Future Changes in Global Terrestrial Carbon Cycle under RCP Scenarios

Terrestrial ecosystem plays the important role as carbon sink in the global carbon cycle. Understanding of interactions of terrestrial carbon cycle with climate is important for better prediction of future climate change. In this paper, terrestrial carbon cycle is investigated by Hadley Centre Global Environmental Model, version 2, Carbon Cycle (HadGEM2-CC) that considers vegetation dynamics and an interactive carbon cycle with climate. The simulation for future projection is based on the three (8.5/4.5/2.6) representative concentration pathways (RCPs) from 2006 to 2100 and compared with historical land carbon uptake from 1979 to 2005. Projected changes in ecological features such as production, respiration, net ecosystem exchange and climate condition show similar pattern in three RCPs, while the response amplitude in each RCPs are different. For all RCP scenarios, temperature and precipitation increase with rising of the atmospheric $CO_2$. Such climate conditions are favorable for vegetation growth and extension, causing future increase of terrestrial carbon uptakes in all RCPs. At the end of 21st century, the global average of gross and net primary productions and respiration increase in all RCPs and terrestrial ecosystem remains as carbon sink. This enhancement of land $CO_2$ uptake is attributed by the vegetated area expansion, increasing LAI, and early onset of growing season. After mid-21st century, temperature rising leads to excessive increase of soil respiration than net primary production and thus the terrestrial carbon uptake begins to fall since that time. Regionally the NEE average value of East-Asia ($90^{\circ}E-140^{\circ}E$, $20^{\circ}N{\sim}60^{\circ}N$) area is bigger than that of the same latitude band. In the end-$21^{st}$ the NEE mean values in East-Asia area are $-2.09PgC\;yr^{-1}$, $-1.12PgC\;yr^{-1}$, $-0.47PgC\;yr^{-1}$ and zonal mean NEEs of the same latitude region are $-1.12PgC\;yr^{-1}$, $-0.55PgC\;yr^{-1}$, $-0.17PgC\;yr^{-1}$ for RCP 8.5, 4.5, 2.6.

RCP 시나리오에 따른 미래 전지구 육상탄소순환 변화 전망

HadGEM2-CC 모델에서의 $CO_2$ 농도증가에 대한 RCP 시나리오의 결과는 21세기 말 전 지구 연평균 기온과 강수 증가가 전망되고 이에 따라 식물의 생산량 및 호흡량 증가가 전망된다. 20세기 말 일차생산량(GPP와 NPP), 호흡량, LAI가 21세기 말 기온 증가에 따라 증가하는 점은 기존의 Shao et al. (2013)와 유사하였다. 특히 이전 연구와 유사하게 21세기 말 일차생산량과 호흡량은 고위도보다 열대 저위도 지역에서 증가량이 더 컸다. 기온이 상승하고 강수량이 증가하면서 식생이 자라지 않던 나지 면적이 감소하였고, 이에 따른 식생 면적 증가는 식생의 생산량(GPP, NPP) 증가로 나타났다. 특히, 본 연구에서는 C3 초지, 활엽수의 면적 증가가 뚜렷하였다. 이는 Beck and Goetz (2011)에서 언급한 대로 온난화에 따른 식생 면적 증가가 식생 생산성과 연관되어 $CO_2$ 흡수작용을 강화하는 데 기여할 수 있음을 의미한다. Shao et al. (2013)에 따르면 21세기 말 누적 NEE는 증가가 전망되고 이는 특히 열대와 고위도 지역이 주요 흡수원으로 작용하였기 때문으로 그 원인을 설명하였다. 본 연구에서 사용된 HadGEM2-CC에서는 전 지구 평균적으로 NEE 흡수가 증가하는 경향은 동일하게 전망하며, 이는 열대보다는 북반구 고위도지역인 유라시아와 북미 대륙에서 증가한 흡수가 그 원인으로 분석되었다(Fig. 8). 앞서 Mynenl et al. (1997)에 따르면 기온상승에 따라 식생의 광합성활동, 생장시기 길이와 시작시기의 당겨짐을 보고하였다. 본 연구 실험에서도 이와 유사하게 미래에 기온 상승에 따라 식생 성장 기간이 길어지고 LAI도 증가하며 식생 지대가 점차 고위도로 북상할 것을 전망하였다(Figs. 5, 12b). 이에 따라 육상 생태계의 $CO_2$ 흡수량은 20세기 말보다 21세기 말에 증가하였고 우리나라가 속해있는 동아시아지역($90^{\circ}E{\sim}140^{\circ}E$, $20^{\circ}N{\sim}60^{\circ}N$)은 기온, 강수뿐 아니라 $CO_2$ 흡수량도 같은 위도대의 전 지구 동서평균보다 크게 모의되었다. RCPs에 따른 흡수율은 21세기 중반까지는 대기 중 이산화탄소 농도 변화율과 유사한 경향을 보이는데 RCP 8.5에서는 21세기 후반에 흡수 증가율이 감소하며 이는 Liddicoat et al. (2013) 에서 보인것과 유사하다. 하지만 대기 중 $CO_2$의 증가와 식생분포 지역의 확대에도 불구하고 21세기 말 육상생태계의 순생태계흡수량은 크게 증가하지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 기온 상승이 크게 일어난 21세기 후반부터 토양 호흡의 급격한 증가로 인하여 육상생태계의 이산화탄소 흡수 능력은 감소한 것에 기인하였다. 향후 본 연구결과의 유의성을 확보하기 위해 다양한 모델의 자료를 추가할 필요가 있다. Shao et al. (2013)에 따르면 미래 탄소 흡수 전망에 있어 전 지구 및 위도별 모의 결과가 모델마다 매우 다양한데 이는 지면생태모형 간의 식생역학, 물리과정의 차이로 해석된다. 미래 육상생태계의 이산화탄소 흡수 능력의 변화와 기후변화를 보다 정확하게 예측하기 위해서는 다른 모델의 자료를 이용한 불확실성을 정량화 하는 것이 필요하며 이는 전 지구 및 지역별 탄소 순환 이해를 높이는 데 기여할 것이다.