The Korean Meteorological Society 1

Current Issue

Atmosphere - Vol. 29 , No. 3

[ Article ]
Atmosphere - Vol. 29, No. 2, pp.165-181
Abbreviation: Atmos
ISSN: 1598-3560 (Print) 2288-3266 (Online)
Print publication date 30 Jun 2019
Received 28 Mar 2019 Revised 24 May 2019 Accepted 10 Jun 2019
DOI: https://doi.org/10.14191/Atmos.2019.29.2.165

RegCM4.0을 활용한 CORDEX II 동아시아 지역의 21C 중·후반 기후 변화 전망
김태준1) ; 서명석2), * ; 장은철2)
1)국립기상과학원 기후연구과
2)공주대학교 대기과학과

Prospect of Climate Changes for the Mid and Late 21st Century Using RegCM4.0 over CORDEX II East Asian Region
Tae-Jun Kim1) ; Myoung-Seok Suh2), * ; Eun-Chul Chang2)
1)Climate Research Division, National Institute of Meteorological Sciences, Jeju, Korea
2)Department of Atmospheric Science, Kong-ju National University, Gongju, Korea
Correspondence to : * Myoung-Seok Suh, Department of Atmospheric Science, Kongju National University, 56, Gongjudaehakro, Gongju-si, Chungcheongnam-do 32588, Korea. Phone: +82-41-850-8533, Fax: +82-41-856-8527 E-mail: sms416@kongju.ac.kr

Funding Information ▼

Abstract

In this study, the regional climate model, RegCM4.0 (25 km), with the HadGEM2-AO data as boundary conditions, was used to simulate the mean climate changes in the mid and late 21st century for CORDEX Phase 2 East Asian region. 122 years (1979~2100) of simulation were performed, and RCP 4.5 and RCP 8.5 were used for the simulation of future climate. In the mid-21st century, the temperature is expected to increase by about 0.5 to 3.0oC in all regions of East Asia, regardless of season and scenario. The increase in temperature is greater in summer and winter, especially in the northern part of simulation domain. Interannual variability (IAV) is expected to decrease by 25% in summer for RCP 8.5, while it is expected to increase by more than 30% in autumn for both scenarios. Regardless of the scenario, the precipitation in South Korea is expected to increase in late June but decrease in mid-July, with an increase in precipitation greater than 100 mm day−1. In RCP 4.5 of the late 21st century, relatively uniform temperature increase (1.0~2.5oC) is expected throughout the continent, while RCP 8.5 shows a very diverse increase (3.0~6.0oC) depending on season and geographical location. In addition, the IAV of temperature is expected to decrease by more than 35% in both scenarios in the summer. In most of the Northwest Pacific region, precipitation is expected to decrease in all seasons except for the summer, but in South Korea, it is projected to increase by about 10% in all seasons except autumn.


Keywords: CORDEX II-East Asia, RegCM4.0, regional climate changes, RCP4.5/8.5, mid and late 21st century

1. 서 론

IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 4차 및 5차 보고서에서 밝힌 바와 같이 현재 진행되고 있는 기후변화는 CO2와 같은 온실기체의 인위적인 증가에 의한 것임이 확실시 되고 있다(IPCC, 2007, 2014). 기후변화는 지리적 조건과 계절, 기후요소 등에 따라 상이하게 나타나기 때문에, 전 지구에 대한 기후변화 연구와 함께 각 지역의 기후변화에 대한 연구 또한 함께 진행되어야 한다(e.g., Meehl et al., 2000; Kimoto, 2005). 우리나라는 동아시아 대륙의 동안에 위치해 대륙과 해양의 영향을 동시에 받으며, 복잡한 지형의 영향으로 기후의 시·공간적 변동성이 큰 특징을 가지고 있다(e.g., Yoon et al., 2006; Kim and Suh, 2009). 최근에는 지구 온난화의 영향으로 열파, 열대야, 집중호우 등 위험기상의 발생 빈도 및 강도가 증가되고 있음이 많은 선행연구들을 통해 밝혀지고 있다(e.g., Kwon, 2005; Kim and Suh, 2009; Myoung and Suh, 2010). 기후변화는 우리의 일상생활뿐만 아니라 농작물 재배, 기후관련 산업, 그리고 국민의 안전 관련 분야 등에 많은 영향을 줄 수밖에 없다. 따라서 전 지구뿐만 아니라 지역규모의 기후변화에 대해 미리 준비하지 않는다면, 우리가 입게 될 피해는 경우에 따라 경제 및 산업 측면에서 재앙이 될 수도 있다.

기후연구에서 중요한 도구인 전구기후모델을 이용하는 그룹에서는 WCRP (World Climate Research Program)의 주관으로 1995년부터 CMIP (the Coupled Model Intercomparison Project)을 수행하고 있으며, 현재는 CMIP6 (The phase 6 of CMIP)을 수행 중이다(e.g., Taylor et al., 2012; Kharin et al., 2013; Eyring et al., 2016). CMIP 시리즈를 통해 다양한 전구기후 모의자료들이 생산되었지만 지역기후변화 특성을 분석하기에는 해상도가 너무 낮기 때문에, 각 지역에서는 보다 고해상도의 지역기후모델을 이용하여 기후변화 예측정보의 상세화와 신뢰수준을 높이기 위한 연구들을 추진해오고 있다. 예를 들면, 아시아 지역의 RMIP (Regional Climate Models Intercomparison Project; e.g., Fu et al., 2005), 북미지역의 NARCCAP (North America Regional Climate Change Assessment Program; e.g., Wang et al., 2009), 유럽의 PRUDENCE (Prediction of Regional scenarios and Uncertainties for Defining EuropeaN Climate Change risks and Effects; e.g., Jacob et al., 2007)와 ENSEMBLES (ENSEMBLE-based predictions of climate changes and their impacts; e.g., van der Linden and Mitchell, 2009) 등이 각 지역에서 조직적으로 수행되었다.

우리나라에서도 RCP (Representative Concentration Pathway) 시나리오와 다수의 전구/지역기후모델들을 이용하여 동아시아 및 한반도에서 보다 신뢰성 있는 기후변화 정보를 생산하기 위해 많은 연구를 수행하였다(e.g., KMA, 2012; Suh et al., 2012; Oh and Suh, 2013; Lee et al., 2014; KMA, 2018). 이 연구들은 국제 공동 연구인 CORDEX-EA (COordinated Regional Downscaling EXperiment-East Asia) 1단계 연구와 연계하여 공통된 모의환경 하에 다수의 지역기후모델들을 이용하여 CORDEX 동아시아 지역에서 50 km 해상도의 기후변화 정보를 생산하였고, 제공정보의 신뢰수준을 평가하였다. 또한, 보다 더 고해상도의 기후변화정보를 필요로 하는 수문, 방재, 농업 등 응용 연구 분야의 요구에 따라 한반도를 중심으로 한 고해상도(12.5 km)의 기후변화 정보를 생산하고, 산출정보의 신뢰수준을 제공하는 후속연구가 진행되었다(e.g., Oh and Suh, 2013; Kim et al., 2016; Choi and Ahn, 2017; Park et al., 2017; Ahn et al., 2018). 그러나 이러한 연구들은 방대한 양의 현재 및 미래 기후변화정보를 생산하는데 많은 시간을 투자하면서 평균 및 극한기후변화에 대한 원인 분석과 같은 심도 있는 연구를 동시에 수행하기에는 한계가 있었다. 특히, CORDEX-EA 1단계 연구에서는 상대적으로 낮은 해상도(50 km)에서 극한기후현상을 적절히 재현하지 못하는 한계가 있었고, 모의기간도 2050년까지라 21C 후반에 대해서는 정보를 산출하지 못하였다(e.g., Park et al., 2013). 또한 12.5 km의 고해상도 연구에서는 4개의 RCP 시나리오에 대해 2100년까지 모의자료를 산출하였지만, 모의영역이 한반도에 국한되면서 우리나라 극한 기후현상의 대표 격인 태풍, 열파, 여름 몬순 등과 관련된 종관규모 현상을 분석하기에는 한계가 있었다(e.g., Lee et al., 2014; Oh et al., 2014).

따라서 본 연구에서는 CORDEX-EA 1단계 연구에서의 문제점(저해상도: 50 km, 모의기간 한계: 2050)과 고해상도(12.5 km) 연구의 한계인 모의영역 문제점을 고려하고 CORDEX 2단계의 권고사항(해상도: 25 km, 모의영역 등)을 기반으로 하여 한반도를 중심으로 한 동아시아 지역에서의 21C 중반 및 후반의 기후 변화를 전망하고자 하였다. 현재 및 미래(1979~2100)의 지역기후 모의에 사용된 지역기후모델은 RegCM4.0 (Regional Climate Model version 4.0)이고(ICTP, 2010), 경계조건으로 사용한 모델은 기상청에서 운용중인 HadGEM2-AO (Hadley Centre Global Environmental Model version 2 coupled with the Atmosphere-Ocean) 이다(e.g., Baek et al., 2013). 현재 기후에 대한 RegCM4의 모의수준 평가는 Oh and Suh(2017)에서 상세하게 제시하였기에, 본 연구에서는 21C 중반과 후반에서의 기후 변화를 중심으로 연구하였다. 본 논문의 다음 절에는 본 연구에서 사용한 지역기후모델인 RegCM4.0과 실험설계에 대해 소개하고, 동아시아 및 남한에서의 21C 중반과 후반에서의 기후 변화 특성을 설명하였다. 끝으로 본 연구의 결과를 요약하였다.


2. 모델 및 실험설계

본 연구에서 이용한 지역기후모델은 RegCM4.0으로, 2010년 7월에 이탈리아의 국제이론물리연구소(International Centre for Theoretical Physics; ICTP)에서 공개한 모델이다. RegCM4.0에 대한 자세한 설명은 Giorgi et al. (2012)에 있으며, 전체 코드를 F90으로 변환하였고 지면경계에서의 물리적 특징들을 보다 정교하게 모의할 수 있는 NCAR Community Land Model (CLM3.5)을 결합하는 등, 모델 수준 향상과 함께 사용자의 편리성을 향상시킨 버전이다. RegCM4에 대해서는 Girogi et al. (2012), Oh and Suh (2013, 2017) 등을 참조할 수 있다.

본 연구에서는 CORDEX II에서 정의한 동아시아지역(CORDEX II-EA)을 모의영역으로 설정하였다(Fig. 1). CORDEX II-EA 모의영역은 그림에서 보는 바와 같이 동서방향으로는 인도와 티베트 고원 서쪽에서부터 일본, 그리고 서태평양에 이르고, 남북으로는 타이, 필리핀 지역에서부터 러시아를 포함하는 광범위한 영역이다. 본 실험에 사용된 물리과정들과 RegCM4.0의 모의환경을 Table 1에 나타내었다. 모의영역의 중심은 34.40oN, 116.57oE, 수평해상도는 25 km이며 전체 격자점 수는 동서 및 남북방향으로 396 × 251개, 연직 층수는 23개로 하였다.


Fig. 1. 
Simulation domain (CORDEX II-EA) with topography used in this study. a) and b) stand for the total model domain and South Korea, respectively.

Table 1. 
Model configuration used in this study.
  Contents Description
  Model   RegCM4.0 (Regional Climate Model version 4.0)
  Domain   Grids: 251 (Lat.) × 396 (Lon.)
  25 km (Horizontal Resolution)
  Cen. Lat. and Lon.: 34.40oN, 116.57oE
  True lat1: 20oN, True lat2: 40oN
  Vertical layers (top)   23 vertical sigma levels (50 hpa)
  Land surface model   NCAR CLM 3.5
  Cumulus parameterization scheme   MIT-Emanuel
  Planetary boundary layer scheme   Holtslag
  Radiation scheme   NCAR CCM3
  Boundary data   HadGEM2-AO
  Dt   30 sec
  Buffer zone   20 (per each direction)
  Analysis period   Historical: 1981~2005
  Future (RCP4.5/RCP8.5): 2006~2100

RegCM4.0의 적분에 필요한 경계자료는 기상청에서 제공하는 400년 제어 적분된 6시간 주기의 HadGEM2-AO 자료를 사용하였다(Baek et al., 2013). HadGEM2-AO의 모의수준은 Baek et al. (2013)에 요약되어 있는 바와 같이 CMIP3 참여 전구기후모델들보다 상대적으로 우수하며, 특히 인도와 동아시아 지역기후를 적절히 모의하는 것으로 보고되고 있다. 또한 Flato et al. (2013)에 제시된 바와 같이 HadGEM2-AO는 CMIP5에 참여한 전지구기후모델들 중 기온 및 강수에 대한 모의수준이 상위권에 속한다.

Kim et al. (2017)에서 밝힌 바와 같이, CORDEX II-EA 모의 영역이 광범위하기 때문에 장기적분 과정에서 종종 발생되는 대규모 경계자료와 지역기후모델 해와의 편차가 발생하며, 이를 줄여주기 위해 매 360초마다 스펙트럴 너징 기법(spectral nudging technique)을 적용하였다(von Storch et al., 2000; Cha and Lee, 2009). 스펙트럴 너징은 수평 바람장에 적용하였으며, 동서 및 남북 방향으로 파장이 약 900~1000 km에 해당되는 파수 8과 6을 가정하였다. 또한 지역기후 특성에 중요한 지면-대기 상호작용을 고려하기 위하여, 스펙트럴 너징 시 대규모 강제력에 대한 가중치를 고도에 반비례(모델 하단: 0.0, 모델 상단: 0.05)하게 주었다. 그리고 RegCM4.0의 현재 기간 모의자료에 대한 검증은 APHRODITE (Asian Precipitation High Resolved Observational Data Integration Towards Evaluation of water resources; Yatagai et al., 2012) 기온 및 강수자료를 이용하였다.

현재 대비 미래 상세 지역기후변화를 전망하기 위해서는 현재 대비 미래의 통합적 복사강제력의 변화를 반영하는 시나리오가 필요한데, 본 연구에서는 중간정도 변화인 RCP4.5와 가장 큰 변화를 의미하는 RCP8.5 시나리오를 선택하였다. 또한 현재 대비 21C 중반과 후반에서의 기후변화 전망을 위해 모의기간을 1979년부터 2100년까지 122년으로 하였다. 여기서 RCP 시나리오에 따라 전구기후모의 자료가 2006년 1월부터 나뉘는 점과, 모델의 안정화(spin-up) 기간을 고려하여 현재기후를 1981~2005의 25년으로 정의하였다. 또한 미래 기후변화를 전망하고자 하는 21C 중반과 후반도 현재기후와 동일하게 25년으로 분석 기간을 정하였으며, 각각 2026~2050년과 2076~2100년으로 정의하였다. 따라서 본 연구에서 21C 중반 및 후반의 기후변화라 함은 각 시기별 25년 평균기후와 현재 25년 평균기후 사이의 차이를 의미한다.


3. 연구 결과

본 연구에서는 미래 기후변화를 중점적으로 분석하기 위해, 현재 기후에 대한 모의수준에 대해서는 Fig. 2와 같이 간단히 제시하고자 한다. APHRODITE와 비교했을 때, HadGEM2-AO를 처방한 RegCM4.0은 기온의 공간분포를 어느 정도 잘 모의하고 있다. 하지만 겨울철 모의영역 북쪽 지역을 제외한 대부분 지역에서 계통적으로 과소 모의하는 경향을 보이고 있다. 이러한 특징은 RegCM4.0을 이용한 이전의 연구들에서도 제시된 바 있다(Gu et al., 2012; Gao et al., 2016). 강수의 경우에는 대체로 과다 모의하지만 봄에는 방글라데시와 미얀마, 여름에는 인도와 중국 중부 및 동북부 및 남한, 가을에는 인도와 태국 등에서 과소 모의하여 계절과 지역에 따라 상이한 모의특성을 보이고 있다. HadGEM2-AO를 처방한 RegCM4.0가 기온을 전반적으로 과소 모의하고, 강수는 과다하게 모의하는 특성은 경계자료인 HadGEM2-AO의 영향과 함께 RegCM4의 특성으로 보인다(Baek et al., 2013; Park et al., 2013; Oh et al., 2014). HadGEM2-AO를 처방한 RegCM4.0의 현재 기후 모의 수준과 관련된 보다 상세한 내용은 Oh and Suh (2017)를 참고할 수 있다.


Fig. 2. 
Spatial distribution of prospected seasonally averaged surface air temperature (oC) and precipitation (mm day−1), and their differences from observation (APHRODITE) for the historical (1981~2005) climate in a) spring (MAM), b) summer (JJA), c) autumn (SON) and d) winter (DJF).

동아시아와 남한에 대한 연평균 기온 및 강수의 1981년부터 2100년까지의 시계열을 Fig. 3에 나타내었다. 현재 기후에서 RegCM4.0은 동아시아와 남한지역 모두 기온을 관측보다 현저히 낮게 모의하였으나, 기온의 경년변동과 변화경향은 관측과 유사하게 모의하고 있다. 따라서 현재기후에 대한 계통적 편이가 미래에도 유사하게 나타난다고 가정하면, 본 모의 결과를 이용하여 현재 대비 미래 기온변화를 전망할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 동아시아 및 남한지역의 미래 모의에서 21C 중반까지는 시나리오에 따른 기온 차이가 크지 않지만, 약 2060년대부터 RCP4.5에서는 기온의 상승이 정체되는 반면 RCP8.5에서는 기온 상승폭이 매우 강해지는 차이를 보이고 있다. 그 결과 2100년경에는 두 시나리오 사이의 기온 차이가 약 3oC 정도로 커지고 있다. 또한 RegCM4.0은 동아시아 지역의 현재 강수를 관측보다 현저히 과다 모의하는 반면, 경년변동성은 매우 약하게 모의하는 특징을 보이고 있다. 남한 지역의 경우 관측보다 강수를 과소하게 모의하고 있으며, 경년변동성도 약하게 모의하고 있다. 동아시아 지역을 평균할 경우 적분 기간과 시나리오에 관계없이 강수의 변화는 크지 않을 것으로 전망되며, 남한 지역에서도 강한 경년변동성에 의해 미래 강수의 증감을 전망하기 어려울 것으로 판단된다.


Fig. 3. 
Inter-annual variations of annual mean A) surface air temperature and B) precipitation of observation (APHRODITE) and simulated by RegCM4 driven by HadGEM2-AO (Historical) over a) East Asia and b) South Korea for the RCP4.5 and RCP8.5.

3.1 21C 중반 기후변화 전망

현재(1981~2005) 대비 21C 중반(2026~2050) RCP 4.5 및 8.5에 따른 동아시아 지역의 계절 평균 기온 및 강수의 변화 특성(기온변화 =미래 평균기온 −현재 평균기온, 강수변화 =미래 강수강도/현재 강수강도)을 Figs. 4, 5에 나타내었다. 계절 및 RCP 시나리오에 관계없이 21C 중반에는 동아시아 전 지역에서 기온이 약 0.5~3.0oC 정도 상승되는 것으로 나타나고 있다(Fig. 4). 봄과 가을보다는 여름과 겨울에서, 바다보다는 육지에서, 그리고 모의영역의 중북부지역에서 기온의 상승이 상대적으로 클 것으로 전망된다. 선행연구들에서와 같이 RCP 4.5와 8.5의 차이는 계절 및 지리적 위치에 관계없이 크지 않다(e.g., Suh et al., 2016). RCP 시나리오에 관계없이, 여름에는 몽고 서쪽과 연해주 지역에서, 겨울에는 몽고 주변과 만주 지역에서 3.0oC 이상의 기온 상승을 전망하고 있다. 한반도의 경우는 RCP 시나리오와 계절에 관계없이 약 1.5~2.0oC 정도의 기온 상승이 전망된다.


Fig. 4. 
Spatial distribution of prospected changes (oC) of seasonally averaged surface air temperature for the mid-21st (2026~2050) century compared to the historical (1981~2005) climate according to RCP4.5 and RCP8.5.


Fig. 5. 
Same as Fig. 4. except for precipitation change ratio (Future precipitation/Current precipitation).

강수의 경우는 기온과 다르게 RCP 시나리오, 지리적 위치와 계절에 따라 매우 다양한 변화 특성을 보이고 있다(Fig. 5). 봄에는 주로 중국대륙, 한반도, 동해와 필리핀 부근에서 강수의 증가가 전망되는 반면, 인도와 말레이반도에서 일본 남쪽에 이르는 해역에서는 강수의 강한 감소가 전망된다. 우리나라에서는 RCP8.5보다 RCP4.5에서 봄 강수의 증가량이 많을 것으로 전망된다. 여름에는 두 RCP 시나리오 모두 미얀마와 필리핀에서 대만과 일본에 이르는 광범위한 지역에서 강수의 강한 증가가 전망되었지만, 중국 중서부와 같은 일부 지역에서는 강수의 약한 감소가 전망된다. 우리나라의 경우는 RCP4.5와 RCP8.5에서 각각 북한과 남한 남부 지역에서 강수의 증가가 전망되며, 한반도의 중부 지역에서는 시나리오에 관계없이 강수가 감소할 것으로 전망된다. 가을에는 두 시나리오 모두 벵골만과 말레이반도, 필리핀 등에서는 강수의 증가가 전망되었으나, 남중국해, 일본 남쪽과 일본지역에서 강수의 감소가 클 것으로 전망된다. 우리나라에서는 RCP4.5와 RCP8.5에서 각각 강수의 감소 및 증가를 전망하여 시나리오에 따른 차이가 크게 나타났다. 겨울에도 가을과 유사하게 남중국해를 중심으로 북서태평양 지역에서 강수의 강한 감소가, 그 외 지역들에서는 강수의 증가가 전망된다. 강수의 변화 패턴으로 볼 때 전반적으로 21C 중반에는 북서 태평양과 주변지역에서는 여름몬순의 활동이 더 강화될 것으로 전망되나, 그 외 계절에서는 몬순활동의 강도가 약해질 것으로 전망된다. 대륙에서는 시나리오보다 지리적 위치와 계절에 따라 강수의 증감이 다르게 발생할 것으로 전망된다.

남한 지역에서의 RCP 시나리오 2종에 따른 21C 중반 기온과 강수의 변화량 및 유의수준을 Table 2에 나타내었다. 21C 중반의 남한 지역에서는 시나리오와 계절에 관계없이 기온의 상승(+1.5~1.8oC)이 전망되며, 유의수준도 매우 높게 나타나고 있다. 또한 계절에 따른 기온변화 차가 RCP4.5에서는 크지 않으나 RCP8.5에서는 상대적으로 크게 나타나고 있다. 하지만 강수의 경우, 계절 및 시나리오에 따라 증감 경향이 상이하며 유의수준이 매우 낮게 나타나, 강수의 변화를 정량적으로 논할 수가 없음을 제시한다.

Table 2. 
Prospected changes of annual and seasonal mean surface air temperature and precipitation for the mid-21st (2026~2050) century compared to the historical (1981~2005) climate over South Korea according to RCP4.5 and RCP8.5.
Variables Scenarios Annual Spring Summer Autumn Winter
ΔT (oC) RCP4.5 1.68*** 1.60*** 1.74*** 1.59*** 1.81***
RCP8.5 1.71*** 1.47*** 1.82*** 1.91*** 1.63***
ΔP (ratio**** ) RCP4.5 1.02 1.11* 1.02 0.94 1.02
RCP8.5 1.04 1.02 1.03 1.09 1.02
Significance level: *** 1%, ** 5%, * 10%, ratio = Future precipitation/Current precipitation.

Table 3은 기온과 강수에 대한 변동경향과 분산비(21C 중반 분산/현재 분산)를 나타낸 것이다. 기온의 경우, 겨울을 제외하고 RCP8.5에서 RCP4.5 보다 기온의 상승경향이 약 2배 정도로 매우 높게 나타나고 있다. 하지만 겨울에는 RCP8.5 에서 −0.21oC 10 yr−1로 기온의 하강경향을, RCP4.5에서 +0.48oC 10 yr−1로 기온의 강한 상승경향이 나타나 상당한 차이를 보이고 있다. 강수의 경우에는 RCP4.5에서 여름에 강한 증가 경향이 나타나는 것을 제외하면, 계절 및 시나리오에 따른 차이가 크지 않다. 경년변동의 크기 변화를 의미하는 분산비에서, 기온의 경우 가을에 시나리오에 관계없이 변동성이 30~40% 정도 증가될 것으로 전망되는 반면, 여름에는 시나리오에 따라 큰 차이를 보이고 있다. 강수의 경우 RCP8.5에서 가을과 겨울에 대해 각각 현재 대비 약 32%와 22% 증가를 전망하고 있는 점을 제외하면 다른 계절에서의 변화는 크지 않을 것으로 전망된다.

Table 3. 
Trend and variance ratio of surface air temperature and precipitation over South Korea according to RCP4.5 and RCP8.5 for the mid-21st century (2026~2050).
Analysis Scenarios Trend Variance ratio
(future SD/Current SD)
Season/Variables Temp.
(oC 10 yr−1)
Precip.
(mm d−1 10 yr−1)
Temp. Precip.
Spring RCP4.5 0.25 0.27 1.09 1.13
RCP8.5 0.47 0.11 0.94 1.03
Summer RCP4.5 0.37 0.63 1.14 0.99
RCP8.5 0.67*** 0.01 0.75 0.93
Autumn RCP4.5 0.49 −0.12 1.44 0.98
RCP8.5 0.70* −0.03 1.31 1.32
Winter RCP4.5 0.48 −0.06 0.87 1.07
RCP8.5 −0.21 −0.09 1.07 1.22
Significance level: *** 1%, ** 5%, * 10%.

몬순 기후의 영향을 받는 남한 지역은 대부분의 강수가 여름에 내리기 때문에, 미래 기후에서 여름 강수의 계절내 변동 및 대류성 강수 비율에 대한 변화를 알아보고자 하였다(Fig. 6). 현재 기후에서 RegCM4.0은 몬순의 영향이 주로 시작되는 6월 초에서 7월 중순까지는 일 강수량이 급격히 증가하여 최대치에 도달한 후 7월 하순까지 감소하다가 8월 초순과 하순에 다시 증가하는 계절내 변동을 모의하고 있다. 대류성 강수의 비율은 약 40% 정도를 유지하다가 7월 중순을 기점으로 약 50% 정도까지 증가되는 것으로 모의하고 있다. 21C 중반의 미래 기후에서는 시나리오와 날짜에 따라 강수량 변동이 매우 상이하게 나타날 것으로 모의하고 있다. RCP4.5의 경우, 6월 중순에 강수량의 1차 최대치에 도달한 후 약해졌다가 6월 하순부터 급격히 증가하여 7월 초순에 가장 높은 최대치를 보인다. 그 후 7월 중순까지 강도가 현저히 약해지다가 7월 하순, 8월 초순 및 중순 등 3회의 최대치를 보이는 약 10일 주기 변동을 모의하고 있다. 반면 RCP8.5에서는 강수량이 6월 초순부터 계속해서 증가하여 7월 초순에 1차 최대치를 보인 후, 점차 감소하다가 7월 중순과 하순에 두 번의 최대치를 모의하고 있다. 그 후에는 강수강도와 변동성이 현저히 약해진 상태를 모의하고 있다. 전체 강수 중 대류성 강수의 비율은 6월 초를 비롯한 일부 기간에서 시나리오에 따라 차이가 존재하지만, 대체로 7월 초까지는 40% 수준이다가 7월 중순부터 증가되기 시작하여 50~60% 정도까지 높아진 상태가 8월 말까지 유지되는 것으로 전망하고 있다. 총강수량의 변화가 없는 상태에서 대류성 강수의 비율이 증가된다는 것은 지구온난화의 영향에 의해 국지적 가열 등에 의한 강한 강수가 자주 발생될 수 있음을 제시한다.


Fig. 6. 
Time series of 25 years mean summer (JJA) daily precipitation (mm day−1) in South Korea for the historical (1981~2005) and RCP4.5/8.5 of mid-21st (2026~2050) century. Convective Precipitation Ratios (CPR) to the simulated total precipitation for the two RCP scenarios are given by dotted line. And a 5-day running mean is applied to the data to reduce strong daily variation.

강수강도별 발생빈도와 강수량의 변화는 수문이나 농업과 같이 기후변화와 밀접한 산업에서 매우 중요하다. Figure 7은 RegCM4.0이 모의한 동아시아와 남한 지역에서 강수강도에 따른 발생빈도 및 강수량의 변화를 현재와 두 시나리오에 대해 나타낸 것이다. 동아시아 지역에서 21C 중반 강수강도에 따른 발생빈도 및 강수량에 대한 변화는 시나리오에 관계없이 크지 않을 것으로 전망된다. 다만 강수강도가 50 mm day−1 이상인 경우, 시나리오에 관계없이 강수량의 비율이 다소 증가할 것으로 전망된다. 남한 지역에서는 시나리오에 관계없이 25~100 mm day−1 강수강도의 강수량의 비율이 감소하는 반면, 100 mm day−1 이상 강한 강수강도에서 강수량이 차지하는 비율이 증가될 것으로 전망된다. 즉, 남한 지역에서는 중간강도의 강수현상은 감소하고 100 mm day−1 이상의 강한 강수가 증가하여, 강수와 관련된 재해의 발생이 증가될 수 있을 것으로 전망된다. 이렇게 강한 강수가 증가되는 것은 Fig. 6에서 제시한 바와 같이 여름 후반부에서 대류성 강수 비율이 현저히 증가된 것과 관련이 있는 것으로 추정된다.


Fig. 7. 
Comparison of 25 years averaged summer daily precipitation, A) frequency (%) and B) daily precipitation amount (%) over a) East Asia and b) South Korea according to the precipitation intensity (mm day−1) (historical: 1981~2005, RCP4.5/8.5: 2026~2050).

3.2 21C 후반 기후변화 전망

21C 후반(2076~2100)의 동아시아 지역에 대한 계절 별 기온과 강수의 공간분포 변화를 Figs. 8, 9에 나타내었다. 기온의 경우에는 계절, 지리적 위치 및 시나리오에 관계없이 상승이 전망된다(Fig. 8). 전반적으로 기온은 시나리오에 관계없이 바다보다 육지에서, 모의영역의 남부 지역보다 중북부지역에서 기온이 더 크게 상승될 것으로 보인다. 기온의 상승폭은 계절 및 지리적 위치에 따라 다소의 차이는 있으나 21C 중반과 다르게 RCP8.5에서는 약 3.0~6.0oC로 강한 상승이 전망되는 반면 RCP4.5에서는 약 2.0~4.5oC로 상대적으로 약한 상승이 전망된다. 특히 동아시아 대륙 대부분에서 3.5oC 이상의 기온 상승이 전망되며, RCP8.5의 경우 티베트 고원, 소련 동북부 등 일부 지역에서는 5.0~6.0oC까지도 기온이 상승될 것으로 전망된다. 동아시아 지역에 대해 HadGEM2-AO로 전망된 21세기 후반 RCP4.5와 RCP8.5에서의 연평균 기온 변화는 각각 2.6oC와 4.6oC이며, 이것은 본 연구에서 한반도 지역에 대해 전망된 2.8oC 및 4.4oC와 매우 유사한 값이다(Baek et al., 2013). 하지만 계절별로는 시나리오에 관계없이 HadGEM2-AO와 RegCM4 사이에 적지 않은 차이를 보이고 있다[RCP4.5: HadGEM2-AO(RegCM4), 봄 2.4oC (2.8oC), 여름 2.6oC (2.9oC), 가을 2.7oC (2.8oC), 및 겨울 2.8oC (2.7oC); RCP8.5: HadGEM2-AO (RegCM4), 봄 4.0oC (4.3oC), 여름 4.7oC (4.6oC), 가을 4.9oC (4.7oC), 및 겨울 4.8oC (4.3oC)]. RCP4.5(8.5)에서는 HadGEM2-AO보다 RegCM4가 기온 상승을 크게(작게) 전망하고 있으며, RCP4.5에서는 봄과 여름에, RCP8.5에서는 겨울과 봄에 그 차이가 크게 나타나고 있다.


Fig. 8. 
Same as Fig. 4. except for late-21st (2076~2100) century.


Fig. 9. 
Same as Fig. 5. except for late-21st (2076~2100) century (Future precipitation/Current precipitation).

강수의 경우는 RCP 시나리오, 계절 및 지리적 위치에 따라 매우 다양한 양상을 보였다(Fig. 9). 봄에는 시나리오와 관계없이 벵골만에서 말레이반도를 거쳐 북서태평양까지 강수량의 많은 감소가 전망되는 반면, 티베트 고원과 동아시아 대륙 대부분에서는 강수가 증가될 것으로, 특히 양쯔강에서 산둥반도 지역에서 강수의 많은 증가가 전망된다. 남한 지역의 경우 시나리오에 관계없이 전반적으로 강수가 증가될 것으로 전망된다. 여름에는 주로 티베트 고원과 벵골만에서 중국남부를 거쳐 한반도와 일본에 이르는 지역에서 강수의 증가가 전망되며, 북서태평양, 남중국해, 그리고 중국 북서부 지역에서 강수가 감소할 것으로 전망된다. 남한 지역은 봄과 유사하게 시나리오에 관계없이 강수가 증가될 것으로 전망된다. 가을에는 두 시나리오 모두 중국 남서부, 일본 남부와 북서태평양을 제외한 대부분 지역에서 강수가 증가될 것으로 전망된다. 다만 RCP8.5에서는 일본 남쪽 해역의 강수가 현저히 감소될 것으로 전망된다. 한반도 지역의 강수는 RCP4.5에서 전반적인 감소가 전망되는 반면, RCP8.5에서는 서해안 일부 지역에서만 감소될 것으로 전망되어 시나리오에 따라 차이를 보였다. 겨울에는 북서태평양 해역에서는 강수의 감소가, 인근 육지지역에서는 강수가 증가가 전망된다. 전반적으로 21C 중반과 유사하게 21C 후반에도 북서 태평양과 주변지역에서는 여름몬순의 활동이 강화될 것으로, 대륙에서는 계절과 지리적 위치에 따라 강수의 증감이 다르게 나타날 것으로 전망된다.

21C 후반 남한 지역의 두 RCP 시나리오에 따른 계절별 기후변화 특성을 Table 4에 나타내었다. 기온의 경우 시나리오와 계절에 관계없이 유의수준 1%에서 유의하게 상승될 것으로 나타나고 있다. 기온의 상승폭은 21C 중반과 다르게 시나리오에 따라 차이가 크게 나타나고 있는데, RCP4.5에서는 약 2.7~2.9oC인 반면 RCP8.5에서는 약 4.2~4.6oC이다. 강수의 경우 봄, 여름과 겨울에서 시나리오에 관계없이 증가될 것으로 전망되는데, 여름과 가을에 각각 가장 큰 증가와 가장 낮은 증가가 전망된다. 가을에는 RCP4.5와 RCP8.5에서 각각 감소와 증가가 전망되어, 시나리오에 따른 차이를 보이고 있다. HadGEM2-AO의 경우 RCP8.5시나리오에서 여름철에 12.5%로 가장 큰 증가가 전망된 반면, 다른 계절에는 −3.5~+1.5%의 변화가 전망되고 있다(Baek et al., 2013). 하지만 RegCM4의 경우 봄과 여름에 각각 11%와 16%가 증가되는 등, 연평균 강수량이 약 11% 증가될 것으로 전망되고 있다. 이렇게 HadGEM2-AO 에 비해 RegCM4에서 강수의 증가가 강하게 전망된 것은 Oh and Suh (2013)에서 밝힌 바와 같이, RegCM4가 기온 상승에 따른 대류성 강수 증가와 관련된 집중호우를 적절히 모의하는 것과 관련된 것으로 보인다.

Table 4. 
Same as Table 2 except for late-21st (2076~2100) century.
  Variables Scenarios Annual Spring Summer Autumn Winter
  ΔT (oC) RCP4.5 2.80*** 2.75*** 2.93*** 2.81*** 2.71***
RCP8.5 4.44*** 4.26*** 4.57*** 4.67*** 4.26***
  ΔP (ratio****) RCP4.5 1.07* 1.14** 1.13* 0.88* 1.04
RCP8.5 1.11*** 1.11* 1.16** 1.03 1.08
Significance level: *** 1%, ** 5%, * 10%, ratio = Future precipitation/Current precipitation.

RCP 시나리오에 따른 21C 후반 기후변화의 특성을 알아보기 위해, 남한 지역의 기온과 강수의 변동 경향 및 분산비를 분석하였다(Table 5). 기온의 경우 RCP4.5에서는 가을을 제외하고 증가경향을 보이지만, 21C 중반에 비해 모든 계절에서 증가경향이 약화되고 있다. 반면 RCP8.5에서는 전반적으로 기온의 강한 증가경향을 보이고 있다. 강수의 경우에는 RCP8.5에서 가을에 증가경향을 보이는 것을 제외하면 전체적으로 감소경향을 보이지만, 여름철을 제외하면 감소 경향이 크지 않다. 기온의 경년변동성은 시나리오와 관계없이 가을에 증가하고, 봄과 여름에 감소할 것으로 전망되며, 겨울에는 RCP4.5에서는 감소가, RCP8.5에서는 증가가 전망된다. 특히 시나리오와 관계없이 여름에 가장 큰 감소를 보이고 있다. 강수의 경우 가을을 제외한 계절에서 변동성이 증가될 것으로 전망되며, 가을에는 RCP4.5에서는 감소가, RCP8.5에서는 증가가 전망된다.

Table 5. 
Same as Table 3 except for the late-21st (2076~2100) century.
  Analysis Scenarios Trend Variance ratio
(future SD/Current SD)
Season/Variables Temp.
(oC 10 yr−1)
Precip.
(mm d−1 10 yr−1)
Temp. Precip.
  Spring RCP4.5 0.11 −0.01 0.84 1.18
RCP8.5 0.46 −0.03 0.90 1.06
  Summer RCP4.5 0.36 −0.28 0.66 1.32
RCP8.5 0.50*** −0.53 0.57 1.00
  Autumn RCP4.5 −0.09 −0.02 1.10 0.74
RCP8.5 0.69* 0.29 1.26 1.05
  Winter RCP4.5 0.36 −0.03 0.84 1.14
RCP8.5 0.12 −0.05 1.12 1.19
Significance level: *** 1%, ** 5%, * 10%.

21C 후반의 여름철 일 강수량과 대류성 강수의 비율에 대한 시계열을 Fig. 10에 나타내었다. 두 시나리오에서 강수의 최대치 시점이 약 10일 정도의 차이를 보이지만, 공통적으로 6월 하순부터 7월 초순까지는 일 강수량이 현재보다 현저히 증가될 것으로 전망된다. 여름 몬순으로 인한 일 강수량 증가는 두 시나리오 모두 현재보다 늦은 6월 중순부터 시작될 것으로 보이지만, 일 강수량의 최대 강도는 현재보다 약 1.5배 정도로 매우 크게 증가될 것으로 전망된다. 또한 21C 후반에는 시나리오에 관계없이 전반적으로 대류성 강수의 비율이 증가될 것으로 보이며, 특히 RCP8.5 시나리오에서 7월과 8월의 대류성 강수 비율이 현재보다 크게 증가될 것으로 전망된다.


Fig. 10. 
Same as Fig. 6. except for late-21st (2076~2100) century.

강수강도별 빈도 분포에서 동아시아와 남한 지역 모두 1 mm day−1 이하의 강수빈도가 감소되는 경향을 보이며, 그 외의 강수강도에서는 변화가 크지 않을 것으로 전망된다(Fig. 11). 하지만 강수량의 경우는 동아시아와 남한 지역 모두 50 mm day−1 이하의 강수강도에서 현재와 유사하거나 감소되며, 100 mm day−1 이상의 강한 강수강도에서는 증가가 전망된다. 특히 남한에서는 150 mm day−1 이상의 강한 강수에서 큰 증가가 전망된다. 즉, Fig. 10에서 제시한 바와 같이 남한 지역에서 7월과 8월에 대류성 강수 비율이 크게 증가되었는데, 그 결과 대류성 강수에 의해 주로 발생하는 강한 강수강도에서의 강수량 비율이 증가한 것으로 판단된다.


Fig. 11. 
Same as Fig. 7. except for late-21st (2076~2100) century.


4. 요약 및 결론

본 연구에서는 지역기후모델인 RegCM4.0 (25 km)에 HadGEM2-AO 자료를 경계조건으로 처방하여 CORDEX 2단계 동아시아 지역에 대해 21C 중반과 후반의 평균 기후변화를 전망하고자 하였다. 1979년부터 2100년까지 122년 적분을 수행하였으며, 미래 기간에는 RCP 4.5와 8.5 시나리오를 이용하였다. 21C 중반(2026~2050)과 후반(2076~2100)의 계절별 평균기온과 강수의 변화는 각각 25년 평균 기후에서 현재 25년(1981~2005) 평균을 뺀 값과 비(미래 강수/현재강수)로 정의하였다.

21C 중반에는 계절 및 시나리오와 관계없이 동아시아 전 지역에서 기온이 약 0.5~3.0oC 정도 상승될 것으로 전망된다. 기온의 상승폭은 여름과 겨울, 육지 특히 모의영역 중북부 지역에서 더 크게 나타났으며, 경년변동성은 여름철 RCP8.5에서 약 25% 감소될 것으로 전망된 반면 가을에는 두 시나리오 모두에서 30% 이상 증가될 것으로 전망된다. 강수의 경우에는 계절, 지리적 위치 및 RCP 시나리오에 따라서 변화 특성이 매우 다양하게 나타난다. 남한지역에서는 시나리오에 관계없이 현재 강수보다 6월 하순에는 증가가, 7월 중순에는 감소가 전망된다. 또한 강수강도별 분포에서는 주로 100 mm day−1 이상의 강한 강수에서 약간의 증가가 전망된다.

21C 후반에는 계절과 시나리오에 관계없이 동아시아 전 지역의 기온이 약 1.0~6.0oC 정도 상승될 것으로 전망된다. RCP4.5의 경우 대륙 전체에서 비교적 균일한 기온 상승(1.0~2.5oC)을 보이는 반면, RCP8.5에서는 계절과 지리적 위치에 따라 매우 다양한 상승폭(3.0~6.0oC)을 보인다. 전반적으로 바다보다는 육지에서, 모의영역 남부보다는 중북부지역에서 기온 상승이 크게 전망되는 것은 21C 중반과 유사하지만, 21C 후반에는 RCP8.5에서 RCP4.5 보다 기온 상승폭이 약 1.5배 더 크게 나타나고 있다. 또한 기온의 경년변동성은 두 시나리오 모두에서 여름철에 약 35% 이상 감소될 것으로 전망된다. 강수의 경우에는 21C 중반과 같이 계절, 지리적 위치 및 시나리오에 따라 다양한 변화 특성을 보인다. 시나리오에 관계없이 대부분의 북서태평양 지역은 여름을 제외한 나머지 계절에서 강수가 감소할 것으로 전망되지만, 남한의 경우 가을을 제외한 다른 계절에서 현재 대비 약 10%에 가까운 강수량의 증가가 전망되는 특성을 보인다. 또한 여름 장마시기에는 두 시나리오 모두에서 강수량이 현저히 증가될 것으로 전망되며, 여름 후반부에는 대류성 강수의 비율이 크게 증가될 것으로 전망된다. 그 결과 두 시나리오 모두 150 mm day−1 이상의 강한 강수강도에서 강수량이 크게 증가될 것으로 전망된다.

본 연구에서는 25 km 해상도를 갖는 1개의 지역기후모델에 1개의 전구모델자료를 경계조건으로 처방하여 모의한 자료를 이용하여 21C 중반과 후반에서의 평균 기후변화를 전망하였다. 기온변화의 경우 지리적 위치, 계절 및 시나리오에 관계없이 유의수준이 높으나, 강수의 경우에는 지리적 위치, 시나리오 및 계절에 관계없이 변화가 다양할 뿐만 아니라 유의수준도 낮게 나타나고 있다. 또한 현재 이용되는 전구 및 지역기후 모델들이 갖는 모의수준의 한계를 고려할 때, 본 연구에서 제시한 결과들은 확정된 기후변화 값으로 보기보다는 다양한 변화전망 중 하나로 볼 필요가 있다.


Acknowledgments

본 연구는 “기후변화 감시·예측 및 국가정책 지원강화사업”의 일환으로 기상청 및 한국기상산업기술원(KMI 2018-01212)의 지원으로 수행되었습니다.


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