Human impacts on the 2015 equatorial Asia drought: the role of air-sea coupling in the event attribution study

과학자들이 특정한 극한 기상 현상이 왜 발생했는지 이해하려고 노력할 때, 그들은 종종 단순하지만 심오한 질문을 던집니다. 바로 인간이 유발한 기후 변화가 이 사건의 발생 가능성을 얼마나 높였는가 하는 점입니다. '사건 기여도(event attribution)'라고 알려진 이 분야는 지구 기후에 대한 복잡한 컴퓨터 모델을 실행하는 데 의존합니다. 답을 얻기 위해 연구자들은 보통 두 세트의 시뮬레이션을 실행합니다. 한 세트는 인간이 배출한 모든 온실가스가 존재하는 오늘날의 세계를 모사합니다. 다른 한 세트는 그러한 배출이 전혀 없었던 가상의 '대조적(counterfactual)' 세계를 상상하며, 이는 자연적인 기후 변동성을 나타내는 기준점이 됩니다. 극심한 가뭄과 같은 특정 재해가 이 두 세계에서 각각 얼마나 자주 발생하는지 비교함으로써, 과학자들은 해당 사건에 대한 인간의 기여도를 계산할 수 있습니다.

하지만 지구는 대기와 해양이 끊임없이 역동적인 대화를 나누는 시스템입니다. 해수면 온도는 그 위의 공기에 영향을 미치고, 바람과 비는 다시 해양을 냉각시키거나 가열합니다. 수년 동안 연구자들은 이러한 기여도 연구를 위해 단순화된 형태의 모델을 자주 사용해 왔습니다. 이러한 모델은 해양을 정적인 배경으로 취급하여, 대기가 해양에 다시 영향을 줄 수 있도록 허용하지 않은 채 고정된 온도 지도를 대기에 제공합니다. 이 방식은 시간과 계산 능력을 절약해주지만, 우리 날씨를 주도하는 양방향 피드백을 무시합니다. 문제는 우리가 특정 재해의 원인을 규명하려 할 때, 이 누락된 대화가 정말로 중요한가 하는 점입니다.

도쿄 대학교의 하세가와 아키라가 이끄는 연구팀은 2015년 건기에 적도 아시아를 강타했던 심각한 가뭄을 이용해 바로 이 아이디어를 테스트하기로 했습니다. 그해에는 중부 태평양의 해수가 이례적으로 따뜻해지는 현상을 특징으로 하는 거대한 엘니뇨 현상이 발생하여, 지역에 비를 가져다주는 일반적인 전 지구적 바람 패턴을 약화시켰습니다. 그 결과 파괴적인 강수량 부족 현상이 나타났습니다. 연구진은 표준적인 단순화 모델이 인간에 의한 온난화가 이 건조한 시기에 얼마나 기여했는지에 대해 정확한 그림을 보여주고 있는지, 아니면 누락된 해양 피드백이 결과를 왜곡하고 있는지를 알고 싶었습니다.

이 답을 찾기 위해 연구팀은 두 가지 유형의 대규모 컴퓨터 실험을 수행했습니다. 첫 번째 유형은 대기와 해양이 실제처럼 자유롭게 상호작용하며 열과 습기를 교환할 수 있는 '완전 결합 모델(fully coupled model)'을 사용했습니다. 두 번째 유형은 해양이 위의 바람과 구름에 반응하지 못하도록 첫 번째 실험과 똑같은 상태를 유지하도록 강제하는 '대기 전용 모델(atmosphere-only model)'을 사용했습니다. 두 세트의 시뮬레이션 모두 실제 2015년의 역사적 조건과 인간에 의한 온난화가 없는 세계를 나타내는 두 가지 시나리오 하에서 실행되었습니다. 연구진은 이 네 가지 서로 다른 시뮬레이션 그룹의 결과를 비교함으로써, 공기-해양 상호작용이 결론에 미치는 구체적인 영향을 분리해 낼 수 있었습니다.

결과는 단순화된 접근 방식의 중대한 결함을 드러냈습니다. 대기 전용 시뮬레이션에서는 모델이 필리핀해 상공(가뭄 피해 지역의 북쪽)에서 공기의 상승 운동을 과대평가하는 지속적인 편향을 보였습니다. 실제 세계와 완전 결합 모델에서는 해양이 이 상승하는 공기에 반응하여 표면을 냉각시키며, 이는 자연스럽게 상승 운동이 얼마나 강해질 수 있는지를 제한합니다. 그러나 단순화된 모델은 해양이 냉각될 수 있게 하지 못했기 때문에, 공기가 억제되지 않은 채 계속 상승했습니다. 북쪽에서의 이러한 과도한 상승 운동은 적도 아시아 상공의 보상적인 하강 운동을 강제했고, 이로 인해 모델 내의 해당 지역은 실제보다 훨씬 더 건조하게 나타났습니다.

이 인위적인 건조함은 기여도 결과에 직접적이고 오해의 소지가 있는 영향을 미쳤습니다. 단순화된 모델은 이미 너무 건조한 기후에서 시작했기 때문에, 2015년의 가뭄은 그에 비해 그리 극단적으로 보이지 않았습니다. 통계적으로 보면, 모델은 인간에 의한 온난화가 없는 세계에서 그러한 건조한 사건이 발생할 확률이 매우 낮다고 계산했습니다. '온난화가 없는' 세계에서 사건의 발생 확률이 낮고 실제 세계에서 그 사건이 발생한다면, 수학적으로 인간의 영향이 매우 높아야 한다는 결론이 나옵니다. 결과적으로, 대기 전용 모델은 인간의 활동이 2015년 가뭄 위험의 약 44%를 책임지고 있다고 추정했습니다.

반면, 해양이 숨 쉬고 반응할 수 있도록 허용한 완전 결합 모델은 다른 그림을 그려냈습니다. 필리핀해 상공의 냉각 피드백을 올바르게 시뮬레이션함으로써, 이 모델은 인위적으로 건조하지 않은 더 정확한 기준 기후를 만들어냈습니다. 더 현실적인 이 시뮬레이션에서 2015년의 가뭄은 여전히 드문 사건이었지만, 단순화된 모델이 시사했던 것만큼 드물지는 않았습니다. 계산된 인간의 위험 기여도는 약 20%로 크게 떨어졌습니다. 이 연구는 해양의 반응 능력을 무시함으로써, 단순화된 모델들이 이 특정 재해에 대한 인간의 온난화 역할을 두 배 이상 과대평가했을 수 있음을 시사합니다.

연구진은 두 모델 모두 엘니뇨 현상이 가뭄의 주요 동력임을 올바르게 식별했지만, 단순화된 모델은 해당 지역 기후의 자연적 변동성을 포착하는 데 실패했다는 것을 발견했습니다. 대기 전용 시뮬레이션은 해수면 온도와 강수량 사이의 복잡한 관계, 특히 적도 아시아와 같이 해양에 둘러싸인 지역에 존재하는 관계를 재현할 수 없었습니다. 이는 모델이 심각한 가뭄이 자연적으로 발생할 가능성을 과소평가하게 만들었고, 결과적으로 기후 변화의 영향을 부풀리는 체계적인 오류로 이어졌습니다.

이 연구가 단순화된 모델의 가치를 부정하는 것은 아닙니다. 이러한 모델들은 여전히 다양한 유형의 기후 연구에 유용합니다. 하지만 이 연구는 해양과 대기가 밀접하게 연결된 지역의 극한 사건을 연구할 때 발생하는 결정적인 한계를 강조합니다. 연구는 2015년 적도 아시아 가뭄과 같은 사건의 경우, 해양을 수동적인 무대로 취급하는 모델에만 의존하는 것이 인간의 영향력을 과대평가하게 만들 수 있음을 보여줍니다. 이 연구 결과는 기후 변화가 특정 재해에 남긴 흔적을 진정으로 이해하기 위해서는 바다와 하늘 사이의 완전한 양방향 대화를 반드시 고려해야 함을 나타냅니다.