폭염이 먼저 오면 가뭄이 더 강해질까? 온난화에 따른 복합 가뭄·폭염의 비선형 증가

환경 연구 동향  | 앨지닥터

한양대학교, 중국해양대학교·라오산연구소·산둥대학교, 호주 CSIRO 연구진이 Science Advances에 발표한 연구는 가뭄과 폭염이 겹치는 순서에 따라 복합 가뭄·폭염 사상(CDHE)의 증가 양상이 달라지는지 조사했습니다. 연구진은 1980~2023년 일별 재분석 자료에서 폭염이 먼저 시작된 복합사상의 영향 면적이 2000년 무렵 이후 지구 평균기온 상승에 더 가파르게 반응했다고 계산했습니다. 또 이 유형이 강한 토양-대기 결합과 관련되고, 비선형 반응의 크기가 지역별로 크게 다르다고 분석했습니다. 발생 순서를 구분해 전 지구 복합사상의 증가와 물리적 관련성을 함께 살핀 점이 이 연구의 특징입니다.

마른 땅이 다시 더위를 키우는 토양-대기 되먹임

폭염과 가뭄은 따로 나타날 수도 있지만 같은 시기와 장소에서 겹치면 피해가 연쇄적으로 커질 수 있습니다. 기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)는 폭염과 가뭄의 동시 발생이 이미 더 잦아졌고, 지구온난화가 심해질수록 이런 추세가 이어질 가능성이 높다고 평가했습니다. 한 위험이 다른 위험의 발생 가능성이나 영향을 바꾸는 경우를 복합 기후사상이라고 합니다. [배경 1]

토양에 수분이 충분하면 들어온 에너지 일부가 물을 증발시키는 잠열로 쓰여 지표를 식힙니다. 토양이 마르면 증발 냉각이 줄고 더 많은 에너지가 공기를 데우는 현열로 바뀌어 지표 부근 온도를 높일 수 있습니다. 높아진 온도는 다시 수분 손실을 재촉합니다. 이러한 토양-대기 되먹임(피드백 루프)을 알면 폭염과 가뭄의 발생 순서가 복합사상의 확대와 어떤 관련을 보이는지 이해할 수 있습니다. [배경 2]

44년 일별 재분석 자료에서 발생 순서를 구분한 연구 설계

연구진은 1980~2023년, 남위 60도부터 북위 60도까지의 육지를 1도 격자로 나눠 각 지역에서 가장 더운 5개월을 분석했습니다. ERA5-Land의 일평균 2m 기온, 지표 복사·현열·잠열, 증발산, 상부 7cm 토양수분 자료와 ERA5 기온·500hPa 지위고도, GLEAM 토양수분 자료를 사용했습니다. 주 분석에서는 일평균 기온이 해당 날짜의 90백분위수를 5일 넘게 웃돌면 폭염, 표준화 토양수분지수가 10백분위수 아래로 5일 넘게 지속되면 가뭄으로 정의했습니다.

연구진은 1980~2023년 일별 재분석 자료를 이용해, 폭염이 먼저 시작된 뒤 같은 지역에서 가뭄이 겹친 ‘폭염 선행형’과 가뭄이 먼저 시작된 뒤 같은 지역에서 폭염이 겹친 ‘가뭄 선행형’ 복합사상이 나타난 육지 면적을 계산했습니다. 즉, 복합사상의 영향 면적은 폭염과 가뭄이 모두 같은 지역에서 일어난 복합사상의 발생 면적입니다.  

다중재해 사건 묶음 알고리즘(MYRIAD-HESA)으로 두 재해가 시공간적으로 끊김 없이 겹치는 사례를 찾고, 어느 재해가 하루 이상 먼저 시작했는지에 따라 폭염 선행형과 가뭄 선행형으로 구분했습니다. 1980~2001년과 2002~2023년을 비교하고, 11년 이동평균·변화점 검정·2차함수·회귀분석으로 기온과 복합사상 면적의 관계를 계산했습니다. 1만 회 부트스트랩, 다른 자료와 임곗값을 이용한 네 가지 민감도 검정, 온난화만 반영한 몬테카를로 합성실험도 수행했습니다.

더 크게 산출된 폭염 선행형의 면적 증가

연구진은 1980~2001년과 2002~2023년을 비교해, 가뭄과 폭염이 함께 나타난 지역의 발생 빈도와 면적이 얼마나 달라졌는지 살펴봤습니다. 가뭄이 먼저 시작되고 폭염이 뒤따르는 ‘가뭄 선행 유형’이 전체적으로 더 자주 발생했습니다. 반대로 폭염이 먼저 시작되고 가뭄이 뒤따르는 ‘폭염 선행 유형’은 발생 빈도는 더 낮았습니다. 다만  2002~2023년에서 1980~2001년보다 피해 면적이 확대된 비율은 폭염 선행형이 109.8%로, 가뭄 선행형의 59.2%보다 높았습니다. 즉, 현재까지의 전체 규모는 가뭄 선행형이 더 크지만, 최근 더 빠르게 확대된 유형은 폭염 선행형입니다. 다만 이 연구는 실제 인명·농업·경제 피해액을 직접 비교하지 않았으므로, 어느 유형이 현실에서 더 큰 피해를 냈다고 단정할 수는 없습니다.

두 유형은 뒤이어 나타나는 재해의 강도에서도 차이를 보였습니다. 폭염 뒤에 발생한 가뭄은 폭염 선행형에 포함되지 않은 다른 가뭄보다 평균 3.71% 강했습니다. 반복 분석에서 추정된 차이는 대부분 3.25~4.17% 사이였습니다. 반면 가뭄 뒤에 발생한 폭염은 다른 폭염보다 평균 1.74% 강했으며, 추정 범위는 1.65~1.84%였습니다. 즉, 폭염 선행형은 두 재해가 이어지는 간격과 전체 지속기간은 비교적 짧았지만, 그 뒤에 오는 가뭄은 더 강해지는 경향을 보였습니다. 다만 이는 두 현상의 연관성을 보여주는 결과로, 폭염이 가뭄을 직접 강화했다고 단정하는 인과관계 분석은 아닙니다.

약 8배로 계산된 온난화 민감도

연구진이 11년 이동평균한 지구 평균 지표기온과 폭염 선행형의 전 지구 영향 면적을 회귀분석한 결과, 지표기온이 1℃ 높아질 때 폭염 선행형의 영향 면적이 증가하는 정도는 과거 1.60%에서 최근 13.08%로 커졌습니다. 최근의 증가 기울기를 과거 기울기로 나누면 약 8.2가 되므로, 연구진은 기온 상승에 대한 영향 면적의 민감도가 약 8배 높아졌다고 설명했습니다. 변화점 검정에서는 11년 평균 지표기온이 약 14.3℃에 접근한 2000년 무렵을 전환점으로 산출했습니다.

연구진은 서로 단위가 다른 영향 면적, 발생 횟수, 발생 일수를 같은 기준에서 비교하기 위해 증폭계수를 계산했습니다. 이 값은 최근의 증가 속도가 과거보다 얼마나 가팔라졌는지를 나타내며, 1에 가까울수록 최근 증가세가 크게 강화됐다는 뜻입니다. 폭염 선행형의 증폭계수는 영향 면적과 연간 발생 횟수에서 모두 0.78, 발생 일수에서 0.70으로 산출됐습니다. 이는 78% 또는 70% 증가했다는 뜻이 아니라, 세 지표 모두 최근 증가 속도가 과거보다 뚜렷하게 빨라졌다는 의미입니다.  

연구진은 이러한 가속이 단순히 지구온난화로 폭염이 늘어난 결과인지도 확인했습니다. 온난화에 따른 폭염 증가만 반영한 합성실험에서는 증폭계수가 약 0.24에 그쳤습니다. 실제 자료에서 계산된 0.70~0.78은 이보다 약 3배 높은 값입니다. 연구진은 이를 근거로 폭염 선행형의 빠른 증가를 온난화만으로는 충분히 설명하기 어렵고, 강해진 토양-대기 결합과 같은 다른 요인도 함께 작용했을 가능성이 크다고 해석했습니다.

폭염 선행형에서 더 강하게 계산된 토양-대기 결합

연구진은 먼저 토양과 대기가 얼마나 강하게 영향을 주고받는지 살펴봤습니다. 여기서 ‘토양-대기 결합’이 강하다는 것은 토양이 마르면서 증발을 통한 냉각은 줄고, 지표의 열이 대기로 더 많이 전달되는 상태를 뜻합니다. 장기적인 온난화 추세를 통계적으로 제거한 뒤 비교한 결과, 결합 강도와 폭염 선행형의 연도별 발생 수준 사이에는 약 0.66의 양의 상관관계가 나타났습니다. 반면 가뭄 선행형과의 상관계수는 약 0.39로 더 낮았습니다. 가뭄 선행형이 전체적으로 더 자주 발생했더라도, 발생의 많고 적음이 토양-대기 결합 강도와 함께 변하는 정도는 폭염 선행형에서 더 컸다는 뜻입니다.

시간에 따른 변화를 살펴봐도 비슷한 특징이 나타났습니다. 11년 단위로 평균한 토양-대기 결합 강도는 1997년 무렵부터 비교적 높은 수준을 유지했습니다. 또한 각 유형이 발생한 날의 자료를 1만 번 반복해 다시 뽑아 비교한 결과, 폭염 선행형 발생일의 중앙 결합 강도는 가뭄 선행형 발생일보다 27.6% 높게 계산됐습니다. 즉, 폭염 선행형이 상대적으로 강한 토양-대기 결합 조건에서 발생하는 경향이 더 뚜렷했다는 의미입니다. 연구진은 이를 근거로 강해진 토양-대기 결합이 폭염 선행형 증가에 중요한 역할을 했다고 해석했습니다. 다만 이 분석은 두 현상의 관련성을 보여준 것이므로, 토양-대기 결합만이 증가를 일으킨 유일한 원인이라고 단정할 수는 없습니다.

41개 지역에서 불균등하게 나타난 비선형 반응

IPCC 제6차 평가보고서의 41개 육지 하위지역을 분석한 결과, 폭염 선행형의 비선형성 지수는 34개 지역에서 양수였고 평균은 약 9.46이었습니다. 지수가 클수록 지역 평균기온이 높아질 때 영향 면적이 더 빠르게 휘어져 증가했음을 뜻합니다. 비선형성 지수와 과거·최근 기간 사이 영향 면적 변화에는 ρ≈0.73의 양의 관련성이 나타났습니다(P<0.001). 7개 지역은 음의 지수를 보였고, 동시베리아와 북부 호주는 증가 속도가 둔화되는 준선형 패턴으로 분류됐습니다.

발생 순서와 수정 검증을 함께 고려해야 할 복합재해 평가

연구진은 복합 가뭄·폭염을 하나로 묶어 세는 데 그치지 않고, 어느 재해가 먼저 시작됐는지를 위험평가에 포함해야 한다고 제안했습니다. 특히 폭염 선행형의 비선형 반응이 크게 계산된 지역을 지속적으로 감시하고, 토양-대기 결합의 변화가 적응·완화 전략에 반영돼야 한다고 해석했습니다. 또한 500hPa 대기순환 이상이 두 유형에서 달랐던 만큼, 후속 연구에서 대기순환 효과와 유형별 물리·역학적 차이를 함께 분석해야 한다고 밝혔습니다.