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서연 변
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1 기후연구제10권제1호 2015(57~74) 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 라나리 심성보 부경온국립기상과학원기후연구과 (2015 년 2월 26일접수, 2015 년 3월 2일수정, 2015 년 3월 26일게재확정 ) Impact of the Increasing Aerosol Emissions on Wintertime Climate over East Asia during the 20 th Century Nary La Sungbo Shim Kyung-On Boo Climate Research Laboratory, National Institute of Meteorological Research (Received 26 February 2015, Revised 2 March 2015, Accepted 26 March 2015) Abstract : This study investigates the direct and indirect effects of anthropogenic aerosols emission on East Asian climate during the winter (December-February) for the period of Using a globally coupled climate model, HadGEM2-AO, we compare ensemble means between historical runs with and without aerosol emissions. During the 20th century the major contributions to the total Aerosol Optical Depth (AOD) over the East Asian region came more from anthropogenic aerosols than from natural aerosols. The increasing total AOD induces the negative radiative in a clear-sky condition, leading to cooling the surface. Indirect effect contributes to the increase in the total cloud fraction, resulting from the increased low-level stratus and stratocumulus clouds. Consequently, the net surface radiative flux becomes negative due to the direct and indirect effects of aerosols. Land surface cooling seems to enhance the landsea pressure gradient in the East Asian wintertime climate, and the associated wind anomalies induce the regional wintertime precipitation amount changes over South China. Key Words : Aerosol, direct effect, indirect effect, winter climate change, East Asian monsoon 주요어 : 에어로졸, 직접효과, 간접효과, 겨울철기후변화, 동아시아몬순 1. 서론 IPCC(Intergovernmental panel on Climate Change) 4차보고서에따르면, 지구온난화의주된원인으로인간활동에의한온실가스배출증가를제시하고있으며, 뿐만아니라이러한온실 가스에반하여음의강제력으로작용하는요인으로에어로졸효과를언급하고있다 (IPCC, 2013). 태양으로부터방출되는복사에너지는지구대기를통과하면서대기에흡수산란되어지표에도달하게되는데, 이과정에서에어로졸이직접적으로지표에도달하는태양복사를감쇄시킬뿐만아 Correspondence: Nary La, Climate Research Laboratory, National Institute of Meteorological Research, Korea Meteorological Administration 33, Seohobuk-ro, Seogwipo-si, Jeju-do, , Republic of Korea, Phone: , Fax: , nary124@korea.kr

2 58 라나리 심성보 부경온 니라간접적으로는에어로졸중일부가구름응결핵 (Cloud Condensation Nuclei, CCN) 으로작용하여구름의미세물리적성질은물론역학적발달과강수효율을변화시킴으로써구름에의한태양복사의반사효율을결정한다 (Miller et al., 1998; Lau et al., 2006; Kim et al., 2006). 또한구름응결핵의증가는구름방울수농도가증가하는대신구름방울크기가줄어들게하여결과적으로구름의반사도를증가시키거나구름방울크기의감소로인한강수효율의감소가구름의수명을연장시킴으로써지구냉각화에기여하는것으로알려져있다. 최근관측과모델링분야에서다양한연구가수행되고있지만 (Zhang et al., 2012; Guo et al., 2013; Jiang et al., 2013; Wu et al., 2013; Song et al., 2014) 에어로졸의복잡한영향으로기후변화예측의불확실성에가장큰원인으로지적되고있다 (IPCC, 2013). 이러한이유는구름과에어로졸의물리화학적성질에대한이해도가낮을뿐만아니라대기중에배출된에어로졸이온실가스와다르게생존시간이몇시간에서수주정도로짧고지역별로생성, 변화, 소멸등과정이다르기때문에시공간적으로농도분포와특성이크게다르기때문이다 (Kim et al., 2010). 특히, 동아시아지역은전세계인구의 60% 가밀집된지역으로 20세기중반급격한산업화로온실가스와더불어대기에어로졸이급격히증가하였으며 (Tu et al., 2005), 전지구기후시스템의중요한구성요소중하나로동아시아몬순변동성과밀접한상관성을가지고있다 (Lau and Li, 1984; Ding, 1994; Huang et al., 2003, 2007; Chan and Li, 2004; Chang et al., 2006; Lim et al., 2012). 동아시아겨울철몬순은대륙의냉각에따른시베리아고기압과해양의알류산저기압이우리나라를중심으로동서방향으로위치하면서발생하는북서및북동풍에의해영향을받는다. 더불어서 태평양의대규모열대대류에의해겨울몬순강수량이영향을받기도하며 (Chang and Lau, 1982; Lau and Boyle, 1987), 말레이시아, 인도네시아, 오스트레일리아의강수량에도영향을주는것으로보고되었다 (Chen et al., 1991). 동아시아겨울철몬순이강화되면해수면온도 (Bueh and Ji, 1999), 몽골고기압과알류산저기압의강도, 유럽-아시아대륙과북태평양사이의압력섭동의규모, 겨울철폭풍에영향을주게된다 (Pei and Li, 2007; Liu et al., 2009). 이에동아시아지역몬순순환에대한많은연구가증가하고있으며, 본연구에서는몬순시스템에미치는에어로졸의영향을이해하고자하였다. 최근동아시아지역에서에어로졸이기후에미치는영향에대한국내외연구가증가하고있지만, 에어로졸-구름상호작용에의한기후변화연구는상대적으로적은실정이다. 따라서본연구에서는에어로졸강제력에의해동아시아지역의에어로졸의물리과정과구름상호작용에따른복사강제력변화가동아시아지역의기온과강수및대기순환에미치는영향을살펴보았다. 2. 자료및분석방법 본연구에서는 PCMDI(Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison) 에서제공하는 CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) 참여모델중하나로, 영국기상청모델 (Unified Model, UM) 의두번째버전인 HadGEM2(Hadley Centre Global Environment Model, version 2; Collins et al., 2008) 대기-해양모델을이용하였다. HadGEM2-AO 모델의대기모델분해능은수평적으로 N96(~135 km 간격, 격자 ) 이며연직적으로 38층 ( 최상층

3 20 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 59 ~40km) 으로구성되었다. 해양모델의분해능은동서방향으로 1 ~1/3 (216 개격자 ) 로적도부근에서고분해능을가지고연직 40층으로이루어져있다 (NIMR., 2011; Baek et al., 2013). 모델에서사용되는에어로졸구성성분은총 6가지성분으로황산염 (Sulfate), 검댕 (Black carbon), 유기탄소 (organic carbon), 바이오매스 (Biomass-burning), 해염 (Sea-salt), 먼지에어로졸 (Mineral dust) 로분류되며, 황산염, 검댕, 유기탄소, 바이오매스는 CMIP5 실험을위한 Jones et al.(2011) 의자료를사용하고먼지에어로졸, 해염입자의대기중농도는모델적분과정에서계산된다. 에어로졸입력자료는월평균간격으로이루어져있으며 5일간격으로내삽되어모델의각격자값으로사용되며, 모델에서복사플럭스를바꾸는방법은두가지로직접효과는 Edwards and Slingo(1996) 의복사방식을표현하였으며, 간접효과를추정하는것은 Jones and Slingo(1996) 와Wood et al.(2002) 에서설명한다. 이에어로졸강제력은단장파의복사산란및흡수의직접효과와구름과의상호작용으로간접효과를일으키며기후에영향을준다. 이를분석하기위해제어실험 (pre-industrial control) 의 100, 200, 300, 400, 500, 1000년의결과를각각의초기장으로사용한과거기후모의실험 ( 이하 HIST) 와에어로졸고정실험 ( 이하 FIXA) 의 6개의앙상블자료를사용하였다 (Boo et al., 2014)(Table 1). HIST 실험의경우온실가스, 에어로졸, 자연강제력과지면사용량변화등모든강제력을포함한모의결과이며 HIST 실험에서에어로졸배출량만 1860 년수준으로고정시킨것이에어로졸강제력고정실험 (FIXA) 이다. 에어로졸의영향을살펴보기위해 HIST 실험과 FIXA 실험의앙상블평균의차이를계산하였다 ( 이하 AERO). 총적분기간은 1860년부터 2005년까지총 146년이며분석영역은 15 N -50 N, 95 E -150 E (Figure 1) 이며, 1961년부터 1990년까지총 30년에대한겨 Table 1. Descriptions of forcing experiments in this study. Experiment HIST FIXA AERO Description Include All forcing (GHGs, Aerosol, Natural, Land use change), 6members Aerosol fixed for HIST experiment at 1860 levels, 6members HIST minus FIXA Figure 1. Analysis domain and orography in this study.

4 60 라나리 심성보 부경온 울철 (12월, 1월, 2월 ) 에대해분석하였다. 모델검증에사용된 ISCCP(International Satellite Cloud Climatology Project) 자료는 1994년부터 2005년에 Total cloud fraction 변수와구름의타입별변수에대해사용하였다. John et al.(2011) 에의하면 ISCCP 자료는남반구대초원지대에서수집된지상레이더관측에비해중층운이다소과다하게분포하는경향을언급하였다. 3. 결과 1) 에어로졸방출및광학두께변화에어로졸광학두께 (Aerosol Optical Depth, AOD) 란태양복사가대기상층에서지표까지도달하는동안대기의여러성분들에의해감쇄하게되는데, 이중에어로졸에의한감쇄를나타내는파라미터를말한다 (Ramanathan et al., 2001). 20세기동안동아시아지역겨울철에대해총에어로졸의 550 nm 파장대의광학두께변화량을보면 (Figure 2), 20세기중반이후에어로졸광학두께가크게증가하였다. 그림은제시하지않았으나, 20세기중반이후 AOD의증가에지배적으로기여한것은황산염에어로졸이며, 다른성분의광학두께는황산염에비해 20세기동안상대적으로변화가적었다. Figure 3은 1961 년에서 1990년의동아시아겨울철에대한 550 nm의총에어로졸광학두께로 HIST 실험과 FIXA 실험의차이인 AERO 의공간장이며, 에어로졸주요방출지역에서최대값을나타내고있으며남중국해안지역을따라북서태평양까지증가하며최대값은 0.2 이상으로사천성분지에나타나는데이는지역의소용돌이가모이는곳이다 (Qi et al., 2013). 20세기중반방출된인위적인에어로졸은주요방출지역인중국대륙뿐만아니라우리나라와일본을포함한북서태평양지역까지영향을주고있다. Ramanathan et al.(2001) 에의하면전지구적으로 550 nm 의총에어로졸광학두께의매년평균값은 0.12(±0.04) 을가지는반면동아시아지역 550 nm에서총광학두께의겨울철평균최대값은 0.16 으로매우높은 AOD at 550 nm years Figure 2. Time series in Total Aerosol Optical Depth changes at 550 nm in DJF for the period of 1900 to 2000 over East Asian. Thick line is ensemble mean and shading means ensemble spread of six simulations.

5 20 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 61 Figure 3. Total Aerosol Optical Depth differences at 550 nm in DJF during the period of 1961 to 1990 between HIST and FIXA (AERO). 값을갖는다. 이는동아시아지역겨울철에인위적인에어로졸이많이방출되고있음을의미한다. 이에에어로졸의기후적영향을이해하고자 AOD 가증가하는 1961년부터 1990년 (30년) 에대해분석을하였다. 2) 에어로졸에의한구름변화구름은구름의상단고도, 깊이, 운량, 얼음입자유무등에따라복사강제력및강수에미치는프로세스가크게달라진다. 특히, 에어로졸일부가구름응결핵으로작용하여구름의입자수를증가시킴으로써구름물리과정에중요한영향을미치게되는데, 구름물함유량이변하지않는다면구름입자수의증가는구름입자유효반경을줄이는데기여한다 (NIMR, 2011). 결과적으로구름의반사도를증가시키거나구름방울크기의감소로인한강수효율의감소가구름의수명을연장시킴으로써지구냉각화에기여하는것으로알려져있다. 따라서동아시아기후변화를이해하기위해서에어로졸과구름상호작용에따른구름특성변화에대해살펴볼필요가있다. 먼저동아시아지역의겨울철구름분포를알아보기위해총운량을조사하였다 (Figure 4). IS- CCP 의 Total Cloud fraction 변수를이용하였으며자료의기간이짧아 1994년부터 2005년에대해사용하였다. 이를 HIST 실험과 FIXA 실험과비교한결과, 관측에비해모델은남중국에서과대모의하고북중국에서는과소모의하지만북동쪽으로퍼져나가는수평분포와일본을포함하는북서태평양의구름분포가전반적으로일치한다. 인위적인에어로졸영향을나타내는 AERO는대부분해양지역에서구름의양이증가하는데 (Figure 4d), 이는에어로졸주요배출지역인풍하측에위치한해양의구름입자농도를증가시킴으로써구름양증가에기여하는것으로판단된다. 운량의증가가어느고도에서나타나는지확인하기위해 HadGEM2-AO 모델에서사용되는연직 7층 (900 hpa, 740 hpa, 620 hpa, 500 hpa, 375 hpa, 245 hpa, 115 hpa) 에대해나누어조사하였다 (Figure 5). 모델결과로동아시아겨울철구름분포는하층 (900 hpa, 740 hpa) 과중층 (620 hpa, 500 hpa, 375 hpa) 이지배적이며, 하층의경우에

6 62 라나리 심성보 부경온 (a) OBS (b) HIST (c) FIXA (d) AERO Figure 4. DJF Climatology in Total Cloud Fraction (units: %) of (a) OBS (ISCCP) from 1994 to 2005, (b) all forcing (HIST), (c) fixed aerosol (FIXA) experiment, and (d) HIST minus FIXA (AERO) from 1961 to 어로졸방출지역과남중국해안에서북서태평양까지구름양이많으며, 중층은북위 20-40도사이에구름이분포한다. HIST 실험과 FIXA 실험의차이인 AERO에서 900 hpa 운량증가는 Figure 4d와유사하게나타나고있으며, 이는하층운의증가가전체운량에영향을주고있음을의미한다. ISCCP는구름의광학깊이와상단고도에따라총 9가지구름종류 (CI: 권운, CS: 권층운, DC: 적운대류, AC: 고적운, AS: 고층운, NS: 난층운, CU: 적운, SC: 층적운, ST: 층운 ) 로구별하는데, ISCCP 분류법을토대로동아시아지역의겨울철 평균분포를관측자료와비교하였다 (Figure 6). 관측자료 ( ) 에의하면동아시아겨울철동아시아구름은상층운중 CI가지배적이며중층운 AC, AS, NS가혼합되어있고하층운은 SC 형태가지배적이다 (Figure 6a). 이에대해 HIST 실험의경우 20세기동안겨울철구름의평균변화를살펴보면중층운과하층운에서나타나는데, 중층운보다는하층운의증가가더크고특히 SC( 층적운 ) 와 ST( 층운 ) 로나타났다 (Figure 6b). FIXA 실험은 HIST 실험과유사하게나타나는데인위적에어로졸의영향을나타내는 AERO 에서살펴보면인위

7 20 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 63 (a) HIST (b) FIXA (c) AERO Figure 5. Vertical distribution of Total Cloud Fraction (units: %) in DJF for the period of 1961 to 1990 for (a) all forcing (HIST), (b) fixed aerosol (FIXA) experiment, and (c) HIST minus FIXA (AERO). Each level is to the left of each panel.

8 64 라나리 심성보 부경온 (a) OBS CI CS DC AC AS NS CU SC ST Figure 6. DJF cloud types (units: %) of Cirrus (CI), Cirrostratus (CS), Deep convection (DC), Altocumulus (AC), Altostratus (AS), Nimbostratus (NS), Cumulus (CU), Stratocumulus (SC), and Stratus (ST) for (a) OBS (ISCCP) from 1994 to 2005, (b) all forcing (HIST), (c) fixed aerosol (FIXA) experiment, and (d) HIST minus FIXA (AERO) from 1961 to 적인에어로졸에의해구름의깊이가더두꺼워지는것은하층운인 SC( 층적운 ) 와 ST( 층운 ) 임을알수있다 (Figure 6d). 3) 에어로졸직, 간접효과에의한대기복사량변화앞서 3.1과 3.2에서언급한것과같이, 대기중방출된에어로졸에의한직접효과와에어로졸- 구름상호작용에의한간접효과에대해언급하였다. 이러한에어로졸의직, 간접적인효과로인 한복사강제력변화를살펴보았다. IPCC 5차보고서에따르면, 인위적인에어로졸의직, 간접적효과에의한복사강제력은각각 -0.5 Wm -2 와 -0.7 Wm -2 으로보고된바있다. 이는 -0.9~- 0.1 Wm -2, -0.8~-0.3 Wm -2 의불확실성을가지고있지만, 이산화탄소에의한온난화효과 ( Wm -2 ) 의상당부분을상쇄시킬수있는양에해당한다. 에어로졸에의한직접적인복사강제력은태양복사인단파및장파복사의산란과흡수로인해지구복사수지의변화를일으키며, 간접

9 20 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 65 (b) HIST CI CS DC AC AS NS CU SC ST Figure 6. (continued). 적인복사강제력은에어로졸일부가구름응결핵으로작용하여구름물리미세과정과복사적성질을변화시켜복사수지에영향을준다 (Ramanathan et al., 2005). 20세기중반인위적인에어로졸배출의급격한증가로인해동아시아지역겨울철복사수지의변화를살펴보았다 (Figure 7, 8). 지면과대기상단의에어로졸효과가다르게나타나기때문에지면과대기상단으로나누어분석하였으며, 에어로졸강제력에의한직, 간접효과를분류하여비교하기위해 3가지조건으로나누어겨울철평균분포를나타내었다. All-sky 조건에서대기상단의경우 대기로들어오는단파복사량에서나가는단파복사량과장파복사량을제외하였고, 지면의경우지면으로들어오는단파복사량과장파복사량을합하였다. Clear-sky 조건은구름에의한복사효과는제외되고에어로졸의직접적인복사강제력효과를보고자하였다. 대기상단의경우들어오는단파복사량에서 clear-sky 상태일때나가는단파장파복사량을제외하였으며, 지면의경우 clear-sky 상태일때지면으로들어오는단파복사량에서나가는단파복사량을제외한후지면으로들어오는장파복사량에서지면에서나가는장파복사량을제외하였다. Cloudy-sky 조건으로구름에의한복사강

10 66 라나리 심성보 부경온 (c) FIXA CI CS DC AC AS NS CU SC ST Figure 6. (continued). 제력효과로간접적인복사강제력을의미하며 allsky 값과 clear-sky 값의차이에서계산하였다. 모델의두실험 (HIST, FIXA) 결과대기상단의복사강제력 (Figure 7) 은 all-sky 조건과 clear-sky 조건의경우동일위도대에서는비슷한복사강제력을보이나 all-sky 에서는북위 20-25도부근의중국대륙은같은위도의다른지역보다다소낮은복사강제력을띄고있다. 이는 cloudy-sky 조건을통해알수있는데, 에어로졸주요방출지역에서음의복사강제력이크며북위 25도부근인남중국에서부터북서태평양까지복사강제력이감소하고있으며, 이는하층구름의증가로인한반사효과 로연관된다 (Figure 4d, 5c, 6d). 인위적인에어로졸의효과를나타내는 AERO에서 all-sky 조건을보면남중국해안지역에서는최대 -14 Wm -2 의강한음의복사강제력이나타난다. 지표의복사강제력 (Figure 8) 을살펴본결과, 대기상단에서분석한결과와동일하다. 즉인위적에어로졸배출원인북위 25도부근의중국대륙에서복사강제력이동일위도대보다작고이는구름에의한것이고에어로졸배출과연관된다 (Figure 4). 대기상단 (Figure 7) 과크게다른점은 AERO(Figure 8c) 의 clear-sky 조건에서중국내륙의음의복사강제력으로, 이는인위적인에어로

11 20 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 67 (d) AERO CI CS DC AC AS NS CU SC ST Figure 6. (continued). 졸이 Figure 3과같이지면과가까운대기중에존재하면서, 지면으로들어오는태양복사를반사하는것으로판단된다. 상대적으로 cloudy-sky 조건의음의복사강제력은육지보다해양에서크고인위적인에어로졸에의해하층운의증가로인하여태양복사를반사하여 -12 Wm -2 의음의복사강제력이나타난다. 인위적인에어로졸의직접효과와구름에의한간접효과가합쳐져서 AERO의 allsky에서보이는것처럼남중국육지와해양에서약 -18 Wm -2 의강한음의복사강제력이나타났다. 대기상단과지면의복사강제력변화에서직접효과는 AOD 변화와같이주요방출지역주변 에서음의복사강제력이나타났으며간접효과는남중국해안을따라구름변화와밀접하게관련이나타난다. 4) 에어로졸에의한동아시아기온및강수변화앞서언급한것과같이 20세기중반인위적인에어로졸이동아시아지역에서급증하면서하층운의구름증가와그로인해대기상단과지면에서음의복사강제력을야기한다. 이영향으로동아시아지역겨울철에기온이하강하는데이는 Figure 9와같이나타났다. 동아시아전역이기온이감소하는데남중국에서는기온이약 1.8 감소경향을

12 68 라나리 심성보 부경온 (a) HIST (b) FIXA (c) AERO Cloudy-sky Clear-sky All-sky Figure 7. Net radiative flux at top of atmosphere (units: Wm -2 ) in DJF for (a) all forcing (HIST), (b) fixed aerosol (FIXA) experiment, and (c) HIST minus FIXA (AERO) from 1961 to 보이며, 고위도로갈수록기온감소폭은커져약 2.6 의기온감소를보였다. Liu et al.(2009) 에따르면에어로졸은지역적으로각성분특성이다른데, 황산염에어로졸에의한기온감소는남중국에서최대 1.2 의감소가나타났으며, 중국남부와중부에서다른에어로졸성분에의해 0.6 감소를보여주었다. 본연구결과는 Liu et al.(2009) 의남중국지역의성분별에어로졸의냉각효과를합한결과와감소정도가유사하다. 이로부터황산염에어로졸의냉각효과가주요함을알수있다. 육지의강한기온감소에따라기압과바람장의패턴도변한다 (Figure 10). 20세기동아시아겨 울철의해면기압평균장을살펴보면 (Figure 10a, b), 동아시아대륙에는시베리아고기압이위치하며북서태평양고위도에알류산저기압이위치하여있다. 동서방향의기압경도로인해대륙에서해양으로부는겨울철북서풍계열의바람이대표적으로나타난다. 에어로졸에의해아시아대륙의기온하강은북위 40도이남지역에서는겨울철대륙-해양간기압패턴을더강화시키는것으로판단된다 (Figure 10c). 이기압변화에따라남중국연안지역을따라북서태평양까지북동풍계열의바람이나타났다. 한편 40도이북고위도지역은알류산저기압이상대적으로약화되어양의아노말

13 20 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 69 (a) HIST (b) FIXA (c) AERO Cloudy-sky Clear-sky All-sky Figure 8. Net radiative flux at surface (units: Wm -2 ) in DJF for (a) all forcing (HIST), (b) fixed aerosol (FIXA) experiment, and (c) HIST minus FIXA (AERO) from 1961 to 리가나타난다. Liu et al.(2009) 에의하면, 지면의냉각효과에도불구하고겨울철황산염에어로졸증가가대류권중, 상층의온난화를야기한다는것과연관된것으로보이나이는추가조사가필요하다. 알류산저기압의약화는 (Figure 10c) 북위 25 도이상지역에서우세하게불던북서풍을북풍방향의바람으로영향을주고있다. 20세기중반동아시아겨울철강수량은대륙보다해양이많고, 남중국해안지역과일본열도북쪽지역으로최대 9 mmday -1 이상의강수량을보인다 (Figure 11). 인위적인에어로졸영향을나타내는 AERO(Figure 11c) 는육지에서는강수량이 감소하고해양에서증가가뚜렷하다. 남중국해안지역에서북서태평양까지강수량이많게는 0.6 mmday -1 이상증가한다. 에어로졸방출지역인남중국대륙에서는강수량이감소경향이뚜렷한데이는남중국연안의북동풍아노말리의영향으로보인다 (Figure 10c). Liu et al.(2009) 에서는북위 40 도지역인티벳고원과남서중국지역에서는대부분감소하지만남중국연안지역을따라가장눈에띄는증가를보였다. 본연구에서그림으로제시하지않았지만 HadGEM2-AO 모델의결과대류성강수와대규모강수모두북서태평양지역에서최대값을나타낸반면에대륙에서는강수감소가

14 70 라나리 심성보 부경온 (a) HIST (a) HIST (b) FIXA (b) FIXA (c) AERO (c) AERO Figure 9. DJF climatology in temperature (units: ) for (a) all forcing (HIST), (b) fixed aerosol (FIXA) experiment, and (c) HIST minus FIXA (AERO) from 1961 to Figure 10. DJF climatology in 850 hpa wind (units: ms -1 ) and MSLP (units: hpa) for (a) all forcing (HIST), (b) fixed aerosol (FIXA) experiment, and (c) HIST minus FIXA (AERO) from 1961 to 나타났다. 또한대규모강수보다대륙성강수의영향이더컸으며, 최대 0.5 mmday -1 의증가를보인반면에 Liu et al.(2009) 에서는대규모강수일경 우남중국지역에서최대 0.4 mmday -1 를초과하는증가를보여주며총강수량과대규모강수와유사하였으며, 대류성강수의경우남중국연안지역

15 20 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 71 (a) HIST 4. 요약및결론 (b) FIXA (c) AERO Figure 11. DJF climatology in total precipitation (units: mmday -1 ) for (a) all forcing (HIST), (b) fixed aerosol (FIXA) experiment, and (c) HIST minus FIXA (AERO) from 1961 to 을따라 0.3 mmday -1 증가하는결과로그영향을 무시할수없다고언급하였다. 본연구에서는 HadGEM2-AO 모델을이용하여 1961 년부터 1990년까지 30년간동아시아지역의겨울철 (DJF) 에대해에어로졸강제력에의한직, 간접적인효과로기후에미치는영향을살펴보았다. HIST 실험은 1940년대부터기온이감소하는추세를보이며, 20세기중반이후동아시아지역의산업화로인해에어로졸이급증한영향은 HIST 실험과 FIXA 실험의차이로계산된 AERO 에서뚜렷한데실험에서약 1.65 기온감소로나타났다. 동아시아겨울철총에어로졸광학두께의변화는 20세기동안계속증가하는것을확인할수있으며, 이와같은경향은황산염에어로졸이전체에어로졸의 AOD 변화에지배적이었다. 공간적으로는북동중국대륙을중심으로에어로졸방출이크게나타나며주요방출지역뿐만아니라우리나라와일본을포함한북서태평양지역까지동쪽으로이류됨을확인할수있었다. 이는바람장에서확인할수있듯이북동풍계열의바람으로인한영향으로판단된다. 에어로졸의직, 간접효과를보기위한복사량분석에서대기상단과지표면에서, 구름이없는상태와구름이있는상태및두가지를포함하는상태로나누어살펴보았다. 대기상단의경우대부분이에어로졸증가에의해발생된구름의증가로인한음의복사강제력이남중국해안을따라나타났으며, 지면의경우주요배출원에서증가한에어로졸로인한음의복사강제력과운량증가로인한음의복사강제력이나타났다. 이에에어로졸배출증가에따른총구름양과구름의분포에대해살펴보았다. 모델은 ISCCP와정량적인차이는있으나대체적인수평분포는모의하고있었다. 인위적인에어로졸효과를나타내는 Figure 7d에서해

16 72 라나리 심성보 부경온 안가와해양에서구름이증가하는데이는해양에서수증기유입과에어로졸이응결핵으로작용하여구름의양이증가한것으로판단된다. 이러한구름의증가는대부분하층에해당하는층적운과층운의증가가컸다. 주로에어로졸이지면에서발생하여지면과가까운대기하층에분포하게되면서하층운에영향을주고있었다. 에어로졸배출량증가에따라동아시아전역으로기온감소가나타났으며가장기온감소가큰지역은남중국지역으로 1.8 감소를보였다. 동아시아의기온감소는고위도지역에서대륙-해양간의기압패턴을더강화시키며, 이기압변화로남중국연안을따라북서태평양까지북동풍바람이나타났다. 이는남중국해안지역에서북서태평양지역에많게는 0.6 mmday -1 의강수량증가에영향을준다. 그러나에어로졸배출지역에서는감소하는것을볼수있었다. IPCC 4차평가보고서에따르면에어로졸에의한직접, 1차간접효과는 -5.0±0.4 Wm -2, [-0.3 to -1.8] Wm -2 로알려져있다. 간접효과의불확실성범위는직접효과보다큰데이는현재기후모델간에에어로졸에따른기후적영향을모의하는데정량적으로큰차이가있음을의미한다. 또한본연구에사용된모델은다름모델에비해에어로졸-구름상호작용에의한반응이큰모델로보고되고있어본연구의정량적인결과해석에주의하여야한다. 향후에어로졸에의한기후적영향을위해서는좀더다양한모델을통한분석이요구되며연직분포에대한다각적인접근, 구름물리미세과정에의한기후적영향에추가적인연구가수행되어야할것으로사료된다. 사사이연구는 NIMR-2012-B-2( 기후변화예측기술지원및활용연구 ) 의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 Baek, H. -J., and Coauthors, 2013, Climate change in the 21st century simulated by HadGEM2-AO under Representative Concentration Pathways. Asia-Pac. J. Atmos. Sci., 49, Boo, K. -O., Booth, B B.B., Byun, Y. -H., Lee, J., Cho, C., Shim, S., and Kim, K. -T. 2014, Influence of aerosols in multi-decadal SST variability simulations over the North Pacific, 2014JD021933, JGR (accpeted). Bueh, C., and Ji, L. -R., 1999, Anomaly of East Asia winter monsoon and SST. Chin. Sci. Bull., 44, Chang, C. -P., and Lau, K. -M., 1982, Short-term planetary scale interaction over the tropic and midlatitudes during northern winter. Part I: contrasts between active and inactive periods. Mon. Wea. Rev. 110, Chang, C. P., Wang, Z., and Hendon, H., 2006, The Asian winter monsoon. The Asian Monsoon, Springer Berlin Heidelberg, pp. Chan, J. C. L., and Li, C. Y., 2004, The East Asia winter monsoon. East Asian Monsoon, Chang, C.P., Ed., World Scientific Publishing Co. Pet. Ltd., Chen, L. -X., Zhu, Q. -G., Luo, H. -B., He, J. -H., Dongf, M., and co-author. 1991, East Asia Monsoon, Chinese Meteorological Press, Beijing, 362 pp. Collins, W. J., Bellouin, N.. Doutriauz-Boutcher, M., Gedney, N., Hinton, T., Jones, C. D., Liddicoat, S., Martin, G., O Connor, F., Rae, J., Se-

17 20 세기에어로졸배출량증가가동아시아겨울철기후에미친영향 73 nior, C., Totterdell, I., Woodward, S., Reichler, T., and Kim, J., 2008, Evaluation of the Had- GEM2 model, Hadley Centre Technical Note 74. Ding, Y. H., 1994, Monsoon over China., Kluwer Academic Publishers, 420pp. Edwards, J. M., and Slingo, A., 1996, Studies with a flexible new radiation code. I: Choosing a configuration for a large-scale model, Q. J. R. Meteorol. Soc., 122, Guo, L., Highwood, E. J., Shaffrey, L. C., and Turner, A. G., 2013, The effect of regional changes in anthropogenic aerosols on rainfall of the East Asian summer monsoon, Atmos. Chem. Phys., 13, Huang, R. H., Zhou, L. T., and Chen, W., 2003, The progresses of recent studies on the variabilities of the East Asian monsoon and their causes. Adv. Atmos. Sci., 20(1), Huang, R. H., Chen, J. L., and Huang, G., 2007, Characteristics and variations of the East Asian monsoon system and its impacts on climate disasters in China. Adv. Atmos. Sci., 24(6), IPCC, 2013, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley(eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp. Jiang, Y., Liu, X., Yang, X. -Q., and Wang, M., 2013, A numerical study of the effect of different aerosol types on East Asian summer clouds and precipitation, Atmospheric Environment, 70, John M. Haynes, Christian Jakob, William B. Rossow, George Tselioudis, and Josephine Brown, 2011, Major Characteristics of Southern Ocean Cloud Regimes and Their Effects on the Energy Budget. J. Climate, 24, doi: dx.doi.org/ /2011jcli Jones, A., and Slingo, A., 1996, Predicting cloud-droplet effective radius and indirect sulphate aerosol forcing using a general circulation model, Q. J. R. Meteorol. Soc., 122, Jones, C. D., and Coauthors, 2011, The HadGEM2-ES implementation of CMIP5 centennial simulations. Geosci. Model dev., 4, , doi: /gmd Kim, J., Lee, Y., and Shin, I. C., 2010, Policy Studies for Advancing Aerosol Research on Climate Change in Korea. Atmosphere, 20(1), (in Korean). Kim, M. K., Lau, W K. M., Chin, M., Kim, K. M., Sud, Y. C., and Walker, G K., 2006, Atmospheric teleconnection over Eurasia induced by aerosol radiative forcing during boreal spring, Journal of Climate, 19, Lau, K. M., and Li, M. T., 1984, The monsoon of East Asia and its global associations-a survey. Bull. Amer. Meteor. Soc., 65, Lau, K. M., Kim, M. K., and Kim, K. M., 2006, Asian summer monsoon anomalies induced by aerosol direct effects: the role of the Tibetan Plateau, Climate Dynamics, 26, Lau, K. M., and Boyle, J. S., 1987, Tropical and extra tropical forcing of the large-scale circulation: a diagnostic study. Mon. Wea. Rev., 115, Lim, S.-M., Yeh, S. -Y., and Kim, G. -R., 2012, Analysis on the Relationship between the Korean Temperature and the Atmospheric Circulation over the Northern Hemisphere during winter. Atmosphere, 22.2, (in Korean). Liu, Yu., Sun, J., and Yang, B., 2009, The effects of black carbon and sulphate aerosols in China regions on East Asia monsoons. Tellus, 61(4), Miller, R. L., and Tegen, I., 1998, Climate response to

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03이경미(237~248)ok

03이경미(237~248)ok The recent (2001-2010) changes on temperature and precipitation related to normals (1971-2000) in Korea* Kyoungmi Lee** Hee-Jeong Baek*** ChunHo Cho**** Won-Tae Kwon*****. 61 (1971~2000) 10 (2001~2010).