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문제 정의
- , 2011), 피해지역의 특성상 해상 접근이 용이하지 않아서 해양환경의 변화에 대해서는 많은 연구들이 수행되지 못했다. 본 연구는 세계 최초 정지궤도 해색위성인 Geostationary Ocean Color Imager(GOCI) 및 NASA Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 해색위성을 이용하여 지진해일에 의한 해양환경의 변화를 관찰하기 위한 선행 연구로, 지진해일 전/후에 해양에서 어떤 변화가 발생했는지 모니터링 하였다.
제안 방법
- , 2007) 또는 육상으로부터 유입에 의해서 증가되었거나, 해수 유동의 변화로 해수 내에서 교란이 증가되면서 아표층(subsurface)에서 영양염 공급으로 클로로필 농도가 증가될 수 있을 것이다. 그래서 2010년 같은 시기의 MODIS 위성을 이용하여 클로로필 농도를 비교해 보았다(GOCI 해색위성은 2010년 6월 발사). Fig.
- 그러나 센다이 북부 지역은 구름으로 인하여 뚜렷한 변화를 감지하지 못했고, 상대적으로 구름이 없었던 남부 지역에서 자세한 변화가 관측되었다. 그래서 이 부분에 대한 자세한 해양의 변화를 조사하기 위하여 동일한 날짜에 대해서 GOCI의 클로로필 및 Rrs(555)의 변화를 조사하였다(Fig. 5). 2011년 3월 11일은 구름으로 인하여 연안지역의 변화는 관측되지 않았고, 수직 및 수평 단면 변화에서 클로로필은 1 mg/m3 이하의 낮은 일정한 농도를 보였다.
- , 2001). 그리고 두 위성간의 차이를 줄이기 위해서 MODIS 해색위성이 촬영된 시간과 근접한 GOCI 위성 자료를 이용하여 비교하였다.
- 첫 번째, GOCI level 1b 자료는 true color 영상을 만들어 지진 발생 전/후 변화를 관측하였고, 500 m 공간해상도를 가지는 해색위성이지만 지진해일에 의한 해안선의 변화를 계산하였다. 두 번째, GOCI 및 MODIS의 클로로필과 Rrs(555) 자료는 지진해일에 영향을 받은 지역을 파악하고, 이전의 상태로 복원되기까지 해양 환경 변화를 모니터링 했다. 세 번째, 해양환경 변화는 특히 센다이 지역을 중심으로 주변해역에 대해서 중점적으로 클로로필과 부유물질 변화를 조사하였다.
- 본 연구는 일본 동부 지진 발생 지역에 GOCI 및 MODIS 두 해색위성을 이용하여 해양환경 변화를 추적하였다. 첫 번째, 지진해일이 어느 범위까지 영향을 미쳤는지, 두 번째, 지진해일에 의한 해양환경의 변화, 세 번째, 지진해일에 의한 영향이 해양에서 안정화 되는 과정으로 구분하여 고찰해 보았다.
- 본 연구에서는 지진해일이 일어났던 지역 중에서 센다이를 중심으로 남북 ~700 km 지역에 대해서 해색위성을 이용해서 클로로필 변화와 부유물질 변화를 살펴보았다(Fig. 4).
- 세 번째, 일본 동부지역 지진해일의 영향이 사라지고 이전의 해양환경으로 복원되는 시기를 살펴보았다. 연구지역의 2010년 3월~5월 MODIS 영상에서 증가된 클로로필 농도는 연안 및 외해에서도 나타났다(Fig.
- 두 번째, GOCI 및 MODIS의 클로로필과 Rrs(555) 자료는 지진해일에 영향을 받은 지역을 파악하고, 이전의 상태로 복원되기까지 해양 환경 변화를 모니터링 했다. 세 번째, 해양환경 변화는 특히 센다이 지역을 중심으로 주변해역에 대해서 중점적으로 클로로필과 부유물질 변화를 조사하였다.
- 자세한 해양의 변화를 모니터링 하기 위해, 두 개의 해색위성에서 계산된 클로로필과 부유물질을 지시하는 Rrs(555)을 이용하여 3월에서 5월까지 영상을 이용하여 변화를 모니터링 하였다. 지진 발생일인 2011년 3월 11일은 관측시간의 제한으로 변화를 관측하지 못했고, 다음날인 3월 12일 두 개의 모든 위성에서 연안을 따라 클로로필 및 부유물질이 증가된 것을 확인했다.
- 첫 번째, GOCI level 1b 자료는 true color 영상을 만들어 지진 발생 전/후 변화를 관측하였고, 500 m 공간해상도를 가지는 해색위성이지만 지진해일에 의한 해안선의 변화를 계산하였다. 두 번째, GOCI 및 MODIS의 클로로필과 Rrs(555) 자료는 지진해일에 영향을 받은 지역을 파악하고, 이전의 상태로 복원되기까지 해양 환경 변화를 모니터링 했다.
- 첫 번째, 세계 최초 정지궤도 해색위성인 GOCI는 일본 동부 대지진이 발생한 시점에서 계속적인 모니터링을 실시하였고, 특히 해양환경의 변화에 집중적으로 모니터링 하였다. 대지진에 의해 발생한 지진해일은 일본 동부 연안에 많은 영향을 주었다(JMA, 2011; Mimura et al.
- 본 연구는 일본 동부 지진 발생 지역에 GOCI 및 MODIS 두 해색위성을 이용하여 해양환경 변화를 추적하였다. 첫 번째, 지진해일이 어느 범위까지 영향을 미쳤는지, 두 번째, 지진해일에 의한 해양환경의 변화, 세 번째, 지진해일에 의한 영향이 해양에서 안정화 되는 과정으로 구분하여 고찰해 보았다.
대상 데이터
- 1). GOCI (Level 1b; 500 m 공간해상도) 자료는 한국해양연구원 해양위성센터(KOSC)의 자료를 이용하였다(조성익 외, 2010). Level 1b 자료는 true color (Red:660 nm, Green:555 nm, Blue: 443 nm) 영상을 제작하고, GDPS(GOCI Data Processing System)에 의해서 Level 2 자료인 클로로필 농도 및 remote-sensing reflectance(Rrs) 추출해 내었다(한희정 외, 2010).
- Level 1b 자료는 true color (Red:660 nm, Green:555 nm, Blue: 443 nm) 영상을 제작하고, GDPS(GOCI Data Processing System)에 의해서 Level 2 자료인 클로로필 농도 및 remote-sensing reflectance(Rrs) 추출해 내었다(한희정 외, 2010). MODIS(Level 2, 1 km 공간해상도) 일별 자료는 연구지역에 맞도록 SeaDAS(SeaWiFS Data Analysis System)를 이용하여 1 km 해상도를 가지는 SMI(Standard Mapped Image) 자료로 처리하여, 클로로필 농도 및 Rrs 자료를 획득했다(McClain et al., 2004).
- 해색 위성센서 GOCI와 MODIS 자료는 지진해일 전/후의 변화를 관측하기 위해서 2011년 3월부터 5월까지 일일 자료를 처리하였다(34.60°-40.50°N, 139.50°-143.00°E, Fig.1).
이론/모형
- GOCI와 MODIS 클로로필 농도는 두 위성간의 차이를 줄이기 위해서 MODIS 표준 클로로필 알고리즘 OC2를 이용하여 계산되었다(O’Reilly et al., 2000).
- , 2000). 연구지역의 부유물질 농도는 기존의 여러 알고리즘에 개발된 방법대신 부유물질과 밀접한 관계를 가지는 Rrs(555)의 하나의 밴드를 이용하였다(Davis et al., 2000; Ahn et al., 2001). GOCI 표준 부유물질 알고리즘은 하나의 밴드를 이용하여 계산된 값이다(Ahn et al.
성능/효과
- GOCI의 true color 영상은 지진해일 발생 전과 후에 연안을 따라 해양환경이 교란되고, 화재로 인한 연기들이 동쪽으로 이동이 관측되었다. 그리고 지진해일의 영향으로 일본 센다이 주변 육상이 5 km 정도 침수되었고, 지진 발생 한달 후에도 육상의 침수 지역이 부분적으로 남아 있는 것이 확인되었다.
- 센다이 지역에서는 검은 연기가 연속적으로 동쪽으로 퍼져 나가고, 2011년 3월 13일 영상에서도 동일하게 확인되었다. 두 번째, 탁도의 변화가 일본 동부지방 연안을 따라서 발견되었다. 증가된 부유물질 변화는 강도의 차이는 있지만 연구지역 남-북 방향으로 전 영역에 걸쳐 변화가 관측되었다.
- , 2007). 세 번째, 해안선의 변화가 GOCI 영상에서 감지되었다(Fig. 3). GOCI 해색위성은 500 m의 공간해상도를 가지고 있기 때문에 고해상도의 위성에서 보이는 육상의 자세한 변화는 감지하기 힘들지만, 넓은 지역에 대한 변화는 실시간 감시가 가능하다.
- , 2001). 연구지역에서 상대적으로 증가된 클로로필은 해안선을 따라 수심 30 m 이내의 지역에서 현저하게 나타났고, 외해로 가면서 약해지는 경향을 보였다. Rrs(555) 변화도 이와 유사한 경향을 보였다(Figs.
- , 2007). 연구지역에서 해양환경의 변화는 수심이 깊은 외해보다는 천해환경에서 뚜렷이 나타났고, 연구지역에서는 수심 30 m 이내에서 현저했다. 증가된 클로로필과 부유물질은 일부 연안 해류에 의해서 외해로 확산되는 경향을 보였다(Figs.
- 한달 후 클로로필 및 부유물질은 증가되었던 부분들이 많이 복원되었지만, 잔류된 부분도 관측되었다. 지진해일 발생 두 달이 지난 후 GOCI 및 MODIS에서 관측된 클로로필 및 Rrs(555)의 절대값이 현저하게 감소되고, 외해에서는 상대적으로 증가되었다(Figs. 4-5).
- , 2011). 지진해일 발생 후 상대적으로 증가된 클로로필 및 탁도의 변화는 Iwata현에서 Chiba현까지 ~450 km 지역에서 나타났다(Figs. 2-5). 그 이외에도 지질해일의 영향은 홋카이도 지역까지 포함하면 더 넓은 범위에서 일어났다(Table 1).
- 지진해일 발생 전 연구지역은 연안이나 외해에서 큰 변화가 없는 안정된 환경을 나타내지만, 지진발생 다음날 GOCI 영상에서 다양한 변화가 관측되었다. 첫 번째, 화재로 인한 연기는 지진의 피해를 입었던 지역의 육상에서 수백 km까지 퍼져나가고 있는 것이 영상에서 확인되었다. 센다이 지역에서는 검은 연기가 연속적으로 동쪽으로 퍼져 나가고, 2011년 3월 13일 영상에서도 동일하게 확인되었다.
- 클로로필 및 부유물질은 연구 지역에서 지진해일에 의한 해양의 변화를 감지하는데 좋은 지시자가 되었다. 한달 후 클로로필 및 부유물질은 증가되었던 부분들이 많이 복원되었지만, 잔류된 부분도 관측되었다. 지진해일 발생 두 달이 지난 후 GOCI 및 MODIS에서 관측된 클로로필 및 Rrs(555)의 절대값이 현저하게 감소되고, 외해에서는 상대적으로 증가되었다(Figs.
후속연구
- 이것은 봄철 식물성플랑크톤 대번식(spring phytoplankton bloom)과 연관되어 2010년과 2011년의 차이를 구분하기는 힘들었다. 2011년 외해에서 증가된 클로로필은 매년 발생하는 봄철 식물성플랑크톤 대번식 때문인지 또는 지진해일에 의해서 해양생태계에 영향을 주었는지는 단정하기는 힘들고 이에 대한 많은 연구가 필요 할 것으로 사료된다.
- Rrs(555) 변화는 클로로필에서 보여주는 것과 동일한 시간적/공간적 변화를 보여주었다. 그러나 외해에서 지진해일에 의한 영향이 미쳤는지 또는 연안에서 받은 영향이 외해로 전파되었는지 단순한 영상 분석에서 구분하기는 힘들고 더 많은 연구가 필요 할 것으로 사료된다.
- 지진해일에 의해서 영향을 받았던 지역은 부분적으로 증가된 클로로필과 부유물질 농도가 나타났다. 그러나 이런 원인에 대해서는 정확하게 일차적으로 일어났던 지진해일에 의한 것인지 아니면 이차적으로 다른 원인 제공에 의한 변화인지는 제공되는 자료의 제한으로 명확하게 판명하기는 힘들고 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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