기후변화가 물의 순환에 미치는 영향

섬네일|upright=1.35|기상이변(폭우, 가뭄, 폭염)은 지구 온난화로 인한 물의 순환 변화의 한 결과다. 이러한 사건들은 지구가 따뜻해짐에 따라 점점 더 흔해질 것이다.

기후변화가 물의 순환에 미치는 영향은 지대하며, 물의 순환(수문 순환이라고도 함)의 강화 또는 강화로 묘사되어 왔다. 이러한 효과는 적어도 1980년부터 관찰되었다. 한 예로 폭우 사건이 훨씬 더 강력해지는 경우를 들 수 있다. 기후변화가 물의 순환에 미치는 영향은 담수 자원의 가용성뿐만 아니라 해양, 빙상, 대기 및 토양 수분과 같은 다른 물 저장고에도 중요한 부정적 영향을 미친다. 물의 순환은 지구상의 생명체에 필수적이며 전 지구적 기후계와 해양 순환에서 큰 역할을 한다. 지구의 온난화는 다양한 이유로 물의 순환 변화를 동반할 것으로 예상된다. 예를 들어, 더 따뜻해진 대기는 더 많은 수증기를 포함할 수 있으며 이는 증발과 강수에 영향을 미친다.

강화되는 물의 순환의 근본적인 원인은 대기 중 온실 기체 양의 증가이며, 이는 온실 효과를 통해 대기를 더 따뜻하게 만든다. 물리학의 기본 법칙은 온도가 1°C 상승할 때 대기 중의 포화 수증기압이 7% 증가하는 원리를 설명한다. 이 관계는 클라우지우스-클라페이롱 방정식으로 알려져 있다.

물의 순환의 강도와 시간에 따른 변화는 특히 기후가 변함에 따라 상당한 관심의 대상이 된다. 수문 순환은 한 곳에서 수분이 증발하여 다른 곳에서 강수(비 또는 눈)가 발생하는 시스템이다. 예를 들어, 해양에서는 증발량이 항상 강수량을 초과한다. 이를 통해 수분은 대기에 의해 해양에서 육지로 운송될 수 있으며, 육지에서는 강수량이 증발산을 초과한다. 육지에서 유출된 물은 시내와 강으로 흘러 해양으로 배출됨으로써 전 지구적 순환이 완성된다. 물의 순환은 표면에서의 증발 냉각을 통해 대기에 잠열을 제공함으로써 지구의 에너지 순환의 핵심적인 부분이며, 대기 시스템은 열을 위로 이동시키는 데 주요한 역할을 한다.

물의 가용성은 여분의 열이 어디로 가는지 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 열은 증발로 이어지거나 기온 상승으로 이어질 수 있다. 물이 충분한 경우(해양이나 열대 지방처럼), 여분의 열은 주로 증발에 사용된다. 물이 부족한 경우(육지의 건조 지역처럼), 여분의 열은 기온을 높이는 데 사용된다. 또한 대기의 수분 보유 능력은 온도 상승에 비례하여 증가한다. 이러한 이유로 온도 상승은 북극(극 증폭)과 육지에서 두드러지게 나타나지만, 해양과 열대 지방에서는 그렇지 않다.

몇 가지 고유한 특성은 물의 순환에서 급격한 변화를 일으킬 가능성이 있다. 그러나 21세기 동안 그러한 변화가 일어날 가능성은 현재 낮게 평가된다.

 개요 
섬네일|upright=1.35|물의 순환
섬네일|upright=1.35 |지구 대기 중 수증기의 양은 최근 수십 년 동안 지구 온난화와 함께 증가해 왔으며 이로 인해 폭우 사건이 더 심각해지고 있다.

지구의 가열은 기후계 내에서 더 많은 에너지 순환을 유발하여 전 지구적 물의 순환에 변화를 일으킨다. 여기에는 무엇보다도 대기 중의 수증기압 증가가 포함된다. 이는 강수의 빈도와 강도에 관한 패턴의 변화뿐만 아니라 지하수 및 토양 수분의 변화를 초래한다. 이러한 변화들을 통틀어 흔히 물의 순환의 "강화 및 가속화"라고 부른다. 영향을 받게 될 주요 과정으로는 가뭄과 홍수, 열대 저기압, 빙하 후퇴, 눈 덮임, 빙집 홍수 및 기상이변 사건이 있다.

대기 중 온실 기체 양의 증가는 대류권으로도 알려진 하층 대기의 추가적인 가열을 초래한다. 공기의 포화 수증기압은 온도와 함께 상승하며, 이는 따뜻한 공기가 더 많은 수증기를 포함할 수 있음을 의미한다. 육지, 해양 및 얼음 표면으로의 열 전달은 추가로 더 많은 증발을 촉진한다. 대류권의 더 많은 수분량은 더 강렬한 강우 사건이 발생할 가능성을 높인다.

온도와 포화 수증기압 사이의 이 관계는 클라우지우스-클라페이롱 방정식으로 설명되는데, 이 방정식은 온도가 1°C 상승할 때 포화 압력이 7% 증가한다고 명시한다. 이는 인공위성, 라디오존데 및 지상 관측소에서 제공하는 대류권 수증기 측정값에서 확인된다. IPCC AR5는 지난 40년 동안 대류권 수증기가 3.5% 증가했으며, 이는 관측된 온도 상승 0.5°C와 일치한다고 결론지었다.

물의 순환에 대한 인간의 영향은 해수면 염분과 해양 상의 "강수 마이너스 증발(P–E)" 패턴을 분석함으로써 관찰할 수 있다. 두 가지 모두 상승했다. 1950년부터 2000년까지의 해수면 염분에 기초하여 2012년에 발표된 연구는, 이 기간 동안 염분이 높은 지역은 더 짜지고 담수 지역은 더 싱거워지는 강화된 전 지구적 물의 순환에 대한 예측을 확인해 준다. IPCC는 열대 및 온대 저기압과 관련된 강한 강수 사건, 그리고 대기 수분 운송 및 강한 강수 사건이 강화될 것이라는 점에 대해 높은 신뢰도가 있다고 명시한다.

 강수의 간헐성 
기후 모형은 물의 순환을 아주 잘 시뮬레이션하지는 못한다. 한 가지 이유는 강수가 본질적으로 간헐적이기 때문에 다루기 어려운 양이기 때문이다. 종종 평균적인 양만 고려되기도 한다. 사람들은 종종 "강수"라는 용어를 마치 "강수량"과 동일한 것처럼 사용하는 경향이 있다. 지구의 강수 패턴 변화를 설명할 때 실제로 중요한 것은 단순한 총량 그 이상이다. 즉, 강도(비나 눈이 얼마나 세게 내리는지), 빈도(얼마나 자주), 지속 시간(얼마나 오래), 그리고 유형(비인지 눈인지)에 관한 것이다. 과학자들은 강수의 특성을 연구하여 극한 현상에는 빈도와 강도가 중요하다는 것을 발견했으며, 이러한 요소들은 기후 모형에서 계산하기가 어렵다.

 관측 및 예측 
섬네일|upright=1.35|SSP2-4.5 시나리오 하에서 예측된 강수 사건 강도 및 증발산의 변화.
20세기 중반 이후, 인위적인 기후변화는 전 지구적 물의 순환에서 관찰 가능한 변화를 포함해 왔다. 2021년 IPCC 제6차 평가 보고서는 이러한 변화가 전 지구 및 지역 수준에서 계속해서 크게 증가할 것이라고 예측했다.

보고서는 또한 다음과 같은 사실을 발견했다: 육지 강수량은 1950년 이후 증가했으며, 증가율은 1980년대 이후 그리고 고위도 지역에서 더 빨라졌다. 대기(특히 대류권) 중의 수증기는 적어도 1980년대 이후 증가했다. 21세기 동안 연간 전 지구 육지 강수량은 더 높은 지구 표면 온도로 인해 증가할 것으로 예상된다.

온난화되는 기후는 극도로 습하거나 매우 건조한 발생 현상을 더 심각하게 만든다. 또한 대기 순환 패턴에도 변화가 있을 수 있다. 이는 이러한 극한 현상이 발생하는 지역과 빈도에 영향을 미칠 것이다. 세계 대부분의 지역에서 그리고 모든 기후변화 시나리오 하에서, 물의 순환 변동성과 그에 따른 극한 현상은 평균값의 변화보다 더 빠르게 상승할 것으로 예상된다.

2024년 세계기상기구는 기후변화가 2023년 한 해 동안 물의 순환을 심각하게 불안정하게 만들어 강한 강우와 강한 가뭄을 모두 유발했다는 보고서를 발표했다. 세계의 강들은 최소 30년 만에 가장 건조한 해를 보냈으며 미시시피, 아마존, 갱스, 브라마푸트라 및 메콩강 유역과 같은 세계의 많은 주요 강 유역이 마르고 있었다. 3년 연속으로 전 세계 집수 구역의 50% 이상이 정상보다 낮은 하천 유출량을 기록했다. 빙하는 6,000억 톤 이상의 물을 잃었는데, 이는 지난 50년 동안 가장 큰 수분 손실이다. 모든 빙하 지역에서 얼음 손실이 발생한 것은 2년 연속이었다.

 지역 기상 패턴의 변화 
섬네일|upright=1.35|지구 온난화 2°C 시나리오에서 예측된 평균 토양 수분의 변화. 이는 농업과 생태계를 파괴할 수 있다. 토양 수분이 1 표준 편차만큼 감소한다는 것은 평균 토양 수분이 해당 위치의 1850년에서 1900년 사이 아홉 번째로 건조했던 해와 대략 일치하게 됨을 의미한다.
전 세계의 지역 기상 패턴 또한 열대 해양 온난화로 인해 변하고 있다. 인도-태평양 웜풀(Indo-Pacific warm pool)은 최근 수십 년 동안 주로 화석 연료 연소로 인한 탄소 배출량 증가에 대응하여 빠르게 온난화되고 확장되어 왔다. 이 웜풀은 1900~1980년 동안 2,200만 km2의 면적에서 1981~2018년 동안 4,000만 km2의 면적으로 거의 두 배 확장되었다. 웜풀의 이러한 확장은 열대 지방에서 발생하는 가장 지배적인 기상 변동 모드인 매든-줄리안 진동(MJO)의 생애 주기를 변화시킴으로써 전 지구적 강수 패턴을 바꾸어 놓았다.

 급격한 변화의 가능성 
물의 순환의 몇 가지 특성은 물의 순환에서 갑작스러운(급격한) 변화를 일으킬 가능성이 있다. "급격한 변화"의 정의는 과거보다 더 빠르게 일어나는 기후계의 지역적 내지 전 지구적 규모의 변화로, 기후 반응이 비선형적임을 나타낸다. 해양, 대기 및 육지 표면 사이의 비선형 상호작용의 결과로 "습윤 상태와 건조 상태 사이의 급격한 전이"가 있을 수 있다.

예를 들어, 대서양 남북 열염순환(AMOC)의 붕괴가 실제로 일어난다면 물의 순환에 큰 지역적 영향을 미칠 수 있다. 태양 복사 관리의 시작이나 종료 또한 물의 순환에서 급격한 변화를 초래할 수 있다. 육지 표면의 변화에 따른 급격한 물의 순환 반응도 있을 수 있다. 아마존의 탈산림화 및 건조화, 사하라와 사헬의 녹화, 먼지에 의한 가뭄 증폭은 모두 기여할 수 있는 과정들이다.

물의 순환에서 이러한 급격한 변화가 발생할 가능성에 대한 과학적 이해는 아직 명확하지 않다. 인간 활동으로 인한 물의 순환의 갑작스러운 변화는 현재의 과학적 지식으로는 배제할 수 없는 가능성이다. 그러나 21세기 동안 그러한 변화가 일어날 가능성은 현재 낮게 평가된다.

 측정 및 모델링 기법 
 해양 염분의 변화 

섬네일|upright=1.35|강수 마이너스 증발의 연간 평균 분포. 이미지는 적도 부근 지역은 강수가 지배적이고, 아열대 지역은 주로 증발이 지배적임을 보여준다.
지구 온난화와 빙하 용융 증가로 인해, 해양으로 방출되는 담수의 양이 늘어나 해양 염분이 변화함으로써 열염순환 패턴이 바뀔 수 있다. 열염순환은 해양 깊은 곳에서 차갑고 영양분이 풍부한 물을 끌어올리는 역할인 용승을 담당한다.

해수는 담수와 소금으로 구성되며, 해수 중의 소금 농도를 염분이라고 한다. 소금은 증발하지 않으므로 담수의 강수와 증발은 염분에 강한 영향을 미친다. 따라서 물의 순환 변화는 표층 염분 측정에서 강력하게 나타나며, 이는 이미 1930년대부터 알려져 왔다.
섬네일|upright=1.35 |전 지구적 해수면 염분 패턴. 증발이 지배적인 아열대 지역이 상대적으로 염분이 높음을 알 수 있다. 열대 지방과 고위도는 염분이 낮다. 위의 지도와 비교하면 고염분 지역은 증발 지배 지역과 일치하고, 저염분 지역은 강수 지배 지역과 일치함을 볼 수 있다. 
표층 염분 사용의 장점은 지난 50년 동안 ARGO와 같은 현장(in-situ) 측정 시스템을 통해 잘 문서화되어 있다는 것이다. 또 다른 장점은 해양 염분이 매우 긴 시간 규모에서 안정적이라는 점이며, 이는 인위적 강제력으로 인한 작은 변화를 추적하기 쉽게 만든다. 해양 염분은 지구상에 균질하게 분포되어 있지 않으며 명확한 패턴을 보여주는 지역적 차이가 있다. 열대 지역은 강우가 지배적이므로 상대적으로 싱겁다. 아열대 지역은 증발이 지배적이므로 더 짜며, 이 지역은 '사막 위도'라고도 알려져 있다. 극지방에 가까운 위도는 다시 염분이 낮아지며, 이들 지역에서 가장 낮은 염분값이 발견된다. 이는 이 지역의 증발량이 적고, 북극해로 유입되는 신선한 빙하 용융수의 양이 많기 때문이다.

장기 관측 기록은 명확한 추세를 보여준다. 즉, 이 기간 동안 전 지구적 염분 패턴이 증폭되고 있다. 이는 고염분 지역은 더 짜지고, 저염분 지역은 더 싱거워졌음을 의미한다. 고염분 지역은 증발이 지배적이며, 염분의 증가는 증발이 더욱 증가하고 있음을 보여준다. 저염분 지역이 더 싱거워지는 것도 마찬가지로 강수가 더욱 강화되고 있음을 나타낸다. 이 공간적 패턴은 강수 마이너스 증발의 공간적 패턴과 유사하다. 따라서 염분 패턴의 증폭은 물의 순환이 강화되고 있다는 간접적인 증거다.

해양 염분과 물의 순환 사이의 관계를 더 조사하기 위해 모델은 현재 연구에서 큰 역할을 한다. 대기 대순환 모형(GCM) 및 보다 최근의 대기-해양 결합 대순환 모형(AOGCM)은 전 지구적 순환과 강화되는 물의 순환과 같은 변화의 영향을 시뮬레이션한다. 이러한 모델에 기초한 여러 연구 결과는 표층 염분 변화와 강화되는 강수 마이너스 증발 패턴 사이의 관계를 뒷받침한다.

해양 상위 2000m의 고염분 지역과 저염분 지역 간의 염분 차이를 포착하는 척도는 SC2000 지표에 포착되어 있다. 이 지표의 관측된 증가치는 1960년부터 2017년까지 5.2%(±0.6%)다. 그러나 이 추세는 가속화되고 있는데, 1960년부터 1990년까지는 1.9%(±0.6%) 증가한 반면 1991년부터 2017년까지는 3.3%(±0.4%) 증가했기 때문이다. 패턴의 증폭은 표층 아래에서는 더 약하다. 이는 해양 온난화가 표층 근처의 성층화를 증가시키고, 아표층은 여전히 더 차가운 기후와 평형 상태에 있기 때문이다. 이로 인해 표층 증폭은 구형 모델이 예측한 것보다 더 강력하게 나타난다.

2011년 6월에 발사된 SAC-D 위성에 탑재된 Aquarius 장비는 전 지구 해수면 염분을 측정했다.

1994년과 2006년 사이에 위성 관측은 전 세계 해양으로 유입되는 담수 흐름이 18% 증가했음을 보여주었으며, 이는 부분적으로는 빙상(특히 그린란드)의 용융에서, 그리고 부분적으로는 전 지구 해양 증발 증가에 따른 강수량 증가에서 기인했다.

 물의 순환 변화에 대한 염분 증거 
물의 순환의 필수 과정은 강수와 증발이다. 국지적 강수 마이너스 증발(종종 P-E로 표기)은 물의 순환의 국지적 영향을 보여준다. P-E 크기의 변화는 종종 물의 순환 변화를 나타내는 데 사용된다. 그러나 강수량과 증발량의 변화에 대한 확고한 결론을 내리는 것은 복잡하다. 지구 증발량의 약 85%와 강수량의 78%가 해양 표면에서 발생하며, 이곳에서의 측정은 어렵다. 강수의 경우, 강우량을 국지적으로 측정할 수 있는(현장) 육지 표면에 대해서만 장기적으로 정확한 관측 기록이 있다. 반면 증발의 경우, 장기적으로 정확한 관측 기록이 전혀 없다. 이는 산업 혁명 이후의 변화에 대한 자신 있는 결론을 내리는 것을 가로막는다. 기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)의 제5차 평가 보고서(AR5)는 한 주제에 대한 가용한 문헌의 개요를 작성하고, 과학적 이해도에 따라 주제를 분류한다. 데이터의 부족으로 인해 1951년 이전의 강수 변화에 대해서는 낮은 신뢰도를, 1951년 이후에 대해서는 중간 정도의 신뢰도를 부여한다. 이러한 변화들은 인간의 영향으로 돌려지지만, 이 역시 중간 정도의 신뢰도로만 부여된다. 지구 온난화로 인한 증가분이 인위적 에어로졸의 냉각 효과에 의해 중쇄되었기 때문에 20세기에 걸쳐 관찰된 지역적 몬순 강수량의 변화는 제한적이었다. 다양한 지역 기후 모형은 몬순 강수가 감소하는 지역보다 증가하는 지역이 더 많을 것으로 예측한다.

 기상이변 예측을 위한 대류 허용 모형 
기후 모형에서의 대류 표현은 지금까지 아프리카의 기상이변을 정확하게 시뮬레이션하는 과학자들의 능력을 제한하여 기후변화 예측을 제약해 왔다. 대류 허용 모형(CPMs)은 열대 대류의 일주기, 수직 구름 구조, 그리고 사헬에서의 습윤 대류와 수렴 및 토양 수분-대류 피드백 사이의 결합을 더 잘 시뮬레이션할 수 있다. CPMs의 이점은 강수 구조와 극한 현상의 더 현실적인 표현을 포함하여 다른 지역에서도 입증되었다. 아프리카 전역 도메인에 대한 대류 허용(4.5km 격자 간격) 모델은 서부 및 중부 아프리카의 우기 동안 건조 기간의 길이가 미래에 증가할 것임을 보여준다. 과학자들은 대류를 더 정확하게 표현하면 아프리카의 습윤 및 건조 극한 현상의 예측된 변화가 모두 더 심각해질 수 있다고 결론지었다. 즉, "아프리카 기상이변의 양극단이 모두 더 심각해질 것"이다.

 지형학에 미치는 영향 
기후에 의한 강수 패턴의 변화는 전 지구적 물의 순환을 변화시킬 뿐만 아니라 지표면의 지형을 재형성하고 있다. 특히 극지방과 영구동토 지역에서의 강우 강화는 토석류 및 활성층 박리 산사태와 같은 매스 무브먼트(mass movement) 과정을 촉발하기 시작했다. 북서 그린란드에서는 2016~2017년에 발생한 극한의 여름 강우 사건으로 인해 조사된 경관의 약 25%에 영향을 미친 광범위한 사면 붕괴가 발생했다. 고고학 유적지에서 관찰된 교란의 정도는 홀로세 후기 이후의 장기적인 사면 안정성에 대한 대리 지표를 제공하며, 비가 지배적인 강수 체계로의 전환이 이미 고위도 북극의 지형학적 안정성에 영향을 미치고 있음을 입증한다.

 수자원 관리 측면에 미치는 영향 

물의 순환에 대한 인간 활동에 의한 변화는 수문학적 변동성을 증가시켜 수자원 산업과 투자 결정에 지대한 영향을 미칠 것이다. 이는 지역, 유역 및 현지 수준에서 물의 가용성(수자원), 용수 공급, 용수 수요, 물의 안전성 및 물 할당에 영향을 미칠 것이다.

 물의 안전성 

 물 부족 

 가뭄 

 사막화 

 홍수 

 지하수량 및 수질 

 같이 보기 
 기후변화가 해양에 미치는 영향
 해수의 온도

 각주 

분류:기후 변화의 영향
분류:수문학
분류:물의 형태