있듯이 강수량 또한 감소한 것을 알 수 있었다.
- 계절 변화를 살펴보면 봄철 다소 증가를 보이다가 여름과 가을에 감소하는 경향을 나타냈으며, 지역별로는 대륙이 많은 북반구에서 증감의 폭이 더 큰 것을 알 수 있었다. 운량 및 강수량 모두 계절별 또한 증감하는 계절이 일치함을 보이며 전반적인 운량의 감소로 알 수 있듯이 강수량 또한 감소한 것을 알 수 있었다. 전구 운량의 감소한 사실로부터 대기 상단에서의 에어로졸의 단파 복사 강제(・3.
- 17℃ 감소하였다. 지역적으로 살펴보면 에어로졸의 광학 깊이 값이 컸던 지역에서 운량, 강수량 그리고 수증기량이 감소했던 지역인 사하라 지역과티벳 및 남아메리카 지역에서 크게 감소를 보인 반면에, 증가했던 지역인 북아메리카와 중앙 시베리아 고원에서 지표 온도가 증가하는 것으로 나타났다. 잘 알려진 바와 같이 지구 온난화 시나리오에서 극지방의 온도가 높아지는 현상과 반대로 에어로졸에 의한 효과로 고위도 극지방의 온도가 매우 낮아짐으로 두 현상이 크게 상쇄됨을 알 수 있었다.
- 지역적으로 살펴보면 에어로졸의 광학 깊이 값이 컸던 지역에서 운량, 강수량 그리고 수증기량이 감소했던 지역인 사하라 지역과티벳 및 남아메리카 지역에서 크게 감소를 보인 반면에, 증가했던 지역인 북아메리카와 중앙 시베리아 고원에서 지표 온도가 증가하는 것으로 나타났다. 잘 알려진 바와 같이 지구 온난화 시나리오에서 극지방의 온도가 높아지는 현상과 반대로 에어로졸에 의한 효과로 고위도 극지방의 온도가 매우 낮아짐으로 두 현상이 크게 상쇄됨을 알 수 있었다. 즉, 지구 온난화 연구에 있어 에어로졸의 효과가 반영되어야 함을 본 연구를 통해 더욱 강조할 수 있을 것으로 보인다.
- 현열 속의 감소(1.0 Wm")로 예상할 수 있었듯이 에어로졸의 단파 복사 효과에 따른 전구 및 연 평균지표 온도가 0.17℃ 감소하였으며, 에어로졸의 분포를 따라 지역적으로 운량, 강수량, 그리고 총 수증기량이 감소한 지역에서 지표 온도가 냉각됨을 알 수 있었다. 특히, 이 결과로부터 에어로졸에 효과에 의해 고위도 극지방에서 크게 냉각되는 것을 알 수 있었는데 이는 지구 온난화 시나리오에서 나타났던 고위도 극지방의 온난화를 크게 상쇄시키는 결과로써 지구 온난화 연구에 있어서 에어로졸의 효과가 무시 못할 영향력을 준다는 것을 시사한다.
- 17℃ 감소하였으며, 에어로졸의 분포를 따라 지역적으로 운량, 강수량, 그리고 총 수증기량이 감소한 지역에서 지표 온도가 냉각됨을 알 수 있었다. 특히, 이 결과로부터 에어로졸에 효과에 의해 고위도 극지방에서 크게 냉각되는 것을 알 수 있었는데 이는 지구 온난화 시나리오에서 나타났던 고위도 극지방의 온난화를 크게 상쇄시키는 결과로써 지구 온난화 연구에 있어서 에어로졸의 효과가 무시 못할 영향력을 준다는 것을 시사한다.
- 본 연구에서는 대기 중 온실 기체들의 농도가 증 가함에 따라 지구 온난화에 대한 우려가 점점 커지 고 있는 현재 에어로졸은 이와는 반대로 TOA와 SFC에서 추정된 여러 간접적 효과들이 양의 강제를 보였으나 직접적 효과의 크기보다 상당히 작아 음 의 강제인 것으로 나타났다.
후속연구
- 이 연구 결과로부터 에어로졸의 복사 효과가 포함된 AGCM의 개발이 완성되었으며, 이를 대기 성분 모형으로 갖는 기후 시스템 모형으로 생산될 지구 온난화 정보의 유의성이 한층 높아질 것으로 기대된다.
- 잘 알려진 바와 같이 지구 온난화 시나리오에서 극지방의 온도가 높아지는 현상과 반대로 에어로졸에 의한 효과로 고위도 극지방의 온도가 매우 낮아짐으로 두 현상이 크게 상쇄됨을 알 수 있었다. 즉, 지구 온난화 연구에 있어 에어로졸의 효과가 반영되어야 함을 본 연구를 통해 더욱 강조할 수 있을 것으로 보인다.
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