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문제 정의
- 본 연구에서는 기온변화에 상응하는 수온반응을 파악하기 위하여 해양수산부에서 제공하는 마산만, 시화호, 낙동강 하구연안의 기온 및 수온 동시 관측자료를 이용하여 기온과 수온자료의 비선형 상관관계 분석을 수행하였다. 보다 많은 기상자료를 이용하여 수온 자료를 추정하는 기법이 있으나, 장기적으로 가용한 기상자료의 제한으로 실질적으로는 적용이 곤란하기 때문에 본 연구에서는 기존의 연구에서 제시되는 선형 상관관계의 한계를 극복한 비선형 상관관계를 분석하여 보다 향상된 수온 추정기법을 제시하고자 한다.
- 따라서, 장기간의 기온자료를 이용한 수온 변화를 추정하는 과정이 불가피하며, 보다 정확하게 수온 자료를 추정하기 위해서는 보다 신뢰할 만한 수온-기온 관계를 도출하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 기온변화에 상응하는 수온반응을 파악하기 위하여 해양수산부에서 제공하는 마산만, 시화호, 낙동강 하구연안의 기온 및 수온 동시 관측자료를 이용하여 기온과 수온자료의 비선형 상관관계 분석을 수행하였다. 보다 많은 기상자료를 이용하여 수온 자료를 추정하는 기법이 있으나, 장기적으로 가용한 기상자료의 제한으로 실질적으로는 적용이 곤란하기 때문에 본 연구에서는 기존의 연구에서 제시되는 선형 상관관계의 한계를 극복한 비선형 상관관계를 분석하여 보다 향상된 수온 추정기법을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 따라서, 본 연구에서도 식 (1)로 제시되는 Logistic 함수형태를 선정하여 기온-수온 비선형 관계분석을 수행하였다.
- 5 m 이상의 보다 깊은 곳에서는 몇 일 정도가 된다(Webb, 1987; Preud' Homme and Stefan, 1993). 따라서, 일평균 정도의 시간규모가 작은 자료는 기온-수온의 상관도가 낮을 수가 있으므로, 수온의 변화양상이나 수중의 생태 반응을 고려할 때 일주일의 기간이 적합한 것으로 판단되며, 일주일 정도의 시간규모 자료를 이용한 기온-수온 상관 관계가 양호하여 기온-수온 상관관계에서는 주평균(weekly-mean) 자료가 주로 사용되며, 본 연구에서도 주 평균자료를 이용하여 기온-수온 상관관계를 분석하였으며, 공간적인 자료변화 및 자료 품질검토는 산포도를 이용하여 수행하였다(Fig. 4~5참조).
- 관측값을 이용하여 보정 (calibration)한다. 본 연구에서 제시하는 기온-수온 S-모형관계식 매개변수는 지역의 기온변화 특성(최대 온도, 최저 온도, 중간 값, 기울기 등) 을 나타내며, 관측자료는 마산만, 시화호, 낙동강 하구 지역의 기온과 수온자료이다. 관측값과 n개의 매개변수로 결정된 모형 추정값과의 오차는 목적함수(objective function) 0로 구성할 수 있으며, 이 연구에서는 RMS(Root Mean Squared) 오차가 사용되었다.
- 본 연구에서는 3.2절에서 소개한 SCE 기법을 이용하였으며, 목적함수(objective fiinction)는 관측자료와 주정 자료의 RMS(Root Mean Squared) 오차를 최 소화하는 함수로 선정하여 매개변수를 추정하였다. 한편, 마산만 지역에서는 늦봄에서 여름철로의 온도 증가시기와 여름철에서 초겨울철로의 온도 감소시기에 서로 다른 경로를 따라 기온-수온의 변화를 보여 주는 이력 현상이 나타나는 것으로 파악된바(조 .
- 본 연구에서는 해양수산부에서 연안에 설치한 기상 관측장비로 측정된 우리나라 연안 주요 지역(마산만, 낙동강 하구, 시화호)의 기온과 수온 자료를 활용하여, 기온-수온 비선형 상관관계모형(S-모형)을 구축하고, 모형 매개변수는 SCE 최적화 기법을 이용하여 추정하고, 기온-수온의 비선형 상관관계식을 지점별로 제시하였다. 시간규모에 따른 기온-수온 관계의 변화양상을 간략하게 분석하였으며, 적합한 시간 규모에 해당하는 주 평균 온도자료를 이용하여 상관관계 분석 및 모형적용을 수행하였다.
- 상관관계식을 지점별로 제시하였다. 시간규모에 따른 기온-수온 관계의 변화양상을 간략하게 분석하였으며, 적합한 시간 규모에 해당하는 주 평균 온도자료를 이용하여 상관관계 분석 및 모형적용을 수행하였다. 기온-수온의 비선형 관계를 재현하는 S-모형의 추정 수준이 단순 선형 관계식을 이용한 경우와 비교하였을 때, 계산된 NSC와 RMS 오차 모두 마산만 지역에서 현저하게 감소하였으며, 시화호 및 낙동강 하구 지역에서는 소량 감소하였다.
- gakr). 시화호 해역에서는 3개 지점, 마산만 해역에서도 3개 지점, 낙동강 하구둑에서는 1개 지점에서 관측을 수행하고 있으나, 마산-3(M仏3) 지점에서는 기상관측을 수행하고 있지 않기 때문에 본 연구에서는 마산-1(MA1) 지점, 마산-2(MA2) 지점의 기온 및 수온자료를 이용하여 분석을 수행하였으며, 시화호 및 낙동강 하구에서는 모든.지점의 자료가 이용되었다(Fig.
- 우선, 마산 지역에서는 앞서 언급하였듯이 이력현상을 고려하여 기온상승기와 기온하강기를 분리하여 관계식을 구하였다. S-모형을 이용한 경우에는 NSC가 0.
대상 데이터
- 2. Air and Water Temperature Monitoring Stations in Lake Shihwa (excerpt from "www.meps.go.kr").
- 3. Air and Water Temperature Monitoring Stations in Nak- dong River Estuary (excerpt from "www.meps.go.kr").
- 관측지점 위치 참조). 분석대상 기온 및 수온 자료는 시화호는 2003년 11 1일부터 2006년 12월 31일(총 4년동안의 자료), 마산만은 2004년 1월 1일부터 2006 년 12월 31일(총 3년동안의 자료), 그리고 낙동강 하구는 2005년 I월 1일부터 2006년 12월 31일까지의 자료(총 2년 동안의 자료)이며, 기온은 일반적으로 이용되는 온도 센서를 이용하여 관측하였으며, 수온은 PT-1000 제품을 이용하여 관측하였다. 관측간격은 5분이며, 일 자료는 5분 간격으로 측정 된 자료를 평균한 자료이다.
- 시화호 해역에서는 3개 지점, 마산만 해역에서도 3개 지점, 낙동강 하구둑에서는 1개 지점에서 관측을 수행하고 있으나, 마산-3(M仏3) 지점에서는 기상관측을 수행하고 있지 않기 때문에 본 연구에서는 마산-1(MA1) 지점, 마산-2(MA2) 지점의 기온 및 수온자료를 이용하여 분석을 수행하였으며, 시화호 및 낙동강 하구에서는 모든.지점의 자료가 이용되었다(Fig. 1-3. 관측지점 위치 참조). 분석대상 기온 및 수온 자료는 시화호는 2003년 11 1일부터 2006년 12월 31일(총 4년동안의 자료), 마산만은 2004년 1월 1일부터 2006 년 12월 31일(총 3년동안의 자료), 그리고 낙동강 하구는 2005년 I월 1일부터 2006년 12월 31일까지의 자료(총 2년 동안의 자료)이며, 기온은 일반적으로 이용되는 온도 센서를 이용하여 관측하였으며, 수온은 PT-1000 제품을 이용하여 관측하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 제시하는 기온-수온 S-모형관계식 매개변수는 지역의 기온변화 특성(최대 온도, 최저 온도, 중간 값, 기울기 등) 을 나타내며, 관측자료는 마산만, 시화호, 낙동강 하구 지역의 기온과 수온자료이다. 관측값과 n개의 매개변수로 결정된 모형 추정값과의 오차는 목적함수(objective function) 0로 구성할 수 있으며, 이 연구에서는 RMS(Root Mean Squared) 오차가 사용되었다. 보정과정은 목적함수 0의 값을 최소화하는 n개의 매개변수를 반복적으로 일정범위 이내로 수렴할 때까지 찾아가는 과정에 해당한다(Fig.
- 9에 제시하였다. 모형을 이용한 수온 추정의 정확도를 파악하기 위하여 Nash-Sutcliffe coefficient of Efficiency(NSC)(Nash and Sutcliffe, 1970) 값과 RMS 오차를 식 (2), (3)을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 시간규모에 따른 기온-수온 관계의 변화양상을 간략하게 분석하였으며, 적합한 시간 규모에 해당하는 주 평균 온도자료를 이용하여 상관관계 분석 및 모형적용을 수행하였다. 기온-수온의 비선형 관계를 재현하는 S-모형의 추정 수준이 단순 선형 관계식을 이용한 경우와 비교하였을 때, 계산된 NSC와 RMS 오차 모두 마산만 지역에서 현저하게 감소하였으며, 시화호 및 낙동강 하구 지역에서는 소량 감소하였다. 전반적으로, 본연구지 역에서는 복잡한 매개변수 추정과정이 불가피하지만 S-모형을 이용한 비선형 관계식이 보다 적합한 것으로 파악되었다.
- 06 °C로커지는 현상을 보이고 있다(Table 1참조). 또한, 관계분석을 위한 시간규모가 증가할수록 자료의 개수는 감소하고 있으나 기온과 수온의 상관도는 증가하는 양상을 보이고 있음을 알 수 있다(Fig. 4참조). 따라서, 선형을 가정하면 시간 규모가 증가함에 따라 자료(수온 및 기온)의 기울기(=[최대값-최소값]/분석 기간; 분석기간은 일정)가 작아지는 경향을 나타내며 이것은 일반적인 현상으로 받아들여지고 있다(Pilgrim and Stefan, 1995).
- 일반적으로 기온-수온 관계의 S-모형 추정결과와 단순 선형 관계식을 이용한 추정결과를 비교하였을 때, 계산된 NSC와 RMS 오차 모두 마산 지역에서 현저하게 감소하였으며, 시화호와 낙동강 하구 지역에서는 약간 감소하였다. 우선, 마산 지역에서는 앞서 언급하였듯이 이력현상을 고려하여 기온상승기와 기온하강기를 분리하여 관계식을 구하였다.
- 기온-수온의 비선형 관계를 재현하는 S-모형의 추정 수준이 단순 선형 관계식을 이용한 경우와 비교하였을 때, 계산된 NSC와 RMS 오차 모두 마산만 지역에서 현저하게 감소하였으며, 시화호 및 낙동강 하구 지역에서는 소량 감소하였다. 전반적으로, 본연구지 역에서는 복잡한 매개변수 추정과정이 불가피하지만 S-모형을 이용한 비선형 관계식이 보다 적합한 것으로 파악되었다. 향후, 우리나라 연안 및 하천을 포함한 지역에서 수온 기온 상관관계 도출연구를 광범위하게 수행하여 장래 예상되는 기후변화 가설(scenario)에 따른 수생환경의 미 래의 수온변화 예측 및 이에 상응하는 수리, 수질, 수문, 및 생태 반응을 모의하여 공학기술자, 환경전문가 또는 정책입안자에게 적절한 대책을 수립할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 최적화기법을 이용하여 추정된 매개변수는 Table 2에 제시하였으며, 제시된 결과를 보면 SCE 기법이 비록 물리적인 의미를 고려하지 않고 단순히 수학적으로 최적화된 매개변수만을 찾아낸다 할지라도 S-모형의 매개변수는 물리적인 의미부여가 가능할 것으로 판단된다.
- 한편, 마산만 지역에서 비선형성이 더 확연하게 나타나는 경향이 있으며 봄철에서 여름철로의 기온 증가 시보다는 여름철에서 겨울철로의 기온 감소시에 더 좋은 일치를 보이며, 기온 감소시에 S-모형이 선형모형에 비하여 우수한 것으로 나타났다(Fig. 10참조). 낙동강 하구지역은 하구언 방조제로 인하여 해류가 차단되어있어 해류의 영향^ 상대적으로 적으며 이는 안정적인 대기-수표면의 상호작용으로 이어져 정확도가 마산 또는 시화호 지역보다 높은 것으로 생각된다.
후속연구
- 그러나, 일반적으로 기온자료는 풍부한 반면, 상대적으로 수온자료는 매우 미흡한 실정이므로 수중 생물의 환경 조건을 파악하는 중요한 인자에 해당하는 수온자료를 이용하여 장기적인 작은 환경변화(온도변화)를 파악하는 것은 매우 곤란하다. 따라서, 장기간의 기온자료를 이용한 수온 변화를 추정하는 과정이 불가피하며, 보다 정확하게 수온 자료를 추정하기 위해서는 보다 신뢰할 만한 수온-기온 관계를 도출하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 기온변화에 상응하는 수온반응을 파악하기 위하여 해양수산부에서 제공하는 마산만, 시화호, 낙동강 하구연안의 기온 및 수온 동시 관측자료를 이용하여 기온과 수온자료의 비선형 상관관계 분석을 수행하였다.
- 이상의 결과에서 제시된 바와 같이, 연안 지역 모두 식 (1)로 제시되는 비선형 기온-수온 관계를 표현하는 S-모형n곡선이 보다 우수한 추정결과를 보이고 있으며(Fig. 11참조),-향후 하천 및 하구, 연안해역 등의 다양한 지역에서 보다d많은 자료를 이용한 연구를 수행하여 수리, 수문, 수질 및E생태 분야의 전반적 기후변화 반응을 검토할 필요가 있을J것으로 판단된다.e
- 전반적으로, 본연구지 역에서는 복잡한 매개변수 추정과정이 불가피하지만 S-모형을 이용한 비선형 관계식이 보다 적합한 것으로 파악되었다. 향후, 우리나라 연안 및 하천을 포함한 지역에서 수온 기온 상관관계 도출연구를 광범위하게 수행하여 장래 예상되는 기후변화 가설(scenario)에 따른 수생환경의 미 래의 수온변화 예측 및 이에 상응하는 수리, 수질, 수문, 및 생태 반응을 모의하여 공학기술자, 환경전문가 또는 정책입안자에게 적절한 대책을 수립할 필요가 있을 것으로 사료된다.
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