부산대 하경자 교수의 연구실 입구에 낯선 꽃 사진이 보였다. 방 주인 이름을 적어놓은 플라스틱 표지판에 꽃 사진이 프린트되어 있다. 지난 3월 30일 부산대 통합기계관 11층에 있는 IBS(기초과학연구원) 기후물리연구단. 하경자 교수는 “하와이산 생강꽃이다. IBS 기후물리연구단장이 하와이에서 왔다. 연구단 내 방 이름에 하와이 꽃 이름을 하나씩 붙였다. 생강꽃이 예뻐서 하와이 신부들이 결혼식에 부케로 든다고 한다. 우리는 뿌리를 먹느라 꽃은 모르는데, 꽃이 저렇게 생겼다”라고 말했다.

IBS 기후물리연구단은 통합기계관 10층과 11층을 사용한다. IBS는 대전에 있는 정부출연기관으로 학문 분야별로 30개의 연구단을 운영하는데 일부 연구단은 대전 본원 밖의 일부 대학에 자리 잡고 있다. 기후물리연구단은 2017년 부산대에서 출범했고, 단장은 악셀 팀머만 부산대 석학교수가 맡고 있다. 팀머만 단장은 하와이대학(해양학과)에서 일하다가 옮겨 왔다. 하경자 교수는 부산대 대기환경과학과 교수이면서 IBS 기후물리연구단 소속 교수로 일하는 중이다. 기후물리연구단 웹사이트를 보면 단장부터 박사과정 학생까지 연구자 37명의 이름이 나와 있다.

부산대 기후물리연구단 유치의 주역

하경자 교수는 ‘기후물리연구단’을 부산대로 유치한 주역으로 알려져 있다. 하 교수에 따르면, 부산시는 IBS 기후물리연구단을 부산에 유치하자는 목표를 세우고 하 교수에게 그 임무를 맡겼다. 하 교수는 연구단을 만들기 위해 리더가 될 단장을 찾았고 기후과학 연구가 활발한 하와이대학에서 적임자를 발견했다. 그는 “팀머만 단장이 해양도시인 부산을 좋아한다. 지구과학 분야 1% 안에 들어가는 세계적인 학자”라고 말했다.

하경자 교수는 “연구단의 목표는 기후변화를 정확히 이해하고, 불확실성이 낮은 미래 정보를 제공하는 것이다. 세계적으로 기후변화 연구를 우리가 리드하고 있다”고 말했다. 하 교수는 “나는 몬순 연구자이고 그중에서도 극한기후를 연구한다. 연구는 기초 과학 연구이지만 실제 생활과 연결되어 있어 중요하다. 극한기후를 예측하면 재난을 미리 대처할 수 있다. 예컨대 농업 생산을 폭염에도 견딜 수 있게 한다든지, 폭우 피해를 줄일 수 있다”라고 말했다. 하 교수는 한국연구재단의 지원을 받아 부산대 내에 ‘몬순 글로벌 연구실’이라는 별도의 실험실(Lab)도 갖고 있다.

하 교수가 책꽂이에서 책 한 권을 꺼내왔다. 영어로 된 책 제목은 한국어로 ‘중(中)위도 지역의 종관기상역학(Synoptic-Dynamic Meteorology in Midlatitudes)’쯤 된다. 미국과 캐나다에서 학생들 교재로 쓰이는 유명한 책이라고 했다. 저자는 하워드 블루스테인. 하 교수는 1994년부터 부산대 교수로 일하기 시작하면서 ‘종관기상학’이라는 과목을 담당했다. ‘종관기상학’ 속의 ‘종관’은 영어 ‘Synoptic’을 번역한 말이다. ‘Synoptic’은 ‘Syn(동시에)’이라는 단어와, ‘Optic(눈의, 시각의)’이라는 단어의 합성어다. ‘동시에 종합적으로 보는’ 정도의 뜻이 된다. 종관기상학은 일기예보 기상도에 표시되는 규모의 대기 순환을 다룬다. 토이네도와 같이 작거나, 편서풍처럼 큰 순환은 일기도에 나타나지 않는다. TV기상캐스터가 보여주는 일기도에는 고기압, 저기압과 같은 규모의 순환이 나온다. 이런 대기 순환을 다루는 학문이 ‘종관기상학’이다.

하 교수가 블루스테인의 책을 열더니 ‘표(table) 1.1’＜사진1＞을 보여줬다. 한글로 번역하면 ‘1440년; 한국에서 강우량 측정(Rain gauge used in Korea)’쯤 되는 글귀가 있다. “세종이 측우기를 만들었다. 그게 세계 최초의 강우관측기기다. 한국인은 기후 분야에서 자랑스러운 역사를 갖고 있다. 나는 학생들을 가르치면서 이 책을 보게 되었고, 그 결과 몬순을 연구하게 되었다. 한국이 측우기를 최초로 만든 국가인데도 강우, 몬순 연구에서 세계 최고가 아니었기 때문이다. ‘이건 아니다. 한국의 몬순 연구를 세계 최고로 만들어야겠다’고 생각했다.”

하 교수는 부산대 사대 과학교육학과(지구과학 전공, 1978년 학번)를 졸업하고 1984년 서울대에서 석사 학위를 받았다. 박사과정은 연세대 김정우 교수로부터 지도받았다. 미국 오리건주립대(코발리스 소재)에 박사 공부를 하러 가려는데, 그 학교에 있던 김정우 교수가 연세대로 옮겨 온다고 해서 유학 대신 연세대로 갔다. 김정우 교수는 대기 대순환 모델 연구자다. 하경자 교수는 연세대에서 1992년에 박사 학위를 받았다. 그리고 일본 쓰쿠바에 있는 일본기상연구소에서 박사후연구원으로 일했다.

하 교수는 “일본에서 돌아와 부산대 교수 부임 초기에는 기후예측모델을 개선하는 일을 했다. 모델 개선은 시간이 많이 걸리고, 교수 한 사람이 하기에는 방대한 일이었다. 그래서 몬순 연구를 시작했다”라고 말했다. 몬순은 우기와 건기가 뚜렷한 특징을 가진다. 한국의 여름철이 우기라는 건 모두 안다. 그런데 하 교수는 “한국의 겨울은 건기”라고도 말했다. 겨울에 눈은 오지만, 강우량이 다른 계절에 비해 뚝 떨어진다. ‘겨울 가뭄’이라는 용어가 있는 건 그 때문인 듯싶다.

아랍어 ‘마우심’에서 온 몬순의 의미

하 교수에 따르면, 몬순이라는 말은 아랍어 ‘마우심(Mausim)’에서 왔다. 마우심은 ‘계절’이라는 뜻이다. 그는 “계절마다 다른 바람이 불어 다른 강수량을 나타내는 게 몬순 지역의 특징”이라고 말했다. 한국은 몬순 국가이고 중국과 일본도 그렇다. 자료를 찾아보니 몬순에는 열대몬순, 아열대몬순, 한대몬순이 있다.

한국과 달리 중국, 인도는 몬순 연구자가 많았다. 하 교수는 몬순 연구를 위해 중국과 인도 친구도 사귀면서 그 분야 연구자를 찾아다녔다. “내가 한국에서 인도와 중국 학자를 가장 많이 아는 사람일 것이다. 중국의 몬순을 연구하는 학자 커뮤니티가 어느 정도냐 하면, 학회를 하면 200~300명이 모인다.” 인도는 몬순이 그해 경제를 좌우할 정도다. 비가 적절히 오면 농사가 풍년이 들고, 적게 오면 흉년이다. 때문에 몬순 연구를 많이 한다고 했다. 인도 몬순 연구자와의 인연 때문인지 하 교수 연구실에는 인도 학생 두 명이 있다.

몬순은 바다와 대륙이 만나는 곳에서 생긴다. 적도 지역이 몬순기후의 영향을 받는다. 인도가 몬순기후인 건 그 때문이다. 한국은 적도에서 멀지만 바다의 영향을 받는다. 아열대의 수증기가 한반도 인근으로 수송되어 오기 때문이다. 그래서 동아시아는 다 몬순 지역이다. 중국 내부 지역과 만주는 몬순의 영향을 받지 않는다고 했다. 하 교수에게 유럽은 몬순기후가 아니냐고 물어보자 “유럽은 몬순기후가 아니다. 겨울에 비가 오는 곳이 있는데, 부슬부슬 내릴 뿐이고 지중해성기후대가 많다”라고 답했다.

비가 오는 이유와 관련한 하 교수 설명을 들어보자. “몬순 강우는 계절풍 때문에 온다. 그냥 바람이 아니라, 수증기를 몰고 오는 바람이다. 그 바람을 좌우하는 건 온도다. 온도가 똑같으면 바람이다. 그리고 수증기 수송이 되지 않는다. 한반도의 경우 아열대에서 바람에 의해 운반된 수증기로 인해 비가 내리는 것이다. 그게 몬순 지역의 특징이다. 몬순 지역에 비가 많은 이유는 어디선가 수증기가 오기 때문이다. 구름이 몰려오는 게 아니다. 우리 눈에 보이지 않는 수증기가 대거 몰려온다.”

바람을 부르는 온도 변화는 계절적인 요인이다. 여름철에는 중국 쪽 대륙이 바다보다 뜨겁기 때문에 공기가 가벼워져서 하늘로 올라간다. 대륙 쪽에 저기압이 자리 잡는다. 여름철 아열대 바다에는 수증기가 많다. 아열대 남쪽에서 한반도를 향해 수증기가 올라온다. 그리고 한반도 인근 지역에서 비를 뿌린다. 겨울철은 반대다. 육지가 차가워진다. 그러면 공기가 차가워지고 무거워진다. 공기가 무거우면 기압이 커져서 고기압이 된다. 그 결과 대륙에 고기압이 머물러 있다. 그리고 대륙에서 해양 쪽으로 바람이 분다. 겨울철 북서계절풍이다.

“앞으로 한국의 강우량 변동성이 커질 것”

여름철 폭우는 한국인을 자주 위험에 빠트려왔다. 2011년 7월 27일 서울 우면산 산사태를 불러온 폭우, 2014년 8월 부산이 포함된 동남권 폭우 사태가 그런 예이다. 우면산 산사태를 불러온 비는 그날 하루에만 301.5㎜가 내렸다. 이전 기록은 294.6㎜(1987년 8월 27일)였다. 사고 발생일인 7월 27일 오전에 특히 더 많이 내렸다. 우면산 인근인 서울 관악구 기록을 보면 시간당 110.5㎜였다. 하경자 교수는 “연 강수량의 10%가 한 시간 새 내렸다. 과거에는 없던 일이다”라고 말했다. 하경자 교수는 “앞으로 강우량 변동성이 커질 것”이라고 말했다.

하경자 교수의 몬순극한기후 관련 연구는 학술지 ‘JGR 애트머스피어(JGR Atmospheres)’의 2018년 8월 27일 자 표지 논문＜사진2＞으로 실렸다. 논문 제목은 ‘동아시아의 늦은 여름 비정상적인 강우에 관한 역학과 열역학 인자가 주는 충격들을 구분하기(Disentangling Impacts of Dynamic and Thermodynamic Components on Late Su㎜er Rainfall Anomalies in East Asia)’. 제1저자는 오효은 박사였는데 당시 이 논문은 게재 직전에 한국과 일본을 강타한 폭염과 폭우로 인해 주목받기도 했다.

2018년 7월 4일과 5일 양일간 일본 남부 지방에는 1852.5㎜의 폭우가 쏟아졌다. 같은 시기 한국은 큰 폭염이 왔다. 2년 전의 일이지만 기억은 벌써 흐려져 있어 구글링을 해봤다. 한글 위키피디아 문서에는 ‘2018년 동아시아 폭염’이라는 키워드의 문서가 있고, 나무위키에는 ‘2018년 폭염/대한민국’이라는 항목이 별도로 있다. 그제서야 기억이 살아난다. 서울 기온이 40도를 훌쩍 넘었었다. 하 교수는 “당시 JGR에 실린 논문은 ‘왜 일본은 홍수가 오고, 한국은 폭염이 오나’ 하는 질문에 대한 답이었다”라고 말했다.

하 교수가 자신의 책상 위 컴퓨터 모니터에 당시 동북아시아 기상도 이미지를 띄웠다. 그리고 2년 전 여름 동북아시아 지역의 대륙과 해양에 어떤 기압들이 자리 잡고 있었는지 설명했다. 수증기를 몰고 올라가는 남쪽 바다의 바람이 있었다는 것도 설명했다. 하 교수의 설명에 우랄 고기압, 오호츠크해 고기압, 북태평양 고기압이라는 단어가 등장했다. 당시 남쪽 바다에서 올라온 수증기는 평소보다 더 좁은 길을 따라 한반도와 일본 서부를 향해 가다가 거기서 막혔다고도 했다. 오호츠크해 기단이 한반도 위쪽에 버티고 있었기 때문이었다. 엄청난 양의 수증기가 위로 올라가지 못하고 서일본과 한국에 갇혀 버린 셈이었다.

하경자 교수에게 대기과학자로서 품고 있는 질문이 뭐냐고 물었다. 하 교수는 “비가 많이 오는 해도 있고, 적게 오는 해도 있다. 강수량이 극한적으로 많은 해가 있다. 그 변동성이 인간이 만든 인위적인 것인지, 자연적인 변동성인지를 정확하게 우리가 모르고 있다. 그걸 알고 싶다”라고 말했다.

강우량 변화 원인은 인위적? 자연적 변동성?

인위적인 변동성을 일으키는 요인은 두 가지로 볼 수 있다. 대기 중 온실가스 농도와 에어로졸 증가다. 온실가스 농도가 증가하면 기온이 올라가고 대기가 가질 수 있는 수증기 양이 늘어난다. 비로 쏟아질 수 있는 자원이 많아진다는 얘기였다. 두 번째 요인인 에어로졸은 대기 중의 미세한 고체 입자나 물방울을 가리킨다. 에어로졸 증가는 온실가스와는 반대 효과를 가져온다.

그러면 자연 변동에는 무엇이 있을까? 하 교수에 따르면, 일단 해수면 온도 변화가 있다. 해양과 대기는 상호작용을 하기에 수온의 변화는 대기 순환에 영향을 준다. 가령 엘니뇨 현상이 있다. 페루와 에콰도르 인근 동태평양 적도 지역의 표면 온도가 상승하는 걸 엘니뇨라고 한다. 엘니뇨는 3년에서 7년 주기로 일어난다. 엘니뇨 현상이 바다에서 나타나면 대기 순환을 바꾼다. 태평양의 거대 대기 순환에는 ‘워커 순환’이라는 것이 있는데 워커 순환이 엘니뇨로 달라진다. 워커 순환이 강화되는 현상이 최근 일어났고, 이 경우 미국 캘리포니아 지역 가뭄을 심화시켰다. 이는 캘리포니아 산불 등에도 큰 영향을 미친다.

워커 순환 강화 원인을 둘러싸고는 논란이 있었다. 인위적인 변동이 주요 원인이냐, 아니면 자연 변동이 원인이냐는 논란이다. 지난해 4월 하경자 교수가 포함된 IBS 기후물리연구단은 ‘워커 순환’ 강화 현상이 자연 변동성 때문이라는 걸 입증했고, 관련 논문이 학술지 ‘네이처 기후변화(Nature Climate Change)’에 실렸다. 인위적인 변동성이라는 기존의 생각을 부정한 연구였다.

전 지구 차원의 강우량 변화를 인위적 변동과 자연적 변동으로 분리해 내는 연구도 지난 3월에 나와 학술지 ERL (Environmental Research Letter)에 실렸다. 하 교수는 “매우 오랫동안 무엇이 강우량 변화를 일으키는지 궁금했는데, 다행히 이유를 상당히 밝혔다. 성과가 나와서 엄청나게 불려 다니고 있다”라고 말했다.

하 교수 연구팀은 지난 60년간 전 지구의 강우량 변화를 통계적 기법(EOF)으로 분석했다. 기존의 EOF는 강우량이라는 하나의 변수로만 봤으나, 하 교수 그룹은 ‘해수면 온도’ ‘수증기 수송’이라는 두 가지 변수를 추가해 분석했다. 다변수로 분석한 건 하 교수가 포함된 그룹이 처음이다. 그 결과 지난 30년간 일어난 강우량 변화를 세 가지 모드로 나눠 볼 수 있다는 걸 알아냈다. 첫 번째 모드는 ‘인위적 모드’인데 전 지구적으로 나타났다. 전체 강우량 변화를 100이라고 한다면 인위적 모드는 이 중에서 38.7%를 차지했다. 두 번째 모드는 ‘자연적 변동 모드’다. 전체 변화의 19.5%인 걸로 나왔다. 세 번째 모드는 ‘북반구-남반구 진동’이라고 불린다.

하경자 교수는 “인위적 모드는 대기 중 이산화탄소 등 온실가스 농도 증가와 궤적을 같이한다. 지역적으로 보면 아프리카와 미주에서 인위적 모드가 강하게 나타났다. 그리고 한국이 포함된 서태평양의 강우량 변화는 거의 자연적인 변동인 걸로 나왔다. 인위적인 변동이 크지 않았다”라고 말했다. 특정 지역의 몬순 특성을 알기 위해서는 지역별로 잘 분석해야 하며, 꼭 전 지구적으로 봐야 하는 건 아니라는 말이었다.

하경자 교수의 연구실에서 창밖을 보면 부산대와, 부산대 아래쪽 장전동 일대 너머 멀리까지 보인다. 장전동 일대는 2014년 폭우 때 물에 잠긴 지역이다. 하 교수는 그날 퇴근길 차를 몰고 가다가 급격히 물이 불어나 차가 침수될 뻔했다고 한다. 6년 전 일이 어제 일인 양 생생하게 말했다. 지난 몇 년간은 폭우가 없어 한국인들은 몬순을 잊고 지냈다. 재작년은 폭염이 있었으나, 개인적으로는 그게 몬순기후의 다른 특징이라는 것을 몰랐다. 다가오는 여름에는 몬순이 또 어떤 얼굴로 우리 앞에 나타날까? 코로나19로 공포에 휩싸였던 봄을 보내고 있는데, 올여름에 다가올 자연은 어떨지 궁금하고 불안하기도 하다.