초록 ▼

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
IPCC 6차 평가보고서(이후 IPCC AR6)를 위한 새로운 국제표준이 마련됨에 따라, 국립기상과학원은 이를 구현하기 위해 영국기상청의 UM (Unified Model)을 기반으로 하는 독자 지구시스템모델 K-ACE를 개발하였으며 이를 기반으로 새로운 기후변화 시나리오 산출 체계를 구축하고 모델 성능개선연구를 하였다.

• 지구시스템모델(K-ACE, KMA’s Advanced Climate Earth System Model)의 수행체계를 개선하고 기후변화시나리오 산출 효율성 및 편의성을 고

Ⅳ. 연구 내용 및 결과
IPCC 6차 평가보고서(이후 IPCC AR6)를 위한 새로운 국제표준이 마련됨에 따라, 국립기상과학원은 이를 구현하기 위해 영국기상청의 UM (Unified Model)을 기반으로 하는 독자 지구시스템모델 K-ACE를 개발하였으며 이를 기반으로 새로운 기후변화 시나리오 산출 체계를 구축하고 모델 성능개선연구를 하였다.

• 지구시스템모델(K-ACE, KMA’s Advanced Climate Earth System Model)의 수행체계를 개선하고 기후변화시나리오 산출 효율성 및 편의성을 고려하여 지구시스템모델, 후처리과정, 모델 수행감시 및 평가과정을 포괄하는 지구시스템 모델 프레임워크를 구축하였다.

• 기후변화 시나리오의 과학적 신뢰도 제고 및 활용성 다원화를 위해 영국기상청과 공동으로 CMIP6에 참여할 계획이며, 그 일환으로 영국기상청 지구시스템모델(UKESM)을 기상청 슈퍼컴퓨터 4호기에 장착하여 적분체계를 구축하고 계산 정합성 검증을 수행하였다.

• 화산 에어로졸의 기후적 영향을 평가하기 위하여 백두산 화산 에어로졸 배출에 따른 계절별 기후 영향에 대한 실험을 수행하고 백두산 화산 에어로졸 배출로 인한 북반구 지표온도에의 영향을 분석하였다

• 대용량 스토리지 및 다수 사용자의 활용을 위해 기후모델자료 관리시스템의 DB를 병렬화 하여 시스템 성능을 향상시켰고, 다수의 파일 입출력 향상 및 다양한 모델 포맷 지원 등 사용자 인터페이스를 개선하였다.

기후변화 시나리오 산출의 효율성과 모델성능평가를 위한 체계를 구축하였으며 동아시아 지역의 기후변화 이해를 위한 미래변화 전망연구를 수행하였다.

• IPCC AR6 대응 새로운 기후변화 시나리오 산출과 분석의 효율성을 위해 자료 산출과정을 효과적으로 관리할 수 있는 독자적 모니터링 시스템 BANMOS_v1.0을 개발하였다. BANMOS_v1는 실험가동 상태 확인 뿐 아니라 사용자가 원하는 변수와 지역에 대한 월평균, 연평균 시계열 변화를 확인하고 규준실험 대비 산출되는 실험의 결과값의 정상범위 여부를 확인할 수 있다. 또한 국제적으로 사용되는 모델 평가 툴인 ESMValTool을 도입하여 관측자료와 CMIP5 모델의 다양한 변수들의 경년변동성을 평가하여 차기 모델간 성능비교 기반을 구성하였다.

• 동아시아 강수량에 대한 과거와 미래 육지 증발량의 영향을 분석하였다.

RCP8.5에 따르면 21세기말 동아시아 지역 강수량 중 육지증발량의 영향이 감소할 것이 전망된다. 이는 미래에는 과거에 비해 증발량의 대기체류시간이 감소하여 육지에서 증발한 수분이 해양으로 유출될 가능성이 높아지는 때문인 것으로 분석되었다. 또한 유럽의 강수량과 증발량의 감소 역시 풍하측인 미래 동아시아 강수량에 미치는 육지수분의 재사용율 감소와 연관된 것으로 판단된다.

• CMIP5 19개 모델을 이용하여 동아시아 우기의 시종일과 대기순환 모의성능을 분석하였다. 몬순 시종일에 대한 CMIP5 모델간의 편차는 크고 관측에 비해 시종일이 빠르게 모의되었다. 모델성능이 우수하다고 평가된 모델은 강수대의 북상을 잘 모의하나 한반도의 강수량은 과소 모의하였다. RCP8.5에 따르면 21세기 말 모든 모델이 미래의 우기 시작일이 앞당겨지고 종료일은 늦어질 것으로 전망하고 강수량 역시 증가를 전망하였다.

• 과거 20세기 기후변화를 이해하고자 바이오매스에어로졸 배출에 따른 영향을 분석하였다. 바이오매스는 자연적 발생에 비해 인위적 요인에 의해 배출되어 다른 에어로졸에 비해 전지구 기온에 미치는 영향이 적지만 중앙․남아프리카의 배출원지역에서는 지역적인 냉각효과를 보였다.

• 지역기후모델 HadGEM3-RA를 이용하여 CORDEX-동아시아 2단계 실험을 수행하기 위한 사전 연구를 수행하였다. 25 km 해상도 뿐 아니라 12.5 km, 50 km 수평해상도에 따른 민감도 영향평가를 수행을 위해 측면경계조건과 보조자료를 생산하였다. 측면경계조건으로는 지형, 수평․수직․연직 바람등 13개 변수를 포함하며 보조자료는 급격한 경사면에서 계산불안정을 최소화하도록 지형평활화 효과를 설정하여 산출하였다. 12.5 km, 25 km, 50 km 수평해상도에 대한 단기적분 실험 결과에 따르면 티벳고원 남쪽 지대와, 저위도 해안가 근처 및 해양에서 해상도에 따른 차이가 나타났다.

기상청 장기예측시스템의 확률정보의 신뢰도 및 북반구 열대 저기압의 계절예측 성능을 검증하고 GloSea5에 KMA의 해양-해빙 초기자료를 적용을 위한 민감도 실험을 수행하였다. 또한 다른 나라의 S2S 데이터베이스를 이용하여 우리나라 GloSea5와 함께 북극 해빙, 여름몬순에 대한 예측성능을 평가하였다.

• KMA가 자체 생산한 해양-해빙 초기자료를 GloSea 5에 적용한 결과, 겨울철 북반구에서 현업결과(영국기상청 자료사용)에 비해 지상기온의 편차가 커지고 남반구에서는 편차가 작았다. 해양 에디(eddy)가 활발한 지역에서 지상기온과 해수면온도에서 국지적인 차이가 있고 해양에서 강수가 다소 늘어나는 것으로 나타났다.

• 신뢰도 평가기법을 이용하여 기상청 장기예측시스템에서 생산하는 지상기온과 강수 확률정보를 검증하였다. ERA-Interim 지상기온과 GPCC 강수자료를 이용하여 지역별 신뢰도를 산출하였다. 기온은 중위도 지역의 여름철 신뢰도가 우수한 편이었고 평년대비 추운 겨울의 신뢰도가 낮았다. 동아시아 지역의 기온신뢰도는 다른 지역에 높은 편이었으나 강수 예보 신뢰도는 낮은 편이었다.

• GloSea5 GC2의 Hindcast자료를 이용하여 북반구 열대성 저기압의 계절예측 성능을 검증하였다. GC2는 열대성 저기압의 발생 수와 트랙 밀도 분포가 GA3 버전에 비해 관측과 유사하였다. 또한 GC2는 GA3에 비해 더 강한 열대저기압 모의가 가능했으며 엘니뇨 해에 열대성 저기압의 첫 발생이 늦어지는 것을 모의하였다.

• 우리나라의 GloSea5 및 다른 S2S 현업모델 예측자료를 이용하여 북극해빙과 여름몬순의 예측성능을 평가하였다. KMA의 해빙예측성능은 lead 8까지 0.8이상으로 좋은 결과를 보였다. 대부분 모델이 해빙면적이 최대/최소가 되는 시기에 예측성이 높고 해빙이 생성/융해되는 시기에 예측성이 떨어지며 중국 CMA해빙모의능력은 전 계절에서 성능이 낮다. 여름 강수의 공간분포는 KMA-GC2가 우수한 성능이며 강수임계치가 높을수록 예측성능이 우수하다.

정량적 강수검증 결과 대부분 모델이 약 1주의 여름몬순 예측성을 보였다.
전 지구 이산화탄소 흡수․배출량을 감시하고 온실가스 저감정책지원을 위해 탄소추적시스템을 운영하고 탄소순환과정 이해를 위한 분석을 수행하였으며 온실가스 감시를 위한 관측연구를 추진하였다.

• 업그레이드된 탄소추적시스템(CT2015)를 이용하여 2011～2015 전 지구 이산화탄소 흡수․배출량을 산출하였으며, 탄소추적시스템과 CMIP5 모델을 이용하여 기후변동성에 따른 육상탄소 순환의 반응을 분석하였다.

• 국립기상과학원은 전지구 위성 온실가스 지상검증네트워크(TCCON)의 고분해 태양흡수광간섭계(FTS)사이트를 운영 중이며, 항공관측용 온실가스연속측정기(CRDS)를 이용한 입체관측을 수행하고 있다. TCCON 사이트의 관측기술을 고도화하였으며 FTS의 자동관측기반을 구축하였다.

(출처 : 요약문 14p)

Abstract ▼

Ⅳ. Research Contents and Results
NIMS (National Institute of Meteorological Sciences) has developed the K-ACE which are based on UM (Unified Model) of the UK MetOffice to participate in CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project 6th phase). Based on K-ACE, a new climate change scenario processi

Ⅳ. Research Contents and Results
NIMS (National Institute of Meteorological Sciences) has developed the K-ACE which are based on UM (Unified Model) of the UK MetOffice to participate in CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project 6th phase). Based on K-ACE, a new climate change scenario processing system was established

• To build a climate change scenario production system for contributing IPCC AR6, the user interface of ESM (K-ACE) has been improved and the model has been tuned for better performance. A total ESM framework, which comprises of the model itself, postprocessing, monitoring and evaluation processes, has been built to facilitate and enhance the production process.

• The KMA’s plan for CMIP6 is to participate in the project collaborately with UKMO using UKESM, which incorporates the more complex climate processes, to reduce the scientific uncertainties in the climate projection and to extend the scientific usabilities of the climate change scenarios. UKESM, its user interfaces, and associated auxiliary programs have been ported on KMA’s HPC, and the results from both institutes have been compared to ensure the consistencies.

• A number of experiments using the assumption of volcanic aerosols emitted from Mt. Baekdu have been performed and evaluated. The results showed impacts on the surface air temperature over Northern hemisphere similar to Mt. Pinatubo, the well-known historic event.

• In order to enlarge the usability of the system, climate DB system has been improved the efficiency to support users. The user interface has been also modified to support I/O of multiple files at once and to support more various formats and conversions of model outputs.

We have established model performance evaluation tool and studied a future climate for understanding climate change in East Asia.

• BANMOS_v1.0 python tool was developed that can effectively manage data post-process and monitor model integration progress. BANMOS_v1 not only confirms the operation status of the experiment, but also assures data quality based on the monthly and annual time series change of the variable over the specific area desired by the user. ESMValTool, an international model evaluation tool, was also tested partly using the observation data and the CMIP5 models.

• The effects of past and future moisture recycling on the East Asian rainfall were analyzed. According to RCP8.5, the influence of land evaporation is expected to decrease in East Asia region at the end of the 21st century. Decrease of precipitation and evaporation in Europe is related to reduce of moisture recycling ratio on East Asian rainfall. Longer residence time of water in the atmosphere evaporated from land also increases the possibility of water transportation.

• CMIP5 model performance for the East Asian Summer Monsoon was analyzed. CMIP5 models tend to show earlier onset and underestimate rainfall amount than observation. Particulary, best performance model capture northward movement of rain band. According to RCP 8.5, all models at the end of the 21st century project earlier onset and delayed termination of the rainy season with increasing rainfall amount.

• Climate impact of biomass aerosol emissions is investigated. Compared to sulphate aerosols, increasing biomass emissions by anthropogenic source has little impact globally, but there are regional cooling effect in the source region.

• NIMS participates in Coordinated Regional climate Downscaling

Experiment-East Asia (CORDEX-EA) Phase Ⅱ experiment using Regional Climate Model (RCM), Hadley Centre Global Environmental Model version 3-Regional Atmosphere (HadGEM3-RA). To evaluate model resolution sensitivity (12.5, 25, and 50 km), Lateral Boundary Condition (LBC) of 13 variable and ancillary data including topography are prepared. Simulation of 12.5, 25, and 50 km resolution described that there is difference of horizontal resolution at the south of Tibetan plateau, and the coast and the ocean of low latitudes.

For climate prediction system of GloSea5, global forecast reliability is analysed and seasonal forecast skill of tropical storm over the northern hemisphere are assessed. Sensitivity experiment for the initial condition of ocean and sea-ice are carried out. Also, the forecast skill of the arctic sea ice and weekly mean precipitation in the East Asian summer monsoon are evaluated using S2S data base.

• In experiment with initial condition in ocean and sea-ice of KMA, ai temperature bias at 1.5m shows large over the northern hemisphere than the southern hemisphere. Over the ocean with active eddy, there are differences in air temperature and sea surface temperature and slightly increasing precipitation.

• We assessed the reliability on probability forecast from seasonal forecast system compared to the observation. Over the extended tropical areas, the reliability of temperature forecast is classified as usefully reliable on summer but not very reliable on cold winter. For East Asia, the reliability of temperature forecast is found as more reliable than other regions but precipitation forecast is not.

• Seasonal forecast skill of tropical storm in northern hemisphere is assessed using hindcast in GloSea5-GA3 and GC2. GloSea5-GC2 appears similar patterns in genesis and track density with observation, can simulate stronger intensity of tropical storm than GloSea5-GA3. Also late genesis of tropical storm can be predictable in GloSea5 during the strong El-Nino year (1998, 2016).

• Performance on the Arctic sea ice extent and summer monsoon is examined from S2S operational seasonal forecast systems. KMA shows the high ACC skill score over 0.8 still on 6 lead week. CMA has the low skill on all seasons on all lead time. The predictability is high in seasons with maximum or minimum sea ice extent in year, whereas it is low in seasons with formation or melting of sea ice on most systems. In the East Asian summer monsoon precipitation using S2S data base, GloSea5-GA3 and GC2 in KMA show better performance of weekly pattern.

We operated the CarbonTracker to monitor the global sources and sinks of carbon dioxide and support the greenhouse gas reduction policies. Additionally, the analysis of carbon circulation process was conducted to improve our understanding. The observation research is also carried out for the purpose of the monitoring of greenhouse gases.

• Global uptake and release of carbon dioxide was derived by using the upgraded CarbonTracker (CT2015) for the period of 2001∼2015 and the response of land carbon circulation to the climate change was analyzed through the CarbonTracker and CMIP5.

• NIMS has been operating the Fourier Transform Spectroscopy (FTS) observation site as one of the global network for ground-based validation of satellite measurements (TCCON) and conducting 3D observation using Cavity-Ring Down Spectroscopy (CEDS) on board the aircraft. We made improvements on the observation techniques in TCCON site and built the foundation of automatic observation of FTS.

(출처 : Summary 20p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구 보고서 ... 3
• 목차 ... 5
• 표목차 ... 7
• 그림목차 ... 8
• 요약문 ... 14
• Executive Summary ... 19
• 제 1 장 서론 ... 25
• 제 2 장 지구시스템 모델 개발 ... 27
• 제 1 절 지구시스템모델 개발과 실험 환경 구축 ... 27
• 1. 기상청 지구시스템모델(K-ACE) 수행체계 개선 ... 27
• 2. K-ACE를 이용한 CMIP6 실험 수행체계 구축 ... 29
• 3. 영국기상청 지구시스템모델(UKESM) ... 30
• 제 2 절 지구시스템모델을 이용한 화산 에어로졸의 영향분석 ... 36
• 1. 연구배경 및 실험설계 ... 36
• 2. 화산실험 결과 ... 37
• 제 3 절 기후모델자료 관리시스템 개선 ... 39
• 1. 시스템 개요 ... 39
• 2. 시스템 활용 ... 40
• 제 3 장 기후변화시나리오 산출과 분석 ... 42
• 제 1 절 기후변화 시나리오 산출을 위한 백업 및 모니터링 시스템 개발 ... 42
• 1. 시스템 개요 ... 42
• 2. BANMOS를 통한 실험모니터링 ... 43
• 제 2 절 ESMValTool을 활용한 CMIP5모델 성능평가 ... 46
• 제 3 절 동아시아 강수량에 대한 과거와 미래 육지 증발량의 영향 ... 49
• 1. 동아시아 육지수분 재사용율 ... 49
• 2. RCP8.5에 따른 미래 육지수분 재사용율의 변화전망 ... 51
• 제 4 절 CMIP5자료를 활용한 동아시아 여름몬순전망 ... 53
• 1. 여름우기 시종일과 대기순환의 모의성능 ... 54
• 2. RCP8.5에 따른 동아시아 여름 우기의 미래 변화 전망 ... 57
• 제 5 절 바이오매스 에어로졸 배출에 따른 과거기후영향 평가 ... 58
• 제 6 절 CORDEX-East Asia Phase-Ⅱ 개요 및 실험·분석 ... 64
• 1. HadGEM3-RA 과정 구축 및 추진 계획 ... 64
• 2. HadGEM3-RA를 이용한 지역기후 모의실험 및 분석 ... 69
• 제 4 장 장기예측시스템 개발 ... 73
• 제 1 절 장기예측시스템 특성 분석 ... 73
• 1. 대기/해양-해빙 초기자료 차이에 따른 민감도 평가 ... 73
• 2. 지상기온 및 강수 확률예보 검증 및 신뢰도 평가 ... 78
• 3. 동아시아 열대성 저기압 예측성 평가 ... 82
• 제 2 절 S2S 데이터베이스를 활용한 계절예측 성능 검증 ... 93
• 1. 북극 해빙 예측성 검증 ... 93
• 2. 동아시아 여름몬순 예측성 검증 ... 98
• 제 5 장 탄소추적시스템 개발 및 온실가스 위성 활용 기술 개발 ... 106
• 제 1 절 탄소추적시스템 기반 탄소의 흡수·배출·순환 특성 ... 106
• 1. 전지구 이산화탄소 흡수·배출량 산출 ... 106
• 2. 탄소추적시스템과 CMIP5 모델의 기후변동성에 따른 육상 탄소순환의 반응 ... 108
• 제 2 절 온실가스 위성 지상검증 기술개발 ... 113
• 1. FTS 운영 및 정확도 평가 ... 113
• 2. FTS 교정기기 및 활용기술 개발 ... 115
• 3. 지상원격관측 FTS 자동화 기반구축 ... 118
• 제 3 절 온실가스 위성 활용기술 개발 ... 120
• 1. 온실가스 위성(OCO-2, GOSAT) 지상검증 및 특성분석 ... 121
• 2. 한반도 지역 OCO-2 위성 CO2 특성분석 ... 122
• 3. OCO-2 위성 자료 수집 및 DB 구축 ... 126
• 제 6 장 결론 ... 131
• 참고 문헌 ... 133
• 끝페이지 ... 137