Atmosphere. Korean Meteorological Society Vol. 24, No. 4 (2014) pp. 541-554 http://dx.doi.org/10.14191/atmos.2014.24.4.541 pissn 1598-3560 eissn 2288-3266 기술노트 (Technical Note) 21 세기한반도기후변화전망 : WRF 를이용한 RCP 4.5 와 8.5 시나리오기온과강수 안중배 최연우 * 조세라 홍자영부산대학교지구환경시스템학부 ( 접수일 : 2014 년 10 월 1 일, 게재확정일 : 2014 년 12 월 9 일 ) Projection of 21st Century Climate over Korean Peninsula: Temperature and Precipitation Simulated by WRFV3.4 Based on RCP4.5 and 8.5 Scenarios Joong-Bae Ahn, Yeon-Woo Choi*, Sera Jo, and Ja-Young Hong Division of Earth Environmental System, Pusan National University, Busan, Korea (Manuscript received 1 October 2014; accepted 9 December 2014) Abstract Historical, RCP4.5 and RCP8.5 scenarios from HadGEM2-AO are dynamically downscaled over the northeast East Asia with WRFV3.4. The horizontal resolution of the produced data is 12.5 km and the periods of integration are 1979~2010 for historical and 2019~2100 for both RCP4.5 and RCP8.5. We analyze the time series, climatology, EOF and extreme climate in terms of 2 m-temperature and precipitation during 30-year for the Historical (1981~2010) and RCP4.5 and RCP8.5 (2071~2100) scenarios. According to the result, the temperature of the northeast Asia centered at the Korean Peninsula increase 2.9 and 4.6 o C in the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios, respectively, by the end of the 21st century. The temperature increases with latitude and the increase is larger in winter rather than in summer. The annual mean precipitation is expected to increase by about 0.3 mm day 1 in RCP4.5 scenario and 0.5 mm day 1 in RCP8.5 scenario. The EOF analysis is also performed for both temperature and precipitation. For temperature, the EOF 1 st modes of all scenarios in summer and winter show that temperature increase with latitude. The 2 nd mode of EOF of each scenario shows the natural variability, exclusive of the global warming. The summer precipitation over the Korean Peninsula projected increases in EOF 1 st modes of all scenarios. For extreme climate, the increment of the number of days with daily maximum temperature above 30 o C per year (DAY TX30 ) is 25.3 and 49.7 days in RCP4.5 and RCP8.5 respectively over the Korean Peninsula. The number of days with daily precipitation above 20 mm day 1 per year (DAY PR20 ) also increases 3.1 and 3.5 days in RCP4.5 and RCP8.5 respectively. Key words: WRF, HadGEM2-AO, IPCC RCP scenario, future regional climate change *Corresponding Author: Yeon-Woo Choi, Division of Earth Environmental System, Pusan National University, Busandaehak-ro 63beon-gil, Geumjeong-gu, Busan 609-735, Korea. Phone : +82-51-514-1932, Fax : +82-51-514-1932 E-mail : choiyw@pusan.ac.kr 541
542 21 세기한반도기후변화전망 : WRF 를이용한 RCP 4.5 와 8.5 시나리오기온과강수 1. 서론 기후변화에관한정부간협의체 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 는 5 차평가보고서 (Fifth Assessment Report) 를통해지난 133 년간 (1880~ 2012 년 ) 지구평균기온이약 0.85 o C 상승하였으며, 최근 30 년 (1983~2012 년 ) 동안지구의평균기온은 1850 년이래가장더웠던것으로발표하였다 (IPCC, 2013). Houghton et al. (1990) 은그원인으로이산화탄소와같은온실기체를주목하였으며, 지구온난화의대표적인주범인온실가스가기후시스템의에너지평형을변화시키며이로인하여온도및강수등과같은여러기상변수가변화할것이라하였다. 현재인위적인온실가스배출로야기된지구온난화추세는자연적기후변동성의범위를벗어나고있으며, 사회, 경제분야및생태계에이르기까지심각한영향을미치고있다 (Meehl et al., 2003, 2004). 따라서기후변화에대한국가차원의진단과대책마련이시급한실정이며이를위해서는미래기후변화에대한신뢰성높은고해상도의예측정보가필요하다. 최근이상기상에대한우려가커짐에따라국제적인협력을통해온실가스감축을위한노력을기울이고있다. IPCC 에서는 4 차평가보고서에사용된 Special Report on Emission Scenario (SRES) 시나리오대신, 토지이용변화에따른영향까지포함된새로운온실가스시나리오 Representative Concentration Pathways (RCP) 를도입하였다 (Moss et al., 2008). 우리나라도기후변화에대응하기위하여, 세계기후연구계획 World Climate Research Program (WCRP) 에서주관하는국제사업인 the phase five of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) 를수행하였다. 국립기상연구소는 CMIP5 사업의하나로전지구대기 - 해양결합모형인 Hadley Centre Global Environmental Model version 2 - Atmosphere and Ocean (HadGEM2- AO) 을활용하여 RCP 시나리오 2.6, 4.5, 6.0, 8.5 별전지구기후변화자료를산출하였다 (Baek et al., 2011). 고해상도의지역기후변화전망은국가기후변화적응대책수립에있어필수불가결하다 (Sung et al., 2012). 전구모형의결과는전구및종관규모의대기특성을분석하는데적합하지만, 농업, 임업및다양한분야에서필요한고해상도의지역기후정보를산출하기에는무리가있다 (Ministry of Science and Technology, 1991). 지역기후모형은이러한고해상도의지역기후정보산출에서매우유용한도구로이용되고있다 (e.g., Giorgi and Mearns, 1999; Boo et al., 2004; Im et al., 2008; Ahn et al., 2010a, b). 하지만지역기후모형으로산출한미래기후변화정보는상당 한불확실성을내재하고있기때문에분석과정에서이는필히고려되어야한다. 지역기후모형의경계장으로사용되는전구모형들은각각다른역학체계와격자정보및물리과정으로인하여상당한불확실성이내재되어있으며. 기후강제력으로사용되는복사강제력또한불확실성을내포하고있다 (Kim et al., 2008). Lee et al. (2006) 은집중호우의사례분석을통해 Weather Research and Forecasting (WRF) (Skamarock et al., 2008) 모형에의한최다강수량및최다강수지역의예측가능성을살펴보았으며, 한반도의복잡한산악지형이집중호우에미치는영향을연구하였다. Cha et al. (2007) 은 ECHO-G/S (ECHAM4/HOPE- G) (Legutke and Voss, 1999) 모형을활용하여 20 세기기후모의실험의기온과강수의모사능력을평가하였고미래시나리오인 SRES 를통해동아시아미래기후변화를전망하였다. Ahn et al. (2013) 은한반도중심의동북아시아지역에서 CMIP5 Historical( 현재기후 ) 시나리오를강제력으로설정하여 WRF 모형의현재기후모의성능을분석하였고, Oh et al. (2011, 2014) 과 Lee et al. (2013) 은 HadGEM2-AO 자료를경계조건으로처방한 Regional Climate Model version 4 (RegCM4) (Giorgi et al., 2012) 와 Global/Regional Integrated Model system Regional Model Program (GRIMs-RMP) (Hong et al., 2013) 모형을이용하여 COordinated Regional climate Downscaling Experiment (CORDEX) 동아시아영역에서의현재기후모의수준을평가하고 RCP4.5 와 8.5 시나리오에대한미래기후변화를분석하였다. 이들의연구결과는미래시나리오별기온과강수의변화에서본연구와유사한결과를보이고있지만수평해상도가 50 km 로제한되어있어농업, 임업및기타분야에서활용도가낮은것으로판단되며, 기후변화에따른기온강수의주요모드의변화및극한기후의공간적인변화에대한분석은부족하다. 따라서본연구에서는 EOF 분석을통해 RCP 시나리오에따른기온과강수주요모드의미래변화를제시하였으며, 극한기후의공간적인변화도분석하였다. 본연구에서는 RCP4.5 시나리오와 RCP8.5 시나리오를활용하여미래한반도상세기후변화정보를산출하였다. 이를위해, 국립기상연구소에서제공하는 HadGEM2-AO 자료를 WRFV3.4 의초기및경계조건으로처방하였으며모의기간은현재 32 년 (1979~2010 년 ) 과미래 82 년 (2019~2100 년 ) 으로하였다. WRF 모형의계통적오차 (systematic bias) 나전구모형결과와의비교는 Choi et al. (2011) 과 Ahn et al. (2013) 에소개되어있으므로본연구에서는다루지않는다. 2 장에서는본연구에사용된모형및실험설계에관해기술하였고, 3 장에서는기후변화시나리오에따른한 한국기상학회대기제 24 권 4 호 (2014)
안중배 최연우 조세라 홍자영 543 Table 1. Model configuration used in this study. Description Horizontal dimensions Horizontal resolution Vertical layer (top) Microphysics Shortwave/Longwave radiation Surface layer Land surface Planetary boundary layer Cumulus Lateral boundary condition 201 180 12.5 12.5 km 28 eta levels (50 hpa) WSM3 [Hong et al., 2004] CAM [Collins et al., 2002] Monin-Obukhov similarity [Jimenez et al., 2012] Noah [Chen and Dudhia, 2001] Yonsei University [Hong et al., 2006] Kain-Fritsch [Kain, 2004] HadGEM2-AO Fig. 1. Model domain and topography (in meters) for WRFV3.4 simulation. 반도 기온과 강수의 미래변화 전망을 분석하였다. 마 지막으로 4장에서는 요약 및 결론을 제시하였다. 2. 자료 및 실험방법 본 연구에서는 지역기후모형인 WRF Version 3.4를 이용하여 RCP 시나리오별(4.5, 8.5) 한반도 상세기후 변화 전망을 제시하였다. 본 연구에 사용된 WRF 모 형의 실험설계와 현재기후 적분결과는 Ahn et al. (2013)의 연구와 일치한다. 따라서 본 연구에서는 WRF 모형의 계통적 오차(systematic bias)나 경계장으로 사 용된 HadGEM2-AO 결과와의 비교는 다루지 않는다. 본 실험에서 구름물리 과정은 WRF Single-Moment 3class (WSM3) scheme (Hong et al., 2004), 복사 모수 화는 Community Atmospheric Model (CAM) scheme (Collins et al., 2002), Land surface는 Noah Land Surface Model (Chen and Dudhia, 2001), 행성 경계층 모수화 방법은 Yonsei University (YSU) PBL scheme Fig. 2. Time series of annual mean (a) temperature and (b) precipitation changes over the east Asia (29oN~46oN, 117oW~138oW) relative to 1981~2010 base periods for the historical period (1981~2010) and future period (2021~ 2100) according to the 2 RCPs (4.5, 8.5). (Hong et al., 2006), 적운 모수화는 Kain-Fritsch scheme (Kain, 2004)를 각각 사용한다. 본 연구에 사용된 실 험설계의 구체적인 내용은 Table 1에 정리하였다. 본 연구에서는 Historical과 미래 RCP 2종(4.5, 8.5) 시나 리오에 대하여 분석을 수행하였다. 분석 기간은 현재 (1981~2010년)와 미래 시나리오(2071~2100년)에 대해 서 각각 30년이며, 초기 2년(1979~1980년)의 결과는 Atmosphere, Vol. 24, No. 4. (2014)
544 21 세기한반도기후변화전망 : WRF 를이용한 RCP 4.5 와 8.5 시나리오기온과강수 Fig. 3. The spectral analysis of time series for annual mean (a) temperature and (b) precipitaion according to the RCPs (4.5, 8.5). The blue and red dashed line denote the 90% and 95% confidence level respectively. spin-up 기간으로분석에사용되지않았다. 3. 결과 3.1 기온과강수량의시계열분석 WRFV3.4 로산출한 RCP 시나리오 (4.5, 8.5) 별연평균기온과강수의변화를 Fig. 2 에나타내었다. 그림에서검은색파선은현재기후 (Historical), 파란색실선은 RCP4.5, 빨간색실선은 RCP8.5 시나리오를의미한다. 온도의단위는 o C 이며, 강수의단위는 mm day 1 이다. 연평균기온변화의경우, 두시나리오 (4.5, 8.5) 모두증가하는추세를보이며, 경년주기의변동성을보인다. 21 세기후반 (2071~2100 년 ) 의연평균기온은 RCP4.5 시나리오에서현재대비약 2.9 o C 상승할것으로모의되며, RCP8.5 시나리오실험에서는약 4.6 o C 증가할것으로전망된다. 반면강수의미래변화는두 시나리오에서모두상승률이크지않을것으로전망된다. 강수는 21 세기중반까지시나리오별로유사한증가추세를보이다 21 세기후반부터시나리오별로차이가나타난다. 또한, 강수의연별변동폭은전반적으로현재에비해크며 inter-decadal oscillation 의경향이뚜렷하다. RCP4.5 시나리오실험에서 21 세기후반의강수량의변화는현재대비약 0.3 mm day 1 상승할것으로모의되며, RCP8.5 시나리오에서는약 0.5 mm day 1 증가할것으로전망된다. Figure 3 에서는파워스펙트럼 (power spectrum) 분석을이용하여 RCP 시나리오별기온과강수미래변화의주기성을분석하였다. 그림에서파란색과붉은색파선은각각신뢰수준 90% 와 95% 를나타낸다. 스펙트럼분석에의하면, RCP4.5 시나리오기온은 2~3 년주기의경년변동성이통계적으로유의하게나타나며, 40 년주기이상의 inter-decadal oscillation 도나 한국기상학회대기제 24 권 4 호 (2014)
안중배 최연우 조세라 홍자영 545 Fig. 4. Climatological summer (upper) and winter (bottom) mean temperature [oc] at 2 m for historical period (1981~2010), the differences between future period (2071~2100) and the historical period with respect to the RCPs (4.5, 8.5). The black dots in figures are marked when there are positive and negative values at or above the 95% confidence level. 타난다. 또한, RCP8.5 시나리오 기온에서는 2~3년과 5년 주기의 경년 변동성이 우세하게 나타난다. 연평 균 강수량의 경우, 두 시나리오 모두 기온의 변동성 과 유사하게 2~3년 주기의 변동이 나타나며, RCP8.5 시나리에서는 20~40년 주기의 inter-decadal oscillation 도 나타난다. 시계열 분석결과를 종합해보면, 기후변화 시나리오 (RCP4.5, RCP8.5)에 기초한 미래 연평균 기온과 강수 는 전반적으로 상승할 것으로 전망되며, 특히 고농도 시나리오인 RCP8.5에서 기온과 강수의 상승폭이 가 장 클 것으로 전망된다. 3.2 기온과 강수량의 공간적 변화 Figures 4와 5에서는 WRFV3.4로 산출한 상세기후 변화 전망을 공간적으로 나타냈다. Fig. 4는 RCP 시 나리오(4.5, 8.5)에 근거한 계절평균(여름, 겨울) 기온 의 현재(1981~2010년)와 미래변화(2071~2100년)를 나 타낸 그림이다. 기후변화에 대한 통계적 유의성 검증 을 위해 Student s t-test (Bretherton et al., 1999)를 사 용하였고 신뢰구간 95%에 포함되는 영역은 검은색 점으로 표시하였다. 각 그림에서 오른쪽 위의 숫자는 분석영역의 평균값을 의미한다. WRFV3.4가 모의한 현재 기후의 여름철 평균 기온 은 21.1oC이며, 남한에서는 전반적으로 20oC 이상의 기온 분포가 나타난다(Fig. 4). 또한, 내륙 산간 지역 에서는 18oC 이하의 낮은 기온 분포를 보이지만 중국 화동, 화북 지방 및 일본 남해상에는 24oC 이상의 높 은 기온 분포를 보인다. 겨울철 평균 기온의 경우, 해 양을 포함한 전 지역 평균 기온 값은 0.1oC이며, 여름 철 기온 패턴과는 달리 위도에 따른 기온의 분포가 뚜렷하게 나타난다. 또한, 내륙 산간지역에서는 여름 과 동일하게 기온 값이 4oC 이하의 낮은 분포를 보 이며, 북위 34도 이하의 지역과 해양지역에서는 영상 의 기온이 나타난다. 분석 결과를 요약해 보면, 각 시 나리오별 여름철 및 겨울철 평균 기온의 미래변화는 전 지역에서 증가할 것으로 전망되며, 고농도 시나리 오로 갈수록 기온 상승률이 높을 것으로 전망된다. 특 히 여름철의 경우, 육지보다 해양의 기온 상승이 높 을 것으로 전망되며, 겨울철에는 고위도로 갈수록 기 온 증가가 크게 나타난다. 21세기 후반의 여름철 평 균기온은 RCP4.5에서 3.0oC, RCP8.5에서는 4.6oC 증 가할 것으로 전망된다. 또한, 겨울철 평균기온의 미래 Atmosphere, Vol. 24, No. 4. (2014)
546 21세기 한반도 기후변화 전망: WRF를 이용한 RCP 4.5와 8.5 시나리오 기온과 강수 Fig. 5. Same as Fig. 4 except for precipitation [mm day 1]. 변화는 RCP4.5 시나리오에서 현재 대비 2.9oC 상승 할 것으로 모의되며, RCP8.5 시나리오에서는 5.0oC 증가할 것으로 전망된다. WRFV3.4가 모의한 현재 기후의 여름철 평균 강수 량은 5.6 mm day 1이다(Fig. 5). 선행연구에서는 동아 시아 지역의 강수가 여름 몬순의 영향(Ho et al., 1988) 으로 인해 여름철에 집중된다고 밝혔다. 본 연구에서 도 기존의 연구 결과와 마찬가지로 한반도 전역, 중 국의 화동, 동북지역 그리고 일본을 포함한 주변 해 상에서 많은 강수량이 나타난다. 특히 중국의 화동지 역과 일본에서는 강수량이 10 mm day 1 이상으로 가 장 많이 나타난다. 겨울철 강수의 경우, 현재 기후의 평균 강수량은 4.1 mm day 1이며, 전반적으로 위도에 따라 강수량이 감소하는 패턴을 보인다. 특히 동해상 과 일본의 남해상에서 10 mm day 1 이상의 많은 강 수량이 나타난다. RCP 시나리오(4.5, 8.5)에 따른 여 름철 및 겨울철 평균 강수량의 미래변화를 살펴보았 다. 강수량의 변화는 계절에 따라 큰 차이를 보이며, 고농도 시나리오로 갈수록 상승 폭이 증가하는 경향 을 보인다. 여름철의 경우, 한반도의 남부지방과 북부 지방에서 강수량이 약 1.5 mm day 1 이상 증가할 것 으로 전망되며, 중부지방에서는 현재 대비 변화가 없 한국기상학회 대기 제24권 4호 (2014) 을 것으로 전망된다. 또한, 중국의 화동, 화북지역 및 일본을 포함한 주변 해역에서도 강수량이 전반적으로 증가할 것으로 모의되며, 특히 일본 주변의 해역에서 는 강수량이 가장 많이 상승할 것으로 전망된다. 겨 울철의 경우, 육지에서의 강수량 변화는 적을 것으로 전망 되며, RCP8.5 시나리오의 경우에만 한반도 남부 지방에서 강수량이 0.5 mm day 1 이상 증가할 것으로 나타난다. 특히 한반도의 남해와 동해상 먼 바다 및 일본의 남부지역에서는 강수량의 증가 및 감소가 두 드러질 것으로 전망된다. 여름철 평균 강수량의 미래 변화는 RCP4.5 시나리오에서 0.8 mm day 1, RCP8.5 시나리오에서 1.2 mm day 1 증가할 것으로 전망되며, 각 시나리오별 겨울철 평균 강수량의 변화는 현재기 후 대비 큰 차이가 없을 것으로 전망된다. 3.3 EOF 분석 Figures 6와 7은 각각 여름과 겨울 기온 아노말리의 Empirical Orthogonal Function (EOF) 분석을 수행한 결과이다. 분석기간은 Historical (1981~2010년), RCP4.5 그리고 RCP8.5 (2071~2100년)이며 아노말리는 각 기 간의 기후 평균값을 제거함으로써 계산되었다. 따라 서 EOF 분석은 Historical 30년 또는 시나리오에 따
안중배 최연우 조세라 홍자영 547 Fig. 6. The first two EOF modes and PC time-series of JJA temperature anomaly at 2 m [ o C] for historical period (1981~2010) and future period (2071~2100) with respect to the RCPs (4.5, 8.5). 라변화된 2071~2100 년의기후 (Figs. 4, 5) 에대한주된패턴을보여주는것이다. 그림의오른쪽상단의숫자는전체변동중각공간장이설명하는변동을의미한다. 각패턴아래에나타난시계열은 Principle Component (PC) 의시계열로파란색선은각시계열의선형트렌드를나타낸다. Reference 기간 (Historical) 의여름기온 EOF 첫번째모드는전체변동의 56.98% 를설명하는모드로, 한반도를포함한동북아시아의육지에서강한양의아노말리가나타났으며, 그크기는북쪽으로갈수록큰것으로나타났다. 또한이모드의 PC 시계열을살펴보면 2010 년으로갈수록증가하는트렌드를가지고있으므로, 한반도를포함한동북아시아의기온이점차증가하는특징을가지는것으로나타났다. EOF 두번째모드는전체변동성의 16.65% 를설명하며, 중국의화동지역을중심으로동북아시아의남쪽해상에양의아노말리가나타나는 패턴을보였다. 한반도의경우남해및동해안을따라서만양의아노말리가나타났다. RCP 4.5 와 8.5 두시나리오의 EOF 첫번째모드의공간분포는 Historical 과유사한패턴을나타냈으며, 변동성은각각 34.28%, 52.05% 로나타났다. PC 시계열에서는양의트렌드가나타나, 미래에도기온은꾸준히증가할것으로전망되며, 그정도는 RCP8.5 가더클것으로전망된다. RCP4.5 와 RCP8.5 시나리오모두동북아시아전반에걸쳐양의아노말리가나타났으나, RCP4.5 의경우일본남쪽해상을제외한거의모든영역에서양의아노말리가나타났고, RCP8.5 의경우북한을포함한약위도 37 도이북의영역에서북으로갈수록큰양의아노말리가나타났다. 두번째모드의경우 RCP4.5 는서에서양, 동에서음의아노말리가나타났고, RCP8.5 는남에서양, 북에서음의아노말리가나타났다. Figure 7 의경우겨울철기온에대한 EOF 분석결과이다. Atmosphere, Vol. 24, No. 4. (2014)
548 21세기 한반도 기후변화 전망: WRF를 이용한 RCP 4.5와 8.5 시나리오 기온과 강수 Fig. 7. Same as Fig. 6 except for DJF temperature [oc]. Historical과 RCP4.5, RCP8.5 모두 육지에서 양의 아 노말리가 나타났으며, 여름철 기온의 EOF 첫 번째 모 드보다 큰 값을 나타냈다. Historical의 경우 첫 번째 모드가 전체 변동의 62.18%를 설명하는 것으로 나타 났고, RCP4.5와 8.5의 경우 각각 54.68%, 61.61%를 설명하는 것으로 나타났다. PC 시계열은 historical의 경우 뚜렷한 증가의 추세가 나타나지 않았으나, RCP4.5 와 RCP8.5의 경우 증가 추세가 뚜렷해, 현재보다 21 세기 후반에 겨울철 기온의 증가가 더 뚜렷할 것으로 전망된다. EOF 두 번째 모드의 경우 Historical은 13.13%, RCP4.5와 RCP8.5의 경우 15.41%와 15.28% 를 설명하며, Historical과 RCP4.5의 경우 중국의 화동 지방에 양의 아노말리, 동북지역에 음의 아노말리가 나타났다. 이와 달리 RCP8.5의 경우 한반도를 포함한 북위 40도 남쪽의 영역에서 음의 아노말리, 북위 40 도 북쪽에서는 양의 아노말리가 서로 대비하여 나타났다. Figures 8과 9는 여름과 겨울의 강수에 대한 EOF 한국기상학회 대기 제24권 4호 (2014) 분석 결과이다. 여름철 강수의 EOF분석 결과 Historical 의 경우 EOF 첫 번째 모드는 18.82%, 두 번째 모드 는 13.97%의 강수의 변동성을 설명한다. EOF 첫 번 째 모드에서는 한반도에 강한 양의 아노말리가 나타 났으나 PC 시계열의 경우 감소하는 추세를 나타내어, 한반도 강수의 감소추세를 나타냈다. EOF 두 번째 모 드의 경우 일본과 남한에 뚜렷한 음의 아노말리가 나 타났다. RCP4.5의 경우 첫 번째 모드는 15.50%의 변 동성을 설명하며, Historical의 첫 번째 모드와 유사하 게 한반도에 양의 아노말리와 일본 남쪽 해상에 음의 아노말리가 나타났다. 두 번째 모드 역시 Historical과 유사한 모습이 나타났으나, Historical에 비해 양의 아 노말리가 한반도 남부지역에 강하게 나타나며, 일본 남쪽 해상만 약한 음의 아노말리가 나타났다. RCP8.5 의 경우 Historical과 RCP4.5와 달리 동북아시아의 전 지역에서 양의 강수 아노말리가 나타났으며, 특히 한 반도의 남부지역과 중국의 화동지역, 일본에 강하게
안중배 최연우 조세라 홍자영 549 Fig. 8. Same as Fig. 6 except for JJA precipitation [mm day 1]. 나타났다. PC 시계열의 경우, RCP4.5와 RCP8.5 모두 Historical과 반대로 뚜렷한 증가추세가 나타나, 양의 아노말리를 패턴을 나타낸 한반도의 경우 강수가 증 가할 것으로 전망된다. EOF 두 번째 모드는 RCP4.5 의 경우 11.90%, RCP8.5의 경우 11.17%의 변동성을 설명한다. 한반도 남부에 대해서는 두 시나리오 모두 음의 아노말리를 나타내고 있으나, 일본지역의 강수 는 RCP4.5의 경우 육지에는 음의 아노말리, 남쪽해상 에서는 양의 아노말리를 나타내고 RCP8.5에서는 육 지와 남쪽해상 모두 음의 아노말리를 나타냈다. 겨울 철의 경우 여름에 비해 한반도에서의 강수변동이 작 게 나타났으며, 이는 Historical뿐 아니라 RCP4.5와 RCP8.5 시나리오에서도 동일하게 나타났다. 첫 번째 EOF 모드는 전체 변동성 가운데 Historical의 경우 18.18%, RCP4.5와 8.5 시나리오의 경우 21.55%, 17.73% 를 설명하였다. 세 개의 시나리오 모두 일본의 남쪽 해상에서 강한 음의 아노말리가 나타났으며, 이러한 음의 아노말리는 RCP4.5와 RCP8.5 시나리오로 오면 서 중국의 화동지역까지 넓어진 것으로 보인다. 동해 상에서는 Historical의 경우 음의 강수 아노말리가 나 타났지만, RCP4.5에서는 양의 아노말리가, 8.5에서는 북쪽은 음의, 남쪽은 양의 아노말리가 다이폴 형태로 나타났다. EOF 두 번째 모드의 경우, 전체 변동 가운 데 Historical은 14.89%, RCP4.5는 16.83% 그리고 RCP8.5는 12.51%를 설명하며, 공통적으로 한반도의 동해안을 따라 양의 아노말리를 나타냈다. 하지만 동 해 해상에 대해서는 Historical과 RCP8.5는 음의 아노 말리를 나타내는 반면, RCP4.5에서는 양의 아노말리 를 나타내었다. RCP4.5의 패턴에서는 Historical과 RCP8.5에서는 나타나지 않는 서해안에 강한 양의 아 노말리를 나타냈다. 3.4 극한 기후 변화 WRFV3.4가 산출한 모의결과를 이용하여 RCP 시 Atmosphere, Vol. 24, No. 4. (2014)
550 21세기 한반도 기후변화 전망: WRF를 이용한 RCP 4.5와 8.5 시나리오 기온과 강수 Fig. 9. Same as Fig. 6 except for DJF precipitation [mm day 1]. Fig. 10. Spatial distribution of DAYTX30 [day year 1] over South-Korea for historical period (1981~2010), the differences between future period (2071~2100) and the historical period with regard to the RCPs (4.5, 8.5). 한국기상학회 대기 제24권 4호 (2014)
안중배 최연우 조세라 홍자영 551 Fig. 11. Same as Fig. 10 except for DAY PR20 [day year 1 ]. 나리오별극한기후변화전망을살펴보고자한다. 본연구에서는많은선행연구에서활용된절대임계값방법을이용하여극한기후를정의하였다 (Im and Kwon, 2007; Oh et al., 2011). DAY TX30 는일최고기온이 30 o C 이상인날의연중일수로정의되며, DAY PR20 는일강수량이 20 mm day 1 이상인연중일수로정의하였다. Figure 10 은절대임계값방법에의해정의된 DAY TX30 지수를현재와미래변화에대해공간적으로나타낸그림이다. WRFV3.4 가모의한현재기후의 DAY TX30 공간분포를보면경기도, 충청도및전라도지역에서 24 일이상의높은분포를보이며, 내륙산간지역에서는 3 일미만의낮은분포를보인다. 분석된전지역의평균값은 10.4 일이다. RCP4.5 시나리오실험에서 DAY TX30 의현재대비미래변화를살펴보면경상도를포함한한반도의서쪽지역에서현재보다 20 일이상증가할것으로전망되며, 한반도의동쪽지역에서는 15 일미만의낮은분포를보인다. 특히전라도와충청도에서는 DAY TX30 가 40 일이상증가하여가장높은증가율을보인다. 고농도시나리오인 RCP8.5 의결과는 RCP4.5 시나리오와유사한패턴을보이지만 DAY TX30 의상승률이더높을것으로전망된다. 특히경기도를포함한전라도와충청도지역에서 RCP45 시나리오결과와유사하게 DAY TX30 가 65 일이상증가하는패턴을보이며, 태백산맥지역에서는 20 일이하의낮은분포를보인다. 위의결과를종합해보면, 우리나라의 DAY TX30 일수는 RCP4.5, RCP8.5 시나리오에기초하여 21 세기후반에각각 25.3 일, 49.7 일증가할것으로모의되며, 고농도시나리오인 RCP8.5 에서 DAY TX30 의증가율이가장높을것으로전망된다. Figure 11 은 RCP4.5 와 RCP8.5 시나리오에근거한 DAY PR20 지수의현재와미래변화에대해공간적으로 나타낸그림이다. 모형이산출한현재기후의 DAY PR20 공간분포를살펴보면한반도전역에서 0.4 일에서 4 일까지의분포를보이며, 전지역평균값은 2.0 일로나타난다. 특히태백산맥을따라 3.2 일이상의높은분포를보이며, 지리산과제주도지역에서도 4 일이상으로높게나타난다. RCP4.5 와 RCP8.5 시나리오에기초한 21 세기후반의 DAY PR20 일수는서로유사한분포를보이며, 고농도시나리오인 RCP8.5 시나리오에서 DAY PR20 일수의증가율이높다. 현재대비미래의 DAY PR20 일수변화는 RCP4.5 시나리오에서 3.1 일증가할것으로모의되며, RCP8.5 시나리오에서는 3.5 일증가할것으로전망된다. 4. 요약및결론 본연구에서는기상청기상연구소에서 HadGEM2- AO 전지구모형으로생산한 Historical, RCP4.5, 그리고 RCP8.5 시나리오자료를바탕으로 WRFV3.4 모델을활용한상세기후전망자료생산시스템을구축하였다. 본시스템을통하여생산된자료의 horizontal resolution 은 12.5 km 이고적분영역은한반도중심의동북아시아이다. 적분기간은 Historical 은 1979~2010 년, RCP4.5 그리고 RCP8.5 시나리오는각각 2019~ 2100 년이고, 기상청슈퍼컴 3 호기의 해빛 시스템을이용해적분하였다. 본연구에서는 Historical 의 1981~ 2010 년, 미래시나리오에서는 21 세기후반인 2071~2100 년에대하여여름및겨울의기온과강수의 time series, climatology, EOF 그리고극한기후분석을시행하고그결과를통해생산된자료를검증하였다. 기온의경우 21 세기후반에 RCP4.5 는약 2.9 o C, RCP8.5 는약 4.6 o C 증가할것으로전망되며강수의 Atmosphere, Vol. 24, No. 4. (2014)
552 21 세기한반도기후변화전망 : WRF 를이용한 RCP 4.5 와 8.5 시나리오기온과강수 경우 RCP4.5는약 0.3 mm day 1, RCP8.5는약 0.5 mm day 1 증가할것으로전망되었다. 기온과강수모두 2~3년주기의경년변동성이통계적으로유의하게나타난다. 또한, 계절별기온및강수의변화를공간분포로살펴보면, 기온의경우전지역에서기온이상승할것으로나타났으며고위도로갈수록, 겨울에더가파르게증가할것으로전망되었다. 여름철강수의경우모든시나리오에서강수량이증가하는모습이나타났으며특히한반도의남부지방과북부지방에서약 1.5 mm day 1 이상의강수량의증가가나타났다. 한반도뿐아니라, 중국의화동, 화북지역및일본을포함한주변해역에서도여름강수량은증가할것으로나타났다. EOF 분석을통해살펴본현재및미래의기온아노말리의분포는여름과겨울모두고위도로갈수록아노말리가강해지는패턴이 EOF 첫번째모드로, 전체변동중가장큰변동을설명한다. 또한, 이패턴의 PC 시계열은증가하는추세를가지고있어, 패턴과같은기온의상승형태가계속해서강화될것으로예상된다. 기온의두번째 EOF 모드는각시나리오및계절별로상이하였으며지역적차이를살펴볼수있어본시스템으로생산된미래전망자료가미래기후의지역적차이를이해하는데사용될수있을것으로사료된다. 강수의 EOF분석결과는, 여름철의경우현재및미래시나리오모두한반도에강수의변동성이큰것으로나타났고, 겨울의경우한반도에서는변동이크지않은것으로나타났다. 극한기후의경우 DAY TX30 는 RCP4.5와 RCP8.5에서각각 25.3일, 49.7일증가할것으로나타났고, DAY PR20 은각각 3.1일, 3.5일증가할것으로전망되었다. 따라서, WRFV3.4에의해모의된한반도및동북아시아의상세기후전망자료는북동아시아영역전체의기후변화뿐아니라지역적특성을잘나타냄으로, 대상영역에대한현재기후및표준실험으로적합한것으로판단된다. 본연구를통해생산된결과는다른 3개의지역기후모형의결과와함께다중모델앙상블멤버로사용될예정이다. 감사의글 이연구는기상청기상기술개발사업 (CATER 2012-3083) 의지원으로수행되었으며, 이연구에기상청슈퍼컴퓨터가활용되도록지원해준기상청슈퍼컴퓨터운영과에감사합니다. REFERENCES Ahn, J.-B., J. Hur, and K.-M. Shim, 2010a: A simulation of agro-climate index over the Korean peninsula using dynamical downscaling with a numerical weather prediction model. Korean J. Agr. Forest Meteor., 12, 1-10 (in Korean with English abstract)., J.-Y. Hong, and K.-M. Shim, 2010b: Agro-climate indices changes over the Korean peninsula in CO2 doubled climate induced by atmosphere-oceanland-ice coupled general circulation model. Korean J. Agr. Forest Meteor., 12, 11-22 (in Korean with English abstract).,, and M.-S. Seo, 2013: Present-Day Climate of the Korean Peninsula Centered Northern East Asia Based on CMIP5 Historical Scenario Using Fine-Resolution WRF. J. Korean Meteor. Soc., Atmos., 23, 527-538 (in Korean with English abstract). Baek, H.-J., C.-H. Cho, W.-T. Kwon, S.-K. Kim, J.-Y. Cho, and Y. Kim, 2011: Development strategy for new climate change scenarios based on RCP. Climate Change Res., 2, 55-68 (in Korean with English abstract). Boo, K.-O., W.-T. Kwon, and J.-K. Kim, 2004: Vegetation changes in the regional surface climate over East Asia due to global warming using BIOME4. Geophysics and Space Physics, 27, 317-327. Bretherton, C. S., M. Widmann, V. P. Dymnikov, J. M. Wallace, and I. Blade, 1999: The effective number of spatial degrees of freedom of a time-varying field. J. Climate, 12, 1990-2009. Cha, Y.-M., H.-S. Lee, J. Y. Moon, W.-T. Kwon, and K.-O. Boo, 2007: Future climate projection over East Asia using ECHO-G/S. J. Korean Meteor. Soc., Atmos., 17, 55-68 (in Korean with English abstract). Chen, F., and J. Dudhia, 2001: Coupling an advanced landsurface/hydrology model with the Penn State/NCAR MM5 modeling system. Part I: Model description and implementation. Mon. Wea. Rev., 129, 569-585. Collins, W. D., J. K. Hackney, and D. P. Edwards, 2002: An updated parameterization for infrared emission and absorption by water vapor in the National Center for Atmospheric Research Community Atmosphere Model. J. Geophys. Res., 107, 1-20. doi:10.1029/ 2001JD001365. Collins, W. J., and Coauthors, 2011: Development and evaluation of an Earth-system model - HadGEM2. Geosci. Model Dev. Discuss., 4, 997-1062, doi:10.5194/ gmdd-4-997-2011. Choi, S.-J., D.-K. Lee, and S.-G. Oh, 2011: Regional climate simulations over East-Asia by using SNURCM and WRF forced by HadGEM2-AO. J. Korean Earth Sci. Soc., 32, 750-760 (in Korean with English abstract). Giorgi, F., and L. O. Mearns, 1999: Introduction to special 한국기상학회대기제 24 권 4 호 (2014)
안중배 최연우 조세라 홍자영 553 section: Introduction to special section: Regional climate modeling revisited. J. Geophys. Res., 104, 6335-6532., and Coauthors, 2012: RegCM4: Model description and preliminary test over multiple CORDEX domains. Clim. Res., 52, 7-29. Ho, C.-H., and I.-S. Kang, 1988: The variability of precipitation in Korea. J. Korean Meteor. Soc., 24, 38-48 (in Korean with English abstract). Hong, S.-Y., J. Dudhia, and S.-H. Chen, 2004: A Revised approach to ice microphysical processes for the bulk parameterization of clouds and precipitation. Mon. Wea. Rev., 132, 103-120., Y. Noh, and J. Dudhia, 2006: A new vertical diffusion package with an explicit treatment of entrainment processes. Mon. Wea. Rev., 134, 2318-2341., and Coauthors, 2013: The global/regional integrated model system (GRIMs). Asia-Pac. J. Atmos. Sci., 49, 219-243. doi:10.1007/s13143-013-0023-0. Houghton, J. T., G. J. Jenkins, and J. J. Ephraums (eds.), 1990: Climate Change - The IPCC Scientific Assessment. Cambridge University Press, Cambridge. Im, E. S., and W. T. Kwon, 2007: Characteristics of extreme climate sequences over Korea using a regional climate change scenario. Scientific Online Letters on the Atmosphere, 3, 17-20., J. B. Ahn, A. R. Remedio, and W. T. Kwon, 2008: Sensitivity of the regional climate of East/Southeast Asia to convective parameterizations in the RegCM3 modelling system. Part 1: Focus on the Korean peninsula. Int. J. Climatol., 28, 1861-1877. IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Scientific Basis, Working Croup I Contribution to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 996 pp., 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. Kain, J. S., 2004: The Kain-Fritsch convective parameterization: An update. J. Appl. Meteorol., 43, 170-181. Kim, M.-J., J.-H. Shin, H.-S. Lee, and W.-T. Kwon, 2013: An uncertainty assessment of AOGCM and future projection over East Asia. J. Korean Meteor. Soc., Atmos., 18, 507-524 (in Korean with English abstract). Lee, J.-W., and S.-Y. Hong, 2006: A numerical simulation study of orographic effects for a heavy rainfall event over Korea using the WRF model. J. Korean Meteor. Soc., Atmos., 16, 319-332 (in Korean with English abstract)., S.-Y. Hong, E.-C. Chang, M.-S. Suh, and H.-S. Kang, 2013: Assessment of future climate change over East Asia due to the RCP scenarios downscaled by GRIMs-RMP. Clim. Dynam., 42, 1-15. Legutke, S., and R. Voss, 1999: The Hamburg atmosphereocean coupled circulation model ECHO-G. German Climate Computer Centre (DKRZ) Tech. Rep., 18, 62 pp. Meehl, G. A., W. M. Washington, T. M. L. Wigley, J. M. Arblaster, and A. Dai, 2003: Solar and greenhouse gas forcing and climate response in the twentieth century. J. Climate, 16, 426-444., W. M. Washington, C. M. Ammann, J. M. Arblaster, T. M. L. Wigley, and C. Tebaldi, 2004: Combinations of natural and anthropogenic forcings in twentieth-century climate. J. Climate, 17, 3721-3727. Ministry of Science and Technology, 1991: Development of an Operational Weather Information System for Agricultural Applications in Cheju Island (III). Ministry of Science and Technology, 28 pp. Moss, R., and Coauthors, 2008: Towards New Scenarios for Analysis of Emissions, Climate Change, Impacts, and Response Strategies. Intergovernmental Panel on Climate Change, Geneva, 132 pp. Oh, S.-G., M.-S. Suh, D.-H. Cha, and S.-J. Choi, 2011: Simulation skills of RegCM4 for regional climate over CORDEX East Asia driven by HadGEM2-AO. J. Korean Earth Sci. Soc., 32, 732-749 (in Korean with English abstract)., M.-S. Suh, and D.-H. Cha, 2012: Performance of RegCM4 for extreme climate over South Korea in the CORDEX East Asia framework and it s relation to lateral boundary condition. Proceeding of Spring meeting of KMS, 49-50., J.-H. Park, S.-H. Lee, and M.-S. Suh, 2014: Assessment of the RegCM4 over East Asia and future precipitation change adapted to the RCP scenarios. J. Geophys. Res., 119, 2013JD020693. Skamarock, W. C., J. B. Klemp, J. Dudhia, D. O. Gill, Atmosphere, Vol. 24, No. 4. (2014)
554 21 세기한반도기후변화전망 : WRF 를이용한 RCP 4.5 와 8.5 시나리오기온과강수 D. M. Barker, M. G. Duda, X.-Y. Huang, W. Wang, and J. G. Powers, 2008: A description of the advanced research WRF version 3. NCAR Technical Note, NCAR/TN-475+STR, 125 pp. DOI:10.5065/D68S4MVH. Sung, J.-H., H.-S. Kang, S. Park, C.-H. Cho, D.-H. Bae, and Y.-O. Kim, 2012: Projection of extreme precipitation at the end of 21st century over South Korea based on Representative Concentration Pathways (RCP). J. Korean Meteor. Soc., Atmos., 22, 221-231 (in Korean with English abstract). 한국기상학회대기제 24 권 4 호 (2014)