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지구를 분석한다. 대기 수문 순환 모델, AOGCM

9월 20 업데이트됨

북극 온난화, 오존층 파괴, 다양한 기상 현상들... 우리는 지구에 살면서 다양한 기상 현상들을 접하고 있다. 또한 매일 뉴스에서는 날씨 예보가 나오곤 한다. 이처럼 우리 생활에서 날씨나 앞으로 지구에서 일어날 현상들의 예측은 중요해지고 있다. 그렇다면 우리들은 어떻게 이러한 날씨를 예측하고 미래 기후가 어떻게 변화할지 예측 할 수 있는 것일까? 그 변화를 예측하는 프로그램이 바로 기후 모델이다. 기후 모델은 대기, 해양 같은 지구의 대표적인 계들 간의 상호작용을 수학적으로 표현하여 컴퓨터를 통해서 이러한 수식을 풀어내는 프로그램이다. 이 글에서는 기후 모델 중에서도 대기의 순환에 대해서 집중한 대기 순환 모델(AGCM)에 대해서 알아볼 것이다.


대기 수문 순환 모델이란?

Atmospheric Oceanic General Circulation Model은 번역 하자면 대기 수문 순환 모델이라고 불린다. 약자로 AOGCM이라고도 불리는 이 모델은 지구 전체의 기후를 수학적으로 계산하는 복잡한 프로그램이다. 간단히 소개를 하자면 지구의 대기의 순환 과정이나 열의 전달 과정, 바람의 방향 등의 물리적인 현상 등을 수학식으로 표현을 하였다. 모델을 실행하기 위해 지구를 3차원의 영역들로 쪼개고 그 쪼갠 하나의 영역에서 다양한 방정식을 적용해나간다. 또한 이 쪼갠 영역과 맞닿은 영역 사이의 상호작용도 계산함으로써 지구의 다양한 기상 현상들을 나타낼 수 있다.

지구를 격자로 나누었다

NASA에서 GCM을 시각화한 영상


위 영상을 보면 조금 이해가 갈 것이다. 이처럼 대기의 순환이나 물의 순환 등을 컴퓨터의 세계에서 만드는 것이다. 하지만 잠시 생각을 해보면 한 가지 의문점이 들 수 있다. ‘지구는 수문 순환, 대기 순환, 탄소 순환, 지권, 외권 등 여러 부분이 서로 상호작용하는 복잡계인데 과연 어떻게 이렇게 복잡한 지구를 표현하는 것일까?’ 실제 지구를 완벽히 표현해 내는 것은 무리가 있다. 왜냐하면 슈퍼컴퓨터를 사용한다고 해도 모든 계의 상호작용을 표현한다면 그것은 상상할 수도 없는 엄청난 용량을 차지하게 된다. 그렇기 때문에 과학자들은 기후 모델을 사용할 때, 지구를 최대한 단순화 시킨다. 이를 알아보기 이전에 과연 이러한 모델이 실제 지구의 기후변화의 예측에 사용될 만큼 정확한 모델인지 생각해 보도록 하자.


AOGCM, 대기와 해양 사이의 관계까지 지구를 표현한 위 모델은 수십 가지의 변수들을 내장하고 있다. 실제로 이러한 모델을 사용하여 나온 결과와 지난 150년간 지구의 기온을 비교해 보았을 때, 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다.


하지만 모든 것이 완벽할 수는 없듯이 AOGCM 또한 모델의 정확도가 뛰어나지가 않다는 문제가 제기되었다.

다양한 모델에서의 기온 변화 예측

위 그래프처럼 다양한 모델들이 존재하지만 각각 다른 기후 변화를 예측 했다는 점에서 아직 고쳐야할 점이 크다. 기후변화에 관한 정부간 협의체에서 조사한 SRES보고서에 나온 시나리오 A2의 경우에서도 우리가 기후의 미래 변화를 정확하게 예측 할 수 없다는 점을 발견하였다.


대기 모델의 성과

그렇다면 이러한 대기 모델은 어떠한 성과를 가지고 있을까? 이번 단원에서는 GFDL(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)의 대기와 해양을 결합 시킨 기후 모델인 CM 4.0이 낸 성과에 대해서 알아볼 것이다. 지난 10월 18일 네이처 기후와 대기과학 분야에 올라온 논문에서는 위 GFDL CM 4.0의 모델을 이용하여 허리케인이 싣고 오는 홍수의 비율의 증가가 어떻게 지구 온난화와 연결될 수 있는지 설명하였다. 기후 모델의 결과에서 온도의 상승은 열대에 있는 폭풍 바람이 강해지게 하였다. 실제로 바람이 강한 폭풍은 더 높은 강우량을 생성하는 경향이 있으므로 이렇게 지구 온난화와 강우량 증가를 연결시켰다.


또한 북태평양에서 활발하였던 2018년의 사이클론의 형성의 매커니즘을 발견하였다. 실제로 밑의 그래프를 봐보면 Storm Day의 숫자의 관측 값(검은색)과 실험 값(파란색)이 거의 일치한 경향을 띄는 것을 알 수 있다. 이는 우리가 이러한 변화의 추세를 예측 할 수 있는 단계에 이르렀다는 것을 나타낼 수 있을 것 같다.


기후 모델의 미래

위에서 설명한 점 이외에도 적도에 위치한 적도 수렴대(ITCZ)의 변화, 미세먼지가 우리나라에서 끼치는 영향 등의 다양한 분야에서 이러한 모델은 쓰이고 있다. 앞에서 말했듯이 지구를 실험 대상으로 연구를 진행하기에는 무리가 있기에 우리가 모델을 쓰는 것이다. 점점 문제점을 개선해 나가고 이러한 모델이 조금 더 정확하게 지구의 미래에 대해서 예측을 할 수 있게 된다면 우리는 이러한 변화에 빠르게 발 맞추에 행동할 수 있을 것이라고 생각한다.


<참고자료>

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/General_circulation_model

[2] Soden, B. J. (2000). The sensitivity of the tropical hydrological cycle to ENSO. Journal of Climate, 13(3), 538-549.

[3] Giorgi, F., & Mearns, L. O. (2002). Calculation of average, uncertainty range, and reliability of regional climate changes from AOGCM simulations via the “reliability ensemble averaging”(REA) method. Journal of Climate, 15(10), 1141-1158.

[4] Cubasch, U., Meehl, G. A., Boer, G. J., Stouffer, R. J., Dix, M., Noda, A., ... & Brinkop, S. (2001). Projections of future climate change. In Climate Change 2001: The scientific basis. Contribution of WG1 to the Third Assessment Report of the IPCC (TAR) (pp. 525-582). Cambridge University Press.

[5] Qian, Y., Murakami, H., Nakano, M., Hsu, P. C., Delworth, T. L., Kapnick, S. B., ... & Kataoka, T. (2019). On the Mechanisms of the Active 2018 Tropical Cyclone Season in the North Pacific. Geophysical Research Letters.


<이미지>

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/General_circulation_model

[2] https://web.archive.org/web/20060527001324/http://www.hadleycentre.gov.uk/research/hadleycentre/pubs/talks/sld017.html

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/General_circulation_model

[4] http://www.hani.co.kr/arti/society/society_general/859514.html

[5] https://www.gfdl.noaa.gov/research_highlight/on-the-mechanisms-of-the-active-2018-tropical-cyclone-season-in-the-north-pacific/


<동영상>

https://youtu.be/NDTWVDuq2aQ


Physics 학생기자단 김승우

2019년 겨울호

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대기과학

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