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[IBS 통신]2020년 한반도 장마, 지구온난화가 원인?

글 : IBS 기후물리연구단 외 10명
동아시아 여름 몬순의 일부인 한반도 장마는 올해 강력했고 1973년 이래 가장 길었다. 기록적인 폭우는 전국적인 산사태, 홍수, 인명 피해로 이어져 큰 피해를 낳았다. 이번 장마가 이례적으로 강했던 것이 지구온난화 때문일까? (IBS 바로가기)

◆ 간단하게 답하자면 '아니다.'

지난 100년 동안 지구 평균 온도는 약 1oC올랐고, 전 지구 해수면은 약 20cm 상승했으며, 많은 지역에서 여름철 폭염이 더 빈번하게 발생하고 있다. 화석연료 사용을 포함하는 인간 활동이 이러한 기후 변화의 주요 원인이다. 그런데 지구가 평균적으로 온난화 된다고 해서, 모든 지역의 극한 강수 현상이 지구온난화 때문에 발생하는 것은 아니다.

한반도 강수량의 장기 변화에 영향을 미칠 수 있는 주요 원인으로 다음의 세 가지를 꼽을 수 있다. 첫째, 자연적인 강수 변동성이다. 이는 인간 활동이나 외부 요인 없이도 발생할 수 있다. 둘째, 지구온난화이다. 지구 평균 기온이 1oC 상승할 때 마다 장마 강수량은 약 2~4% 정도 증가할 수 있다. 마지막으로 인간 활동에 따른 에어로졸 배출이다. 에어로졸 증가는 장마 강수량을 감소시키는 경향이 있다. 기후 모델 실험에 따르면 언급한 두 가지 인위적 요인(온실가스와 에어로졸)은 지난 100년 동안 한반도 관측 강수량 변화에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 분석된다.

◆ 장마란?

장마는 여름철에 열대 수증기와 강수대가 확장돼 나타나는 계절현상이다. 6월에 아시아 대륙이 가열되면서 지표면에 저기압이 발달하며 장마가 시작된다. 해양 위로는 고기압이 형성되고, 해수면 위의 수증기를 많이 포함한 공기가 대륙의 저기압 중심부로 이동한다. 그런데 공기는 저기압을 향해 직선으로 움직이는 대신 기압 경도력의 오른쪽 방향으로 향하게 된다. 이는 전향력(Coriolis force)이라고 불리는 회전하는 물체에 발생하는 관성력 때문이다. 열대 습윤 공기는 북서태평양 아열대 고기압의 가장자리를 따라 시계 방향으로 회전하며 한반도로 유입된다. 한편, 북쪽에서 유입되는 건조한 공기는 습윤 공기의 이동을 막는 일종의 '보이지 않는 벽' 역할을 하고, 그 결과 대기 중 다량의 수증기는 비로 내리게 된다. 이것이 일반적으로 장마 강수대를 형성하고 비가 내리는 과정을 만든다(그림 1).

지구로 입사되는 태양 복사 에너지가 6월부터 8월까지 점차 증가하게 됨에 따라 아시아 대륙은 가열되고, 강수대는 점차 북쪽으로 이동하게 된다. 강수대는 일반적으로 6월 중순 경 중국 남동부와 일본에 많은 비를 뿌리고, 6월 말경 우리나라로 올라와 비를 뿌리며, 그 후 북한으로 북상하게 된다. 하지만 일별 위성 사진을 보면 실제로는 그 과정이 더 복잡하다는 것을 알 수 있다. 좀 더 짧은 시간 내에 서쪽에서 동쪽으로 이동하는 불규칙한 날씨 흐름이 점진적으로 북쪽으로 이동하는 강수대를 교란하기도 한다. 즉 대기 상층 제트류(강한 서풍)에 의한 대기 불안정으로 중국 대륙에서 작은 저기압(폭풍)이 형성되고 서해상에서 강화된다. 저기압은 약 5~7일의 상대적으로 짧은 주기를 가지고 상층 제트류를 따라 동쪽으로 이동하면서 저위도에 있는 수증기를 한반도 쪽으로 더 많이 유입시킬 수 있다(그림1). 이와 같은 과정으로 한반도에 집중 호우 발생과 맑은 날씨가 반복될 수 있다. 지난 두 달 동안 한반도에서 발생한 대부분의 극한 강수 현상은 이와 같은 작은 규모의 날씨 변동성이 대규모의 동아시아 몬순 강수대와 상호작용하며 발생했다.

(왼쪽) 일반적인 장마의 평균적인 대기 상태: 여름철 아시아 대륙에 저기압, 북서태평양에 아열대 고기압이 형성돼 고기압 가장자리를 따라 열대의 따뜻하고 습윤한 공기가 한반도 쪽으로 유입된다. 이 공기는 북쪽 오호츠크해 지역에 형성된 고기압을 따라 유입되는 차고 건조한 공기와 만나 한반도와 일본에서 강우 전선을 형성한다. 대기 상층 제트류는 대기 불안정을 유발해 작은 규모의 대기 요란이 생기고 습한 적도 공기를 한반도로 유도해 국지적 강수를 강화한다. (오른쪽) 2020년 장마철: 시베리아 동쪽에 발달한 고기압에 의해 한반도 쪽으로 건조한 공기가 유입되고, 북서태평양 아열대 고기압의 강화로 더 많은 수증기가 유입됐다. 한반도 주변을 통과하는 상층 제트류가 평년에 비해 강화돼 더 많은 작은 규모의 요란이 발생했다. 이 요인들이 종합적으로 작용해 한반도에 수증기가 더 많이 공급됐다. <사진=IBS 제공>(왼쪽) 일반적인 장마의 평균적인 대기 상태: 여름철 아시아 대륙에 저기압, 북서태평양에 아열대 고기압이 형성돼 고기압 가장자리를 따라 열대의 따뜻하고 습윤한 공기가 한반도 쪽으로 유입된다. 이 공기는 북쪽 오호츠크해 지역에 형성된 고기압을 따라 유입되는 차고 건조한 공기와 만나 한반도와 일본에서 강우 전선을 형성한다. 대기 상층 제트류는 대기 불안정을 유발해 작은 규모의 대기 요란이 생기고 습한 적도 공기를 한반도로 유도해 국지적 강수를 강화한다. (오른쪽) 2020년 장마철: 시베리아 동쪽에 발달한 고기압에 의해 한반도 쪽으로 건조한 공기가 유입되고, 북서태평양 아열대 고기압의 강화로 더 많은 수증기가 유입됐다. 한반도 주변을 통과하는 상층 제트류가 평년에 비해 강화돼 더 많은 작은 규모의 요란이 발생했다. 이 요인들이 종합적으로 작용해 한반도에 수증기가 더 많이 공급됐다. <사진=IBS 제공>

◆ 장마가 매년 다르게 나타나는 이유는 무엇일까?

요약: 대기의 내부 변동성에 의해 장마는 외부 요인 없이도 매년 다르게 나타날 수 있다.

지난 수십년 간의 관측 자료를 보면 주요 강수 밴드의 위치, 강도, 지속 기간, 그리고 지역적 극한 강수에 영향을 줄 수 있는 작은 규모 날씨 현상의 발생 빈도가 해마다 다르게 나타난다(그림 2). 강수량이 매우 적은 해(즉, 2014-2019년, 1992년, 1994년)가 있는 반면 매우 많은 해(즉, 2020년, 2011년, 2006년, 1998년)도 있다. 왜 이렇게 매년 다를까? 먼저 알아야 할 사실은 대기 내부의 불규칙한 운동(chaotic motion)만으로도 매년 큰 변동성이 나타날 수 있다는 것이다. 지구온난화 혹은 해수면 온도 변동과 같은 외부 요인이 없다고 해도 장마가 매우 강화되거나 약화될 수 있다.

우리나라 52개 지점 관측 평균값을 이용한 6월1일부터 8월 15일 기간 평균 강수량(mm/day) 그래프(1973~2020년). 기후 평균(1973년-2020년 기간 평균) 대비 편차를 나타냈다. <사진=IBS 제공(https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do 발췌)>우리나라 52개 지점 관측 평균값을 이용한 6월1일부터 8월 15일 기간 평균 강수량(mm/day) 그래프(1973~2020년). 기후 평균(1973년-2020년 기간 평균) 대비 편차를 나타냈다. <사진=IBS 제공(https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do 발췌)>

변덕스럽고 예측하기 힘든 대기 내부 변동성 뿐만 아니라 외부 요인들도 강수 현상의 발생 빈도나 지속 기간에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어 태평양이나 인도양 지역 해수면 온도 상태나 봄철 티베트 고원 적설 면적이 평년과 다르게 바뀌면 대기 정체파(연못에 돌을 던지면 발생하는 잔물결과 유사)가 발생될 수 있다. 고기압과 저기압이 번갈아 나타나는 대규모 파동은 지역 몬순 시스템과 상호작용하면서 바람의 방향을 바꾸고, 작은 날씨 요란들의 경로를 바꾸거나 강도를 변화시킨다. 이와 같은 과정들은 한반도로 유입되는 수증기 양과 강수량에 영향을 줄 수 있다.

마지막으로 지구온난화는 두 가지 방식으로 장마에 영향을 미칠 수 있다. 첫째, 대기 온도가 올라가면 대기 중 수증기량이 더 증가하게 되고 더 많은 양의 비가 내릴 수 있다. 둘째, 인위적 지표면 온도 상승은 대기 정체파를 변화시킬 수 있으며 그에 따라 한반도에 영향을 줄 수 있는 여름철 대기 순환이 바뀔 수 있다. 지금까지 살펴본 요인들 중에 2020년 이례적 장마에 가장 크게 영향을 요인에 대해서는 뒤에서 추가로 살펴보도록 하겠다.

◆ 올해 장마, 얼마나 이례적이었나?

요약: 2020년 장마철 강수량(6월 1일 – 8월 15일 평균)은 1973년 이래로 세 번째로 많았으며, 장마 기간은 가장 길었다. 특히 7월 말부터 8월 중순까지 지속된 비가 장마 기간 평균 강수량에 크게 기여했다.

지난 48년 동안 한반도 전역 52개 지점 관측 자료에 따르면, 2020년 장마는 총 강수량(6월 1일 부터 8월 15일 평균) 뿐만 아니라 장마 기간의 측면에서도 매우 이례적이었다. 양적 측면에서는 2011년(첫 번째)과 1998년(두 번째)에 이어 세 번째로 강수량이 많은 해였다(그림 2). 특히 7월 말에서 8월 중순까지는 평년 강수량의 두 배가 넘는 비가 지속적으로 내렸으며, 그 기간만 고려하면 1973년 이래로 비가 가장 많이 내렸다. 하지만 52개 지점 평균 일 최대 강수량의 측면에서 볼때 2020년은 전례 없는 해는 아니었다(그림 3). 즉 이는 올해 장마가 강수 기간과 지속성 측면에서 이례적이었다는 것을 나타낸다.

2020년 5월 1일부터 8월 15일까지 52개 지점 평균 일 강수량 시계열(적색 막대) 및 5월 1일부터 9월 30일까지 기후 평균(1973-2019) 일 강수량 시계열(흑색 선). 청색 음영은 각 일자 별 1973년부터 2019년 중 일 최대 강수량 값을 나타낸 것이다. 각 52개 지점 일 최대 강수량 값을 먼저 구한 후 지점 평균을 구했다. <사진=IBS 제공(https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do 발췌)>2020년 5월 1일부터 8월 15일까지 52개 지점 평균 일 강수량 시계열(적색 막대) 및 5월 1일부터 9월 30일까지 기후 평균(1973-2019) 일 강수량 시계열(흑색 선). 청색 음영은 각 일자 별 1973년부터 2019년 중 일 최대 강수량 값을 나타낸 것이다. 각 52개 지점 일 최대 강수량 값을 먼저 구한 후 지점 평균을 구했다. <사진=IBS 제공(https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do 발췌)>

◆ 한반도 관측 강수량에서 장기 변화 추세가 나타나고 있을까?

요약: 1973년~2020년 기간 한반도 여름철 평균 강수량과 극한 강수값에서 뚜렷한 장기 변화 추세는 나타나지 않는다.

1973년부터 2020년까지 6월 1일~8월 15일 평균 강수량 뿐만 아니라 극한 강수(일 최대 혹은 시간 최대 강수)값에서 통계적으로 유의한 증가 경향은 나타나지 않는다(그림 2). 다수의 선행 연구들이 지표 기온 상승과는 달리 많은 지역의 강수량에서 지구 온난화 영향이 아직 탐지되지 않는다고 분석하고 있다. 이는 바람과 강수량이 지구온난화에 반응하는 정도에 비해 대기의 자연적 변동성에 의해 더 크게 변동하기 때문이다.

◆ 어떤 요인들이 2020년 장마에 영향을 주었을까?

요약: 대기 상층 제트류의 강화로 작은 규모 저기압 요란들이 많이 발생했으며, 저기압이 한반도를 통과해 갈 때 수증기가 한반도로 많이 유입되며 강력한 호우가 발생했다. 지구를 순환하는 대규모 대기 파동이 한반도에 장기간 비가 내릴 수 있는 환경을 제공했다.

대기 관측 자료에 따르면 올해 장마 기간 동안 한반도 기후는 일본 남쪽과 시베리아 동쪽에 위치한 두 고기압의 영향을 지속적으로 받았다(그림 1). 남쪽에 위치한 북서태평양 아열대 고기압이 한반도에 지속적으로 수증기를 공급한 반면, 시베리아 동쪽 고기압에 의한 건조한 북동풍은 한반도에 수증기를 가두고 비가 지속적으로 내릴 수 있게 도왔다. 더불어 6월~8월까지 상층 제트류가 크게 강화됐으며, 특히 7월에는 한반도 상공에 기압골이 발달했다(그림 4). 이 같은 대기 조건에 의해 작은 규모의 저기압이 발달할 수 있는 가능성이 평년보다 두 배 이상 증가했다. 이런 상황은 특히 6월 말에서 7월초에 강하게 나타났으며, 이 시기에 우리나라에 많은 비가 내렸다. 올해 장마는 매우 역동적이었다. 계절에 따라 동서 방향으로 길게 형성돼 남북으로 천천히 이동하는 강수대, 빠른 속도로 동쪽으로 이동하는 저기압들, 그리고 태풍까지도 복합적으로 영향을 미치며 매우 이례적인 날씨 조건이 만들어졌다.

장마가 약했던 2019년(왼쪽)과 장마가 강했던 2020년(오른쪽) 6월(위쪽)과 7월(아랫쪽) 상층 대기 바람장 비교. 2020년에는 여름철 상층 제트류(300-hPa 상층 서풍)가 크게 강화됐고, 이에 따라 대기 불안정성이 커져 동쪽으로 빠르게 이동하는 저기압들이 많이 발생했다. 저기압이 한반도를 통과할 때, 저기압에 따른 남서풍에 의해 열대 습윤 공기가 한반도로 크게 유입될 수 있다. <사진=IBS 제공(NCEP/NCAR 재분석 자료 발췌)>장마가 약했던 2019년(왼쪽)과 장마가 강했던 2020년(오른쪽) 6월(위쪽)과 7월(아랫쪽) 상층 대기 바람장 비교. 2020년에는 여름철 상층 제트류(300-hPa 상층 서풍)가 크게 강화됐고, 이에 따라 대기 불안정성이 커져 동쪽으로 빠르게 이동하는 저기압들이 많이 발생했다. 저기압이 한반도를 통과할 때, 저기압에 따른 남서풍에 의해 열대 습윤 공기가 한반도로 크게 유입될 수 있다. <사진=IBS 제공(NCEP/NCAR 재분석 자료 발췌)>

북반구 전체로 확대해 보면, 올해 6월과 7월에는 북반구 중위도 전체에 파수 5의 대기 파동 패턴(저기압과 고기압이 5번 정도 반복)이 나타났다. 당시 한반도 주변 기압계 배치는 북반구 중위도 대기 파동 패턴의 일환이었으며, 지구순환 원격상관 패턴(circumglobal teleconnection pattern)과 유사성을 보였다. 지구순환 원격상관 패턴은 일반적으로 기후 시스템 내부 과정에 의해서 형성된다. 특히 대기 파동과 평균 대기 흐름 사이의 상호작용에 의해서 만들어 지거나, 해수면 온도 상태 변화에 따른 열대 지역 대류 활동 변화에 의해서 만들어 질 수 있다.

◆ 북극 온난화는 2020년 장마에 영향을 주었을까?

요약: 북극 온난화가 한반도 여름철 강수량 변동성에 미치는 영향은 대기 내부 불안정성과 같은 과정들에 비해 매우 약하다.

지난 몇 주 동안 여러 매체에서 북극의 이상 고온이 대기 순환 패턴을 변화시켜 올해 극한 장마 강수에 영향을 주었다고 분석한 견해를 실었다. 그것이 맞다면 이는 지구온난화가 올해 강한 장마 강수에 영향을 주었다는 근거가 될 수 있다. 하지만 북극 이상 고온과 장마 강수량 사이 상관관계에 대한 통계적 혹은 물리적 근거는 매우 약하다. 예컨대 북극은 2012년, 2015년, 2019년 여름에도 이상 고온을 기록했지만 그 해 장마 기간에는 모두 평년보다 적은 비가 내렸다. 또한 북극 지역은 수 십년 동안 온도가 꾸준히 증가하고 있으며 , 특히1980년 이후 약 2도 정도 상승하였다. 하지만 장마 강수량은 1973년 이래로 장기적인 증가나 감소 경향성을 나타내지 않는다(그림 2).

지난 48년(1973-2020년) 간 여름철 평균 북극 기온과 한반도 강수량 사이의 상관계수는 0.1에 불과하다. 이는 북극 기온이 한반도 강수량 변동성의 주요 요인이 아니라는 것을 나타낸다. 주지할 것은 지난 수십년 동안 지속되는 온난화 경향성(즉 북극 온난화와 해빙 감소)이 지역적으로 발생하는 단일 극한 현상 (즉 2020년 장마)과 긴밀하게 연결되어 있다는 것을 증명하는 것은 매우 어렵다는 것이다.

◆ 지구온난화는 미래 한반도 강수량에 얼마나 영향을 줄 수 있을까?

요약: 기후 모델 실험에 따르면 지난 100년간 한반도 여름철 강수량은 인위적 온실가스 배출에 의한 강수량 증가 효과와 에어로졸 배출에 의한 감소 효과의 결합으로 약 1~3% 정도 감소한 것으로 분석된다. 하지만 앞으로 80년 동안은 온실가스 증가 효과가 에어로졸 효과를 크게 넘어설 것으로 보인다. 만약 온실가스 배출을 크게 줄이지 않는다면, 2100년에 이르러 산업화 이전 대비 지구 온도는 3~4.5oC 증가하고 한반도 여름철 강수량은 10~15% 정도 증가할 것으로 전망된다.

지구온난화는 실재한다. 인간 활동에 의해서 지구 온도는 산업화 이후 약 1oC도 정도 상승했다. 대기의 온도가 상승하면 열역학적 클라우지우스-클라페이롱(Clausius-Clapeyron) 관계에 따라 대기가 함유할 수 있는 수증기의 양이 증가한다. 만약 대기 조건이 변화하지 않으면, 대기 중 수증기 양의 증가로 더 많은 비가 내리게 된다 . 하지만 지구온난화는 대규모 대기 순환에도 영향을 미친다. 기후 모델 실험 결과에 의하면 지구온난화에 따른 대기 순환 변화로 인해 현재 건조한 지역(즉, 아열대)에서 극심한 가뭄이 더 자주 발생할 것으로 보인다. 또한 아열대 지역이 확장될 것으로 전망된다. 지구온난화의 열역학적 효과(대기 수증기 증가)에 더해, 아열대의 북쪽 가장자리에 위치하고 있는 한반도는 지구온난화에 따른 대기 순환 변화의 영향도 받게 된다.

IBS(기초과학연구원) 기후물리 연구단에서는 기후 모델을 이용해 미래 한반도 강수량이 지구온난화에 따라 얼마나 변화할지 분석하는 연구를 진행했다. 기후 모델은 대기, 해양, 지면, 빙권, 복사에 대한 기본 물리 방정식을 풀 수 있는 약 백만 줄의 컴퓨터 코드로 구성돼 있는데, 기후물리연구단에서는 국내 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 중 하나인 알레프(Aleph)를 이용해 온난화 실험을 수행했다. 실험 결과에 의하면, 미래 지구 지표 기온이 1oC 상승할 때 한국의 6월~8월 평균 강수량은 약 2~4% 정도 증가할 것으로 전망된다. 만약 우리가 지금부터 온실가스 배출을 크게 줄이지 않는다면, 2100년에 이르러 한반도 여름철 강수량은 약 10~15% 정도 증가될 것으로 보인다(그림 5). 미래 전망과는 달리 온실가스와 에어로졸 관측 자료를 이용한 과거 기후 모의 실험에서는 매우 다른 결과가 나왔다. 온실가스와 에어로졸의 상충된 효과에 의해서 한반도 여름철 평균 강수는 1900년에서 2000년 사이 약 1~3% 정도 감소된 것으로 분석됐다. 하지만 한반도 강수량이 자연적 변동성에 의해 매년 큰 폭으로 변하는 것을 감안하면(그림 5), 지난 100년간 한반도 여름철 강수량에서 인간 활동의 영향으로 인한 장기 변화는 탐지되지 않는다.

인간 활동(온실가스와 에어로졸 배출)에 따른 한반도 여름철 강수량 변화. 각 점들은 대기 내부 변동성에 의해 강수량이 매년 변동하는 폭을 보여준다(단위: 기후 값에 대한 퍼센트 변화). 적색선은 기후물리연구단에서 온난화실험으로 계산한 인간활동에 의한 한반도 강수량 변화를 나타내며, 청색선은 39개 국제 기후연구소 모델의 평균으로 얻은 강수량 변화이다. 2100년에 이르면 약 3~4.5oC 지구온난화에 의해 한반도 여름철 강수량은 평균적으로 산업화 이전 대비 약 15% 정도 증가할 것으로 전망된다. <사진=IBS 제공(기후물리연구단 지구온난화 실험 결과와 제 5차 결합 기후 모델 국제 상호 비교 프로젝트 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)에 참여한 39개 모델의 지구온난화 실험 결과 발췌)>인간 활동(온실가스와 에어로졸 배출)에 따른 한반도 여름철 강수량 변화. 각 점들은 대기 내부 변동성에 의해 강수량이 매년 변동하는 폭을 보여준다(단위: 기후 값에 대한 퍼센트 변화). 적색선은 기후물리연구단에서 온난화실험으로 계산한 인간활동에 의한 한반도 강수량 변화를 나타내며, 청색선은 39개 국제 기후연구소 모델의 평균으로 얻은 강수량 변화이다. 2100년에 이르면 약 3~4.5oC 지구온난화에 의해 한반도 여름철 강수량은 평균적으로 산업화 이전 대비 약 15% 정도 증가할 것으로 전망된다. <사진=IBS 제공(기후물리연구단 지구온난화 실험 결과와 제 5차 결합 기후 모델 국제 상호 비교 프로젝트 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)에 참여한 39개 모델의 지구온난화 실험 결과 발췌)>

한국의 2020년 극심한 여름 강우량은 지구 온난화의 탓인가? <영상=IBS 제공>
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