Understanding the impact of East Asian carbon dioxide concentrations on vegetation activity and surface temperature response in Earth System Models

Abstract

본 논문에서는 이산화탄소 농도 상승이 식생의 성장에 미치는 영향과 그에 따른 기후 조건의 변화를 이해하는 것을 목표로 합니다. 산업화 시대 이후 인간의 활동은 대기 중 이산화탄소 농도를 크게 증가시켜 지구 온난화와 기후 변화를 일으켰습니다. 육상 식물은 인간 활동에 의해 배출된 이산화탄소를 흡수하여 지구시스템의 탄소 순환을 조절하는 중요한 역할을 하고 있습니다. 따라서, 인위적인 탄소 분포를 정확하게 이해하기 위해서는 탄소 순환에 대한 연구가 필요합니다. 탄소와 식생 및 기후 요인을 연결하는 메커니즘은 복잡하고 많은 피드백 과정이 포함되어 있습니다. 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하면 식생이 증가한다는 선행 연구가 있지만, 동아시아에서 식생과 이산화탄소 농도의 상관관계와 그로 인한 지표면 온도 특성 변화에 대한 연구는 많지 않습니다. 동아시아 지역에 초점을 맞춰 본 연구에서는 CMIP6의 지구시스템모델(ESM)을 활용하여 이산화탄소 농도 증가가 식생과 지표면 환경에 미치는 영향을 파악하고, 더 나아가 기후 조건의 변화가 식생에 미치는 영향에 대한 분석을 진행하였습니다. 1장에서는 지구시스템모델에서 모의하고 있는 동아시아 지역의 다양한 이산화탄소 농도에 대한 지표면 환경에 대한 반응을 분석하였습니다. 따라서, 이산화탄소 농도를 높게 모의하는 모델들의 그룹과 낮게 모의하는 모델들의 그룹으로 나눠 분석을 진행하였습니다. 이산화탄소 농도가 높은 그룹일수록 특히 여름철 식생 성장이 증가하는 것으로 나타났습니다. 총일차생산량은 이산화탄소 농도 상승과 양의 상관관계를 보여주며 이산화탄소 비료 효과의 강도가 다르게 작용하였음을 보여주었습니다. 봄철 이산화탄소 농도가 식생의 생장시기에 식생에 영향을 미치며, 생장시기의 순일차생산량과 순생태게생산량이 8-10월 기간 이산화탄소 농도에 영향을 미칩니다. 이는 식생의 성장시기 동안에 흡수할 수 있는 대기 중 이산화탄소 양이 다르기 때문입니다. 성장기(5월~10월) 동안 CO2 농도가 높은 그룹과 낮은 그룹 간의 지표면 온도 차이는 감소했는데, 식생이 CO2에 생리학적으로 반응하고 식생의 성장이 지표면의 알베도를 변화시켰기 때문입니다. 식생의 활동이 더 큰 그룹일수록 알베도가 높게 나타나 들어오는 단파 복사량을 줄였고, 추가적으로 증산량 증가가 생장기간의 지표면 온도 감소에 기여했습니다. 이로 인해 생장 기간 동안의 두 그룹 간의 온도차이는 줄어들었다는 것을 확인하였습니다. 2장에서는 이산화탄소 농도 상승이 미치는 기후값 변화에 초점을 맞춘 연구입니다. 이산화탄소 농도로 인해 변화된 수문순환과 온난화 현상이 식생에 미치는 영향을 고려하여 이 기간을 미래 기간까지 확장하여 분석을 진행하였습니다. 2장에서는 지구 시스템 모델을 고농도 CO2 그룹과 낮은 CO2 그룹으로 나누어 분석했습니다. 이 연구에서 사용된 잎 면적 지수(LAI)는 과거와 미래 시나리오 간에 유사한 양상을 보였습니다. 특히 중국 남부 지역에서는 예상과 달리 CO2 농도가 낮은 그룹에서 더 높은 LAI를 나타냈습니다. 이러한 결과는 고농도 CO2 시뮬레이션 그룹에서 나타난 강한 북풍으로 인한 지역의 강수량 감소와 관련이 있습니다. 건조한 바람은 수증기 공급을 감소시켜 강수량과 지표면 온도에 영향을 미치고, 결과적으로 식물의 성장을 방해했습니다. 본 결과들은 CO2 농도의 변화가 지구 시스템에 미치는 다양한 영향을 이해하는 데 도움이 될 것으로 보입니다. 특히 지역적인 차이와 기후 요인이 향후 지구 생태계에 미치는 영향을 고려하는 것이 중요하다는 것을 시사하며 미래에 변화될 기후 조건, 탄소, 식생 간의 피드백 과정에 대한 균형 잡힌 연구가 수행되어야 한다는 것을 보여줍니다.|This thesis aims to understand the effects of rising carbon dioxide concentrations on vegetation growth and the resulting changes in climate conditions. Since the industrialization era, human activities have significantly increased the concentration of carbon dioxide in the atmosphere, causing global warming and climate change. Terrestrial plants have been absorbing CO2 emitted by human activities and play an important role in regulating the global carbon cycle. Therefore, research on the carbon cycle is necessary to accurately understand the distribution of anthropogenic carbon. The mechanisms linking carbon to vegetation and climate factors are complex and involve many feedback processes. Many previous studies have reported that vegetation increases with increasing atmospheric CO2 concentration, but there are not many studies on the vegetation-CO2 concentration correlation and the resulting changes in the characteristics of ground temperature in East Asia. In this study, which focuses on East Asia, we used the Earth System Model (ESM) of CMIP6 to determine the effects of increasing CO2 concentration on vegetation and ground conditions, and further analyze the effects of changed climate conditions on vegetation. The first part of the study examined the CMIP6 Earth System Model's response to varying CO2 concentrations in East Asia. Higher CO2 levels were associated with increased vegetation growth, particularly in the summer. Gross primary productivity (GPP) showed a positive correlation with rising CO2 concentrations, indicating a potential CO2 fertilizer effect. We show that spring CO2 concentrations affect vegetation growth in East Asia during the growing season, and that net primary production (NPP) and net ecosystem production (NEP) during the growing season can affect CO2 concentrations during the ASO(August-October) period. During the growing season (May-October), differences in surface temperature between high and low CO2 models diminished, attributed to vegetation's physiological response to CO2 and changes in albedo. Reduced shortwave radiation and increased transpiration contributed to temperature reduction. In the second part, the analysis extended to future projections considering the impact of elevated CO2 concentrations on global warming and the hydrological cycle. Climate change effects on vegetation were explored, with CO2 influencing air temperature, water stress, and photosynthesis. The study divided the Earth System Model into high and low CO2 concentration groups. Leaf Area Index (LAI) exhibited similar behavior between historical and future scenarios. Notably, southern China showed a higher LAI in the lower CO2 concentration group, contrary to expectations. This discrepancy was linked to decreased precipitation in the region, attributed to stronger northerly winds in the High-CO2 simulation group. The drier winds resulted in less water vapor supply, impacting precipitation, surface temperatures, and hindering vegetation growth.