기후학
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1. 개요
기후학은 고대 그리스 시대부터 시작된 학문으로, 기후의 연구를 의미한다. 기후학은 30년 이상의 장기간에 걸친 기상 현상의 평균인 기후를 연구하며, 기상학과는 달리 장기적인 기상 패턴과 변화를 분석한다. 다양한 하위 분야로 기술 기후학, 고기후학, 응용 기후학 등이 있으며, 연구 방법에 따라 통계 기후학, 종관 기후학 등으로 분류된다. 기후 모델을 통해 과거, 현재, 미래의 기후를 예측하며, 기후 변동성, 기후 변화, 현대 기후 변화 등을 주요 연구 주제로 다룬다. 기후 정보는 날씨 예측뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용되며, 지구 온난화, 엘니뇨 등 환경 문제에 대한 접근에도 중요한 역할을 한다.
기후에 대한 연구는 고대 그리스 시대부터 시작되었다. "climate"라는 단어는 그리스어 ''klima''에서 유래되었으며, 이는 지구 축의 기울기를 의미하는 "경사"를 뜻한다. 히포크라테스는 기원전 400년경에 저술한 ''공기, 물, 그리고 장소에 관하여''에서 기후가 인간의 건강과 문화적 차이에 미치는 영향에 대해 언급했다.[4] 이는 ''기후 결정론''으로 역사 전체에 걸쳐 영향력을 유지했다.[4] 동양에서는 중국 과학자 심괄(1031–1095)이 화석화된 대나무를 통해 기후가 자연적으로 변화했음을 추론했다.[5]
2. 역사
과학 혁명 시기인 1640–1642년에 온도계와 기압계가 발명되면서 영국에서부터 체계적인 기상 관측이 가능해졌다.[4] 초기 기후 연구자로는 1686년에 무역풍 지도를 발표한 에드먼드 핼리, 멕시코 만류의 경로를 처음으로 지도화한 벤자민 프랭클린(1706–1790), ''고기압''이라는 용어를 만든 프랜시스 골턴(1822–1911)이 있다.[6] 헬무트 란츠베르크(1906–1985)는 기후학에서 통계적 분석의 사용을 장려했다.
20세기 초, 기후학은 주로 지역 기후를 설명하는 기술 기후학이 주를 이루었다. 이는 농부 등에게 정상적인 날씨와 극한 현상의 발생 가능성에 대한 통계를 제공했다.[7] 1970년대 이후 기후 변화가 주요 연구 주제 중 하나가 되었다. 요시노 마사토시는 헤로도토스를 고대 기후학의 제1인자로 평가하고 있다. 후쿠이 에이이치로는 율리우스 폰 한|Julius von Hannde을 '기후학의 창시자'로 보고 있다.
2. 1. 한국 기후학의 역사
한국에서는 전통적으로 농업과 관련된 기후 관측 및 기록이 이루어져 왔다. 조선시대에는 측우기를 이용한 강수량 측정이 이루어졌으며, 이는 세계적으로도 앞선 기상 관측 기술이었다. 현대적인 기상 관측은 1904년 일본에 의해 시작되었으며, 이후 한국 기상청을 중심으로 기상 관측 및 예보, 기후 연구가 수행되고 있다.
3. 하위 분야
기후학은 기후의 여러 측면을 연구하며, 하위 주제에 대한 다양한 분류가 있다. 최초의 기후 분류는 고대 그리스에서 이루어졌으며, 여러 세기에 걸쳐 다양한 기후 분류가 개발되었다. 기후 분류는 응용 분야에 따라 달라진다. 풍력 발전 사업자는 강수량과 기온이 더 중요한 농업 관련 종사자와는 다른 정보(바람)를 필요로 할 것이다. 가장 널리 사용되는 쾨펜 기후 분류는 19세기 후반에 개발되었으며 식생을 기반으로 하며, 온도와 강수량에 대한 월별 데이터를 사용한다.
기후학은 일반 기후학과 기후지로 나눌 수 있으며, "지리학적 기후학"과 "기상학적 기후학"으로 분류되기도 한다. 지리학적 기후학에서는 대기와 지리적 현상과의 관계성을 분석하고, 기상학적 기후학에서는 대기 현상의 물리적 해석을 목적으로 한다.
3. 1. 연구 대상에 따른 분류
고기후학은 빙하 코어와 나이테(수목 기후학)와 같은 기록을 조사하여 과거의 기후를 재구성하고 이해하려는 시도이다.[8] 고폭풍학은 이러한 동일한 기록을 사용하여 수천 년 동안의 허리케인 빈도를 결정하는 데 도움을 준다. 역사 기후학은 인류 역사와 관련된 기후를 연구하며 주로 지난 수천 년 동안을 다룬다.
경계층 기후학은 표면 근처에서 물, 에너지 및 운동량의 교환에 관한 것이다.[9] 장기간에 걸친 수문 순환의 연구는 수문 기후학이라고 불리며, 특히 기후 변화가 물 순환에 미치는 영향을 연구할 때 그렇다.[8] 그 외 연구 대상에 따라 생물 기후학 등으로 분류할 수 있다.
3. 2. 연구 방법에 따른 분류
기후학의 하위 주제는 다양하게 분류될 수 있다. 미국 기상학회는 연구의 복잡성과 목적에 따라 기후학을 기술 기후학, 과학 기후학, 응용 기후학의 세 가지 하위 범주로 분류한다.[8] 응용 기후학자들은 제조업과 농업 등 다양한 산업에 전문 지식을 적용한다.
연구 방법에 따라서는 통계 기후학, 종관 기후학, 기단 기후학, 응용 기후학 등으로 분류할 수 있다. 통계 기후학은 통계 분석을 통해 기후를 연구하고, 종관 기후학은 날씨 그림 등의 분포도를 이용하여 기후를 고찰하며, 기단 기후학은 기단을 이용하여 기후를 설명한다. 응용 기후학은 산업, 생태, 재해 등에 영향을 주는 기후 조건 연구를 수행하며, 농업 기후학 등이 이에 속한다.
3. 3. 연구 규모에 따른 분류
기후학은 연구하는 규모에 따라 대기후학, 중기후학, 소기후학, 미기후학 등으로 세분화된다.
4. 연구 방법
현대 기후 연구는 강우량, 기온, 대기 조성 등을 기록하는, 수년에 걸쳐 축적된 기상 데이터를 통합하여 이루어진다. 대기와 그 역학에 대한 지식은 서로 다른 관측 결과를 통합하고, 모델(통계적 또는 수학적)을 통해 과거, 현재, 미래 기후를 이해하는 데 사용된다.[10]
기후 연구는 장기간에 걸쳐 복잡하게 작용하는 대규모 과정 때문에 어려움이 따른다. 기후는 미분 방정식으로 표현 가능한 물리적 원리에 의해 지배되지만, 이러한 방정식은 결합되고 비선형적이어서 전 지구 기후 모델을 만들기 위해 수치적 방법을 사용하여 근사해를 얻는다. 기후는 때때로 확률 과정으로 모델링되기도 하지만, 이는 분석하기에 너무 복잡한 과정에 대한 근사로 여겨진다.[11]
기후 연구에는 장기간의 기후 변수 기록 수집이 필수적이다. 기후학은 기상학자들이 기록한 데이터를 활용하며, 과학자들은 지구 관측 위성과 전 세계적인 온도계 네트워크, 선사 시대의 빙하에서 추출한 얼음에 이르기까지 기후에 대한 직접적, 간접적 관측 자료를 모두 사용한다.[11] 측정 기술이 시간에 따라 변화하면서 데이터 기록을 직접 비교하기 어려운 경우가 많아, 도시 열섬 효과와 같은 도시화로 인한 데이터 수정이 필요하다.
4. 1. 기후 모델
기후 모형은 대기, 해양, 육지 표면 및 얼음의 상호 작용을 시뮬레이션하기 위해 정량적 방법을 사용한다.[12] 이러한 모델은 날씨 및 기후 시스템의 역학 연구부터 미래 기후 예측에 이르기까지 다양한 목적으로 활용된다. 모든 기후 모형은 지구로 들어오는 단파(가시광선 포함) 전자기 복사 에너지와 지구에서 방출되는 장파(적외선) 전자기 복사 에너지의 균형을 맞추거나 거의 균형을 이루도록 설계되어 있다. 이 균형이 깨지면 지구 평균 온도가 변하게 된다. 대부분의 기후 모형은 이산화 탄소와 같은 온실 가스의 복사 효과를 포함하며, 지표면 온도의 증가 추세와 고위도에서의 더 빠른 온도 증가를 예측한다.[12]기후 모형은 단순한 것부터 복잡한 것까지 다양한 종류가 있다.
- 단순 복사열 전달 모형: 지구를 하나의 지점으로 보고 방출되는 에너지를 평균한다.
- 복사-대류 모형: 단순 복사열 전달 모형을 수직 또는 수평으로 확장한 것이다.
- 지구 기후 모형: 대기-해양-해빙이 결합된 형태로, 질량 및 에너지 전달과 복사 교환에 대한 전체 방정식을 이산화하고 푼다.
- 지구 시스템 모형: 지구 기후 모형에 생물권을 추가로 포함한다.
전 지구 기후 모형은 100km에서 1km까지 다양한 해상도로 제공된다.[12] 높은 해상도의 전 지구 기후 모형은 계산량이 매우 많기 때문에, 전 지구 데이터 세트는 소수만 존재한다. 예를 들어 ICON[12]이나 CHELSA(지구 육지 표면 지역의 고해상도 기후학)와 같이 기계론적으로 다운스케일링된 데이터가 있다.[13][14]
5. 주요 연구 주제
기후학의 주요 연구 주제는 기후 변동성, 기후 변화 메커니즘, 현대 기후 변화이다.[15]
20세기 초 기후학은 지역 기후 설명에 중점을 두고, 농업 등에 필요한 정보를 제공하기 위해 30년 동안의 날씨와 극심한 기상 현상의 평균인 ''기후 정상값''을 정의했다.[7] 당시에는 기후가 점진적으로 변화한다는 개념이 일반적이었으나, 1970년대 이후 기후 변화가 주요 연구 주제로 부상하면서 이러한 인식은 바뀌었다.[7]
현대 기후 연구는 강우량, 기온, 대기 조성 등 장기간 축적된 기상 데이터를 통합하고, 모델을 통해 과거, 현재, 미래 기후를 이해한다. 기후는 복잡하고 비선형적인 미분 방정식으로 표현되는 물리적 원리에 의해 지배되므로, 전 지구 기후 모델과 같은 수치적 방법을 사용하여 근사해를 구하며, 확률 과정으로 모델링되기도 한다.
5. 1. 기후 변동성
다양한 요인들이 특정 지역의 대기 평균 상태에 영향을 미친다. 예를 들어, 중위도 지역은 뚜렷한 계절 주기를 보이지만, 열대 지역은 1년 동안 기온 변화가 거의 없다.[16] 기후의 또 다른 주요 변수는 대륙성, 즉 대양과 같은 주요 수역으로부터의 거리이다. 대양은 완충 작용을 하기 때문에, 대양에 가까운 육지는 대양에서 멀리 떨어진 지역보다 겨울과 여름 사이의 기온 차이가 일반적으로 적다. 대기는 기후 시스템의 다른 부분과 상호 작용하여, 바람이 전 세계의 열을 수송하는 해류를 생성한다.기후 변동성에는 다양한 유형이 있는데, 이는 온도나 다른 기후 변수의 반복적인 패턴을 의미한다. 이러한 변동성은 다양한 지수를 통해 정량화된다. 다우존스 산업 평균 지수가 30개 기업의 주가를 기반으로 주식 가격 변동을 대표하는 것처럼, 기후 지수는 기후의 본질적인 요소를 나타내는 데 사용된다. 기후 지수는 일반적으로 단순성과 완전성이라는 두 가지 목표를 가지고 고안되며, 각 지수는 일반적으로 그것이 나타내는 기후 요소의 상태와 시기를 나타낸다. 본질적으로 지수는 단순하며, 많은 세부 사항을 결합하여 전반적인 대기 또는 해양에 대한 일반화된 설명을 제공하며, 이는 지구 기후 시스템에 영향을 미치는 요인을 특징짓는 데 사용될 수 있다.
엘니뇨-남방 진동 (ENSO)은 태평양 해양-대기 결합 현상으로, 전 세계 온도 변동성의 상당 부분을 차지하며[16] 2년에서 7년 사이의 주기를 갖는다.[16] 북극 진동은 주로 하층 대기, 즉 대류권에 국한된 변동성 모드이다. 그 위의 대기층인 성층권 또한 자체적인 변동성을 생성할 수 있는데, 가장 중요한 것은 약 30~60일의 주기를 갖는 매든-줄리안 진동 (MJO)이다. 태평양 간 십 년 진동은 10년 단위의 시간 척도로 태평양과 하층 대기에 변화를 일으킬 수 있다.
5. 2. 기후 변화
기후 변화는 지구의 기후 시스템 변화로 인해 장기간에 걸쳐 새로운 날씨 패턴이 나타나는 현상이다. 이러한 변화는 수십 년에서 수백만 년까지 지속될 수 있다. 기후 시스템은 태양으로부터 에너지를 받고, 우주로 에너지를 방출한다. 들어오고 나가는 에너지의 균형과 기후 시스템 내에서의 에너지 이동은 지구의 에너지 예산을 결정한다. 들어오는 에너지가 나가는 에너지보다 많으면 지구는 따뜻해지고, 반대의 경우에는 냉각된다.[17] 기후 변화는 평균 해수면에도 영향을 미친다.현대 기후 변화는 주로 인간이 화석 연료를 연소하면서 배출하는 온실 기체 때문에 발생하며, 이는 전 지구 평균 지표면 온도를 상승시킨다. 온도 상승 외에도 강수량, 폭풍 궤도, 구름의 변화와 같은 현상이 관찰된다. 또한, 따뜻해진 기온은 빙하의 광범위한 융해, 해수면 상승, 동식물의 변화 등을 일으키고 있다.[18]
6. 기상학과의 차이점
기상학이 몇 주를 넘지 않는 단기적인 날씨 시스템을 강조하는 것과 대조적으로, 기후학은 그러한 시스템의 빈도와 추세를 연구한다. 기후학은 수 년에서 수 천 년에 걸친 기상 현상의 주기성과 장기적인 평균 기상 패턴의 변화를 연구한다. 기후학자는 지역, 지방 또는 전 지구적 기후의 특성과 기후 변화를 유발하는 자연적 또는 인위적 요인을 모두 연구한다. 기후학은 과거를 고려하여 미래의 기후 변화를 예측하는 데 도움을 줄 수 있다.
기후학적 관심 대상 현상으로는 대기 경계층, 대기 순환 패턴, 열 전달 (복사, 대류, 잠열), 대기와 해양 및 육지 표면(특히 식생, 토지 이용, 지형) 간의 상호 작용, 그리고 대기의 화학적 및 물리적 조성이 있다.
7. 기후 정보의 활용
최근 부각되고 있는 지구 온난화, 열섬 현상, 엘니뇨, 산성비 등 환경 문제에 대한 접근 방식에서도 기후학의 역할은 필수적이다.
지리학적 기후학의 연구 사례로, 후쿠오카 요시타카는 도시 기후학과 재해 기후학 외에도 자원 기후학을 제창하고 있다. 도시 기후학 연구에서는 도시 형성에 따른 기후 변화나 인간 활동에 따른 온난화를 연구하는 경우와 도시 형성에 적합한 기후를 연구하는 경우 두 가지가 상정된다.
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