Irreversible Response of East Asian Extreme Precipitation to CO2 forcing

Abstract

인간 활동에 의한 대기중 이산화탄소 농도는 산업 혁명 이후 급격하게 증가하고 있다. 이에 따른 기후변화 피해를 최소화 하기 위하여, 파리 협약 (The Paris Agreement)은 온실기체 배출량을 감소시켜 산업화 이전 대비 2℃ 이하, 그리고 노력을 통해 1.5℃까지 지구온난화를 억제하는 것을 목표로 하고 있다. 또한, 1.5℃ 목표 온도에 도달하기 위해서는 21세기 중반까지 이산화탄소 순 배출량이 0이 되도록 하는 탄소 중립을 달성하여야 한다. 이에 따라 이산화탄소 농도 증감에 따른 기후 시스템의 반응을 평가하는 것이 중요한 사안으로 여겨지고 있다. 모델 실험을 통하여 이산화탄소 강제력에 대한 기후 시스템의 비가역성, 즉 이산화탄소 농도가 산업화 이전 수준으로 감소되었을 때 기후 시스템 또한 이전과 같은 수준으로 돌아올 것인가에 대한 반응을 평가하는 연구들이 있다. 특히, 수문순환 반응에 관한 연구들에서 전구 강수 패턴이 전과 같은 상태로 회복이 불가능한 비가역성을 보인다고 밝혀졌다. 최근 선행연구는 이산화탄소 강제력에 따른 동아시아 여름 강수 반응이 비가역성을 보이며, 이는 엘니뇨와 비슷한 패턴의 해수면 온도 상승에 의한 것이라고 밝혔다. 그러나, 선행연구에서는 평균적인 여름철 강수에 중점을 두고 있기 때문에, 여름철 강수의 계절 내 변동과 극한 강수 반응에 대해서는 아직까지 연구가 잘 이루어져 있지 않다. 따라서, 본 연구에서는 이산화탄소 강제력에 대한 동아시아 극한 강수 반응과 이를 설명하는 기작을 계절 내 규모로 분석하였다. 본 연구에서는 지구 시스템 모델을 이용하여 대기중 이산화탄소가 약 4배에 달할 때 까지 일정하게 증가시킨 후, 다시 대칭적으로 감소시키는 농도 시나리오를 통해 이산화탄소 농도에 따른 동아시아 지역의 극한 강수 빈도의 반응을 분석하였다. 그 결과, 이산화탄소 농도가 대칭적으로 감소함에도 불구하고 동아시아 여름철 극한강수 빈도는 긴 지연시간을 가지고 서서히 회복되거나, 회복불가능한 것으로 확인되었다. 특히 이러한 비가역성은 극한 강수가 더 자주 발생하는 한여름부터 늦여름 동안에 뚜렷하게 나타났다. 이는 이산화탄소 감소 기간 동안에 엘니뇨와 비슷한 패턴의 해수면 온도 상승이 강화되어 나타나는 결과인데, 열대 동태평양의 해수면 온도 상승으로 인한 Gill-타입 반응과 그에 따른 대기-해양 상호작용 과정에 의해서 북서 태평양 지역에 고기압이 형성되고, 그리하여 동아시아 지역에 강수 증가를 불러일으키는 기작으로 설명된다. 흥미롭게도, 열대 해수면 온도 상승은 여름 기간 전체에 걸쳐 동일하게 나타나지만 초여름에는 북서태평양 지역의 반응이 매우 약하게 나타나며, 이는 한여름부터 늦여름과는 반대되는 강수반응으로 이어진다. 이러한 계절잠김 현상은 북서 태평양 지역에 평균적으로 하강기류가 존재하기 때문에 대류가 약한 초여름에는 외부 강제력에 대한 반응이 약하기 때문인 것으로 사료된다. 본 연구에서는 이산화탄소 농도를 즉시 감소시키더라도 동아시아 지역의 극한강수는 더 자주 발생할 것이며 회복 불가능한 비가역성을 보이고 있고, 따라서 기후변화 적응과 완화 측면에서 중요하게 고려되어야 함을 시사하고 있다. 핵심어: 이산화탄소 제거, 탄소중립, 엘니뇨 현상, 극한강수 빈도, 동아시아 기후

Understanding regional hydro-climatic extreme responses to CO2 pathways is fundamental to climate change mitigation and adaptation. This study evaluates responses of extreme precipitation frequency (R30mm: days with precipitation ≥ 30 mm) over East Asia to idealized CO2 forcing using the Community Earth System Model (CESM1). Under asymmetric increase (ramp-up, +1% per year until quadrupling level) and decrease (ramp-down, about -1% per year back to the present level) of CO2 concentrations, East Asian R30mm shows an asymmetric response with higher frequency during the ramp-down period. This hysteresis behavior is found to be due to a northwestward propagating wave response to the El Niño-like warming, which induces a three-cell (positive-negative-positive) R30mm difference pattern from central equatorial Pacific to East Asia. Monthly analysis further reveals that this asymmetry has a seasonal locking, occurring during July-September only, constrained by the background precipitation climatology over the sub-tropical western Pacific. Key words: Carbon dioxide removal, Carbon neutrality, El Niño-like warming, Extreme precipitation frequency, East Asian climate