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대기 강, 홍수 및 가뭄: 캘리포니아의 더 습하고 건조한 기후 미래의 역설

Energy Innovation은 독립적인 비영리 Aspen Global Change Institute(AGCI)와 협력하여 기후 및 에너지 연구 업데이트를 제공합니다. 아래 연구 개요는 AGCI 커뮤니티 과학 관리자 Elise Osenga가 작성한 것입니다. AGCI 업데이트의 전체 목록은 https://www.agci.org/solutions/quarterly-research-reviews에서 온라인으로 확인할 수 있습니다.

캘리포니아는 현재 “비가 오지는 않지만 쏟아진다”는 옛 속담을 실천하고 있습니다. 미국 서부 전역에 수년간 극심한 가뭄이 이어진 후 대기 강이 지난 12월에 주를 휩쓸기 시작하여 엄청난 비와 눈이 내렸습니다. 새해부터 다음 달까지 폭풍우가 계속해서 북부와 남부 캘리포니아를 강타했으며 집중적인 강수량이 발생했습니다.

올해 3월에는 폭풍우로 인해 홍수, 산사태, 낮은 고도에서 제방 붕괴가 발생했습니다. 캘리포니아의 시에라 네바다 산맥에서는 2월 말까지(1991~2020년 대비) 일부 지역의 적설량이 “정상”의 269%에 달했으며 극심한 폭설로 구조물이 무너지고 고속도로가 폐쇄되었습니다. 따뜻한 봄 기온으로 인해 눈이 녹고 강수량이 더 높은 고도에서 눈에서 비로 바뀌면서 올해의 깊은 눈으로 인해 더욱 심한 홍수가 발생할 수 있다는 우려도 높아지고 있습니다.

이는 캘리포니아가 100년 만에 가장 건조한 1월, 2월, 3월을 기록하고 미국 서부 전역에 가뭄 기록을 세웠던 2022년과는 큰 차이가 있습니다. 비슷한 추세가 전 세계에서 관찰됩니다. 유럽 ​​알프스에서는 1971년 이후 연평균 적설량이 감소해 왔습니다. 이는 지난 600년 동안 전례가 없는 추세입니다. 다년간의 가뭄으로 인해 남아메리카에도 문제가 발생했습니다(2022년 7월 폭설로 인해 칠레와 페루의 안데스 산맥이 어느 정도 안정을 취했지만).

Snowpack은 꽃 피는 것부터 야생 동물의 생존, 레크리에이션 경제부터 도시 및 농업 용수 공급에 이르기까지 모든 것에 영향을 미치는 산악 지역 사회에서 가장 큰 관심사입니다. 기후 변화의 영향이 심화됨에 따라 전문가들은 산 수문학 순환의 근본적인 변화를 예측하며, 이는 눈에 의존하는 사람들과 생태계에 영향을 미칩니다. 이러한 변경 사항이 어떤 모습일지 이해하는 것은 복잡한 과제입니다. 캘리포니아는 기온 상승과 지역 대기 패턴 사이의 점을 연결하고 더 극심한 가뭄과 더 극심한 홍수를 가져올 미래에 대한 예측을 조정하는 데 도움이 되는 사례 연구 역할을 할 수 있습니다.

위험도가 높은 미래의 대기 하천과 대홍수

겨울 강수량을 결정하는 가장 큰 요인 중 하나는 계절에 따른 대기 강의 패턴입니다. 다량의 수증기를 함유한 공기 통로인 대기 강은 적도 근처에서 더 높은 위도로 흐르며, 특히 산악 지형에 접할 때 일반적으로 강한 풍속과 폭우 또는 눈을 가져옵니다.

Huang 등의 최근 연구. (2022)은 기후 변화가 태평양의 대기 하천에 미치는 영향이 온난화로 인한 강수량 변화와 결합하여 눈이 아닌 비로 떨어지면서 캘리포니아에서 대규모 홍수가 발생할 가능성을 높일 수 있다고 경고합니다. 캘리포니아 재해 시나리오 프로그램인 ARkStorm 2.0을 실행하고 다양한 미래 기후 조건을 사용하는 Huang et al. 는 지구 대기 온도가 섭씨 1도씩 증가할 때마다 캘리포니아에서 1861~1862년의 대홍수와 동등한 역사적인 대규모 홍수 가능성이 급격히 증가한다는 사실을 발견했습니다(그림 1).

기온 상승과 홍수 위험 증가는 강수량의 강도와 강수량이 눈과 비로 떨어지는지 여부와 관련이 있습니다. 따뜻한 공기는 차가운 공기보다 더 많은 수증기를 보유할 수 있으며, 이 연구에서는 대기가 따뜻해지면 더 많은 대기 강이 미국 서부에서 극심한 강수량을 생성할 수 있는 수분 부하를 운반한다는 사실을 발견했습니다. 이는 Kirchmeier-Young 및 장(2020), Michaelis et al. (2022), Corringham et al. (2022).

더욱이, 집중호우 사건과 관련된 홍수 위험은 따뜻한 기온의 영향으로 인해 지역적으로 가중될 수 있습니다. Huang et al. 온난화 온도는 눈이 아닌 비로 떨어지는 증가된 강수량의 더 많은 부분과 관련이 있다는 것을 발견했습니다. 배출량이 많은 기후 변화 궤적에서 1861~1862년의 대홍수와 동등한 대규모 홍수가 발생할 확률은 2060년까지 3배 이상 증가하여 위험이 600% 증가합니다.

더 습하고 건조한 미래를 조화시키다

캘리포니아와 다른 지역의 더 건조한 미래와 자주 논의되는 “미국 서부의 건조화”를 예측하는 연구와 홍수에 취약한 미래는 어떻게 일치합니까? 이번에도 대기 강과 지역 온난화가 중요한 역할을 합니다.

NASA의 연구에 따르면 기온이 따뜻해지면 대기 강이 더 습해지고 강렬해지는 데 기여할 수 있지만, 총 수 미국 서부에 강수량에 관계없이 강수량을 가져오는 대기 강의 수가 감소할 수 있습니다. 즉, 물을 공급하는 심각한 폭풍이 줄어들 수 있음을 의미합니다. 기상학적 가뭄(평균 강수량 미만으로 인한 가뭄)이 실제로 발생하면 기후 온난화로 인해 악화되어 여름과 겨울 수문 순환에 영향을 줄 가능성이 높습니다.

그렇다면 이러한 변화가 향후 Snowpack에 어떤 의미를 갖게 될까요? Weider 등의 최근 연구. (2022)에서는 북반구 전역에서 다가오는 세기 동안 적설량이 감소할 수 있다고 예상합니다. 이 연구에서는 가능성의 범위를 더 잘 이해하기 위해 지구 기후 모델의 40개 시뮬레이션 세트를 사용하여 여러 산악 지역에서 계절별 눈 주기의 잠재적 변화를 평가했습니다. 연구진은 2070~2099년 예측을 1950~1969년 기준과 비교하여 한 번에 3cm 이상의 눈이 3개월 이상 존재하는 지역을 분류했습니다.

그들은 더 따뜻한 미래 기후 시나리오가 2100년까지 눈더미의 변화가 반구 전체에 고르게 분포되지는 않았지만 더 얇아지고 덜 널리 퍼진 눈더미와 연관되어 있음을 발견했습니다. 적설량이 감소한 것은 영하의 기온이 유지되는 일수의 감소와 관련이 있었고, 이로 인해 눈이 내리는 계절이 짧아졌습니다. 또한, Weider et al. 는 지난 수십 년 동안 더 많은 유출수와 최고 하천 흐름이 발생하고 지난 수십 년 동안 최고 눈 물 환산(SWE) 이전에 눈이 녹는 비율이 더 높아지는 시기 변화를 발견했습니다(그림 2). 이러한 시기 변화는 물 관리에 어려움을 야기합니다.

그림 2. Weider et al.의 지도입니다. (논문의 그림 4) 2000년부터 2100년까지 SWE 최고치(적설량이 최고치에 해당하는 날짜) 이전에 발생하는 겨울 눈 녹는 양의 모델 변화를 비교합니다. [snow melt fraction–left] 연간 하천 흐름의 50%가 발생한 시점 [change center timing-right]. 2100년에는 눈이 녹는 비율이 더 일찍 겨울에 발생하고 유출수는 연초로 이동합니다.

Rhoades 등의 연구에 따르면 2100년을 전망합니다.. (2022)은 또한 캘리포니아의 시에라 네바다를 포함하는 북미 서부와 남미 서부에 걸쳐 있는 일련의 산맥인 미국산 코르딜라(American Cordillera) 내 적설량이 감소할 것으로 예상합니다. 이 연구에서는 고해상도 모델을 비교하여 SWE가 과거 평균 적설량과 비교하여 30번째 백분위수 아래로 떨어진 사건을 식별했습니다. Rhoadeset al. 는 Cordillera의 일부 지역이 금세기 후반 동안 지속적으로 눈이 내리지 않는 값에 빠졌으며, 적설량이 적은 추세는 2025년 초에 나타나기 시작했다는 것을 발견했습니다. Weider et al.의 연구 결과와 유사하게, Cordillera 눈덩이는 부분적으로 기온 상승과 관련이 있으며, 이는 영하로 떨어지는 일수가 줄어들고 눈이 아닌 비로 떨어지는 강수량의 비율이 더 높아졌습니다.

Weider et al.이 지적한 바와 같이, 온난화로 인한 눈 녹는 양과 시기의 변화는 물 관리자에게 문제를 야기합니다. 왜냐하면 눈 대신 비로 인해 유출량이 많아지면 물 공급 시기를 예측하기가 어려워지기 때문입니다. 또한 생태 및 담수 시스템 전반에 걸친 광범위한 계단식 영향과 이러한 영향이 인간 시스템(식량 생산, 레크리에이션 및 수질 포함)과 어떻게 관련되는지에 대해 아직 배워야 할 것이 많습니다.

미래를 준비하다

종합적으로, 이들 연구는 간헐적인 극심한 강우 현상이 간헐적으로 나타나는 역사적 기간보다 평균적으로 눈이 적게 내리는 미래의 캘리포니아에 대한 그림을 그립니다. 변화의 규모와 속도는 배출 경로에 따라 결정될 수 있지만 여러 연구에 따르면 배출이 적은 시나리오에서도 캘리포니아와 물을 스노우팩에 의존하는 기타 지역은 역사적 기록이 템플릿을 제공할 수 없는 조건에 직면하게 될 것입니다.

Snowpack과 관련된 물 공급은 양과 시기 측면에서 예측하기 어려워질 것으로 예상되므로 Rhoades et al. 특히 그러한 인프라가 부족한 지역의 경우 적응형 물 저장 인프라와 혁신적인 관리 접근 방식의 중요성이 커지고 있음을 강조합니다. 한편, 거대 폭풍 증가에 대한 Huang et al.의 예측은 수자원 인프라 및 건축 법규에 대한 다른 종류의 과제, 즉 홍수 및 극심한 강수 사건에 대한 대비를 보여줍니다. 습한 환경과 건조한 환경 모두에 대한 적극적인 사고와 설계는 과거와는 다른 미래를 계획하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Wiederet al. 산지 공동체를 위한 효과적인 적응 접근 방식을 위해서는 생태계와 눈덩이 사이의 피드백을 이해하는 것이 필수적이라는 점을 지적하면서 인간 기반 시설을 넘어서 생각할 필요성을 강조합니다. Rhoadeset al. 또한 시스템 변수 간의 연결을 식별하는 분석적 접근 방식인 “개념적 프레임워크” 개발의 중요성을 강조합니다.

가뭄에 대비하든, 물 과잉에 대비하든, 모든 연구 결과에 따르면 배출량이 많은 시나리오는 수문학적 변화를 가속화하고 악화시킬 것으로 나타났습니다. Rhoadeset al. 탄소 배출 속도가 눈이 내리지 않는 조건이 얼마나 빨리 나타나는지 결정하는 반면, Huang et al. 기후가 이미 따뜻해진 경우에도 대기가 따뜻해지는 정도에 따라 극심한 홍수의 위험이 증가한다는 사실을 발견했습니다. Corringhamet al. 마찬가지로 미국 서부 지역의 영향은 기후 시나리오에 따라 다르다는 사실을 발견했습니다. 지난 40년 동안 대기 하천 관련 홍수 피해에 대한 연간 평균 지출은 약 10억 달러로 중간 배출 시나리오(RCP4.5)에서는 두 배가 되지만 시나리오에서는 세 배 이상 증가했습니다. 고배출 시나리오(RCP8.5). 결과적으로, 기후 온난화의 속도와 규모는 향후 수십 년 동안 재앙적인 사건의 재발을 결정하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 종합적으로, 이들 연구는 현재 수행되는 성공적인 기후 완화 활동이 대기 강, 홍수 및 가뭄으로 인한 미래 영향의 심각성을 극적으로 줄일 수 있음을 나타냅니다.

주요 연구:
Carrer et al., “최근 알프스에서 쇠퇴하는 눈덩이는 지난 6세기 동안 전례가 없는 일입니다.” 자연 기후변화 13(2023): 155-160, https://www.nature.com/articles/s41558-022-01575-3.
TW Corringham 외, “미국 서부 지역의 미래 대기 하천 홍수 피해에 대한 기후 변화 기여”, 과학 보고서 12(2022), https://www.nature.com/articles/s41598-022-15474-2.
Huang 및 DL Swain, “기후 변화로 인해 캘리포니아 대홍수의 위험이 증가하고 있습니다.” 과학 발전 8, 아니. 32(2022), https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abq0995.
MC Kirchmeier-Young 및 X. Zhang, “인간의 영향으로 인해 북미 지역에서 극심한 강수량이 증가했습니다.” PNAS 117, 아니. 24(2020), pnas.org/doi/10.1073/pnas.1921628117.
AC Michaelis 외, “기후 변화로 인해 강화된 대기 하천 강수량: 캘리포니아 오로빌 댐 위기에 기여한 폭풍에 대한 사례 연구” 지구의 미래 10, 아니. 3(2022),https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021EF002537.
AM Rhoades 등., “미국 코르디예라 중위도 ​​지역에 눈이 적거나 없는 비대칭적 출현” 자연 기후변화 12(2022): 1151–1159, https://doi.org/10.1038/s41558-022-01518-y.
WR Weider 외, “기후 변화 하에서 눈이 지배하는 생태계 기능에 대한 광범위한 변화” PNAS 119, 아니. 30(2022), https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2202393119.