에너지 및 물 수지 관점에서 기후변화에 따른 전지구 수문순환 변화 이해

Abstract

In this thesis, the future changes in the global hydrological cycle are investigated by using the idealized model experiments and the multi-model simulations from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). In particular, we focus on the idealized CO2 removal scenario under symmetric CO2 ramp-up and ramp-down emission pathways. This experimental setup is to explore how the Earth’s climate system responds to positive and negative CO2 emissions, and it has important implications for atmospheric emission reductions and carbon capture. In this context, the objective of this thesis is to quantify how the global hydrological cycle respond to climate change from an energy and water budget point of view. This thesis consists of three parts. In the first part, we disentangle the differences in the land/ocean hydrological cycle response to CO2 forcing. Under an idealized CO2 removal scenario, the precipitation changes are nearly symmetrical over land but asymmetric over the ocean. Such contrasting response is associated with the differences in the partitioning of the surface net radiation into sensible and latent heat flux. Over land, the surface available energy for precipitation is constrained by the symmetric change in surface energy budget terms, and it is largely consumed by the sensible heat loss. On the other hand, the surface available energy for precipitation over the ocean is constrained by the asymmetric change in surface energy budget terms, and it is largely consumed by the latent heat loss. Particularly, the Earth’s energy imbalance, which is mostly uptake by the ocean, is responsible for the asymmetric response in the ocean precipitation to a changing CO2 pathway. In the second part, we investigate the factors controlling the precipitation response in Earth system models. The response of the global hydrological cycle to positive and negative CO2 emissions are not identical in magnitude, and it refers to hysteresis. In particular, the degree of precipitation hysteresis in response to a changing CO2 pathway varies significantly among multiple Earth system models. Given that the global precipitation response is balanced by the Earth’s energy budget inherent in the representation of climate sensitivity, we hypothesize that climate sensitivity controls the degree of global precipitation hysteresis. To examine this, the idealized CO2 removal experiment is performed to quantify the forcing and feedback components in Earth’s energy budget and its constraints on precipitation response. The surface available energy for precipitation is enhanced more during a negative CO2 emission period than that during a positive CO2 emission period when the two periods of the same CO2 concentration are compared. This feature is more distinct in models with a high climate sensitivity owing to their representation of climate feedback response. Further, we employ a simple zero-dimensional energy budget model, and it strongly supports the climate sensitivity dependence of the hysteresis behavior in the global precipitation. In the third part, we delineate the regional hydrological response to CO2 forcing. The summer rainfall in East Asia strengthens in response to positive CO2 emission period, while this increase reverses slowly following a negative CO2 emission period. This asymmetric response is originated from the previously accumulated heat in the ocean interior due to large thermal inertia, leading to an enhanced El Niño-like warming pattern during a ramp-down period. These warming patterns enhance the atmospheric teleconnections and the local meridional circulations around East Asia, resulting in more rainfall over East Asia during a ramp-down period compared to that during a ramp-up period. Moreover, this result is largely supported by the multiple Earth system models that participated in the CMIP6 Carbon Dioxide Removal Model Intercomparison Project (CDRMIP), indicating the robustness of the result. Further, it suggests that the removal of CO2 from the atmosphere does not guarantee the return of regional rainfall to the previous climate state with the same atmospheric CO2 concentration. Overall, this thesis provides a comprehensive understanding of the regional to global hydrological cycle response to CO2 forcing and suggests a new perspective on hysteresis behavior in the global precipitation, which is largely controlled by the climate sensitivity inherent in Earth system models. These results have implications for improving our understanding of global hydrological cycle response to positive and negative CO2 emissions to achieve reliable prediction and projection of future water cycle changes. This would offer guidance on preparing for potential climate futures under global warming mitigation scenarios such as net-zero or greenhouse gas removal scenarios.|지속적인 인위적 온실가스 배출로 인한 급격한 지구 온난화가 기후 시스템을 되돌릴 수 없는 상태로 변화하도록 위협하고 있다. 이에 따라 강한 온실가스 감축 정책이 제시되고 있으나 온실가스 순배출량을 0으로 맞추더라도 지구 온도는 산업혁명 대비 1.5도 이상 증가할 것으로 전망되고 있다. 이런 상황을 비추어 볼 때, 대기 중 이산화탄소 증가와 감소에 따른 전지구 수문학적 반응을 이해하는 것은 기후변화 적응과 완화정책을 수립하는데 있어서 중요한 과학적 지표를 제시할 수 있다. 이에 본 학위 논문에서는 이상화된 모형 실험 자료와 Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) 지구 시스템 모델 자료를 사용하여 이산화탄소 강제력에 따른 전지구 수문순환 반응을 조사하였다. 2장에서는 대기 중 이산화탄소 농도 증가와 감소에 따른 육지와 해양 지역의 대조적인 수문 순환 변화 특성을 에너지 및 물 수지 관점에서 조사하였다. 대칭적인 이산화탄소 증감에 따라 육지 지역 강수 반응은 대칭적이나 해양 지역은 비대칭적 변화를 보였다. 또한 대기 중 이산화탄소 농도가 현재 기후 수준으로 돌아온 후에도 해양 지역 강수는 비가역적 반응 특성이 나타났는데 이는 이산화탄소 증가 및 감소 기간동안 해양 지역에 쌓여왔던 열의 방출과 관련이 있음을 보였다. 이와 같은 결과는 기후변화에 따른 수문 순환 반응은 지표 에너지 수지 균형 관점에서 이해될 수 있으며 육지와 해양 지역의 대조적인 강수 반응을 고려한 기후변화 완화 정책 수립의 필요성을 시사한다. 3장에서는 CMIP6 기후 모델들에서 모의하는 대기 중 이산화탄소 농도 증가와 감소에 따른 강수 반응의 불확실성에 대한 원인에 대해 조사하였다. 대기 중 이산화탄소 농도 증감에 따라 기후 시스템의 구성요소들은 지연 및 비대칭 반응 특성을 보이고 있으며, 이는 Hysteresis 반응으로 특징지어진다. 특히 CMIP6 기후 모델들에서 전 지구 강수의 Hysteresis 반응 크기는 다양하게 모의되고 있었으며 이는 미래 수문순환 변화 전망에 대한 불확실성을 암시한다. 이를 각 기후 모델에서 모의하는 기후 민감도에 따라 나누어 살펴보았을 때 기후 민감도가 큰 모델일수록 전 지구 강수 Hysteresis 반응 크기를 크게 모의함을 확인하였다. 이런 모델 별 반응 차이는 지표 에너지 수지 분석을 통해 지표 순 장파 복사 에너지와 대기 최상층 에너지 불균형 값의 비대칭 반응에 기인한 것임을 확인하였으며, 추가적인 모형 실험 수행을 통해 에너지 수지 비대칭 반응에 있어서 피드백 성분이 주요한 역할을 하는 것을 보였다. 이와 같은 결과는 이산화탄소 감축 시나리오 하에서 최신 기후 모델들이 모의하는 Hysteresis 반응의 불확실성을 이해하는데 있어서 기후 민감도가 주요한 지표가 될 수 있음을 시사한다. 4장에서는 대기 중 이산화탄소 농도 증가와 감소에 따른 동아시아 지역 강수 변화 특성을 살펴보았다. 대기 중 이산화탄소 농도가 증가함에 따라 여름철 동아시아 지역 강수량은 증가하였고 이후 이산화탄소 농도가 감소함에도 지속적으로 증가하는 경향을 보이다가 느리게 감소하였다. 즉, 동일한 이산화탄소 농도 시기라도 이산화탄소 증가 기간보다 감소 기간의 여름철 동아시아 강수가 더 크게 나타나는 비대칭 반응을 보였다. 이러한 비대칭 반응 특성은 이산화탄소 농도가 증가하는 기간동안 해양에 축적된 열에 기인한 열대 태평양 해수면 온도의 반응과 밀접한 관련이 있었다. 특히 열대 태평양 지역에서 엘니뇨와 같은 온난화 패턴의 비대칭 반응을 보였으며 이에 수반되는 대규모 대기 순환 변화로 인해 여름철 동아시아 강수 비대칭 반응이 나타남을 보였다. 이와 같은 결과는 이산화탄소 저감에 따라 계절 및 지역적으로 살펴보았을 때 육지 지역 강수의 비대칭적인 반응이 나타남을 보여주며, 이산화탄소 증가 기간 동안 경험하지 못한 동아시아 강수 반응을 초래할 수 있음을 시사한다.