[논문]미래 기후 변화 시나리오에 따른 환북극의 변화

이지연; 조미현; 고영대; 김백민; 정지훈

doi:10.14191/atmos.2018.28.4.393

미래 기후 변화 시나리오에 따른 환북극의 변화
Projection of Circum-Arctic Features Under Climate Change 원문보기

대기 = Atmosphere, v.28 no.4, 2018년, pp.393 - 402

이지연 (극지연구소) , 조미현 (극지연구소) , 고영대 (전남대학교 해양학과) , 김백민 (부경대학교 환경대기과학과) , 정지훈 (전남대학교 해양학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated future changes in the Arctic permafrost features and related biogeochemical alterations under global warming. The Community Land Model (CLM) with biogeochemistry (BGC) was run for the period 2005 to 2099 with projected future climate based on the Special Report on Emissions Scenarios (SRES) A2 scenario. Under global warming, over the Arctic land except for the permafrost region, the rise in soil temperature led to an increase in soil liquid and decrease in soil ice. Also, the Arctic ground obtained carbon dioxide from the atmosphere due to the increase in photosynthesis of vegetation. On the other hand, over the permafrost region, the microbial respiration was increased due to thawing permafrost, resulting in increased carbon dioxide emissions. Methane emissions associated with total water storage have increased over most of Arctic land, especially in the permafrost region. Methane releases were predicted to be greatly increased especially near the rivers and lakes associated with an increased chance of flooding. In conclusion, at the end of $21^{st}$ century, except for permafrost region, the Arctic ground is projected to be the sink of carbon dioxide, and only permafrost region the source of carbon dioxide. This study suggests that thawing permafrost can further to accelerate global warming significantly.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Projection of permafrost region (a) at the present (Present, P: 2005-2017), (b) at the end of 21st century (Last, L: 2085-2099) and (c) difference between present and end of 21st century (red color : thawing region), (d), (e) and (f) same as (a), (b) and (c) but for soil temperature (g), (h) and (i) same as (a), (b) and (c) but for soil liquid, (j), (k) and (l) same as (a), (b) and (c) but for soil. Contour line is projection of active layer thickness (black line : < 3 m).
그림 Fig. 2. Same as Fig. 1 but for net ecosystem exchange (NEE) and total projected leaf area index (TLAI).
그림 Fig. 3. Time series for total ecosystem respiration (TER) and gross primary production (GPP) and net ecosystem exchange (NEE) in the arctic (60-90°N) and permafrost region under global warming.
그림 Fig. 4. Same as Fig.1 but for heterotrophic respiration (HR), root respiration (RR) and difference between heterotrophic respiration and root respiration (HR-RR).
그림 Fig. 5. Same as Fig. 3 but for heterotrophic respiration (HR), root respiration (RR) and difference between heterotrophic respiration and root respiration (HR-RR).
그림 Fig. 6. Same as Fig. 1 bur for methane (CH₄) and total water storage (TWS).
그림 Fig. 7. Same as Fig. 3 but for methane (CH₄).

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 미래 기후변화 시나리오를 강제력으로 CLM4.5BGC를 2005년부터 2099년까지 적분하여 동토 영역의 변화를 살펴보았다. 실험에 사용된 대기 강제력은 NCAR PCM (Parallel Climate Model)의 SRES (Special Report on Emissions Scenarios) A2 시나리오 결과를 이용하였다.

제안 방법

78°C 상승하였다. 기온의 상승으로 인한 동토 영역 활동층의 깊이 변화를 살펴보았다. Lawrence et al.
대기 강제력 자료의 수평 해상도는 1° × 1°이며, 시간 해상도는 3시간 간격으로 강수, 바람장, 기온, 습도, 태양입사량, 기압변수가 지면모델에 입력되었다.
본 연구에서는 생지화학 과정을 고려한 지면 모델을 사용하여 미래 온난화된 기후에 따른 동토층의 해동에 의한 활동층의 깊이와 면적의 변화, 동토층의 토양온도 변화 및 토양 내 수상과 얼음의 변화를 현재 (2005~2017)와 21세기 후반(2085~2099)으로 나누어 비교하였다. 또한, 21세기 후반으로 가면서 동토층의 해동으로 인해 방출되는 탄소와 메탄의 변화를 분석하였다.
PCM 적분 중 첫 번째 앙상블 결과만을 택하여 모델의 input 강제력으로 사용하였다. 모델 실험은 계산의 효율성을 위해 단일 실험으로 수행하였다.
미래 기후변화로 인한 토양온도를 살펴보기 위하여 모델 내 지표면부터 지중 10층(2.86 m)까지의 평균 토양 온도, 토양 속 얼음과 수상 변화를 살펴보았다(Fig.1). 21세기 후반과 현재의 토양온도 차이를 살펴보면, 북극지역은 −4.
본 연구에서는 생지화학 과정을 고려한 지면 모델을 사용하여 미래 온난화된 기후에 따른 동토층의 해동에 의한 활동층의 깊이와 면적의 변화, 동토층의 토양온도 변화 및 토양 내 수상과 얼음의 변화를 현재 (2005~2017)와 21세기 후반(2085~2099)으로 나누어 비교하였다. 또한, 21세기 후반으로 가면서 동토층의 해동으로 인해 방출되는 탄소와 메탄의 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 탄소순환 및 메탄 모의가 결합된 지면 모델 CLM4.5BGC과 SRES A2 미래 기후 변화 시나리오를 이용하여 21세기 환북극 동토의 탄소와 메탄 flux의 변화를 예측하였다. 현재부터 21세기 후반까지 지구 온난화가 진행됨에 따라 북극지역 중 유라시아 동부지역과 알래스카 및 캐나다 고위도에서 동토지역의 면적이 줄어들었다.
지역적으로 살펴보면, 동토 영역에서는 메탄의 증가가 뚜렷하나 동토 영역을 제외한 지역에서는 그 경향이 일정하지 않았다. 원인을 분석하기 위해 메탄 방출과 밀접한 관계를 갖고 있는 토양의 총 수분(Total Water Storage, TWS)을 살펴보았다. 그 결과, 수분의 양이 증가한 지역은 메탄의 방출량도 증가하였고 수분의 양이 감소한 지역은 메탄의 방출량이 감소하는 것으로 나타났다(Fig.

대상 데이터

실험에 사용된 대기 강제력은 NCAR PCM (Parallel Climate Model)의 SRES (Special Report on Emissions Scenarios) A2 시나리오 결과를 이용하였다. CLM4.5 오프라인 적분을 위해서는 모델의 적분 기간 동안의 온실기체의 연 평균값과 6시간 미만 해상도의 대기 강제력이 필요하지만, IPCC 5차 보고서의 RCP 시나리오는 위와 같은 조건을 충족시키는 자료가 아직 없으므로 SRES A2 시나리오에 따른 미래기후 전망 자료를 이용하였다. SRES 시나리오는 사회경제 유형별 온실가스 배출량을 설정 후, 기후 변화 시나리오로 산출한 것이다.

이론/모형

본 연구에서는 동토층 및 전 지구의 미래변화를 모의하기 위하여 NCAR (National Center for AtmosphericResearch)에서 개발한 생지화학 모듈이 결합된 지면모델 CLM4.5BGC (Community Land Model version 4.5 Bio Geo Chemistry, Koven et al., 2013)를 사용하였다. CLM4.
5BGC를 2005년부터 2099년까지 적분하여 동토 영역의 변화를 살펴보았다. 실험에 사용된 대기 강제력은 NCAR PCM (Parallel Climate Model)의 SRES (Special Report on Emissions Scenarios) A2 시나리오 결과를 이용하였다. CLM4.

성능/효과

이 값은 대기에서의 순 이산화탄소 교환량을 나타낸 것으로, 총 생태계 호흡량(Total Ecosystem Respiration, TER)에서 총 일차 생산량(Gross Primary Production, GPP)을 제외한 값이다. 21세기 후반으로 갈수록 동토 영역이 유지되는 지역을 중심으로 순 생태계 교환량(NEE)이 증가하고, 따라서 이 지역에서 이산화탄소의 방출이 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 2). Schuur et al.
, 2000). 21세기 후반으로 갈수록 미생물 호흡 (HR)과 뿌리 호흡(RR) 모두 증가하였는데, 미생물 호흡(HR)과 뿌리 호흡(RR)의 차이를 살펴보면 현재와 21세기 모두 동토 영역에서는 미생물 호흡(HR)이 뿌리 호흡(RR)보다 우세한 것으로 나타났다(Fig. 4). 북극지역에서 토양호흡(SR)량의 변화를 살펴보면, 미생물 호흡(HR)이 현재 약 183 gC m⁻²year⁻¹에서 21세기 후반에는 약 226 gC m⁻² year⁻¹까지 증가하고 뿌리 호흡(RR)도 약 118 gC m⁻² year⁻¹에서 약 150 gC m⁻² year⁻¹까지 증가하였다(Fig.
결론적으로 본 연구에서는 지구온난화가 진행될수록 북극지역, 특히 동토 영역에서 이산화탄소와 메탄 방출이 증가하고 주요 온실기체(GHG)인 두 기체의 증가로 인하여 미래 온난화를 더 가속화 시킬 수 있는 요인으로 분석되었다.
원인을 분석하기 위해 메탄 방출과 밀접한 관계를 갖고 있는 토양의 총 수분(Total Water Storage, TWS)을 살펴보았다. 그 결과, 수분의 양이 증가한 지역은 메탄의 방출량도 증가하였고 수분의 양이 감소한 지역은 메탄의 방출량이 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 6f). 북극지역에서의 메탄의 방출량을 확인해보면, 현재는 약 1 gC m⁻² year⁻¹ 에서 21세기 후반에는 약 1.
그 결과, 현재는 50°N 이상의 유라시아 동쪽 지역과 알래스카, 캐나다 고위도에서 동토층이 존재하는 것으로 나타났다(Fig. 1a).
이산화탄소뿐만 아니라, 동토의 해동으로 습지가 증가하게 되면서 메탄 방출도 증가하였다. 동토가 아닌 지역에서도 메탄 방출은 토양이 갖고 있는 총 수분량(TWS)과 비례하는 것을 확인하였다.
미생물 호흡(HR)과 뿌리호흡(RR)의 차이를 살펴보면 0.1458 gC m−2year−1으로 증가하는 경향을 보여주었다.
(2012)에 따르면 북반구 고위도 지역에서는 동토층의 해동과 빙하의 해빙으로 인하여 메탄의 방출이 증가한다고 언급했다. 이 연구의 실험결과에서도, 현재에서 21세기 후반으로 갈수록 북극지역의 메탄 방출량은 증가한다(Fig. 6c). 지역적으로 살펴보면, 동토 영역에서는 메탄의 증가가 뚜렷하나 동토 영역을 제외한 지역에서는 그 경향이 일정하지 않았다.
1458 gC m⁻²year⁻¹으로 증가하는 경향을 보여주었다. 즉, 북극지역 에서는 지구온난화로 인하여 동토가 녹게 되어 뿌리호흡(RR)보다 동토 안에 있던 호기성 미생물들의 호흡(HR)이 활발하게 일어난다는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 동토 영역에서는 미생물 호흡(HR)은 143 gC m⁻² year⁻¹에서 21세기 후반에는 약 148 gC m⁻² year⁻¹으로 증가하였지만, 뿌리호흡(RR)은 62 gC m⁻²year⁻¹에서 21세기 후반에는 약 55 gC m⁻²year⁻¹로 감소하여 미생물 호흡(HR)과 뿌리호흡(RR)의 차이가 커지면서 0.
이는 동토를 제외한 지역에서는 지구온난화로 인하여 총 잎 면적지수(TLAI)가 증가하면서 총 생태계 호흡량(TER)의 증가량 보다 총 일차 생산량(GPP)의 증가량이 더 큰 것으로 분석되었다. 즉, 북극지역 전체 지면생태계는 순 생태계 교환량(NEE) 의 감소로 이산화탄소의 흡수원이 되지만, 동토 영역 에서는 동토의 해동으로 인한 이산화탄소의 방출로 인하여 지면생태계가 이산화탄소의 배출원이 되는 것을 확인할 수 있었다.
(2003)에서도 주로 60 ^oN 이상에 해당하는 북극권 지역에서 토양의 온도가 올라갈수록 메탄 방출이 증가하는 것으로 관측되었다. 즉, 토양의 온도가 상승되어 동토층이 해동되고, 그로 인하여 토양 수분의 증가와 함께 메탄 방출이 증가되는 것으로 분석된다.
21세기 후반으로 갈수록 동토 영역에서 순생태계 교환량(NEE)은 양의 값을 나타내었고, 동토 영역을 제외한 지역에서는 대부분 음의 값을 나타내었다. 지구온난화가 진행될수록 동토 영역에서는 동토의 해동으로 인하여 미생물들의 호흡의 증가로 순생태계 교환량(NEE)이 증가하지만, 동토 영역을 제외한 지역에서는 총 일차 생산량(GPP)이 총 생태계 호흡량(TER)보다 강하게 나타나기 때문에 순 생태계 호흡량(NEE)은 감소하는 것으로 분석되었다. 특히, 동토 영역에서는 뿌리 호흡(RR)보다 미생물의 호흡(HR)이 강하게 나타나면서 동토층은 이산화탄소의 배출원이 되는 것으로 다시 한번 확인할 수 있었다.
특히 토양 수분은 현재 동토지역이지만 21세기 후반에는 해동된 곳을 중심으로 토양 수분의 증가가 나타났다. 토양 내 얼음 변화를 살펴보면 동토를 제외한 지역에서는 21세기 후반으로 갈수록 현재에 비해 많은 양의 얼음이 감소하고, 얼음이 분포하는 지역도 점점 줄어드는 것을 볼 수 있었다(Figs. 1j, k). 반면, 동토 영역에서는 오히려 얼음의 양이 증가하였는데, 이는 온난화가 진행되어도 동토 영역의 토양온도는 빙점 이하로 유지되고 토양온도의 증가로 인한 토양 수분 증가와 주변 지역의 유출량유입의 증가 때문인 것으로 분석된다(Fig.
북극지역의 순 생태계 교환량(NEE)을 살펴보면, 동토 영역을 제외한 지역에서는 대부분 음의 값으로 나타났다. 특히 지구온난화로 인하여 총 잎 면적지수(Total Leaf Area Index, TLAI)가 강하게 나타난 지역에서 음의 값이 크게 나타났다(Figs. 2d-f). 이는 동토를 제외한 지역에서는 지구온난화로 인하여 총 잎 면적지수(TLAI)가 증가하면서 총 생태계 호흡량(TER)의 증가량 보다 총 일차 생산량(GPP)의 증가량이 더 큰 것으로 분석되었다.
지구온난화가 진행될수록 동토 영역에서는 동토의 해동으로 인하여 미생물들의 호흡의 증가로 순생태계 교환량(NEE)이 증가하지만, 동토 영역을 제외한 지역에서는 총 일차 생산량(GPP)이 총 생태계 호흡량(TER)보다 강하게 나타나기 때문에 순 생태계 호흡량(NEE)은 감소하는 것으로 분석되었다. 특히, 동토 영역에서는 뿌리 호흡(RR)보다 미생물의 호흡(HR)이 강하게 나타나면서 동토층은 이산화탄소의 배출원이 되는 것으로 다시 한번 확인할 수 있었다. 이산화탄소뿐만 아니라, 동토의 해동으로 습지가 증가하게 되면서 메탄 방출도 증가하였다.

후속연구

, 2007). 따라서, 향후보다 정확한 미래 기후예측을 위해서는 동토 영역의 미생물의 군집 역학이나 광물 표면에서의 상호작용, 뿌리의 상호작용 등 동토 영역의 해동으로 인한 분해에 초점을 맞추어 본 연구의 불확실성을 보완하는 연구를 수행해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동토로부터의 메탄 방출은 기후변화에 어떻게 영향을 미치는가?	, 2000). 메탄은 온실효과를 일으키는 주요 온실가스(Greenhouse gas, GHG)의 하나로써, 분자당 이산화탄소의 21배에 해당 하는 온실효과를 가진다(Lombardi et al., 2006). 또한 메탄은 대기 중으로 방출된 후에는 평균 잔류시간이 12.4년으로 다양한 과정에 의해 소멸이 가능하여 5년에서 200년까지 편차가 큰 이산화탄소의 잔류시간 보다 짧은 잔류시간을 갖고 있지만, 이산화탄소보다 에너지 흡수율이 훨씬 높아 지구온난화 잠재력(Global warming potential)이 매우 크므로 주목해야 한다고 보고된 바 있다(IPCC, 2013). 그러나 IPCC 5차 보고서의 미래 기후변화 RCP 시나리오에는 동토로부터 방출되는 탄소와 메탄은 고려되지 않고 있다.
	영구동토층은 무엇인가?	여름철에도 녹지 않고 온도가 두 해 이상 영하로 유지되고 있는 토양을 영구동토층(permafrost)이라 한다. 영구동토층은 주로 알래스카, 캐나다 북부, 시베리아, 알프스, 티베트 고지대 등에 분포하며, 북반구 지표면 면적의 약 25%를 차지한다(Camill, 2005).
	지구온난화는 영구동토층에 어떠한 영향을 주는가?	일부 동토층은 겨울철에는 결빙 상태가 유지되지만 여름철에 토양온도가 영상으로 올라가면서 해동(thawing)되어 식물이 자랄 수 있는 활동층(active layer)으로 변하게 된다. 이렇듯 지구온난화의 진행에 따라 활동층의 깊이가 점점 깊어지면서 영구동토층이 사라지는 곳이 증가하고 있다(Jorgenson et al., 2006; Bunn et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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