[기획시리즈= 해외연구보고서⑰] ISTA·MPI-M 연구진, 고해상도 기후모델로 열대지방 극한 강우량에 대한 구름·폭풍 영향 연구

'사이언스 어드밴스(Science Advances)' 지 2월 23일자에 연구논문 발표

변화하는 기후에서 구름의 패턴을 이해하는 것은 사회와 자연에 미치는 영향을 정확히 예측하는 데 필수적이다. 오스트리아 과학기술연구소(Institute of Science and Technology Austria, ISTA)는 2월 23일(현지시각) 막스 플랑크 기상연구소(Max Planck Institute for Meteorology)와 고해상도 세계 기후 모델을 사용해 구름과 폭풍의 군집이 열대 지방의 극한 강우량에 어떤 영향을 이해하는지를 분석한 연구를 『사이언스 어드밴스(Science Advances)』에 게재했다.

연구진은 기온이 상승함에 따라 극한 강수로 인한 문제의 심각성이 증가한다는 것을 밝혔다.

폭우는 인명을 앗아가고 수십억 달러의 피해를 입히는 자연재해 중 하나다. 지구온난화로 지난 몇 년 동안 폭풍 빈도가 증가하고 있다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 현상의 배후에 있는 메커니즘을 더 잘 이해하고 미래의 추세를 예측하기 위해 지구의 기후에 대한 컴퓨터 모델을 사용해 왔다. 

『사이언스 어드밴스(Science Advances)』에 실린 이번 연구에서, 지아웨이 바오(Jiawei Bao) ISTA 박사 연구원이 이끄는 오스트리아 과학기술연구소와 막스 플랑크 기상연구소는 최첨단 기후 모델을 사용해 구름과 폭풍 군집이 극한 강우 현상에 미치는 영향을 연구했다.

지아웨이 바오 연구원은 "훨씬 더 미세한 해상도를 가진 이 새로운 유형의 모델은 기후가 따듯해짐에 따라 구름으로 더 몰리고 있어 열대 지방의 극한 강우 현상이 이론에서 예상했던 것보다 더 심각하다는 것을 보여줬다"며 "구름이 더 많이 모여 있으면 비가 더 오래 내려 건조한 지역이 늘어나고 극단적인 날씨 패턴이 더 많이 발생하는데, 이는 구름과 폭풍이 함께 모여 있기 때문"이라고 말했다.

바오 연구원은 "2019년에 처음 제안된 이 모델은 이전 모델보다 훨씬 더 높은 해상도로 기후를 시뮬레이션할 수 있다"며 "이전 모델은 구름과 폭풍을 세밀하게 관찰할 수 없어 구름이 모여 더 강력한 폭풍을 형성하는 공기 이동의 복잡한 역할을 많이 놓쳤다"고 설명했다.

이 모델은 전 세계를 동시에 시뮬레이션할 수 있다. 과학자들은 구름과 폭풍의 형성이 다른 위도에서와 다르게 적용하는 점을 고려해 적도 주변의 열대 지역 분석에 집중했다. 

캐롤라인 뮐러(Caroline Muller) ISTA 조교수는 "이전 모델은 구름 군집이 극단적인 강수량에 미치는 영향을 암시했으나 필요한 데이터를 제공하지 못했다"며 "막스 플랑크 기상연구소의 비욘 스티븐스(Bjorn Stevens)와 루카스 클루프트(Lukas Kluft)와 협력을 통해 더 작은 규모의 구름 형성이 기후 변화에 결정적인 영향을 미친다는 것을 발견했다"고 밝혔다.

전 세계 연구자는 기후 변화의 영향을 이해하기 위해 세계 기후에 대한 보다 상세하고 사실적인 모델을 만들기 위해 협력하고 있다. 기후 모델은 지구의 대기를 3차원 덩어리(Chunks)로 구분하며, 각 덩어리에는 온도와 압력, 습도 등 더 많은 물리적 특성에 대한 자체 데이터가 있다. 

물리 방정식을 사용해 이러한 덩어리가 상호 작용하고 시간이 지남에 따라 변하는 방식을 시뮬레이션함으로써 실제 세계를 표현할 수 있다. 컴퓨터의 성능과 저장공간이 무한하지 않으므로 이러한 모델에는 단순화가 도입돼야 하며, 과학자들은 이를 더 정확하게 만들기 위해 지속적으로 노력해야 한다.

이전 세대의 기후 모델은 수평 길이가 약 100㎞에 달하는 덩어리를 사용하는데, 그 결과 여전히 수만 개에서 수십만 개의 덩어리가 전 세계를 뒤덮고 있는 것으로 나타났다. 알고리즘과 슈퍼컴퓨터의 발전으로 과학자들은 모델의 해상도를 점점 더 높일 수 있었다. 

바오 연구원은 "MPI-M에서 개발한 기후 모델을 사용하고 독일 함부르크에 있는 독일 기후 컴퓨팅센터(German Climate Computing Center)에서 제시된 데이터를 단 5㎞의 해상도로 분석했는데, 계산하는 데 비용이 많이 들었다"며 "모든 기후 연구는 세게에 대한 이해와 이를 위한 수백 명의 공동노력"이라고 강조했다.

호주 뉴사우스웨일스대학교(University of New South Wales, Australia) 박사 과정에서 처음 기후 연구에 관심을 갖게 된 바오 연구원은 현재 IST-BRidge 박사후 연구원(Post-doctoral Fellow)으로 일하고 있으며, 추가 모델을 활용해 극한 강수 현상에 대한 연구를 지속하고 그 원인과 영향에 대한 더 많은 증거를 찾고 있다.

뮐러 조교수는 수학 공부를 마치고 현실 세계에 더 많은 영향을 미치는 연구에 관심을 두기 시작했다. 그의 연구진은 기후 모델을 사용해 공기 대류이온과 열대성 저기압에 이르기까지 다양한 규모의 구름과 폭풍의 형성을 연구하는 등 기후 변화의 원인과 결과를 밝혀내는 데 노력하고 있다.

이 연구는 막스 플랑크 게젤샤프트(Max Planck Gesellschaft, MPG), 독일 기후 컴퓨팅 센터(German Climate Computing Centre, DKRZ), 율리히 슈퍼컴퓨팅 센터(Jülich Supercomputing Centre, JSC), 넥스트젬스(NextGEMS) 프로젝트를 통한 유럽연합(EU)의 호라이즌(Horizon) 2020 프로그램과 독일 연방 교육 연구부(BMBF)의 몬순(MONSOON)-2.0 프로젝트로부터 지원받았다.