탄소중립 이후 기후변화 패턴 예측, ISTI·포스텍 슈퍼컴 예측

슈퍼컴퓨터를 이용해 탄소중립 이후 발생할 수 있는 기후변화 패턴 예측

해양에서 열이 방출돼 기후 회복이 방해를 받을 것으로 전망

s41558-024-01928-0.pdf

11.31MB

 

[해양 온난화의 시간적 진화와 공간적 패턴]  a, 적용된 CO2 농도 강제력의 시간적 변화(검은색, 오른쪽 두 번째 y축), 전지구 총량(전지구 및 전심도 통합) OHC(파란색, 왼쪽 y축), OHU(즉, 순 표면 열 플럭스, 빨간색, 오른쪽 첫 번째 y축) 및 누적(시간 통합) OHU(빨간색 점선, 왼쪽 y축)의 앙상블 평균입니다. 선과 밝은 음영은 각각 28개의 앙상블 평균과 전체 앙상블 확산을 나타냅니다. 연한 빨간색과 파란색 상자는 각각 2235년(OHC 피크 단계)과 시뮬레이션의 마지막 100년을 나타냅니다. b, 20년마다 전지구 평균 해수온도의 수직 프로파일의 시간적 변화. 빨간색, 파란색, 회색 선 색상은 각각 상승기, 하락기, 회복기를 나타냅니다. 삽입: 전지구적 및 수직적으로 통합된 앙상블 평균 OHC의 시간적 진화. 연한 빨간색, 빨간색 및 진한 빨간색은 각각 0-700m, 700-2,000m 및 2,000m 이하 통합을 나타냅니다. 모든 시계열은 2000년을 기준으로 한 연평균을 기준으로 하며 11년 연속 평균으로 평활화했습니다. c, 2000년을 기준으로 지난 100년(2401~2500년) 동안 평균화된 총 OHC 이상값입니다. 95% 신뢰 수준에서 유의미한 값만 표시됩니다.

한국과학기술정보연구원(KISTI)은 국종성 포스텍 환경공학부 교수 연구팀과 KISTI-포스텍 공동연구팀을 꾸려 탄소중립 후 일어날 수 있는 기후변화 패턴에 대한 가설을 만들었다고 2일 밝혔다.

 

 

탄소중립은 대기 중 온실가스 농도가 더 증가하지 않도록 탄소 배출량에서 흡수량을 뺀 ‘순 배출량’이 0이 되도록 만드는 것이다. 탄소중립이 기후변화에 어떤 영향을 미칠지에 대한 이해는 아직 부족한 실정이다.

되돌릴 수 없는 지표면 기후 변화의 공간 패턴.

연구팀은 탄소중립이 기후에 미칠 영향을 예측하기 위해 슈퍼컴퓨터를 이용했다. 우선 탄소중립이 실현되면 지구온난화로 심해에 축적된 열이 표층으로 방출되면서 특정한 기후변화 패턴이 만들어질 것이란 가설을 세웠다. 그리고 이를 검증하는 데 슈퍼컴퓨터를 활용했다.

 

가설을 검증하려면 복잡한 지구 시스템 모델을 지속적으로 적분해야 한다. 대기, 해양, 지면, 해빙의 복잡한 역학 및 물리 과정과 각 요소 간의 상호작용을 이해하려면 초고성능 컴퓨터인 슈퍼컴퓨터 없이는 불가능하다는 의미다.

 

연구팀은 슈퍼컴퓨터로 지구 시스템 모델의 심해에 가상으로 열을 추가하는 대규모 시뮬레이션을 수행했다. KISTI 슈퍼컴퓨터 누리온에서 최대 3만4000개의 CPU 코어를 3개월간 사용했다. 1초에 1600조 번의 연산처리가 가능한 속도다.

 

이를 통해 연구팀은 지구온난화로 발생한 열의 90% 이상을 흡수한 심해에서 탄소중립 이후 열이 방출되면서 기후 회복을 방해한다는 점을 확인했다. 해양의 반격으로 탈탄소화 정책에 의한 기후 회복이 방해를 받을 수 있다는 것이다.

 

특히 고위도 해양에서 열이 효과적으로 방출돼 고위도의 온도 상승이 두드러지게 나타나는 것으로 확인됐다. 찬 바닷물이 해면으로 솟아오르는 ‘용승’이 존재하는 적도 태평양에서는 엘니뇨가 지속적으로 나타나는 패턴을 보였다. 또 전 지구 자오면 순환의 시작점인 열대수렴대가 남하할 것으로 예상됐으며 한반도는 여름철 강수가 유의미하게 증가하는 것으로 나타났다.

 

연구에 참여한 오지훈 포스텍 박사는 “이번 연구 결과는 인간이 배출한 온실가스가 깊은 바다를 통해 우리가 생각했던 것보다 훨씬 오랫동안 인류에게 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다”며 “탄소중립이 시급하다”고 말했다.

 

정민중 KISTI 슈퍼컴퓨팅응용센터장은 “슈퍼컴퓨팅 시뮬레이션으로 탄소중립 이후 기후변화 패턴을 예측했다”며 “5호기 대비 23배 높은 성능일 6호기가 도입되면 더욱 복잡한 역학 및 물리 과정을 반영한 시뮬레이션으로 더 정밀한 기후변화 예측에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다. 연구 내용은 국제학술지 ‘네이처 기후변화’ 2일자에 게재됐다.

The ocean, covering more than 70% of Earth’s surface, exerts a critical role in regulating the climate system. It has absorbed more than 90% of the current energy imbalance (surplus heat) caused by persistent emissions of anthropogenic greenhouse gases (GHGs), particularly carbon dioxide (CO2); thus, the ocean plays a role in slowing down global surface warming. Indeed, a global warming hiatus from 2002 to 2012 was associated with enhanced subsurface ocean heat uptake in the equatorial Pacific. Widespread and substantial ocean warming has been observed since the 1950s and continues to accelerate.   A key characteristic of ocean warming is the various response timescales of different ocean depths to climate forcings. The ocean mixed layer responds rapidly to surface heating due to direct interaction with the atmosphere, while the deeper ocean adjusts much more slowly due to its larger thermal inertia and the slow heat transport into it. As a result, deep ocean warming is expected to persist for centuries even after achieving net-zero CO2 emissions. In other words, today’s GHG emissions will have enduring impacts on future ocean changes, giving a long-term memory to our climate system in response to anthropogenic forcing.   Under the potential threats from anthropogenic climate change, a worldwide commitment has been pledged to limit global warming to below 2 °C and preferably to 1.5 °C, as codified in the 2015 Paris Agreement. This goal requires immediate and decisive international action to achieve net-zero and negative CO2 emissions, not only by reducing anthropogenic CO2 emissions, but also by artificial techniques to remove CO2 from the atmosphere. This crucial step is essential to restore the climate system and ensure a sustainable future. Accordingly, recent studies have investigated the hysteresis and reversibility of global or regional climate in response to atmospheric CO2 removal by using idealized climate model experiments. Global total ocean heat content (OHC) and the resultant thermosteric sea level rise associated with the slow response of the deep ocean have exhibited the clearest irreversible response across the different climate models despite the rapid CO2 removal (for example, 1% yr−1 or even 5% yr−1) to the present level21,22,23. To avoid ambiguity, the term ‘irreversible change’ here is used as a long-term transient recovery on a multicentury timescale (more than 200 yr) that is humanly perceptible after the CO2 concentration returns to baseline.   Such an irreversible response of ocean warming as a result of past anthropogenic GHG emissions may modulate global or regional surface climate in addition to changes in sea level and the marine environment itself. From a global perspective, the sole way to diminish the heat absorbed by the ocean from the atmosphere is to release it back into the atmosphere. For example, the deeper ocean may gradually transport stored heat to the upper ocean and mixed layers, ultimately being released back into the atmosphere. This potential long-term counteractive effect of the ocean as a heat source for the surface climate system can persist over centuries. Hence, there is a possibility that the ocean’s thermal inertia may affect the surface climate system in terms of both timescale and regional pattern. Analysing this aspect can provide vital information for regional climate adaptation and mitigation strategies from a long-term perspective. Despite this importance in the long-term perspective, an active role of the deep ocean as a heat source for the surface climate has often been overlooked, mainly due to its predominant recognition as a thermal buffer. This perspective stems from the dominance of radiative forcing caused by the rapid increases in GHGs. However, the counteractive effect of the ocean will be clearer under a net negative CO2 emission scenario, owing to the discrepancy in adjustment timescale between the surface and deep ocean in response to CO2 removal.   Here we mainly explore the active role of deep ocean warming on the surface climate. To address this scientific question, a large ensemble experiment is performed by employing the Community Earth System Model (CESM) with 28 ensemble members. In this experiment, the atmospheric CO2 concentration increases by 1% yr−1 for 140 yr until it quadruples (ramp-up), then declines symmetrically to the initial CO2 level (ramp-down) and is held constant for 220 yr thereafter (restoring, see Methods for details).