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문제 정의
- 본 연구에서는 탄소추적시스템 결과를 이용하여 전 지구 육상 생물권의 이산화탄소 플럭스가 시 · 공간적으로 어떠한 특징을 가지고 있는지 분석하였다.
제안 방법
- '본 연구에서는 2001년부터 2012년까지 기온, 강수, 일사량 변화에 따른 육상 생물권 이산화탄소 플럭스의 반응을 분석하였다.
- NEP가 각각 기후 요소들에 의해 나타나는 반응을 독립적으로 분석하기 위해 편 상관관계를 적용하였다. 기온과 강수는 북반구 중위도 이상의 대부분 지역에 대해 식생 활동의 증가에 영향을 미쳐 양의 상관관계 분포 비율이 높게 나타났지만, 북위 30o 이하의 지역에서는 양의 상관성 비율이 낮게 나타났다.
- NEP가 기온, 강수, 일사량의 변화에 어떻게 영향을 받는지 알아보기 위해 편 상관관계 분석을 적용하여 결과를 살펴보았다(Fig. 5). 각 변수들은 추세를 제거 한 후 편 상관관계를 적용하였다.
- TM5 수송 모델 구동 시 3시간 간격의 ERA-Interim 기상장을 이용하며, 해당 기상장에 의해 모의 된 이산화탄소 농도는 전지구 관측 지점에서 관측한 자료와 자료동화를 통해 이산 화탄소 플럭스를 산출한다.
- 각 기후 변수들의 변동성에 따른 NEP의 반응을 식생 유형 별로도 분석하였다. 탄소추적시스템 내 식생 유형은 Olson 식생 분류를 이용하여 나누어져 있다 (Olson et al.
- 5). 각 변수들은 추세를 제거 한 후 편 상관관계를 적용하였다. Figure 5에서 상관 관계 분포는 신뢰수준 90%에서 유의한 상관계수를 나타낸 것이다.
- 기후 요소들에 의해 영향을 받는 탄소 흡수의 변동 성은 식생의 유형에 따라 다르게 나타나기 때문에, 육 상 탄소 플럭스와 기후 요소들 사이의 관계를 식생 유형별로 나누어 분석하였다. Figure 9는 기온, 강수, 일사량과 육상 생태계 탄소 사이의 편 상관관계 결과를 이용하여 각 식생 유형별 양의 상관과 음의 상관이 차지하는 비율을 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 탄소추적시스템 결과를 이용하여 전 지구 육상 생물권의 이산화탄소 플럭스가 시 · 공간적으로 어떠한 특징을 가지고 있는지 분석하였다. 또한 편 상관관계 분석을 이용하여 기온, 강수, 일사량이 이러한 육상 생물권 탄소 흡수의 변동성에 미치는 영향을 알아보았다.
- 이러한 편 상관관계를 사용한 주된 이유는 기온, 강수, 일사량과 NEP에 대해 각 변수들의 의존성을 제 거하여 온전히 두 변수 간의 관계를 보기 위해서다. 본 연구에서는 2차 편 상관관계를 이용하여 각 기후 변수들과 NEP의 상관성을 분석하였다. 각 변수들의 계절변화에 대한 특성을 고려하여 위도대별 특징을 보기 위해 계절 주기를 포함하였으며 분석 기간 동안 월별 자료에 대해 식 (4)를 이용하여 상관관계를 계산하였다.
- , 2002)에서 사용한 지역 범주 중 11개의 육상 범주, 30 개의 해양 범주로 이루어져있다. 최적화된 네 개의 플럭스 값들을 이용하여 TM5 수송 모델을 통해 최종적으로 삼차원의 이산화탄소 농도 분포 및 플럭스 분포를 계산한다(Krol et al., 2005). TM5 수송 모델 구동 시 3시간 간격의 ERA-Interim 기상장을 이용하며, 해당 기상장에 의해 모의 된 이산화탄소 농도는 전지구 관측 지점에서 관측한 자료와 자료동화를 통해 이산 화탄소 플럭스를 산출한다.
- 탄소추적시스템에서는 이산화탄소 흡수와 배출에 대한 네 개의 초기 추정치(생물권, 해양, 화석연료, 산불 모듈)를 이용하여 TM5 수송 모델(Krol et al., 2005; Huijnen et al., 2010) 내에서 이산화탄소 몰분율 값을 모의한다. 이렇게 모의된 이산화탄소 몰분율 값은 관측값과 차이를 최소화하도록 앙상블 칼만 필터 기반의 자료동화 과정을 통해 이산화탄소 플럭스 값을 최적화한다.
- 탄소추적시스템으로 산출한 육상 생물권 이산화탄소 플럭스와 각 기후 요소들의 변동성을 분석하기 위해 Fig. 2와 같이 전지구 연평균 NEP, 기온, 강수, 일사량의 공간 분포를 나타내었다. NEP는 대부분 북반구 30o 이상의 식생대에서 양의 값 즉, 탄소를 흡수 하고 있으며 러시아 중동부 지역과 아프리카 대륙의 중부 지역에서 탄소 흡수가 강하게 나타났다(Fig.
대상 데이터
- 모든 자료들의 수평해상도는 탄소추적시스템의 결과 와 동일하게 1o × 1o 이며, 분석 기간은 2001년부터 2012년까지로 월 자료를 사용하였다.
- 탄소추적시스템에서 계산된 순 생태계 생산량(Net Ecosystem Production, NEP) 자료를 사용하였으며, ERA-Interim의 기온, 강수, 일사량 자료를 사용하였다. 모든 자료들의 수평해상도는 탄소추적시스템의 결과 와 동일하게 1o × 1o 이며, 분석 기간은 2001년부터 2012년까지로 월 자료를 사용하였다.
- 탄소추적시스템에서 사용한 이산화탄소 농도 관측값은 NOAA, EC (Environment Canada), NCAR (National Center for Atmospheric Research), CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization), IPEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares), LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 관측한 자료들이다(Masarie et al., 2014).
데이터처리
- The added figure in a-c show percentage (%) distribution of positive (blue bars) and negative (red bars) correlation at 30o latitude intervals. Shadings are significant correlation coefficient at confidence level 90% using student t-test.
- 각 기후 요소들의 변화에 따른 NEP의 변동성을 살펴보기 위해 편 상관관계 분석(Partial Correlation analysis)을 적용하였다. 편 상관관계 분석은 하나 또는 그 이상의 변수의 효과를 제거한 뒤 나머지 두 변수의 관계를 나타내는 것이다.
- 본 연구에서는 2차 편 상관관계를 이용하여 각 기후 변수들과 NEP의 상관성을 분석하였다. 각 변수들의 계절변화에 대한 특성을 고려하여 위도대별 특징을 보기 위해 계절 주기를 포함하였으며 분석 기간 동안 월별 자료에 대해 식 (4)를 이용하여 상관관계를 계산하였다. 또한 계절별 기후 변수들과 NEP의 상관성 분석 시 계절의 정의는 북반구를 기준으로 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 국립기상과학원에서 운영하고 있는 탄소추적시스템을 사용하였으며, 이는 미국 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) 산하의 ESRL (Earth System Research Laboratory)에서 개발한 탄소추적시스템(Peters et al., 2005)을 기반으 로 하고 있다.
성능/효과
- 기온과 강수는 북반구 중위도 이상의 대부분 지역에 대해 식생 활동의 증가에 영향을 미쳐 양의 상관관계 분포 비율이 높게 나타났지만, 북위 30o 이하의 지역에서는 양의 상관성 비율이 낮게 나타났다.
- 7과 같다. 강수는 봄철 열대 지역에서 탄소 흡수와 음의 상관관계 비율이 다른 위도 위도대에 비해 높았으며, 인도 중부, 아프리카 대륙의 남부, 호주 대부분 지역에서 뚜렷하게 나타났다(Fig. 7a). 이는 열대와 아열대 지역에서는 우기가 시작되는 시기로 특히 습윤한 지역에 대해 강수는 토양 표면에서 많은 양의 탄소를 분해하는 등 토양 호흡에 큰 영향을 미치기 때문이다(Cleveland et al.
- Figure 5b는 강수와 육상 탄소 흡수의 편 상관관계 결과이며 기온과 일사량의 상관성을 제거한 결과이다. 강수는 북반구 중위도 이상의 지역에서 식생 활동의 증가에 큰 영향을 미치게 되며, 이로 인해 강수와 탄소 흡수의 양의 상관관계 비율이 음의 상관관계 비율 보다 더 높게 나타났다. 하지만 북위 30o 이하의 지 역들에 대해서는 음의 상관관계 비율이 높게 나타났다.
- 계절별로 각 기후 변수들의 변화에 따른 NEP의 반응을 살펴봤을 때, 기온은 봄철 북반구 중위도 이상에 서양의 상관관계가 나타나는 지역의 비율이 높게 나타났다. 여름철에는 특히 북반구 고위도에서 기온이 식생 활동에 미치는 영향이 커져 NEP와 매우 높은 양의 상관성을 나타냈다.
- 또한 각각 덧붙여진 그림들은 위도 30o 간격에 대해 양의 상관과 음의 상관의 분포 비율을 나타낸 것이다. 기온과 NEP의 편 상관관계는 강수와 일사량의 상관성을 제거한 것으로, 북반구 중위도 이상의 지역에서 대부분 양의 상관관계가 나타났다(Fig. 5a). 이는 기온이 상승함에 따라 탄소 흡수가 증가하는 것을 의미하며 중국 대부분, 한반도, 북아메리카 대륙의 동부 지역에서 뚜렷하게 나타났다.
- 기온과 강수의 상관성을 제거한 일사량과 육상 탄소 흡수의 편 상관관계 결과는 Fig. 5c와 같으며, 일사량과 탄소 흡수는 모든 위도대에서 양의 상관관계 비율이 음의 상관관계 비율보다 높게 나타났다. 유럽, 남아메리카 대륙의 북부와 남부 지역에서는 이러한 양의 상관관계 패턴이 강하게 나타났다.
- 1). 기온과 일사량은 지역적으로 차이를 보이고 있지만, 대부분 열대 지방에서 높으며 호주 중북부, 아프리카 북부, 중 국 북서부 지역 등 기온과 일사량이 다소 높은 지역에서는 탄소 흡수가 낮게 나타났다(Figs. 2a, b, d).
- Figure 9는 기온, 강수, 일사량과 육상 생태계 탄소 사이의 편 상관관계 결과를 이용하여 각 식생 유형별 양의 상관과 음의 상관이 차지하는 비율을 나타낸 것이다. 기온과 탄소 흡수의 양의 상관관계 분포 비율은 혼합림(MF), 침엽수림(CF), 농작지(CR) 등의 중위도 지역과 북부 타이가 (NT)의 고위도 지역에서 높게 나타났다(Fig. 9a). 하지만 활엽수림(BF), 열대림(TF), 사바나(Sa) 등의 열대 지역에서는 음의 상관관계 분포 비율이 높게 나타났다.
- 육상 탄소 흡수의 변화는 식생 유형에 따라서도 다르게 나타났다. 기온과 탄소 흡수의 양의 상관성은 혼 합림, 침엽수림, 농작지, 북부 타이가 지역들에서 비율이 높게 나타났으나, 열대나 아열대 활엽수림, 열대림, 사바나와 같은 지역에서는 낮게 나타났다. 이러한 식생들은 각 위도대를 대표하고 있으며 이들의 분포와 특징에 따라서 탄소 흡수의 변화가 다르게 나타났다.
- 2a, b, c). 또한 강수량이 연 평균 약 이상이면서 일사량이 상대적으로 적은 중국 남부, 말레이시아 등 동남아시아와 아프리카 중부, 남미 대륙 아마존 지역들은 대부분 열대 우림이 위치하고 있으며 탄소 흡수가 적거나 탄소 배출이 나타났다(Figs. 2a, c, d).
- 9c). 또한 열대 지역의 활엽수림, 사바나 등의 식생 유형에서는 상대적으로 양의 상관관계 분포 비율이 낮게 나타났다.
- 남반구의 경우 대부분 탄소 흡수가 증가했으며 열대 우림, 사바나, 초목, 습지, 관목의 식생이 위치하고 있는 곳에서 탄소 흡수 증가가 두드러지게 나타났다. 또한 호주 남부 지역의 초목, 관목, 그리고 숲 지역에 대해서 탄소 흡수가 유의하게 증가했다. 지역적으로 차이를 보이고 있는 육상 탄소 흡수의 추세는 기후 변동과 식생 사이의 피드백이나 토지 이용 변화 등과 같은 다양한 메커니즘들로부터 나타난 것으로 보인다.
- 9b). 반면 활엽수림, 관목, 농작지의 열대 지역에서는 강수와 탄소 흡수의 음의 상관관계 분포 비율이 높게 나타났다. 일사량은 모든 식생 유형에 대해서 탄소 흡수와 양의 상관관계 분포 비율이 음의 상관관계 분포 비율 보다 높게 나타났다(Fig.
- 본 연구 결과에서는 기온, 강수가 북반구에서 육상 탄소 흡수와 서로 강한 양의 상관관계를 나타냈으며, 열대와 아열대 지역에서는 음의 상관관계를 나타냈다. 또한 일사량은 모든 위도대에서 양의 상관관계를 나타냈다.
- Figure 10에서는 각 위도대별로 기온, 강수, 일사량의 변화에 따른 농작지의 탄소 흡수와 배출 비율을 나타내었다. 북반구 중 위도에서는 기온, 강수와 탄소 흡수의 양의 상관관계 분포 비율이 음의 상관관계 분포 비율보다 높게 나타났지만, 열대 지역에서는 음의 상관성 비율이 더 높게 나타났다(Figs. 10a, b).
- 유럽, 남아메리카 대륙의 북부와 남부 지역에서는 이러한 양의 상관관계 패턴이 강하게 나타났다. 북반구와 남반구 모두 저위도에서는 다른 위도대에 비해서 상대적으로 일사량과 탄소 흡수의 양의 상관관계 비율이 낮게 나타났다. 이는 열대 지역에서는 일사량 증가가 물 수지에 변화를 주게 되고 이로 인해 GPP를 감소 시키는 간접적 영향에 의한 것이라 밝혀진 바 있다 (Beer et al.
- 반면 활엽수림, 관목, 농작지의 열대 지역에서는 강수와 탄소 흡수의 음의 상관관계 분포 비율이 높게 나타났다. 일사량은 모든 식생 유형에 대해서 탄소 흡수와 양의 상관관계 분포 비율이 음의 상관관계 분포 비율 보다 높게 나타났다(Fig. 9c). 또한 열대 지역의 활엽수림, 사바나 등의 식생 유형에서는 상대적으로 양의 상관관계 분포 비율이 낮게 나타났다.
- 기온과 강수는 북반구 중위도 이상의 대부분 지역에 대해 식생 활동의 증가에 영향을 미쳐 양의 상관관계 분포 비율이 높게 나타났지만, 북위 30o 이하의 지역에서는 양의 상관성 비율이 낮게 나타났다. 일사량은 모든 위도대에서 탄소 흡수와 양의 상관관계를 나타냈고, 저위도에서는 상대적으로 양의 상관성 비율이 다른 위도대에 비해 낮게 나타났다. 이는 열대 지역에서 일사량의 증가가 물 수지의 균형에 영향을 미쳐 가뭄이 발생하는 지역이 생기는 등 결국 GPP를 감소 시켰기 때문이다.
- Figure 8은 각 계절에 대해 일사량과 육상 생물권 탄소 흡수의 상관관계를 나타낸 것이다. 일사량은 봄철 북반구 고위도를 제외하고 탄소 흡수와 양의 상관관계 비율이 음의 상관관계 비율보다 훨씬 높았으며, 남반구가 북반구에 비해 양의 상관관계 비율이 더 크게 나타났다(Fig. 8a). 여름철과 가을철의 경우 모든 위도대에서 탄소흡수와 양의 상관관계 비율이 높게 나타났다(Figs.
- '본 연구에서는 2001년부터 2012년까지 기온, 강수, 일사량 변화에 따른 육상 생물권 이산화탄소 플럭스의 반응을 분석하였다. 탄소추적시스템으로 산출한 전지구 NEP는 해마다 변동성 폭이 컸지만 전체적으로 탄소 흡수가 증가하는 추세를 보였다. 이는 GCP (Global Carbon Project) 추정치와 모델 자료를 이용하여 육상 탄소 흡수의 변동성을 나타낸 Anav et al.
- 기온이 상승하게 되면 식물의 성장 기간에 영향을 미치게 되고 식생 활동을 강화시켜 육상 생태계에서 탄소 흡수가 증가하게 된다고 밝혀진 바 있다(Malhi, 2002; Kato and Tang, 2008). 하지만 아프리카 중부, 인도, 호주 중남부 등의 열대와 아열대 지역들에 대해 탄소 흡수는 기온과 음의 상관관계를 나타냈다. 이는 기온이 토양 미생물 분해 증가 등에 큰 영향을 미치고 이 로 인해 종속영양 호흡이 상대적으로 광합성 증가보다 높아졌기 때문인 것으로 보인다(Ise et al.
후속연구
- 해마다 기후 변화로 인한 극한 현상의 빈도가 증가할수록 지역 및 국지 규모에서 탄소 흡수의 변화는 더 복잡한 메커니즘으로 설명될 것 이다. 향후 육상과 대기 사이의 생지화학적, 생물학적 순환에 대해 다양한 제한 인자들의 상호작용을 고려 하여 미래 기후 변화에 대한 육상 탄소 반응을 이해 하는 과정이 필요할 것으로 보인다.
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