[오스트리아] "구름 군집화로 더 많은 폭우 발생한다"

ISTA·MPI-M 연구진, 고해상도 기후모델로 열대지방 극한 강우량에 대한 구름·폭풍 영향 연구

『사이언스 어드밴스(Science Advances)』2월 23일자에 연구논문 발표

2월 23일(현지시각) 막스 플랑크 기상연구소(Max Planck Institute for Meteorology)와 고해상도 세계 기후 모델을 사용해 구름과 폭풍의 군집이 열대 지방의 극한 강우량에 어떤 영향을 이해하는지를 분석한 연구를 『사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널』에 게재했다. 사진은 왼쪽부터 1972년에 촬영된 지구, 육지 및 해양에 대한 시뮬레이션의 데이터 시각화. [사진제공 = NASA, MPI-M, DKRZ]

변화하는 기후에서 구름의 패턴을 이해하는 것은 사회와 자연에 미치는 영향을 정확히 예측하는 데 필수적이다. 오스트리아 과학기술연구소(Institute of Science and Technology Austria, ISTA)는 2월 23일(현지시각) 막스 플랑크 기상연구소(Max Planck Institute for Meteorology)와 고해상도 세계 기후 모델을 사용해 구름과 폭풍의 군집이 열대 지방의 극한 강우량에 어떤 영향을 이해하는지를 분석한 연구를 『사이언스 어드밴스(Science Advances)』에 게재했다. 연구진은 기온이 상승함에 따라 극한 강수로 인한 문제의 심각성이 증가한다는 것을 밝혔다.

폭우는 인명을 앗아가고 수십억 달러의 피해를 입히는 자연재해 중 하나다. 지구온난화로 지난 몇 년 동안 폭풍 빈도가 증가하고 있다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 현상의 배후에 있는 메커니즘을 더 잘 이해하고 미래의 추세를 예측하기 위해 지구의 기후에 대한 컴퓨터 모델을 사용해 왔다. 

『사이언스 어드밴스(Science Advances)』에 실린 이번 연구에서, 지아웨이 바오(Jiawei Bao) ISTA 박사 연구원이 이끄는 오스트리아 과학기술연구소와 막스 플랑크 기상연구소는 최첨단 기후 모델을 사용해 구름과 폭풍 군집이 극한 강우 현상에 미치는 영향을 연구했다.

지아웨이 바오 연구원은 "훨씬 더 미세한 해상도를 가진 이 새로운 유형의 모델은 기후가 따듯해짐에 따라 구름으로 더 몰리고 있어 열대 지방의 극한 강우 현상이 이론에서 예상했던 것보다 더 심각하다는 것을 보여줬다"며 "구름이 더 많이 모여 있으면 비가 더 오래 내려 건조한 지역이 늘어나고 극단적인 날씨 패턴이 더 많이 발생하는데, 이는 구름과 폭풍이 함께 모여 있기 때문"이라고 말했다. 

바오 연구원은 "2019년에 처음 제안된 이 모델은 이전 모델보다 훨씬 더 높은 해상도로 기후를 시뮬레이션할 수 있다"며 "이전 모델은 구름과 폭풍을 세밀하게 관찰할 수 없어 구름이 모여 더 강력한 폭풍을 형성하는 공기 이동의 복잡한 역할을 많이 놓쳤다"고 설명했다.

이 모델은 전 세계를 동시에 시뮬레이션할 수 있다. 과학자들은 구름과 폭풍의 형성이 다른 위도에서와 다르게 적용하는 점을 고려해 적도 주변의 열대 지역 분석에 집중했다. 

 캐롤라인 뮐러(Caroline Muller) ISTA 조교수는 "이전 모델은 구름 군집이 극단적인 강수량에 미치는 영향을 암시했으나 필요한 데이터를 제공하지 못했다"며 "막스 플랑크 기상연구소의 비욘 스티븐스(Bjorn Stevens)와 루카스 클루프트(Lukas Kluft)와 협력을 통해 더 작은 규모의 구름 형성이 기후 변화에 결정적인 영향을 미친다는 것을 발견했다"고 밝혔다.

전 세계 연구자는 기후 변화의 영향을 이해하기 위해 세계 기후에 대한 보다 상세하고 사실적인 모델을 만들기 위해 협력하고 있다. 기후 모델은 지구의 대기를 3차원 덩어리(Chunks)로 구분하며, 각 덩어리에는 온도와 압력, 습도 등 더 많은 물리적 특성에 대한 자체 데이터가 있다. 

물리 방정식을 사용해 이러한 덩어리가 상호 작용하고 시간이 지남에 따라 변하는 방식을 시뮬레이션함으로써 실제 세계를 표현할 수 있다. 컴퓨터의 성능과 저장공간이 무한하지 않으므로 이러한 모델에는 단순화가 도입돼야 하며, 과학자들은 이를 더 정확하게 만들기 위해 지속적으로 노력해야 한다.

이전 세대의 기후 모델은 수평 길이가 약 100㎞에 달하는 덩어리를 사용하는데, 그 결과 여전히 수만 개에서 수십만 개의 덩어리가 전 세계를 뒤덮고 있는 것으로 나타났다. 알고리즘과 슈퍼컴퓨터의 발전으로 과학자들은 모델의 해상도를 점점 더 높일 수 있었다. 

바오 연구원은 "MPI-M에서 개발한 기후 모델을 사용하고 독일 함부르크에 있는 독일 기후 컴퓨팅센터(German Climate Computing Center)에서 제시된 데이터를 단 5㎞의 해상도로 분석했는데, 계산하는 데 비용이 많이 들었다"며 "모든 기후 연구는 세게에 대한 이해와 이를 위한 수백 명의 공동노력"이라고 강조했다.

호주 뉴사우스웨일스대학교(University of New South Wales, Australia) 박사 과정에서 처음 기후 연구에 관심을 갖게 된 바오 연구원은 현재 IST-BRidge 박사후 연구원(Post-doctoral Fellow)으로 일하고 있으며, 추가 모델을 활용해 극한 강수 현상에 대한 연구를 지속하고 그 원인과 영향에 대한 더 많은 증거를 찾고 있다.

뮐러 조교수는 수학 공부를 마치고 현실 세계에 더 많은 영향을 미치는 연구에 관심을 두기 시작했다. 그의 연구진은 기후 모델을 사용해 공기 대류이온과 열대성 저기압에 이르기까지 다양한 규모의 구름과 폭풍의 형성을 연구하는 등 기후 변화의 원인과 결과를 밝혀내는 데 노력하고 있다.

이 연구는 막스 플랑크 게젤샤프트(Max Planck Gesellschaft, MPG), 독일 기후 컴퓨팅 센터(German Climate Computing Centre, DKRZ), 율리히 슈퍼컴퓨팅 센터(Jülich Supercomputing Centre, JSC), 넥스트젬스(NextGEMS) 프로젝트를 통한 유럽연합(EU)의 호라이즌(Horizon) 2020 프로그램과 독일 연방 교육 연구부(BMBF)의 몬순(MONSOON)-2.0 프로젝트로부터 지원받았다.

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Cloud Clustering Causes More Extreme Rain

New climate model shows more extreme rainfall in the tropics with increased temperatures

Understanding cloud patterns in our changing climate is essential to making accurate predictions about their impact on society and nature. Scientists at the Institute of Science and Technology Austria (ISTA) and the Max Planck Institute for Meteorology published a new study in the journal Science Advances that uses a high-resolution global climate model to understand how the clustering of clouds and storms impacts rainfall extremes in the tropics. They show that with rising temperatures, the severity of extreme precipitation events increases.

Extreme rainfall is one of the most damaging natural disasters costing human lives and causing billions in damage. Their frequency has been increasing over the last years due to the warming climate. For several decades, scientists have been using computer models of the Earth’s climate to better understand the mechanisms behind these events and to predict future trends. In a new study, now published in the journal Science Advances, a team of researchers from the Institute of Science and Technology Austria (ISTA) and the Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M) led by ISTA postdoc Jiawei Bao used a new state-of-the-art climate model to study how cloud and storm clustering impacts extreme rainfall events—specifically in the tropics—in more detail than has been possible before.

“This new type of model with a much finer resolution showed that, with a warmer climate, extreme rainfall events in the tropics increase in severity more than was expected from theory due to clouds being more clustered,” Bao, who originally started this project during his previous postdoc position at the MPI-M, explains. “We can see that when clouds are more clustered, it rains for a longer time, so the total amount of rainfall increases. We also found that more extreme rain over high-precipitation areas happens at the cost of expansion of dry areas—a further shift to extreme weather patterns. This is due to how clouds and storms cluster together, which we could now simulate with this new climate model.” This new model, first proposed in 2019, simulates the climate with a much higher resolution than previous ones. Previous models could not factor in clouds and storms in as much detail, therefore missing much of the complex dynamics of air movement that create clouds and make them congregate to form more intense storms.

While the model simulates the whole world at once, the scientists focused their analysis on the area of the tropics around the equator. They did this because cloud and storm formation there works differently than in other latitudes. Caroline Muller, Assistant Professor at ISTA, adds, “Previous models have hinted at the influence of clouds clustering on precipitation extremes but could not provide the necessary data. In collaboration with our colleagues Bjorn Stevens and Lukas Kluft from the Max Planck Institute for Meteorology, our findings add to the growing body of evidence showing that cloud formation on a smaller scale has a crucial impact on the outcomes of climate change.”

Collaborative models

Researchers all over the world are collaborating on creating more detailed and realistic models of the world’s climate to understand the effects of climate change. Climate models divide the Earth’s atmosphere into three-dimensional chunks, each with its own data about temperature, pressure, humidity, and many more physical properties. They then employ physical equations to simulate how these chunks interact and change over time to create a representation of the real world. As computing power and storage are not unlimited, these models have to introduce simplifications and scientist continuously work to making them more accurate.

Older generations of climate models use chunks of around 100 kilometers in horizontal length, which still result in tens to hundreds of thousands of them covering the whole globe. Advances in algorithms and supercomputers enabled scientists to increase the resolution of the models more and more. “We used a climate model developed at MPI-M and analyzed the data hosted at the German Climate Computing Center in Hamburg with a resolution of just five kilometers which was very computationally expensive,” Bao adds. “All climate research is an immense collaborative effort by hundreds of people who want to contribute to our understanding of the world and our impact on it.”

Bao, who first got interested in climate research during his PhD at the University of New South Wales, Australia, and who now works as an IST-BRIDGE postdoctoral fellow at ISTA, wants to continue his work on extreme precipitation events to find more evidence for their causes and impacts using additional models.

Caroline Muller, who first studied mathematics and then found her passion for research questions with more real-world impact, and her research group use climate models to study air convection and the formation of clouds and storms at different scales—up to tropical cyclones—to better understand their causes and the impacts of climate change on society and nature.

[출처 = 오스트리아 과학기술연구소(ISTA)(https://ista.ac.at/en/news/cloud-clustering-causes-more-extreme-rain/) / 2024년 2월 23일]

[논문출처 = 『사이언스 어드밴스(Science Advances)』(https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj6801)]