김형준 교수 공동연구팀, 지구 메타버스 기술 이용 과거 60여 년간 증가한 기후변화 기여도 평가

지구온난화의 가속화 세계 최초로 입증 성공… 한·미·일 8기관과 ‘사이언스 어드밴시스 게재

KAIST 문술미래전략대학원 김형준 교수, 인문사회연구소 문수연 박사

최근 동아시아 지역에서 여름철 극심한 폭우를 경험하고 있다. 호우는 홍수나 산사태 등 인간 사회에 커다란 위협으로 존재한다. 기후모델을 이용한 미래 시뮬레이션에 따르면 온난화에 의해 미래의 여름철 강수강도가 변화됨을 세계 각지에서 보고되어 있다. 그러나 동아시아의 여름 호우는 태풍, 온대 저기압, 전선과 같은 다양한 프로세스에 기인하다.

특히, 여름 강수의 40% 이상을 설명하는 기상전선이 야기하는 호우에 대한 연구는 아직 미흡하다. 기상전선은 우연성이나 기후 시스템의 자연변동성에 의해 크게 영향을 받기 때문에 과거에 관측된 변화가 자연변동에 의한 것인가 인간활동에 의한 온난화의 영향인가에 대해서는 명확하게 밝혀진 바가 없다.

과거 60여 년간 동아시아지역에 호우 강도가 약 17% 증가했고 주된 원인이 인간 활동에 의한 지구온난화의 가속화임을 세계 최초로 입증하는 데 성공했다.

KAIST 문술미래전략대학원(건설및환경공학과, 녹색성장및지속가능대학원 겸임) 김형준 교수와 인문사회연구소 문수연 박사가 한·미·일 국제 공동 연구를 통해 과거 60여 년간 관측된 동아시아 지역의 기상 전선에 의한 호우 강도의 증가가 인간 활동에 의한 기후변화의 영향이었음을 지구 메타버스 기술을 이용해 처음으로 증명했다고 5일 밝혔다.

여름 호우는 농업 및 산업에 큰 영향을 미치며 홍수나 산사태 등의 재해를 일으켜 지역의 생태계에도 영향을 주는 등 인간 사회 있어서 커다란 위협 중 하나라고 할 수 있다. 여름 호우의 강도가 과거 몇십 년간 변화돼 온 사실은 세계 각지에서 보고됐다. 그러나 동아시아의 여름 호우는 태풍, 온대 저기압, 전선과 같은 다양한 프로세스에 기인하며, 여름 호우의 40% 이상을 차지하는 전선이 야기하는 호우에 관한 연구는 아직 미흡하다. 또한, 호우는 기후 시스템의 자연 변동 혹은 우연성에 의한 영향 또한 존재하기 때문에 인간 활동에 의한 온난화가 전선 유래의 호우 강도에 어느 정도 영향을 주고 있는지는 아직 밝혀지지 않고 있다.

관측에 의한 전선호우의 강도 변화, 지구 메타버스 실험을 이용해 분석한 온난화가 전선호우의 강도에 주는 영향

KAIST, 동경대, 동경공업대, 전남대, GIST, 유타주립대 등 한·미·일 8개 기관으로 구성된 국제 공동연구팀은 동아시아의 기상 전선에 의한 호우 강도를 과거 약 60년간 관측 데이터로 확인한 결과 중국 남동부의 연안 영역부터 한반도 그리고 일본에 걸쳐 호우의 강도가 약 17% 증가한 사실을 발견했다. 연구팀은 이러한 변화의 원인을 밝히기 위해 인간 활동에 의한 온실가스의 배출이 있는 지구와 그렇지 않은 지구를 시뮬레이션한 지구 메타버스 실험을 이용해 온실가스 배출에 의해 호우 강도가 약 6% 강화됐으며, 발견된 변화가 인간 활동에 의한 온난화의 영향을 배제하고서는 설명할 수 없음을 보이는 데 세계 최초로 성공했다.

교신 저자인 KAIST 김형준 교수는 "이번 연구는 동아시아에서 기상 전선에 의한 호우의 강도가 최근 반세기에 걸쳐 유의미하게 증가했음을 밝히고 그러한 변화에 이미 인류의 흔적이 뚜렷하게 남겨져 있음을 증명한다ˮ며, "이는 기후변화의 영향을 이해하는 데 중요한 단서가 되며 동시에 탄소중립을 성공적으로 달성하더라도 필연적으로 진행되는 가까운 미래의 기후변화에 대해 효율적으로 적응하기 위해 필수 불가결한 정보라고 할 수 있다ˮ고 말했다.

인류세 지문의 변화율 비교

수증기 수렴과 북서태평양 고기압의 변화율 비교

이번 연구 결과는 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 11월 24일 출판됐다. (논문명: Anthropogenic warming induced intensification of summer monsoon frontal precipitation over East Asia) 한편 이번 연구는 한국연구재단 해외우수과학자유치사업(BP+)와 인류세연구센터의 지원을 받아 수행됐다.

□ 연구개요

1. 연구 내용

이 연구에서는 중국 남동부, 한반도 및 일본 남서부를 포함하는 동아시아 영역에서 여름철 기상전선으로부터 유래한 호우 (이하, 전선호우)의 강도가 과거 약 60년간 유의미하게 변했음을 관측 데이터로 확인했다. 나아가 기후 모델에 의한 지구 메타버스 시뮬레이션 데이터를 이용함으로써 관측된 변화는 인간활동에 의한 온난화의 영향을 배제하고서는 설명할 수 없음을 밝혔다.

그림1(좌)는 동아시아 지역의 관측 데이터에 근거한 과거 약 60년간(1958년∼2015년)의 전선호우의 강도변화를 보인다. 동아시아의 연안 지역(중국 남동부, 대만, 한반도 남부, 일본의 남서부)에서 전선호우의 강도가 약 17%증가함을 확인 할 수 있다. 기후 모델은 과거의 기후 재현 실험뿐만 아니라 인간활동에 의한 온난화 효과를 제거한 기후 시뮬레이션도 가능하기 때문에 서로 다른 가상의 지구 (즉, 온난화와 비온난화 지구)에서의 전선호우 강도를 비교함으로써 인간활동에 의한 온난화가 전선호우에 주는 영향을 조사했다 (즉, 지구 메타버스 실험). 그림1(우)는 지구 메타버스 실험을 이용해 추산한 전선호우의 강도변화를 보인다. 온난화의 영향은 동아시아의 연안 지역에서 전선호우의 평균 강도를 약 7% 증가시키는 것을 알 수 있다. 인간활동에 의해 극한 호우강도가 발생할 가능성은 비온난화 지구보다 5배 높은 것으로 확인됐다. 이러한 지리적 분포는 그림1(좌)에서 보이는 특징과 일치하며 따라서 관측된 전선호우의 강도 변화는 인간활동에 의한 온난화가 영향을 주고 있다는 점을 시사한다.

이처럼 관측과 시뮬레이션의 공간 패턴이 일치하는 것이 우연성 혹은 자연변동성이 아닌 인류세적 기후변화의 의한 필연적 결과임을 확인하기 위해 지구 메타버스 실험과 핑거프린트 분석을 이용했다. 그림2은 관측 데이터와 비온난화 및 온난화 실험 각각에 대해서 인간에 의한 기후변동 지문 (이하 인류세 지문)의 신호를 보인다. 비온난화 지구 메타버스는 초기 상태를 조금씩 변화시킨 거대 앙상블 데이터를 이용함으로써 우연성 및 자연변동성의 변화폭을 고려한다. 관측 데이터와 비온난화 지구에 대한 인류세 지문의 시간 변화율 (그림2) 비교를 통해 전자가 후자보다 우연으로는 설명하기 힘들 만큼 클 때, 관측된 전선호우의 강도 증가에 인간활동에 의한 온난화의 영향이 명백하다는 가설을 검증할 수 있다. 분석 기간 (1958년∼2015년) 동안 변화한 인류세 지문의 기울기를 통해 비온난화 실험에서의 기울기가 관측된 기울기 정도가 될 확률이 매우 낮은 반면, 온난화 실험에서의 기울기는 이를 설명 가능함을 알 수 있다. 이는 관측된 전선호우의 강도 변화에 있어서 인간활동에 의한 온난화의 영향이 명백함을 증명한다.

전선호우 강도가 높아지는 요인으로, 북서태평양 고기압 및 동아시아 지역의 저기압 강화로 인해 기압 차이가 심화되고 수증기 유입량이 증가하는 메커니즘을 제시하였다 (그림3). 비온난화 실험과 달리 온난화실험에서 과거 (1958년∼1982년)에 비하여 최근 (1991∼2015년)에 두 인자들의 강도가 증가하는 추세를 확인했다. 이는 인간 활동에 의한 온난화의 영향으로 북서태평양 고기압이 강화되고 수증기가 유입량이 증가하여 동아시아 지역의 전선호우의 강도가 증가하였음을 의미한다.

2. 기대 효과

본 연구는 동아시아 지역의 여름 전선호우의 강도 변화에서 인간 활동에 의한 온난화의 영향이 이미 뚜렷하게 나타나 있음을 밝히고 있다. 주요 연구 대상인 동아시아는 여름 전선 활동이 활발한 지역이며, 전선호우의 영향이 큰 연안 부근에 많은 인구가 집중되어 있고 경제 규모가 큰 메가시티 (Mega-city)가 다수 존재한다. 기후변화 대책에 있어서 투자의 비용과 효과를 최적화하기 위해서는 다양한 분야에서의 정확한 기후변화 영향평가가 필수적이다. 본 연구는 최근 일어난 그리고 가까운 미래에 일어날 기후변화가 동아시아 지역의 전선호우에 주는 영향을 이해하고 평가하는데 매우 중요한 정보를 제공한다.

KAIST 홍보실 제공