북태평양 해역의 과거와 미래를 엿보는 타임머신

‘지역기후모델링에 관한 PICES 워킹그룹(WG-29) 보고서’ 발간

북태평양 해양과학 연구의 구심점 역할을 하는 북태평양해양과학기구(PICES, North Pacific Marine Science Organization)는 해양 연구의 촉진 및 조정을 위해 1992년에 설립된 정부 간 과학조직정부간 국제 해양과학기구로, 한국을 포함한 6개국¹⁾이 회원국으로 참여하고 있다. 1995년 한국이 가입한 이래 회원국 과학 공동체와 폭넓은 교류는 물론, 지역적·전 지구적 협력 연구를 수행해 온 PICES의 메인 파트너 한국해양과학기술원(KIOST)은 지난 10월 25일부터 11월 4일까지 일본에서 열린 「2018년 PICES 연차총회」에서 공개된 ‘지역기후모델링에 관한 PICES 워킹그룹(WG-29) 보고서’ 작성에 주도적으로 기여하여, 지역기후모델형을 이용하여 북서태평양 해역 과거 기후 재현 및 미래 기후변화의 종합적 전망을 제시하는 데 일조하였다.

1) 한국·중국·미국·러시아·일본·캐나다

지역기후모델형을 이용한
한반도 주변 바다의 상세 기후 변화 예측

이번 보고서는 PICES의 해양물리기후위원회(POC)와 해양생물학위원회(BIO)의 후원을 받은 지역기후모델링의 워킹그룹(WG-29)을 중심으로 KIOST 해양순환·기후연구센터의 장찬주 책임연구원과 강현우 센터장, 정희석 연구원이 참여하여 지난 2011년 10월부터 2015년 10월까지 진행된 ‘지역기후모델을 활용한 북서태평양 및 주변 해역의 생태 연구’에 관한 워킹그룹 활동을 종합한 것이다. KIOST 연구진은 지구 미래 기후변화를 예측하기 위해 보편적으로 사용하는 ‘전구기후모형’이 낮은 해상도와 중요한 물리과정의 누락 등으로 지역해의 중요한 현상을 적절히 재현하지 못한다는 한계를 극복하고, 세밀한 정보를 제공하기 위한 핵심 수단으로 ‘지역기후모형’을 선택했다. 대한민국이 속해 있는 동아시아는 지형과 해안선이 복잡하고 다양한 규모의 해양 및 기상 현상이 발생하기 때문에, 지역기후모델형을 사용하여 상세한 기후 정보를 생산하는 것이 중요했기 때문이다.

사진 1. KIOST 해양순환·기후연구센터 장찬주 책임연구원

금번 워킹그룹에서 미국 러커스대학 엔리케(Enrique Curchitser) 박사와 공동의장을 맡은 장찬주 책임연구원은 캐나다 해양연구원(Institute of Oceans Sciences) 제임스 크리스티안(James Christian) 박사와 공동으로 세계 각국에서 사용하고 있는 다양한 전구기후모형을 취합·분석하여 지역기후모형에 필요한 정보를 중심으로 분석 결과를 소개하였다. 지역 기후는 전 지구적 기후 변화와 밀접하게 연결되어 있기 때문에, 전 지구 기후변화를 모사한 전지구모형을 분석하여 지역기후모델링에 필요한 정보를 회원국에 제시할 수 있을 것이라 판단한 것이다.

그림 1. 전구기후모델형(CMIP3, CMIP5)의 수평·수직 해상도 비교 히스토그램

이러한 개괄 연구(『전 지구 기후변화 모델링』)와 더불어 KIOST는 우리나라 주변을 중심으로 북서태평양 해양의 미래 변화를 예측한 『지역기후모델을 이용한 우리나라 주변 해면수온 변화 예측』 연구, 미래 강수변화에 초점을 맞춘 『동아시아 여름 몬순 미래 변화 예측』 연구, 해양과 대기 변화의 영향에 따른 해양 생태계의 변화를 예측하기 위한 『동아시아 지역해의 해양생태계 변동성 모델링』 연구를 함께 진행했다.

국내 최초로
‘한반도 주변해 양방향 해양-대기 접합 지역기후모형’ 수립

『지역기후모형을 이용한 우리나라 주변 해면수온 변화 예측』은 한반도 주변해를 포함하는 북서태평양 해면수온의 미래 변화를 제시한 연구로, 이를 위해서는 먼저 지역기후모형이 과거 및 현재 기후를 얼마나 잘 재현하는가를 알아보아야 한다.

사진 2. KIOST 해양순환·기후연구센터 정희석 연구원

미래 기후변화를 예측하는 연구는 불확실성이 크기 때문에 여러 가지 가능성을 고려해 다양한 경로의 시나리오가 제시되는데, 어떤 모형과 어떤 조건을 이용하여 이용하느냐에 따라 미래 예측이 달라질 수 있습니다. KIOST는 그동안 미래 예측에 주로 사용한 해양단독모형을 좀 더 현실적으로 개선하기 위하여 해양모형(ROMS)과 대기모형(WRF)의 상호작용을 반영할 수 있는 ‘양방향 접합모형(그림 2)’을 구축하였다. 더불어 해면수온 미래변화에 초점을 두어 전구기후모형(그림 3의 a)과 단독 해양모형(그림 3의 b), 대기가 해양에 주는 영향만을 고려한 일방향 해양-대기 접합모형(그림 3의 c)을 양방향 접합 모형과 비교하여 21세기 말(2081~2085년) 한반도 주변 해역의 지역별/계절별 해면수온 미래 변화 예측을 시도했다. 이는 해양-대기 상호작용을 반영함으로써, 양방향 접합모형의 성능을 검증하고, 지역규모의 현상을 보다 신뢰성 있게 재현했다는 점에서 큰 의미가 있었다.

그림 2. 해양과 대기의 상호작용을 반영한 양방향 접합모델²⁾

2) 대기모형이 바람, 지표 기압, 습도 및 기온 등을 제공하면 이 변수들로 바람응력과 열속을 계산하여 해양모형에 전달하고, 해양모형은 해면수온을 대기모형으로 전달한다. 접합자(MCT)를 이용한 양방향 자료 교환은 1시간 간격으로 이뤄지도록 설정하였다.

그림 3. 한반도 주변의 겨울(2월, 위)과 여름(8월, 아래)의 해면수온 미래 변화 예측 비교. (a)전구모형, (b)해양 단독지역모형, (c)일방향 해양-대기 지역접합모형, (d)양방향 지역접합모형
그림 4. 해양 단독모형(Uncoupled), 일방향 해양-대기 접합모형(1-way coupled), 양방향 접합모형(2-way coupled)의 해역별 해면수온 변화 예측 비교. (a)황해, (b)동해 북부, (c)동중국해, (d)동해 남부

예측 결과에 따르면, 해양 단독모형은 해면수온이 황해에서 2~3℃, 동중국해에서 1~2℃, 동해 북부 및 남부에서는 3℃ 정도 증가할 것으로 나타났고, 일방향 해양-대기 접합모형은 모든 해역에서 해양 단독모형보다 수온 변화가 2~3℃ 더 높을 것으로 전망됐다. 반면 양방향 접합모형은 해양 단독모형보다 수온 변화를 1~2℃ 낮게 예측했다. 그러나 이 과정에서 미래에 겨울보다는 여름에 해면수온 증가가 클 것으로 나타났는데, 이는 과거에는 겨울에 해면수온이 더 크게 상승했기 때문에 미래에도 그럴 것이라고 예상했던 기존의 연구와는 상반된 것이었다. 연구진도 미처 예상하지 못했던 이런 결과는 여름철 북태평양 고기압이 지구온난화로 인해 강화됨에 따라 온난다습한 공기가 우리나라 해역으로 더 많이 유입되어 수온상승에 기여하기 때문으로 추정 된다. 정희석 연구원은 “정확한 원인을 파악하기 위해서는 더 깊이 있는 분석이 필요하지만, 이번 연구를 통해 해양과 대기의 상호작용을 현실적으로 반영한 지역기후모형의 중요성을 다시금 실감하는 계기가 됐다.”고 말했다.

지구 온난화에 따른 강수 변화의 원인 규명
국경을 뛰어 넘는 공동 대응방안 모색

『동아시아 여름 몬순 미래 변화 예측』에서는 지구온난화 시나리오에 따른 강수 변화의 원인을 분석하였다. 지구온난화는 전 세계적인 강수량 변화와 더불어 지역 강수 분포를 변화시키기도 하는데, 이러한 원인을 정량적으로 규명하기 위해 우리나라에도 영향을 주는 담수 유출량과 밀접하게 관련된 양자강 유역 강수량의 미래 변화를 예측한 연구이다. 연구 결과 대륙의 건조한 공기가 이류하면서 양자강 북부 지역의 강수량이 감소하는 것과 대조적으로, 남부 지역은 지표에서 증발한 수분이 강수량의 증가를 가져올 것으로 분석되었다. 특히 양자강 유역에서는 강수량이 20% 이상 증가할 것으로 나타났는데, 이는 양자강의 저염수 유출로 인한 국내 양식장의 피해가 지금보다도 더 커질 가능성을 제시한다. 장찬주 책임연구원은 “이러한 문제 역시 PICES 회원국의 과학 공동체와 KIOST 연구자들이 국가 간 협력을 통해 해결할 문제”라고 강조하며, 이번 연구가 국내 양식장의 피해 규모 예측 및 대응방안 마련에도 기여하기를 희망했다.

그림 5. 지역기후모형에서 예측한 20세기 대비 21세기 여름 강수량(mm/월) 변화

미래 해양 생태계 변동성 예측을 위한
‘해양순환-생지화학 접합 모형’ 성능 평가

금번 보고서에는 해양과 대기의 상호작용에 관한 물리적 연구 외에도, 하위 생태계의 영양염과 탄소량 순환의 시·공간적 모습을 재현하는 『동아시아 지역해의 해양생태계 변동성 모델링』의 연구 결과도 수록됐다. 대기 중의 탄소가 바다에 흡수되면 해양 생태계의 먹이사슬을 거쳐 배설물과 배출물 등의 형태로 바다에 저장되는데, 이로 인한 기후조절 작용 및 환경의 변화는 우리의 먹을거리인 수산물에도 영향을 끼친다. KIOST 연구진은 3차원 해수 순환 모델(POLCOMS)과 유럽 지역해 생태계 모형델(ERSEM)을 결합한 해양순환-생지화학 접합 모델형을 이용해 과거 30년 동안의 황해·동해·동중국해의 변화를 시뮬레이션하고, 실제 관측 데이터와 비교하여 얼마나 현실성 있게 재현되었는지를 확인했다. 이는 우리나라 주변 바다에서 탄소와 영양염이 자체적인 생지화학적 과정과 물리적 혼합에 의해 재분배되는 모습을 추적하고, 생태계에 어떤 영향을 일으키는가를 평가함으로써, 향후 기후변화에 따른 해양 생태계 변동성을 예측할 수 있는 발판을 마련했다는데 의의가 있다.

그림 6. 대마난류의 실제 수송량과 POLCOMS-ERSEM의 시뮬레이션 수치 비교(상), 관측치 차이(하)
그림 7. 국립수산과학연구소가 관측한 한반도 주변해의 온도·염분 데이터(검정)와 POLCOMS-ERSEM 시뮬레이션 수치(적색)비교

사진 3. KIOST 해양순환·기후연구센터 강현우 센터장

지역적·전 지구적 협력 촉진 기대

인간의 인위적인 활동으로 말미암아 생기는 미래 기후를 예측하고, 더 나아가 변화된 기후가 인간에게 어떤 영향으로 되돌아오는가를 올바르게 평가하는 것은 현재의 과학수준으로도 어려운 일이다. 그러나 도로가 정체될 것을 미리 안다면, 지하철을 타거나 우회로를 이용해 문제를 해결할 수 있는 것처럼 KIOST는 앞으로도 장기적인 시야로 북태평양 해역의 미래 기후변화에 대한 초국가적 협력 연구를 적극 수행해 나갈 예정이다. 과거와 미래를 넘나들며 수십 년 혹은 백년 후의 미래를 예측하고 기후변화 대응의 동력을 키우고자 하는 KIOST 연구진의 타임머신과도 같은 행보가, 지역적·전 지구적 협력을 촉진하고 미래세대를 위한 책임감 있는 실천으로 증폭되기를 기대한다.