탄소 제거가 바꾼 강수 패턴…“식생이 극한강수 줄인다”

[연구필요성]

탄소 중립(Net-Zero) 목표 달성 이후의 기후 시스템 변화에 대한 과학적 이해는 여전히 불확실함

탄소 중립 달성 이후의 정책 수립을 위한 과학적 지표가 필요함

[연구성과/기대효과]

지구 시스템 모형을 이용하여 이산화탄소 배출을 0으로 유지하는 ‘탄소 중립(Zero CO₂ emissions)’ 시나리오와 대기 중 탄소를 제거하여 현재 상태로 되돌리는 ‘음의 배출(Negative CO₂ emissions)’ 시나리오를 설계하고, 각 시나리오에서 나타나는 지표 강수량과 극한 강수의 변화를 비교‧ 분석함.

두 시나리오 모두 수백 년에 걸친 장기적 관점에서 현재보다 높은 지표 강수량을 보였으며, 특히 대기 중 이산화탄소가 농도가 현재의 2배에 달했던 시기와 비교해도 지표 강수량이 상당 수준 증가함.

반면, ‘음의 배출’ 시나리오에서는 이산화탄소가 농도가 2배 높은 시기와 비교했을 때, 거의 전 지구적 범위에서 극한 강수 현상이 감소함.

이러한 지표 강수량 증가와 극한 강수의 감소는 이산화탄소 농도 변화에 따른 ‘탄소-식생 상호작용’과 밀접한 연관이 있음.

즉, 대기 중 탄소 변화에 반응하는 식생의 생리적 변화가 수문순환에 영향을 미치며, 이는 강수를 고르게 분포시켜 극한 강수의 완화를 가져왔을 것임을 제안함.

그동안 탄소 중립 및 탄소 제거 시나리오에서 주로 ‘해양’의 역할에 집중해 온 기존 연구와는 달리, 본 연구는 미래 강수 변화를 결정하는 핵심 변수로 ‘식생’의 중요성을 새롭게 조명하고 기여도를 확인함.

[본문]

□ 기후 완화 시나리오별 강수 변화의 비가역성

기후 완화 정책에 따른 온도와 강수의 변화를 확인하기 위해, 2124년에 이산화탄소 배출 제로에 도달하는 실험을 기준으로 1) 2400년까지 제로 배출을 유지하는 ‘제로 배출(Zero CO₂ emissions)’ 시나리오와 2) 2197년까지 대기 중 이산화탄소 농도를 현재 수준(2001~2030)으로 되돌린 후 제로 배출을 유지하는 ‘음의 배출(Negative CO₂ emissions)’ 시나리오를 설계함(그림 1).

제로 배출에 도달한 2124년경, 현재보다 지표 온도는 2.5도, 지표 강수는 1.1% 증가함(그림 2).

‘제로 배출’ 시나리오에서 2300년경, 현재보다 지표 온도는 3.0도, 지표 강수는 1.9% 증가함(그림 2).

‘음의 배출’ 시나리오에서 2300년경, 현재보다 지표 온도는 1.5도로 감소하지만, 지표 강수는 2.5% 증가함(그림 2).

이는 온도 변화만으로는 지표 강수 변화를 설명할 수 없음을 시사함.

□ 강한 완화 정책을 통한 극한 강수 완화

이산화탄소가 가장 높은 두 시기, 2100년경(MAX, 2091~2120)과 2300년(RS, 2300~2400)을 비교하여 극한 강수의 변화를 분석함.

‘제로 배출’ 시나리오의 2300년경에는 미국, 남아메리카, 유럽, 동남아시아, 호주 등 많은 지역에서 극한 강수가 더 악화될 것으로 예상됨(그림 3a).

‘음의 배출’ 시나리오의 2300년경에는 대부분 지역에서 극한 강수가 완화될 것으로 예상됨(그림 3b).

강수 강도가 높은 지역(연 최대 일 강수가 최소 30mm 이상)에서 극한 강수가 증가하는 면적은 현재 대비 2100년경에는 23.4%, 제로 배출 시나리오에서는 38.1%, 음의 배출 시나리오에서 14.5%로 나타남(그림 3c).

‘음의 배출’ 시나리오에서 현재보다 극한 강수는 여전히 강하지만, 이산화탄소가 가장 높은 2100년 대비 대부분 지역에서 완화 효과를 보임(그림 3c).

□ 기후 완화 시나리오에서 식생의 역할

선행연구에서는 이산화탄소 농도가 안정화되거나 감소함에 따라 해양에 축적된 열이 방출되면서 강수에 영향을 미칠 것이라고 제안함.

본 연구에서는 기후 완화 시나리오에서 해양뿐만 아니라 식생 또한 강수 변화에 중요한 역할을 하는 것을 확인함.

특히, 음의 배출 시나리오에서 온도 상승, 식생 증가, 증산(식생을 통한 대기로의 수증기 방출) 증가가 서로 양의 되먹임 작용을 일으키며 지표 강수가 크게 증가함.

이러한 양의 되먹임 과정이 강하게 나타나는 이유는 이산화탄소 농도가 낮게 유지됨에 따라, 기공 닫힘(이산화탄소가 증가하면 잎에서 호흡하는 기공이 닫힘)이 억제되고 증산 활동이 원활하게 유지됨.

식생과 증산의 증가는 수문 순환에서 중요한 역할을 하며, 잎의 기공을 통해 물을 재분배함으로써 강수 일수는 늘리고 일 최대 강수량을 감소시킬 수 있음(그림 3d)

결론적으로, 극한 강수에 의한 피해를 줄이기 위해서는 단순히 제로 배출을 넘어선 음의 배출 정책이 필요함.

[연구결과]

Negative CO₂ emissions for long-term mitigation of extremes in land hydrological cycle


Jongsoo Shin, Jong-Seong Kug, So-Won Park, Jonghun Kam, Soon-Il An, So-Eun Park, Hyoeun Oh, Sang-Wook Yeh, Sujong Jeong, Chang-Kyun Park & Jin-Soo Kim

(Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-026-70945-8)

기후 완화 정책을 시행하더라도 전 지구적 지표 강수량과 극한 강수 현상은 여전히 증가하는 경향을 보인다. 그러나 ‘음의 탄소 배출 시나리오’에서 지표 강수량 증가에 비해 극한 강수 현상은 유의미하게 완화된다. 이러한 현상은 기후 시스템에서 식생의 증산 작용과 수문 순환 조절이 중요한 기제로 작용하기 때문이다. 결론적으로 극한 강수로 인한 피해를 최소화하기 위해서는 단순히 탄소 중립에 도달하는 것을 넘어, 대기 중 이산화탄소 농도를 저감하는 음의 배출 정책 수립이 필수적이다.

[그림설명]

그림 1 | 제로와 음의 이산화탄소 배출 시나리오(Zero and Negative CO₂ emissions scenarios). (a) 제로 배출 시나리오를 나타냄. 2050년에 배출량 최대에 도달한 후 점진적으로 감소해서 2124년에 제로 이산화탄소 배출에 도달한 후 2400년까지 제로 배출량을 유지함. (b) 음의 배출 시나리오를 나타냄. 2124년 후 2197년까지 음의 배출을 진행하여 대기 중 이산화탄소가 현재로 돌린 후 2400까지 제로 배출을 유지함. 검정색 선은 인류 활동으로 인한 이산화탄소 배출량을 나타냄. 초록색 선은 대기 중 이산화탄소 농도를 의미함.

그림 2 | 제로 이산화탄소 배출 시나리오(Zero CO₂ emisssions scenario, ZE)과 음의 이산화탄소 배출 시나리오(Negative emissions scenarios, NE)에의 온도와 강수 변화. 현재 시기(2001-203) 대비 (a) 지표 온도와 (b) 강수량 변화. 주황색 선과 하늘색 선은 제로 배출 시나리오에서의 변화를 나타내며, 빨간색 선과 파랑색 선은 음의 배출에서의 변화를 나타냄. 회색 선은 제로 배출에서의 대기 중 이산화탄소 농도, 진한 회색 선은 음의 배출에서 대기 중 이산화탄소 농도를 의미함.

그림 3 | 제로와 음의 이산화탄소 배출 시나리오(Zero and Negative CO₂ emissions scenarios)에서의 극한 강수(Heavy precipitation)와 강수일수(Wet days) 변화. (a) 제로 배출 시나리오와 (b) 음의 배출 시나리오에서 이산화탄소 농도가 가장 높은 시기(MAX, 2100s) 대비 복원 시기(RS, 2300s)의 극한 강수 변화. 육각형은 각 지역의 평균 된 극한 강수 값을 나타냄. 초록색은 극한 강수가 완화됨을 의미하며, 노랑색은 심화됨을 의미함. (c) 연 최대 일 강수량이 30mm가 넘는 지역에서 극한 강수가 증감한 면적 비율을 나타냄. (d) 일 강수가 최소 1mm가 넘는 날의 연 총 강수 일수(Wet days)의 면적 변화를 비율로 나타냄.