초록 ▼

I. 과제명
전구 및 지역규모의 기후․대기환경 통합 모델링 연구 (Ⅲ)
II. 과제의 목적 및 필요성
○ 지구온난화에 의하여 전 세계적으로 기후변화는 피할 수 없으며, 그 영향 및 적응 정도에 따라 국가 지속 발전의 장애가 될 수 있다는 내용이 보고되고 있으며, 특히 IPCC 제4차 보고서에서는 6가지의 배출시나리오(SRES) 실험을 통해 미래에 일어날 수 있는 기후 변화에 대한 다양한 가능성을 제시하고 있음.
○ 전구 및 지역기후모형을 사용하여 도출될 미래 기후 장기 예측 자료 생산은 미래 기후변화 적응 대책

I. 과제명
전구 및 지역규모의 기후․대기환경 통합 모델링 연구 (Ⅲ)
II. 과제의 목적 및 필요성
○ 지구온난화에 의하여 전 세계적으로 기후변화는 피할 수 없으며, 그 영향 및 적응 정도에 따라 국가 지속 발전의 장애가 될 수 있다는 내용이 보고되고 있으며, 특히 IPCC 제4차 보고서에서는 6가지의 배출시나리오(SRES) 실험을 통해 미래에 일어날 수 있는 기후 변화에 대한 다양한 가능성을 제시하고 있음.
○ 전구 및 지역기후모형을 사용하여 도출될 미래 기후 장기 예측 자료 생산은 미래 기후변화 적응 대책을 위한 기초 자료로 제공되어 정확한 국가 기후변화 대책 마련에 기여함.
○ 전구 및 지역기후모형을 사용하여 도출될 미래 배출시나리오별 기후 장기 예측 자료 생산은 미래 기후변화 적응 대책을 위한 기초 자료로 제공되어 정확한 국가 기후변화 대책 마련에 기여.
III. 과제의 범위 및 세부 내용
1. 과제 범위
○ 전구 기후 모형을 사용한 미래 기후 시나리오 실험 수행 및 검증·개선
○ 기후 변화 예측성 강화를 위한 열대 해양 연구
○ 기후 변화에 따른 식생의 변화와 기후-식생 상호작용 연구
○ 동북아시아지역 에어로졸이 지역기후변화에 미치는 영향 연구
○ 기후변화에 따른 물 순환 요소들의 변화 경향 연구
2. 세부 내용
가. 전구 기후 모형을 사용한 미래 기후 시나리오 실험 수행 및 검증·개선
○ CCSM3를 이용하여 IPCC 제 4차 보고서의 3가지 미래 기후 시나리오(A1T, B2,A1FI) 실험 수행 및 모델 성능 평가
○ IPCC 제 4차 보고서의 6가지 미래 기후 시나리오 (A1B, A1T, A1FI, A2, B1,B2)의 finite volume 방식의 실험을 통한 대기화학모형의 입력자료 생산
나. 기후 변화 예측성 강화를 위한 열대 해양 연구
○ 전구 관측 자료와 WCRP-CMIP3 자료와 PMIP2 자료를 이용 최근 100년 동안의 warm pool과 cold tongue 온도 변화 연구
○ 두 지역의 온도 변화와 최대 해수면 온도의 변화간의 상관성 연구
다. 기후 변화에 따른 식생의 변화와 기후-식생 상호작용 연구
○ 강수 패턴과 강수량의 변화와 식물계절학적인 변동 연구
○ 강수 패턴과 식물의 생리 생태적 반응 연구
○ 강수 패턴과 온도 상승에 따른 외래종 침입율과 개체군 크기 변동 연구
○ 기후 온난화에 따른 알레르기 유발 식물의 분포 변화 연구
○ 미세기후에 따른 식물의 생태적 양상에 대한 연구
라. 동북아시아지역 에어로졸이 지역기후변화에 미치는 영향 연구
○ 동북아시아지역 에어로졸-구름상호작용의 지역별․계절별 민감도분석
○ CCSM3의 시나리오 실험 결과에 기반을 둔 동북아시아지역 에어로졸의 구름 특성 및 기후 간접효과 분석
마. 기후변화에 따른 물 순환 요소들의 변화 경향 연구
○ 육지표면과정 모델을 이용한 지역기후변화에 따른 국내 대상지역의 에너지/수문수지 변화 경향 산출
○ 육지표면과정 모델과 강우-유출 모델과의 연계를 통한 지역기후변화에 따른 국내 대상 유역의 수문 변화 경향 예비산출
IV. 과제 수행 결과
가. 전구 기후 모형을 사용한 미래 기후 시나리오 실험 수행 및 검증·개선
당해년도 과제에서 ‘전구 기후 모델을 사용한 미래 기후 시나리오 실험 수행 및 검증, 개선’에 관한 세부과제에서 CCSM3를 사용한 IPCC 제 4차 보고서의 미래 기후 시나리오 A1T, A1FI, B2의 2000년 2100년까지 실험이 수행되었다. 2009년 과제로 생산된 20C3M, A1B, A2, B1 시나리오 결과와 당해년도의 과제의 모델 실험 결과를 이용하여 우선 기후값, 극진동, 엘니뇨-남방진동 등을 분석하여 모델 모의 능력을 검증하였다. 더 나아가 동아시아와 한국의 여러 기후 현상에 대한 응용 연구가 현재 진행 중에 있다. 미래 기후에서의 사계절의 변화, 강수량과 증발량에 관련된 가용 물 양의 변화와 가뭄 발생가능성, 지수로 표현되는 온도·강수와 관련된 극한 현상, 온도와 관련된 극서일, 열파, 극한일, 한파 등의 극한 현상 등에 대한 사전 분석이 완료되었으며, 그 결과를 정리하여 논문 작업 중에 있다. 세부과제의 두 번째 과업인 "IPCC 제 4차 보고서의 6가지 시나리오의 finite volume 방식의 실험을 통한 대기 화학 모델의 입력자료 생산"은 이미 모두 완료되었다. 모델 실험 결과는 전구 대기화학 모델링 연구팀에 전달되어, 화학 모델 실험의 입력 자료로 사용되었다.
나. 기후 변화 예측성 강화를 위한 열대 해양 연구
관측 자료의 최근 100년 동안의 열대 해수면 온도 변동은 WP 지역의 해수면 온도 변화가 CT 지역에 비해 빠르게 상승하고 있었다. 그러나 이 같은 결과 역시 관측 자료의 문제를 고려할 때 현재 관측의 결과보다는 그 차이가 적을 것으로 여겨진다. 한편 기후 모델의 결과를 통하여 20C 동안의 열대 해수면 온도 패턴의 변화는 WP 지역의 해수면 온도 상승이 CT 지역의 상승 보다 큰 것으로 나타나서 관측과 유사하게 라니냐 형태의 반응이 우세한 것으로 나타났다. 그러나 온실기체 2, 4배증 실험에서는 오히려 CT 지역의 해수면 온도 상승률이 WP 지역의 상승률 보다 커져서 엘니뇨 패턴 형태의 반응을 보였다. 이 결과는 지구온난화가 열대 지역의 대기와 해양의 피드백 과정을 변화시켜서 일종의 리짐 변화를 유도 할 수 있음을 의미한다.
다. 기후 변화에 따른 식생의 변화와 기후-식생 상호작용 연구
6월 이후, 돌피 군집이 습지구 방형구 3곳을 모두 높은 피도로 우점하였다. 전체적으로 우점한 식생은 상층군집과 하층군집에서 각각 돌피와 쇠비름으로 나타났으며, 모두 높은 생장율을 보였다. 전체적으로 1년생 초본이 높은 비율로 나타났다. 벌개미취 개체군 방형구에서는 습지구와 극한지구에서 벌개미취의 초장과 광합성율이 모두 높게 나타났다. 개화 시기는 전체적으로 늦게 나타났는데, 이는 올 해 높은 강수량과 낮은 봄철온도에 기인한 것으로 사료된다. 이와 비교하여 실험온실에서는 모두 2주 이상 빠른 개화를 나타냈다. 온실의 건조한 토양수분과 높은 토양온도는 식재 종의 생장율을 전반적으로 실험노지에 비해 낮추는 경향이 있다. 하지만, 1년생 초본의 경우 초반 빠른 발아와 높이 생장을 보였으며, 꿀풀과 마타리, 쑥부쟁이 모두 2주정도 빠른 개화가 시작되었다. 실험노지에 나타나지 않은 환삼덩굴, 돼지풀 등의 외래종이 각 방형구당 15%이상의 피도를 차지하였다. 정확한 영향 분석을 위해서는 대조 온실의 다중환경요인의 컨트롤을 보다 세밀히 진행하는 것이 필요하다. 예비실험을 실시하였을 때 종자 발아가 관찰된 시기의 온도는 4.6℃이었으며 실험을 실시하면서 첫 발아가 관찰된 시기의 온도는 3.6℃이었다. 기후변화로 인해 대기온도가 점차 증가하고 있으며 이러한 온도 증가는 토양의 온도에도 영향을 줄 것으로 예상이 된다. 기후변화에 따른 높아지는 온도는 종자의 빠른 발아를 가져올 것으로 예상이 되며 이러한 경우 다른 종자들에 비해 빠른 발아시기를 갖고 있는 환삼덩굴에게 더 유리하게 작용이 될 것이라 생각된다. 각 지역에 설치된 화분에서 자라고 있는 환삼덩굴과 돼지풀의 중간수확결과 환삼덩굴의 경우 옥상지역에서의 생장량이 다른 지역의 환삼덩굴보다 더 높게 나왔으며, 돼지풀의 경우 관악지역에서의 생장량이 더 높게 나왔다. 기후적인 요소(이산화탄소 및 온도)만으로 봤을 경우, 온도가 너무 높은 지역에서는 오히려 생장이 조금 저하되는 현상이 관찰되었다. 하지만 식물의 외관적으로 볼 수 있는 생장량 만으로는 이러한 요소가 식물의 생장에 직접적인 영향을 미쳤다고 단정을 지을 수 없다고 사료되며, 추 후 생장에 미치는 다른 요인의 규명 및 식물체 분석을 통해 식물 생장에 미치는 환경 영향 요소 분석이 필요하다.
라. 동북아시아지역 에어로졸이 지역기후변화에 미치는 영향 연구
동북아지역 MODIS 분석결과 계절별로는 여름철이, 지역구분으로는 황해상공에서 에어로졸과 구름 연관성이 크게 나타나는 등 지역별⋅계절별 에어로졸 간접효과의 중요도가 다르게 나타나고 있다. 현재와 같이 GCM에서 예단적인 방법으로 간접효과를 효과적으로 구현하지 못하는 상황에서는 장기간의 관측결과를 토대로 경험적인 진단 방정식을 도입하여 에어로졸이 기후에 미치는 간접효과를 평가하는 것은 매우 중요하다. 또한 구름 미세물리 관점의 분석에는 시․공간적인 규모차이에 의한 문제가 있으므로 신중해야할 것이고, 위성원격관측의 해상도 및 retrieval 방법 등을 고려할 때 위성 관측을 통한 에어로졸 간접효과 분석은 2차 간접효과(구름의 lifetime 효과) 관점에서 분석이 우선되어야 할 것이다. 에어로졸이 구름의 운량 증가에 어떻게 영향을 주고 있는지 살펴 본 결과 가 증가함에 따라 운량도 증가하는 양의 상관성을 확인할 수 있었다. 또한 위성에서 얻어지는 의미 있는 에어로졸 대변지수인 Aerosol Index와 운량의 비교에서도 이와 같은 특징을 잘 확인 할 수 있었다. 한편 대기안정도가 에어로졸과 구름의 연관성에 어떠한 영향을 미치는지 살펴 본 결과 뚜렷한 연관성은 확인할 수 없었으며, 운량은 안정도보다는 에어로졸과 연관성이 크게 나타났다. 지역적․계절별 에어로졸과 구름간의 특성 및 상호간의 효율성이 다르게 나타나기 때문에 향후 추가적인 정밀 분석이 필요하고, 기상조건에 따른 에어로졸-구름 상호작용의 민감도에 대한 이해 역시 추가되어야 할 것이다. 그리고 CCSM3에서 에어로졸 효과를 고려한 동북아지역 에어로졸 간접효과 산정 역시 향후 중요한 과제이다. 또한 본 연구결과를 기초자료를 기반으로 에어로졸과 구름 retrieval 방법상의 위성원격관측의 한계(artefact) 등을 감안한 해석 역시 필요하다.최근 에어로졸 간접효과는 에어로졸 영향과 더불어 주변 대기환경상태가 크게 영향을 주고 있음이 밝혀졌다. 특히 에어로졸 효과를 기상 조건이 완화(buffering)하거나 또는 배가시킬 수 있음이 제안되고 있다. 고로 본 연구에서 수행한 안정도에 따른 에어로졸-구름 상호작용연구와 더불어 구름주변 습윤 정도에 따른 에어로졸 간접효과의 민감도에 대한 지속적인 분석이 필요하고, 지역적⋅계절적 민감도 등에 대한 추가적인 연구도 역시 절실히 요구된다.
마. 기후변화에 따른 물 순환 요소들의 변화 경향 연구
LSPM은 강수, 복사량, 바람, 기온 등 대기와 관계된 변수를 입력 자료로 하여, 지표 과정을 모의하여 지표 및 토양과 관계된 변수들을 생산하는 모델이다. 대기 변수들은 주로 관측치가 사용되지만, 본 연구에서는 현재뿐 만 아니라, 미래의 값도 예측해보기 위하여 관측치 대신 IPCC A2 및 B1 시나리오를 기반으로 하여 전 지구 모델을 모의하고 그 결과로 모의한 지역 기후 모델 MM5의 기후 시나리오를 국립 환경과학원으로부터 입수하였다. 기타 LSPM의 초기 조건 및 변수로 필요한 양질의 지형/토양/식생 자료 또한 모두 입수되어 모의에 사용하였다. 모든 시나리오는 한반도 전체를 포함하여 현재 기후는 1996년-2005년, 미래 기후는 2046년-2055년, 2091년-2100년으로 이루어져있다. LSPM 모의에 앞서 현재 시나리오의 기온 및 강수량을 15개의 기상 관측소에서 실측값과 비교하였다. 기온의 경우 1-2도 정도 과소평가된 지역이 많았으나, 계절별/지역별 기온 양상을 잘 표현하였다. 미래 시나리오와 현재 시나리오를 비교해보면 기온은 미래로 갈수록 더 상승하며, 여름철의 상승폭이 가장 크게 나타났다. 또한 A2 미래 시나리오가 B1 미래 시나리오보다 높은 기온 상승폭을 보였다. 강수량의 경우 현재 시나리오는 겨울과 봄에는 과대 모의되고 여름과 가을에는 과소 모의되었으며, 특히 여름철 일부 지역에서 강수량을 0.5배 밖에 모의하지 못하였다. 미래 시나리오에 따른 강수량도 계절/지역별로 상이하게 변화하였는데, 겨울철에는 감소 추세가 가을철에는 증가 추세가 뚜렷하게 나타났으며, 2091년-2100년의 경우 여름철 대부분 지역에서 강수량이 증가하였다. 미래 시나리오끼리 비교해보면 대체적으로 A2 미래 시나리오에서 강수가 더 감소하는 것으로 보였다. LSPM의 모의 결과는 현재 기후에서의 토양 기온 관측과 모의된 토양 기온을 비교하여 검증하였다. LSPM은 연간 봄과 가을철에 토양 온도를 관측과 더 비슷하게 모의하였으며 여름철과 겨울철은 더 낮게 모의하였다. 여름철에 낮게 모의된 토양 온도는 기후 시나리오의 기온이 관측보다 낮게 나타난 것과 일치하며, 겨울철의 경우 기후 시나리오의 기온과 상관없이 항상 낮게 나타났는데, 이는 "soil freezing scheme"을 사용하지 않아 토양으로부터 방출되는 잠열이 고려되지 않았기 때문으로 사료된다. LSPM이 모의하는 물 순환요소는 강수량, 증발산량, 유출, 배수량, 토양 수분 등이 있으며, 특히 증발산량은 이후 HSPF의 입력 자료로 사용될 예정이기 때문에 강수량과 증발산량의 결과를 분석하였다. 시나리오를 이용한 모의는 총 268개 지점에서 이루어졌으며, 이는 2차원으로 내삽되어 그래프로 나타냈다. 또한, 10년 동안의 변화를 보기 위해 각 3개월 마다 10년 치 평균을 사용하여 분석하였다.겨울철 강수량은 미래에 대부분 감소하는 것으로 나타났으며 증발산량은 크게 증가하는 것으로 나타났다. 반면 여름철 강수량은 지역별로 변화율 차이가 크게 나타났고, 증발산량은 현재와 비슷하거나 약간 감소하는 것으로 나타났다. 증발산량은 겨울의 경우 토양 온도의 영향을 크게 받지만 여름의 경우에는 토양 온도의 영향보다는 강수량의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 이후 토양의 건조해짐(또는 습윤해짐)을 판단하기 위해 강수량에서 증발산량을 뺀 값을 비교 수행하였다. 비교 결과 토양의 건조해짐(또는 습윤해짐) 정도는 강수량 변화 패턴과 비슷하게 나타나, 증발산량에 비해 절대량이 큰 강수의 영향을 크게 받는 것으로 사료된다.기후변화에 따른 물 순환 요소들의 변화 경향을 파악하기 위해 물순환 요소 중 미래 증발산량을 유출 모델인 HSPF 모델의 입력 자료로 활용하여 금강유역의 수문학적 변동을 모의하였다. LSPM의 B1 시나리오의 결과 값을 LSPM-HSPF 모델에 입력하여 미래(2046년-2055년) 금강유역의 강우유출량을 모의 하였으며, 모의결과 유출량은 조금씩 감소하는 경향을 보였다. 이는 이 기간 동안의 강수감소로 인한 결과로 보여 진다. 그러나 강수량의 감소경향은 미래 10년간의 강수량과 유출량의 한 부분만을 나타내기 때문에 현재부터 2045년까지 그리고 2055 년부터 2100년까지의 강수량과 유출량의 변화에 따라 결과값의 차이를 보일 수 있다. 그러므로 기간별, 더 나아가서 작은 시간단위 (년, 월 단위가 아닌 일 단위)를 통한 유출량 모의를 하여 보다 더 정량적인 분석이 요구된다고 판단되며 이러한 연구는 향후 환경부에서 추진하고 있는 기후변화로 인한 수질관리 및 계획에도 상당한 도움이 될 것이라고 판단된다.
V. 과제 결과의 활용 방안
○ 선진 기후변화 예측 모델 및 개발 인프라 구축
○ 기후변화로 유발될 수 있는 기상이변 및 악기상 대응 측면에서 정책적인 비용 감축.
○ 동아시아 기후변화 연구 그룹 내에서 선두 위치 확보
○ 대기오염물질로 인한 대기환경 및 기후변화 영향을 이해하고 국제협약 체결시를 대비한 국가적인 과학적인 기초자료 축적
○ 기후 변화가 물 순환계에 미치는 영향을 정량적으로 예측하는 신뢰성 있는 절차 개발
○ 토양 관련 에너지/수문 수지 자료 구축
○ 학술적 발전에 기여하고 차세대 기후변화 연구인력 양성

목차 Contents

• 표 지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목 차 ... 11
• 그림 목차 ... 13
• 표 목차 ... 21
• Ⅰ. 서 론 ... 23
• 1. 과제 요약 ... 23
• 2. 과제의 목적 및 필요성 ... 24
• 3. 사업의 범위 ... 24
• 4. 사업 개요 ... 25
• 5. 연구추진체계 ... 27
• Ⅱ. 과제 수행계획 및 수행결과 ... 28
• 1. 세부 수행계획 및 일정 총괄 ... 28
• 2. 세부과제 수행결과 ... 29
• 가. 전구 대기화학 모델 및 지역 기후 모델의 입력자료 생산 ... 29
• 1) 목표 및 수행계획 ... 29
• 2) 수행결과 ... 31
• 3) 요약 및 결론 ... 107
• 나. 기후 변화 예측성 강화를 위한 열대 해양 연구 ... 108
• 1) 목표 및 수행계획 ... 108
• 2) 수행결과 ... 109
• 3) 요약 및 결론 ... 121
• 다. 기후 변화에 따른 식생의 변화와 기후-식생 상호작용 연구 ... 122
• 1) 목표 및 수행계획 ... 122
• 2) 수행결과 ... 124
• 3) 요약 및 결론 ... 145
• 라. 동북아시아지역 에어로졸이 지역기후변화에 미치는 영향 연구 ... 147
• 1) 목표 및 수행계획 ... 147
• 2) 수행결과 ... 149
• 3) 요약 및 결론 ... 172
• 마. 기후변화에 따른 물 순환 요소들의 변화 경향 연구 ... 173
• 1) 목표 및 수행계획 ... 173
• 2) 수행결과 ... 174
• 3) 요약 및 결론 ... 226
• Ⅲ. 기대성과 및 활용 방안 ... 228
• Ⅳ. 참고문헌 ... 230
• Appendix A ... 234
• Appendix B ... 258