[논문]전지구 수온 및 염분 자료 품질 관리에 관한 논의

장유순

doi:10.5467/jkess.2012.33.6.554

전지구 수온 및 염분 자료 품질 관리에 관한 논의
A Review of the Quality Control of Global Ocean Temperature and Salinity Data 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.33 no.6, 2012년, pp.554 - 566

장유순 (미국 해양 대기청 지구유체역학 연구소, 프린스턴 대학교 포레스털 캠퍼스)

초록
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성공적인 국제 Argo 사업을 통해 얻어진 고해상도의 수온 및 염분 프로파일들을 이용하여 준실시간으로 3차원 전지구 해양 상태의 재현이 가능해졌으며, 전지구 해양 자료 분석 연구에 대한 관심 또한 크게 증가하였다. 본 연구에서는 XBT와 Argo 자료의 계통 오차, 열염분 해수면 높이 및 인공위성 관측 자료와의 해수면 수지 불일치, 해양 열용량 변동 및 객관 분석장 개발 현황 등 최근의 자료 분석 연구의 주요 쟁점들에 관해 정리하였다. 특히 동아시아 해역에서의 지역 규모 해양 기후 변화 분석에 앞서 매우 신중한 해양 자료의 품질 관리 및 전구 규모의 해양 변동에 관한 이해가 필요하다는 것을 강조하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-density temperature and salinity profiles from the successful international Argo project made it possible to reproduce the three-dimensional global ocean state in near-real time, which also increased much attention on the data analysis studies of global ocean. This paper reviewed several important issues on the recent data analysis studies such as systematic biases of XBT (eXpendable BathyThermograph) and Argo data, sea level budget discrepancy between steric height and satellite observed data, heat content change, and the current status of the development of objective analysis fields. This study also emphasized that it is required to carry out very cautious ocean data quality control and understand global-scale ocean variability prior to analyzing the regional-scale ocean climate change, particularly, in the East Asian marginal Seas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 현재 활발히 진행 중인 전지구 해양 관측 자료의 분석 연구에 있어서 관측 자료에서 나타나는 계통 오차(systematic bias), 열염분 해수면 높이(steric height) 및 인공위성 관측 자료와의 해수면 수지(sea level budget) 불일치 문제, 해양의 열용량 변동 및 21세기 객관 분석 자료 개발 현황 등의 몇 가지 주요 쟁점들에 관해 정리하고자 한다.
본 연구에서는 XBT 및 Argo 자료에서 나타나는 계통적 오차, 전지구 해수면 수지간 불일치 문제 및 21세기 객관 분석 자료 개발 현황 등 최근의 전지구 수온 및 염분 자료 분석 및 품질 관리에 있어서 쟁점이 되고 있는 부분들에 관해 정리하였다. 정확한 품질 관리가 선행되지 않은 방대한 양의 관측 자료를 사용하여 전지구 해양 변화에 대한 시계열 분석을 실시하였을 때는 자연 변동 신호가 크게 왜곡될 수 있다는 것을 다양한 연구 사례들을 통해서 확인하였으며, 기타 관측 요소들에서 아직까지 밝혀지지 않는 계통적 오차가 존재할 수 있기 때문에 자료 분석에 큰 주의가 필요하다.
서론에서 최근의 해양 관측 자료의 증가와 더불어 비약적으로 발전하고 있는 객관 분석장에 대해 간단히 소개하였다(Table 2). 본 절에서는 해양 모델의 초기, 경계 자료 및 결과 검증에 사용되고 있으며, 효율적인 관측 자료 분석에 매우 중요한 요소인 객관 분석장 개발 현황 및 비교 결과에 대해 언급하고자 한다.
서론에서 최근의 해양 관측 자료의 증가와 더불어 비약적으로 발전하고 있는 객관 분석장에 대해 간단히 소개하였다(Table 2). 본 절에서는 해양 모델의 초기, 경계 자료 및 결과 검증에 사용되고 있으며, 효율적인 관측 자료 분석에 매우 중요한 요소인 객관 분석장 개발 현황 및 비교 결과에 대해 언급하고자 한다.

제안 방법

3절에서 언급하였듯이, 2007년 11월 이후로 전구 해양의 Argo 플로트가 3,000개를 넘어 지속적으로 유지되고 있으므로, 특히 남반구에서의 자료 추출오차를 최소화하기 위해 모든 분석 기간을 최근 4년(2008-2011년)으로 제한하였으며, 모든 공간 해상도는 기존의 WOA 자료와 같이 위경도 1°로 재구성 하였다.
Fig. 7에서는 Table 2에 소개된 5종류의 대표적인 객관 분석장(GFDL, Geophyscial Fluid Dynamics Laboratory; IPRC, International Pacific Research Center; SIO, Scripps Institution of Oceanography; Met Office, JAMSTEC)에 대하여 해양 상층부(0-700m)의 수온 변동 패턴을 비교, 분석한 결과를 제시하였다. 3절에서 언급하였듯이, 2007년 11월 이후로 전구 해양의 Argo 플로트가 3,000개를 넘어 지속적으로 유지되고 있으므로, 특히 남반구에서의 자료 추출오차를 최소화하기 위해 모든 분석 기간을 최근 4년(2008-2011년)으로 제한하였으며, 모든 공간 해상도는 기존의 WOA 자료와 같이 위경도 1°로 재구성 하였다.

성능/효과

7b). 남극해의 경우 일본 JAMSTEC의 결과가 가장 높은 평균 수온 분포를 나타냈으며, 반면에 영국 Met Office의 자료는 가장 낮은 평균 수온 분포를 보였다. JAMSTEC의 경우 다른 분석장들(GFDL:8-15°, SIO: 140-1,111 km)에 비해 비교적 큰 공간 스케일(8-15°)이 적용되었으며(White, 1995), Met Office의 경우는 21세기 해양 상태가 포함되지 않은 WOA98 자료를 배경 평균장으로 사용하여 부족한 남반구 해역의 자료를 생산함에 따라 최근의 온난화된 해양 평균 상태를 반영하기에는 한계를 가진다고 판단할 수 있다.
최근 기후 변화와 관련된 동아시아 해역의 해황 변동성에 대한 연구가 국내외에서 매우 활발히 진행 중이다. 동해 및 쿠로시오 해역을 포함한 동아시아 해역은 XBT, Argo 자료가 비교적 방대하게 축적되어 있기 때문에, 해양 평균장 작성 및 공간 평균 시계열 분석에 있어 본 연구에서 소개된 관측 자료의 계통 오차에 민감하게 반응할 수 있다. 또한 해역별 해수면 수지 검증 및 객관 분석장 비교 분석에 관한 내용은 전지구 분석 결과와 비교하여 동아시아 해역의 지역적 특성을 판단할 수 있는 중요한 연구 과제가 될 수 있을 것이다.
또한 SOLO 플로트를 제거한 Argo 자료만을 이용하여 계산하였을 때는 4년간 평균 열용량이 변동폭이 4(±18)×1021 J로 매우 낮게 계산되었으나, 2절에서 언급한 보정이 안된 XBT 자료만 사용하였을 경우에는 Argo 자료만 사용하였을 때보다 평균 열용량이 75×1021 J이나 높게 계산되었다.
정확한 품질 관리가 선행되지 않은 방대한 양의 관측 자료를 사용하여 전지구 해양 변화에 대한 시계열 분석을 실시하였을 때는 자연 변동 신호가 크게 왜곡될 수 있다는 것을 다양한 연구 사례들을 통해서 확인하였으며, 기타 관측 요소들에서 아직까지 밝혀지지 않는 계통적 오차가 존재할 수 있기 때문에 자료 분석에 큰 주의가 필요하다. 성공적인 국제 협력 Argo 사업의 결과로 전지구 해양 관측 자료의 샘플링 문제가 많이 줄어든 21세기의 객관 분석장 비교 결과에서도, 객관 분석 알고리즘, 적용된 공간 스케일 및 배경 평균장의 특성에 기인한 유의미한 차이가 여전히 존재함을 본 연구를 통해서 확인할 수 있었다.
시계열 결과를 살펴보면, 각 자료 간 변동 패턴 및 선형 증가폭은 전체적으로 일치하지만, 전구 해양의 각 자료 간 표준 편차는 0.03°C로 계산되었으며(Fig. 7a), 이러한 차이는 아직까지도 관측 자료가 부족한 남극해에서 0.08°C로 비교적 크게 나타났다(Fig. 7b).
이 연구는 전지구 열용량 산정에 있어서 약 20-30×1021 J 범위의 자료 추출 오차(sampling error)보다 XBT 또는 Argo 자료에서 나타나는 계통 오차가 유의미하게 크다는 결과를 제시함으로써 보다 주의 깊은 XBT 및 Argo 자료 사용을 강조하였다.
특히 1° 해상도의 WOA05, WOA09 자료는 동해 연안 및 큐슈 북서 해안의 해황을 전혀 모사하지 못하는 것을 확인할 수 있으며, 0.25° 해상도를 가지는 WOA01q 과 GDEM3 기후 평균 자료도 수온 및 염분의 수평 분포도에서 큰 차이를 보임을 확인할 수 있다.
이 결과는 현재까지 개발된 객관 분석장들이 쿠로시오 사행 등 종관 규모의 변동 패턴 모사에 있어서 많은 한계점과 불확실성이 존재함을 반영한다. 특히 GFDL, SIO, IPRC 결과들은 비교적 비슷한 평균값 및 변동 패턴을 유지하고 있음을 확인할 수 있는데, 이는 사용된 객관 분석 알고리즘에 기인한다고 판단된다. 위 세 가지 분석장들은 수심에 따른 공간 스케일 변화 및 해수면 정보를 객관 분석 과정에 추가로 적용함으로써 등수심면을 따라 흐르는 해류 구조를 효과적으로 유지하면서 분석장을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

후속연구

그러나 Argo 플로트는 수년간 센서 보정의 기회 없이 무인으로 관측을 수행하기 때문에 센서에 생물체 흡착(bio-fouling) 등의 원인으로 시간에 따른 염분 센서 편향 현상이 생기기도 한다. 그러므로 Argo 품질검사 메뉴얼(Wong et al., 2006)에서 제시하는 기본적인 실시간(real-time) 품질 검사와 함께 지연 모드(delayed mode) 품질 관리 과정을 거친 양질의 자료를 확보해야 한다.
본 연구를 통해 고찰된 전구 규모의 해양 변동 패턴에 관한 최근의 중요 쟁점에 대한 이해를 바탕으로, 관련 연구들이 국내외적으로 보다 활발히 진행되어 양질의 관측 자료에 기반한 동아시아 해양 기후 변동에 대한 정량적 분석 결과가 갖춰지기를 기대한다. 더불어 장기 해황 변동 분석을 위해 충분한 해양 관측 자료가 확보되지 못한 서해, 남해를 포함한 한반도 주변 해역에 대해 지속적인 관측 투자 및 관련 연구가 보다 활발히 이루어져야 할 것이다.
또한 Argo 플로트로 관측된 염분의 지연 모드 품질 관리를 위해서는 기존의 선상 관측 결과 범위를 이용하기 때문에, Argo 플로트 자료를 이용한 염분의 장기 변동 분석에는 근본적인 한계점이 존재한다. 따라서 염분 장기 변동에 관한 보다 효과적인 분석 방법에 관한 연구가 필요할 것이다.
동해 및 쿠로시오 해역을 포함한 동아시아 해역은 XBT, Argo 자료가 비교적 방대하게 축적되어 있기 때문에, 해양 평균장 작성 및 공간 평균 시계열 분석에 있어 본 연구에서 소개된 관측 자료의 계통 오차에 민감하게 반응할 수 있다. 또한 해역별 해수면 수지 검증 및 객관 분석장 비교 분석에 관한 내용은 전지구 분석 결과와 비교하여 동아시아 해역의 지역적 특성을 판단할 수 있는 중요한 연구 과제가 될 수 있을 것이다. 본 연구를 통해 고찰된 전구 규모의 해양 변동 패턴에 관한 최근의 중요 쟁점에 대한 이해를 바탕으로, 관련 연구들이 국내외적으로 보다 활발히 진행되어 양질의 관측 자료에 기반한 동아시아 해양 기후 변동에 대한 정량적 분석 결과가 갖춰지기를 기대한다.
위 세 가지 분석장들은 수심에 따른 공간 스케일 변화 및 해수면 정보를 객관 분석 과정에 추가로 적용함으로써 등수심면을 따라 흐르는 해류 구조를 효과적으로 유지하면서 분석장을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 연구 결과를 바탕으로 향후 다양한 독립 관측 자료 확보 및 연구 해역을 대상으로 지속적으로 개발되고 있는 객관 분석장들에 대해 꾸준한 검증이 필요할 것이라 사료된다.
또한 해역별 해수면 수지 검증 및 객관 분석장 비교 분석에 관한 내용은 전지구 분석 결과와 비교하여 동아시아 해역의 지역적 특성을 판단할 수 있는 중요한 연구 과제가 될 수 있을 것이다. 본 연구를 통해 고찰된 전구 규모의 해양 변동 패턴에 관한 최근의 중요 쟁점에 대한 이해를 바탕으로, 관련 연구들이 국내외적으로 보다 활발히 진행되어 양질의 관측 자료에 기반한 동아시아 해양 기후 변동에 대한 정량적 분석 결과가 갖춰지기를 기대한다. 더불어 장기 해황 변동 분석을 위해 충분한 해양 관측 자료가 확보되지 못한 서해, 남해를 포함한 한반도 주변 해역에 대해 지속적인 관측 투자 및 관련 연구가 보다 활발히 이루어져야 할 것이다.
(2011a, 2011b)은 20세기의 부족한 염분 자료들에 대하여 수온, 염분간 연직 경험 직교 함수(empirical orthogonal function) 및 해수면 자료와의 선형 결합을 이용하여 유사 염분(pseudo salinity) 프로파일 자료를 개발하여 검증하였다. 이 결과는 향후 보다 정확한 염분 기후 평균장 작성 및 4절에서 언급된 열염 변동에 기인한 해수면 변화 분석을 위해 효과적으로 사용될 수 있는 기초 자료가 될 것이다. 또한 Argo 플로트로 관측된 염분의 지연 모드 품질 관리를 위해서는 기존의 선상 관측 결과 범위를 이용하기 때문에, Argo 플로트 자료를 이용한 염분의 장기 변동 분석에는 근본적인 한계점이 존재한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	총 해수면 상승은 어떻게 계산될 수 있는가?	총 해수면 상승(total sea level)은 해양의 열염 변동 성분(steric component)과 담수 및 해빙의 유입 등에 의한 질량 변동 성분(mass component)의 합으로 계산될 수 있다. 이러한 해수면 수지는 서로 다른 관측 시스템을 통해 독립적으로 얻어질 수 있다.
	해양물리 연구 분야에서 수치 모델링을 하는 이유 세 가지는 무엇인가?	해양물리 연구 분야에서 수치 모델링을 하는 이유를 다음과 같이 크게 세 가지로 정리할 수 있다. 첫째는 현상의 물리적 원인 규명을 위한 조건 실험을 위함이며, 둘째는 부족한 관측 자료를 역학적으로 보간하여 과거부터 현재까지의 해양 상태를 정확하게 재현하기 위함이며, 셋째는 현상의 예측을 위함이다. 그러나 수치 모델을 구성하는 기본 방정식들이 현상을 완벽하게 표현하지 못하고 해양 현상의 비선형성과 관계된 초기장에 대한 민감한 의존성을 가지기 때문에 해양 상태의 정확한 재현 및 예측에는 근본적인 한계를 가지고 있다.
	재분석 자료의 한계는 무엇인가?	이를 보완하기 위해 다양한 관측 자료를 수치 모델과 결합하는 자료동화(data assimilation) 기법이 꾸준히 연구되어 왔으며, 이를 통해 얻어진 재분석 자료(reanalysis data)가 전지구 해양 상태의 “관측값”으로 대표되어 해황 분석 및 예측 모델의 초기 자료로 사용되어 왔다. 그러나 재분석 자료에도 수치 모델 자체 및 동화 기법의 한계뿐만 아니라, 부정확한 모델 초기값 및 경계값 사용, 관측 자료 자체의 오차 및 비연속성 등 수 많은 오차 요인이 존재한다. 이러한 이유로 특히 해양의 3차원 수온, 염분 재분석 자료들에 관한 평가가 지속적으로 이루어지고 있다(Carton and Santorelli, 2008; Lee et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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