CMIP6 GCMs을 이용한 전 지구 미래 기후 및 잠재증발산량 예측 = Global Future Climate and Potential Evapotranspiration Projection using CMIP6 GCMs

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The globally confronted climate crisis has rendered substantial transformation to humanity and ecosystems because of climatic and hydrological changes. Currently, the Working Group of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) has collected scientific evidence to substantiate the anomalies caused by climate change based on diverse studies and investigation to warn of the dangers of climate change. Such climate change is closely related to the water cycle. Changes in the water cycle have been further accelerated, predominantly due to variability in precipitation cycles and changes in the depth and frequency of extreme climate events. Furthermore, these extreme changes in the water cycle have a direct impact on hydrological factors. Hence, climate and water researchers mainly applied the CMIP (Coupled Model Intercomparison Project) GCM (General Circulation Model) to characterize changes in future climate and hydrological factors reflecting climate change.
CMIP6 GCM has improved its performance than the previous version. Moreover, it provided more realistic climate variables by combining diverse socio-economic factors with a high abstraction of scientific concepts for greenhouse gas scenarios. Thus, comparing the performance of CMIP5 and CMIP6 GCMs to identify improvements in CMIP6 can secure the accuracy and reliability of research in assessing the impact of climate change in South Korea, and it can be established reasonable climate change policies based on this. The projected future evapotranspiration using the improved CMIP6 GCM can identify changes in the hydrological cycle depending on greenhouse gas scenarios in South Korea. Furthermore, estimating the future climate and potential evapotranspiration on a global scale can more accurately identify future climate and hydrological cycles due to radiative forcing by latitude and greenhouse gas pathways, and it can determine the vulnerability to climate change by latitude and region.
This study was conducted with the following two themes. The first is to identify the improvement points of CMIP6 by comparing the performance of CMIP5 and CMIP6 GCM in diverse ways. Furthermore, the TW (Thornthwaite), HS (Hargreaves-Samani), and PM (Penman-Monteith) methods were used to estimate evapotranspiration at 22 stations in South Korea. The performance of evapotranspiration was compared in the historical period, and the uncertainties were quantified using a reliability ensemble average. Second, to analyze changes in climate and hydrological factors in a broader area, the scope of research was expanded to a global unit with global climate and hydrological variability being compared utilizing multiple CMIP6 GCMs.
As a result of the performance of comparison between CMIP5 and CMIP6 GCMs, CMIP6 GCM had better reproducibility than CMIP5 GCM in the historical period (1970-2005). Using REA (Reliability Ensemble Average) and statistical methods, SSP and RCP (Representative Concentration Pathway) scenarios with uncertainties about the future climate being quantified. Consequently, it was discovered that the SSP scenario has lower uncertainty than the RCP scenario. Furthermore, based on the climate variables of CMIP6 GCM, TW, PM, and HS were used to calculate the change in future potential evapotranspiration. The changes in TW and PM were increased in the future compared to the historical period, whereas the change in HS resulted in the opposite results. The uncertainties in PM were the lowest than those of other methods. On the other hand, the uncertainties in HS were the highest in both periods.
According to the results of future changes in global climate variables and potential evapotranspiration, future changes in global precipitation and temperature analyzed by latitude based on 25 CMIP6 GCMs have all augmented compared to the historical period. In particular, high latitudes in the northern hemisphere were located to be the most vulnerable to climate change. Furthermore, in the mid-latitudes of the Southern Hemisphere, annual precipitation is projected to be less in the future than in the past, while average temperatures have increased. Hence, the Southern Hemisphere mid-latitudes predicted a drier climate in the future than in the past. Furthermore, this study estimated potential evapotranspiration using HS and PM in the historical and future based on 6 climate variables of 14 CMIP6 GCMs. Owing to this fact, PM and HS for SSP2-4.5 and SSP3-7.0 exhibited the same thermal energy at low northern latitudes. The projected future evapotranspiration ignores seasonal trends in evapotranspiration estimated in the historical period. What’s more, the thermal energy for the water cycle remained high for all scenarios and most latitudes except SSP1-2.6.

국문 초록 (Abstract)

전 지구적으로 직면한 기후 위기는 기후 및 수문학적 변화로 인해 인류와 생태계에 많은 변화를 발생시켰다. IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)의 Working Group은 다양한 연구 및 조사를 토대로 기후변화로 인해 발생하는 이상 현상들을 입증할 수 있는 과학적 증거를 수집하였으며, 이를 토대로 기후변화의 위험성을 경고하였다. 이러한 기후변화는 물순환과 밀접한 관련이 있으며, 주로 강수량 주기의 변동성, 극한 기후 사상의 심도와 빈도의 변화로 인해 물순환의 변화를 더욱 가속화 하였다. 더 나아가, 이러한 물순환의 극단적 변화는 잠재증발산량과 같은 수문 요소에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 기후 및 수자원 연구자들은 기후변화가 반영된 미래 기후와 잠재증발산량의 변화를 특성화하기 위해 Coupled Model Intercomparison Project(CMIP) General Circulation Model(GCM)을 주로 사용하였다.
CMIP6의 GCM은 이전 버전들보다 성능이 개선되었으며, 온실가스 시나리오에 대한 과학적 개선에 따라 적용된 높은 물리적 수준과 함께 다양한 사회경제적 요소를 결합하여 더 현실적인 기후변수들을 제공하였다. 따라서, CMIP5와 CMIP6 GCM의 성능을 비교하여 CMIP6의 개선점을 확인하는 것은 우리나라의 기후변화에 대한 영향성 평가를 하는데 연구의 정확성과 신뢰도를 확보할 수 있으며 이를 토대로 합리적인 기후변화 정책을 수립할 수 있다. 또한, 개선된 CMIP6 GCM을 사용하여 잠재증발산량을 산정하는 것은 우리나라의 미래에 온실가스 시나리오에 따른 수문 순환에 대한 변화를 파악할 수 있다. 더 나아가, 전 지구 규모의 미래 기후와 잠재증발산량을 추정하는 것은 위도별 복사강제력에 따른 기후 및 수문 요소가 온실가스 농도에 의한 미래 변화를 보다 정확하게 확인할 수 있으며, 위도 및 지역별 기후변화에 취약한 정도를 토대로 적절한 기후변화의 완화와 적응 정책을 수립할 수 있다.
본 연구는 다음과 같은 2개의 주제로 연구로 구성하였다. 첫 번째는 CMIP5와 CMIP6 GCM의 성능을 다방면으로 비교하여 CMIP6 GCM이 우리나라를 기준으로 성능 개선 정도를 확인하였다. 또한 Thornthwaite(TW), Hargreaves-Samani(HS), Penman-Monteith(PM) 방법을 사용하여 우리나라 22개 관측소에 잠재증발산량을 추정하였으며, 과거기간에 잠재증발산량의 성능을 비교하고 Reliability Ensemble Averaging(REA)를 사용하여 불확실성을 정량화하였다. 두 번째는 기후변화에 따른 위도별 기후 및 수문 순환을 비교하기 위해 전 지구 규모로 연구 범위를 확장하였으며, 다수의 CMIP6 GCM을 사용하여 전 지구의 기후 및 수문학적 변동성 비교하였다.
CMIP5와 CMIP6 GCM의 성능 비교에 대한 연구 결과는 CMIP6 GCM이 CMIP5 GCM보다 과거기간(1970-2005)에 재현성이 더 우수하였다. 또한, REA(Reliability Ensemble Average)와 통계적 방법을 사용하여 SSP와 RCP(Representative Concentration Pathway) 시나리오의 미래 기후에 대해 불확실성을 정량화하였다. 그 결과로 SSP 시나리오가 RCP 시나리오보다 불확실성이 더 낮다는 것을 발견하였다. 더 나아가, 22개 관측소에 추정된 잠재증발산량의 추정한 결과에서는 과거기간에 TW의 성능이 HS와 PM보다 높은 반면 HS는 성능이 가장 낮았다. 미래의 경우, TW와 PM은 과거기간 대비 증발산량이 증가하였으나, HS는 감소하였다. 또한, REA를 사용하여 3개의 잠재증발산량에 대해 불확실성을 정량화하였으며, PM이 다른 방법들보다 과거 및 미래에 가장 낮은 불확실성을 나타냈으며, HS는 가장 높은 불확실성을 나타냈다.
전 지구 기후 및 잠재증발산량의 미래 변화에 관한 결과는 25개 CMIP6 GCM을 토대로 위도별 분석된 전 지구의 강수량과 기온의 미래 변화는 과거기간보다 모두 증가하였으며, 특히 북반구 고위도는 기후변화에 가장 취약한 위도로 나타났다. 더 나아가, 남반구의 중위도에서 미래에 연간 강수량은 과거보다 적게 예측된 반면 평균 기온은 증가하였다. 따라서, 남반구 중위도는 미래에 과거보다 더 건조한 기후를 예측하였다. 더 나아가, 본 연구는 14개 CMIP6 GCM의 6개 기후변수를 토대로 과거와 미래에 HS와 PM을 사용하여 잠재증발산량을 추정하였다. 그 결과 SSP2-4.5와 SSP3-7.0에 대한 PM과 HS는 북반구 저위도에서 동일한 열에너지를 나타냈으며, 예측된 미래 증발산량은 과거기간에 산정된 증발산량의 계절적 추세가 무시되었다. 더 나아가, 물순환을 위한 열에너지는 SSP1-2.6을 제외한 모든 시나리오와 대부분 위도에 높게 유지되었다.
본 연구의 향후 연구는 전 지구 미래 가뭄을 예측하는 것이다. 과거기간에 산정된 가뭄 대비 미래 가뭄의 빈도와 심도의 변화를 파악할 수 있으며, 이를 토대로 가뭄에 취약한 국가 및 지점에 적절한 기후변화 정책을 수립하는 데 도움이 될 수 있다. 또한, 예측된 가뭄의 불확실성을 정량화하여 신뢰도가 활용가치가 높은 데이터를 전 세계적으로 제공할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• II. 이론적 고찰 6
• 1. 온실가스 배출 시나리오 6
• 2. 전 지구 순환 모형 10
• 3. 편의 보정 11
• 4. 병렬 컴퓨팅 12
• 5. 불확실성 13
• 6. 다기준의사결정기법 14
• III. CMIP6 GCM의 우리나라 적용 가능성 15
• 1. CMIP5와 CMIP6 GCM의 강수량 성능 비교 15
• 2. 다수의 CMIP5와 CMIP6 GCM의 기후변수 성능 비교 32
• 3. SSP 시나리오를 이용한 우리나라 잠재증발산량의 미래 변화 43
• IV. CMIP6 GCM의 전 지구 적용 60
• 1. SSP 시나리오 기반 전 지구 위도별 미래 기후변화 60
• 2. SSP 시나리오 기반 전 지구 위도별 미래 잠재증발산량 비교 96
• V. 종합 결론 153
• 참고문헌 155
• 영문초록(Abstract) 239
• 감사의 글 241

참고문헌 (Reference)

1. IPCC 신시나리오 체계를 적용한 우리나라 기후변화의 피해비용 분석, 채여라, 이주형, KEI 연구보고서, , 2017

2. IPCC WGI 평가보고서 주요내용 비교를 통한 기후변화에 관한 과학적 진보, 구교숙, 부경온, 권원태, 한국기상학회, 제17권, 제4호, pp. 483~492, , 2007