고정밀 대기 관측과 고해상도 대기모델 결합해 한반도 온실가스 배출량 추적

국가 온실가스 인벤토리의 독립적 검증과 지역별 배출원 점검 위한 기반 제시

대기과학과 홍진규 교수 연구팀이 대기 중 이산화탄소(CO₂)와 메탄(CH₄) 농도를 관측해 한반도의 온실가스 배출량을 역으로 추정하는 고해상도 역산 시스템을 개발했다. 이번 연구는 기상과 온실가스의 이동을 하나의 모델 안에서 함께 계산하고 실제 고정밀 관측자료를 지속적으로 반영해, 지역별 온실가스 배출량 변화를 추적할 수 있는 체계를 구축했다는 데 의미가 있다.

세계 각국은 온실가스 감축 정책을 추진하고 있지만, 실제 배출량이 얼마나 줄었는지를 독립적으로 확인하는 데에는 여전히 어려움이 있다. 국가 온실가스 인벤토리는 주로 연료 사용량, 산업 활동, 가축 두수와 같은 활동자료에 배출계수를 적용하는 ‘상향식(Bottom-up)’ 방식으로 산정된다. 그러나 활동자료의 시차와 공간적 해상도, 배출계수의 불확실성 등으로 인해 실제 대기 관측을 활용한 별도의 검증 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다.

이에 연구팀은 실제 대기에서 측정된 온실가스 농도로부터 배출량을 거꾸로 추정하는 ‘하향식(Top-down)’ 방법에 주목했다. 대기 중 이산화탄소와 메탄 농도는 배출량뿐 아니라 바람과 난류, 지형, 외부에서 유입되는 배경농도 등의 영향을 함께 받기 때문에, 정확한 역산을 위해서는 대기 수송 과정을 정밀하게 재현하는 것이 중요하다.

[그림1. 한반도와 그 주변의 이산화탄소 농도(좌)와 메탄 농도 지도(우)]

연구팀은 지역 대기·화학 모델인 WRF-Chem과 앙상블 기반 자료동화 시스템인 DART를 결합해, 9km 공간해상도로 이산화탄소와 메탄을 동시에 추정하는 시스템을 구축했다. 특히 기상장과 3차원 온실가스 농도를 하나의 순환형 자료동화 체계 안에서 함께 갱신함으로써, 대기 수송 과정의 오차가 배출량 변화로 잘못 해석될 가능성을 줄였다. 한반도의 복잡한 지형을 보다 현실적으로 반영하기 위해 고해상도 식생 높이 자료와 지표면 거칠기 효과도 모델에 적용했다.

분석에는 안면도, 제주 고산, 울릉도에 위치한 세계기상기구 지구대기감시(WMO/GAW) 관측소 3곳의 고정밀 연속 이산화탄소·메탄 관측자료가 활용됐다. 연구팀은 이를 2020년 실제 자료에 적용해 기존 배출량 자료를 바탕으로 계산한 대기 농도와 실제 관측값의 차이를 줄이는 방향으로 배출량을 추정했다.

그 결과, 자료동화 이후 이산화탄소와 메탄 농도의 평균제곱근오차(RMSE)는 관측 지점에서 기존 대비 30~60% 감소했다. 보정 이후 평균 편차 역시 이산화탄소는 약 1~2ppm, 메탄은 약 20~30ppb 수준으로 낮아져 실제 지상 관측과의 일치도가 향상됐다. 연구에 사용하지 않은 항공 관측자료를 통한 별도 검증도 수행해 시스템의 성능과 남아 있는 불확실성을 함께 평가했다.

국가 전체 규모에서 추정한 2020년 이산화탄소 배출량은 연간 6억2천만±4천5백만 톤으로, 우리나라가 격년투명성보고서(ROK-BTR)에 제시한 6억2천4백만 톤과 유사한 수준으로 나타났다. 이는 대기 관측에 기반한 하향식 추정이 기존 국가 통계와 독립적으로 비교·검증될 수 있음을 보여준다.

[그림2. 한반도와 그 주변의 이산화탄소 배출량(좌)과 메탄 배출량 지도(우)]

반면 메탄 배출량은 이산화탄소 환산 기준 연간 5천470만±520만 톤으로, 국가 보고치인 3천550만 톤보다 높게 추정됐다. 연구팀은 이 차이를 특정 배출원의 과소평가로 단정하지 않고, 농업·폐기물 등 메탄 배출원의 특성과 공간 배분, 모델 경계에서 유입되는 배경농도 등 다양한 불확실성이 복합적으로 영향을 미쳤을 가능성이 있다고 설명했다. 특히 독립적인 항공 관측에서도 메탄 농도 차이가 일부 남아 있어, 향후 관측망 확대와 배출원별 추가 검증이 필요함을 제시했다.

지역별 분석에서는 기존 배출량 자료와 비교해 수도권과 서해안 일부 지역의 이산화탄소 배출량이 낮아지는 방향으로, 내륙 농업지역의 메탄 배출량은 높아지는 방향으로 보정되는 경향이 나타났다. 다만 현재 관측망이 3개 지점으로 제한돼 있는 만큼, 연구팀은 이를 개별 지역의 실제 배출량을 확정적으로 제시한 결과가 아니라 향후 인벤토리와 배출원을 우선적으로 점검할 지역을 제시하는 정보로 해석해야 한다고 강조했다.

연구팀은 다양한 오차 조건을 가정한 관측시스템 모의실험도 수행했다. 그 결과 현재 시스템은 대기 수송과 경계조건, 관측 오차가 달라지는 상황에서도 안정적으로 작동했으며, 관측소가 영향을 미치는 지역에서 배출량 추정 효과가 가장 크게 나타났다. 특히 관측망을 촘촘하게 구성한 모의실험에서는 전국 단위 배출량 추정 능력이 뚜렷하게 향상돼, 향후 지상 관측소와 고층 관측, 항공기, 위성 자료 등을 확대할 경우 국가 및 지역 단위 온실가스 감시 능력을 더욱 높일 수 있음을 확인했다.

홍진규 교수는 “국가 온실가스 인벤토리와 대기 관측 기반의 하향식 추정은 어느 한쪽이 다른 쪽을 대체하는 관계가 아니라 서로를 보완하는 방법”이라며 “두 결과가 일치하는 부분에서는 기존 통계의 신뢰도를 높이고, 차이가 나타나는 부분에서는 추가적인 관측과 배출원 조사가 필요한 지점을 찾아낼 수 있다는 데 이번 연구의 의미가 있다”고 말했다.

이어 “향후 지상 관측망과 항공·위성 관측자료를 함께 활용할 수 있도록 시스템을 확장한다면, 국가 온실가스 감축 이행을 과학적으로 점검하고 지역별 배출원 관리에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구는 우리 대학교 권도윤, 구본훈, 이주엽, 김정원, 안재형 연구원과 홍진규 교수 등이 참여했으며, 국외 및 국내 연구진과의 공동연구로 수행됐다. 연구 결과는 유럽지구과학연합(EGU)의 국제학술지 'Geoscientific Model Development'에 8월 7일 게재됐다. 연구는 기상청 연구개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구에 활용한 모델 코드와 자료도 공개돼 향후 다른 지역과 관측망을 대상으로 한 연구에 활용할 수 있다.