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1 Atmosphere. Korean Meteorological Society Vol. 27, No. 2 (2017) pp pissn eissn 연구논문 (Article) 기후변동성에따른육상탄소순환의반응 선민아 * 조천호 김영미 이조한 부경온 변영화국립기상과학원기후연구과 ( 접수일 : 2017 년 1 월 19 일, 수정일 : 2017 년 6 월 8 일, 게재확정일 : 2017 년 6 월 8 일 ) Response of the Terrestrial Carbon Exchange to the Climate Variability Minah Sun*, Chun-Ho Cho, Youngmi Kim, Johan Lee, Kyoung-On Boo, and Young-Hwa Byun Climate Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, Jeju, Korea (Manuscript received 19 January 2017; revised 8 June 2017; accepted 8 June 2017) Abstract The global terrestrial ecosystems have shown a large spatial variability in recent decades and represented a carbon sink pattern at mid-to-high latitude in Northern Hemisphere. However, there are many uncertainties in magnitude and spatial distribution of terrestrial carbon fluxes due to the effect of climate factors. So, it needs to accurately understand the spatio-temporal variations on carbon exchange flux with climate. This study focused on the effects of climate factors,.i.e. temperature, precipitation, and solar radiation, to terrestrial biosphere carbon flux. We used the terrestrial carbon flux that is simulated by a CarbonTracker, which performs data assimilation of global atmospheric CO 2 mole fraction measurements. We demonstrated significant interactions between Net Ecosystem Production (NEP) and climate factors by using the partial correlation analysis. NEP showed positive correlation with temperature at mid-to-high latitude in Northern Hemisphere but showed negative correlation pattern at 0-30 o N. Also, NEP represented mostly negative correlation with precipitation at 60 o S-30 o N. Solar radiation affected NEP positively at all latitudes and percentage of positive correlation at tropical regions was relatively lower than other latitudes. Spring and summer warming had potentially positive effect on NEP in Northern Hemisphere. On the other hand as increasing the temperature in autumn, NEP was largely reduced in most northern terrestrial ecosystems. The NEP variability that depends on climate factors also differently represented with the type of vegetation. Especially in crop regions, land carbon sinks had positive correlation with temperature but showed negative correlation with precipitation. Key words: Partial correlation, carbontracker, terrestrial carbon flux 1. 서론 육상생물권은인간이배출한이산화탄소중 25~30% 를흡수하고있으며근래들어육상생물권에서이산화탄소흡수가증가하고있다 (House et al., 2003; Le Quéré et al., 2009). 전지구육상생물권의이산화탄 *Corresponding Author: Minah Sun, Climate Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, 33 Seohobuk-ro, Seogwipo-si, Jeju 63568, Korea. Phone: , Fax: masun@korea.kr 소흡수는지구시스템을제어할수있는과정으로탄소순환에중요한역할을하고있다 (Heimann and Reichstein, 2008). 이러한육상생태계의탄소순환은여러공간규모에서토지이용, 기후변수, 식생유형등과의상호작용에의해매우복잡하고다양한제한을받는다 (Churkina and Running, 1998; Beer et al., 2010; Deng and Chen, 2011; Yu et al., 2013). 또한육상이산화탄소플럭스의경년변동성과추세는여러시간규모에서광합성과호흡의불균형으로나타났다 (Law et al., 2002; Chapin III et al., 2005). 이러한육상탄소흡수의경년변동성은기후 - 탄소피드백을이 163

2 164 기후변동성에따른육상탄소순환의반응 해하고기후요소에가장민감하게반응하는육상탄소순환의지역메커니즘을분석할수있도록한다 (Anderegg et al., 2015). 기상학적요소와대기이산화탄소는상호작용을하여기후와탄소순환의피드백에영향을준다 (Cox et al., 2000). 육상에서이산화탄소의흡수와배출은기온과강수에강한상관관계를가지고있으며, 특히총일차생산량 (Gross Primary Production, GPP) 은북반구에서기온, 강수, 일사량과상관관계가높다 (Beer et al., 2010). 열대지방과온대지방에서탄소플럭스의경년변동성은주로강수의영향이크고, 냉대나아한대지방에서는기온과일사량에더민감하게반응한다 (Piao et al., 2009; Jung et al., 2011). 일부열대지역에서는 GPP 가기온과강하게상관성을가지지만, 강수가호흡의경년변동성과큰상관성을가진다. 이는열대지방에서토양호흡의변동성이순생태계생산량의경년변동성에영향을주며, 토양호흡이낙엽등의함수량에더제한적이기때문이다 (Jung et al., 2011). 또한, 탄소흡수의경년변동성은지역규모내에서화산폭발, 열파나가뭄과같은극한현상에의해변동하는것이밝혀졌다 (Ito and Oikawa, 2000; Potter et al., 2003; Zeng et al., 2005; Zhao and Running, 2010). 이러한육상탄소플럭스의변동성은매해마다다르게나타나고엘니뇨 - 남방진동 (El Nino-Southern Oscillation, 이하 ENSO) 과도관련이있다. ENSO 는전지구및지역적으로기온, 강수나토양수분에영향을주게되고이들은또다시순일차생산량 (Net Primary Production, NPP), 육상탄소흡수의크기 (Nemani et al., 2003; Le Quéré et al., 2009; Raupach, 2011), 대기이산화탄소증가율 (Heimann and Reichstein, 2008; Friedlingstein and Prentice, 2010; Ballantyne et al., 2012) 등에영향을주게된다. 그결과일반적으로엘니뇨일때육상이산화탄소의흡수가약화되고, 라니냐일때는육상이산화탄소의흡수가강화된다 (Patra et al., 2005; Heimann and Reichstein, 2008; IPCC, 2013). 엘니뇨해동안지역적으로기온이상승하고강수는감소하는경향이있으며라니냐해동안은반대의경향이있다 (Ropelewski and Halpert, 1987; Halpert and Ropelewski, 1992). ENSO 와관련하여이산화탄소농도에영향을주는주요세가지메커니즘은산불변화, NPP 변화, 토양호흡과낙엽분해를통한미생물호흡의변화로설명된바있다 (Zeng et al., 2005). 엘니뇨가발생한해에는고온 건조해진지역에지속된가뭄이산불을야기시키게되고, 이로인해생물량이연소되고전지구 GPP 감소에양의영향을미친다 (Jung et al., 2010; Zhao and Running, 2010; Kim et al., 2016). 또한열대지역에 서는지표온도에강하게의존하는종속영양호흡이증가하게되어 NPP 가감소하며이로인해광합성효율이저하된다 (Patra et al., 2005). 반면라니냐가발생한해에는변화된기후조건이독립영양호흡에음의영향을주고이는다시 NPP 증가에직접적으로영향을미치게된다 (Patra et al., 2005; Bastos et al., 2013). 여러기후조건내에서육상생태계의반응은대부분비슷하지만지역적으로강도는다르게나타난다. 육상과대기사이의탄소플럭스교환은공간변동성이크고, 기후변동에따른탄소흡수의변화규모에서도불확실성이크게나타난다. 또한경년이나계절의시간규모에서기후요소들은육상생물권이산화탄소교환의변동성에미치는역할이명확하지않다. 이는지상플럭스관측기술이아무리정교한자료를제공한다해도, 부족한관측지점과불균질하고비연속적인관측등으로인해전지구육상생태계내의탄소순환의시간변동성과공간패턴분석이한계를가질수밖에없다. 이러한불확실성을줄이기위해관측값기반의자료동화기법을이용한탄소추적시스템결과 (Peters et al., 2007) 를사용할필요가있다. 탄소추적시스템은역분석모델링을활용하여탄소배출및흡수원에대해보다정확한정보를얻을수있으며 3 차원의시공간분석이가능하다는장점이있다. GOSAT (Greenhouse gases Observing Satellite) 등위성관측자료와 TCCON (Total Carbon Column Observing Network) 지상관측자료와함께비교검증된바있으며 (Schneising et al., 2012; Schneising et al., 2014; Kulawik et al., 2016; Zeng et al., 2017), CONTRAIL (Comprehensive Observation Network for Trace gases by Airliner) 프로젝트에서제공하는항공관측자료와도비교검증된바있다 (Basu et al., 2011). Kim et al. (2017) 에서는탄소추적시스템에시베리아관측지점을추가하여최적화된지표이산화탄소플럭스를분석하여주로시베리아지역에불확실성이감소된다고밝혔다. 하지만여전히육상을다포괄하지못하는부족한관측지점수로인해이산화탄소농도및플럭스값을완벽하게재현해내는데한계가있다. 본연구에서는탄소추적시스템결과를이용하여전지구육상생물권의이산화탄소플럭스가시 공간적으로어떠한특징을가지고있는지분석하였다. 또한편상관관계분석을이용하여기온, 강수, 일사량이이러한육상생물권탄소흡수의변동성에미치는영향을알아보았다. 2. 모델자료및분석방법 2.1 탄소추적시스템본연구에서는국립기상과학원에서운영하고있는 한국기상학회대기제 27 권 2 호 (2017)

3 선민아 조천호 김영미 이조한 부경온 변영화 165 탄소추적시스템을사용하였으며, 이는미국 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) 산하의 ESRL (Earth System Research Laboratory) 에서개발한탄소추적시스템 (Peters et al., 2005) 을기반으로하고있다. 이러한탄소추적시스템은관측값을이용하여전지구표면에서이산화탄소농도및육지와해양의이산화탄소플럭스를산출할수있는역분석시스템이다. 탄소추적시스템에서사용한이산화탄소농도관측값은 NOAA, EC (Environment Canada), NCAR (National Center for Atmospheric Research), CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization), IPEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares), LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) 에서관측한자료들이다 (Masarie et al., 2014). 자료동화시관측값은대부분낮시간대인 12~16 LST에관측된값을평균하여사용된다. NOAA의탄소추적시스템과는다르게아시아지역에대해이중격자구조를가지고있으며, 이산화탄소농도의경우전지구 3 o 2 o 와아시아지역에대해 1 o 1 o 수평해상도를가지고있다. 또한연직으로 25개층으로구성되어있고플럭스자료의경우전지구 1 o 1 o 수평해상도를가지고있다. 탄소추적시스템에서는이산화탄소흡수와배출에대한네개의초기추정치 ( 생물권, 해양, 화석연료, 산불모듈 ) 를이용하여 TM5 수송모델 (Krol et al., 2005; Huijnen et al., 2010) 내에서이산화탄소몰분율값을모의한다. 이렇게모의된이산화탄소몰분율값은관측값과차이를최소화하도록앙상블칼만필터기반의자료동화과정을통해이산화탄소플럭스값을최적화한다. 이러한이산화탄소플럭스값들은다음의식을통해계산이될수있다. F(x, y, t)=λ bio F bio (x, y, t)+λ oce F oce (x, y, t) F(x, y, t)=+ F ff (x, y, t)+f fire (x, y, t) (1) 여기서 F bio, F oce, F ff, 그리고 F fire 는각각초기육상생물권, 해양, 화석연료, 산불배출플럭스이다. 또한 λ 는자료동화과정에서추정된선형 scaling factor 로육상생물권과해양에만적용되고화석연료와산불모듈에는적용되지않는다. 이는생태지역에대해각각존재하고있으며, 생태지역은 Olson et al. (1985) 의 19 개식생유형과 TransCom 연구 (Gurney et al., 2002) 에서사용한지역범주중 11 개의육상범주, 30 개의해양범주로이루어져있다. 최적화된네개의플럭스값들을이용하여 TM5 수송모델을통해최종적으로삼차원의이산화탄소농도분포및플럭스분포를계산한다 (Krol et al., 2005). TM5 수송모델구동시 3 시간간격의 ERA-Interim 기상장을이용하며, 해당기상장에의해모의된이산화탄소농도는전지구 관측지점에서관측한자료와자료동화를통해이산화탄소플럭스를산출한다. 2.2 분석방법탄소추적시스템에서계산된순생태계생산량 (Net Ecosystem Production, NEP) 자료를사용하였으며, ERA-Interim 의기온, 강수, 일사량자료를사용하였다. 모든자료들의수평해상도는탄소추적시스템의결과와동일하게 1 o 1 o 이며, 분석기간은 2001 년부터 2012 년까지로월자료를사용하였다. 각기후요소들의변화에따른 NEP 의변동성을살펴보기위해편상관관계분석 (Partial Correlation analysis) 을적용하였다. 편상관관계분석은하나또는그이상의변수의효과를제거한뒤나머지두변수의관계를나타내는것이다. 이는각변수들의상관관계로계산할수있고제어되는변수의수로차수가정해진다. 식 (2)~(4) 는 0~2 차편상관관계에대한계산식을나타내고해당식을이용하여고차항의편상관관계를표현할수있다. x, y, z, 그리고 t 를고려했을때, 만약식 (4) 의 2 차편상관관계의결과가단순상관관계인식 (2) 의결과에비해유의하게작은값을가진다면 x 와 y 의상관관계는각각 z 와 t 와의상관성으로인한것을의미한다. 0 th cov( xy) order partial correlation: r xy = var( x)var( y) 1 st order partial correlation: r r xy.z = yx r yz r xz 2 2 ( 1 r yz )( 1 r xz ) 2 nd order partial correlation: r r xy.zt = yx.t r yz.t r xz.t 2 2 ( 1 r yz.t )( 1 r xz.t ) (2) (3) (3) 이러한편상관관계를사용한주된이유는기온, 강수, 일사량과 NEP 에대해각변수들의의존성을제거하여온전히두변수간의관계를보기위해서다. 본연구에서는 2 차편상관관계를이용하여각기후변수들과 NEP 의상관성을분석하였다. 각변수들의계절변화에대한특성을고려하여위도대별특징을보기위해계절주기를포함하였으며분석기간동안월별자료에대해식 (4) 를이용하여상관관계를계산하였다. 또한계절별기후변수들과 NEP 의상관성분석시계절의정의는북반구를기준으로하였다. 예를들어여름철분석시북반구는 6 월 ~8 월, 남반구는 12 월 ~2 월로정의하였으며겨울철분석시북반구는 12 월 ~2 월, 남반구는 6 월 ~8 월로정의하였다. 각기후변수들의변동성에따른 NEP 의반응을식 Atmosphere, Vol. 27, No. 2. (2017)

4 166 기후변동성에 따른 육상 탄소 순환의 반응 Fig. 1. Global distribution of ecosystem types, based on Olson vegetation classification. Fig. 2. Spatial distribution of annual mean a) Net Ecosystem Production (gc yr 1) simulated by CarbonTracker, b) temperature at 2 m (oc), c) precipitation (mm day 1), and d) surface net shortwave radiations for the period 2001~2012 (W m 1). 생 유형 별로도 분석하였다. 탄소추적시스템 내 식생 유형은 Olson 식생 분류를 이용하여 나누어져 있다 (Olson et al., 1985). 식생 유형은 19개의 토지 피복 유형으로 분류되어 있으며, 이는 침엽수림, 활엽수림, 한국기상학회 대기 제27권 2호 (2017) 혼합림, 초목/관목, 열대림, 관목림/숲, 세미 툰드라, 들 판/숲/사바나, 북부 타이가, 삼림/들판, 습지, 사막, 관 목/나무, 농작지, 눈/해안가의 침엽수, 우거진 툰드라, 맹그로브, 최적화되지 않은 지역, 물과 같다.

5 선민아 조천호 김영미 이조한 부경온 변영화 167 Fig. 3. Interannual variability of global NEP during 2001 to Fig. 4. Spatial distribution percentage of linear trend (%/y) in NEP from 2001 to Shown are significant linear trends at confidence level 99% using f-test. 3. 결과 탄소추적시스템으로산출한육상생물권이산화탄소플럭스와각기후요소들의변동성을분석하기위해 Fig. 2 와같이전지구연평균 NEP, 기온, 강수, 일사량의공간분포를나타내었다. NEP 는대부분북반구 30 o 이상의식생대에서양의값즉, 탄소를흡수하고있으며러시아중동부지역과아프리카대륙의중부지역에서탄소흡수가강하게나타났다 (Fig. 2a). 또한남아메리카대륙의브라질중부지역과호주북부지역에서도탄소흡수가나타났다. 이러한지역에는주로침엽수림, 열대사바나, 활엽수림등의식생이위치하며탄소흡수가나타났다 (Fig. 1). 기온과일 사량은지역적으로차이를보이고있지만, 대부분열대지방에서높으며호주중북부, 아프리카북부, 중국북서부지역등기온과일사량이다소높은지역에서는탄소흡수가낮게나타났다 (Figs. 2a, b, d). 기온이낮고강수량이적은티베트고원은세미툰드라와건조한초목의식생이위치하고있으며탄소흡수가거의없다 (Figs. 2a, b, c). 또한강수량이연평균약이상이면서일사량이상대적으로적은중국남부, 말레이시아등동남아시아와아프리카중부, 남미대륙아마존지역들은대부분열대우림이위치하고있으며탄소흡수가적거나탄소배출이나타났다 (Figs. 2a, c, d). Figure 3 은 2001 년부터 2012 년까지전지구 NEP 의 Atmosphere, Vol. 27, No. 2. (2017)

6 168 기후변동성에따른육상탄소순환의반응 Fig. 5. Partial correlation coefficient between NEP and temperatures at 2 m (a), precipitation (b) and surface net shortwave radiations (c). The added figure in a-c show percentage (%) distribution of positive (blue bars) and negative (red bars) correlation at 30 o latitude intervals. Shadings are significant correlation coefficient at confidence level 90% using student t-test. 경년변동성을분석한것이다. 육상탄소플럭스의연평균값은 3.41 PgC yr 1 이고, 분석기간동안 2.2 PgC yr 1 에서 4.32 PgC yr 1 의범위를나타내고있다. 또한해마다큰경년변동성을보이며육상탄소흡수의추세는증가하고있다 (R 2 = 0.38, p < 0.05). 탄소흡수가감소하고있는해인 2003 년, 2005 년, 2007 년, 2010 년, 그리고 2012 년은엘니뇨가발생했던해였으며, 탄소흡수가가장컸던해인 2008 년과 2011 년은라니냐가발생했던해였다. 매해마다육상탄소플럭스의선형추세는 Fig. 4 와같이지역마다다르게나타났다 년부터 2012 년까지 NEP 는유럽북부일부, 러시아북서부, 북아메리카대륙의남서부와북부, 인도북부일부지역을제외하고북반구대부분지역에서탄소흡수가유의하게증가했다 (p < 0.01). 러시아는주로침엽수림, 북부타이가, 혼합림등이위치하고있으며 (Fig. 1), 우랄산맥을기준으로상반된흡수추세가나타났다. 이는지형에의한육상탄소흡수 배출의차이로 2004 년이후유럽북부와러시아북서부지역에서는이산화탄소를배출하는패턴이나타났다 (not shown). 북아메리카대륙의북부는주로세미툰드라, 침엽수림, 습지, 혼합림등이위치하고있으며, 중부는초목, 관목, 농작지등이위치하고있다 (Fig. 1). 북아메리카중북 부의일부지역들에서는농작지, 혼합림, 습지가위치하고있는지역에서증가추세를나타냈다. 하지만북아메리카서부지역의침엽수림, 초목, 관목이위치하고있는지역에서는감소추세를나타냈다. 남반구의경우대부분탄소흡수가증가했으며열대우림, 사바나, 초목, 습지, 관목의식생이위치하고있는곳에서탄소흡수증가가두드러지게나타났다. 또한호주남부지역의초목, 관목, 그리고숲지역에대해서탄소흡수가유의하게증가했다. 지역적으로차이를보이고있는육상탄소흡수의추세는기후변동과식생사이의피드백이나토지이용변화등과같은다양한메커니즘들로부터나타난것으로보인다. NEP 가기온, 강수, 일사량의변화에어떻게영향을받는지알아보기위해편상관관계분석을적용하여결과를살펴보았다 (Fig. 5). 각변수들은추세를제거한후편상관관계를적용하였다. Figure 5 에서상관관계분포는신뢰수준 90% 에서유의한상관계수를나타낸것이다. 또한각각덧붙여진그림들은위도 30 o 간격에대해양의상관과음의상관의분포비율을나타낸것이다. 기온과 NEP 의편상관관계는강수와일사량의상관성을제거한것으로, 북반구중위도이상의지역에서대부분양의상관관계가나타났다 (Fig. 5a). 이는기온이상승함에따라탄소흡수가 한국기상학회대기제 27 권 2 호 (2017)

7 선민아 조천호 김영미 이조한 부경온 변영화 169 Fig. 6. Partial correlation coefficient between net ecosystem production (NEP) and spring, summer, autumn, and winter temperature (a-d). Different months for a season have been used for each Hemisphere, and a season has been represented by the Northern Hemisphere. The added figure in a-d show percentage (%) distribution of positive (red bars) and negative (blue bars) correlation at 30 o latitude intervals. Shadings are significant correlation coefficient at confidence level 90% using student t-test. 증가하는것을의미하며중국대부분, 한반도, 북아메리카대륙의동부지역에서뚜렷하게나타났다. 기온이상승하게되면식물의성장기간에영향을미치게되고식생활동을강화시켜육상생태계에서탄소흡수가증가하게된다고밝혀진바있다 (Malhi, 2002; Kato and Tang, 2008). 하지만아프리카중부, 인도, 호주중남부등의열대와아열대지역들에대해탄소흡수는기온과음의상관관계를나타냈다. 이는기온이토양미생물분해증가등에큰영향을미치고이로인해종속영양호흡이상대적으로광합성증가보다높아졌기때문인것으로보인다 (Ise et al., 2010; Bradford and Crowther, 2013; Bradford et al., 2013). 기온은주로아한대지방보다열대지방에서호흡에민감하게영향을미치며, 이는열대지방내자체 GPP 에대한 NPP 비율값을넘어서게되어기온과탄소흡수가음의상관관계를나타낸것으로보인다 (Patra et al., 2005; Ise et al., 2010). Figure 5b 는강수와육상탄소흡수의편상관관계결과이며기온과일사량의상관성을제거한결과이다. 강수는북반구중위도이상의지역에서식생활동의증가에큰영향을미치게되며, 이로인해강수와탄소흡수의양의상관관계비율이음의상관관계비율 보다더높게나타났다. 하지만북위 30 o 이하의지역들에대해서는음의상관관계비율이높게나타났다. 특히북반구와남반구모두열대지역에서는음의상관관계분포비율이크게나타났으며, 이는열대지역의강수가토양의미생물분해등에영향을미쳐토양호흡이광합성을초과했기때문인것으로보인다 (Cleveland et al., 2010). 기온과강수의상관성을제거한일사량과육상탄소흡수의편상관관계결과는 Fig. 5c 와같으며, 일사량과탄소흡수는모든위도대에서양의상관관계비율이음의상관관계비율보다높게나타났다. 유럽, 남아메리카대륙의북부와남부지역에서는이러한양의상관관계패턴이강하게나타났다. 북반구와남반구모두저위도에서는다른위도대에비해서상대적으로일사량과탄소흡수의양의상관관계비율이낮게나타났다. 이는열대지역에서는일사량증가가물수지에변화를주게되고이로인해 GPP 를감소시키는간접적영향에의한것이라밝혀진바있다 (Beer et al., 2010). 기온, 강수, 일사량의변화는각계절별육상생물권탄소흡수의변동성에직 간접적으로영향을주며지역적으로서로다른특징을나타냈다. 이에대 Atmosphere, Vol. 27, No. 2. (2017)

8 170 기후변동성에따른육상탄소순환의반응 Fig. 7. Same as Fig. 6 but for using precipitation. 해 Fig. 6 에서는계절별로기온과육상탄소흡수의편상관관계를나타냈다. 기온은봄철북반구중위도와고위도일부지역에대해양의영향을미쳤다 (Fig. 6a). 이는봄철의기온상승이식생의생육시기와개엽시기를앞당기게되어식생성장기간에영향을주기때문이다. 반면북위 30 o 이하의대부분지역에서는음의상관관계비율이높게나타났다. 여름철에는북반구고위도에서양의상관관계비율이매우높게나타났다 (Fig. 6b). 이는북반구고위도의대부분식생대에서기온이순일차생산량 (Net Primary Production, NPP) 에크게영향을미치기때문이다. 하지만미국서부, 중동지역, 지중해지역과아프리카대륙의중남부지역에서는음의상관관계가나타났다. 이러한반건조초목지역과건조한지역들에서는기온이토양수분감소에기여하기때문에탄소흡수가감소한것으로보인다 (Niu et al., 2008; Xia et al., 2014). 가을철에는대부분위도대에서양의상관관계비율보다음의상관관계비율이높게나타났으며, 북반구고위도에서는기온이탄소흡수에미치는음의영향비율이매우높게나타났다 (Fig. 6c). 가을철기온은주로 NPP 에양의영향을미치는것보다음의영향을미친다고밝혀진바있다 (Piao et al., 2008; Xia et al., 2014). 이는기온이상승함에따라북반구식생들의낙엽분해를강화시키고이로인해토양호흡이증가하기때문이다. 겨울철의경우북반구고위 도에서가을철에비해기온과탄소흡수의음의상관관계비율이낮아졌지만, 여전히음의상관관계가나타났다 (Fig. 6d). 북반구고위도에서이러한특징이나타나는이유로, 몇몇연구들은겨울철기온상승은눈덮임의감소와토양결빙의약화를강화시키고이로인해툰드라와온대림으로부터토양탄소의침출손실이증가되어탄소흡수가감소하는것이라밝힌바있다 (Hobbie and Chapin III, 1996; Fitzhugh et al., 2001; Xia et al., 2014). 강수는육상생물권탄소플럭스의변동성을조절하는데중요한요소이며이들의편상관관계결과는 Fig. 7 과같다. 강수는봄철열대지역에서탄소흡수와음의상관관계비율이다른위도위도대에비해높았으며, 인도중부, 아프리카대륙의남부, 호주대부분지역에서뚜렷하게나타났다 (Fig. 7a). 이는열대와아열대지역에서는우기가시작되는시기로특히습윤한지역에대해강수는토양표면에서많은양의탄소를분해하는등토양호흡에큰영향을미치기때문이다 (Cleveland et al., 2006; Wieder et al., 2009). 여름철에는북반구중위도뿐만아니라고위도에서도강수와탄소흡수의양의상관관계비율이높게나타났다 (Fig. 7b). 이는북반구중위도이상의일부지역에대해강수가식생활동의증가에영향을미치게되어탄소흡수가증가한것으로보인다. 하지만남반구의호주중남부지역과아프리카대륙의중남부 한국기상학회대기제 27 권 2 호 (2017)

9 선민아 조천호 김영미 이조한 부경온 변영화 171 Fig. 8. Same as Fig. 6 but for using surface net solar radiation downwards. 일부지역에서는음의상관관계가뚜렷하게나타났다. 가을철열대지방에서는강수와탄소흡수의양의상관관계비율이다른계절에비해높게나타났다 (Fig. 7c). 이는건기가시작되면서이시기의강수가호흡보다광합성에더큰영향을미치기때문이다. 겨울철에는대부분위도대에서양의상관관계비율이감소하고있으며, 이러한특징은열대지역에서뚜렷하게나타났다 (Fig. 7d). Figure 8 은각계절에대해일사량과육상생물권탄소흡수의상관관계를나타낸것이다. 일사량은봄철북반구고위도를제외하고탄소흡수와양의상관관계비율이음의상관관계비율보다훨씬높았으며, 남반구가북반구에비해양의상관관계비율이더크게나타났다 (Fig. 8a). 여름철과가을철의경우모든위도대에서탄소흡수와양의상관관계비율이높게나타났다 (Figs. 8b, c). 또한열대지역은다른위도대에비해서양의상관관계비율이상대적으로낮게나타났다. 겨울철역시이와같은특징들이나타났지만, 북반구중위도이상의지역들에대해서는일사량과탄소흡수의양의상관관계비율이가을철에비해낮게나타났다 (Fig. 8d). 기후요소들에의해영향을받는탄소흡수의변동성은식생의유형에따라다르게나타나기때문에, 육상탄소플럭스와기후요소들사이의관계를식생유형별로나누어분석하였다. Figure 9 는기온, 강수, 일사량과육상생태계탄소사이의편상관관계결과를이용하여각식생유형별양의상관과음의상관이차지하는비율을나타낸것이다. 기온과탄소흡수의양의상관관계분포비율은혼합림 (MF), 침엽수림 (CF), 농작지 (CR) 등의중위도지역과북부타이가 (NT) 의고위도지역에서높게나타났다 (Fig. 9a). 하지만활엽수림 (BF), 열대림 (TF), 사바나 (Sa) 등의열대지역에서는음의상관관계분포비율이높게나타났다. 강수의경우침엽수림, 혼합림, 북부타이가지역을제외한대부분식생지역들에서양의상관관계분포비율이낮게나타났다 (Fig. 9b). 반면활엽수림, 관목, 농작지의열대지역에서는강수와탄소흡수의음의상관관계분포비율이높게나타났다. 일사량은모든식생유형에대해서탄소흡수와양의상관관계분포비율이음의상관관계분포비율보다높게나타났다 (Fig. 9c). 또한열대지역의활엽수림, 사바나등의식생유형에서는상대적으로양의상관관계분포비율이낮게나타났다. 인간의식량생산에있어중요한역할을하고있는농작지는대부분북반구중위도와인도, 남아메리카일부지역의열대지방에위치하고있다 (Fig. 1). 이러한농작지에서는기온과일사량의변화에따라탄소를흡수하는지역의비율이배출하는지역의비율보다높게나타났다 (Figs. 9a, c). 반면강수의변화에따라탄소를흡수하는지역의비율이배출하는지역의 Atmosphere, Vol. 27, No. 2. (2017)

10 172 기후변동성에따른육상탄소순환의반응 Fig. 10. Percentage (%) distribution of positive (blue bars) and negative (red bars) correlation at 30 o latitude intervals in crop regions. 게나타났다 (Figs. 10a, b). 일사량은대부분위도대에서탄소흡수와양의상관관계분포비율이높게나타났다 (Fig. 10c). 이는앞으로인간에의한직 간접적인영향과지구온난화가식량생산의변화에미치는영향을생각해볼수있는부분이다. 북반구중위도농작지에서는기온이상승하고강수가증가함에따라질소시비효과와함께식량생산증가에영향을줄수있지만열대지역에서는반대의영향을줄수있을것이다. Fig. 9. Percentage of positive (blue bars) and negative (red bars) correlation accounted for each vegetation types that using the partial correlation analysis data between net ecosystem productions and temperatures at 2 m (a), precipitation (b) and surface net shortwave radiations (c). Here CF = Conifer Forest, BF = Broadleaf, MF = Mixed Forest, G/ S = Grass/Shrub, TF = Tropical Forest, S/W = Scrub/Woods, ST = Semi-Tundra, F/W/Sa = Fields/Woods/Savanna, NT = Northern Taiga, F/F = Forest/Field, WL = Wet Land, S/T/ S = Shrub/Tree/Suc, and CR = Crop. 비율보다낮게나타났다 (Fig. 9b). Figure 10 에서는각위도대별로기온, 강수, 일사량의변화에따른농작지의탄소흡수와배출비율을나타내었다. 북반구중위도에서는기온, 강수와탄소흡수의양의상관관계분포비율이음의상관관계분포비율보다높게나타났지만, 열대지역에서는음의상관성비율이더높 4. 요약및결론 본연구에서는 2001 년부터 2012 년까지기온, 강수, 일사량변화에따른육상생물권이산화탄소플럭스의반응을분석하였다. 탄소추적시스템으로산출한전지구 NEP 는해마다변동성폭이컸지만전체적으로탄소흡수가증가하는추세를보였다. 이는 GCP (Global Carbon Project) 추정치와모델자료를이용하여육상탄소흡수의변동성을나타낸 Anav et al. (2013) 의결과와도유사하였다. 이러한탄소흡수의공간분포는북반구아한대지역을중심으로탄소흡수가크게나타났다. 또한탄소흡수가적었던해와컸던해는 ENSO 의영향이컸던해들로 IPCC AR5 (Jung et al., 2010) 에서보고된바와같은결과를나타냈다. NEP 가각각기후요소들에의해나타나는반응을독립적으로분석하기위해편상관관계를적용하였다. 한국기상학회대기제 27 권 2 호 (2017)

11 선민아 조천호 김영미 이조한 부경온 변영화 173 기온과강수는북반구중위도이상의대부분지역에대해식생활동의증가에영향을미쳐양의상관관계분포비율이높게나타났지만, 북위 30 o 이하의지역에서는양의상관성비율이낮게나타났다. 일사량은모든위도대에서탄소흡수와양의상관관계를나타냈고, 저위도에서는상대적으로양의상관성비율이다른위도대에비해낮게나타났다. 이는열대지역에서일사량의증가가물수지의균형에영향을미쳐가뭄이발생하는지역이생기는등결국 GPP 를감소시켰기때문이다. 이러한결과들은 Beer et al. (2010) 이나 Jung et al. (2011) 등에서북반구의탄소흡수는기온, 강수, 일사량과상관관계가높으나열대지방과온대지방에선강수에더민감하게반응한다는결과와유사하였다. 계절별로각기후변수들의변화에따른 NEP 의반응을살펴봤을때, 기온은봄철북반구중위도이상에서양의상관관계가나타나는지역의비율이높게나타났다. 여름철에는특히북반구고위도에서기온이식생활동에미치는영향이커져 NEP 와매우높은양의상관성을나타냈다. 하지만가을과겨울철에는기온이낙엽분해등에영향을미침으로인해북반구에서음의상관관계비율이높게나타났다. 강수는우기가시작되는시기인봄철열대와아열대지방에서토양호흡의증가에영향을미쳐탄소흡수와뚜렷한음의상관관계를나타냈다. 여름철에는북반구중위도이상의지역에서식생활동의증가로인하여양의상관관계비율이높게나타났다. 가을철에는열대지방에서강수와 NEP 의양의상관관계비율이다른계절보다높게나타났다. 이는가을철열대지방에서는건기가시작되면서, 이시기강수가증가하면광합성이커지기때문이다. 그리고일사량은모든계절에대해대부분지역에서 NEP 와양의상관관계를나타냈다. 육상탄소흡수의변화는식생유형에따라서도다르게나타났다. 기온과탄소흡수의양의상관성은혼합림, 침엽수림, 농작지, 북부타이가지역들에서비율이높게나타났으나, 열대나아열대활엽수림, 열대림, 사바나와같은지역에서는낮게나타났다. 이러한식생들은각위도대를대표하고있으며이들의분포와특징에따라서탄소흡수의변화가다르게나타났다. 강수와탄소흡수는침엽수림, 혼합림, 북부타이가와같은북반구고위도지역에서높은양의상관관계를나타냈지만, 다른대부분지역에서는낮은비율을나타냈다. 이중농작지의경우기온과탄소흡수는양의상관관계비율이높은반면, 강수와는높은음의상관관계비율을나타냈다. 본연구결과에서는기온, 강수가북반구에서육상탄소흡수와서로강한양의상관관계를나타냈으며, 열대와아열대지역에서는음의상관관계를나타냈다. 또한일사량은모든위도대에서양의상관관계를나타냈다. 이러한육상탄소의공간변동성은기후요소뿐만아니라변동성을조절하는토지이용변화, 이산화탄소시비효과, 질소침적등과같은다른요소들로부터도나타난다. 해마다기후변화로인한극한현상의빈도가증가할수록지역및국지규모에서탄소흡수의변화는더복잡한메커니즘으로설명될것이다. 향후육상과대기사이의생지화학적, 생물학적순환에대해다양한제한인자들의상호작용을고려하여미래기후변화에대한육상탄소반응을이해하는과정이필요할것으로보인다. 감사의글 이연구는국립기상과학원 기상업무지원기술개발연구 (NIMS ) 의지원으로수행되었습니다. 세심한심사를해주신두분심사위원께감사를전합니다. REFERENCES Anav, A., and Coauthors, 2013: Evaluating the land ocean components of the global carbon cycle in the CMIP5 earth system models. J. Climate, 26, , doi: /JCLI-D Anderegg, W. R. L., and Coauthors, 2015: Tropical nighttime warming as a dominant driver of variability in the terrestrial carbon sink. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, , doi: /pnas Ballantyne, A. P., C. B. Alden, J. B. Miller, P. P. Tans, and J. W. C. White, 2012: Increase in observed net carbon dioxide uptake by land and oceans during the past 50 years. Nature, 488, 70-72, doi: /nature Bastos, A., S. W. Running, C. Gouveia, and R. M. Trigo, 2013: The global NPP dependence on ENSO: La Nina and the extraordinary year of J. Geophys. Res., 118, , doi: /jgrg Basu, S., and Coauthors, 2011: The seasonal cycle amplitude of total column CO 2 : Factors behind the modelobservation mismatch. J. Geophys. Res., 116, D23306, doi: /2011jd Beer, C., and Coauthors, 2010: Terrestrial gross carbon dioxide uptake: Global distribution and covariation with climate. Science, 329, , doi: /science Bradford, M. A., and T. W. Crowther, 2013: Carbon use efficiency and storage in terrestrial ecosystems. New Phytol., 199, 7-9, doi: /nph , A. D. Keiser, C. A. Davies, C. A. Mersmann, and M. S. Strickland, 2013: Empirical evidence that soil Atmosphere, Vol. 27, No. 2. (2017)

12 174 기후변동성에따른육상탄소순환의반응 carbon formation from plant inputs is positively related to microbial growth. Biogeochemistry, 113, , doi: /s Chapin III, F. S., and Coauthors, 2005: Role of land-surface changes in arctic summer warming. Science, 310, 657, doi: /science Churkina, G., and S. W. Running, 1998: Contrasting climatic controls on the estimated productivity of global terrestrial biomes. Ecosystems, 1, Cleveland, C. C., S. C. Reed, and A. R. Townsend, 2006: Nutrient regulation of organic matter decomposition in a tropical rain forest. Ecology, 87, , W. R. Wieder, S. C. Reed, and A. R. Townsend, 2010: Experimental drought in a tropical rain forest increases soil carbon dioxide losses to the atmosphere. Ecology, 91, , doi: / Cox, P. M., R. A. Betts, C. D. Jones, S. A. Spall, and I. J. Totterdell, 2000: Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model. Nature, 408, Deng, F., and J. M. Chen, 2011: Recent global CO 2 flux inferred from atmospheric CO 2 observations and its regional analyses. Biogeosci., 8, , doi: / bg Fitzhugh, R. D., C. T. Driscoll, P. M. Groffman, G. L. Tierney, T. J. Fahey, and J. P. Hardy, 2001: Effects of soil freezing disturbance on soil solution nitrogen, phosphorus, and carbon chemistry in a northern hardwood ecosystem. Biogeochemistry, 56, , doi: /a: Friedlingstein, P., and I. Prentice, 2010: Carbon-climate feedbacks: A review of model and observation based estimates. Curr. Opin. Environ. Sustainability, 2, , doi: /j.cosust Gurney, K. R., and Coauthors, 2002: Towards robust regional estimates of CO 2 sources and sinks using atmospheric transport models. Nature, 415, Halpert, M. S., and C. F. Ropelewski, 1992: Surface temperature patterns associated with the Southern Oscillation. J. Climate, 5, , doi: / (1992)005<0577:stpawt>2.0.co;2. Heimann, M., and M. Reichstein, 2008: Terrestrial ecosystem carbon dynamics and climate feedbacks. Nature, 451, Hobbie, S. E. and F. S. Chapin III, 1996: Winter regulation of tundra litter carbon and nitrogen dynamics. Biogeochemistry, 35, , doi: /bf House, J. I., I. C. Prentice, N. Ramankutty, R. A. Houghton, and M. Heimann, 2003: Reconciling apparent inconsistencies in estimates of terrestrial CO 2 sources and sinks. Tellus, 55, Huijnen, V., and Coauthors, 2010: The global chemistry transport model TM5: Description and evaluation of the tropospheric chemistry version 3.0. Geosci. Model Dev., 3, , doi: /gmd 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. et al. Eds., Cambridge University Press, 1535 pp. Ise, T., C. M. Litton, C. P. Giardina, and A. Ito, 2010: Comparison of modeling approaches for carbon partitioning: Impact on estimates of global net primary production and equilibrium biomass of woody vegetation from MODIS GPP. J. Geophys. Res., 115, G040205, doi: /2010jg Ito, A., and T. Oikawa, 2000: A model analysis of the relationship between climate perturbations and carbon budget anomalies in global terrestrial ecosystems: Climate Res., 15, , doi: /cr Jung, M., and Coauthors, 2010: Recent decline in the global land evapotranspiration trend due to limited moisture supply. Nature, 467, , doi: / nature09396., and Coauthors, 2011: Global patterns of landatmosphere fluxes of carbon dioxide, latent heat, and sensible heat derived from eddy covariance, satellite, and meteorological observations. J. Geophys. Res., 116, G00J07, doi: /2010jg Kato, T., and Y. H. Tang, 2008: Spatial variability and major controlling factors of CO 2 sink strength in Asian terrestrial ecosystems: evidence from eddy covariance data. Glob. Change Biol., 14, Kim, J. S., J. S. Kug, J. H. Yoon, and S. J. Jeong, 2016: Increased atmospheric CO 2 growth rate during El Niño driven by reduced terrestrial productivity in the CMIP5 ESMs. J. Climate, 29, , doi: / JCLI-D Kim, J., H. M. Kim, C.-H. Cho, K.-O. Boo, A. R. Jacobson, M. Sasakawa, T. Machida, M. Arshinov, and N. Fedoseev, 2017: Impact of Siberian observations on the optimization of surface CO 2 flux. Atmos. Chem. Phys., 17, , doi: /acp Krol, M., S. Houweling, B. Bregman, M. van den Broek, A. Segers, P. van Velthoven, W. Peters, F. Dentener, and P. Bergamaschi, 2005: The two-way nested global chemistry-transport zoom model TM5: Algorithm and applications. Atmos. Chem. Phys., 5, 417- 한국기상학회대기제 27 권 2 호 (2017)

13 선민아 조천호 김영미 이조한 부경온 변영화 , doi: /acp Kulawik, S., and Coauthors, 2016: Consistent evaluation of ACOS-GOSAT, BESD-SCIAMACHY, CarbonTracker, and MACC through comparisons to TCCON. Atmos. Meas. Tech., 9, , doi: /amt Law, B. E., and Coauthors, 2002: Environmental controls over carbon dioxide and water vapor exchange of terrestrial vegetation. Agric. Forest Meteor., 113, Le Quéré, C., and Coauthors, 2009: Trends in the sources and sinks of carbon dioxide. Nat. Geosci., 2, Malhi, Y., 2002: Carbon in the atmosphere and terrestrial biosphere in the 21st century. Philos. Trans. Roy. Soc. London, 360, Masarie, K. A., W. Peters, A. R. Jacobson, and P. P. Tans, 2014: ObsPack: A framework for the preparation, delivery, and attribution of atmospheric greenhouse gas measurements. Earth Syst. Sci. Data, 6, , doi: /essd Nemani, R. R., C. D. Keeling, H. Hashimoto, W. M. Jolly, S. C. Piper, C. J. Tucker, R. B. Myneni, and S. W. Running, 2003: Climate driven increases in global terrestrial net primary production from 1982 to Science, 300, , doi: /science Niu, S., M. Wu, Y. Han, J. Xia, L. Li, and S. Wan, 2008: Water-mediated responses of ecosystem carbon fluxes to climatic change in a temperate steppe. New Phytol., 177, Olson, J. S., J. A. Watts, and L. J. Allsion, 1985: Major world ecosystem complexes ranked by carbon in live vegetation. Numeric Data Package (NDP)-017, doi: /CDIAC/lue.ndp017. Patra, P. K., S. Maksyutov, and T. Nakazawa, 2005: Analysis of atmospheric CO 2 growth rates at Mauna Loa using CO 2 fluxes derived from an inverse model. Tellus, 57, , doi: /tellusb.v57i Peters, W., J. B. Miller, J. Whitaker, A. S. Denning, A. Hirsch, M. C. Krol, D. Zupanski, L. Bruhwiler, and P. P. Tans, 2005: An ensemble data assimilation system to estimate CO 2 surface fluxes from atmospheric trace gas observations. J. Geophys. Res., 110, D24304, doi: /2005jd , and Coauthors, 2007: An atmospheric perspective on North American carbon dioxide exchange: CarbonTracker. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104, , doi: /pnas Piao, S., and Coauthors, 2008: Net carbon dioxide losses of northern ecosystems in response to autumn warming. Nature, 451, 49-52, doi: /nature06444., P. Ciais, P. Friedlingstein, N. Noblet-Ducoudre, P. Cadule, N. Viovy, and T. Wang, 2009: Spatiotemporal patterns of terrestrial carbon cycle during the 20 th century. Global Biogeochemical, 23, GB4026, doi: /2008GB Potter, C., S. Klooster, R. Myneni, V. Genovese, P.-N. Tan, and V. Kumer, 2003: Continental scale comparisons of terrestrial carbon sinks estimated from satellite data and ecosystem modeling. Global Planet. Change, 39, Raupach, M. R., 2011: Carbon cycle: Pinning down the land carbon sink. Nat. Clim. Change, 1, Ropelewski, C. F., and M. S. Halpert, 1987: Global and regional scale precipitation patterns associated with the El Niño/Southern Oscillation. Mon. Wea. Rev., 115, , doi: / (1987)115 <1606:GARSPP>2.0.CO;2. Schneising, O., and Coauthors, 2012: Atmospheric greenhouse gases retrieved from SCIAMACHY: Comparison to ground-based FTS measurements and model results. Atmos. Chem. Phys., 12, , doi: /acp , M. Reuter, M. Buchwitz, J. Heymann, H. Bovensmann, and J. P. Burrows, 2014: Terrestrial carbon sink observed from space: variation of growth rates and seasonal cycle amplitudes in response to interannual surface temperature variability. Atmos. Chem. Phys., 14, , doi: /acp Wieder, W. R., C. C. Cleveland, and A. R. Townsend, 2009: Controls over leaf litter decomposition in wet tropical forests. Ecology, 90, Xia, J., J. Chen, S. Piao, P. Ciais, Y. Luo, and S. Wan, 2014: Terrestrial carbon cycle affected by non-uniform climate warming. Nature, 7, , doi: / ngeo2093. Yu, G. R., and Coauthors, 2013: Spatial patterns and climate drivers of carbon fluxes in terrestrial ecosystems of China. Glob. Change Biol., 19, , doi: /gcb Zeng, N., A. Mariotti, and P. Wetzel, 2005: Terrestrial mechanisms of interannual CO 2 variability. Global biogeochemical, 19, GB1016, doi: /2004gb Zeng, Z. C., and Coauthors, 2017: Global land mapping of satellite-observed CO 2 total columns using spatiotemporal geostatistics. Int. J. Digital Earth, 10, , doi: / Zhao, M., and S. W. Running, 2010: Drought-induced reduction in global terrestrial net primary production from 2000 through Science, 329, , doi: /science Atmosphere, Vol. 27, No. 2. (2017)