†Corresponding author : E-mail: [email protected]
접수일자: 2011. 10. 10 / 수정일자: 2011. 12. 5 / 채택일자: 2011. 12. 6 Vol. 2, No. 4, 2011, pp. 253～267
구름과 에어로졸 고찰
A Review of Clouds and Aerosols
염성수†․김병곤*․김상우**․장임석***․김승범****
Yum, Seong Soo†, Kim, Byung Gon*, Kim, Sang Woo**, Chang, Lim Seok*** and Kim, Seong Bum****
연세대학교 대기과학과, *강릉원주대학교 대기환경과학과,
**서울대학교 지구환경과학부, ***국립환경과학원, ****국립기상연구소 Department of Atmospheric Sciences, Yonsei University, Seoul, Korea
*Department of Atmospheric and Environmental Sciences, Gangneung-Wonju National University, Gangneung, Korea
**School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul, Korea
***National Institute of Environmental Research, Korea
****National Institute of Meteorological Research, Korea
요 지
본 논문에서는 주로 국내 연구진과 몇몇 타국 연구진에 의해 이루어진 동북아에서의 구름과 에 어로졸이 기후변화에 미치는 영향에 대한 연구결과를 요약하였다. 구름과 에어로졸은 현재 기후변 화 예측의 불확정성에 기여하는 가장 중요한 인자의 하나로 인식되고 있으며, 서구의 선진국을 중 심으로 활발한 연구가 진행되고 있으나, 상대적으로 국내 연구진에 의한 연구는 매우 미흡한 형편 이다. 국내 연구진의 연구가 활발한 분야는 에어로졸 물리적, 화학적, 광학적 성질에 대한 지상 관 측인데, 대체적으로 동북아 지역은 타 지역에 비해 매우 높은 농도를 가지고 있음을 나타내고 있다.
한편, 구름에 대한 연구는 매우 미흡하여, 위성, 지상 원격 탐사, 수치모형, 항공 관측 등을 이용한 구름 연구가 시급히 요구되는 실정이다.
키워드 : 동북아, 기후변화, 구름, 에어로졸
ABSTRACT
This study summarizes some important results from the studies on clouds and aerosols, and their effects on climate in the northeast Asia that were made mainly by Korean scientists and some other scientists from around the world. Clouds and aerosols are recognized as one of the most im-
portant factors that contributes to uncertainties in climate predictions and therefore become the sub- ject of active research in the western developed countries in recent years. However, the researches on clouds and aerosols are very weakly done in Korea except ground based measurements of aero- sol physical, chemical and optical properties. These measurements indicate that aerosol loadings in the northeast Asia are generally much higher than other parts of the world. On the other hand, re- searches on clouds are few in Korea. Satellite and ground remote sensing, numerical modeling and aircraft in-situ measurements of clouds are highly needed for better assessment of the role of cl- ouds on climate in the northeast Asia.
Key words : Northeast Asia, Climate Change, Clouds, Aerosols
1. 서론
기후에 영향을 미치는 많은 요소 중에서도 구 름과 에어로졸의 역할에 대해 최근 많은 관심이 집중되고 있음에도 불구하고 아직 기후변화 예측 의 불확실성에 가장 큰 원인의 하나로 지적되고 있는 실정이다(IPCC, 2007). 이러한 불확실성이 존재하는 이유는 구름과 에어로졸의 물리적, 화 학적, 광학적 성질에 대한 이론적 이해의 부족은 물론, 구름과 에어로졸의 지역성과 시간변화성에 기인한다. 특히 한반도와 그 주변을 포함하는 동 북아 지역은 급격한 산업화로 인해 에어로졸 특 성도 급격히 변화하고 있어 이 지역의 구름과 에 어로졸의 특성을 이해하는 것은 전 지구적 구름 과 에어로졸 분포를 이해하려는 노력의 일부로 기여하는 바가 큰 매우 중요한 작업이라고 할 수 있다. 그러나 한반도와 그 주변에 대한 기후 관 련 구름과 에어로졸 연구는 상대적으로 매우 적 은 실정이다. 최근 들어 국내 연구자들의 참여가 활발해지고 있으나, 아직은 미흡하다고 할 수 있다.
구름과 에어로졸이 기후에 미치는 영향은 복사 수지에 미치는 에어로졸의 직접적, 간접적 효과 를 나타내는 복사강제력으로 정량화 되어 표현된 다. 문제는 인위적 요인에 의해 증가한 대기 에 어로졸이 태양복사의 산란과 흡수에 직접적으로 얼마나 영향을 미치는지(에어로졸 직접적 효과), 또한 이런 에어로졸 중의 일부가 구름응결핵으로
작용하여 간접적으로 구름의 미세물리적, 역학적, 복사적 성질의 변화에 얼마나 영향을 미치는지 (에어로졸 간접적 효과; Twomey, 1977; Albre- cht, 1989)에 대한 이해가 매우 부족하다는데 있 다. 에어로졸의 변화에 따른 구름의 복사수지 기 여도나 강수효율의 변화는 구름 발달에 관여하는 열역학적, 종관적 조건에 따라서도 크게 좌우되 므로 일정한 방향성을 가지지 않고 다양하게 나 타난다(Feingold et al., 2008). 구름과 에어로졸이 기후에 미치는 영향을 예측하기 어려운 이유도 여기에 있다고 할 수 있다.
본 논문에서는 동북아에서의 기후에 미치는 구 름과 에어로졸의 영향에 대한 연구 결과를 요약 한 것이다. 주로 국내 연구자의 연구 결과를 정 리하였으나, 한반도와 주변 지역에 대해 연구한 국외 연구자의 연구 결과도 일부 포함되어 있다.
순서는 IPCC 보고서의 5차 평가보고서(Fifth as- sessment report, AR5)를 따른다. 국내 연구진의 연구는 상대적으로 지상에서의 에어로졸 관측 연 구가 매우 활발했으며, 항공기를 이용한 구름과 에어로졸의 직접 관측(in-situ) 연구나 상세한 구 름모형 연구는 매우 드물어 서술된 분량도 이에 비례함을 밝힌다.
2. 구름의 관측과 모델의 구름 재현 한반도와 그 주변의 구름 관측은 매우 드물지 만 관측된 결과는 에어로졸 간접적 효과의 증거
를 잘 나타내고 있다. 구름의 원격 관측은 기기 의 발달에 힘입어 전 세계적으로 구름 관측 도구 로서의 활용도가 증가하고 있으나, 한반도 주변 관측에 대한 국내 연구자의 기여는 거의 없는 실 정이다. 2001년 아시아 태평양 지역 에어로졸 국 제공동 관측 프로그램(Asian Pacific Regional Ae- rosol Characterization Experiment, ACE-Asia) (Hue- bert et al., 2003) 기간에 한반도 주변에서 직접 관측한 구름방울 수농도는 구름 주변의 응결핵 (condensation nuclei, CN) 수농도에 비례하였다.
관측값을 기단에 따라 분류해 보면 대륙성과 해 양성 기단 각각에 대해 CN 수농도가 1,972 cm—3 과 1,017 cm—3였으며, 같은 경향이 구름방울 수 농도에도 나타나 238 cm—3와 55 cm—3을 기록해 대륙성 구름이 4배 이상 높은 값을 보였다(송근 용과 염성수, 2004). 에어로졸과 그로부터 생성되 는 구름은 에어로졸 배출과 종관 조건에 따라 관 계가 역동적으로 변하는 만큼 더 많은 관측자료 를 이용해서 불확실성을 줄일 필요가 있다.
국내 연구자에 의한 구름 재현 수치모델 연구 는 매우 드문 실정이고, 동북아시아 지역을 포함 하더라도 많지 않다. 구름의 발달과 강수에 미치 는 에어로졸의 영향에 대한 연구는 Yang and Yum(2007)이 수행한 바 있는데, 대류가 약한 경 우에는 오염된 구름의 강수효율이 해양성 구름에 비해 매우 작지만 강한 대류가 있을 경우 에어로 졸의 영향이 뚜렷하게 나타나지 않으며, 대기의 열역학적 구조가 강수에 미치는 에어로졸 효과의 민감도를 결정짓는 중요 요소임을 밝힌 바 있다.
3. 구름, 수증기, 강수량과 대규모 순환 의 결합
아시아 몬순에 의한 물 순환은 급증하는 에어 로졸에 의해 큰 영향을 받는 것으로 추정된다.
주로 수치모의 실험으로 이루어지는 이 분야 연 구에는 국내 연구자의 기여도 눈에 띈다. 황산염 이나 유기탄소(organic carbon, OC)와 같은 에어
로졸은 태양 복사 에너지를 강하게 반사시키면서 지구 표면에 도달하는 단파복사의 양을 줄이며 지표면 냉각을 야기하는 효과를 내는데(dimm- ing), 이 효과는 동아시아 대륙에서 공간적인 변 동성이 커서 공간적 가열(heating) 경도를 변화시 키며, 기압경도력 및 대규모 대기 순환과 강수를 변화시킬 수 있음이 제시되었다(Ramanathan et al., 2005).
화석 연료와 생체의 불완전 연소로부터 생성되 는 블랙카본(black carbon, BC)은 태양복사를 산 란시킴과 동시에 강력히 흡수하는 특징을 가져 대기를 따뜻하게 하며, 지표면에 도달하는 복사 속을 감소시킨다(Ramaswamy et al., 2001). 블랙 카본에 의한 대기 가열의 공간적인 경도 차이가 동아시아 대규모 순환에 영향을 미쳐 동아시아 남쪽에는 상대적으로 많은 비가 내리는 반면에 북쪽에는 비가 적게 내릴 수 있음이 제안되었다 (Chung et al., 2002; Menon et al., 2002). 반면, 늦은 봄철 인도 북부 지역의 블랙카본 배출과 자 연적인 먼지가 티벳고원 및 히말라야 대기층에서 태양복사를 흡수하여 대기층을 가열시키는 상층 열펌프(Elivated heat pump, EHP) 효과에 의해 인도 여름 몬순을 강화시킬 수 있음이 제안되었 다(Lau et al., 2006). 지역적으로 단파복사 감소 효과는 인도양의 남쪽보다 북쪽에서 지구 온난화 를 억제한다는 주장도 제기되었다(Chung and Ra- manathan, 2006).
대류권 에어로졸은 복사효과와 이에 따른 역학 적 피드백을 통해서 대기 온도와 수증기 연직분 포, 연직과 수평 대기 순환, 구름과 강수 그리고 지표에너지 평형을 변화시킨다. 예를 들면, Kim and Lee(2006)는 북태평양에서 해양성 하층운이 봄철 에어로졸 직접 효과로 인한 역학적 피드백 의 영향을 받을 수 있다는 것을 제시하였다. Kim et al.(2006a)은 봄철 에어로졸 복사강제력에 의 해 유도되는 대기층의 불균등 가열이 대기의 질 량 구조를 변화시켜 유라시아 지역에 원격 상관 을 일으킬 수 있다는 것을 연구한 바 있다. 또한,
Kim et at al.(2007a)은 미국 항공우주국(Natioanl Aeronautical and Space Administration, NASA) 유한 체적 대기순환모형(finite volume global cir- culation model, fvGCM)을 사용한 기후 모델링 연구를 통하여 봄철 동아시아의 황산염 에어로졸 에 의한 직접 복사강제력이 남북 온도 경도를 감 소시키며, 이로 인하여 제트류 및 2차 순환를 약 화시켜 동아시아 강수량이 감소할 수 있음을 제 시하였다. Lee and Kim(2010)은 블랙카본에 의 한 복사강제력이 동아시아의 강수량 감소뿐만 아 니라 동남아시아의 강수량 변화도 잘 설명할 수 있음을 보였다.
4. 구름과 수증기 피드백 및 기후민감도 에 대한 이들의 영향
수증기 효과가 기후변화에 미치는 영향에 대해 서는 중요한 논쟁이 있는데, 그 이유는 미래 기 후변화 예측이 수증기 피드백의 규모에 따라 크 게 좌우되기 때문이다. 그러나 수증기의 지역적, 계절별, 연 변화 및 수증기 피드백 측정을 정량 화하는 것은 매우 어렵다. 특히 동북아 지역을 중심으로 한 수증기 피드백 및 기후민감도와 관 련한 연구는 미미하며, 국내 연구진의 연구는 찾 아보기 어렵다. 이에 대한 체계적인 집중 연구가 절실히 필요한 실정이다. 이런 문제에도 불구하 고 수증기 피드백은 일반적으로 양의 피드백 효 과를 가지며, 대략적으로 지표 온도를 상승시킬 것이라 추정하고 있다(IPCC, 2001).
5. 에어로졸 관측과 모델의 재현
국내 연구진에 의한 에어로졸 지상 관측은 상 대적으로 많다고 할 수 있다. 개개의 연구자들뿐 만 아니라 기상청 기후변화감시센터(안면도)나 환경과학원 배경대기측정소(백령도)와 같은 몇몇 국가 연구기관에서도 지상 관측소를 설립하여 에 어로졸의 물리적, 화학적, 광학적 성질을 상시 관
측하고 있다. 대표적인 에어로졸 인자는 수농도, 산란계수 (scattering coefficient), 흡수계수(absorp- tion coefficient), 단일산란 알베도(single scatter- ing albedo), 흡습성장율(hygroscopic growth fac- tor)을 들 수 있는데, 기단에 따라 측정된 값의 차이가 크나 대체로 한반도 배경대기 지역이라 하더라도 아주 깨끗한 해양 배경대기의 값에 비 해 훨씬 높은 값을 보여 상시적으로 중국이나 한 국의 인위적인 에어로졸 배출의 영향 하에 있는 것으로 판단된다.
한반도와 그 주변의 에어로졸 총 수농도(CN 수농도)나 구름응결핵(Cloud condensation nuclei, CCN) 수농도는 해양 기원 공기괴라 하더라도 안 면도의 CCN과 CN 수농도가 각각 2,406 cm—3와 3,983 cm—3였다(Yum et al., 2005). 제주도 고산 관측값도 기단에 따른 차이는 있으나 3,000∼
8,000 cm—3로(Kim et al., 2005b; Yum et al., 2007) 나타나 깨끗한 해양 배경대기에서의 관측값(∼200 cm—3, Yum and Hudson, 2002)보다 10배 이상 높았다. Kim et al.(2009)의 동중국해 선박 관측 에서는 관측지점이 육지로부터 가장 먼 거리에 있을 때 ∼1,000 cm—3를 나타내었다. 빙정핵(ice nuclei, IN)은 구름방울의 결빙과 이로 인한 강수 입자로의 성장에 지대한 영향을 미치나, 빙정핵에 대한 연구는 전 세계적으로도 부족한 형편이며, 이는 동북아시아에서도 마찬가지여서, 아직까지 빙정핵 측정 결과를 보고한 예를 찾기 힘들다.
한반도와 그 주변에서의 에어로졸 산란계수 (scattering coefficient, 550 nm) 관측 결과를 Fig.
1에 나타내었다. 2001년 ACE-Asia 기간 중 제주 도 고산에서 측정한 산란계수는 황사가 발생했던 기간에 약 240 Mm—1였으며(Kim et al., 2005a;
Kim et al., 2006b), 2001년 가을철 정체된 고기 압권역하에서 발생한 오염시기에도 이와 유사한 244 Mm—1의 값이 보고되었다(Kim et al., 2005b).
이는 ACE-Asia 기간 중 선박에서 관측한 황해, 동해 및 제주도와 일본 근해 지역 해양 배경대기
측정값(23 ± 13 Mm—1; Carrico et al., 2003)의 10 배였다. 1999년부터 2003년까지 5년간의 안면도 에어로졸 산란계수 평균은 약 86 Mm—1(550 nm) 였으며, 계절적으로는 봄철에 가장 높은 값을, 늦 여름과 가을에 가장 낮은 값을 보였다(Lee et al., 2006). 서울에서 1년여 기간 측정한 평균값은 194.1
± 144.2 Mm—1였다(심성보 등, 2008). 국내 및 한 반도 주변에서의 관측 결과와 다른 지역의 비교 는 Fig. 1을 참조한다.
한반도와 그 주변 에어로졸 흡수계수(550 nm) 관측 결과는 Fig. 2에 요약되어 있다. 제주도 고 산이나 광주의 에어로졸 흡수계수는 대략 12∼
66 Mm—1의 범위에 있는데(Kim et al., 2004a;
Kim et al., 2005a; Kim et al., 2006b; Lee et al., 2006), 이는 선박에서 관측한 황해, 동해 및 제주도와 일본 근해 지역 해양 배경대기 값(0.5 ±
0.3 Mm—1; Carrico et al., 2003)의 수십 배에 이
Fig. 1. Aerosol scattering coefficients measured in and around Korea and in other regions. R/V stands for research vessel.
른다. 한반도 주변에서의 관측 결과와 다른 지역 의 비교는 Fig. 2를 참조한다.
에어로졸 소산계수(흡수계수+산란계수)와 산란 계수의 비로 표현되는 단산란 알베도 (single sca- ttering albedo)의 한반도 주변 관측 결과와 다른 지역과의 비교는 Fig. 3에 요약되어 있다. 대체로 오염 기간의 단산란 알베도가 상대적으로 낮고 황사 기간의 값은 많은 변화를 보였으며, 선박 관측으로 얻은 황해, 동해 및 제주도와 일본 근 해 지역 해양 배경대기 관측값은 0.99 ± 0.01로 나타나 흡수 에어로졸이 거의 존재하지 않았음을 보였다(Carrico et al., 2003).
에어로졸의 흡습성장은 서로 다른 상대습도 조 건하에서 측정된 에어로졸의 산란계수를 비교함 으로써 나타낼 수 있는데, Fig. 4는 한반도와 그 주변지역, 그리고 다른 지역의 측정값을 비교한 것이다. 오염된 중국 기원 기단의 에어로졸 흡습
Fig. 2. Same as Fig. 1 except aerosol absorption coefficient.
Fig. 3. Same as Fig. 1 except single scattering albedo. NCAR C-130 is the research aircraft from National Center for Atmospheric Research (NCAR).
Fig. 4. Same as Fig. 3 except aerosol hygroscopic growth factor, f(RH).
성장률은 2.75 ± 0.38로 매우 높아 황산염 에어로 졸의 영향을 잘 나타내는데(Kim et al., 2006b), 이는 선박에서 관측한 황해, 동해 및 제주도와 일본 근해 지역 해양 배경대기 측정값(2.56 ± 0.92; Carrico et al., 2003)보다도 약간 높은 것이 었다.
그러나 위에서 제시한 관측은 일회성 집중관측 이 대부분인데, 에어로졸은 시공간적으로 민감하 게 분포가 바뀌기 때문에 이러한 지상관측조차도 그 대표성이 충분하다고 볼 수 없다. 더 많은 상 시관측소를 운영할 필요가 있다.
국내 연구진에 의한 에어로졸 위성 관측 연구 는 2000년대 들어 활발히 진행되고 있으며, 한반 도와 그 주변 지역의 에어로졸 특성에 대한 많은 정보를 제공하고 있다. 국내 다목적실용위성인 아리랑위성(Korea Multi-Purpose Satellite, KOM- PSAT)의 해양관측카메라(Ocean scanning multi- spectral imager, OSMI)의 황사 알고리즘 개발 (Suh et al., 2002) 등 에어로졸 탐사 알고리즘 개 발에도 많은 발전을 이루어(예를 들면, 김재환 등, 2005; 하종성 등, 2006; Lee et al., 2007;
Kim et al., 2007b; Kim et al., 2008), 위성을 이 용한 에어로졸 관측 연구의 미래는 밝다고 할 수
있다.
위성으로 측정한 에어로졸 광학두께(optical dep- th) 분포를 보면, 오염물질이 주로 배출되는 중국 동해안 산업지역과 그 풍하측에 위치한 지역(황 해, 한반도, 동해, 일본)에서 황사 현상이 빈번한 3월과 4월보다 오히려 6월에 에어로졸 광학적 두 께의 최대값이 관측되었고, 계절 평균으로는 봄 철에 최대값, 가을과 겨울철에 최소값을 나타냈 다(Kim et al., 2007c). 또한 중국에 일정한 에어 로졸 층이 연중 상존하는 것도 발견되었다(Song et al., 2009). 동북아 에어로졸을 먼지, 해염, 황 산염, 블랙카본의 4개 타입으로 분류해 보면 내 적 혼합 가능성이 매우 높았으며(Kim et al., 2007 b) 이는 수치모델이 산정한 에어로졸의 광학두께 와도 비교 검증되었다(Song et al., 2008).
지상 원격 관측도 직접 관측이나 위성관측과 일관된 특성을 보여 선포터미터로 관측한 동북아 지역의 에어로졸 광학적 두께가 유럽이나 북미 지역에 비해 상당히 높았으며(Kim et al., 2004b), 계절적으로 봄철 - 최대, 가을과 겨울철 - 최소, 그리고 장마가 시작되기 전인 6월에 월 최대값을 보였다(Kim et al., 2007c). 한편, 라이다 관측을 통해 황사층의 고도가 중국(4∼5 km)에서 일본(3
km)으로 가면서 낮아지는 경향도 관측되었으며 (Murayama et al., 2001), 라이다와 선포터미터 자료를 이용한 복사전달모델 계산을 통해 황사층 에 의한 대기 가열율이 2∼3 K day—1에 이르고, 가열율의 최대값이 황사층의 가운데에서 나타나 는 것을 밝혔다(Won et al., 2004; Kim et al., 2004c). 라이다 알고리즘의 비교를 통한 신뢰성 검증도 시도되었다(Yoon et al., 2008).
기후변화와 관련한 에어로졸 모델링은 주로 전 지구적인 혹은 지역 규모의 에어로졸 소스, 싱크, 분포 및 이를 바탕으로 하는 에어로졸 복사강제 력 산출로 구분될 수 있는데, 한반도를 포함한 동북아시아 지역에 대한 연구에 대해서는 각 관 련 절에서 다룬다. 이 외에 대기 에어로졸의 화 학적 변환 과정에 대한 모델링 연구는 드물다.
Song et al.(2007)은 동북아시아 대도시에서 발생 한 에어로졸의 물리, 화학적 변환 과정을 라그랑 지안 광화학모형으로 연구하여, 중요 오염 물질 인 질산과산화아세틸(Peroxyacetyl nitrate, PAN) 이 깨끗한 북서태평양의 해양경계층까지 수송되 었을 때, 중요한 이산화질소(NO2)의 소스로 작용 한다는 것을 밝혔다.
6. BC를 포함한 에어로졸 유형: 소스, 싱크, 분포
우리나라에는 대기정책지원시스템(Clean Air Po- licy Support System, CAPSS)이라는 정부 주도의 인위적 배출 목록이 있어, 주요 대기오염물질 (criteria air pollutants, CAPs: 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 암모니아(NH3), 황산화물(SOx), 총미세먼지(Total suspended particle, TSP), 미세 먼지(Particulate matter with an aerodynamic di- ameter less than 10 μm, PM10) 및 휘발성 유기 화합물(Volatile organic compounds, VOCs)의 배 출량을 제공하고 있으나, 에어로졸의 유형에 대 한 배출 정보 및 이들의 싱크나 분포에 대한 연 구는 거의 이루어지지 않은 상황이며 전 세계적
으로 볼 때, 동북아시아에 대한 연구의 대부분은 중국에 초점이 맞추어져 있다. 1980년에서 2000 년까지의 기간 동안 아시아 SO2 배출량은 17 Tg S yr—1으로 빠르게 증가하였는데(Streets et al., 2003), 이러한 결과를 반영하듯 최근 모델 계산 에 의하면 동아시아 지역에서 인위적 황산염 (Sulfur) 에어로졸에 의한 에어로졸 광학적 두께 가 1980년 이후 꾸준히 증가하여, 2006년에는 약 0.14 정도(1980년의 경우 약 0.06이었음)로 추정 되었다(Streets et al., 2009). Bond et al.(2004)의 보고에 의하면 1996년 중국에서 배출되는 유기탄 소의 양이 약 2,111 Gg yr—1이고, 블랙카본(black carbon)의 경우 중국 배출량이 1,365 Gg yr—1, 기 타 아시아 국가 배출량이 727 Gg yr—1로서 전 세 계 배출량 4,626 Gg yr—1의 40 %를 초과하였다.
최근에 Ramana et al.(2010)은 북경, 상하이, 황 해 중에서 북경 에어로졸 플룸(plume)이 가장 높 은 블랙카본/황산염 비를 가지면서 강한 순 복사 온난 정도를 나타내며, 화석연료 연소에 의해 생 성되는 블랙카본이 생체소각에 의한 것의 두 배 정도 온난에 효율적임을 보였다. 급속한 산업화 에 따른 건조 지역의 개발과 전 지구적 온난화 추이에 따른 사막화로 인해 동북아시아에서 황사 발생 가능 지역뿐만 아니라 발생 빈도가 증가하 고 있는 것으로 추정되나(Wang et al., 2008), 황 사의 배출량에서부터 복사 에너지 변화 효과에 이르기까지 불확실성이 상당히 큰 형편이다.
7. 직접 및 간접 복사강제력과 그 영향 국내 연구진에 의한 에어로졸 직접 복사강제력 계산은 2000년대 들어 활발해졌는데, 산출된 값 의 범위는 대기 조건에 따라 또 산출 방법에 따 라 상당히 넓은 범위에서 분포하였다. Won et al.(2004)에 의하면 황사가 심한 날의 에어로졸 직접 복사강제력이 —58.1 Wm-2(지표면)과 —25.7 Wm—2(대기상단), 오염이 심한 날은 —29.0 Wm—2 (지표면)과 —11.6 Wm—2(대기상단)였으나, 에어로
졸 직접복사효율은 황사일에 —94.9 Wm—2/τ(지 표면)와 —41.0 Wm—2/ τ(대기상단)로 오염일 (지 표면: —129.0 Wm—2/ τ, 대기상단: —50.0 Wm—2/ τ)에 비해 더 작았다. Yoon et al. (2005)의 제 주도 고산 산출값은 지표면에서 —80.5 ± 13.2 Wm—2, 대기 상단에서 —29.9 ± 4.9 Wm—2였다. Kim et al.(2010)이 산출한 2001년부터 2008년 기간 동 안 제주도 고산의 연평균 에어로졸 직접 복사강 제력(괄호안: 직접복사강제효율)은 지표면에서 약
—27.55 ± 9.21 Wm—2(—91.85 ± 11.12 Wm—2/ τ 500), 대기상단에서 약 —15.79 ± 4.44 Wm—2 (—53.76 ± 6.70 Wm—2/ τ 500)였으며, 이로 인한 대기의 태양복사 단파 흡수가 약 +11.76 ± 5.82 Wm—2에 이르렀다. Kim et al.(2006c)은 ACE- Asia 기간 에어로졸 직접 복사강제력 —38.3 Wm
—2에 대한 화학성분 별 기여도를 45.7 %는 미네 랄 먼지(황사), 26.8 %는 수용성 성분(황산염, 질 산염, 암모늄, 수용성 OC), 26.4 %는 블랙카본으 로 분류하였다.
모델을 이용한 직접 복사강제력 계산은 ACE- Asia 기간 중 황사 사례 때에 동북아시아 지역 에서 —17 Wm—2(지표면)와 —3 Wm—2(대기상단) 로 산출되었고(Connant et al., 2003), 2001년 봄 철 평균은 대기상단에서 —10 Wm—2였다(Take- mura et al., 2003). ACE-Asia 기간 동안 브라운 카본(brown carbon)의 직접복사강제력도 계산되 었는데, 동아시아 지역 평균값은 —0.43 Wm—2(지 표면)과 +0.05 Wm—2(대기상단)로 빛을 흡수하는 에어로졸(블랙카본 + 브라운카본; 지표면: —2.2 Wm—2, 대기상단 +0.33 Wm—2)의 직접복사 강제 력의 약 15 %에 해당되었다(Park et al., 2010).
국내 연구진의 간접적 복사강제력 연구는 관측 분야에서는 찾기 어렵고, 동아시아 지역에 국한된 간접적 복사강제력 연구는 매우 드문데, Giorgi et al.(2003)이 추정한 인위적 황산염 에어로졸의 직접적, 간접적 효과를 합할 경우 지표냉각이 —0.1
K에서 —1.0 K에 이르렀다. Huang et al.(2006)이
추정한 바에 의하면 인위적(황산염은 물론 다른 에어로졸도 포함) 에어로졸에 의한 구름의 증가 가 중국 산업 지역의 겨울철 밤 기온을 0.7 K 증 가시켜 결과적으로 기온의 일변화가 0.7 K 만큼 줄어드는 것으로 나타났다.
8. 에어로졸-구름-강수-상호작용
에어로졸-구름-강수 상호작용에 대한 이해는 인위적 에어로졸의 영향을 보여 주는 여러 요소 들 중에서도 가장 이해도가 낮다. 구름의 강수효 율은 구름의 미세물리뿐만 아니라 열역학적 특성 이나 종관적 특성과 같은 다른 조건에 의해서도 결정되므로 에어로졸 효과만을 따로 추출해 내기 가 힘들다. 동북아시아 지역에 대한 연구는 심심 치 않게 이루어지고 있으나, 국내 연구자에 의한 연구는 매우 미흡하다. 층운과 같이 대류가 강하 지 않은 구름에서는 에어로졸의 증가에 따른 강 수 억제 효과가 비교적 명확히 관측된 예가 있으 나(Yum and Hudson, 2002), 다른 종류의 구름에 대해서는 관측이 매우 부족할 뿐만 아니라 수치 모의 연구에 있어서도 일관된 방향성을 가진 명 확한 징후가 밝혀지지 않았다(Feingold et al., 2008). 일례로 깊은 대류운의 수치모사에서 구름 응결핵의 수농도가 높을 경우 구름방울이 작아 결빙온도를 낮게 하고, 이에 따라 좀 더 높은 고 도에서 결빙에 의한 잠열 방출이 일어나게 함으 로써 대류를 더 강하게 하고, 결과적으로 오히려 더 많은 강수를 가져올 수 있다(예를 들면, Kha- in et al., 2005; Seifert and Beheng, 2006; Yang and Yum, 2007). 또한 도시의 열섬 효과는 제 2 간접적 에어로졸 효과로부터 기대되는 강수 억제 와 반대로 대류를 강화시켜 강수의 증가를 가져 올 수 있다는 연구도 있다(예를 들면, 한지영과 백종진, 2007; Alpert et al., 2008).
Choi et al.(2008)은 중국의 PM10 농도와 여름 철 강수빈도의 관계를 연구하여 에어로졸 양이 증가할수록 5 mm day—1 이하의 강수빈도는 감소
하지만, 10∼20 mm day—1 강도의 강수빈도가 증 가하는 경향이 있음을 밝히고, 그 이유로 에어로 졸 양의 증가에 따른 대류권 중층에서의 얼음 핵 화과정 강화를 제시하였다. 반면, 최근에 Yum and Cha(2010)는 한국의 9개 기상관측소에서 관 측한 40년 이상의 장기간 강수 자료를 강수강도 별로 분석하여 총 강수량은 증가하고 있으나, 매 우 약한 강도(< 1 mm hr-1)의 강수는 그 빈도수가 감소하는 경향이 있음을 보였으며, 또한 산악형 구름(orographic clouds)의 강수 효율이 감소하는 경향도 감지하였다. 이는 Rosenfeld et al.(2007) 에서 지난 수십년 동안의 에어로졸 증가로 인해 중국의 산악형 구름의 강수효율이 감소했음을 보 인 것과 일맥상통하는 것인데, 이는 제 2 간접적 효과에 의한 강수 효율의 감소를 나타내는 증거 가 될 수 있을 것이다.
9. 결론 및 토의
기후에 미치는 구름과 에어로졸의 영향을 정확 히 알아내는 것은 매우 어려운 작업임에 틀림없 다. 우선 대기에서 일어나는 구름과 에어로졸과 연관된 현상은 매우 방대한 공간 규모를 차지한 다. 일례로 인위적 요인에 의해 생성되는 전구물 질로부터 입자로 변환하는 에어로졸 생성현상은 에어로졸 소스 메카니즘을 이해하는데 매우 중요 한데 나노미터 규모에서 일어난다. 이에 반해 강 수입자는 밀리미터의 반경 규모를 갖는다. 에어 로졸의 영향을 나타내는 공간 규모는 개개의 작 은 적운 규모에서부터 에어로졸-구름-강수의 연 관성을 나타내는 종관규모에 이르기까지 매우 다 양하다. 또한 각각의 규모가 별개로 작동하지 않 고 서로 연관되어 있다. 작은 규모의 에어로졸-구 름 물리과정을 이해하지 못하고 큰 규모에서의 에어로졸 직접적, 간접적 효과, 에어로졸-구름-강 수 연관성을 이해하는 것은 매우 어렵고, 기후에 미치는 에어로졸, 구름의 역할을 이해하는 것은 더더욱 어렵다고 할 수 있다. 기후변화 예측의
불확정성을 줄이려는 궁극적인 목적을 달성하기 위해서는 다양한 규모에서 일어나는 물리적, 기 상학적 현상에 대한 관측적 이해를 바탕으로 이 를 체계화시키는 모델을 개발하는 것이라 할 수 있다. 앞서 언급한 대로 국내 구름과 에어로졸 관련 연구는 에어로졸 지상 관측 분야에서 활발 하고 다른 분야는 상대적으로 활발하지 못하다.
특히 구름 관측 분야는 거의 연구가 없다고 할 수 있는데 그 이유는 관측 자료를 확보할 수 있 는 전용 항공기의 부재에 있다고 할 수 있다. 고 유 기상위성을 보유한 우리나라의 위상에 걸맞게 관측 전용 항공기의 도입이 필요한 시점이다. 구 름과 에어로졸이 동북아 지역 기후에 미치는 영 향을 종합적으로 이해하기 위해서는 구름, 에어 로졸 전문가들이 함께 참여하여 다양한 규모의 현상을 관측, 해석하고, 이를 이론화하는 모델을 개선, 개발하는 작업이 절실히 필요하다. 빠른 시 일 안에 이런 작업이 수행되기를 기대해 본다.
감사의 글
본 연구는 국립환경과학원(Grant NO. 1600- 1637-303-210-13)의 지원에 의해 수행되었습니다.
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