[미국] 21세기 물 부족과 기후 변화 분석
2095년까지 전 세계 물 부족 지도(global water scarcity map)는 어떤 것일까? 미국 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(PNNL; Pacific Northwest National Laboratory) 소속의 연구진은 탄소 오염(carbon pollution)을 줄이기 위하여 선택된 기후 완화 정책(climate mitigation policy)의 유형과 엄격성에 따라 물 부족 지도가 달라질 수 있다고 제안했다.
이러한 종류로는 최초의 포괄적인 분석에서, 미국 메릴랜드 대학 산하 조인트 지구 변화 연구소(Joint Global Change Research Institute) 연구진은 물 부족(water scarcity)에 대한 지구 변화의 효과를 보여주기 위하여, 경제, 에너지, 토지 사용 및 기후 시스템과 관련된 독특한 모델링 능력을 사용했다. 연구진은 물 사용과 이러한 강력한 엔진에서 이용 가능성을 통합하여, 가능한 기후 완화 정책 목표에 대한 시나리오를 운영하여 탄소 배출을 억제하기 위한 기후 정책이 없다면, 전 세계 인구의 약 50%가 극심한 물 부족을 겪게 될 것이라는 사실을 확인했다. 물을 고갈시키는 바이오연료 성장의 증가 같은 일부 기후 완화 정책이 물 부족을 악화시킬 수 있을 것으로 추정됐다.
물 부족은 기후 변화를 완화 또는 적응하기 위한 우리 능력에 상당한 문제를 불러일으킬 수 있다. 예를 들면, 온실가스 배출을 줄이는 수많은 기술 전략의 중요한 구성원소인 화석 연료 공급원을 대체하는 증가하는 바이오에너지 작물은 많은 물에 의존한다. 따라서 물의 이용도(water availability)는 배기가스 완화와 기후 적응을 심각하게 제한할 수 있다.
PNNL은 변화하는 인구, 경제 시스템, 기술 및 기후 등이 동시에 관여하는 것으로부터 발생하는 변화하는 물의 공급과 수요의 영향을 평가하기 위하여 GCAM(Global Change Assessment Model)을 강화했다.
21세기에 걸쳐 전 세계 및 지역적으로 물 부족 조건이 에너지, 농업, 기후 및 물 등에 대한 주도적인 군집이 통합된 평가 모델인 GCAM(Global Change Assessment Model)에서 물 이용도와 물 수요를 추정함으로써 기후 변화와 기후 완화 정책의 관점에서 평가됐다. 미래 물 이용도에서 변화를 정량화하기 위하여, 새로운 그리드의 물 균형 전 세계 수문학적 모델인 GWAM(Global Water Availability Model)이 개발 및 평가됐다.
모든 고분해능 전 세계적으로 통합된 평가 모델은 물 시스템의 묘사가 결여되어 있다고 이 논문의 주저자이며 PNNL 소속의 기후 과학자인 Mohamad Hejazi 박사는 밝혔다. 이것은 기후 변화에 대한 배기가스 완화가 물 부족에 의해 영향 받지 않을 것이라고 가정하고 있다. 그러나 연구진은 비록 사회가 완화 정책을 채용한다고 하더라도, 물이 기후의 미래에 상당한 구성 원소라는 사실을 발견했다.
6개 주요 수요 분야에 대한 전 세계 물 수요가 지역적인 규모에서 GCAM에서 모형화된 후, GWAM의 규모에 맞추기 위하여 0.5° × 0.5° 분해능으로 공간적인 규모 축소가 이루어졌다. 8.8 W m−2에 이르는 복사강제력과 7.7, 5.5 및 4.2 W m−2 등의 증가하는 완화 강도를 가지는 세 가지 기후 정책 시나리오와 함께 기후 변화 완화 전략이 없는 기준 시나리오를 이용하여, 연구진은 물 부족에 대한 배기가스 완화 정책의 효과를 조사했다.
연구팀은 새로운 격자의 물 균형 전 세계 수문학적 모델(water-balance global hydrologic model)을 구축하여 GCAM 물 시스템에 구성 원소로 추가했다. GCAM에 모든 기존 물 수요 분야의 고분해능 묘사와 결합하여, 역동적이고 고분해능의 전 세계에 대한 연간 물 부족 이미지를 생성했다. 연구진은 다수의 지역 규모에서 GCAM에 ① 관개, ② 가축, ③ 가정용, ④ 전기 생산, ⑤ 채광 및 ⑥ 제조업 등 6개 주요 물 수요 분야를 모형화하여, 이후 공간적으로 규모를 축소했다. 게다가, 연구진은 물 부족에 대한 영향을 추정하기 위하여 GCAM에 두 가지 유형과 복사 강제력의 3가지 목표를 보여주는 6개의 정책 시나리오를 시뮬레이션했다. GCAM에서 이러한 시나리오에 대한 시뮬레이션을 수행하는 것은 연구진이 통합된 작업 틀에서 지구 및 지역적인 물 부족 추정치에 대한 기후 완화 정책의 효과를 정량화할 수 있게 해주었다. 한편, 물 부족에 대한 기후 정책의 다른 제약 수준과 유형과 다른 일반적인 순환 모델을 이용하여 발생하는 불확실성을 고려했다.
① 토지 사용 변화 배출이 포함된 일반적인 탄소세(UCT; universal carbon tax)와 ② 토지 변화 배출이 제외된 화석 연료 및 산업 배기가스 탄소세(FFICT; fossil fuel and industrial emissions carbon tax) 등 두 가지 탄소세 체재가 분석됐다. 기준 시나리오는 21세기 말까지 극심한 물 부족 하에 전 세계 인구 절반이 겪게 될 것이라고 밝혔다.
기후 정책이 수행되지 않은 지역을 기준 시나리오로 비교했을 때, 물 부족은 보편적인 탄소세 완화 정책 하에서 감소됐지만, 2095년까지 주로 우세한 바이오에너지 생산에서 가변성을 이유로 화석 연료와 산업 분야에서 배출되는 탄소세 완화 시나리오에 따라 증가했다. 이 분석은 기준 시나리오가 21세기 말까지 전 세계 인구의 50% 이상이 극심한 물 부족을 겪게 될 것이라는 것을 보여주었다. 2050년에 한 가지 기준(그리드 규모)에 따라, 전 세계 인구의 약 36%가 1년 이내에 이용 가능한 물보다 더 큰 물 수요를 가지게 될 것이라고 제안했다. 2095년까지 이러한 수치는 44%까지 증가할 것으로 예측됐다. 또 연구진은 그리드 규모의 결과를 보완하기 위하여 분수계 규모(watershed scale)에서 계산을 수행했다.
그림1> 미래 물 부족이 기후 변화를 완화 또는 적응하는 우리의 능력에 상당한 어려움을 겪게 할 수 있다.
그림2> 물 시스템을 추가한 지구 변화 평가 모델과 시스템 도표
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 8월 22일]
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Water scarcity and climate change through 2095
What will a global water scarcity map look like in 2095? Radically different, according to scientists at Pacific Northwest National Laboratory, depending on the type and the stringency of the climate mitigation policies chosen to reduce carbon pollution.
In a first of its kind comprehensive analysis, the researchers, working at the Joint Global Change Research Institute, used a unique modeling capability that links economic, energy, land-use and climate systems to show the effects of global change on water scarcity. When they incorporated water use and availability in this powerful engine and ran scenarios of possible climate mitigation policy targets, they found that without any climate policy to curb carbon emissions, half the world will be living under extreme water scarcity. Some climate mitigation policies, such as increasing growth of water-hungry biofuels, may exacerbate water scarcity.
Water scarcity may pose a significant challenge to our ability to adapt to or mitigate climate change. Why? For example, growing bioenergy crops to replace fossil fuel sources, an important component of many technology strategies that reduce greenhouse gas emissions, rely on plentiful water. Thus, water availability could impose severe limits on both emissions mitigation and climate adaptation.
PNNL enhanced the Global Change Assessment Model (GCAM) to assess the impact of changing water supplies and demands that stem from a simultaneously evolving human population, economic system, technology and climate.
"All high-resolution global integrated assessment models lack any representation of water systems," said Dr. Mohamad Hejazi, lead author and climate scientist at PNNL, working at the Joint Global Change Research Institute. "This implicitly assumes that emissions mitigation to climate change will be unaffected by water scarcity. Yet, we found that water is a significant component of our climate's future, even if societies deploy mitigation policies."
The team constructed a new gridded water-balance global hydrologic model and added the component to the GCAM water system. Combined with high-resolution (spatially downscaled) representations of all the existing water demand sectors in GCAM, this produced a dynamic, high-resolution view of global, annual water scarcity. They modeled six major water demand sectors (irrigation, livestock, domestic, electricity generation, mining, and manufacturing) in GCAM at multiple regional scales and then spatially downscaled. Further, they simulated six policy scenarios (two types and three targets of radiative forcings) in GCAM to estimate the impacts on water scarcity. Simulating these scenarios in GCAM allowed the researchers to quantify, in an integrated framework, the effects of climate mitigation policies on global and regional water scarcity estimates, while accounting for uncertainty arising from using different general circulation models and following different types and constraining levels of climate policies on water scarcity.
When compared to a baseline scenario where no climate policy is implemented, water scarcity declines under a universal carbon tax mitigation policy, but it increases with a fossil fuel and industrial emissions carbon tax mitigation scenario by the year 2095, mainly due to variations in prevailing bioenergy productions. The analyses show the baseline scenario results in more than half of the world's population living under extreme water scarcity by the end of the 21st century. By one measure (grid scale) in 2050, 36 percent of the global population will have greater water demands than water available in a year; and by 2095, that number increases to 44 percent. They also performed the calculations at watershed scale to complement the grid scale results.
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