지구온난화가 강력한 태풍을 50% 증가시킨다-기초과학연구원(IBS), 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph)로 이산화탄소 증가에 따른 열대저기압 변화 분석

지구온난화가 강력한 태풍을 50% 증가시킨다-기초과학연구원(IBS), 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph)로 이산화탄소 증가에 따른 열대저기압 변화 분석

 

작성일 2020-12-17 부서 기초연구진흥과 2020-12-17

 

지구온난화가 강력한 태풍을 50% 증가시킨다
- 기초과학연구원(IBS), 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph)로 이산화탄소 증가에 따른 열대저기압 변화 분석 -
-“태풍 총 발생빈도 줄지만, 더 강력해질 것”… 사이언스 어드밴시스에 논문게재 -

□ 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단 악셀 팀머만 단장(부산대 석학교수) 연구팀은 대기 중 이산화탄소 농도가 2배 증가하면 3등급 이상의 강한 태풍이 50% 가량 증가하고, 약한 태풍의 발생은 감소할 것이라고 예측하였다.
◦ 이는 연구진이 IBS의 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph)*를 이용해 대기 중 이산화탄소 농도 증가에 따른 기후 변화를 시뮬레이션 하여 열대저기압 변화를 분석한 결과다.
* ‘19.4월 가동 시작한 IBS의 슈퍼컴퓨터(데스크탑 컴퓨터 약 1,560대 성능)
◦ 과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 12월 17일 04시(한국시간) 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 13.117)에 게재되었다고 밝혔다.

□ 태풍과 허리케인을 포함한 열대저기압은 지구상에서 가장 치명적이고 경제적으로도 피해가 큰 기상재해다. 매년 수백만 명의 사람들이 피해를 입지만, 지구 온난화가 열대저기압의 발생 및 세기에 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 명확하게 밝혀지지 않았다.
◦ 지난 20여 년간 진행된 기후모형 시뮬레이션 연구는 주로 격자 간격이 큰(약 100km 이상) 저해상도 기후모형*을 이용해 왔기 때문에 열대저기압과 같은 작은 규모의 대기와 해양 간 상호작용이 상세히 시뮬레이션 되지 않아서 불확실성이 크다는 한계가 있었다.
* 지구를 3차원적으로 격자화하여 물리‧역학 방정식을 이용해 각 격자점에서의 기후 변동을 예측하는 도구. 격자간격이 조밀할수록 시뮬레이션 정확도가 향상되고 작은 규모의 기상 및 기후 현상까지 상세히 시뮬레이션 할 수 있다.
◦ 연구진은 대기와 해양을 각각 25km와 10km의 격자 크기로 나눈 초고해상도 기후모형을 이용하여, 태풍·강수 등 규모가 작은 여러 기상 및 기후 과정을 상세하게 시뮬레이션 하였다.
◦ 이는 지금까지 전 세계에서 수행된 미래 기후 변화 시뮬레이션 연구 중 격자 간격이 가장 조밀한 결과로, 생성된 데이터는 1TB 하드디스크 2000개에 달하는 용량이다.

□ 연구진은 대기 중 이산화탄소가 2배 증가하면 적도 및 아열대 지역에서의 대기 상층이 하층보다 더욱 빠르게 가열되어 기존에 있던 대규모 상승 기류(해들리 순환)를 약화시키고, 이로 인해 열대저기압의 발생빈도가 감소한다고 밝혔다.
◦ 반면 대기 중 수증기와 에너지는 계속 증가하기 때문에 태풍이 한 번 발생하면 3등급 이상의 강한 태풍으로 발달할 가능성이 약 50% 높아진다고 분석했다.
◦ 한편, 이산화탄소가 현재보다 4배 증가하면 강력한 열대저기압의 발생 빈도가 이산화탄소 농도를 2배 증가시킨 시뮬레이션에 비해 더 증가하지는 않았다. 하지만 각 열대저기압에 의한 강수량은 계속 증가하여 현재 기후 대비 약 35% 증가했다.

□ 이번 연구는 지금까지 수행된 다른 기후모형보다 향상된 공간 해상도로 이산화탄소 증가에 따른 기후 변화를 시뮬레이션하여, 높은 신뢰도로 열대저기압 변화를 분석했다는 평가를 받았다.
◦ 공동 교신저자인 이순선 연구위원은 “시뮬레이션된 미래 열대저기압 변화가 최근 30년 간 기후 관측 자료에서 발견된 추세와 상당히 유사하다”며 “지구 온난화가 이미 현재 기후를 변화시키기 시작했다는 것을 의미한다”고 밝혔다.
◦ 악셀 팀머만 단장은 “지구 온난화가 열대저기압에 영향을 미치는 메커니즘에는 더욱 복잡한 과정이 얽혀있어 앞으로도 추가 연구가 필요하다”면서도 “이번 연구는 미래 열대저기압 상륙에 의한 해안 지대의 극한 홍수 위험이 높아짐을 보여준다.”라고 말했다.
<참고자료> : 1. 논문 정보 2. 연구이야기 3. 용어설명
4. 그림설명 5. 연구자 이력사항

 

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논문 정보

□ 논문명/저널
◦ Reduced tropical cyclone densities and ocean effects due anthropogenic greenhouse warming ㅇ Science Advances

□ 저자
◦ 추정은(제1저자, IBS 기후물리연구단), 이순선(공동 교신저자, IBS 기후물리연구단), 악셀 팀머만(공동 교신저자, IBS 기후물리연구단), 크리스티안 웬글(IBS 기후물리연구단), 말테 슈트커(하와이대학교), 료헤이 야마구치(IBS 기후물리연구단)

□ 주요내용
대기 중 이산화탄소 농도 증가가 열대저기압의 발생 및 세기에 어떤 영향을 미치는지에 대해 초고해상도 기후모형 시뮬레이션을 이용해 분석하였다. 이산화탄소 농도가 증가하면 열대 저기압의 발생 빈도가 줄어들지만, 한 번 발생한 열대저기압이 3등급 이상의 강한 태풍으로 발달할 가능성이 높아지고 열대 저기압에 의한 강수량도 증가하기 때문에 미래 해안지대의 극한 홍수 위험이 높아지는 것으로 분석됐다.

 

연구 이야기

□ 연구배경

태풍과 허리케인을 포함한 열대저기압은 지구상에서 가장 치명적이고 경제적으로 피해가 큰 기상재해이다. 매년 수백만 명의 사람들이 이런 극한 기상 시스템의 파괴적인 힘에 의해 영향을 받고 있지만, 지구 온난화로 인해 열대저기압 발생 및 세기가 어떻게 변화 할지에 대해서는 여전히 불확실성이 남아있다. 이 문제를 해결하기 위해 지난 20여 년 동안 과학자들은 슈퍼컴퓨터를 이용하여 파괴적인 열대저기압의 주요 특성을 나타내는 기후 모형 시뮬레이션을 수행해왔다. 하지만, 최근까지도 기후 슈퍼컴퓨터의 계산 능력과 기후 모형의 공간 해상도의 한계로 인해 대기의 세부 과정 및 전 지구적 규모의 대기-해양의 상호작용을 완전하게 시뮬레이션하기에 충분하지 않았다.

□ 기존 연구와의 차이점

이번 연구에서 IBS 기후물리 연구단은 지금까지 수행된 전 세계 미래 기후 변화 시뮬레이션 중 가장 계산 집약적이고 상세한 지구온난화 시뮬레이션 연구를 수행했다. 연구에 쓰인 지구 기후 모형은 대기 25km, 해양 10km의 격자 크기로 대기 및 해양에서 발생 하는 여러 기상, 기후 과정을 작은 규모까지 시뮬레이션했다. 이러한 전례 없는 공간 해상도는 이전 세대의 기후 모형에 비해 해양 온도를 잘 시뮬레이션 한다는 장점이 있다. 특히, 열대저기압에 의한 강한 바람이 해양 상층을 혼합시킴으로써 바다 깊은 곳에 있던 차가운 물을 해수면까지 끌어 올리면서 발생하는 해수 냉각 현상을 사실적으로 재현한다는 점에서 기존 모형 실험과 차이점이 있다. 또한, 예측에만 그치지 않고, 열대저기압의 변화 메커니즘을 규명하고 대기와 해양의 상호작용에 대한 구체적인 물리과정의 변화를 다루었다는 점에서 연구적 의의가 있다.
추정은 IBS 기후물리 연구단 연구위원은 "해양 온도 시뮬레이션의 향상된 결과는 인도양 및 태평양의 태풍을 사실적으로 시뮬레이션하는데 중요한 역할을 했다"고 설명했다. 특히, “해안에서 육지로 상륙하는 열대저기압의 변화에 대해 높은 신뢰도로 분석할 수 있었다”고 밝혔다.

 

□ 연구 방법

연구팀은 지구 온난화에 의한 열대저기압의 변화를 파악하기 위해 대기 중 이산화탄소 농도를 현재 기후 수준, 현재 기후의 2배, 4배로 증가시켜 3가지의 기후 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 한국에서 가장 빠른 연구용 슈퍼컴퓨터 중 하나인 알레프(Aleph)에서 13개월 동안 실행됐으며, 이를 통해 생성된 데이터는 1TB 하드디스크 약 2,000개에 달한다.

□ 연구 결과

적도지역에서 과잉된 열로 인해 대기는 적도 지역에서 상승하여 상층에서 극 방향으로 흘러가고, 아열대 지방에서 하강하는 ‘해들리 순환’이 발생한다. 이번 연구에 따르면, 지구 온난화로 인해 대기상층 온도가 대기하층 온도보다 빠르게 상승함으로써 미래에는 해들리 순환이 약화될 것으로 분석됐다. 이순선 IBS 기후물리 연구단 연구위원은 “열대 지역 상승 운동 감소는 열대저기압 발생을 약화시키는 역할을 할 것”이라며 “이는 인도양과 태평양 열대저기압 발생 빈도 감소에 영향을 미친다”고 설명했다.
지구 온난화에 따른 열대저기압의 총 발생 수는 줄어들 것으로 예상되지만, 대기 중 수증기와 에너지 증가로 인해 한번 발생한 태풍은 3등급 이상으로 발달할 가능성이 높아진다고 분석했다. 대기 중 이산화탄소 농도가 2배 증가하면 3등급 이상의 열대저기압의 발생은 50% 증가할 것으로 예측된다.
대기 중 이산화탄소 농도가 4배 증가할 경우 전 지구 평균 온도가 5℃ 이상 증가함에도 불구하고, 열대저기압의 씨앗이 되는 소용돌이 자체의 감소로 인해 3등급 이상의 강한 태풍 발생 빈도는 이산화탄소 2배 증가 실험에 비해 더 이상 증가하지 않을 것으로 분석됐다. 하지만 각 열대저기압에 의한 강수량은 더욱 증가할 것으로 예상됐다. 이로 인해, 미래 상륙하는 열대저기압에 의한 해안 지대 극한 홍수 위험이 높아질 것으로 예측된다.

□ 후속 연구 계획

지구 온난화가 열대저기압에 영향을 미치는 메커니즘에는 더욱 복잡한 과정이 얽혀있어 앞으로도 추가 연구가 필요하다. 특히, 지구 온난화에 따른 열대저기압 발생 위치가 고위도로 이동하는 원인, 중위도 온대 저기압화 과정, 대서양에서의 허리케인 과소모의 문제 등 시뮬레이션 자료를 활용하여 태풍 연구의 다양한 난제에 대한 후속 연구를 진행 할 예정이다.

용 어 설 명

1. 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 誌
○ 미국과학진흥협회(American Association for the Advancement of Science, AAAS)가 발간하는 자연과학 분야 세계 최고 권위 학술지(Impact Factor : 13.116)이다. 세계적인 국제 학술지인 사이언스(Science)의 자매지로, 생명과학, 물리과학, 사회과학, 컴퓨터과학 및 환경과학 등 다양한 과학 분야를 다루고 있다.

2. 알레프(Aleph)
○ 연산 속도 1.43PF(Peta Flops, 1PF=1초에 1000조번 연산이 가능한 수준)로, 저장 용량은 약 8,740TB(테라바이트)에 달한다. 알레프는 히브리어 첫 글자로 영어의 ‘A’에 해당하는 글자이자 숫자 ‘1’, 수학에서는 ‘무한’을 뜻한다. IBS의 첫 번째 슈퍼컴퓨터라는 점, 계산한 수치 정보로부터 과학적 이론을 만들어낸다는 점에 의미를 부여해 알레프라는 이름을 붙였다. IBS 대전 본원에 위치하고 있는 슈퍼컴퓨터 ‘알레프(Aleph)’는 지난 해 4월 공식 개통하여 기후 물리 연구 분야에 활용되어지고 있다.

3. 열대저기압(Tropical cyclone)
○ 주로 수온 26 °C이상의 해양지역에서 발생하는 저기압으로 강한 비바람을 동반하며 발생 지역에 따라 태풍, 허리케인, 사이클론 등으로 불린다.

4. 해들리 순환(Hadley circulation)
○ 적도지역의 과잉된 열로 인해 하층의 대기가 상승하고, 대기 상층에서 극쪽으로 이동하면서 열을 잃어버린 후, 아열대 지역 (북위 또는 남위 30도 부근)에서 하강하여 다시 적도쪽으로 이동하는 대규모 대기순환. 온실 효과가 강화되면 대기상층 온도가 대기하층 온도보다 빠르게 상승하여 상하층 온도 차이가 약화되기 때문에 해들리 순환이 약화될 것으로 예상된다.

그 림 설 명

 

[그림 1] IBS의 슈퍼컴퓨터 알레프(Aleph).
IBS 기후물리 연구단은 대전 도룡동에 위치한 IBS 본원 데이터센터 내 구축된 IBS 슈퍼컴퓨터 알레프를 이용하여 연구를 진행했다. 알레프는 지구 시스템의 단기 기후 예측 및 장기 전망, 열대 저기압의 미래 변화 등 최첨단 기후 역학 연구에 활용되고 있다.

 

 

 

 

 

 

[그림 2] 열대저기압에 동반된 강한 바람에 의해 발생하는 해수 냉각효과.
슈퍼컴퓨터 알레프와 초고해상도 기후모형을 통해 시뮬레이션 된 한반도로 접근하는 태풍의 강수량(흰색) 및 해수면온도(파란색-빨간색). 태풍이 지나가고 난 후 강한 바람에 의해 해양 상층이 혼합되면서 바다 깊은 곳에 있던 차가운 물이 해수면까지 올라와 주면보다 5℃ 이상 낮은 냉각 현상을 일으키고 있다. 저해상도 모형에서는 해수 냉각효과가 약하게 나타나는 특징이 있다.

[그림 3] 현재기후에서의 인도-태평양 지역 태풍 발생 및 경로(위)와 이산화탄소 농도 2배 증가에 따른 태풍 발생 밀도 변화(아래).
위의 그림에서 노란색 점은 태풍 발생지점, 붉은색 선은 경로를 의미한다. 아래 그림은 대기 중 이산화탄소 농도가 2배 증가했을 때 각 격자를 지나는 태풍의 밀도 변화를 나타는 것으로, 파란색은 감소, 붉은색은 증가를 나타낸다. 변화량이 클수록 원의 크기가 크다.

연구자 이력사항

<악셀 팀머만 IBS 기후물리 연구단장, 공동교신저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단 단장
부산대학교 석학 교수

 

 

2. 경력사항
○ 2000 – 2001 박사후연구원, 미국 하와이 국제태평양연구센터
○ 2001 – 2005 연구원, 독일 키엘대학교
○ 2004 – 2016 교수, 미국 하와이대학교
○ 2017 – 현재 단장, 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단
석학교수, 부산대학교
<이순선 IBS 기후물리 연구단 연구위원, 공동교신저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단

 

 

 

2. 경력사항
○ 2010 – 2011 전임연구원, 부산대학교 환경문제연구소
○ 2011 – 2013 연수연구원, 부산대학교 환경문제연구소
○ 2013 – 2017 박사후연구원, 미국 하와이 대학교 국제 태평양 연구소
○ 2017 – 현재 연구위원, 기초과학연구원 기후물리연구단
<추정은 IBS 기후물리 연구단 연구위원, 제1저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단

 

 

2. 경력사항
○ 2017 – 2018 박사후연구원, 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단
○ 2019 – 현재 연구위원, 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단
<료헤이 야마구치 IBS 기후물리 연구단 박사후연구원, 공동저자>

1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 기후물리 연구단

 

 

2. 경력사항
○ 2018 – 2019 연수연구원, 일본 도호쿠 대학교
○ 2019 – 2019 연구원, 일본 도호쿠 대학교
○ 2018 – 현재 박사후 연구원, 기초과학연구원 기후물리 연구단