1. 서 론

온실기체 증가에 따른 미래 기후 변화 예측은 주로 수십 년에서 수백 년의 시간적 범위에 초점을 맞춰 왔으며, 주로 정책 결정, 완화 전략, 그리고 적응 계획의 필요에 따라 이루어져 왔다(IPCC 2001; 2013; 2021). 이러한 수백 년 규모의 미래 기후변화 예측은 사회적, 경제적 대응을 위해서는 충분하지만, 지속적인 인위적 강제력 하에서 지구시스템의 전체 변화를 이해하기에는 다소 부족하다. 빙권은 지구의 기후시스템 변화를 이해하기 위한 필수적인 요소로, 수천 년 이상 규모의 장기적인 빙상의 변화는 해수면, 해양순환, 그리고 대기순환 등 기후시스템과의 다양한 되먹임 과정을 통해 장기 기후변화에 큰 영향을 미칠 수 있다. 특히 최근 보고되고 있는 그린란드와 남극 빙상의 융빙 현상은, 현재 수행되고 있는 기후 예측에서 시간 규모의 확장 필요성을 제기하고 있다(IPCC 2019).

기후 예측의 시간 규모 확장의 필요성은 원자력 분야에서도 제기되고 있다. 전기에너지 수요 증가에 따른 원자력 발전 활용의 증가는 고준위 방사성 폐기물 처리 등의 사회적 과제를 대두시키고 있다. 고준위 방사성 폐기물이 주변 환경에 미치는 위험성과 이의 장기적 지속성은, 방사성 폐기물 처분 시 수십만 년 이상의 기간에 대한 지질, 생태, 기후 등 전반적인 환경 변화에 대한 철저한 안전성 평가를 요구하고 있다(IAEA 2019). 특히 현재 고준위 방사성 폐기물 처분을 위하여 고려되고 있는 심층 지질 저장소의 경우 빙하기 주기, 해수면 변동, 대규모 빙상 역학을 포함한 장기적인 기후 및 지질 환경 변화와 밀접하게 연관되어 있다. 따라서 원자력 분야에서도 기존 수백 년 규모의 기후변화 예측이 아닌 빙하기–간빙기 순환에 따른 기후체제의 전환을 고려한 수십만 년 규모의 초장기 기후 예측에 대한 필요성이 커지고 있으며 이를 위한 다양한 연구가 수행되고 있다(Lord et al. 2016; Lord et al. 2019; Talento and Ganopolski 2021; Kaufhold et al. 2025).

하지만 미래 기후 예측에 활용되는 최신 기후모델이나 지구시스템모델의 경우 예측의 시간 규모를 수천 년 이상으로 확장하기에는 연산 기술과 연산 자원의 제약이 크다. 특히 슈퍼컴퓨터 등의 분산 연산 환경에서 수행되는 대부분 모델은 병렬 확장성에 제한적이어서 연산 자원의 지속적 증가에도 연산 효율의 향상에는 한계가 있다. 장기 기후변화 재현을 위한 중간복잡도 지구시스템모델의 경우 수천 년 이상의 장기 기후변화 재현의 수행은 가능하지만, 기후시스템의 다양한 과정의 정교한 모의에는 제약이 있으며 초장기 기후변화 모의에 필수적인 빙상모델이 접합되어 빙하기-간빙기 순환을 모의할 수 있는 모델은 극히 제한적이다(Eby et al. 2012; IPCC 2013; Ganopolski et al. 2016).

이러한 기후모델을 이용한 빙하기–간빙기 순환을 고려한 초장기 기후변화 예측의 현실적인 어려움으로 인하여, 단순화된 개념모델을 이용한 초장기간의 전지구 평균적인 기후상태의 과거 재현 및 미래 예측 연구가 진행되어 왔다(Paillard 1998; Archer and Ganopolski 2005; Lord et al. 2019; Talento and Ganopolski 2021). Paillard (1998)는 다중상태 기후모형을 이용하여 과거 2백만년의 빙하기–간빙기 순환을 고려한 빙상량의 변화를 성공적으로 재현하였고, Archer and Ganopolski (2005)는 이러한 개념모델을 이용하여 미래 50만년 규모의 전지구 평균온도를 예측하였다. Lord et al. (2019)은 개념모델을 이용하여 미래 1백만년 규모의 전지구 해수면높이의 변화를 예측하였고, 최근 Talento and Ganopolski (2021)은 온실기체 농도의 변화에 따른 전지구 평균온도의 변화를 예단적으로 모의하는 개념모델을 이용하여 미래 빙하기 도래 시기에 대한 불확실성을 평가하였다.

본 연구에서는 전지구 기후시스템과 빙상량의 변화를 개념화하여 전지구 평균 빙상량의 초장기 변화를 모의할 수 있는 전지구 빙상 변화 개념모델과 전지구 해수면변동 개념모델을 소개하고 이를 활용하여 다양한 미래 온실기체 시나리오에 따른 미래 1백만년 규모의 전지구 평균 빙상량과 전지구 평균 해수면높이의 변화를 예측하려 한다. 또한 예측된 전지구 평균 해수면높이 변화에 근거하여 한반도 주변 해수면높이의 변화를 살펴보려 한다. 2장에서 이러한 개념모델의 방법론을 소개하고, 3장에서는 개념모델을 활용한 전지구 빙상량, 전지구 평균온도, 해수면높이의 과거 재현 및 미래 예측 결과를 다룬다. 마지막으로 4장에서는 이러한 개념모델의 한계에 대해 토의할 것이다.

2. 초장기 해수면높이 변화 예측을 위한 개념모델링

빙하기–간빙기 순환에 따른 빙상량 모의를 위한 전지구 빙상변화 개념모델

빙상의 빙하기–간빙기 순환 과정에서의 변화에는 이력(hysteresis) 특성이 존재함이 여러 연구를 통해 밝혀져 왔다(Calov and Ganopolski 2005; Ferreira et al. 2018). Paillard (1998)는 전지구 빙상량 변화의 이력 현상을 고려한 간소화된 전지구 빙상변화 개념모델(이하 P98모델)을 개발하고 과거 2백만 년간의 빙상의 변화를 성공적으로 모의하였다. 이 P98모델은 전지구 빙상량의 초장기 모의를 위하여 기후 체제(regime)를 간빙기(interglacial, i), 약빙하기(mild glacial, g), 최대빙하기(full glacial, G)의 3가지 상태로 분류하고 각 체제간 전이를 간빙기에서 약빙하기(i→g), 약빙하기에서 최대빙하기(g→G), 최대빙하기에서 간빙기(G→i)로의 단방향으로만 전이가 가능하도록 정의하였다. 그리고 기후체제 간 전이는, 간빙기에서 약빙하기로의 전이(i→g)는 일사량이 임계일사량(critical insolation) i0이하로 감소할 때 발생하며 약빙하기에서 최대빙하기로의 전이(g→G)는 전지구 빙상량이 vmax에 도달하면 발생한다. 마지막으로 최대빙하기에서 간빙기로의 전이(G→i)는 최대빙하기 시기에서 일사량이 i1를 넘어서게 되면 발생한다(Fig. 1).

Fig. 1.

Schematics of a conceptual model for simulating past ice volume change including glacial–interglacial cycles from Paillard (1998)

P98모델의 전지구 빙상량의 시간에 따른 변화율은 다음과 같이 정의된다.

dvdt=vR-vτR-FτF

v는 전지구 빙상량, R은 해당 시점의 기후 체제(i, g, G)을 나타내며, vR은 각 체제의 참조 빙상량(reference ice volume)으로 약빙하기와 최대빙하기에서는 1, 간빙기에서는 0으로 정의된다. F는 외부강제력으로 지구공전궤도 변화에 따른 65°N의 여름철 최대 일사량을 P98모델에서 제시된 아래의 절삭 함수를 이용하여 평활화(truncation)한 뒤 정규화 한 값을 사용하였다.

f(x)=12(x+4a+x2)

𝜏는 시간 상수로, 각 기후체제의 참조 상태로 복귀하려 하는 시간 규모이다. P98모델에서는 τi = 10 kyr, τg = 50 kyr, τG = 50 kyr, τF = 25 kyr, i0 = -0.75, i1 = 0, a = 1 계수를 사용하여 과거 1백만 년의 천년 단위의 빙상량 변화를 성공적으로 재현하였다.

초장기 전지구 평균 해수면높이 변화 예측을 위한 전지구 해수면변동 개념모델

Archer and Ganopolski (2005)에서는 P98모델을 이용하여 미래 온실기체 배출량에 따른 전지구 평균온도 예측을 수행하였다. 간빙기에서 빙하기로의 전이를 결정하는 임계일사량(i0)은 대기 중 이산화탄소 농도에 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Calov and Ganopolski 2005; Ganopolski et al. 2016). 따라서 P98모델을 활용하여 온실기체 배출 시나리오에 따른 미래 기후변화를 예측하기 위해서는 인위적 온실기체 배출에 따른 대기 중 이산화탄소 농도 변화에 대한 간빙기–약빙하기 전이 기준 일사량 i0의 변화량이 계산되어야 한다. Archer and Ganopolski (2005)는 중간복잡도 지구시스템모델 CLIMBER-2 (Petoukhov et al. 2000; Ganopolski and Rahmstorf 2001)을 이용하여, 4종의 대기 중 이산화탄소 농도 조건에서 간빙기 동안 북반구 대륙에 빙상이 형성되어 빙하기로 전이하기 시작하는 임계일사량(critical insolation)을 모의하였다. 그리고 이 실험 결과에 기반한 이산화탄소 농도와 임계일사량과의 관계식(critical insolation–CO₂ relation)을 계산하여 다양한 온실기체 배출에 따른 미래 50만년의 빙상량 변화를 예측하였다. 또한 마지막최대빙하기(Last Glacial Maximum, LGM) 시기와 산업혁명 시기의 전지구 평균온도 차이로 알려진 약 4°C와 기후모델간 상호비교연구(Coupled Model Intercomparison Project, CMIP) 실험들에서 수행된 CO₂ 2배증 실험의 평균 기후민감도 범위인 3.9°C를 이용하여 온실기체 변화와 빙하기–간빙기 기후체제에 따른 기후민감도를 추정하고 전지구 빙상량의 변화를 이 기후민감도 범위에 투영하여 초장기 미래 전지구 평균온도 변화를 함께 예측하였다.

Lord et al. (2019)은 전지구 해수면높이의 변화를 예측하기 위하여 Archer and Ganopolski (2005)의 연구를 확장하여 빙하기–간빙기 순환에 따른 전지구 평균 빙상량 변화를 기반으로 전지구 해수면높이의 변화를 모의하는 전지구 해수면변동 개념모델(Conceptual Global Sea Level Model, CGSLM)을 개발하였다. Archer and Ganopolski (2005)의 연구와 마찬가지로 P98모델이 모의하는 전지구 평균 빙상량의 변화를 이용하여 전지구 평균온도의 변화를 추정한 뒤, 이 평균온도 변화에 기반한 전지구 해수면높이 변화를 계산하였다. 이 계산과정에서는 Archer and Ganopolski (2005)의 온도 추정 범위를 개선하여 LGM과 산업혁명이전(Preindustrial) 시기의 온도 차이는 Annan and Hargreaves (2013)에서 평가한 약 4°C로, 온실기체 증가에 따른 효과는 5차 기후모델간 상호비교연구(CMIP5)에서 제안한 평형기후민감도(Equilibrium Climate Sensitivity, ECS) 범위의 중간값인 2.8°C로 갱신하여 사용하였다. 해수면높이 변화는 과거 온도변화를 기준으로 현재 해수면높이(0 m) 대비 LGM 시기의 해수면높이(-130 m)를 이용하여 과거 해수면높이 변화를 계산하고, 지구 온난화로 인한 빙상 감소에 따른 해수면높이의 변화를 Dowsett et al. (2016)의 Pliocene Research, Interpretation and Synoptic Mapping (PRISM4) 플리오세 해수면 변화 복원 자료에 근거하여 최대 24 m까지 상승할 것으로 판단하였다.

전지구 해수면변동 개념모델을 활용한 한반도 주변 해수면높이의 초장기 예측

본 연구에서는 초장기 미래 해수면 변화를 예측한 Lord et al. (2019)의 방법에 기초하여 미래 전지구 해수면높이 변화를 예측하였다. Lord et al. (2019)은 CMIP5의 ECS를 활용하였으나 본 연구에서의 온실기체 배출에 따른 전지구 평균온도 변화의 추정은 6차 기후모델간 상호비교연구(CMIP6)에 참여한 모델들의 ECS의 중간값인 3.9 °C를 활용하였다(Zelinka et al. 2020). 미래 해수면높이 변화의 추정은 수천 년 정도 규모에서는 560 ppm 이상의 대기 중 이산화탄소 농도에서 그린란드 빙상의 완전 소실과 서남극 빙상의 감소가 발생하여 해수면이 최대 24 m 상승할 것으로 가정한 Lord et al. (2019)의 가정을 동일하게 사용하였다. 이러한 그린란드 빙상의 소실에 대한 가정은, Stone et al. (2010)은 대기 중 이산화탄소 농도 560–1120 ppm 조건에서 그린란드 빙상이 전부 녹을 수 있음을 제안한 바 있고 최근 Höning et al. (2023)의 연구에 따르면 이산화탄소 농도 약 440 ppm 조건의 수천 년 평형기후 실험에서 그린란드 빙상이 전부 녹는 것을 제시한 최근 연구 결과에서도 확인된다. 따라서 560 ppm 이하부터 278 ppm까지는 24 m에서 0 m까지 해수면높이가 선형적으로 변화할 것으로 가정하고 대기 중 이산화탄소 농도에 따른 전지구 평균온도 변화와 그에 따른 해수면높이 변화를 추정하였다.

Fig. 2에서는 본 연구의 해수면변동개념모델의 계산 과정을 정리하였다. 먼저 온실기체 농도와 일사량을 이용하여 전지구 빙상량을 계산하는 과정은 P98모델, 이에 근거하여 전지구 평균온도를 추정하는 과정은 Archer and Ganopolski (2005)에서 제안된 방법을 따르며, 이 결과들로 해수면높이 변화를 예측하는 과정은 Lord et al. (2019)과 동일하다. 즉 연구의 해수면높이 예측 과정은 Lord et al. (2019)의 과정과 기본적으로 동일한 접근 방법을 따르며, ECS의 값을 최신 CMIP6 결과를 사용한 것에 차이가 있다.

Fig. 2.

Flowchart for data processing in the conceptual global sea level model in this study

미래 1백만년 대기 중 이산화탄소 농도 변화 시나리오

대기 중 이산화탄소는 수십만 년에 걸쳐 다양한 해양 및 지질학적 과정에 의해 감소하는 것으로 알려져 있다. Lord et al. (2016)은 중간복잡도 지구시스템모델 cGENIE (Colbourn et al. 2013; Ridgwell and Hargreaves 2007)를 이용하여 수백 년 이내 시간규모인 해양표층의 탄소 흡수와 해양순환에 따른 심해 저장, 약 만년 규모의 해저 및 육상 탄산염 중화, 십만 년 이상 규모의 규산염 풍화 피드백을 고려한 미래 1백만년 규모의 이산화탄소 농도 변화를 모의하고 이 결과를 이용하여 미래 이산화탄소 배출에 따른 대기 중 이산화탄소 반응 함수를 제안하였다. 본 연구에서는 Meinshausen et al. (2020)가 제시한 SSP1–2.6, SSP2–4.5, SSP3–7.0, SSP4–6.0, SSP5–8.5 시나리오별 2500년까지의 대기 중 이산화탄소 농도 예측 결과의 2450년의 온실기체 농도와 Lord et al. (2016)에서 제시된 대기중 이산화탄소 농도에 대한 단일 이산화탄소 반응 함수를 이용하여 미래 1백만년의 온실기체 농도 변화 시나리오를 계산하였다.

3. 결 과

해수면변동 개념모델을 이용한 과거 1백만년의 기후 변화 모의

먼저 P98 모델의 빙상량 변화 방정식과 계수들을 이용하여 과거 1백만년간의 빙상 변화를 모의하였다. Fig. 3는 P98모델이 모의한 과거 1백만년 결과 중 과거 14만년부터 현재까지의 빙상량 변화이다. Spratt and Lisiecki (2016)의 같은 기간 전지구 평균 해수면높이 복원자료와 비교하였을 때, 14만년부터 약 12만 7천년 전의 마지막간빙기(Last Interglacial, LIG)까지의 퇴빙기, LIG와 이후 약 2만 1천년 전의 LGM까지의 빙상량 증가 및 해수면높이의 감소, LGM 이후 마지막 퇴빙기까지의 빙하기–간빙기 순환이 잘 재현됨을 확인할 수 있다(Fig. 3a and b).

Fig. 3.

(a) Change in global mean sea level from Spratt and Lisiecki (2016) and (b) change in ice volume simulated by the P98 conceptual model for past 140,000 years. (c, d) Pathways related to changes in summer maximum solar insolation at 65°N. Colors of dots indicate the period of pathway, and climate regimes in P98 conceptual model: interglacial (light blue), mild glacial (gray), and full glacial (black)

빙상량 변화 개념모델의 이력현상 가정에 근거한 간빙기, 빙하기, 최대빙하기 체제 전환 특성과 실제 빙하기 위하여 모의된 기후체제의 시간에 따른 변화를 함께 살펴보았다. 먼저 Fig. 3c는 14만년전부터 현재까지 65°N 여름철 최대 일사량 변화에 따른 Spratt and Lisiecki (2016)의 복원 해수면높이의 변화를 나타낸다. Fig. 3a에서 관찰되는 14만년전부터 약 12만년전까지의 퇴빙기 시기의 급격한 해수면높이의 증가(보라색)와, 12만년부터의 일사량의 감소에 따른 해수면높이 감소의 시작(파란색), 그리고 일사량의 감소 및 증가에도 해수면높이가 점진적으로 낮아지는 약 10만년부터 4만년전까지의 시기(하늘색–연두색), 그리고 약 2만년 전 LGM까지의 해수면높이의 정체된 증가 시기(주황색) 이후, 2만년전 이후 최근까지 해수면이 급격하게 상승하는 마지막 퇴빙기 시기(빨간색)의 일사량의 변화 특성을 살펴볼 수 있다. 퇴빙기 시기는 상대적으로 높은 일사량 조건에서 급격한 빙상 감소와 해수면높이의 증가가 관찰되고, 간빙기에서 최대빙하기까지의 빙상 성장과 그에 따른 해수면높이의 감소가 발생하는 시기에는 일사량의 큰 변동을 확인할 수 있다. 그리고 빙상이 증가하여 해수면높이 감소가 최대에 도달하는 최대빙하기 근처에서는 해수면높이 및 빙상의 변화가 완만하게 진행되다가, 퇴빙기 시기로 전환되면서 급격한 변화가 발생함을 확인할 수 있다.

Fig. 3d는 같은 기간 P98모델이 재현하는 일사량 강제력 변화에 따른 빙상량의 변화를 해당 시기의 기후체제 변화와 함께 살펴본 결과이다. 관측에서 나타난 2만년 단위의 기간들은 같은 색의 선으로 표시되어 있으며 각 시기의 변화들은 Fig. 3c의 프록시 기반 해수면높이 변화에서 나타나는 시기별 변화 특성을 잘 재현하고 있다. Fig. 3d의 작은 점들은 P98모델의 기후체제를 나타내며 하늘색은 간빙기(i), 회색은 약빙하기(g), 검정색은 최대빙하기(G)를 의미한다. Fig. 3d의 과거 14만년부터 현재까지의 기후체제 변화를 살펴보면 LIG 이전 약빙하기(회색)에서 빙상량이 1에 도달하여 최대빙하기(검정색)로의 전이가 발생하고, 짧은 최대빙하기 이후 간빙기(하늘색)가 시작되면서 퇴빙기가 진행된다. 그리고 간빙기가 진행되다가 정규화된 강제력이 -0.75보다 낮아지면 빙상량이 증가하는 약빙하기(회색)로의 전이가 진행되고, 약빙하기에서 빙상량이 1에 도달하면 최대빙하기(검정색)로 기후체제가 전이된다. 이 약 2만년전의 최대빙하기 시기는 LGM이며, 이후 정규화된 강제력이 0에 도달하면서 간빙기(하늘색)로 전이되면서 마지막 퇴빙기가 진행된다. 이 P98모델의 일사량에 따른 빙상량 변화 재현 결과는 Fig. 3c의 관측에서 나타난 일사량 변화와 해수면높이 변화의 관계를 잘 재현하고 있으며, 따라서 P98모델에서 정의된 기후체제와 그에 따른 전환 메커니즘이 빙하기–간빙기 기후체제 순환을 잘 모의할 수 있음을 보여준다.

P98모델의 장기모의성능을 확인하기 위하여 P98모델에서 모의된 과거 100만년의 빙상량 변화에 -130 m를 곱하여 해수면변동과 유사하게 변동하도록 보정한 후 Spratt and Lisiecki (2016)의 해수면변동 기록과 비교하였다(Fig. 4). P98모델에서 모의된 빙하기–간빙기 순환을 고려한 과거 빙상량의 장기 변화는 과거 해수면 변동 복원기록을 잘 재현하고 있으며, 특히 과거 80만 년 이후의 주요 간빙기들이 잘 재현되고 있다. 또한 50만년 이전의 최대빙하기가 약하게 나타나는 것에 비하여 50만년 전 이후의 최대빙하기는 잘 재현되어 이 시기의 빙하기–간빙기 순환이 잘 재현되고 있다. 두 시계열의 80만 년 전부터 현재까지의 상관계수는 0.78, 50만년 전부터 현재까지의 상관계수는 0.81이다.

Fig. 4.

Changes in ice volume simulated by P98 conceptual model and global sea level reconstructed from proxy records (Spratt and Lisiecki 2016)

전지구 해수면변동 개념모델을 이용한 미래 100만년 전지구 해수면변화 예측

SSP 기반 5종의 미래 이산화탄소 농도 시나리오와 전지구 해수면변동 개념모델을 이용하여 미래 1백만년의 빙상량 변화, 전지구 평균온도 변화, 전지구 해수면높이의 변화를 예측하였다(Fig. 5). Fig. 5a는 Laskar et al. (2004)에서 계산된 과거 1백만년부터 미래 1백만년의 지구공전궤도 변화에 따른 65°N 여름철 최대 일사량을 정규화한 강제력(forcing)의 장기변화와, 간빙기–빙하기 전이를 위한 기준 일사량(i0)의 변화이다. 5종의 SSP 시나리오의 온실기체 변화에 따른 기준 일사량의 변화는 Archer and Ganopolski (2005)가 제시한 이산화탄소 농도–임계 일사량 관계식을 이용하여 추정하였다. 과거의 기준일사량은 P98모델 및 Lord et al. (2019)의 해수면변동 개념모델과 마찬가지로 -0.75로 고정되어 있고, 미래 예측에서는 각 시나리오별 온실기체 증가 정도에 따라 기준일사량이 낮아지며 온실기체의 감소에 따라 점진적으로 증가한다.

Fig. 5.

Changes in (a) solar insolation, (b) CO₂, (c) global ice volume, (d) global mean surface temperature, and (e) global mean sea level during past 1 million and future 1 million years from conceptual global sea level model. Horizontal lines above the timeseries indicate that interglacial periods based on simulated regimes in conceptual model. Black, red, orange, purple, blue, and green colors indicate the natural variation, and future changes under SSP1, SSP2, SSP3, SSP4, and SSP5 emission scenarios, respectively

Fig. 5b는 CLIMBER-2 모델에서 제공하는 남극 빙하코어에서 복원된 과거 1백만년부터 현재까지의 대기 중 이산화탄소 농도의 변화(Ganopolski and Brovkin 2017)와 SSP 5종 배출량 시나리오 기반으로 추정된 미래 1백만년의 이산화탄소 변화이다. Meinshausen et al. (2020)에서 추정된 SSP1–2.6, SSP2–4.5, SSP3–7.0, SSP4–6.0, SSP5–8.5 시나리오의 2450년 이산화탄소 농도는 386.70 ppm, 587.82 ppm, 1396.43 ppm, 726.03 ppm, 2043.88 ppm이며, 이를 Lord et al. (2015)의 반응함수를 이용하여 추정한 미래 1백만년 변화 전망에서 1,000 kyr AP의 각 시나리오별 대기 중 이산화탄소 농도는 295.44 ppm, 332.89 ppm, 602.96 ppm, 362.82 ppm, 825.35 ppm으로 나타난다.

Fig. 5c는 재현된 과거 전지구 빙상량 변화와 5종의 SSP 시나리오 기반 이산화탄소 농도 변화에 따른 미래 전지구 빙상량의 예측 결과이다. 해수면변동 개념모델이 예측한 빙하기–간빙기 순환을 살펴보면 SSP1–2.6, SSP2–4.5, SSP4–6.0 시나리오에서는 약 5만년 이후 간빙기가 끝나고 최초 빙하기가 시작되는 것으로 나타나며, 더 많은 온실기체가 배출되는 SSP3–7.0는 12만 5천년, SSP5–8.5 시나리오는 약 16만 9천년 이후 최초 빙하기가 도래하는 것으로 나타난다. 이러한 결과는 이산화탄소의 저배출 시나리오에서 약 5–6만년 이후 빙하기가 도래할 것으로 예측한 기존 결과들(Archer and Ganopolski, 2005; Talento and Ganopolski 2021)과 유사한 결과이다. 한편 배출량이 높은 SSP3–7.0, SSP4–6.0 시나리오에서는 약 40만년 이후에 도래하는 간빙기가 조금 더 오래 지속될 것으로 예측되며, 특히 SSP5–8.5 시나리오에서는 35만년 경에 도래할 것으로 예측되는 간빙기가 10만년 이상 지속됨을 예측하고 있다.

Fig. 5d and e는 빙상량 변화를 기반으로 추정된 전지구 평균온도의 변화와 전지구 평균 해수면높이의 변화이다. 전지구 평균온도는 SSP 시나리오 별로 이산화탄소 농도 차이가 크게 나타나는 현재부터 미래 수만 년까지는 시나리오 별로 큰 차이를 보이고, 25만년 이후부터는 SSP3–7.0와 SSP5–8.5 시나리오를 제외한 다른 시나리오는 유사한 변동 특성을 보인다. 그리고 모든 시나리오에서 이산화탄소의 농도가 290 ppm 이하로 낮아지는 60만년 이후부터는 거의 유사한 변화를 보인다(Fig. 5d). 전지구 평균온도 변화로 추정된 해수면높이 역시 전지구 평균온도 예측에서 나타난 시나리오별 변화 특성이 유사하게 나타난다. 560 ppm에서 최대 24 m의 해수면 상승을 가정하였기 때문에, SSP3–7.0과 SSP5–8.5 시나리오에서는 최대 24m의 해수면높이 상승이 나타나며 이후 수만 년 간 지속되는 간빙기 동안에도 타 SSP 시나리오보다 해수면이 수 m에서 수십 m 높게 유지된다. 또한 이러한 상대적으로 높은 온실기체 농도가 유지되는 SSP 시나리오에서는 빙하기 시기에도 상대적으로 해수면높이가 높게 나타나는 특성이 관찰된다.

임계일사량-이산화탄소 농도 관계식에 따른 빙상량 및 해수면높이 모의 민감도

Lord et al. (2019)에서는 P98모델의 빙하기, 약빙하기, 간빙기 기후체제의 시간 규모(τG, τg, τi), 강제력 시간 규모(τF), 초기 빙상량, 간빙기-약빙하기 전이 임계일사량(i0), 최대빙하기-간빙기 전이 임계일사량(i1), 평활함수의 조정계수(a)들을 조정하는 민감도 실험을 수행하고 약 1만8천년전의 LGM 시기의 특성변화와 비교하였다(Lord et al. (2019)의 Figs. 3, 4, 5). 그 결과 P98모델의 간빙기 시간규모(τi), 약빙하기 시간규모(τg), 강제력 시간규모(τF), 평활함수 조정계수(a)의 계수 변화는 LGM 시기의 빙상량과 기후체제 모의에 영향을 미치나, 다른 계수들은 영향이 거의 없는 것으로 나타났다.

전지구 해수면변동 개념모델을 이용한 해수면높이 변화 모의에서는 이러한 계수들 이외에도 간빙기-약빙하기 전이 임계일사량(i0)의 대기중 이산화탄소 농도에 따른 변화가 큰 영향을 미친다. Archer and Ganopolski (2005)에서는 4종의 사례 실험을 통해 미래 온실기체 농도 변화에 따른 임계일사량을 변화를 단순 선형 관계식으로 추정하였으나, Ganopolski et al. (2016)에서는 CLIMBER-2 모델을 이용한 다양한 대기중 이산화탄소 농도에 따른 미래 빙하기-간빙기 전환 실험을 수행하고 대기중 이산화탄소 농도에 따른 간빙기에서 빙하기로의 전이가 시작되는 임계일사량의 변화에 대한 다음과 같은 관계식을 도출하였다.

i0=-77lnCO2280+466

이에 해수면변동 개념모델의 임계일사량-이산화탄소 농도 관계식에 대한 민감도를 살펴보기 위하여 Archer and Ganopolski (2005)와 Ganopolski et al. (2016)에서 제시된 두 종의 관계식을 과거부터 미래 변화 계산에 적용하여 결과를 비교하였다 (Fig. 6). 먼저 두 관계식을 사용하여 모의된 과거 빙상량 및 해수면높이 변화는 -0.75로 일관적으로 적용되었던 기존 해수면변동 개념모델의 결과와 동일하게 나타난다. 하지만 SSP1-2.6 이산화탄소 농도 시나리오를 활용한 미래 예측 결과, Ganopolski et al. (2016)의 로그 기반 이산화탄소-임계일사량 관계식을 사용하는 경우 선형기반 관계식을 활용한 예측 결과보다 간빙기 체제의 지속기간이 더 길어지는 것으로 나타난다. 특히 현재 간빙기의 지속이 수만년 이상 길어져 기존 예측결과에서 수만년 이후에 도래했던 첫 빙하기는 발생하지 않으며 20만년 이후에 도래하는 2차 빙하기의 최대빙하기 시기에만 동일한 최대빙하기에 도달하는 것으로 나타난다. 이후 빙하기-간빙기의 전환에서도 더 긴 시간의 간빙기가 유지되며, 기존 선형관계식 기반 예측에서 50만년과 90만년경에 발생하였던 빙하기는 로그 기반 선형관계식에서는 발생하지 않는 것으로 나타난다. 이 결과에서 빙하기-간빙기 체제 전환이 이산화탄소 농도에 매우 민감함을 확인할 수 있으며, 지구시스템의 탄소 순환 과정에 대한 많은 연구가 필요함을 시사한다.

Fig. 6.

Changes in (a) solar insolation and critical insolation, (b) CO₂, (c) global ice volume, (d) global mean surface temperature, and (e) global mean sea level during past 1 million and future 1 million years from conceptual global sea level model. Horizontal lines above the timeseries indicate that interglacial periods based on simulated regimes in conceptual model. Black line indicates the natural variation, and blue and green lines indicate future changes by using critical insolation-CO2 relationship suggested Archer and Ganopolski (2005) and Ganopolski et al. (2016), respectively

전지구 해수면변동 개념모델 결과에 기반한 한반도 주변 해안선 분포 변화

전지구 해수면 변동 개념모델(P98 모델)과 과거 해수면 프록시 자료에서 제시된 전지구 평균 해수면 높이 변화를 이용하여, 해당 변화가 한반도 주변 해안선 분포에 미치는 영향을 평가하였다. 전지구 평균 해수면 높이 변화량이 한반도 연안 전역에 공간적으로 균일하게 적용된다고 가정하고, 현재 지형을 기준으로 해수면 상승 또는 하강에 따른 해안선 분포 변화를 추정하였다. 해안선 분포 변화 추정에는 미국 해양대기청(NOAA)의 전지구 5분 간격 지형 자료인 ETOPO5 (NGDC 1993)를 사용하였다. 이 자료의 현재 해수면 고도를 기준으로, 각 시점의 전지구 평균 해수면 높이 변화량을 적용하여 침수 영역과 노출 영역을 구분하였다. 해수면이 하강하는 경우에는 기존 해역 중 육지로 드러나는 지역을, 해수면이 상승하는 경우에는 기존 육지 중 침수되는 연안 지역을 각각 분류하였다. 이와 같은 방법을 통해 마지막 최대빙하기와 마지막 간빙기 시기, 그리고 SSP 시나리오에 기반한 미래 수천 년에서 수만 년 규모의 해수면 변화에 대해 각 시점별 한반도 해안선 분포를 도출하였다.

먼저 과거 2만 1천년 전의 마지막 최대빙하기 시기와 12만 1천년 전의 마지막간빙기 시기의 한반도 주변의 해안선분포 변화를 개념모델의 결과와 Spratt and Lisiecki (2016)의 프록시 기록을 이용하여 살펴보았다(Fig. 7). 2만 1천년 전의 전지구 평균 해수면높이는 현재와 비교하여 개념모델은 155 m, Spratt and Lisiecki (2016)에서는 120 m 낮았을 것으로 나타났다. 이에 따른 한반도 주변 해안선의 변화를 살펴보면 서해의 경우 해수면 하강에 따라 육상으로 드러나 중국과 연결되며, 남해 역시 제주도까지 모두 육지로 연결된다. P98모델의 결과에서는 일본까지 모두 육지로 연결되나, 상대적으로 해수면이 덜 낮아지는 Spratt and Lisiecki (2016)에서는 대한해협 일부는 유지가 되는 것으로 나타난다. 동해안의 경우 해수면 하강에 따라 모두 육지가 확장하는 특징을 보인다.

Fig. 7.

Comparison of the simulated and reconstructed paleogeography around the Korean Peninsula during the Last Glacial Maximum (21 kyr BP) and the Last Interglacial period (121 kyr BP). Panels labeled “Model” indicate results simulated by P98 model, while panels labeled “SL” show reconstructions using prescribed sea-level values from Spratt and Lisiecki (2016). Red shading represents exposed land due to sea-level fall, and blue shading denotes shallow flooded areas. Numbers at the lower left of each panel indicate sea-level anomalies relative to the present

12만 1천년 전의 마지막간빙기 시기의 경우 P98모델은 7.6 m, Spratt and Lisiecki (2016)은 3 m로 현재보다 높은 해수면높이를 보인다. 해수면 상승에 따라 서해와 남해 일부 연안의 해안선은 내륙지역으로 후퇴한다. Spratt and Lisiecki (2016)의 결과에서는 동해안의 해안선 변화가 거의 관찰되지 않으나, 7.6 m의 해수면 상승을 모의하는 P98모델에서는 39-40°N 근처의 동해안에서는 해수면 상승으로 인한 해안선의 내륙으로의 후퇴가 나타난다.

다음으로 5종의 SSP 시나리오에 기반한 미래 해수면높이 변화에 따른 한반도 주변 해안선 분포의 변화를 살펴보았다. 먼저 미래 전지구 해수면높이의 변화가 가장 크게 일어나는 1천년 뒤의 변화를 살펴보면 SSP1–2.6에서는 12.6 m, SSP2–4.5에서는 15.8 m, SSP3–7.0에서는 18.7 m, SSP4–6.0에서는 16.6 m, SSP5–8.5에서는 20.6 m의 해수면 상승이 예측된다. 모든 시나리오에서 대기 중 온실기체의 증가에 따른 지속적인 온난화에 의하여 해수면 상승이 예측되고 있다. 이에 따른 한반도 지역 해안선 변화를 살펴보면 서해 및 남해안을 중심으로 연안지역의 침수에 따른 해안선의 후퇴가 나타나는데 특히 충청남도와 황해도 지역에서 가장 큰 해안선의 후퇴가 나타난다(Fig. 8). SSP5–8.5에서 가장 큰 해안선의 변화가 나타나지만 SSP 시나리오 간의 차이는 크지 않았다.

Fig. 8.

Projected geography around the Korean Peninsula at 1 ka AP (1,000 years after present) under different Shared Socioeconomic Pathway (SSP) scenarios. The maps show future topographic and coastal configurations simulated using the ETOPO5 dataset adjusted for mean sea-level rise corresponding to each scenario: SSP1–2.6, SSP2–4.5, SSP3–7.0, SSP4–6.0, and SSP5–8.5. Blue shading indicates newly inundated coastal areas, while brown shading represents land elevation. The numbers at the lower left of each panel denote the global mean sea-level anomaly relative to the present (in meters)

마지막으로, 5종의 SSP 시나리오에서 5만년과 10만년 후 예측된 해수면높이 변화에 따른 한반도 주변 해안선 분포의 변화를 살펴보았다. 해수면변동 모델이 예측한 5만년 후의 전지구 해수면높이 변화를 살펴보면 SSP1, SSP2, SSP4에서는 약빙하기가 진행되고 SSP3과 SSP5에서는 현세 간빙기가 지속된다(Fig. 5). 한반도 지역의 해안선 분포 역시 SSP1–2.6에서는 10.6 m, SSP2–4.5에서는 5.2 m, SSP4–6.0에서는 1.4 m의 해수면높이 하강에 따라 서해 및 남해 지역에서 해안선이 확장된다(Fig. 9). 10만년 후의 시나리오별 해안선 분포를 살펴보면 SSP1–2.6, SSP2–4.5, SSP4–6.0의 경우 빙하기의 진행이 지속되어 136.5 m, 130.7 m, 127.6 m 해수면높이가 낮아져 서해는 육지가 되고 남해의 경우 해안선이 대한해협까지 확장되며 SSP1–2.6, SSP2–4.5에서는 일본과 대륙이 연결된다. 한편 현세 간빙기의 지속은 SSP3는 약 9만년, SSP5에서는 약 16만년 정도까지 지속되는 것으로 나타나는데 이에 따라 SSP3–7.0의 경우 해수면높이가 6.1 m 하강하는 약빙하기가 나타나고, SSP5–8.5의 경우 해수면높이가 1.5 m로 간빙기가 지속되며 서해와 남해의 해안선이 일부 확장하거나(SSP3–7.0), 후퇴하는 경향이(SSP5–8.5) 나타난다(Fig. 9).

Fig. 9.

Projected geography around the Korean Peninsula at 50 kyr AP and 100 kyr AP under five Shared Socioeconomic Pathway (SSP) scenarios. Panels in each row correspond to different time slices (top: 50 kyr AP; bottom: 100 kyr AP), while columns represent SSP1–2.6, SSP2–4.5, SSP3–7.0, SSP4–6.0, and SSP5–8.5 scenarios. Simulated topography and coastline configurations are based on the ETOPO5 dataset adjusted for global mean sea-level anomalies associated with each future climate projection. Red shading indicates areas of newly exposed land due to sea-level fall, blue shading shows regions inundated by sea-level rise, and brown shading represents land elevation above present sea level. Numbers at the lower left of each panel indicate the global mean sea-level anomaly (m) relative to the present

4. 결론 및 토의

본 연구에서는 전지구 해수면변동 개념모델을 이용하여 미래 1백만년 규모의 초장기 해수면 변화를 예측하고 그에 따른 한반도 주변 해안선의 변화를 평가하였다. 이 연구는 기존 수백 년 규모의 기후예측이 가지는 한계를 극복할 수 있는 빙하기–간빙기 체제 순환이 반영된 장기 기후체계 변동성을 고려한 간소화된 초장기 환경변화 예측 방안을 소개하였다.

먼저 과거 1백만년 동안의 전지구 빙상량 변화를 Paillard (1998)의 개념모델을 이용하여 재현한 결과, 주요 간빙기와 최대빙하기의 시기 및 진폭이 관측 기반 해수면 복원자료(Spratt and Lisiecki 2016)와 잘 일치하였다. 특히 80만년 이후의 빙하기–간빙기 순환이 뚜렷하게 재현되었으며, 상관계수는 0.78 (80만년 기준), 0.81 (50만년 기준)로 나타나 개념모델의 장기 재현성이 검증되었다.

SSP 기반의 다섯 가지 온실기체 시나리오를 적용한 미래 예측 결과, 저배출 시나리오(SSP1–2.6, SSP2–4.5)에서는 약 5–6만년 이후 첫 빙하기가 도래하는 것으로 나타났고, 고배출 시나리오(SSP3–7.0, SSP5–8.5)에서는 12만–17만년 이후로 빙하기 도래 시점이 지연되었다. 특히 SSP5–8.5 시나리오에서는 10만년 이상 지속되는 장기 간빙기가 발생하여 전지구 평균 해수면이 최대 약 24 m까지 상승한 후 장기간 유지될 것으로 예측되었다. 이러한 결과는 온실기체 농도의 장기 지속이 미래 빙하기의 도래를 지연시키는 기존 연구(Archer and Ganopolski 2005; Talento and Ganopolski 2021)와 일관된 결과를 보인다.

또한 기존 연구에서 제시되지 않았던 간빙기-약빙하기 전이 임계일사량(i0)와 대기중 이산화탄소 농도 관계식에 따른 해수면변동 개념모델의 민감도 실험을 통해 미래 빙하기의 도래 시기가 대기중 이산화탄소 농도의 영향의 평가 정도에 따라 크게 달라질 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 지구시스템의 탄소 순환 과정에 대한 후속 연구가 필요함을 시사한다.

한반도 주변의 해안선 변화를 살펴본 결과, 과거 LGM 시기에는 서해가 대부분 육지로 드러나 중국 대륙과 연결되었고, LIG 시기에는 해수면 상승에 따라 일부 내륙 해안선이 후퇴하였다. 미래 시나리오에서는 SSP 시나리오별로 해수면 상승 폭이 달라졌으며, 1천년 이후에는 약 12–21 m 상승이 예측되어 충청남도, 황해도, 남해안 일대에서 해안선의 현저한 후퇴가 나타났다. 5만년 이후에는 일부 시나리오에서 해수면 하강으로 인한 해안선 확장이, 10만년 이후에는 빙하기 진전에 따라 서해가 사라지는 극단적 변동이 예측되었다.

본 연구는 초장기 기후 변화 예측에서의 복잡한 수치모델의 연산 한계를 극복하고 장기적인 기후–빙상–해수면 상호작용을 개념적으로 단순화하여 초장기 예측을 가능하게 한 점에서 의의가 있다. 개념모델은 수십만 년 이상 규모의 다수 시나리오 탐색이 가능하며 다양한 불확실성을 신속히 평가할 수 있다. 그러나 시공간적 한계가 분명하며 지역적 해수면 변화의 요인들은 반영하지 못하며 실제 빙상–기후 피드백의 복합성을 충분히 표현하지 못하는 한계도 존재한다. 또한 해수면 상승 계산에서 그린란드 및 서남극 빙상만을 고려하였다는 점 역시 제한적인 가정으로 작용할 수 있다. 또한 미래 해수면변화에 큰 영향을 끼치는 온실기체 농도의 미래 변화 예측에 있어서 배출량의 변화를 고려하지 않고 2450년의 대기중 이산화탄소 농도의 자연적 요인에 따른 감소를 예측하여 빙상-기후 피드백에 따른 온실기체 농도를 반영하지 못한 한계점이 존재한다.

따라서 향후 연구에서는 이러한 한계를 보완하기 위하여 중간복잡도 지구시스템모델이나 빙상모델과의 결합을 통한 복합적 접근이 필요하다. 특히 CMIP6 이상의 결과를 기반으로 현재 고려하지 못한 지역별 해수면 기여 요소(동한난류 변동, 쿠로시오 해류 세력 변화, 빙하 지각균형 조정 효과, 연안의 침식 및 퇴적 과정 등)를 통합하고, 장기 해안선 변화의 지형학적 검증을 수행함으로써 예측의 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것이다. 또한 온실기체 농도의 장기 예측에서도 cGENIE 등의 지구시스템모델이나 Talento and Ganopolski (2021) 등에서 제시된 최신의 빙상량-탄소 관계식 등을 이용한 빙상-기후 피드백을 고려하여 온실기체의 영향을 정교화시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서 제시한 초장기 해수면 변화 예측은 고준위 방사성폐기물 처분의 장기 안전성 평가나 수십만 년 규모의 국가 차원 기후 리스크 관리 등 실용적인 활용이 가능하다.

결론적으로, 전지구 해수면변동 개념모델은 빙하기–간빙기 순환을 고려한 초장기 기후–해수면 시스템 변동의 전반적 특성을 단순하고 효과적으로 재현할 수 있음을 보여주었다. 이는 초장기 미래 기후 및 해수면 변동 연구의 기초 자료로서 활용 가능하며 향후 정교한 지구시스템모델을 활용한 비교 연구 등을 통해 지역 규모의 초장기 기후 리스크 예측에 기여할 수 있을 것이다.