초록 ▼

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
기후변화 대응의 핵심인 기후변화예측모델링 기술을 향상시키고자 국립기상과학원에서는 영국기상청의 UM (Unified Model)을 기반으로 하는 지구시스템모델 K-ACE를 개발하고 있으며 국제적으로 CMIP6 (Phase 6 of the Coupled Model Intercomparison Project)에 참여하고 있다.

• 지구시스템모델의 개선을 위해 지구시스템모델의 대기성분모델을 업그레이드하고, 계산자원 분배에 따른 정합성과 계산자원 사용량에 따른 모델성능을 확인하였다. 또한, 교환과정

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
기후변화 대응의 핵심인 기후변화예측모델링 기술을 향상시키고자 국립기상과학원에서는 영국기상청의 UM (Unified Model)을 기반으로 하는 지구시스템모델 K-ACE를 개발하고 있으며 국제적으로 CMIP6 (Phase 6 of the Coupled Model Intercomparison Project)에 참여하고 있다.

• 지구시스템모델의 개선을 위해 지구시스템모델의 대기성분모델을 업그레이드하고, 계산자원 분배에 따른 정합성과 계산자원 사용량에 따른 모델성능을 확인하였다. 또한, 교환과정의 보존성 향상을 위해 육지해양 마스크를 수정하고 재사상행렬을 계산하는 과정을 개발하였다. 대기성분모델의 기후모의 성능평가를 위해 서로 다른 대기-해양 경계자료를 사용한 두 가지 AMIP-type 실험을 수행하여 그 결과를 분석하였다.

• 한편, CMIP6 참여를 위해 CMOR (Climate Model Output Rewriter)라이브러리를 활용하여 NetCDF (Network Common Data Form) 형식의 국제 표준자료로 변환하는 후처리시스템을 구축하였다.

• 화산 에어로졸 배출의 동아시아 기후 영향 분석을 위해 백두산의 화산 폭발을 가정하여, UM10.0 기반의 기후모델을 사용하여 화산폭발 실험을 수행하였다.

기후변화 시나리오 산출 및 분석에서는 동아시아지역의 기후변화 이해를 위한 원인규명과 미래 변화전망 연구를 추진하여 시나리오 활용을 증진하였다. 더불어 지구시스템모델을 이용하여 다양한 정보를 산출하고자 하였다.

• 산업혁명이후 크게 증가한 인위적 에어로졸의 성분중 유기탄소에어로졸의 기후적 영향을 살펴보고자 과거 기후재현실험을 하였다. 유기탄소 에어로졸 배출 증가에 따라 아시아와 아프리카에 광학두께 증가와 냉각효과를 확인하고, 황산염 에어로졸 비해 기후적 영향이 상대적으로 작은 것으로 분석되었다.

• 자연적 에어로졸중 하나인 해염의 모의성능을 분석하고자 HadGEM2-AO와 CMIP5 모델 9종에 대한 해염 질량농도를 비교하였으며 CMIP5 모델에 비해 HadGEM2-AO의 농도는 다소 높게 모의됨을 확인하였다.

• RCP 2종에 따른 해양 생지화학과정의 미래 변화를 전망하였다. 대기 중 이산화탄소의 증가에 따라 해양 CO₂ 흡수가 증가하여 전지구 표층 산성도가 증가하며 탄산칼슘 농도와 pH 감소가 전망된다. 또한 온난화에 따른 용승류의 약화로 영양염 감소, 해양 동물성 및 식물성 플랑크톤의 감소가 전망되었다.

• 관측자료를 통해 동아시아 및 유럽 중·북부에서 겨울철 기온과 강수의 양의 상관관계를 분석하였다. 기온, 강수와 시베리아 고기압 및 NAO와의 관련성을 살펴보았으며 이는 HadGEM2-AO에서도 모의됨을 확인하였다. 또한 한반도 6개 지점 지상 관측 자료를 활용하여 한반도 장기 기온과 강수의 변화추이를 분석하였는데 기온상승의 계절적 차이와 강수강도별 차이를 확인하였다.

• CORDEX-동아시아와 연계하여 지역기후모델 HadGEM3-RA를 이용한 인위적 강제력에 따른 지역기후 영향을 평가하기 위해 온실가스와 에어로졸 강제력을 반영한 27년(1979-2005)적분 실험을 하였다. 지역기후모델의 특성을 파악하기 위해 디지털 필터와 운동에너지 스펙트럼을 분석하고 CORDEX-EA 2단계 실험을 위해 재분석, 관측, 지구시스템모델의 출력자료 가공 및 입력자료 생산연구를 추진하였다.

장기예측시스템 개발과 관련하여, 한영 공동 계절예측시스템 GloSea5를 이용하여 고해상도의 전지구 물자원을 예측하고 계절내진동의 예측 성능을 검증하였다.

또한 현업 수치예보모델과 비교하여 계절예측시스템의 단중기 예측성능을 평가하였고 버전 개선에 따른 동아시아 예측성을 진단하여 이음새없는 예측시스템 기반을 구축하고자 하였다.

• 계절예측시스템의 하천유출모델(TRIP: Total Runoff Integrated Pathways) 연구에서는, 담수유출량이 하천에 인접한 연안에서 SST와 강수의 증가를 유도하며, TRIP의 고해상도(0.5°×0.5°)개선에 따라 해양 염도 모의가 향상되면서 SST와 강수의 예측성이 향상되었다.

• GloSea4와 GloSea5의 계절내진동 예측 성능은 관측 및 재분석 자료의 불확실성 범위에 속하는 약 1-2일의 차이로 유사한 성능임을 분석하였다.

GloSea5 GA3와 GC2는 중위도에서 엘니뇨에 의한 원격상관패턴을 관측과 유사하게 모의하였으나 고위도 지역에서는 낮은 예측 성능을 나타냈다.

• GloSea5 GC2는 태풍 발생 수를 과대 모의하고 지속 기간은 과소 모의하였다. 태풍의 주 이동경로는 실제보다 저위도로 모의하는 경향을 보이며 서태평양 영역에서 태풍 발생 연 변동성이 가장 높은 상관을 나타냈다.

탄소추적시스템은 온실가스 저감정책지원을 위한 과학정보를 산출하고 전세계 이산화탄소 배출량 감축활동을 독자적으로 감시하고자 시스템을 운영 중이며 탄소 순환과정의 이해를 위한 분석과 성능향상을 위한 관측연구가 추진 중이다.

• 탄소추적시스템의 성능분석을 통하여 이산화탄소 농도와 농도의 증가율이 지상 관측값과 유사함을 확인하였다. 탄소순환관련 분석에서는 온도와 강수변화에 따른 육상생태와 해양의 탄소플럭스의 변화가 CO₂농도 증가율을 변화시키는데 이는 전체 대기 CO₂ 농도 증가율의 경년 변동에 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.

• 탄소추적시스템의 정확성은 관측자료의 수가 중요하므로 시‧ 공간적 관측영역이 넓은 위성자료 활용이 중요하다. 국립기상과학원은 전지구 위성 온실가스 지상검증네트워크(TCCON)의 고분해 태양흡수광간섭계(FTS)사이트를 운영중이며, 항공관측용 온실가스연속측정기(CRDS)를 이용한 입체관측을 수행하고 있다. FTS관측기술 개발을 통해 99.9%의 높은 관측정확도를 유지하였고, GOSAT, OCO-2등 온실가스 전용위성의 CO₂농도 비교검증에 활용중이다.

(출처 : 요약문 12p)

Abstract ▼

Ⅳ. R esearch Contents and R esults
NIMS (National Institute of Meteorological Sciences) has a plan to participate in CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project 6th phase) with Earth system models, K-ACE and UKESM, which are based on UM (Unified Model) of the UK MetOffice.

• To improve K-

Ⅳ. R esearch Contents and R esults
NIMS (National Institute of Meteorological Sciences) has a plan to participate in CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project 6th phase) with Earth system models, K-ACE and UKESM, which are based on UM (Unified Model) of the UK MetOffice.

• To improve K-ACE, the atmospheric component model of the ESM has been upgraded to HadGEM3-GC2 (UM10.0). The model has been verified in terms of accuracy and efficiency of allocated computational simulation time, as well as performance of the model depending on the rate of use of computational simulation time. For improvement of the conservativeness of exchanging variables, modified land-sea mask and recalculated matrices of the map have been developed. Two different types of AMIP experiments with different atmosphere-ocean boundary conditions have performed to assess the climate simulation performance of the model.

• A postprocessing system for CMIP6 has been developed, which converts model data to international standard format in NetCDF using CMOR (Climate Model Output Rewriter) library.

• To examine impacts of the volcanic aerosols on the climate of the East Asia, a number of experiments including hypothetical Mt. Baekdu’s eruptions have been performed with a model based on UM10.0.

Climate change scenarios were developed using HadGEM climate model that aimed to project future climate and to analyze the cause of change in climate. In order to achieve its purpose, experiments of anthropogenic aerosol and carbon effect on long-term climate were simulated using HadGEM2-AO and HadGEM3-RA for respectively globally and regionally. CMIP5 and observed data also considered in this study. The main results are addressed below.

• Anthropogenic aerosols emissions have been rapidly increased since the middle of 20th century. We found increase in anthropogenic organic carbon emission across Asia and central Africa as result of historical simulations.

Fossil fuel organic carbon affected change in climate relatively lower than sulfate aerosol.

• We compared natural aerosol including sea-salt mass concentrations derived from HadGEM2-AO and CMIP5 models to investigate performance of models.

In terms of sea-salt mass concentration, HadGEM2-AO overestimated compared to others. Yet, increase in sea-salt aerosol presented over the Arctic ocean regardless of models.

• The global mean sea surface acidity increased, while pH and carbonate (CaCO3) decreased in response to increase in CO2 concentration. Ocean acidification and global warming allowed weaker upwelling of nutrients leading to reduce ocean plankton

• In winter, positive correlations between temperature and precipitation occur over South Korea, Japan and northern central Europe. The positive correlations over East Asia and Europe have a relationship with the Siberian High and NAO respectively. The simulation for relationship of temperature and precipitation from HadGEM2-AO presented similar data to observations.

• Seasonal patterns of temperature and precipitation over the Korean peninsular were analysed using the surface observed data. Korea has clearly warmed, and it was observed that the intensity of precipitation has been changed. In detailed, the magnitude of change in temperatures during winter showed larger than it during summer. Additionally, Heavy rainfall increased, whereas light precipitation decreased.

• We have studied about CORDEX-East Asia regions using a regional climate model, i.e., HadGEM3-RA. We investigated impacts of anthropogenic forcing (greenhouse gases and aerosols) through the experiments for present day climate (27 years for 1979-2005), added value using spectral analysis, and pre- and post-processes in order to produce ancillary, initial and boundary data, and etc.

In research on climate prediction system, using the KMA-UKMO Joint Seasonal Forecasting System based on the GloSea5, we investigated predictability of a few typical seasonal and sub-seasonal scale climate variability (e.g., MJO, monsoon), and impacts of high-resolution river routing on the seasonal mean climate. In addition, we evaluated performance for short- and mid- range of the projection system against with the operational medium-range numerical weather prediction system.

• Effect of flash water discharge from TRIP (Total Runoff Integrated Pathways) in GloSea5 induced increasing SST and precipitation over coastal regions. High resolution (1.0°×1.0°→0.5°×0.5°) TRIP improved salinity simulation, which leads to better SST and precipitation particularly for Eastern Pacific region.

• MJO predictability in GloSea4 and GloSea5 was approximately 21 days. There was no significant differences between GloSea4 and 5 by 1∼2 days, which is within uncertainty of observations. The teleconnection pattern by El Niño was predicted well by both systems (GloSea4 and 5) in low- and middlelatitude, whereas, it showed low predictability in high latitudes in the GloSea5 GA3 and GC2.

• In terms of tropical cyclone, frequency was over simulated whilst duration was under implemented. Moreover main tracks tend to be concentrated in lower latitudes comparing to observation. Correlation coefficient of seasonal TC cycle between GloSea5 and observation had the highest in Western Pacific.

CarbonTracker is an up-to-date method that combines measured atmospheric concentrations with other information to facilitate plausible carbon cycle data possibly applying to society, economies and ecosystem management, as climate change is strongly influenced by carbon cycle.

• It was indicated that concentration of CO2 and the increasing rate of CO2 concentration had the similar values to in-situ data. Change in the rate of carbon flux through biosphere and ocean significantly contributed to variability of the CO2 increasing concentration corresponding to change in temperatures and precipitation.

• The accuracy of carbontracker is controlled by input observed data.
Consequently, it is important to use the satellite data having a wide range of spatial and temporal information. The NIMS has operated a ground-based FTS site at Anmyeondo designed for Total Carbon Column Observing Network (TCCON) since December 2012. In addition, the Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) analyzer which is a on-board instrument of the aircraft has been used to measure the profiles of CO2 , CH4 and CO. Particularly, the development of FTS measurement techniques results in significantly accurate observation (99.9%). CO2 retrievals from the FTS are used to validate satellite-based CO2 retrievals such as GOSAT and OCO-2.

(출처 : Executive Summary 17p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구 보고서 ... 3
• 목차 ... 5
• 표목차 ... 7
• 그림목차 ... 8
• 요 약 문 ... 12
• Executive Summary ... 16
• 제 1 장 서론 ... 23
• 제 2 장 지구시스템 모델 개발 ... 25
• 제 1 절 CMIP5 강제력을 이용한 지구시스템 모델 기후모의 성능평가 ... 25
• 1. CMIP5 강제력과 실험 설계 ... 25
• 2. 기후모의 성능평가 실험결과 ... 26
• 제 2 절 지구시스템모델을 이용한 화산 에어로졸의 영향분석 ... 30
• 1. 연구배경 및 실험설계 ... 30
• 2. 화산실험 결과분석 ... 31
• 제 3 절 기후모델의 국제표준자료 산출을 위한 후처리시스템 구축 ... 34
• 1. 구축 배경 및 현황 ... 34
• 2. 설치 및 구동 ... 35
• 제 4 절 대기-해양/해빙 결합모델의 개선 ... 38
• 1. HadGEM3-GC2 장착 및 대기성분모델 업그레이드 ... 38
• 2. HadGEM3-GC2 대기성분 성능 및 정합성 테스트 ... 39
• 3. 교환변수 재사상행렬 계산 ... 40
• 제 3장 기후변화 시나리오 산출 분석 ... 42
• 제 1 절 유기탄소 에어로졸 배출에 따른 과거기후변화 분석 ... 42
• 1. 연구배경 및 실험방법 ... 42
• 2. 유기탄소 에어로졸 기후영향 평가 ... 43
• 3. 해염 에어로졸 비교검증 및 미래전망 ... 45
• 제 2 절 해양생지화학과정에 따른 생물 다양성 미래기후변화 전망 ... 47
• 제 3 절 동아시아/유럽 강수 변동성과 기후특성 분석 ... 52
• 1. 강수변동에 따른 기온특성 및 기후변동과의 관계 ... 52
• 2. 겨울철 대기 순환패턴 ... 53
• 제 4 절 관측 자료를 활용한 한반도 극한기후변화 분석 ... 56
• 1. 연구배경 및 실험방법 ... 56
• 2. 기온 및 강수의 확률분포 변화 분석 ... 57
• 제 5 절 기후모델 적분실험 재현방법 검증 ... 60
• 제 6 절 IPCC AR6 대응을 위한 지역기후 시나리오 산출 및 분석 ... 61
• 1. 에어로졸 강제력에 따른 지역기후 민감도 평가 ... 61
• 2. 지역기후 모의 결과의 시공간 스펙트럼 분석 ... 63
• 3. 고해상도 지역기후모의를 위한 환경설정 및 실험 기반 구축 ... 68
• 제 4 장 장기 예측시스템 개발 ... 70
• 제 1 절 한영 공동 계절예측시스템 특성 분석 ... 70
• 1. 관측/재분석 자료의 불확실성 파악 및 계절내진동 예측성능 분석 ... 70
• 2. 엘니뇨 발달/소멸에 따른 동아시아 기후 예측성능 분석 ... 73
• 3. 현업 수치예보모델과 계절예측시스템의 예측성 비교 ... 78
• 제 2 절 한영 공동 계절예측시스템 버전 개선(GC2.0)에 따른 태풍 장기 예측성 진단 ... 86
• 제 3 절 고해상도 하천모듈 개선 및 장기 적분 실험 ... 92
• 1. 연구배경 및 실험방법 ... 92
• 2. 하천모듈 on/off 실험 및 해상도 개선 결과 ... 92
• 제 5 장 탄소추적시스템 개발 및 온실가스 위성 활용 기술 개발 ... 97
• 제 1 절 탄소추적시스템 업그레이드 및 분석 결과 ... 97
• 1. 탄소추적시스템 개요 및 운영 절차 ... 97
• 2. 전 지구 이산화탄소 농도와 증가율 산출 및 분석 ... 98
• 3. 우리나라 및 주요 국가들의 탄소 수지 산출 및 분석 ... 101
• 4. 기후변동성에 따른 육상 탄소 순환 반응 분석 ... 103
• 제 2 절 FTS 관측기술 개발 및 온실가스 항공관측 결과 ... 105
• 1. FTS 관측기술 개발 ... 106
• 2. 온실가스 항공관측 결과 ... 108
• 제 3 절 온실가스 위성 자료 분석 ... 111
• 제 6 장 결론 ... 115
• 참 고 문 헌 ... 118
• 끝페이지 ... 124