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문제 정의
- 본 연구에서는 국립수산과학원 NOAA 위성에서 1990-2005년까지 매일 관측한 수온 영상을 이용하여 마르코프 연쇄 모델 적용에 의한 구름 없는 맑은 위성영상 생성 방법을 제시하고자 한다.
- NOAA 위성에서 관측된 수온영상의 경우는 구름 등의 영향에 의해 결측되거나 그 주변이 오염된 영상이 많이 생산되고 있다. 본 연구에서는 이러한 결측이나 오류가 포함된 영상에서 구름 없는 맑은 영상을 생산하기 위해 수온편차를 이용한 에러 값 제거와 결측 자료를 보완하여 새로운 수온영상을 생성하는 방법을 제시하였다. 구름 등의 영향으로 결측된 자료의 보완은 마르코프 모델의 적용으로 각 격자별로 과거의 일별 수온편차 값에서 각 격자점의 마르코프 계수를 결정하여 조사하였다.
제안 방법
- 가중평균에 적용된 기간은 현시점을 포함한 최근 5일간으로 하였다. 5일간의 가중평균으로도 수온 자료가 없는 구름 지역에 대해서는 이 지역 최근 수온편차 정보를 이용하여 보충하였다.
- MOM 모델에 의해 생성되는 자료의 특성 분석은 2006년 1월 1일에서 1월 6일까지 6일간의 대표 자료를 이용하였다. MOM 모델에 의한 계산은 먼저 최근 5일간의 수온자료에 대한 가중평균 방법으로 현재 수온의 자료를 더 많이 확보하고, 그 다음 수온편차를 계산한 후 자료가 없는 곳의 추정은 수온편차에 대한 마르코프 모델을 적용하였다. 그리고 관측수온 자료 지역과 보충된 자료 지역의 경계선에서 나타날 수 있는 불연속을 매끄럽게 하기 위하여 3 × 3 격자 이동평균 방법을 적용하여 공간적으로 평활화하였다.
- 구름 등에 의해 오염된 수온 자료의 제거는 수온편차 값을 이용하여 오염여부를 판정하고, 결측 자료의 보완은 수온편차에 대한 마르코프 모델을 적용하였다. 또한, 본 연구에서는 관측 자료와 수온편차 값을 결합하여 구름 없는 수온 자료 생산에 대한 알고리즘을 MOM(Merge Observation and Memory) 모델이라고 부르고, 이것을 이용하여 결측이 없는 영상을 생산하였다.
- 본 연구에서는 이러한 결측이나 오류가 포함된 영상에서 구름 없는 맑은 영상을 생산하기 위해 수온편차를 이용한 에러 값 제거와 결측 자료를 보완하여 새로운 수온영상을 생성하는 방법을 제시하였다. 구름 등의 영향으로 결측된 자료의 보완은 마르코프 모델의 적용으로 각 격자별로 과거의 일별 수온편차 값에서 각 격자점의 마르코프 계수를 결정하여 조사하였다. 본 연구해역에서 마르코프 계수는 지역적으로 동일하지 않았으며, 특히 해류가 강한 해역 등에서 마르코프 계수 값이 전체적인 평균값보다 낮은 반면에 해류가 약한 동해 북서부의 대부분 해역과 동중국해에서는 그 계수가 상대적으로 높게 나타났다.
- 그리고 관측수온 자료 지역과 보충된 자료 지역의 경계선에서 나타날 수 있는 불연속을 매끄럽게 하기 위하여 3 × 3 격자 이동평균 방법을 적용하여 공간적으로 평활화하였다.
- 구름 등에 의해 오염된 수온 자료의 제거는 수온편차 값을 이용하여 오염여부를 판정하고, 결측 자료의 보완은 수온편차에 대한 마르코프 모델을 적용하였다. 또한, 본 연구에서는 관측 자료와 수온편차 값을 결합하여 구름 없는 수온 자료 생산에 대한 알고리즘을 MOM(Merge Observation and Memory) 모델이라고 부르고, 이것을 이용하여 결측이 없는 영상을 생산하였다. MOM 모델에 의해 생성되는 자료의 특성 분석은 2006년 1월 1일에서 1월 6일까지 6일간의 대표 자료를 이용하였다.
- 매일 수신 영상은 구름 없는 수온 자료를 생산하기 위하여 5일 간격 수온 영상을 합성하여 이용하였다(Table 1). 16년간 (1990-2005) 자료는 1995년과 1996년을 제외하고 5일간 합성영상 65개 이상이 이용되었다.
- 하루 사이 수온 변동이 어느 정도인지에 대한 정량적인 조사를 하기 위하여 9년간(1997-2005)의 매일 SST 자료를 이용하였다. 여기서 일간 수온 차이는 이틀간 연속된 관측 수온 자료로부터 과거 수온과 현재 수온 차이를 계산하였다.
대상 데이터
- 매일 수신 영상은 구름 없는 수온 자료를 생산하기 위하여 5일 간격 수온 영상을 합성하여 이용하였다(Table 1). 16년간 (1990-2005) 자료는 1995년과 1996년을 제외하고 5일간 합성영상 65개 이상이 이용되었다.
- 또한, 본 연구에서는 관측 자료와 수온편차 값을 결합하여 구름 없는 수온 자료 생산에 대한 알고리즘을 MOM(Merge Observation and Memory) 모델이라고 부르고, 이것을 이용하여 결측이 없는 영상을 생산하였다. MOM 모델에 의해 생성되는 자료의 특성 분석은 2006년 1월 1일에서 1월 6일까지 6일간의 대표 자료를 이용하였다. MOM 모델에 의한 계산은 먼저 최근 5일간의 수온자료에 대한 가중평균 방법으로 현재 수온의 자료를 더 많이 확보하고, 그 다음 수온편차를 계산한 후 자료가 없는 곳의 추정은 수온편차에 대한 마르코프 모델을 적용하였다.
- 국립수산과학원에서 수신영역을 지정하는 마스터(Master) 자료는 중심 경위가 135 °E와 35 °N이고, 전체 영역은 북위 약 25-45 °N, 동경 118-142 °E로서 2000 × 2000 격자로 구성되어 있다(Fig. 1).
- 그러나 때로는 기계적인 오류로 인해 수신된 수온 값이 실제보다 높게 나타나는 경우도 있다. 그 예로서, 국립수산과학원에서 2005년 11월 18-22일의 5일간 수신한 수온 영상 45개를 최대 수온 값으로 합성하여 살펴보았다(Fig. 2). 지역적으로 보면, 영상에서 색상으로 직접 비교할 수 있을 정도로 동해 중부 이북 해역과 황해 전해역 등에서 주변의 수온보다 아주 높게 나타나는 곳(적색 점 부분)을 볼 수 있다.
- 본 연구에서는 국립수산과학원에서 1990-2005년까지 16년간 수신한 NOAA 수온영상을 이용하여 재처리하였다. 국립수산과학원에서 수신영역을 지정하는 마스터(Master) 자료는 중심 경위가 135 °E와 35 °N이고, 전체 영역은 북위 약 25-45 °N, 동경 118-142 °E로서 2000 × 2000 격자로 구성되어 있다(Fig.
- 일별 수온편차 16년간 5,884개의 자료 중에서 마르코프 계수를 계산하는데 이용된 자료는 전체 자료의 약 26%이었다. 이는 구름분포 빈도와 관련하여 조사한 9년간(1997-2005) 일별 수온자료 자체의 가용치 비율인 49.
- 하루 사이 수온 변동이 어느 정도인지에 대한 정량적인 조사를 하기 위하여 9년간(1997-2005)의 매일 SST 자료를 이용하였다. 여기서 일간 수온 차이는 이틀간 연속된 관측 수온 자료로부터 과거 수온과 현재 수온 차이를 계산하였다.
이론/모형
- 또한, 현재 수온 예측을 위한 수온편차의 정량적인 값은 마르코프 모델을 적용하였다. 수온편차에 대한 마르코프 모델을 적용하기 위해서는 마르코프 파라미터가 미리 결정되어야 한다.
성능/효과
- 수온편차는 5℃를 초과하는 경우는 거의 없으므로, 본 연구에서는 평년 수온 값에 비하여 5℃ 이상 차이가 나는 수온자료는 오염된 자료로 취급하였다. 수온편차 즉, 이상수온 값의 특성은 1) 수온편차는 그 값이 크지 않으며, 통상 5℃를 초과하는 경우가 거의 없고, 2) 수온편차는 음이나 양의 값으로 나타날 수 있으며, 3) 장기간에 걸친 수온편차의 기대 값은 0에 접근하며, 4) 수온편차는 상당한 시간적 지속성을 가지며, 어제의 수온편차가 양수인 지역은 오늘도 양수일 확률이 높다.
- 과거 해수는 그 자리에 머물러 있지 않고 다른 곳으로 이동하였기 때문에 해류가 강한 곳에서의 동일 지점 마르코프 계수 값은 상대적으로 작게 된다. 마르코프 계수 값이 작은 지역은 1) 강한 해류에 의한 해수의 이동이 있는 쿠로시오 해역, 2) 동중국해와 한국 남해에서 쓰시마난류가 동해로 유입되는 곳, 3) 일본 서부연안에서 쓰가루해협, 4) 동해 북부해역의 리만한류가 남하하는 곳, 5) 조류가 강하고 조류에 의한 해수 이동이 있는 우리나라 서해안 부근과 상동반도 남쪽 중국 연안에 나타났다. 반면에 마르코프 계수 값이 상대적으로 높은 곳은 해류가 약한 동해 북서부의 대부분 해역과 동중국해에서 쿠로시오 서쪽 연안의 해류가 거의 없거나 미약한 곳에서 나타났다.
- 계절별 일간 수온 차이의 공간 변동은 수온의 계절적 변동이 큰 봄과 가을이 그 계절적 변동이 작은 여름과 겨울에 비하여 지역적인 수온 차이가 크게 나타났다(Fig. 8). 지역적인 수온의 차이는 봄과 가을의 경우 전 해역에서 대륙 인접부에서 대부분 크게 나타났다.
- 이러한 이상수온 변동에 대한 마르코프 계수가 해류 등과 관련되어 분포하는 것이 위성영상의 결과에서만 나타나는 것인지 일반적인 현상인지를 규명해보는 것도 흥미 있을 것으로 생각된다. 또한, 계절별 일간 수온 차이의 공간 변동은 봄과 가을이 여름과 겨울에 비하여 지역적인 차이가 크게 나타났다. 특히, 지역적인 수온의 차이는 봄과 가을에 본 연구해역의 대륙 인접부의 대부분에서 크게 나타났다.
- 마르코프 계수는 지역적으로 동일하지 않으며, 특히 해류가 강한 곳에서는 마르코프 계수 값이 0.6 정도로 전체적인 평균치 0.76보다 낮게 나타났다. 그 원인은 해류가 강한 곳에서는 고정된 장소에서 볼 때 현재 해수는 과거 해수가 아니기 때문이다.
- 구름 등의 영향으로 결측된 자료의 보완은 마르코프 모델의 적용으로 각 격자별로 과거의 일별 수온편차 값에서 각 격자점의 마르코프 계수를 결정하여 조사하였다. 본 연구해역에서 마르코프 계수는 지역적으로 동일하지 않았으며, 특히 해류가 강한 해역 등에서 마르코프 계수 값이 전체적인 평균값보다 낮은 반면에 해류가 약한 동해 북서부의 대부분 해역과 동중국해에서는 그 계수가 상대적으로 높게 나타났다. 이러한 이상수온 변동에 대한 마르코프 계수가 해류 등과 관련되어 분포하는 것이 위성영상의 결과에서만 나타나는 것인지 일반적인 현상인지를 규명해보는 것도 흥미 있을 것으로 생각된다.
- 일별 자료로부터 계산한 9년간 일간 수온의 차이는 해양수온의 계절적 특징을 기준으로 겨울은 1-3월, 봄은 4-6월, 여름은 7-9월, 가을은 10-12월로 하였으며, 계절별 일간 수온 차이의 모든 해양격자 평균과 표준 편차를 Table 2에 나타내었다. 평균 수온의 변동은 관측 SST와 본 연구에서 새롭게 생성한 MOM SST 사이에서 비슷하게 봄과 가을에 큰 분산을 나타내었고, 겨울과 여름은 분산이 작게 나타났다. 이러한 계절별 수온 차이의 공간적인 분포를 Fig.
후속연구
- 즉, 연속된 자료 사이의 수온편차의 전이(Transition)는 마르코프 연쇄 과정을 가질 것이다. 과거 수일 전의 수온편차가 양수인 지역은 현재도 양수일 확률이 높기 때문에 수온편차의 시간적 변동은 마르코프 연쇄 과정 모델로 근사화하는 것이 가능할 것이다.
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