초록 ▼

Ⅳ. 연구 내용 및 결과

지구시스템모델 개발 1단계에서는 영국기상청 통합모델 (Unified Model) 대기모델과 미국 지구물리유체역학연구소의 해양해빙모델 MOM4을 OASIS를 통해 결합하고 결합환경의 개선을 수행하였다. 통합 원형체계구축을 위해 영국기상청 통합모델에 기반을 둔 에어로솔, 지표 (Met Office Surface Exchange Scheme), 육상탄소과정 (Top-down Representation of Interactive Foliage and Floiage and Flora Including D

Ⅳ. 연구 내용 및 결과

지구시스템모델 개발 1단계에서는 영국기상청 통합모델 (Unified Model) 대기모델과 미국 지구물리유체역학연구소의 해양해빙모델 MOM4을 OASIS를 통해 결합하고 결합환경의 개선을 수행하였다. 통합 원형체계구축을 위해 영국기상청 통합모델에 기반을 둔 에어로솔, 지표 (Met Office Surface Exchange Scheme), 육상탄소과정 (Top-down Representation of Interactive Foliage and Floiage and Flora Including Dynamics), 황순환 모듈을 단계적으로 결합, 이에 따른 영향과 모듈분석이 이루어졌으며 개별 모듈의 개선, 검증이 추진되었다. 후처리과정을 위한 모델 진단, 평가 기법을 개발하고 개별모듈의 특성파악과 개선방안을 위해 육상탄소, 황순화과정 자립판 모형개발, 개선, 지표수문과정 조사가 이루어졌다. 아시아지역 역학적 상세화를 위해 지역기후모델과의 연계를 위한 작업이 이루어졌다. 이 과정에서 기후변화 과학에서 주요이슈인 에어로졸, 황순환, 탄소순환, 지면과정에 대한 이해를 증진하고 동아시아지역의 기후적 특성이 반영될 수 있도록 모델 성능향상에도 기여하였다.
2011년에는 지구시스템모델 개발의 1단계 마지막 단계로 황순환과정을 결합하고 단일강제력 실험을 통해 결함에 따른 에어러솔의 기후적 영향을 분석하였다. 에어러솔은 온실가스의 복사강제력에 반하여 음의 복사강제력을 통해 온난화를 상쇄하는 역할을 하며 응결핵 수의 증가는 구름입자 반경감소와 구름밝기 증가, 수명을 증가시켰따. 밝아진 구름으로 알베도가 증가하여 기온이 하강하며 구름의 수명증가는 강수 감소로 나타났다. 구름의 변화는 상,하층운이 다른데 북반구 상층운은 감소하고 하층운은 증가하며 ITCZ은 남반구로의 이동하는 영향을 보였다. 에어러솔은 여러 구성요소로 이루어져 있는데 이 에어러솔의 배출로 인한 기후적 영향중 황순환과정이 미치는 영향이 다른 에어러솔 성분의 영향보다 가장 컸다.
지구시스템모델의 근간인 대기-해양해빙모델 결합에서는 모델 적분체계 안정성을 위해 교환변수의 보존성을 고려한 플럭스형태로 결합변수를 교체하고 해빙모델의 열역학과정 코드 수정이 시도되었다. 또한 결합모델의 장기적분과 성능분석을 통해 MJO, 극진동 주요모드 분석으로 계절안 및 경년변동의 모의 가능성을 확인하였다.
대기-지면상호작용의 이해와 기후변화에 있어 인위적 요인 중 하나인 토지이용도의 영향을 파악하기 위해서 과거 아시아에 인구증가로 인한 농경지확장을 대상으로 기후적 영향을 실험하였다. 농경지로 인한 초지면적의 확장은 알베도, 거칠기 길이 변화 두 측면에서 해석하는데 거칠기길이의 감소는 증발, 잠열감소로 인한 기온상승효과가 주요하였다. 초지증가로 인한 알베도의 변화는 대체된 식생군이 초지와 비슷한 알베도로 모델에서 처방되기 때문에 거칠기길이 변화 영향에 비해 그 영향이 매우 적었다. 토지이용도변화에 따른 영향은 국지적으로 나타났으며 계절적으로는 여름에 반응이 컸따. 해수면온도의 영향을 함께 고려할 경우 지면과정의 반응은 해수면온도변화에 따른 대기순환 영향이 매우 크게 나타나 토지이용도 연구에서 해수면온도의 영향은 별도로 분리되어 연구되어야 함을 알 수 있었다.
에어로솔 과정에서는 동아시아지역 먼지배출 성능 향상을 위해 기존에 시도되었던 먼지 연직확산방안 대신에 지표조건을 조절하여 모의 성능을 개선하였다. 먼지 발생에 나지외에 C3, C4초지 조건을 추가하고 계절변화는 엽면적지수를 통하여 조절하였다. MODIS 관측자료와 검증한 결과 연변동 및 배출량이 동아시아에서 뚜렷이 향상되었다.
육상탄소과정에서는 대기중 이산화탄소농도증가에 따른 육상생태계 반응연구를 위한 준비단계로 탄소모델구동방법과 스핀업방법, 역학모드와 평형모드의 차이에 대한 연구를 수행하였따. 모의된 식생분포는 IGBP의 기후적 식생분포와 전반적으로 유사하나 고위도 아한대지역의 침엽수, C3 초지, 관목의 면적 비율에서는 지역적 차이가 있었다. 모의된 순생태교환량은 탄소추적시스템의 순생태교환량과 유사한 모의성능을 보임을 확인하였다. 더불어 육상탄소모델리의 불확실성이 큰 부분인 토양 탄소 물리과정에 대한 조사를 통해 토양탄소과정에 대한 이해를 넓혔다. 복잡한 물리과정이 얽힌 기후시스템을 모의하는 모델성능을 다양한 측면에서 평가하기 위해 개발된 진단매트릭스에서는 분석요소를 추가하고 이를 기후예측모델에서 연직 고해상도의 영향을 판단하는데 적용하였다. 분석결과 모델 연직해상도의 증가는 여름과 겨울 평균 기후, 여름 경년변동성 모의를 향상시키나 겨울철 경년변동폭은 증가시키는 것으로 분석되었다.
지구시스템모델과 연계된 역학적 상세화체계를 구축하기 위하여 영국기상청에서 개발된 지역기후모델 HadGEM3-RA (Hadley Centre Global Environmental Model version 3-Regional Atmosphere)에 경계자료로 연결되는 지구시스템자료의 입력 인터페이스를 50km, 12.5km 격자규모에 대해 개발하였따. 동아시아지역에 대해 장기적분을 수행한 결과 상세화된 모의 결과가 관측과 유사하여 모델의 모의성능이 우수함을 확인하였다. 더불어, 기후변화예측에 있어 높아지는 과학적 요구를 충족시키기 위하여 지구시스템모델의 성능향상을 위한 장기적 개발 방안의 일환으로 모델 기술력확충 및 활용지원을 위한 Climate Testbed 기반 조성을 추진하였다. 리눅스클러스터환경에서 코드최적화, 버전관리체계를 구축하고 테스트베드 시험가동을 하였으며 해양해빙모델 및 결합자 사용을 위한 인터페이스 개발과 웹기반제어시스템의 환경을 구축하였다. 또한 에어러솔, 구름, 피드백 이론연구를 통한 모델 진단과정에 활용할 수 있는 정보도 산출하였다. 본 연구결과는 기후변화과학의 주요이슈에 대한 과학적 이해를 증진함과 동시에 지구시스템모델의 아시아지역 모의성능향상에도 기여할 것으로 기대된다.
(출처 : 요약문 21P)

Abstract ▼

Ⅳ. Research Contents and Results
In the first phase of developing the earth system model, we combined the atmosphere model based on Unified Model developed by the UK Met Office and the ocean sea ice model MOM4 by Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL in the US, and improved the coupling pro

Ⅳ. Research Contents and Results
In the first phase of developing the earth system model, we combined the atmosphere model based on Unified Model developed by the UK Met Office and the ocean sea ice model MOM4 by Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL in the US, and improved the coupling process. The sensitivity experiments and studies on the aerosol, land surface(Met Office Surface Exchange Scheme), the terrestrial carbon cycle(Top-down Representation of Interactive Foliage and Flora Including Dynamics), and the sulfur cycle processes are performed using the HadGEM2. In this study, we enhanced the level of understanding in aerosol, sulfur cycle, carbon cycle and the land surface processes as major issues in the climate change sciences, and contributed to improving the performance of the model so that the simulated climatic characteristics of the Asian regions can be improved. For the dynamic downscaling of Asian regions, the regional climate model was implemented.
In 2011 as the last step in developing the Earth System Model, we focused on the sulfur cycle process and analyzed the climatic effects of aerosol, according to the combination through the single forcing experiment. Aerosol can play a role in mitigating the global warming impacts through the negative radiative forcing against the radiative forcing of greenhouse gas. The increase in the number of condensation nuclei decreases the radii of cloud particles, increasing the brightness and lifespan of clouds. The brightened clouds increase the albedo effect, droping the temperature beneath them. The increased lifespan may lead to the decrease of the precipitation. The change of clouds differs in the amount of upper clouds(altostratus) and the lower clouds; the upper clouds in the northern hemisphere decrease while the lower clouds increase. There is an another effect that ITCZ moved to the southem hemisphere. Aerosol is composed of various components. Those effects by the sulfur cycle process are dominant among the climatic impacts due to the emissions of aerosol, as compared to the impacts by other aerosol components.
In the coupling of the atmosphere, ocean and sea ice models, for the stability of model system, we substituted the coupling variables in a form of flux considering the conservative property of exchanged variables and attempted to correct the codes in the thermodynamic process of the sea ice model. Also, through the long-term integration and performance analysis of the coupled model, it is feasible to simulate the climate and interannual variability features such as MJO and Artic Oscillation.
In order to figure out the impacts of land use change as one of the major anthropogenic factors in climate change, we performed an sensitivity experiment for the climatic effects of the expansion of agricultural resource caused by population growth in Asia in the past. The expansion of grassland can be interpreted with two factors such as albedo effect and the change in roughness length. The decrease in roughness length is mainly caused by evaporation and the effect of temperature rise by the decrease of latent heat. The variation of albedo due to the expanded grassland had minor effects as compared to the impacts by change in roughness length because the substituted vegetation has almost the same albedo as the grassland. The effects by the change in land use were locally shown and they were seasonally different, with the response being great in the summer. The comparison of the impacts by the land surface process and change in sea-surface temperature on atmospheric circulation reveals that the impact from the latter is much more dominant. Thus, it is desirable that the latter should be excluded to properly study the relatively small changes from such factors as the land surface process.
For improving dust emissions in the East Asian region, the land surface type requirements for dust emissions were adjusted instead of changing the dust vertical diffusion scheme, which had been studied last year. In the dust emission process, grassland conditions C3, C4 were added including the bare ground, and the seasonal change was adjusted through the leaf area index. As a result of verification with MODIS observation data, it is found that the annual variation and emission were remarkably improved in East Asia.
Study on the land carbon process using dynamic vegetation model has been carried out using the dynamic mode and equilibrium mode. The simulated vegetation distribution is generally similar to the climate vegetation distribution of IGBP but the distributions of conifers, C3 grassland and shrub in high latitude vary in regional scale. The simulated net ecosystem exchange has been confirmed to have the similar performance to that of the net ecosystem exchange in the Carbon Tracker. Additionally, the analysis into the soil carbon physical process in land carbon modelling is carried out. In order for model performance to be evaluated, a number of evaluation metrics components were added and applied to investigate the effects of vertical resolution in the climate prediction model. The increase in vertical resolution in model contributes to the simulation improvement on interannual variability in the summer and the winter season.

For regional downscaling, HadGEM3-RA (Hadley Centre Global Environmental Model version 3-Regional Atmosphere), which was developed by the UK Met Office is used. Interface to supply boundary conditions to the regional domain from the Earth System model simulations was developed and boundary data were made for the horizontal resolutions of 50km and 12.5km grid scale. As a result of the long-term integrations in East Asia, downscaled simulation results were similar to the observations, confirming the model performance. Finally, development of the Climate Testbed is initiated to support the general use of the Earth System model. The efforts include optimizing the model on the linux based clusters, setting up the source code management system, and doing numerical experiments, using the Testbed. A new user interface for the ocean and sea ice model was introduced and the web- based control system environment was also established.
(출처 : Summary 25P)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구보고서 ... 3
• 목차 ... 4
• 표목차 ... 7
• 그림목차 ... 9
• 요약문 ... 20
• Summary ... 24
• 제 1 장 서론 ... 29
• 제 2 장 통합지구시스템모델 개발 ... 31
• 제 1 절 황 순환 모듈 결합 및 민감도 실험 ... 31
• 1. 에어로졸 물리과정 ... 31
• 2. 황 순환 과정과 에어로졸 분포 ... 37
• 3. 민감도 실험 ... 42
• 제 2 절 대기 해양/해빙 결합모델의 장기적분 및 모의 성능분석 ... 51
• 1. 대기-해양/해빙 결합모델의 장기적분 ... 51
• 2. 대기 -해양/해빙 결합모델의 모의 성능분석 ... 52
• 제 3 절 지구시스템모델의 지면과정 민감도 실험 ... 60
• 1. 서론 ... 60
• 2. 실험설계 ... 61
• 3. 결과 ... 64
• 4. 소결론 ... 76
• 제 4 절 에어러솔과정 개선 ... 78
• 1. 실험 설계 ... 78
• 2. 관측 자료 ... 82
• 3. 결과 ... 85
• 4. 소결론 ... 94
• 제 5 절 육상탄소과정 ... 96
• 1. 서론 ... 96
• 2. 모델 및 실험설계 ... 96
• 3. 스핀업 ... 103
• 4. 토양탄소 모델 ... 115
• 5. 순생태교환량 ... 121
• 6. 소결론 ... 123
• 제 6 절 모델성능평가를 위한 진단 매트릭스 ... 124
• 제 7 절 결과 요약 ... 131
• 제 3 장 지역기후모델 역학적 상세화 체계 구축 ... 133
• 제 1 절 지구시스템모델 연계 인터페이스 구축 ... 133
• 1. 초기자료 ... 133
• 2. 경계자료 ... 134
• 제 2 절 지역기후모델 장기적분 수행 및 검증 ... 137
• 1. 지구시스템모델 강제력을 이용한 장기적분 수행 ... 137
• 2. 역학적 지역 기후 상세화 성능 평가 ... 139
• 제 3 절 결론 ... 148
• 제 4 장 모델 활용지원을 위한 Climate Testbed 기반구축(I) ... 149
• 제 1 절 Climate Testbed 기반 구축 ... 150
• 1. 코드 최적화 및 버전 관리 체계 구축 ... 150
• 2. Climate Testbed 시험 가동을 위한 모델 적분 ... 160
• 제 2 절 모델 사용자 환경 구축 ... 174
• 1. 시스템 구성도 ... 174
• 2. 웹 기반 제어 시스템 구축 ... 175
• 3. 해양-해빙모델 및 결합자 UI 개발 ... 182
• 4. 대기모델 UI 와 연계 구동 체계 구축 ... 187
• 제 3 절 에어러솔 · 구름 · 기후 피드백과정 진단 ... 191
• 1. 모델 개요 ... 192
• 2. 20세기기후모의에 나타난 에어러솔의 영향 ... 193
• 3. 에어러솔에서 화학과정의 영향 ... 200
• 4. 결론 ... 201
• 제 5 장 결론 ... 204
• 참고문헌 ... 207
• 끝페이지 ... 218