비가역적 해수면 상승, 구름 변화가 결정한다

- 탄소 제거해도 해수면 상승 계속된다...하층 구름 피드백의 핵심 역할 규명 -

[연구필요성]

탄소 배출을 줄이더라도 해수면은 수백 년간 지속적으로 상승할 것으로 전망됨

기존 연구에서는 비가역적 해수면 상승의 원인을 주로 해양의 큰 열적 관성으로 설명했으나, 이러한 설명만으로는 해수면 상승이 유지되는 메커니즘을 충분히 설명 어려움

기후변화 완화 이후 형성되는 해수면 온도의 공간 패턴이 기후 피드백을 통해 해수면 상승을 지속시키는 메커니즘은 아직 충분히 규명되지 않음

[연구성과/기대효과]

본 연구는 지구시스템모형(CESM2)과 제6차 국제 기후모델 비교 프로젝트(CMIP6) 다중 모델 분석을 통해, 기후변화 완화 이후에도 해수면 상승이 지속되는데 하층 구름 피드백이 핵심적인 역할을 한다는 사실을 밝힘

해양 내부에 축적된 열이 표층으로 방출되면서 형성되는 공간적으로 비균일한 해수면 온도 패턴이 하층 구름을 감소시키고, 이에 따라 더 많은 태양 복사 에너지가 해양에 흡수되어 해양 열팽창과 해수면 상승이 지속됨을 규명함

대기 단독 실험(AMIP)을 통해 해수면 온도 패턴만으로도 단파 복사 증가의 대부분이 설명될 수 있음을 정량적으로 검증하였으며, 이러한 결과는 CMIP6 다중 모델 분석에서도 일관되게 확인됨

본 연구는 미래 해수면 상승 전망의 신뢰도를 높이기 위해서는 기후모델에서 하층 구름 과정을 보다 정밀하게 모의하는 것이 중요함을 제시함

[본문]

□ 기후변화 완화에도 불구하고 지속되는 해수면 상승과 하층 구름의 역할

지구시스템모형(CESM2)을 이용한 이산화탄소 제거 실험에서, 대기 중 CO₂ 농도가 초기 수준으로 회복된 이후에도 해수면은 수백 년에 걸쳐 지속적으로 상승함을 확인함(그림 1)

해수면 상승의 지속에 기여하는 지표 열플럭스를 분해한 결과, 단파 복사(태양 에너지)의 증가가 주된 원인으로 나타났으며, 이는 대부분 하층 구름의 감소에서 비롯된 것으로 확인됨(그림 1)

□ 해양 내부의 열 방출이 만들어내는 해수면 온도 패턴과 하층 구름 피드백

탄소 배출을 줄인 이후 해양 내부에 축적된 열이 표층으로 방출되면서, 남극해·북태평양 및 북대서양 아극 해역·열대 동태평양 등 성층이 약하고 용승이 활발한 지역을 중심으로 특징적인 해수면 온도 공간 패턴이 형성됨(그림 2)

이 해수면 온도 패턴은 하층 구름 피드백이 강한 지역과 일치하며, 해당 지역에서 하층 구름이 감소하고 태양 복사 흡수가 증가함에 따라 해양의 냉각이 지연되고 열팽창이 지속됨(그림 2)

□ 해수면 온도 패턴 효과의 정량적 검증

대기 단독 실험(AMIP)을 통해 단파 복사 증가를 패턴 효과, 평균 온난화 효과, 해빙 효과로 분리한 결과, 패턴 효과가 전체 단파 복사 증가의 대부분을 설명하는 것으로 나타남(그림 3)

해수면 온도를 균일하게 상승시킨 평균 온난화 효과만으로는 단파 복사가 오히려 감소하여, 해수면 온도의 공간 패턴 없이는 지속적인 해수면 상승을 유도하지 못함을 확인함

CMIP6 다중 모델 분석에서도 동일한 결과가 일관되게 확인되어, 본 연구의 주요 결론이 특정 모델에 의존하지 않음을 검증함

□ 미래 해수면 전망 정확도 향상을 위한 함의

현재 기후모델들은 하층 구름 피드백 강도에 있어 모델 간 편차가 크며, 이는 미래 해수면 상승 전망의 주요 불확실성 요인 중 하나임

본 연구는 기후모델이 하층 구름 과정을 얼마나 정밀하게 모사하느냐가 해수면 상승의 규모와 지속 기간 예측에 직접적인 영향을 미침을 보여주며, 기후모델의 구름 모수화 개선의 필요성을 강조함

또한 향후 연구에서는 남극 및 그린란드 빙상의 융빙수 피드백을 포함한 통합 시뮬레이션이 필요하며, 빙상-해양-대기 상호작용을 함께 고려함으로써 미래 해수면 상승 전망의 신뢰도를 더욱 높일 필요가 있음을 제시함

[연구결과]

Critical Role of Low Cloud Feedback in Irreversible Sea Level Rise


Sunhee Wang, Yechul Shin, Ji-Hoon Oh, Hanjun Kim, and Jong-Seong Kug

(Nature communications, published, https://www.nature.com/articles/s41467-026-72898-4)

탄소 배출 저감 노력에도 불구하고 해수면은 수백 년에 걸쳐 지속적으로 상승하며, 이 과정에서 하층 구름 피드백이 핵심적인 역할을 한다. 해양 내부에 축적된 열이 표층으로 방출되면서 형성되는 해수면 온도 공간 패턴은 하층 구름을 감소시키고, 더 많은 태양 복사가 해양에 흡수되도록 함으로써 해양 열팽창과 해수면 상승을 지속시킨다. 대기 단독 실험(AMIP)을 통해 이 해수면 온도 패턴만으로 단파 복사 증가의 대부분이 설명됨을 확인하였으며, CMIP6 다중 모델에서도 결과가 일관되게 재현된다. 본 연구는 미래 해수면 상승을 정확히 전망하기 위해서는 기후모델에서 하층 구름 과정을 정밀하게 표현하는 것이 필수적임을 보여준다.

[그림설명]

그림 1 | (a) 연평균 전 지구 평균 해수면 상승 이상(검은색)과 이에 대응하는 전 지구 해양 열함량(OHC; 파란색), 누적 순표면 열플럭스(SFCnet(cum); 연한 파란색). 연한 파란색 선은 대부분 파란색 선(OHC)에 의해 가려져 있다. 회색 선은 배출 변화에 따른 대기 중 CO₂ 농도의 변화를 나타낸다. (b) 순표면 열플럭스(검은색)와 그 구성 요소들의 시간 변화: 장파복사(LW; 파란색), 난류 열플럭스(THF; 연한 파란색), 단파복사(SW; 빨간색). (c) 패널 (b)의 단파복사(SW)를 구름 성분(SWcld; 진분홍 점선-일점쇄선), 알베도 성분(SWalb; 진분홍 점선), 비구름 성분(SWnon-cld; 진분홍 점선-점선)으로 분해한 결과. (d) 누적 순표면 열플럭스(검은색), 단파복사를 제외한 누적 순표면 열플럭스(빨간색), 그리고 구름에 의한 단파복사 성분(SWcld; 진분홍색). 단파복사 또는 구름에 의한 단파복사 성분을 제외할 경우, 누적 순표면 열플럭스는 감소하는 경향을 보인다. 모든 열플럭스는 전 지구 해양에 대해 면적 가중 평균된 값을 의미한다. 모든 시계열은 현재 기후(PD) 실험 대비 이상(anomaly)으로 나타냈다. 각 패널에서 굵은 선은 앙상블 평균을, 얇은 선은 개별 앙상블 구성원(n = 10)을 나타낸다. (b)와 (c) 패널은 11년 이동평균을 적용한 결과이다.

그림 2 | 해수면 온도(SST), 하층운, 단파복사(SW), 해빙 농도의 지역적 변화 패턴. 각 패널은 대기 중 CO₂ 농도가 증가하는 시기(ramp-up; a, d, g, j), 감소하는 시기(ramp-down; b, e, h, k), 그리고 회복 단계(RS; c, f, i, l)에서의 지역 반응을 나타낸다. RS는 모의 실험 마지막 150년의 평균으로 정의된다. 모든 값은 현재 기후(PD) 실험 대비 이상(anomaly)으로 제시하였다. 각 패널의 등고선은 하층운 피드백 강도(W m⁻² K⁻¹)를 나타낸다.

그림 3 | CESM2 대기모델 상호비교 프로젝트(AMIP) 실험에서의 단파복사(SW) 반응 분해 결과. (a–c) AMIP 실험에서의 총 단파복사 반응을 주요 요인별로 분해한 결과: (a) 평균 온난화를 제외한 SST 패턴 효과, (b) 공간 패턴 없이 균일한 평균 온난화 효과, (c) 해빙 농도 변화에 따른 해빙 효과(그림 2l). (d) 각 요인에 따른 전 지구 평균 단파복사 반응의 정량적 비교. 막대그래프는 회복 단계(RS)와 현재 기후(PD) 간 전 지구 평균 단파 복사(SW) 값을 나타내며, CESM2(진회색; 그림 2i의 전 지구 평균과 동일)와 CESM2 AMIP(회색)를 포함한다. AMIP 분해 결과는 패턴 효과(빨간색; 패널 a의 전 지구 평균), 평균 온난화 효과(파란색; 패널 b), 해빙 효과(연한 파란색; 패널 c), 그리고 잔차 항(노란색)의 기여를 포함한다. (e) 각 요인에 따른 구름에 의한 단파복사(SWcld) 반응의 전 지구 평균 값으로, (d)와 동일한 방식으로 구성하였다.