1850년 이래 최근 30년 동안 10년 평균 전 지구지표온도는 과거의 어떤 10년 평균보다 온난했다(그림 1). 북반구의 경우 1983~2012년은 지난 1400년중에서도 가장 온난한 30년일 가능성이 높다. 독립적으로 생산된 여러 개의 자료가 존재하는 1880~2012년에 전 지구 육지와 해양의 평균 지표온도 자료는 선형경향성에 의해 산출하는 경우 0.85 [0.65~1.06]^oC의 온도상승을 보였다. 단일의 가장 긴 자료를 이용해서 산출한 1850~1900년 평균과 2003~2012년 평균 사이의 총 온도 상승은 0.78 [0.72~0.85]^oC이였다. 지역규모의 경향성을 산출하기에 충분히 완성도가 높은 최장 기간인 1901~2012년에 전 지구 거의 모든 지역에서 지표 온난화가 일어났다. 20세기중반 이후 전 지구적으로 대류권의 온도가 높아진 것은 사실상 확실하다. 중남미 대부분 지역에서 기온 증가는 0.4~1.25^oC이였으나 파라과이, 브라질 파라이바주, 리우데자네이루주를 포함하는 대서양 인접 지역에서 1.5~2.5^oC로 높게 나타났다. 북반구 중위도 지역은 다른 지역에 비하여 완성도 높은 관측 자료로 인해 대류권 온도변화를 추정하는데 있어 높은 신뢰도를 나타낸다. 1901년 이후 북반구 중위도의 육지에서는 강수량이 증가하였다(그림 2). 멕시코와 과테말라 경계 지역, 에콰도르, 콜롬비아 및 베네수엘라, 브라질 대서양 연안 및 아르헨티나 지역에서는 10년 동안 5~50 mm 증가를 보였다. 그러나 남미 내륙지역에서는 강수량이 5 mm 이내로 감소하였다. 1901년 부터 1951년까지 전 지구 육지 강수량 변화에 대한 신뢰도는 낮고, 그 이후로는 중간 신뢰도이였다. 대략 1950년 이후에 다양한 극한기상과 극한 기후현상의 변화가 관측되고 있었다. 전 지구적으로 낮과 밤이 추운 날의 발생 빈도는 감소하고, 더운 낮과 밤의 수가 증가한다는 사실은 가능성이 매우 높았다. 유럽, 아시아, 오스트레일리아의 대부분 지역에서 열파의 발생빈도가 증가했을 가능성이 높았다. 육지에서 호우의 발생빈도는 증가한 지역이 감소한 지역보다 늘어났을 가능성이 높았다. 호우의 빈도 또는 강도가 북아메리카와 유럽에서 증가했을 가능성이 높았다. 다른 대륙에서 호우현상의 변화는 중간 신뢰도 정도에 머무른다. 극한 고해수면 규모 및 발생의 증가 가능성도 높게 나타났다(표 1).

Fig. 1. 
(a) Observed global mean combined land and ocean surface temperature anomalies, from 1850 to 2012 from three data sets (b) Map of the observed surface temperature change from 1901 to 2012 derived from temperature trends determined by linear regression.

해양온난화는 기후시스템 내에 저장된 에너지 증가가 중요한 요인으로 1971~2010년에 축적된 에너지의 90% 이상을 차지한다.¹⁾ 해양 상층부(0~700 m)가 1971~2010년에 온난해진 것은 사실상 확실하며, 1870년대와 1971년에도 온난화되었을 가능성이 높았다(그림 3).

전 지구 규모에서 해양온난화는 표층부 부근에서 가장 크며, 1971~2010년에 수심 75 m 상층부는 0.11[0.09~0.13]^oC/10년 더워졌다. 제4차 보고서 발간 이후, 해양상층부 수온자료의 기기오차 (instrumental biases)가 확인되고, 그 오차가 감소되어 변화의 평가에 대한 신뢰도를 높여 주었다. 수심 700~2000m의 해양이 1957~2009년에 온난화되었다는 사실은 가능성이 높았다. 수심 2000 m 이하의 전 지구 해역에서 수온변화의 평가가 가능할 정도로 충분한 자료가 1992~2005년에 존재하였다. 이 기간 동안 수심 2000~3000 m 깊이에서는 유의한 온도 경향성이 관측되지 않았을 가능성이 높았다. 같은 기간에 수심 3000m 이하의 해양이 온난해졌다는 사실은 가능성이 높으며, 남빙양에서 최대 온난화가 관측되었다. 수심 0~700m의 해양 열용량은 1903~2002년보다 2003~2010년이 느리게 증가했을 가능성이 있었다. 경년변동성이 작은 700~2000 m 해역에서 열 흡수는 1993~2009년에 약화되지 않고 지속되었다는 사실은 가능성이 높았다(그림 3).

Fig. 2. 
Maps of observed precipitation change from 1901 to 2010 and from 1951 to 2010.

지난 20년간 그린란드와 남극 빙상의 질량이 감소하였고, 전 지구적으로 빙하는 지속적으로 감소되었으며, 북극해 해빙과 북반구의 봄철 적설면적도 지속적으로 감소하였다²⁾ (그림 3).

그린란드 빙상의 평균 감소율은 1992~2001년에 34 [-6~74] Gt yr^-1에서 2002~2011년에 215 [157~274] Gt yr^-1로 상당히 증가했을 가능성이 매우 높았다. 북극해의 연평균 해빙면적은 1979~2012년에 3.5~4.1%/10년(0.45~0.51×10⁶ km²/10년) 감소할 가능성이 매우 높았다. 북극해에서 10년 평균 해빙면적의 평균 감소율은 여름에 가장 빨랐다.³⁾ 해빙면적은 모든 계절에서 면적이 줄었으며, 1979년 이후 매 10년 단위로 보아도 연속적으로 감소했다.⁴⁾ 적어도 지난 1,450년을 기준으로 볼 때 지난 30년 동안 북극 여름 해빙면적의 감소는 전례가 없었다. 남극의 연평균 해빙면적은 1979~2012년에 1.2~1.8%/10년 (0.13~0.20×10⁶ km²/10년)의 속도로 증가했을 가능성이 매우 높았다. 북반구의 적설면적이 20세기 중반 이후로 감소한다는 사실은 그 신뢰도가 매우 높았다. 1967~2012년에 3, 4월 북반구 평균 적설면적은 1.6 [0.8~2.4]%/10년, 6월 평균 북반구 적설면적은 11.7 [8.8~14.6]%/10년 정도로 줄었다. 이 기간 동안에 북반구의 적설면적은 1년 내내 통계적으로 의미 있는 증가를 보이지 않았다.

Fig. 3. 
Multiple observed indicators of a changing global climate: (a) Extent of Northern Hemisphere March- April (spring) average snow cover (b) extent of Arctic July-August-September (summer) average sea ice (c) change in global mean upper ocean (0~700 m) heat content (d) global mean sea level relative to the 1900~1905 mean of the longest running dataset.

19세기 중반 이후 해수면 상승률은 과거 2000년의 평균보다 컸으며,⁵⁾ 1901~2010년에 전 지구 평균 해수면은 0.19 [0.17~0.21] m 상승했었다(그림 3). 전지구 평균해수면의 평균 상승률은 1901~2010년에 1.7 [1.5~1.9] mm yr^-1이였고, 1971~2010년에 2.0 [1.7~2.3] mm yr^-1이였으며, 1993~2010년에는 3.2 [2.8~3.6] mm yr^-1이였을 가능성이 매우 높았다. 1970년대 초반 이후 온난화로 인한 빙하의 질량손실과 함께 해양 열팽창은 관측된 전 지구 평균해수면 상승의 75%를 설명하고 있다.⁶⁾ 1993~2010년의 전 지구 평균해수면 상승은 높은 신뢰도를 가지고, 온난화로 인한 해양 열팽창(1.1 [0.8~1.4] mm yr^-1), 빙하(0.76 [0.39~1.13] mm yr^-1), 그린란드 빙상(0.33 [0.25~0.41mmyr^-1) 및 남극 빙상(0.27 [0.16~0.38] mm yr^-1)의 변화, 육지에서 물 유입(0.38 [0.26~0.49] mm yr^-1)이 각각 기여한 부분의 총합과 일치하였다. 기여도의 합은 2.8[2.3~3.4] mm yr^-1이였다.

대기 중 메탄(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소 (N₂O)의 농도는 최소한 지난 800,000년간 전례 없는 수준을 나타냈다. 이산화탄소 농도는 산업화 이후 일차적으로는 화석연료 사용으로 인한 배출과 2차적으로는 순 토지이용변화로 인한 배출로 40% 정도 증가하였다(그림 4). 해양은 인위적으로 배출된 이산화탄소의 30%를 흡수했으며 이는 해양산성화에 주요 원인이 되었다.

Fig. 4. 
atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO₂) from Mauna Loa (19^o2′ N, 155^o34′W-red) and South Pole (89^o59′ S, 24^o48′W-black) since 1958.

인위적인 활동으로 대기 중 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등 온실가스의 농도는 1750년 이후로 모두 증가했다. 이러한 온실가스들의 농도는 2011년에 각각 391 ppm, 1803 ppb, 324 ppb로 산업화 이전보다 약 40%, 150%, 20% 높았다. 현재 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 농도는 과거 800,000년 동안의 빙하에 기록되어 있는 농도범위를 크게 초과하였다. 지난 세기동안 대기농도의 평균 증가율은 지난 22,000년 동안 전례가 없었다는 사실은 매우 높은 신뢰도를 갖는다. 2002~2011년에 화석연료의 연소와 시멘트 생산으로 인해서 대기 중으로 배출된 이산화탄소의 양은 8.3[7.6~9.0] GtC 12yr^-1이며,⁷⁾ 2011년에는 9.5 [8.7~10.3]GtC yr^-1으로, 1990년 수준에 비해 54% 증가한 것이다. 2002~2011년에 인위적 활동으로 인한 토지이용 변화로 인해서 발생한 연평균 순 이산화탄소 배출량은 0.9 [0.1~1.7] GtC yr^-1이었다.⁸⁾ 1750~2011년에 화산연료의 연소와 시멘트 생산으로 375 [345~405]GtC의 이산화탄소를 배출하였고, 벌채와 토지이용의 변화로 180 [100~260] GtC의 이산화탄소를 배출한 것으로 추정되었다. 이런 결과로 인위적 누적 배출량은 555 [470~640] GtC이였다. 인위적으로 배출된 누적 이산화탄소 배출량은 대기에 240 [230~250] GtC, 해양에 155 [125~185] GtC, 자연 육상생태계에 160[70~250] GtC 축적되었다.

21세기 말의 전 지구 지표온도 변화는 RCP2.6을 제외한 모든 RCP 시나리오에서 1850~1900년 이전과 비교하여 1.5^oC를 초과할 가능성이 높았다. RCP6.0과 RCP8.5에서 전 지구 지표온도는 2^oC를 초과할 가능성이 높으며 RCP4.5에서도 2^oC를 초과하지 않을 가능성보다 초과할 가능성이 높았다. RCP2.6을 제외한 모든 RCP 시나리오에서 온난화는 2100년 이후에도 지속될 것이다(그림 7). 1986~2005년을 기준으로 2081~2100년의 전 지구 평균지표 온도상승은 CMIP5 기후모델에서 0.3~1.7^oC (RCP2.6), 1.1~2.6^oC (RCP4.5), 1.4~3.1^oC (RCP6.0), 2.6~4.8^oC (RCP8.5) 내에 들 것으로 전망되었으며 가능성이 높았다(표 2).

Fig. 7. 
CMIP5 multi-model simulated time series from 1950 to 2100 for (a) change in global annual mean surface temperature relative to 1986~2005, (b) Northern Hemisphere September sea ice extent (5-year running mean).

전 지구 해양은 21세기동안 지속적으로 온난화될 것이다. 열은 해수면에서 심해까지 전달되어 해양순환에 영향을 미칠 것이다. 가장 강력한 해양온난화는 열대와 북반구 아열대의 해양표층에서 나타날 것으로 전망되었다. 남빙양에서는 온난화가 심해에서 가장 뚜렷하게 나타날 것이다.¹⁰⁾ 21세기 말까지 상층부 100 m에서 해양온난화의 최적 추정치가 약 0.6^oC(RCP2.6)~2.0^o(RCP8.5) 정도이고, 약 1,000 m 깊이에서는 0.3^oC(RCP2.6)~0.6^oC(RCP8.5) 정도이였다.

전 지구 평균 지표온도가 상승했기 때문에 21세기에는 북극의 해빙면적이 지속적으로 줄어들고 얇아질 것이며, 북반구 봄철 적설면적이 줄어들 가능성이 매우 높았다. 전 지구 빙하 부피는 더 감소할 것이다. 다중모델 평균에서 북극해빙면적은 21세기 말까지 연중 감소될 것으로 전망되어진다. 9월의 경우 RCP 2.6에서 43%, RCP8.5에서 94% 범위에 있고, 2월의 경우에는 각각 8%와 34%의 범위에 있었다¹¹⁾ (그림 7). 21세기 말까지 남극 주변의 빙하를 제외하고 전지구 빙하 부피는 RCP2.6에서는 15~55%가 감소하고, RCP8.5에서는 35~85%가 감소할 것으로 전망되었다.¹²⁾

21세기에 전 지구적으로 평균해수면은 지속적으로 상승할 것이다(그림 8). 모든 RCP 시나리오에서 해수면 상승률은 해양온난화의 강화와 빙하 및 빙상의 질량감소로 인해서 1971~2010년에 관측된 상승률을 초과할 가능성이 매우 높았다. 2081~2100년 기간의 전 지구 평균해수면은 1986~2005년보다 RCP2.6에서 0.26~0.55 m, RCP4.5에서 0.32~0.63 m, RCP6.0에서 0.33~0.63 m, RCP8.5에서 0.45~0.82 m 상승할 가능성이 높았다.¹³⁾ RCP8.5의 경우 2100년 해수면은 0.52~0.98 m 상승하고, 2081~2100년 동안 해수면 상승률은 8~16 mm yr^-1이였다.¹⁴⁾ 이러한 범위는 모델과 빙하 및 빙상 기여도에 대한 문헌 평가를 결합하여 CMIP5 기후전망으로부터 산출한 것이다 (그림 8, 표 2).

Fig. 8. 
Projections of global mean sea level rise over the 21st century relative to 1986~2005 from the combination of the CMIP5 ensemble with process-based models, for RCP2.6 and RCP8.5.

기후변화는 탄소순환 과정에 영향을 주고 이런 과정은 대기 중 이산화탄소 증가를 강화시킬 것이다.¹⁵⁾ 해양에 의한 탄소흡수의 증가는 해양산성화를 악화시킬 것이다. RCP 4종 모두에서 2100년까지 인위적으로 배출된 이산화탄소를 해양이 계속 흡수할 것이며 고농도 경로의 경우 흡수량이 더 많아질 것이다.¹⁶⁾ 육지 탄소흡수에 대한 미래 변화는 다소 불확실하였다. 모든 RCP에서 대부분의 모델이 미래 육지의 지속적인 탄소흡수를 전망하지만, 일부 모델의 경우 기후변화와 토지이용 변화의 영향이 합쳐져 육지의 탄소흡수 감소를 모의한다. 지구시스템 모델에 근거하면 21세기에는 기후와 탄소순환이 양의 되먹임이 될 것이라는 사실은 높은 신뢰도를 갖는다. 즉, 기후변화가 대기 중 이산화탄소의 증가로 초래된 육지와 해양의 탄소 흡수원의 일부를 상쇄할 것이다. 그 결과 인위적으로 배출된 많은 이산화탄소가 대기에 남아 있게 될 것이다. 백년에서 천년 시간규모에서 기후와 탄소순환 간의 양의 피드백은 이산화탄소 자료와 모델링을 통해 그 근거를 찾을 수 있었다. 15개 지구시스템모델에서 산출된 결과처럼 RCP의 대기 이산화탄소 농도와 비교할 수 있는 2012~2100년의 이산화탄소 누적배출량은 RCP2.6에서 140~410GtC, RCP4.5에서 595~1005 GtC, RCP6.0에서 840~1250 GtC, RCP8.5에서는 1415~1910 GtC의 범위에 있었다(표 3).

21세기 후반과 그 이후의 전 지구 평균 지표온난화는 주로 이산화탄소 누적배출량에 의해서 결정된다(그림 9). 온실가스의 배출이 중단되어도 기후변화의 양상은 대부분 수백 년 동안 지속될 것이다. 이것은 수세기동안 발생된 주요 기후변화가 과거, 현재, 미래의 이산화탄소 배출량에 의해 지속됨을 의미한다. 누적 이산화탄소 총 배출량과 전 지구 평균 지표온도의 변화는 거의 선형적인 관계를 가진다. 주어진 온난화 정도는 누적된 이산화탄소 배출량과 관련이 있다. 따라서 초기의 배출량이 많으면 많을수록 후에 배출량을 더 많이 줄여야 한다. RCP2.6에서 처럼 인위적인 이산화탄소 배출만으로 발생한 온난화를 1861~1880년 이후 2^oC 이하로 억제하기 위해서는 시나리오별로 최대로 900 GtC (3300 GtCO₂), 820 GtC (3010 GtCO₂), 790 GtC (2900 GtCO₂)이 저감되어야 한다(그림 9). 2011년까지 515 [445~585] GtC (1890 [1630~2150]GtCO₂)가 이미 배출되었다. 온난화 목표치를 낮추기 위해서 혹은 특정한 목표치 이하로 유지할 가능성을 높이기 위해서는 누적된 이산화탄소의 배출량을 낮춰야 한다. 이산화탄소 이외의 기타 온실가스의 증가, 에어로졸의 감소 및 영구 동토 층에서 배출되는 온실가스의 양을 고려하면, 특정 온난화 목표치를 달성하기 위해서 배출 할 수 있는 누적 이산화탄소 배출량은 더 적어진다 (그림 9). 장기간에 걸쳐서 대기 중 이산화탄소를 대량으로 제거하는 경우를 제외하면 이산화탄소 배출로 인한 인위적인 기후변화의 많은 부분은 수 세기 또는 수천 년 시간 규모에서 돌이킬 수 없다. 인위적인 순 이산화탄소 배출이 완전히 멈춘 이후에도 지표온도는 수세기 동안 높은 온도를 거의 일정하게 유지할 것이다. 해양표면에서 심해로 장기간 열이 전달되어 발생한 해양온난화는 수세기 동안 지속될 것이다. 시나리오에 따라 다르지만, 배출된 이산화탄소의 15~40%가 1,000년 이상 대기 중에 남아 있을 것이다.

Fig. 9. 
Global mean surface temperature increase as a function of cumulative total global CO₂ emissions from various lines of evidence.