Estimation of Soil Temperature and Moisture in South Korea Using the University of Torino Model of Land Process Interaction with Atmosphere (UTOPIA)under A2 IPCC Climate Scenario

Abstract

It has been well known that surface process plays an important role in weather and climate systems through its regulation of radiation, heat, water and momentum fluxes. Soil temperature and soil moisture are crucial land parameters in the land surface process, however, there are few measurement with long time series in South Korea. According to the CLImatology of Parameters at the Surface methodology, the output of a trusted Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer (SVAT) scheme can be used instead of observations to investigate the climate of the region. In this study, the output from a trusted SVAT scheme, the UTOPIA, driven by a regional climate model, the MM5, have been used for estimations of soil temperature and moisture in a view of the climate change. Here we show the main changes in soil temperature and moisture under the current climate for 1996-2005 and IPCC A2 future climate for 2016-2025, 2046-2055 and 2091-2100. The UTOPIA results have been validated using observed soil temperature in the current climate. It is shown that the UTOPIA makes reasonable simulations of soil temperature. According to UTOPIA simulations, the soil temperature will increase due to the climate change, and increase amounts will be proportional to the air temperature increases except winter. In winter, increasing amounts of soil temperature are different from region to region because of snow presents. The snow keeps the soil temperature lower and consequently prevent from significant increases by the climate change. Also we found decreases in soil moisture for whole South Korea, however exact soil moisture dataset could not be obtained due to poor precipitation of climate scenarios. Overall, if present results are true, both increases of soil temperature and decreases of soil moisture will affect weather and climate weather systems. Such results may be useful in order to plan water and flood management, irrigation and many other relevant activities.;지표는 대기와 토양의 운동량, 에너지, 물의 교환에 중요한 영향을 끼치기 때문에 기상 및 기후 모의에서 중요한 요소이다. 토양 온도와 수분은 지표의 특성을 결정하는 중요한 변수임에도 불구하고 남한 지역의 관측치는 거의 없는 실정이며, 외국에서도 대부분 모델 결과값에 의존한다. 따라서, 본 연구에서는 University of Torino model of land Process Interaction with Atmosphere (이하 UTOPIA)을 사용하여 남한 지역의 토양 온도 및 수분을 모의하였다. UTOPIA는 강수, 복사량, 바람, 기온 등 대기와 관계된 변수를 입력 자료로 하여, 지표 과정을 모의하여 지표 및 토양과 관계된 변수들을 생산하는 모델이다. 대기 변수들은 주로 관측치가 사용되지만, 본 연구에서는 현재뿐 만 아니라, 미래의 값도 예측해보기 위하여 관측치 대신 IPCC의 온실가스 증가 시나리오 A2를 사용하였다. 즉, IPCC A2 시나리오를 기반으로 하여 전 지구 모델을 모의하고 그 결과로 모의한 지역 기후 모델의 값을 배경 자료로 하여 UTOPIA 모의가 이루어졌다. 현재 기후 1996년-2005년, 미래 기후 2016년-2025년, 2046년-2055년, 2091년-2100년 동안의 토양 온도 및 수분의 변화를 모의하였다. UTOPIA의 토양 변수 모의 능력은 현재 기후에서의 토양 기온 관측치와 UTOPIA로 모의된 토양 기온을 비교를 통하여 확인되었다. UTOPIA 모의에 따르면, 토양 온도는 기후 변화로 인해 먼 미래 일수록 더욱 증가할 것이며, 그 증가량은 기온의 증가량과 비례하는 것으로 나타났다. 하지만 겨울철의 경우 적설로 인해 토양 온도의 증가 정도가 기온의 증가 정도와 관계 없이 지역별로 상이하였다. 즉, 태백산맥 및 소백산맥의 서쪽 사면에서의 토양 증가가 낮게 나타났는데, 이는 적설에 의한 효과로 사려된다. 눈은 토양 온도를 낮게 유지할 뿐만 아니라, 토양 온도에 대한 기온 증가의 영향을 감소시키는 역할을 하였다. 토양 수분의 경우 미래에 감소하는 경향이 큰 것으로 나타났으나, 기후 시나리오의 강수량 모의가 오류를 안고 있어 정확한 결과를 획득하지 못하였다. UTOPIA의 모의가 사실이라면, 미래 남한 지역의 토양 온도는 증가하고 토양 수분은 감소할 것이며 이러한 변화는 기상 및 기후 시스템에 영향을 미칠 수 있을 것이다. 또한, 토양 온도와 수분 자료의 확보는 기타 토양과 관계된 수문, 관개, 식생 등의 분야뿐 만 아니라 모델 및 기후 시나리오간의 비교 연구에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.