Future Climate Projection over East Asia Using ECHO-G/S

ⓒ Korean Meteorological Society, 2007 55

ECHO-G/S를 활용한 미래 동아시아 기후 전망

차유미^*․이효신․문자연․권원태․부경온

기상연구소 기후연구실

(2006년 11월 23일 접수; 2007년 1월 24일 승인)

Future Climate Projection over East Asia Using ECHO-G/S

Yu-Mi Cha

, Hyo-Shin Lee, JaYeon Moon, Won-Tae Kwon and Kyong-On Boo Climate Research Laboratory, Meterological Research Institute, KMA

(Manuscript received 23 November 2006; in final form 24 January 2007)

Abstract

Future climate changes over East Asia are projected by anthropogenic forcing of greenhouse gases and aerosols using ECHO-G/S (ECHAM4/HOPE-G). Climate simulation in the 21st century is conducted with three standard SRES scenar- ios (A1B, B1, and A2) and the model performance is assessed by the 20th Century (20C3M) experiment. From the present climate simulation (20C3M), the model reproduced reliable climate state in the most fields, however, cold bias in temper- ature and dry bias of summer in precipitation occurred. The intercomparison among models using Taylor diagram indicates that ECHO-G/S exhibits smaller mean bias and higher pattern correlation than other nine AOGCMs. Based on SRES scenarios, East Asia will experience warmer and wetter climate in the coming 21st century. Changes of geographical patterns from the present to the future are considerably similar through all the scenarios except for the magnitude difference.

The temperature in winter and precipitation in summer show remarkable increase. In spite of the large uncertainty in simulating precipitation by regional scale, we found that the summer (winter) precipitation at eastern coast (north of 40°N) of East Asia has significantly increased. In the 21st century, the warming over the continents of East Asia showed much more increase than that over the ocean. Hence, more enhanced (weakened) land-sea thermal contrast over East Asia in summer (winter) will cause strong (weak) monsoon. In summer, the low pressure located in East Asia becomes deeper and the moisture from the south or southeast is transported more into the land. These result in increasing precipitation amount over East Asia, especially at the coastal region. In winter, the increase (decrease) of precipitation is accompanied by strengthening (weakening) of baroclinicity over the land (sea) of East Asia .

Key words: future climate change, SRES scenarios, East Asian monsoon

*Corresponding Author: Yu-Mi Cha, Climate Research Laboratory, Meteorological Research Institute, 460-18 Sindae- bang-2dong, Dongjak-gu, Seoul 156-720, Korea.

Phone : +82-2-846-2852, Fax : +82-2-846-2853 E-mail: [email protected]

1. 서 론

IPCC (2001)에 보고된 관측 기록에 따르면, 지난 100년간 전 지구 평균기온은 약 0.6^oC 상승하였으며, 근래 20년은 계기관측이래 가장 온난화가 두드러진 기 간이었다. 이와 더불어 대기 중 CO2 농도도 1975년 이 후 31% 증가하였는데 이는 420,000년간 유례를 찾아

볼 수 없는 증가율이었다. 이러한 최근의 이상적인 온 난화 추세와 온실가스의 증가는 인위적인 온실가스 배 출이 온난화를 야기시키는 주범이며, 일반적인 자연적 기후변동성 범위를 벗어난 현상임을 입증한다 (Meehl et al., 2003; Meehl et al., 2004). 뿐만 아니라 이러한 기후변화는 비단 이상기후 현상을 겪는 것에 지나는 것이 아니라 식량공급, 수자원 공급, 인간의 건강, 생태 계와 사회 경제적 분야에까지 심각한 영향을 미칠 것 으로 예상되고 있어 지구온난화에 대한 많은 연구가 절실히 요구되는 상황이다.

지구온난화에 대한 우려가 높아짐에 따라 세계 각 국에서는 UN 기후변화 협약과 같은 국제적인 협력을 통해 온실가스 감축을 위한 자성적인 노력들을 기울이

고 있다. 기후변화에 관한 정부간 패널인 IPCC는 세계 인구의 증가, 산업․기술 전반의 발달에 따른 다양한 배출 시나리오 (Speical Report Emissions Scenarios;

이하 SRES)를 각 국의 기관에 제공하여 기후전망을 위한 활발한 연구가 이루어질 수 있도록 촉구하고 있 다. 현재 4차 평가보고서 (이하 AR4) 발간을 앞두고 11개 국가에서 23개의 기후모델이 참여하고 있는데, 우리나라는 독일 막스플랑크 연구소 (이하 MPI)에서 도입된 ECHO-G/S를 수행하고 있다. ECHO-G/S는 3차 보고서 (이하 TAR)에 기여한 바 있는 ECHO-G (ECHAM4/ HOPE-G)의 최신버전으로, 황산염 에어 러솔 효과를 고려할 수 있는 모델이다. 에어로솔은 대 기 중 태양복사와 적외복사를 산란하고 흡수하기 때문 에 직접적인 복사강제력일 뿐만 아니라 눈과 얼음 그 리고 혼합성 구름의 형성과 강수효율을 변화시켜 간접 적으로 복사강제력에 영향을 준다. 에어러솔 효과는 일반적으로 냉각효과를 주는 것으로 나타나지만, 이를 제외한 기후변화에 미치는 영향은 거의 알려진 것이 없다 (Mitchell and Johns, 1997; Min et al., 2006). 그 럼에도 불구하고 여러 모의실험들은 온실가스와 인위 적 에어로솔 요인 모두를 포함한 결과가 온실가스 농 도만을 고려한 결과에 비해 온난화 경향을 더 잘 반영 함을 입증하고 있다 (Barry and Choley, 1998). 따라서 기후모의에 있어서 에어로솔 효과의 고려는 상당한 개 선 효과를 가져올 것으로 사료된다.

기후모델을 이용한 이전 연구결과들은 미래에 더욱 급격한 온난화를 예상한다 (e.g., Mitchell et al., 2000;

Dai et al, 2001b; Meehl et al., 2005b). IPCC TAR는 2100년까지 1.4~5.8^oC 상승할 것으로 전망하고 있고, AR4에 참여하는 모델의 결과들도 온실가스 농도에 따 른 정량적인 차이는 있지만 전반적으로 상승한다. 지 역적으로는 북반구 고위도 육지에서 온난화가 두드러 지는데, 이에 속하는 동아시아 지역 역시 전구평균을 상회하는 기온상승이 전망된다 (e.g., Dai et al. 2001a;

Lal and Harasawa 2001; Giorgi and Mearns 2002;

Buhe et al. 2003). 실제로 현재 감지되고 있는 동아시 아 지역의 온난화 속도는 매우 빠르며 (IDAG, 2005), 우리나라도 예외가 아닌 상황이어서 (Chung and Yoon, 2004; 권원태, 2005), 이러한 미래 온난화에 관한 전망 결과가 단지 기우가 아님을 시사한다. 한편, 온난화에 따른 미래 강수 변화는 모델과 지역에 따라 많은 차이 가 있지만 대개 동아시아 지역에서 강수량이 증가할 것으로 예상하고 있다 (Dai et al., 2001a; Min et al.,

2004; Meehl et al., 2005a; Kimoto, 2005; Kripalani et al., 2006). 물론 오늘날까지도 지역강수 모의는 불확 실성이 매우 큰 부분임에는 틀림없다 (Petersen, 2000).

그럼에도 불구하고 몬순의 영향을 크게 받는 동아시아 에서 강수는 기상재해와 직결된 매우 중요한 변수로, 동아시아 지역에 대한 미래 기후전망 연구에 있어서 강수변화에 대한 세밀한 분석은 필수적이다.

본 연구에서는 20세기 기후모의실험에서 나타난 ECHO-G/S의 기온과 강수 등의 기본 품위를 평가하고 AR4를 위해 채택한 미래 표준 시나리오인 A1B, B1, A2 실험을 통해 나타난 동아시아 미래 기후 변화를 전 망하고자 한다. 그리고 동아시아 몬순과 연관된 대기 순환장 분석을 통해 온난화에 따른 강수 변화를 이끄 는 메커니즘에 대해서도 논한다. 분석영역은 Lal and Harasawa (2001), Giorgi and Mearns (2002)와 같은 20-50°N, 100-145°E이다.

2. 모델 개요 및 실험 설계

ECHO-G/S는 온실가스와 에어러솔 효과를 모두 고 려할 수 있는 ECHO-G의 최신버전이다 (Legutke and Voss, 1999). 각 성분모델은 대기모델인 ECHAM4와 해양-해빙 모델인 HOPE-G, 그리고 결합자 (coupler) 인 OASIS로 구성된다. ECHAM4는 ECMWF의 중기 모델을 기후모델로 수정한 것으로, 수평해상도는 T30 (≅3.75°)이고, 연직으로 불균등 19층 (꼭대기 10 hPa) 의 hybrid sigma-pressure level를 가진다(Roeckner et al. 1996). HOPE-G는 해양모델인 HOPE에 역학-열역 학 해빙 모델 (Hibler, 1979)이 포함된 형태이며, 결합 시스템에 맞게 열수지 방정식 대신 대기모델로부터 얻 는 속 (flux)을 이용하여 얼음성장을 계산하도록 수정 된 것이다 (Legutke and Maier-Reimer, 1999). 수평해 상도는 적도지역이 조밀한 T42로 적도파 및 용승지역 의 모의가 용의하도록 하였다. 연직으로는 불균등 20 층 구조로 수심이 최대 6000 m에 이른다. 그리고 OASIS에 의한 대기와 해양간의 결합은 하루간격으로 수행되며, 대기로부터 10개의 속과 해양으로부터 4개 의 해수면 변수가 상호 교환된다 (Terray et al. 1998).

속보정은 연평균 열 속과 담수 속에 대해서만 이루어 진다.

모의실험은 20세기 기후모의 (20th Century Climate Coupled Model; 이하 20C3M)와 미래 기후를 전망하 기 위한 A1B, B1, A2 시나리오 실험으로 구성된다. 본

Fig. 1. Time series of (a) CO

concentrations, (b) SO

emis- sions and (c) solar irradiance including volcanic activities used in four experiments.

격적인 모의실험에 앞서 ECHO-G는 1000년간 규준실 험을 통하여 장기적인 기후모의에도 기후표류가 적은 안정한 모델임을 확인한 바 있다 (Min et al., 2005).

먼저 관측된 자연강제력과 인위강제력을 근거로 141 년간 (1860-2000년)의 기후를 재현하는 20C3M 실험을 수행하였다. 결합모델의 초기조건은 대기 및 해양 모 델을 각각 6년과 205년간 스핀업한 최종 상태를 사용 하였다. 본 실험결과는 관측을 비롯한 다른 모델들과 의 상호 비교를 통해서 ECHO-G/S의 기후모의 특성과 성능을 평가하는데 이용된다. 이후 미래 기후를 전망하 기 위해 2001년부터 2100년까지 100년간 각각 A1B, B1, A2 시나리오 실험을 수행하였다. 각 시나리오 실 험의 초기조건은 20C3M 실험의 최종상태를 사용하였 다. 모든 시나리오는 CO2, CH4, N2O와 같은 주요 온실 가스를 비롯하여 16개의 온실가스와 황산염 에어러솔 을 포함한다. 각 시나리오의 온실가스 농도는 미래 사 회가 개발지향적일수록 크다고 가정한다. Fig. 1은 대 표적인 온실가스인 CO2와 최종적으로 황산염 에어러 솔로 산출되는 SO2, 화산폭발효과를 포함하는 태양복

사 강제력의 시나리오별 시계열을 나타낸 것이다. 이 중 2100년 CO2 농도를 예를 들면, B1은 550ppm, A1B는 720ppm, A2는 830ppm로, A1B의 경우 이산화탄소 농도는 현재 (367ppm)보다 약 2배가 되며, A2가 가장 위협적인 시나리오이다. 그리고 Fig. 1(c)에서 보는 바 와 같이 자연 강제력의 경우 20C3M 실험에서는 화산 폭발에 의한 효과를 고려하지만, 미래 시나리오에는 포함되지 않고 일정한 값 (1365W/m²)이 2100년까지 유지된다. 이 외의 ECHO-G/S에 포함되는 강제력은 Min et al.(2006)에서 자세하게 소개되었다.

3. 분석결과

3.1 20세기 기후 모의

우선 미래 기후 변화를 전망하기에 앞서 ECHO-G/S 가 모의하는 20세기 기후 특성과 성능을 평가하였다.

모의실험으로부터 생산된 1980-1999년 대비 동아시 아 지역 평균 기온과 강수 아노말리 시계열은 Fig. 2와 같다. 관측과의 비교는 100년 이상의 장기간 관측치가 있는 HADCRUT2 기온자료에 대해서만 이루어졌다 (Rayner et al., 2003). 그러나 본 자료는 미관측 데이 터가 포함되어 있어 동아시아 지역의 미관측치가 5%

이내인 1941년부터 2000년까지의 자료만 이용하였다.

ECHO-G/S가 모의하는 기온은 두 계절에서 모두 관측 과 동일하게 상승추세를 보인다. 그러나 상승폭에 있 어서 여름기온은 관측과 유사한데 반해 겨울기온은 다 소 작다. 이는 겨울철에 티벳고원과 몽골지역과 같은 고지대에서 관측자료가 미비하고 1970년대까지 모델 이 이 지역에서 warm bias를 가지는 것과 관련이 있다.

강수 시계열에 따르면 모의된 여름강수는 선형적인 증 가추세를 보인다. 그러나 겨울강수는 변화추세가 뚜렷 하지 않고 내부변동이 매우 큰 것이 특징이다. 이는 계 절에 따른 강수 절대값의 차이에서 비롯된다. 모델이 모의하는 1980-1999년 평균적인 겨울 강수량[1.945 mm/day]을 보면 여름 강수량 [3.606 mm/day]의 54%

정도이다. 이로 인해 겨울에는 미량의 강수변화에도 상대적으로 큰 변동을 보인다. 또 장주기 변동과 같은 시계열의 주기적인 상승과 하락의 변화가 보이는데, 이 에 대한 자세한 연구는 향후에 논의될 것이다.

ECHO-G/S와 관측에 대한 1980-1999년 평균 공간패 턴과 오차분포를 기온과 강수에 대해서 각각 Fig. 3과 4 에 나타내었다. 사용된 관측자료는 기온의 경우 CRU 자

a)

c)

b)

d)

Fig. 2. Changes of 10-year runing mean surface air temperature (SAT) ((a) for JJA and (b) for DJF) and precipitation (PCP) ((c) for JJA and (d) for DJF) over East Asia from 1860 to 2100, based on 1980-1999 average using 20C3M, A2, A1B, and B1 scenario experiments with observation (SAT: CRU).

a) ECHO-G/S (JJA) b) ECHO-G/S (DJF)

c) CRU (JJA) d) CRU (DJF)

e) Difference (JJA) f) Difference (DJF)

Fig. 3. Distribution of JJA and DJF mean surface air temperature from simulation, observation, and their difference for

the period of 1980-1999. The dot depicts the difference significant at 95% confidence level and the box displays the East

Asian region focused in this study.

a) ECHO-G/S (JJA) b) ECHO-G/S (DJF)

c) CMAP (JJA) d) CMAP (DJF)

e) Difference (JJA) f) Difference (DJF)

Fig. 4. Same as Figure 2, but for precipitation.

료이고, 강수는 CMAP (Merged Analysis Precipitation of the Climate Prediction Center)을 사용하였다. 모델 이 모의하는 전구 기온패턴은 대륙-해양간의 등온선 분포, 적도태평양의 동서기온경도, 중위도의 강한 남북 기온경도 등을 현실적으로 잘 재현하지만, 북반구 내륙 지역에서 cold bias가 존재한다. 이는 다른 유사 모델에 서도 공통적으로 발견되는 특징으로 (IPCC; Houghton et al., 2001, Min et al., 2004), 육지에서 구름이 과다 모사되어 나타난다는 분석이 있다 (Dai et al., 2001b).

모델에서 모의된 전구적인 강수패턴은 주요 다우지 역 (폭풍경로, 몬순지역 등)과 아열대 사막지역 등의 뚜렷한 강수 특징이 있는 곳을 현실적으로 재현하며, 일부 기후모델에서 나타나는 double ITCZ 문제가 발 견되지 않는다. 그러나 SPCZ가 관측에 비해 남북으로 좁고 인도몬순과 아시아 몬순지역의 여름강수는 과소 모사되는 경향이 있다. 또한 동아시아 겨울 강수를 과 대모사하는 경향이 있으나 오차가 유의하지 않다.

지금까지 관측자료와의 비교를 통하여 ECHO-G/S 가 가지는 기후평균 오차를 살펴보았다. 그러나 일반

적인 기후 평균의 비교는 변동성을 포함하고 있지 않 기 때문에 모델에 관한 종합적인 평가가 어렵다 (Kato et al., 2005). 또한 어떤 모델이든지 현실기후를 완벽 하게 재현할 수 없기 때문에 관측과의 비교만으로 모 델에 대한 모의수준을 가늠할 수 없다. 이에 본 연구에 서는 AR4에 참여하는 다른 9개의 모델, 즉 CNRM-CM3 (프랑스), GFDL-CM2.0 (미국), GISS-ER (미국), INM- CM3.0 (러시아), IPSL-CM4 (프랑스), MIROC3.2- medres (일본), ECHAM5/MPI-OM (독일), MRI- CGCM2.3.2 (일본), UKMO-HadCM3 (영국)의 결과 를 이용하여 ECHO-G/S의 상대적인 모의수준을 평가 하였다. 모델 자료는 IPCC DDC (Data Distribution Center)로부터 수집하였고, 분석을 위해 주변 4개의 격자점에 대해 가중치를 주는 bilinear interpolation method를 이용하여 모든 자료를 5°×5° 격자 간격으로 내삽하였다. Fig. 5는 여름과 겨울의 1980년부터 1999 년까지 동아시아지역 기온, 강수에 대한 각 모델의 Taylor diagram을 그린 것이다. Taylor diagram은 모 델과 관측의 기후평균에 대한 패턴상관, 관측대비 모

a) JJA b) DJF

OBS OBS

Fig. 5. Taylor diagram for surface air temperature (dot) and precipitation (cross) over East Asia from ECHO-G/S and other nine AOGCMs

델의 표준편차비, RMSE를 통해 관측과의 유사성을 보 기 때문에 앞서 제시한 필요한 조건들을 모두 수용한다 (Taylor, 2001). 전반적인 모델의 모의수준은 Taylor di- agram에 표시된 OBS와 거리가 가까울수록 우수한 것 으로 평가되며, 가로와 세로축은 표준편차비, 호는 패 턴상관계수를 가리킨다. 일반적으로 기온에 대한 모의 수준은 강수보다 뛰어나며, 소수 모델을 제외하고는 여름보다 겨울에 탁월하다. 여름에는 관측기온과의 패 턴상관이 0.86~096의 범위에 있고 이 중 ECHO-G/S 는 상관이 높은 모델에 속한다. 그러나 관측 대비 표준 편차가 가장 큰 모델로 나타나 변동성이 큰 모델임을 알 수 있다. 관측강수와의 패턴상관 역시 기온보다는 작지만, ECHO-G/S는 높은 편에 속한다. 그러나 관측 대비 표준편차가 작은 것이 특징인데, 이는 두 모델을 제외한 다른 모델에서도 공통적으로 나타난다. 겨울에 는 관측기온과의 패턴상관이 0.96~0.99로 모든 모델이 상당히 관측과 유사하게 모의하는 것으로 판단된다.

그러나 ECHO-G/S를 포함한 대부분의 모델이 관측보 다 표준편차가 크다. 겨울강수의 경우에도 표준편차가 관측보다 크다. 그리고 모델강수와 관측강수와의 패턴 상관은 0.60~0.91의 범위에 있고, ECHO-G/S는 우수 한 편에 속하였다. 이상의 Taylor diagram 분석에 따르 면 ECHO-G/S는 여름철 기온과 강수에 대한 평균기후 패턴 모의가 타 모델에 비해 우수한 편이지만, 관측에 비해 기온 변동성은 크고 강수 변동성은 작게 모의한 다. 그리고 겨울철 기온과 강수에 대한 모의수준은 평

균기후뿐 아니라 변동성 모의에서도 대체적으로 다른 모델에 비해 우수한 편에 속한다.

기온과 강수 외의 주요 대기순환장에 대한 기후평 균도 관측과 비교하였다. Fig. 6은 해면기압의 동서평 균에 대한 편차와 강수량에 대한 여름과 겨울의 기후 평균을 그린 것이다. 먼저 관측에 따르면 여름철 동아 시아는 북쪽에 오호츠크 고기압과 남쪽에 북태평양 고 기압이 위치하고 중앙에 저기압이 지배적으로 나타나 남북으로 고-저-고의 기압패턴를 형성한다 (Kimoto, 2005). 그리고 강수대는 북태평양 고기압의 가장자리 로부터 저기압이 발달하는 곳까지 남서-북동으로 놓이 며, 한반도 주변으로 강수가 집중된다. 모델이 모의하 는 여름철 동아시아 기압패턴과 강수대의 위치는 관측 과 유사하지만, 모델의 cold bias의 영향으로 저기압 세력이 다소 약하고 한반도 주변으로 집중되는 강수를 제대로 모의하지 못한다. 다음으로 관측에 따른 겨울 철 동아시아 기압패턴을 보면 내륙지역은 주로 시베리 아 고기압의 영향권에 놓이고 동쪽으로 알류샨 저기압 의 영향을 받는 것이 특징이다. 강수대는 여름과 마찬 가지로 고기압의 가장자리로부터 저기압이 위치한 30°N 주변으로 동서로 강수대가 놓인다. 모델은 관측 에 비해 고기압을 다소 강하게 모의하지만, 서고동저 의 전형적인 겨울 기압패턴을 잘 나타내고 강수대의 위치와 양도 적절하게 모의한다.

Fig. 7은 관측과 모델에 대한 여름과 겨울의 기후평 균 850 hPa 수분속을 그린 것이다. 여름철 동아시아에

a) OBS (JJA) b) OBS (DJF)

c) ECHO-G/S (JJA) d) ECHO-G/S (DJF)

Fig. 6. Climatology of mean sea level pressure (zonal mean is removed, contour, unit: hPa) and precipitation (shading, unit:

mm/day) over East Asia for the period 1980-1999

a) OBS (JJA) b) OBS (DJF)

c) ECHO-G/S (JJA) d) ECHO-G/S (DJF)

Fig. 7. Same as Fig. 6, but for 850hPa moisture flux (vector, unit: g/kg․m/s) and its magnitude (shading).

서 관측된 수분속은 북태평양 고기압의 가장자리를 따 라 남서에서 북동으로 수증기 유입이 활발하고 중국의 동부해안과 한반도주변, 일본남부에 이르는 지역에서

하층 수렴이 나타난다. 그리고 수렴지역은 Fig. 6에서 본 강수가 집중되는 위치와 잘 일치된다. 관측과 비교 할 때 모델은 전반적인 수분속의 방향은 동일하나 수

Table 1. Changes of 2 m air temperature (T2M) and precipitation (PCP) for the 20-yr means of 21st centuries relative to 1980-1999.

EXP Var. T2M [

C] PCP [%]

Region GLO EA GLO EA

Season JJA DJF JJA DJF JJA DJF JJA DJF

B1 1.83 1.95 2.62 2.94 2.57 2.65 6.32 2.94

A1B 2.53 2.75 3.58 4.18 2.88 3.30 11.41 -0.42

A2 2.90 3.19 4.20 4.89 2.92 3.32 11.57 2.32

증기를 30°N의 북쪽까지 북송하는 흐름이 약하다. 이 는 모델이 한반도 주변의 강수를 과소모사하는 한 요 인이 된다. 한편, 관측에서 나타난 겨울철 수분속은 여 름과는 반대로 동아시아의 북서쪽에서 남동쪽으로 수 증기가 빠져나가고 일본 남해상에서 발산되는 형태를 갖춘다. 그리고 모델에서도 이러한 특징들은 대체로 잘 모의한다.

3.2 21세기 기후 전망

B1, A1B, A2 시나리오에 근거한 ECHO-G/S의 모 의 결과에 따르면 미래 동아시아는 온난습윤해질 것으 로 전망한다. Table 1은 전구와 동아시아의 정량적인 비교를 위해 1980-1999년 대비 2080-2099년 평균 기 온과 강수의 변화치를 산출한 것이다. 이 수치에 의하 면 기온상승은 전구보다 동아시아에서 크고, 여름보다 겨울에 두드러진다. 그리고 시나리오 간 변화는 온실 가스 농도 증가가 큰 시나리오일수록 상승치가 크다.

강수는 계절에 따라 차이가 있다. 여름철 강수는 전구 와 동아시아에서 모두 증가하며, 동아시아의 증가치가 전구를 상회할 것으로 나타난다. 전구평균 겨울철 강 수도 여름철 강수의 전반적인 변화 동향과 일치한다.

그러나 동아시아 지역의 겨울철 강수는 시나리오 간 일관된 수치변화를 보이지 않는다. 이는 Fig. 2를 통해 서 재확인할 수 있다. 그림에서 보는 바와 같이 여름과 겨울기온, 그리고 여름강수는 시간이 지남에 따라, 즉 온실가스가 증가함에 따라 선형적으로 상승, 증가하는 반면 겨울 강수는 장주기 변동과 내부변동성이 커서 변화추세가 뚜렷하지 않다.

보다 정확한 강수변화를 전망하기 위해 강수 타입 (대류성 강수와 대규모 강수)에 따른 육지와 해양에 대 해서 각각 아노말리 시계열을 Fig. 8과 같이 나타내었 다. 대류성 강수와 대규모 강수의 상대적인 비중은 계 절에 따라 큰 차이가 있다. 여름의 경우 대류성 강수의

비중이 대규모 강수와 비슷하지만, 겨울의 경우 특히 내륙에서는 총 강수량 중 대류성 강수가 차지하는 비 중은 5%내에 지나지 않는다. 따라서 이를 고려하기 위 해 본 그림에서는 두 강수 타입의 절대량 (mm/day)으 로 그 변화를 살펴보았다. 여름에는 해양과 육지 모두 에서 대류성 강수의 시간에 따른 선형적 증가가 명확 하게 나타나고 육지에서 더욱 두드러진다. 그러나 대 규모 강수의 경우 육지에서의 변화는 뚜렷하지 않고 해양에서 다소 증가하는 것으로 나타나나 역시 미미하 다. 여름과 달리 겨울의 경우 주로 대규모 강수가 육지 에서 증가하고 해양에서 감소하는 뚜렷한 변화를 보이 는 반면, 대류성 강수는 상대적으로 변화가 매우 작았 다. 이로써 여름철에는 대류성 강수, 겨울철에는 대규 모 강수가 총 강수변화를 좌우하는 주요 강수타입임을 알 수 있고 육지와 해양에 따라 강수의 증감이 다르게 나타남을 확인할 수 있다. 그러나 여름철 내륙지역의 대류성 강수를 제외하고 여전히 강수의 내부변동이 커 서 전망의 불확실성이 존재하는 것으로 사료된다.

동아시아 지역의 공간적인 변화에 대해서도 기온과 강수에 대해 각각 살펴보았다 (Fig. 9와 10). 그리고 전 망의 유의성을 확보하기 위해서 T-test를 통해 95% 이 상의 신뢰수준을 보이는 지역을 그림과 같이 점묘화하 였다. 단 기온의 경우 전 지역에서 95%이상의 신뢰수 준을 보여 이를 생략하였다. 시나리오 간 기온과 강수 의 변화는 반응크기의 차이만 있을 뿐 공간적인 패턴 에는 큰 차이가 없다. 기온은 두 계절 모두 전 지역에서 상승할 것으로 나타나며 해양보다 육지에서 상승이 크 고 특히 겨울철 육지 기온 상승이 두드러진다. 강수의 변화에 따르면 겨울에는 대체로 육지에서는 증가, 해양 에서는 감소추세를 보이고, 특히 기온상승이 큰 40°N 의 북쪽에서 유의한 증가가 전망된다. 여름에는 대부 분의 동아시아 지역에서 증가 추세가 나타나고, 특히 해안지역에서 유의한 증가가 전망된다. 이러한 강수의 변화패턴은 Dai et al.(2001a), Min et al.(2006)에서

a) b)

c) d)

Fig. 8. Changes of area-averaged 10-year running mean large-scale precipitation (LSP) and convective precipitation (CP) for 20C3M, A2, A1B, and B1 scenario experiments during (a), (c) JJA and (c), (d) DJF from 1860 to 2100, relative to the 1980-1999 average; Averaged over (a), (c) land and (b), (d) sea of East Asia.

a) B1 scenario (JJA) b) B1 scenario (DJF)

c) A1B scenario (JJA) d) A1B scenario (DJF)

e) A2 scenario (JJA) f) A2 scenario (DJF)

Fig. 9. Trend of (a), (c), (e) JJA and (b), (d), (f) DJF mean surface air temperature from 2001 to 2100.

a) B1 scenario (JJA) b) B1 scenario (DJF)

c) A1B scenario (JJA) d) A1B scenario (DJF)

e) A2 scenario (JJA) f) A2 scenario (DJF)

Fig. 10. Same as Figure 9, but for precipitation. The dot depicts significant regions at 95% confidence level.

보인 여름철 대류성 강수와 겨울철 대규모 강수의 변 화패턴과 상당히 닮아 있어 계절에 따라 강수변화를 이끄는 타입이 서로 다름을 재확인 할 수 있다.

육지의 두드러진 기온상승은 미래 동아시아 몬순의 변화를 가져올 것이다. 즉 여름에는 큰 육지-해양간 열 적대비로 몬순이 강화되고 반대로 겨울에는 작은 열적 대비에 의해 몬순이 약화되는 결과를 초래한다. 이에 주요 대기순환패턴의 미래 전망과 Fig. 6과 7에서 보인 기후평균과 비교하여 미래 동아시아 계절몬순이 어떻 게 변화하고, 또 어떻게 강수변화가 유도되는지를 살 펴보았다. Fig. 11은 해면기압의 동서평균에 대한 편차 와 강수의 변화추세를 여름과 겨울에 대해 나타낸 것 이다. 여름에는 해안지역 주변에서 저기압성 아노말리 가 발달하고 이 지역을 따라 강수 증가가 예상된다. 이 는 전형적으로 여름철 동아시아에서 나타나는 저기압 을 더욱 강화시킨 결과이다 (Fig. 6(c)). 반면, 겨울에는 내륙에서 저기압이 발달하고 해양에서 고기압이 발달 하여 Fig. 6(d)에서 보이는 서고동저의 겨울철 기압패 턴과 상반된다. 또한 대체로 저기압이 발달하는 내륙

지역에서 강수가 증가하고 고기압이 발달하는 30°N 이남 지역의 해양에서는 강수가 감소하는 경향을 보이 는데, 이는 온난화에 따른 폭풍경로 (storm track)의 북 상과 경압성의 변화와 관련이 있다 (Geng and Sugi, 2003; Yin, 2005; Min et al.,2006). Min et al.(2006)은 ECHO-G로부터 A2 시나리오에 따른 남북방향 열속 (V'T')을 구하여 폭풍경로의 위치와 경압성 변화를 분 석한 바 있다. 이에 따르면 ECHO-G에서 모의되는 폭 풍경로와 대규모 강수대의 위치는 잘 일치하며, 미래 에 40°N 주변으로 북부와 남부에서 열속이 각각 증가, 감소함에 따라 폭풍경로는 현재보다 북상하고, 이 지 역을 따라 대규모 강수가 크게 증가할 것으로 전망하 였다. 본 연구에서도 동일한 분석을 시행한 결과 유사 한 결과를 얻었으며 전반적으로 내륙지역에서는 경압 성이 증가하고 해양지역에서는 감소하는 것으로 분석 되어 겨울철 내륙지역의 강수 증가는 경압불안정에 의 해 초래됨을 확인하였다.

Fig. 12는 계절에 따른 850 hPa 수분속 변화추세 그 림이다. 여름에는 북향수송 흐름이 우세하여 미래에

a) B1 scenario (JJA) b) B1 scenario (DJF)

c) A1B scenario (JJA) d) A1B scenario (DJF)

e) A2 scenario (JJA) f) A2 scenario (DJF)

Fig. 11. Same as Figure 9, but for sea level pressure (zonal mean is removed, contour) and precipitation (shading, unit:

mm/day). The dots denotes areas where the change of sea level pressure is significant at 95% confidence level.

a) B1 scenario (JJA) b) B1 scenario (DJF)

c) A1B scenario (JJA) d) A1B scenario (DJF)

e) A2 scenario (JJA) f) A2 scenario (DJF)

Fig. 12. Same as Figure 9, but for 850 hPa moisture flux (vector) and its magnitude (shading).

a) JJA b) DJF

Fig. 13. Schematic sounding for a conditionally unstable environment characteristic of East Asian in inland, showing the equivalent temperature of a hypotherically saturated atmosphere from 20C3M experiment for the period 1980-1999, B1, A1B and A2 scenarios for the period 2080-2099: a) JJA and b) DJF

더욱 많은 수증기가 내륙지역으로 유입될 것으로 나타 난다. 이는 Fig. 9와 Fig. 11에서 분석한 바와 같이 지 면가열에 의해 열적저기압이 발달함에 따라 저기압성 흐름과 하층 수렴이 강화된 결과이다. 겨울에는 위도 에 따라 수분속 방향이 서로 다르다. 25°N의 남쪽으로 는 주로 동풍이 지배적으로 나타나나, 북쪽으로 갈수록 남풍이 더욱 강해진다. 이는 북반구 고위도지역과 알래 스카 주변의 북동태평양에서의 상대적인 기온변화에 따른 부등가열과 그 지역들을 중심으로 각각 저기압과 고기압성 흐름이 발달함에 따라 나타난 결과이다.

연직적인 대기상태에 대해서도 분석하였다. Fig. 13 은 동아시아 내륙지역에서 대기가 포화되었다고 가정 하였을 경우의 포화상당온위 (



^ _

^ _

다. 이는 전형적으로 나타나는 계절적 대기 상태와 잘 일치한다. 그리고 각 미래 시나리오에 따른 2080-2099 년 평균 대기 상태는 여름의 경우 온실가스 농도 증가 가 큰 시나리오일수록 불안정도가 더 커지는 것으로 나타났고 겨울의 경우 약간의 대기 상태의 변화는 있 지만 전 시나리오에서 여전히 안정상태에 있다. 이로 써 여름철 동아시아 내륙지역은 대류활동이 더욱 활발 해짐을 알 수 있고, 앞서 살펴본 열적 저기압의 발달과 수증기 공급의 증가와 같은 조건들이 갖추어지면서 해 안지역에서 강수가 증가할 것으로 전망된다. 그러나 겨울철 동아시아는 대류불안정에 의한 강수를 유도할 수 있는 대기 상태에 놓이지 않는 것으로 나타난다.

4. 결 론

본 연구에서는 온실가스와 에어러솔 복사강제력을 모두 고려하는 ECHO-G/S를 활용하여 미래 동아시아 기후를 전망하였다. 먼저 20세기 기후모의를 통하여 모델이 가지는 기본품위를 평가하였다. 모의된 기후평 균 기온은 관측에서 나타나는 등온선 분포를 현실적으 로 잘 따르고, 내륙지역에서 cold bias를 보였다. 그리 고 겨울철 강수의 경우 남서-북동으로 걸치는 강수밴 드의 위치와 강도는 관측과 유사하게 나타나나, 여름 철에 한반도 주변으로 집중되는 강수가 과소모사되었

다. 이는 여름철 동아시아에서 나타나는 수증기의 북향 수송과 저기압이 관측에 비해 약하게 모의되는 경향과 관련이 있었다. 그리고 모델간의 상호비교를 통해서 ECHO-G/S가 가지는 평균적 오차는 다른 모델들이 가 지는 오차범위 내에 있거나 비교적 작았고, 동아시아 의 기온과 강수의 모의성능은 우수한 편에 속하였다.

다음으로 B1, A1B, A2 시나리오에 따른 21세기 미 래 동아시아 기후변화를 전망하였다. 미래 동아시아는 모든 시나리오에서 공통적으로 기온이 상승하고 강수 가 증가할 것으로 나타났다. 그리고 시나리오 간 공간 적인 변화패턴은 유사하였으나, 온실가스 농도증가가 큰 시나리오일수록 반응이 컸다. 21세기 기온은 해양 보다는 육지에서 강한 상승을 보였다. 이러한 온난화 의 지역적 차이는 해양과 육지간의 열적대비의 변화를 이끌어 여름몬순의 강화와 겨울몬순의 약화를 가져올 것으로 나타났다. 21세기 강수는 여름에 해안지역과 겨울에 40°N의 북쪽에서 유의한 증가가 전망되었다.

그리고 총 강수의 증가를 이끄는 요인은 계절에 따라 달랐는데, 여름철에는 지면가열에 의한 대류성 강수의 증가가 주 요인인 반면 겨울은 온난이류에 의한 경압 불안정으로 대규모 강수가 증가한 것이 주 요인으로 나타났다.

동아시아 몬순과 관련된 대기순환의 계절적 변화도 분석하였다. 여름의 경우 온난화에 따른 대기순환은 동아시아 여름몬순을 더욱 강화시키는 양상으로 변화 하였다. 기온상승에 따른 대기 중 수증기 함량의 증가 와 연직적인 기온감률의 변화는 대기를 더욱 불안정하 게 한다. 그리고 해안지역을 따라 발달하는 저기압성 흐름과 하층 수렴지역으로 수증기 유입은 결과적으로 깊은 대류활동에 의한 강수를 증가시키는 것으로 나타 났다. 반면, 겨울에는 온난화에 따라 겨울몬순을 약화 시키는 대기순환 변화가 유도되었다. 내륙지역에서 발 달하는 저기압성 아노말리와 해양지역에서 발달하는 고기압성 아노말리는 전형적인 몬순순환과 상반되는 흐름을 유도하여 북쪽으로 열속을 증가시키고 경압성 이 강화됨에 따라 고위도 내륙지역에서 강수가 증가될 것으로 전망되었다.

본 연구에서는 T-test를 통해 유의한 강수변화를 보 이는 지역을 확인할 수 있었다. 그러나 여전히 강수의 큰 내부변동성과 장주기 변동으로 인해 해석상의 어려 움이 따랐다. 특히 겨울강수가 매우 두드러졌는데, 향 후 장주기 변동에 관한 분석을 통해서 이에 대한 이해 를 증진시킬 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 이 밖에

실질적으로 큰 피해를 가져올 수 있는 집중호우나 가 뭄과 같은 극한 기후현상에 대한 연구도 앞으로 요구 되는 부분이다.

감사의 말

이 연구는 기상연구소 주요사업인 “기후변화협약대 응 지역기후시나리오 활용기술개발(III)”의 지원으로 수행되었다.

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