Simulation Skills of RegCM4 for Regional Climate over CORDEX East Asia driven by HadGEM2-AO

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Jour. Korean Earth Science Society, v. 32, no. 7, p. 732−749, December 2011 http://dx.doi.org/10.5467/JKESS.2011.32.7.732

CORDEX 동아시아 지역에서 HadGEM2-AO를

경계조건으로 처방한 RegCM4의 상세 지역기후 모의성능

오석근¹·서명석^1,*·차동현²·최석진³

1

공주대학교 대기과학과, 314-701, 충남 공주시 공주대학로 56

2

국제 태평양 연구센터, 하와이대학교 마노아 캠퍼스, 호놀룰루, HI 96822

3

서울대학교 지구환경과학부, 151-742, 서울시 관악구 관악로 1

Simulation Skills of RegCM4 for Regional Climate over CORDEX East Asia driven by HadGEM2-AO

Seok-Geun Oh¹, Myoung-Seok Suh^1,*, Dong-Hyun Cha², and Suk-Jin Choi³

1

Department of Atmospheric Science, Kongju National University, Chungnam 314-701, Korea

2

International Pacific Research Center, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, HI 96822

3

School of Earth and Environmental Sciences, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea

Abstract: In this study, 27-year (1979-2005) regional climate over the CORDEX East Asia domain was reproduced using a regional climate model, RegCM4, driven by HadGEM2-AO output, and the model’s simulation skill was evaluated in terms of surface air temperature and precipitation. The RegCM4 reasonably simulated the spatial distribution and inter- annual variability and seasonal variability of surface air temperature, while it had systematic biases in the simulation of precipitation. In particular, simulated rainband of East Asian summer monsoon was southward shifted below 30^oN as compared with the observation, thereby, summer mean precipitation over South Korea was significantly underestimated.

Simulated temperature from the RegCM4 driven by the HadGEM2-AO output was comparable to that driven by the reanalysis. However, the RegCM4 driven by the HadGEM2-AO had prominently poor skill in the simulation of precipitation. This can be associated with the distorted monsoon circulations in the driving data (i.e., HadGEM2-AO) such as southward shifted low-level southwesterly, which resulted in the erroneous evolution of East Asian summer monsoon simulated by RegCM4.

Keywords: HadGEM2-AO, RegCM4, CORDEX, simulation skill, East Asian summer monsoon

요 약: 본 연구에서는 HadGEM2-AO 자료를 처방한 RegCM4를 이용하여 CORDEX 동아시아 영역에 대한 27년(1979- 2005)간의 장기적분을 수행하였고, 기온과 강수에 대한 모의성능을 분석하였다. RegCM4는 전반적으로 기온의 공간분 포, 계절 및 경년변동을 현실성 있게 잘 모의한 반면, 강수의 경우 시·공간 분포를 적절히 모의하지 못하였다. 특히, RegCM4는 동아시아 여름몬순에 의한 강수대를 위도 30^oN 이하에서 정체하게 모의하면서 여름철 남한의 강수를 매우 과소하게 모의하였다. HadGEM2-AO를 적용한 RegCM4는 기온모의에서는 재분석자료를 처방한 경우와 유사한 모의성 능을 보이지만, 강수모의에서는 현저히 낮은 모의성능을 보였다. 이는 여름철 남서풍을 상대적으로 저위도에 치우치게 모의하는 HadGEM2-AO의 특성이 RegCM4에 영향을 주어 동아시아 여름몬순 강수대의 발달-쇠퇴과정을 RegCM4가 적절히 모의하지 못하면서 나타난 결과로 판단된다.

주요어: HadGEM2-AO, RegCM4, CORDEX, 모의성능, 동아시아 여름몬순

*Corresponding author: [email protected]

*Tel: +82-41-850-8533

*Fax: +82-41-856-8527

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CORDEX 동아시아 지역에서 HadGEM2-AO를 경계조건으로 처방한 RegCM4의 상세 지역기후 모의성능

733 서 론

최근 인위적 요인에 의한 이산화탄소 등 온실기체 의 급격한 증가로 지구 온난화가 가속화되고 그 결 과 일본, 인도, 호주 등 많은 지역에서 집중호우의 발생 빈도 및 강도가 크게 증가하고 있다(Easterling et al., 2000; IPCC, 2007; Iwashima and Yamamoto, 1993). 남한 역시 지난 20세기 동안 평균기온이 1.5

o

C 상승하였고(Kwon, 2005), 집중호우와 같은 극한 강우현상의 발생일수가 증가되고 있으며 강우강도 및 낙뢰강도도 강해지고 있는 것으로 보고되고 있다(김 찬수와 서명석, 2009; 명지수와 서명석, 2010; 윤희정 외, 2006; Ho et al., 2003; Jung et al., 2002). 앞으 로도 계속해서 지구 평균 온도가 상승할 것으로 예 상되기 때문에 이와 관련하여 나타나게 될 평균 및 극한 기후들의 변화에 대한 관심이 점차 높아지고 있다.

일찍이 이러한 기후 변화의 예측을 위해 전 지구 모델(Global Climate Model: GCM)을 이용한 연구들 이 1970년대 이후부터 활발히 진행되어 왔다(Charney, 1975). 전 지구 모델은 공간적으로는 지구규모와 대 륙규모, 시간적으로는 연 평균, 계절 평균의 기후에 있어 비교적 신뢰성 있는 기후 예측자료를 생산할 수 있는 것으로 평가되고 있다(Latif et al., 1998). 하 지만 수평 해상도가 수백 km인 전 지구 모델을 이용 하여 복잡한 기후시스템의 상호작용으로 기후가 결정 되는 동아시아 영역과 남한에 대한 상세 지역기후 및 미래 기후변화 정보를 얻는 것은 힘들다. 따라서 전 지구 모델에서 생산한 지구 규모의 기후 정보로 부터 국지 규모의 기후 특성을 추출하기 위한 역학 적 규모 축소(Downscaling) 방안인 지역기후모델 (Regional Climate Model: RCM) 에 대한 연구들이 1990 년대 이후부터 활발히 이루어지고 있다(Cha and Lee, 2009; Giorgi and Mearns, 1999a; Lee and Suh, 2000). 이러한 지역기후모델들은 전 지구 모델의 예 측 능력과 양질의 분석장이 주어진다면 다양한 규모 의 시·공간 변동성과 함께 극한 기후의 변동 특성까 지 재생산할 수 있음을 보였다(Hong et al., 2010;

Krichak, 2008; Steiner et al., 2009; Suh and Lee, 2004; Yhang and Hong, 2008).

그러나 지역기후모델들은 모델, 경계조건, 모의영 역, 수평 해상도, 적운모수화방안과 같은 다양한 물 리적 기법 등에 따라 모의결과가 크게 달라진다(이영

호 외, 2008; Giorgi and Shields, 1999b; Im et al., 2007). 최근 들어, 이러한 지역기후모델들의 불확실성 을 평가하고 모의결과를 비교하는 RMIP(Regional climate Model Inter-comparison Project) 또는 CORDEX(COordinated Regional Climate Downscaling Experiment)와 같은 국제 상호 비교 프로젝트들이 활 발히 진행되고 있다(Fu et al., 2005). 또한 CMIP (Coupled Models Inter-comparison Project)과 같은 전구모델 상호비교 연구들을 통해 다양한 기후시나리 오 자료들이 생산되면서 지역기후모델을 이용한 미래 기후변화 예측에 대한 연구들도 탄력을 받고 있다.

현재 국립기상연구소는 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) AR5(Fifth Assessment Report) 의 참여와 우리나라 국가표준 기후변화 시나리 오를 구축하기 위해 영국 해들리 센터의 HadGEM2- AO(Hadley Centre Global Environmental Model, version 2) 를 이용하여 대표농도경로 (Representative Concentration Pathway, RCP) 에 의한 전 지구 기후시 나리오 자료를 산출하고 있다. HadGEM2-AO는 기 본적으로 대기, 해양, 해빙 모델로 구성되어 있어 기 후계 구성요소간의 에너지, 운동량, 수분속 등의 상 호작용을 다룰 수 있고, 동아시아 및 남한에서의 지 표기온 및 강수를 비교적 현실성있게 모의하는 것으 로 알려졌다(이효신 외, 2009). 현재까지 국립기상연 구소는 HadGEM2-AO를 이용하여 관측 강제력에 의 한 156년(1850-2005)간의 과거모의실험을 수행하였 고, 과거모의실험의 마지막 상태로부터 RCP 4종 (RCP 4.5, RCP 6.0, RCP 8.5, RCP 2.X) 을 강제력으 로 주어 미래 기후전망 시나리오를 산출중이다.

본 연구에서는 RegCM4를 이용하여 동아시아 및 남한에서의 신뢰성 있는 미래 상세지역 기후전망 자 료를 생산하기 위해 먼저 국립기상연구소의 과거모의 실험 중 최근 27년(1979-2005)간의 HadGEM2-AO 모의자료를 RegCM4의 경계조건으로 처방하여 기온 과 강수에 대한 모의성능을 분석하고자 하였다.

RegCM4 의 모의수준은 기온과 강수의 공간분포, 계 절 및 경년변동을 중심으로 분석하였다. 또한, 재분석 자료(ERA-Interim(ERA), NCEP/DOE2(R2): National Centers for Enviromental Prediction/Department of Energy)를 경계조건으로 처방한 RegCM4의 기온 및 강수 모의결과를 이용하여 HadGEM2-AO를 강제력 으로 한 RegCM4의 모의성능을 비교·분석해 보았다.

본 논문의 다음 절부터는 본 연구에서 사용한 모

(3)

734

오석근·서명석·차동현·최석진

델과 실험설계에 대해 설명하고, HadGEM2-AO를 처방한 RegCM4의 동아시아 및 남한에서의 현재 지 역기후모의에 대한 분석결과를 기술하였다. 마지막으 로 본 연구에서 밝혀진 결과를 요약하고, 향후 필요 한 연구 내용 및 계획을 제시하였다.

모델 및 실험설계

본 연구에서 사용한 지역기후모델은 ICTP (International Centre for Theoretical Physics) 에서 2010 년 7월에 공개한 RegCM4이다. 이전 버전인 RegCM3 와는 다르게 RegCM4는 예측변수로 SST (Sea Surface Temperature) 를 계산함으로써 SST의 일 변동을 표현할 수 있으며, 지면모형인 BATS에 Sea ice 방안을 다시 복원시켰고, Community Land Model (CLM) 결합 등과 같은 지면경계에서의 물리적 특징 들이 새롭게 추가된 모델이다(ICTP Portal, 2010).

Table 1 은 본 연구에서 사용한 지역기후모델 RegCM4 의 구성을 나타낸다. 모의 영역은 CORDEX 에서 권고한 동아시아 영역으로 남북 방향으로 호주 북단에서 러시아까지, 동서방향으로 티벳고원 서쪽에 서부터 서태평양까지의 광범위한 영역에 해당되며 22.04

^o

N 과 118.96

^o

E 를 중심으로 50 km 수평 해상도 를 갖는 243×197(12150 km×9850 km)개의 수평 격 자로 이루어졌다(Fig. 1). 연직 좌표계는 18층의 시그 마 좌표계이며 적분 시간간격은 100초이다. 경계조건 (ERA-Interim, R2) 및 적운모수화방안(Emanuel, 1991;

Grell, 1993) 을 조합한 1년간의 민감도 실험을 통해, 상대적으로 남한의 강수모의에 있어 더 좋은 모의성

능을 보였던 Emanuel(1991)방안을 적운모수화 방안 으로 채택하였다(오석근 외, 2011). 그리고 행성 경계 층 물리 방안으로 Holtslag et al.(1990) 방안을, 복사 전달 방안으로 NCAR CCM3(Kiehl et al., 1996)를, 지면 모형으로 NCAR CLM3.5를 사용하였다(Oleson et al., 2008).

본 연구에서는 향후 RegCM4를 이용한 신뢰성 있는 미래 상세 지역기후변화 정보 산출을 목표로 먼저 현 재 기후에 대한 RegCM4의 모의성능을 검증하기 위해 국립기상연구소에서 제공하고 있는 HadGEM2-AO 모 의자료를 모델의 경계조건으로 처방하여 CORDEX 동 아시아 영역에 대한 27년(1979-2005)간의 장기적분을 수행하였다. 모델 안정화 기간(spin-up time)을 고려 하여 1979년을 제외한 26년(1980-2005)에 대해 모의

Table 1. Model configuration used in this study

Contents Description

Domain

CORDEX framework -50-km horizontal resolution

-Central Lat. and Lon.: 22.04^oN, 118.96^oE -197 (Lat.)×243 (Lon.)

Map projection Lambert Conformal Vertical layers (top) sigma (74 hPa) PBL scheme Holtslag

CPS MIT-Emanuel

Land surface model NCAR CLM3.5

Radiation NCAR CCM3

Boundary data HadGEM2-AO Spectral nudging Yes

Simulation period Jan. 1979-Dec. 2005

Fig. 1. Model domain and topography (m) for the 50 km grid spacing and the distribution of 59 observation stations in South Korea. a) South-Korea, b) North-China, c) South-China, d) Mongolia, e) India.

(4)

735

성능을 분석하였다. 육지와 해양에서의 강수를 연속 성 있게 검증하기 위해 지상관측과 위성관측이 통합 된 강수자료인 GPCP(Global Precipitation Climatology Project) 자료와 지상 기온 관측자료로 CRU-TS (Climate Research Unit Time-Series) 3.0 자료 (CGIAR CSI Portal, 2010), 기상청 소속 59개 관측 지점의 기온, 강수자료를 이용하였다. 그리고 하층 바람장 및 기온 분석을 위해 R2 자료를 이용하였다.

연구 결과

Fig. 2 는 26년(1980-2005) 평균 여름과 겨울의 CRU 기온 그리고 모델과 CRU 사이의 차를 나타낸 다. 전반적으로 동아시아 대륙의 여름 및 겨울철 기 온 모의에서 지리적 위치와 지형에 따른 특징이 잘

나타난다. 즉, 고위도로 갈수록 기온이 낮아지며, 티 벳고원과 같은 높은 지형에서 기온이 낮게 분포한다.

RegCM4 는 여름철 기온의 경우 고위도 지역은 관측 보다 1-2

^o

C 높게, 대부분의 저위도 지역(인도를 제외 한)은 관측보다 1-3

^o

C 낮게 모의하였지만 전반적으로 관측과 비교하여 기온의 공간분포를 잘 모의하였다.

그러나 겨울철의 경우 위도 45

^o

N을 기준으로 고위도

는 약 7

^o

C 정도 높게, 저위도 지역은 약 7

^o

C 정도

기온을 낮게 모의하고 있어 남북온도경도차가 관측에

비하여 현저히 약하게 나타났다. 이 결과는 RegCM4

가 겨울철에 고위도 지역에서 관측보다 기온을 더

높게 모의함을 보였던 Gütter(2011)의 결과와 그리고

RegCM4 의 이전 버전인 RegCM3에서도 고위도 지역

에서 기온을 높게 모의함을 보였던 많은 선행 연구

들(Krichak, 2008; Steiner et al., 2009; Zhang et al.,

Fig. 2. Spatial distribution of CRU surface air temperature (^oC) and surface air temperature differences (^oC) between RegCM4 and CRU during summer (JJA) and winter (DJF) for 26 years (1980-2005).

(5)

736

2008) 의 결과와도 일치한다. 선행 연구들은 이와 같 은 현상을 대규모의 순환보다는 지역규모의 물리과정, 특히 겨울철 눈과 관련된 물리과정에서 나타난 모델의 계통오차로 설명하고 있다. 전반적으로 RegCM4는 겨 울보다는 여름에 기온의 공간분포를 잘 모의하였다.

Fig. 3 은 26년(1980-2005) 평균 여름과 겨울의 GPCP 강수량 그리고 모델과 GPCP 사이의 차를 나 타낸다. 동아시아의 여름철 강수대는 인도에서 중국 남부, 남한, 일본 열도까지 넓게 분포하고 있으며 남 한 전 지역에 크게 영향을 주고 있음을 알 수 있다.

전반적으로 RegCM4는 동아시아 여름몬순과 관련된 강수대를 어느 정도 잘 모의하지만 고위도로 북상시 키지 못하고 북위 7-30

^o

N 사이에서 강수대를 모의하 였다. 그 결과, 남중국해와 서태평양에서는 관측보다 약 2-18 mm/day의 많은 강수를 모의한 반면, 상대적 으로 산둥반도를 비롯한 남한에서 2-4 mm/day 정도

강수를 적게 모의하였고, 인도의 전 지역에서도 강수 를 4-6 mm/day 정도 과소하게 모의하였다. 겨울철 강수의 경우 RegCM4는 동아시아 대륙의 대부분의 지역에서 관측과 유사하게 강수의 공간분포를 모의하 였고, 뿐만 아니라 겨울 몬순과 관계되어 일본의 북 서 지역에서 나타나는 강수대의 패턴을 잘 모의하였 다. 하지만 상대적으로 관측보다 강수대를 강하게 모 의하면서 일본을 비롯한 남한 전 지역에서 강수를 관측보다 많이 모의하고 있다.

Fig. 4 는 RegCM4가 모의한 26년 평균 여름과 겨

울 기온과 강수결과를 2중 선형 보간법(Bilinear

interpolation) 을 이용하여 남한 59개 관측지점의 값으

로 산출한 뒤 관측값과 차이를 나타낸 것이다. 이때,

기온의 경우 내삽 과정시 모델에 처방된 고도와 관

측지점과의 고도차에 기온감률(0.65

^o

C/100 m)을 적용

한 고도보정을 실시하였다. 50 km 수평 해상도를 고

Fig. 3. Same as Fig. 2 except for precipitation (mm/day).

(6)

737

려했을 때, RegCM4는 남한에서의 지형의 영향에 의 한 기온의 공간분포를 잘 모의하였지만 전반적으로 관측보다 기온을 낮게 모의하였다. 특히, 여름철의 경우 대부분의 내륙에서 관측보다 약 2-4

^o

C 낮게 모 의하였고, 겨울철의 경우 해안가를 제외한 내륙지역 에서 기온을 1-2

^o

C 낮게 모의하였다. 겨울철 해안가 에서 기온이 높게 나타나는 원인은 내삽하는 과정에 서 해양의 격자점 값들의 영향을 받은 것으로 판단 된다. 한편, 강수의 경우 RegCM4는 여름철에는 남 한 전 지역에서 2-5 mm/day 정도 과소하게, 겨울철 에는 약 0.2-1 mm/day 과대하게 모의하였다. 이는 앞 에서 설명한 것처럼 각각 여름철 강수대를 고위도로 북상시키지 못했던 것과 그리고 겨울몬순과 관계되는 강수대를 강하게 모의했던 것과 관계된다.

Fig. 5 에서부터 Fig. 8은 관측과 RegCM4가 모의한

CORDEX 동아시아 전체 영역 및 각 지역별 분석영

역에서의 기온과 강수의 계절 변동과 경년변동을 나

타낸 것이다. 기온의 경우 육지지역에 대해서만, 강

수의 경우 육지와 해양을 포함하여 영역 평균을 하

였으며 각 분석영역에 대한 위·경도 정보는 Table 2

와 같다. 그리고 각 분석영역에서의 기온과 강수의

변동 특성을 잘 표현하기 위해 y축 크기를 각 지역

에 따라 다르게 나타내었다. Figs. 5와 6은 RegCM4

가 모의한 20년 월평균 기온과 강수량에 대한 계절

변동을 각각 CRU, GPCP와 비교하여 각 지역별로

나타낸 것이다. RegCM4는 지역에 관계없이 기온의

계절변동을 CRU와 비교하여 거의 유사하게 모의하

였다. 인도와 몽골을 제외한 대부분의 지역에서

Fig. 4. Differences between RegCM4 and observation for (A) temperature (^oC) and (B) precipitation (mm/day) during summer (JJA) and winter (DJF) in South-Korea for 26 years (1980-2005).

(7)

738

RegCM4 는 계절에 관계없이 대체적으로 기온을 관측 보다 낮게 모의하였고 남한의 경우 여름철에 약 2-4

o

C 정도 더 낮게 모의하였다. 인도의 경우 RegCM4 는 겨울과 봄에는 관측보다 기온을 낮게, 여름과 가 을에는 관측보다 기온을 높게 모의하고 있으며 여름 과 겨울의 결과는 앞의 공간분포 결과와 일치한다.

강수 계절변동의 경우 RegCM4는 각 지역에 따라 모의성능이 상이하게 나타났다. CORDEX 동아시아 영역에서 RegCM4는 GPCP와 비교하여 비교적 현실 적으로 강수의 계절변동을 모의하고 있으나 여름과 겨울동안에 GPCP보다 강수를 더 많이 모의하고 있 다. 남한과 인도의 경우 RegCM4는 여름철 강수를 현저히 과소하게, 몽골의 경우 계절에 관계없이 강수

를 과다하게 모의하고 있으며, 남중국과 북중국 역시 여름과 겨울동안의 강수를 잘 모의하지 못하였다.

Figs. 7 과 8은 RegCM4가 모의한 연평균 기온과

강수의 경년변동을 각각 CRU, GPCP와 비교하여 나

타낸 것이다. 이때 변동성에 집중하기 위해서 각각의

시계열에서의 평균값을 제거한 후 결과를 나타내었

다. 지난 26년 동안 동아시아의 연평균 기온은 상승

하는 경향을 보였으며 각 지역에서도 이러한 현상이

뚜렷하게 나타났다. RegCM4는 관측에서 나타나는

26 년 동안의 연평균 기온의 상승 경향을 잘 모의하

고 있으며 특히, 관측보다 연평균 기온의 상승폭을

더 크게 모의하는 특성을 보였다. 각 분석영역에 따

라 다소 차이는 있지만 전반적으로 RegCM4는 기온

Fig. 5. Time series of monthly mean air temperature (^oC) of CRU (black solid line) and RegCM4 driven by HadGEM-AO for each region.

(8)

739

의 상승 및 하강하는 경년변동 패턴 및 변동 폭의 절대치에 있어 비교적 관측과 유사하게 모의하였다.

그러나 연평균 강수의 경년변동의 경우 RegCM4는 기온에 비해 변동성 및 변동경향을 잘 모의하지 못 하고 있으며 각 지역에 따라서도 현격한 차이를 보 였다. 위의 계절 및 경년변동 결과를 통해 RegCM4 는 과거 선행 연구들(Im et al., 2007; Kang et al., 2005; Suh and Lee, 2004) 에서 이용된 지역기후모델 (RegCM2, RegCM3 등)들과 유사하게 강수보다는 기 온에서 더 좋은 모의성능을 보임을 알 수 있다.

동아시아 여름 몬순은 세 번의 정체와 3단계의 급 격한 북쪽 이동을 반복하면서 발달-소멸한다(Ding, 1991; Huang et al., 1997). 첫 번째 이동은 5월 초

중국 남부 지역(16-18

^o

N) 에서 나타나고, 6월초에 양

쯔강 유역에서부터 일본 열도까지 주요 강수대가 발

달하며, 7월초에 남한과 중국 동북부 지역에 영향을

준다. Fig. 9는 이중 7월초 남한까지 발달하는 강수

대를 RegCM4가 잘 모의하는지 알아보기 위해 경도

126-130

^o

E 사이를 수평 평균하여 강수대의 시간-위도

변화를 GPCP와 비교하여 나타낸 것이다. 동아시아

여름몬순과 관련된 강수대는 5월 중순부터 북상하기

시작하여 7월 중순 이후 점점 쇠퇴하는 모습을 보여

준다. 이때 6월초부터 8월말 까지 남한(두 점선 내부영

역)에 영향을 주고 있다(Fig. 9a). 전반적으로 RegCM4

는 동아시아 여름몬순에 의한 강수대의 발달과 쇠퇴

과정을 잘 모의하지 못하고 있다(Fig. 9b). 특히, 5월

Fig. 6. Time series of monthly mean precipitation (mm/day) of GPCP (black solid line) and RegCM4 driven by HadGEM-AO for each region.

(9)

740

말에서 6월초에 약 10-16 mm/day의 강한 강수대가 발생하지만 중위도(30-40

^o

N) 지역에까지 발달하지 못 하고 위도 30

^o

N 이하에 머물다 소멸하고 있으며, 상 대적으로 약한 5-6 mm/day의 강수대가 7월 동안 남 한에 영향을 주다 7월 말에 소멸하였다. 그 결과 8월 동안에 남한은 동아시아 여름몬순 영향권에 벗어나 있다. 이는 앞의 계절변동 결과에서 남한에서의 여름 철 강수가 현저히 적게 모의된 것과 연결된다.

지금까지 강수특성에 대한 지역기후모델들의 모의 수준을 분석하는 연구들은 주로 평균 강수량에 대해 이루어져 왔지만 향후 지역별 기후 특성에 따른 모 델의 모의수준을 향상시키기 위해서는 강수강도, 강 수 빈도수 등에 대한 연구들도 필요하다. Fig. 10은

26 년(1980-2005) 여름동안의 지상 관측 강수량과 RegCM4 가 모의한 강수를 강수 강도별 강수량과 빈 도수 분포로 월별과 여름 전체에 대해서 나타낸 것 이다. 이때, 관측 강수량은 남한에서 관측된 일 누적 강수자료를 이용하였으며, RegCM4의 모의강수는 관 측지점의 위·경도로 내삽한 일 강수 모의결과를 이 용하였다. 관측 강수량은 25-100 mm/day 중심으로 정규형 분포를 나타내고 있으며 강수의 약 55%가 이 구간에서 발생되고 있다. 반면, RegCM4에 의한 강수량은 25 mm/day 이하에서 54% 이상 발생되고 있으며, 약한 강수에서는 관측보다 많이, 25 mm/day 이상의 강한 강수에서는 관측보다 적게 발생되었다.

강수빈도의 역시 RegCM4는 강수강도가 강할수록 강

Fig. 7. Inter-annual variation of annual mean temperature anomaly (^oC) of CRU and RegCM4 over each region for 26 years (1980-2006).

(10)

741

수빈도수를 적게 모의하는 전반적인 형태는 관측과 유사하게 모의하였으나 강수강도가 5 mm/day 이하인 약한 강수에서 관측보다 약 2배 정도 더 많이 모의 하였으며 50 mm/day 이상인 강한강수에서는 상대적 으로 2배 이상 적게 모의하였다. 우리나라의 경우 강

수강도가 큰 집중호우 현상이 7-8월에 많이 발생하는 데 비해 RegCM4는 이를 적절히 모의하지 못하였다.

이는 동아시아 여름몬순 모의에서 나타났듯이 5월말- 6 월초에 발생한 강한 강수대가 7월-8월에 북상하지 못하고 위도 30

^o

N 이하에서 머물다가 소멸하는 것과 연결된다.

Table 3 은 CORDEX 동아시아 영역에 대한 RegCM4 의 모의성능을 정량적으로 분석하기 위해 모델이 모 의한 기온, 강수결과와 관측 자료인 CRU와 GPCP 간의 통계적 검증(편의: Bias, 평균 제곱근 오차:

Root Mean Square Error(RMSE), 공간상관계수:

Spatial correlation coefficient) 을 나타낸 것이다. 이 때, 기온은 육지 지역만, 강수는 육지와 해양을 포함

Fig. 8. Inter-annual variation of annual mean precipitation anomaly (mm/day) of GPCP and RegCM4 over each region for 26 years (1980-2006).

Table 2. Information of latitude and longitude for the analysis regions

Analysis region Latitude (^oN) Longitude (^oE)

South-Korea 34-38 126-130

North-China 40-50 120-130

South-China 24-30 112-118

Mongolia 42-47 100-112

India 12-18 75-80

(11)

742

한 전 지역에 대해 분석을 실시하였다. 기온의 경우 RegCM4 는 CRU 보다 평균 −0.9

^o

C 기온을 낮게 모 의하지만 계절에 관계없이 0.93 이상의 높은 공간상 관성을 보이고 있어 관측과 유사하게 기온의 공간분 포를 모의함을 알 수 있다. 상대적으로 겨울철에 가 장 큰 평균 제곱근 오차가 나타났는데 이는 RegCM4 가 겨울철 기온을 고위도는 높게, 저위도는 낮게 모 의하면서 남북 간의 온도경도를 약하게 모의한 것과 관련되어 보인다. 한편, 강수의 경우 RegCM4는 전 반적으로 GPCP보다 강수를 0.22 mm/day 정도 과다 하게 많이 모의하였고, 중규모 시스템에 의해 강수가 발생하는 여름에 가장 낮은 모의성능을 보였다. 또한 RegCM4 는 상대적으로 기온보다 작은 0.42의 낮은 공간상관성을 보이고 있어 전반적으로 강수의 공간분 포를 잘 모의하지 못하는 것을 알 수 있다.

지역기후모델의 모의수준 한계에 대한 HadGEM2- AO 를 처방한 RegCM4의 모의성능을 비교 분석하기 위해 2개의 재분석 자료(ERA, R2)를 처방한 RegCM4 의 기온, 강수결과를 이용하여 CORDEX 동아시아 영 역 및 남한에 대한 통계적 분석을 실시하였다. 이때 재분석 자료를 처방한 RegCM4의 모의결과는 본 연구 에서 이용한 모델설정과 동일한 환경이며 적분기간은 20 년(1989-2008)이다(Suh et al., 2011). HadGEM2-AO 와 재분석 자료를 처방한 RegCM4의 모의성능을 비 교·분석하기 위해 동일기간(1989-2005)의 기온, 강수 자료를 이용하였다. Figs. 11과 12는 CORDEX 동아 시아 영역에 대한, Figs. 13과 14는 남한 영역에 대

한 기온과 강수의 통계값을 각각 나타낸 것이다. 이 때 가로축은 편의를, 세로축은 공간상관성을, 그리고 각 표식의 크기는 평균 제곱근 오차의 크기를 의미 한다.

Fig. 11 은 CORDEX 동아시아 영역에 대한 기온의 통계분석 결과로 HadGEM2-AO를 처방한 RegCM4 는 계절에 관계없이 재분석 자료를 처방한 경우와 비교하여 CORDEX 동아시아 영역에서의 기온의 공 간분포를 비교적 잘 모의하였다(R>0.92). 전반적으로 모든 계절에서 관측보다 기온을 낮게 모의하였고 상 대적으로 R2를 처방한 경우와 유사한 성능을 보였으 며 가을과 겨울에는 R2의 경우보다 더 좋은 모의성 능을 보였다. 그러나 강수의 경우 모든 계절에서 편 의가 0 에 가깝게 나타났지만 재분석 자료를 처방한 경우보다 더 낮은 공간 상관성을, 더 큰 평균 제곱근 오차를 보여 상대적으로 낮은 모의성능을 보였다 (Fig. 12).

전반적으로 남한에서의 RegCM4의 모의성능은

CORDEX 동아시아 영역의 경우보다 더 낮게 나타났

으며 ERA를 처방한 RegCM4가 상대적으로 좋은 모

의성능을 보였다(Figs. 13 and 14). HadGEM2-AO를

처방한 경우 RegCM4는 기온 모의에 있어 대체적으

로 재분석 자료를 처방한 경우에 비해 평균 제곱근

오차가 크게 나타났으며 여름철에 가장 낮은 모의성

능을 보였다. 하지만 대부분의 계절에서 재분석 자료

를 처방한 경우와 비교할 만한 공간 상관성을 보여

HadGEM2-AO 자료를 강제력으로 처방하여도 RegCM4

Fig. 9. Time-latitude cross section of zonally averaged precipitation (mm/day) along 126-130°ýE for 26 years (1980-2005) period. The area within the two dotted line is corresponded to the area of South-Korea.

(12)

743

Fig. 10. Ratio distribution of daily precipitation amount and frequency over South Korea according to the precipitation intensity for June, July, August, and Summer of 26 years (1980-2005) period. 'OBS' represents the observed daily precipitation.

(13)

744

는 남한에서의 기온의 공간적 분포의 특성을 어느 정도 모의할 수 있음을 알 수 있다(Fig. 13). 그러나 강수의 경우 전반적으로 재분석 자료를 처방한 경우 보다 현저히 낮은 모의성능을 보였으며, 특히 여름철 강수에 있어 편의와 평균 제곱근 오차가 재분석 자 료의 경우보다 약 2배 정도 크고 공간상관성 또한 0 에 가깝게 나타나 남한에서의 여름철 강수현상을 잘 모의하지 못함을 알 수 있다(Fig. 14). 이는 앞에서도 언급했듯이 동아시아 여름몬순 강수대를 7-8월에 고 위도로 북상시키지 못하는 것과 연결된다.

여름철에 동아시아 몬순 강수대를 고위도로 북상시

키지 못하는 원인을 분석하기 위해 850 hPa에서의 하층 바람장과 기온을 분석하였다(Fig. 15). 검증자료로 R2 자료를 이용하였으며 모델(HadGEM2-AO, RegCM4)과 재분석 자료간의 하층 바람장의 차의 경우 그 값이 매우 작아 값에 3을 곱하여 나타내었고 이에 함께 바람세기의 정보를 제시하였다. Fig. 15a는 R2 자료 의 26년(1980-2005) 여름 평균 850 hPa 바람장 및 기온의 공간분포를 나타낸 것이다. 재분석 자료를 통 해 여름철 하층 기온은 티벳을 중심으로 동아시아 대륙에서 높게 나타나고 그 결과 대륙에 저기압이 생기고 이와 함께 인도에서부터 불어오는 소말리아

Fig. 11. Statistical validation of surface air temperature (^oC) simulated by RegCM4 driven by reanalysis data (ERA, R2) and HadGEM2-AO over CORDEX-East Asia for 17 years (1989-2005).

Table 3. Statistical validation of surface air temperature and precipitation simulated by RegCM4 over CORDEX-East Asia for 26 years (1980-2005)

Statistical valid. Variable Annual Spring Summer Autumn Winter

Bias Temp. (^oC) -0.9 -1.9 -0.26 -0.97 -0.46

Precip. (mm/day) 0.22 0.06 0.19 -0.09 0.72

RMSE Temp. (^oC) 3.59 3.74 2.74 3.15 4.74

Precip. (mm/day) 4.84 3.7 6.47 4.82 4.35

Spatial corr. Temp. 0.96 0.97 0.93 0.97 0.97

Precip. 0.42 0.44 0.37 0.42 0.47

(14)

745

Fig. 12. Same as Fig. 11 except for precipitation (mm/day).

Fig. 13. Same as Fig. 11 except for South-Korea.

(15)

746

제트와 동아시아 몬순 남서풍이 강하게 나타나면서 중국 남부와 남한에 영향을 주고 있음을 알 수 있다.

RegCM4 의 경계조건으로 처방되는 HadGEM2-AO는 R2 재분석 자료보다 고위도(>40

^o

N) 지역에서 기온을 더 높게, 상대적으로 티벳과 일본 열도에서 기온을 낮게 모의하였고, 동아시아 여름 몬순 남서풍을 상대 적으로 일본 남쪽 해양으로 치우치게 모의하였다 (Fig. 15b). 그 결과 인도에서 불어오는 강한 하층 제 트류는 고위도로 향하지 못하고 일본 남쪽 부근으로 집중되고 상대적으로 남한과 중국 남부지역은 동아시 아 여름 남서풍의 영향을 약하게 받았다. 이러한 현 상은 HadGEM2-AO를 경계조건으로 처방한 RegCM4 에서 더욱 뚜렷하게 나타나고 있다(Fig. 15c). 즉, HadGEM2-AO 는 여름철에 인도에서부터 중국남부, 남한에까지 이어지는 남서풍을 상대적으로 일본 남쪽 해양부근에 치우치게 모의하면서 이를 처방한 RegCM4 에서도 같은 현상이 나타남에 따라 동아시아 여름몬순과 관계된 강수대를 고위도로 북상시키지 못 하여 남한에서의 여름철 강수를 잘 모의하지 못했던 것으로 판단된다.

요약 및 토의

본 연구에서는 신뢰성 있는 미래 상세 지역기후변화 정보 산출을 목표로 먼저 현재기후에 대한 RegCM4의 모의성능을 검증하기 위해 국립기상연구소에서 제공 하고 있는 HadGEM2-AO 전구자료를 모델의 경계조 건으로 처방하여 CORDEX 동아시아 영역에 대한 27 년(1979-2005)간의 장기적분을 수행하였다. RegCM4의 동아시아 영역 및 남한에서의 모의성능을 검증하기 위해 전 지구 강수자료인 GPCP와 CRU-TS 3.0 기 온, 그리고 기상청 소속 59개 관측지점의 기온, 강수 자료를 이용하였다.

RegCM4 는 계절에 관계없이 지형 및 지리적 특성

에 따른 기온의 공간분포를 잘 모의하였지만 대체적

으로 고위도에서는 CRU보다 높게, 저위도에서는

CRU보다 낮게 모의하였고, 이러한 현상은 겨울철에

뚜렷하게 나타났다. 강수의 경우 RegCM4는 여름철

동아시아 몬순과 관계되는 강수대를 어느 정도 잘 모

의하지만 고위도로 북상시키지 못하고 북위 7-30

^o

N

사이에서 강수대를 강하게 모의하였다. 그 결과 남중

Fig. 14. Same as Fig. 11 except for precipitation (mm/day) over South-Korea.

(16)

747

국해와 서태평양에서는 GPCP보다 강수를 과다하게 모의한 반면, 상대적으로 산둥반도를 비롯한 남한에 서의 강수를 적게 모의하였다. RegCM4는 CRU와 비교하여 기온의 계절변동 및 경년변동을 현실성 있 게 모의하였고 CRU와 유사하게 지구 온난화와 관련 된 기온의 상승 경향을 잘 모의하였다. 강수의 경우 RegCM4 는 계절변동 및 경년변동을 잘 모의하지 못 하였고 지역에 따라 모의성능이 상이하게 나타났다.

특히, 남한의 경우 여름철 강수를 현저히 적게 모의 하고 있는데 이는 동아시아 여름몬순에 의한 강수대 가 7월-8월에 고위도로 북상하지 못하고 위도 30

^o

N 에서 정체하게 모의되는 것과 관련이 있다. 남한에서 의 강수강도별 강수량 및 강수빈도 모의에서도 RegCM4 는 전반적으로 약한 강수는 관측보다 많이, 강한강수에서는 관측보다 적게 모의하였으며 특히 여 름에는 관측보다 2배 이상 강수를 과소하게 모의하 였다.

전반적으로 HadGEM2-AO를 처방한 RegCM4는 기온 모의에서 어느 정도 재분석자료를 처방한 경우 와 유사한 모의성능을 보이지만 강수모의에 있어 현 저하게 모의성능이 낮았다. 특히, 남한의 여름철 강 수모의에서 공간 상관성(강수량)을 현저히 낮게(적게) 모의하였다. 이는 HadGEM2-AO가 여름철에 인도에 서부터 중국남부, 남한에까지 이어지는 남서풍을 상 대적으로 일본 남쪽 해양부근에 치우치게 모의하면서 이를 처방한 RegCM4에서도 같은 현상이 나타나게 되고 그 결과 동아시아 몬순과 관계된 강수대를 고 위도로 북상시키지 못하여 남한에서의 여름철 강수를 잘 모의하지 못했던 것으로 판단된다.

본 연구의 결과는 RegCM4를 이용한 미래 상세 지역기후변화 정보 산출을 위한 첫 번째 과정으로 전 지구모델 자료를 경계조건으로 한 RegCM4의 현 재기후 모의성능을 검증하는 데 의의가 있다. 이 결 과는 향후 미래 시나리오 결과의 해석과 CORDEX 동아시아 영역을 모의영역으로 설정한 지역기후모델 들간의 모의성능 비교 및 다중 모델 앙상블 기법 도 입 시 기초자료로 이용될 수 있을 것이다. 전반적으 로 HadGEM2-AO를 처방한 RegCM4는 기온 모의에 서는 비교적 재분석 자료를 처방한 경우와 비교할 만한 모의성능을 보였지만 여름철 강수에서 현저히 낮은 모의성능을 보였다. 이는 대부분의 지역기후모 델은 갖는 한계로 다중 모델 앙상블 기법 등을 통해 어느 정도 강수에 대한 불확실성을 감소시킬 수 있

Fig. 15. 26 years (1980-2005) averaging 850 hPa winds (m/

s) and temperature (^oC) of (a) reanalysis data (R2), and (b) difference between HadGEM2-AO and reanalysis data, and (c) difference between RegCM4 driven by HadGEM2-AO and reanalysis data for the summer season.

(17)

748

을 것이다. 따라서 HadGEM2-AO를 강제력으로 하 여 동아시아 및 남한에서의 기온과 강수에 대한 미 래 시나리오 자료를 생산하고 이와 함께 다중 모델 앙상블 기법등과 같이 지역기후모델들의 불확실성을 감소시키는 연구들이 함께 진행된다면 보다 신뢰성 있는 미래기후 정보를 생산할 수 있을 것으로 판단 된다. 향후 본 연구는 국립기상연구소의 RCP 4.5와 RCP 8.5 를 강제력으로 한 HadGEM2-AO의 미래기 간의 모의자료를 RegCM4의 경계조건으로 처방하여 동아시아 및 남한에서의 미래(2005-2050) 상세 지역 기후변화에 대한 연구를 진행할 계획이다.

사 사

본 연구는 “기후변화 감시·예측 및 국가정책 지원 강화사업”의 일환으로 기후과학연구관리단(RACS 2010-2014) 의 지원으로 수행되었습니다.

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2011년 10월 28일 접수 2011년 12월 9일 수정원고 접수 2011년 12월 15일 채택