Spatio-Temporal Disaggregation of CMIP6 Rainfall Datasets and Generation of Intensity Duration Frequency (IDF) Curves for Hyderabad Metropolitan City, India

도시는 단순히 건물들의 집합체가 아닙니다. 도시는 기후가 탁 트인 시골과는 다르게 작동하는 복잡하고 살아 숨 쉬는 시스템입니다. 폭우가 쏟아질 때, 도시의 지면은 숲의 바닥처럼 물을 흡수할 수 없습니다. 대신, 물은 콘크리트와 아스팔트 위를 빠르게 흘러가며 배수구와 거리를 무서운 속도로 채웁니다. 엔지니어들이 도시를 안전하게 유지하기 위한 파이프와 수로를 설계할 때, 그들은 '강도-지속시간-빈도(intensity-duration-frequency)' 곡선이라고 불리는 특정한 종류의 지도를 활용합니다. 이 지도는 지형을 보여주는 것이 아니라, 비가 얼마나 강하게 내리는지, 폭우가 얼마나 오래 지속되는지, 그리고 그러한 폭풍이 얼마나 자주 발생하는지 사이의 통계적 관계를 보여줍니다. 예를 들어, 이 지도는 1시간 동안 일정량의 비가 내릴 때와 6시간 동안 내릴 때 각각 배수구가 처리해야 하는 물의 양을 계획가들에게 알려줍니다. 그러나 이러한 지도들은 점차 구식이 되어가고 있습니다. 지구 온난화로 인해 기후가 변화함에 따라 강우 패턴이 변하고 있으며, 더욱 불규칙하고 강렬해지고 있기 때문입니다. 과거의 기상 데이터를 바탕으로 작성된 기존의 지도들은 변화하는 대기의 현실을 더 이상 반영하지 못하고 있습니다.

과학자들의 과제는 미래의 날씨를 예측하는 데 사용되는 도구인 '전지구 기후 모델(global climate models)'이 개별 도시의 세부 사항을 포착하기에는 너무 거칠다는 점입니다. 이 모델들은 보통 수백 마일에 걸친 거대한 격자로 세계를 나눕히는데, 이는 도시 지역을 침수시키는 특정하고 격렬한 폭우를 포착하기에는 너무 큽니다. 게다가, 이 모델들은 대개 일 단위의 덩어리로 강수량을 예측하지만, 도시의 배수 시스템은 시간 단위로 어떤 일이 일어나는지를 알아야 합니다. 이 간극을 메우기 위해 연구자들은 전지구 모델의 광범위한 일일 예측치를 가져와 엔지니어들이 필요로 하는 정밀한 시간 단위의 상세 데이터로 분해해야 합니다. 이 과정은 두 단계로 이루어집니다. 첫째, 모델이 지역 기상 기록과 일치하도록 보정하는 것이고, 둘째, 일일 총량을 현실적인 시간별 패턴으로 나누는 것입니다.

나레쉬 아디(Naresh Aadhi)와 인도 오스마니아 대학교 동료들이 이끄는 연구팀은 데칸 고원에 위치한 거대 대도시 지역인 하이데라바드를 대상으로 이 문제를 해결했습니다. 하이데라바드는 열대 습윤 기후와 반건조 기후가 교차하는 지점에 위치하여 독특한 기후적 혼합 양상을 보입니다. 이 도시는 대부분의 비를 남서 몬순에 크게 의존하지만, 최근 몇 년간 우려스러운 경향이 나타났습니다. 전체적인 강수 일수는 줄어들었지만, 비가 오는 날에는 매우 위험한 강도로 물을 쏟아붓는 것입니다. 2020년, 하이데라바드는 단 하루 동안 250밀리미터 이상의 비를 기록하며 심각한 홍수를 일으켰습니다. 다음에 올 상황에 대비하기 위해, 연구팀은 이러한 극단적인 단기 폭풍이 세기말까지 어떻게 변할지 이해해야 했습니다. 그들은 가장 진보된 지구 미래 기후 시뮬레이션을 제공하는 최신 세대의 전지구 기후 모델, 즉 '결합 모델 상호 비교 프로젝트 제6단계(CMIP6)'를 활용했습니다.

연구진은 어떤 모델이 하이데라바드의 강우 역사를 가장 잘 재현할 수 있는지 확인하기 위해 8개의 서로 다른 전지구 기후 모델을 선정했습니다. 그들은 1969년부터 2013년까지 해당 도시의 단일 기상 관측소에서 기록된 45년간의 실제 강수 기록을 벤치마크로 사용했습니다. 연구진은 평균 강수량, 변동성(일별 강수량의 변화), 습윤 및 건조 시간의 패턴, 그리고 한 시간의 강우가 다음 시간의 강우와 어떤 관계를 갖는지라는 네 가지 핵심 특성을 기준으로 모델을 테스트했습니다. 결과는 시사하는 바가 컸습니다. 모든 면에서 완벽한 단일 모델은 없었습니다. CNRM-ESM2-1 모델은 평균 강수량을 가장 잘 맞추었고, BCC-CSM2-MR 모델은 비의 자연스러운 증감을 가장 잘 맞추었습니다. 습윤한 시간과 건조한 시간의 타이밍을 맞추는 데 있어서 모델들은 어려움을 겪었으며, 종종 너무 많은 건조 시간을 예측했습니다. 이 발견은 기후 과학의 어려운 진실을 강조했습니다. 즉, 특정 작업에 가장 중요한 측면이 무엇인지에 따라 신뢰할 수 있는 모델이 달라질 뿐, 단 하나의 '최고' 모델은 존재하지 않는다는 것입니다.

모델이 과거와 일치하도록 보정된 후, 연구팀은 두 번째 퍼즐인 일일 총 강수량을 시간 단위 데이터로 전환하는 문제를 해결해야 했습니다. 그들은 세 가지 다른 수학적 접근 방식을 테스트했습니다. 첫 번째인 '바틀렛-루이스(Bartlett-Lewis)' 모델은 비를 서로 뭉쳐 있는 일련의 펄스(pulses)로 취급합니다. 두로 '마이크로캐노니컬 캐스케이드(Microcanonical Cascade)' 방식은 전체 강수량이 동일하게 유지되도록 총량을 점점 더 작은 조각으로 나누며 나무의 가지처럼 하루를 분해합니다. 세 번째 방법인 'K-최근접 이웃(K-Nearest Neighbor)' 방식은 과거의 유사한 기상 패턴을 가진 날들을 찾아 그들의 시간별 세부 구조를 빌려와 새롭고 현실적인 시나리오를 만들어냅니다. 연구팀은 이 세 가지 방법을 보정된 전지구 모델에 적용하여 수천 개의 가능한 미래 시간별 강수 시퀀스를 생성했습니다.

이러한 고해解도의 시퀀스를 확보한 후, 연구진은 하이데라바드를 위한 새로운 강도-지속시간-빈도 곡선을 구축했습니다. 그들은 온실가스 배출량이 중간 수준으로 안정화되는 세계와 배출량이 높은 비율로 계속 증가하는 두 가지 서로 다른 미래 세계를 살펴보았습니다. 또한 근미래(20152056년)와 원미래(20572100년)라는 두 가지 시간대도 조사했습니다. 결과는 도시 인프라에 명확하고 우려 섞인 그림을 그려냈습니다. 시뮬레이션 결과, 매우 짧고 강렬한 폭풍의 위험이 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. 중간 배출 시나리오 하에서, 모델들은 1시간 폭풍의 강도가 근미래에 약 250밀리미터에 달할 수 있다고 투영했습니다. 이는 매우 짧은 시간 동안 쏟아지는 엄청난 양의 물입니다. 3시간 폭우 역시 시간당 약 85밀리미터에 달하는 심각한 수준이 될 것으로 예측되었습니다.

흥미롭게도, 이러한 짧은 폭발적 강우의 심각성이 세기가 진행됨에 따라 반드시 증가하는 것은 아니었습니다. 원미래(2057~2100년)의 1시간 및 3시간 폭우 강도는 근미래의 투영치와 대체로 유사하게 유지되었는데, 이는 배출량이 높든 중간이든 상관없이 도시가 남은 세기 동안 이러한 특정 유형의 극단적인 사건들에 대해 높아진 위험에 직면해 있음을 시사합니다. 그러나 장기 폭우의 이야기는 달랐습니다. 몬순 시즌에 더 전형적인 6시간 및 12시간 강우 강도는 역사적으로 경험했던 범위 내에 머물렀습니다. 이는 하이데라바드에 닥친 주요 위협이 우기 기간의 변화가 아니라, 가장 짧고 갑작스러운 폭우의 격렬함이 급격히 증가하는 것임을 나타냅니다.

또한 이 연구는 이 특정 작업에 어떤 도구가 가장 효과적인지를 밝혀냈습니다. 연구진은 K-최근접 이웃 방식과 마이크로캐노니컬 캐스케이드 방식이 특히 가장 강렬한 폭풍의 패턴을 재현하는 데 효과적이며, 이를 MIROC6 전지구 기후 모델과 결합했을 때 유용하다는 것을 발견했습니다. 다른 모델들은 1시간 폭우의 정점 강도를 과대평가하는 경향이 있었던 반면, MIROC6 모델은 관측된 역사적 추세를 밀접하게 추적했습니다. 이는 엔지니어들에게 미래의 배수 시스템을 설계할 때 사용할 수 있는 구체적이고 신뢰할 수 있는 도구 조합을 제공합니다. 이 연구 결과는 엄중한 경고를 던집니다. 도시 인프라를 구축하는 기존의 규칙은 더 이상 충분하지 않습니다. 기후가 변화함에 따라, 하이데라바드와 마찬가지로 많은 도시 중심지들은 가장 위험한 비가 가장 짧은 시간에 쏟아지는 미래에 대비해야 하며, 이는 콘크리트 정글 속에서 물을 관리하는 방식에 대한 근본적인 재고를 요구합니다.