급격히 증가하고 있는 무인해양관측 체계들의 현황을 글로벌 관점에서 조명하고, 이를 범국가적 차원에서 통합, 조정, 관리하기 위한 네트워크에 대해 고찰하였다. 3차원 시공간적으로 변동이 심한 해양환경을 관측/감시하기 위해서 무인해양관측 플랫폼들은 점차 다양화되고 있는데, 여기서는 이동형(표층 뜰개, 중층 플로트, 수중 글라이더)과 고정형(표층 및 수중 계류선, 바닥장착형 관측)으로 구분하여 각각의 목적, 역사, 현황을 조사하고, 향후 변화를 전망했다. 이들을 활용하여 글로벌 해양관측체계에 기여하고 있는 대표적인 고정형과 이동형 무인해양관측 네트워크(ARGO와 OceanSITES) 프로그램들의 현황에 대해서 알아보고, 글로벌 해양관측/모니터링 체계를 위한 시너지 효과를 창출하기 위한 운용 및 활용 증가를 전망했다. 마지막으로 더욱 효과적인 해양관측/모니터링 체계를 설계하기 위해 다종의 플랫폼을 동시에 사용하는 것을 제안하였고, 그 대표적인 예로 미 국립과학재단의 OOI(Ocean Observatories Initiative) 프로그램을 소개하였다. 아울러 심해 및 남반구와 같이 글로벌 관점에서 존재하는 자료의 틈을 줄여나가기 위한 노력과 글로벌 경계류 관측 네트워크와 같은 새로운 해양관측 네트워크를 위한 노력, 그리고 생지화학/음향/광학 센서들을 포함한 센서 기술들의 개발 노력과, 자료의 표준화 및 센서 검/교정을 위한 노력에 대한 제언을 추가하였다.
급격히 증가하고 있는 무인해양관측 체계들의 현황을 글로벌 관점에서 조명하고, 이를 범국가적 차원에서 통합, 조정, 관리하기 위한 네트워크에 대해 고찰하였다. 3차원 시공간적으로 변동이 심한 해양환경을 관측/감시하기 위해서 무인해양관측 플랫폼들은 점차 다양화되고 있는데, 여기서는 이동형(표층 뜰개, 중층 플로트, 수중 글라이더)과 고정형(표층 및 수중 계류선, 바닥장착형 관측)으로 구분하여 각각의 목적, 역사, 현황을 조사하고, 향후 변화를 전망했다. 이들을 활용하여 글로벌 해양관측체계에 기여하고 있는 대표적인 고정형과 이동형 무인해양관측 네트워크(ARGO와 OceanSITES) 프로그램들의 현황에 대해서 알아보고, 글로벌 해양관측/모니터링 체계를 위한 시너지 효과를 창출하기 위한 운용 및 활용 증가를 전망했다. 마지막으로 더욱 효과적인 해양관측/모니터링 체계를 설계하기 위해 다종의 플랫폼을 동시에 사용하는 것을 제안하였고, 그 대표적인 예로 미 국립과학재단의 OOI(Ocean Observatories Initiative) 프로그램을 소개하였다. 아울러 심해 및 남반구와 같이 글로벌 관점에서 존재하는 자료의 틈을 줄여나가기 위한 노력과 글로벌 경계류 관측 네트워크와 같은 새로운 해양관측 네트워크를 위한 노력, 그리고 생지화학/음향/광학 센서들을 포함한 센서 기술들의 개발 노력과, 자료의 표준화 및 센서 검/교정을 위한 노력에 대한 제언을 추가하였다.
We introduce status and prospect of increasingly utilizing, unmanned, global ocean observing systems, and the global network to integrate, coordinate, and manage the systems. Platforms of the ocean observing system are diversified in order to resolve/monitor the variability occurring at multiple sca...
We introduce status and prospect of increasingly utilizing, unmanned, global ocean observing systems, and the global network to integrate, coordinate, and manage the systems. Platforms of the ocean observing system are diversified in order to resolve/monitor the variability occurring at multiple scales in both three-dimensional space and time. Here purpose, development history, and current status of the systems in two kinds - mobile (surface drifter, subsurface float, underwater glider) and fixed platforms (surface and subsurface moorings, bottom mounts), are examined and the increased future uses to produce synergies are envisioned. Simultaneous use of various mobile and fixed platforms is suggested to more effectively design the observing system, with an example of the NSF-funded OOI (Ocean Observations Initiative) program. Efforts are suggested 1) to fill the data gap existing in the deep sea and the Southern Ocean, and toward 2) new global network for oceanic boundary currents, 3) new technologies for existing and new sensors including biogeochemical, acoustic, and optical sensors, 3) data standardization, and 4) sensor calibration and data quality control.
We introduce status and prospect of increasingly utilizing, unmanned, global ocean observing systems, and the global network to integrate, coordinate, and manage the systems. Platforms of the ocean observing system are diversified in order to resolve/monitor the variability occurring at multiple scales in both three-dimensional space and time. Here purpose, development history, and current status of the systems in two kinds - mobile (surface drifter, subsurface float, underwater glider) and fixed platforms (surface and subsurface moorings, bottom mounts), are examined and the increased future uses to produce synergies are envisioned. Simultaneous use of various mobile and fixed platforms is suggested to more effectively design the observing system, with an example of the NSF-funded OOI (Ocean Observations Initiative) program. Efforts are suggested 1) to fill the data gap existing in the deep sea and the Southern Ocean, and toward 2) new global network for oceanic boundary currents, 3) new technologies for existing and new sensors including biogeochemical, acoustic, and optical sensors, 3) data standardization, and 4) sensor calibration and data quality control.
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문제 정의
또한 향후 다학제간(multidisciplinary) 프로그램으로 발전할 수 있는 방향으로도 계획한다. 1958년 스크립스 해양연구소 과학자 킬링(Charles David Keeling) 박사가 대기 중 이산화탄소 농도를 연속적으로 측정하는 하와이 Mauna Loa Observatory의 site를 수립하여 장기간의 시계열 자료 수집을 지속함으로써 오늘날 잘 알려진 이산화탄소 농도 증가의 중요한 증거를 최초로 제시할 수 있었던 것처럼(e.g., The Keeling Curve), OceanSITES의 목표는 주요 대표적인 지점에서 장기간의 해양 시계열 자료 수집을 지속하는 것이다.
주요 무인해양관측 플랫폼들의 목적, 역사, 현황과 전망에 대해 소개하고, 대표적인 이동형과 고정형 글로벌 무인해양관측 네트워크라고 할 수 있는 ARGO와 OceanSITES에 대해 기술하였다. 여기에서는 마지막으로 향후 글로벌 무인 해양관측 네트워크 방향에 대한 전망과 제언을 추가하고자 한다.
ARGO 자료는 프랑스 Brest와 미국 캘리포니아 몬터레이(Monterey)에 소재한 IFREMER/CORIOLIS와 US-GODAE의 글로벌 자료수집센터(GDAC; Global Data Assembly Centers)를 거쳐 자동 자료 질 관리(automated quality control)를 통해 준 실시간으로 공개되고, 이후 과학적 수준의 자료 질을 위한 지연 모드의 자료(delayed mode data)도 6개월 이내에 공개된다. 이 자료는 열과 염의 수송을 포함하여 수 개월에서부터 수 십년 시간 규모의 해양 기후 변동 양상, 특히 상층 해양의 변화하는 상태를 정량적으로 기술할 수 있도록 해 준다. 인공위성 해면고도계 자료만으로는 해석하기 어려운 수중의 수온, 염분 및 유속 자료를 충분한 범위와 해상도로 제공한다.
해양부이 외에도 다른 형태의 무인 해양관측 체계들이 있는데, 이 논문에서는 주요 무인해양관측 플랫폼 각각의 목적, 역사, 현황과 전망에 대해서 간략하게 소개하고, 이어 각각의 글로벌 무인해양관측 네트워크 구축을 위한 노력들과 그 전망에 대해 토의하기로 한다. 마지막으로 향후 글로벌 무인 해양관측 네트워크 방향에 대한 전망과 제언을 포함하였다.
가설 설정
1) 대양의 중요한 정점 혹은 특성화된 정점에 위치한다.
제안 방법
네트워크 글로벌 해양관측체계(Global Ocean Observing System) 범주 안에는 선박을 이용하는 Repeated Hydrography 네트워크와 Voluntary Observing Ship 프로그램을 통한 thermosalinograph 혹은 XBT(expendable bathythermograph) 네트워크 등도 있지만 여기에서는 유지, 보수 목적 외에는 선박을 이용하지 않는 대표적인 이동형과 고정형 무인해양관측 네트워크인 ARGO(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)와 OceanSITES(Ocean Sustained Interdisciplinary Time-series Environment Observation System) 두 프로그램들에 대해서만 기술하기로 한다.
주요 무인해양관측 플랫폼들의 목적, 역사, 현황과 전망에 대해 소개하고, 대표적인 이동형과 고정형 글로벌 무인해양관측 네트워크라고 할 수 있는 ARGO와 OceanSITES에 대해 기술하였다. 여기에서는 마지막으로 향후 글로벌 무인 해양관측 네트워크 방향에 대한 전망과 제언을 추가하고자 한다.
대상 데이터
5. Three fixed moorings and three mobile gliders deployed at Station PAPA (http://oceanobservatories.org/infrastructure/ooi-station-map/station-papa/).
OceanSITES 는 가능하면 고급의 센서들과 자료 전송/통신 기법을 사용하여 자동화된 체계를 사용하도록 하고 있으며, 이를 통해 매우 조밀한 시간간격의 연속 시계열(종종 실시간) 자료를 장기간 운용하도록 하고 있다. 관측 내용은 기상학, 물리해양학, 해수수송량, 생지화학과 탄소순환, 해양산성화, 생태계와 지구물리를 포함한다. 국제 OceanSITES 프로그램에서는 공간적으로는 조밀하지 않지만 해당 해역에 대한 대표성을 가지면서 사회적으로나 과학적으로 중요한 위치에 새로운 site를 수립하는 방향을 취한다.
미 해양대기청(NOAA; National Oceanic and Atmospheric Administration)이 후원하는 관측체계감시센터(Observing System Monitoring Center)에 따르면, 2013년 8월 11일부터 8월 13일까지 총 3,538개의 플랫폼으로부터 2,090,751개의 관측 자료가 수집되었다(Fig. 1 상단). 인공위성을 통한 관측 자료와 수중에서 자료를 수집하고 있는 무인 플랫폼들까지 고려하면 더욱 많은 해양 관측 자료가 실시간으로 수집되면서 글로벌 해양에 대한 모니터링이 이루어지고 있는 상태라고 할 수 있다.
, 1992), 이후 수온센서를 탑재한 2기의 Profiling ALACE(PALACE)가 1996년 한국 동해에서 처음 시도되었다. 이 후 국제 ARGO 프로그램을 통해 2000년 처음 ARGO 플로트가 투하된 이래, 2013년 9월 현재까지 9,000여기 이상의 ARGO 플로트가 전 세계 바다에 투하되었다. 오늘날 ARGO 플로트는 기존의 수온/염분 및 해류관측을 넘어서, 생지화학 변수(Emerson et al.
후속연구
또, 수 km에서부터 수십 km에 이르는 공간 규모의 현상들을 조밀한 시간간격으로 관측하여 비교적 넓은 범위의 시간 규모로 일어나는 현상들을 감지할 수 있는 연안레이더(HF; High-Frequency Radar)의 경우에는 비용이 비교적 저렴하고 상대적으로 용이한 운용 방법 때문에 널리 활용되고 있으나, 표층과 연안 부근으로만 국한되는 한계가 있어 역시 다른 플랫폼과 함께 병행하여 사용하는 것이 필요하다. 결국 다종의 플랫폼의 특성을 고려하여 시너지(synergy) 효과를 높이는 방향으로 효과적인 해양관측/모니터링이 이루어지도록 관측망을 잘 설계해야할 것이다. 주요 이동형 및 고정형 플랫폼들의 좀 더 구체적인 특성은 아래에 기술하였다.
기존 해양 관측 네트워크에 존재하는 틈(gap)을 메우기 위한 노력 못지않게 새로운 해양관측 네트워크를 수립하는 노력 또한 필요한데, 향후 새로운 관측 네트워크로 전망되는 것 중 하나는 바로 글로벌 경계류 관측 네트워크(Fig. 6)이다. 기후 변동 메커니즘관점에서 특히 중요한 것으로 알려져 있는 서안경계류(쿠로시오 해류 등)와 그 생태적 효과 관점에서 중요하다고 알려진 동안경계류(캘리포니아 해류 등)에 대한 종합적인 관측망이 아직 부족한 상태이기 때문에 꾸준히 늘어나고 있는 다종의 무인 해양관측 체계들을 종합 구성하여 효과적으로 이 경계류들을 관측/모니터링하는 국제적 노력이 필요하다.
국제 OceanSITES 프로그램에서는 공간적으로는 조밀하지 않지만 해당 해역에 대한 대표성을 가지면서 사회적으로나 과학적으로 중요한 위치에 새로운 site를 수립하는 방향을 취한다. 또한 향후 다학제간(multidisciplinary) 프로그램으로 발전할 수 있는 방향으로도 계획한다. 1958년 스크립스 해양연구소 과학자 킬링(Charles David Keeling) 박사가 대기 중 이산화탄소 농도를 연속적으로 측정하는 하와이 Mauna Loa Observatory의 site를 수립하여 장기간의 시계열 자료 수집을 지속함으로써 오늘날 잘 알려진 이산화탄소 농도 증가의 중요한 증거를 최초로 제시할 수 있었던 것처럼(e.
특히 자동측정 장비들이 자료를 수집하고 있는 위치에서 정기적으로 선박 관측을 통한 해수 시료 수집과 정밀한 실험실 분석을 통한 정밀 측정값들이 함께 수집/분석되어 센서들의 검교정이 주기적으로 이루어져야 할 것이다. 배터리와 메모리 같은 전자기적인 부분들 뿐 아니라 체인과 샤클 등의 기계적인 부분들의 마모 및 생물부착 등을 고려하여 계류 장비들 또한 정기적으로 점검/교체하는 것이 필요한데, 계류 장비들을 점검하기 위해 연구선이 접근할 때마다 계류 장비에 부착했던 모든 센서들을 정밀한 해수 시료 분석 자료와 비교하여 각 센서들의 검/교정에 사용해야 한다. 즉, 무인 해양관측망을 통해 수집되는 자료들의 질을 유지하기위해서는 전통적인 선박 관측을 통한 해수 시료의 수집과 정밀한 실험실 분석을 통한 센서 자료의 검/교정이 또한 매우 중요하다고 할 수 있다.
특히 음향과 광학 센서를 동시에 사용하고 수중카메라 등의 영상 자료들을 함께 수집하여 해양생태계와 지구물리/지질학적 관측에도 큰 진전이 있을 것으로 기대된다. 새로 개발되는 센서들이 기존 및 새로 개발되는 이동형과 고정형 플랫폼에 잘 통합되어 기존 센서들의 자료와 함께 잘 전송하기 위한 연구들이 추가적으로 필요할 것이다. 또한 센서들이 다양화되면서 기존 센서들과의 융합 및 자료의 관리와 형식 등의 표준화 또한 중요한 이슈로 부각될 수 있다.
앞에서 살펴보았듯이 해양관측을 위한 다양한 플랫폼들을 사용하는 각각의 해양관측 접근방식은 저마다 고유한 특성이 있고, 강점과 약점이 동시에 존재하므로 다종의 플랫폼을 함께 병행하여 동시에 사용하는 접근을 통해 시너지 효과를 높이는 방향으로 효과적인 해양관측/모니터링을 설계해야 한다. 국가별 혹은 지역별로 구축된 해양 관측망에서도 다종의 플랫폼들을 동시에 사용하여 네트워크로 구성하고 전체를 통합하고 있는 것을 알 수 있다.
또, 이 자료는 해양 모델 혹은 대기-해양 접합 모델의 초기화 또는 자료동화나 모델 시험 등에도 활용되고 있다. 양질의 ARGO 자료는 다양한 방향으로 계속 응용될 것으로 기대된다.
미국의 MARS(Monterey Accelerated Research System), 캐나다의 Neptune(North East Pacific Time-series Undersea Networked Experiments), 유럽의 ESONET(European Sea Floor Observatory Network), 일본의 해저지진 및 쓰나미 관측네트워크인 DONET (Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis) 등이 있다. 이러한 해양관측네트워크는 바닥장착형 장비 뿐만 아니라 수중 글라이더, 자율제어 수중운동체 등 이동형의 수중 관측 장비와 수중통신으로 연결됨으로써 실시간 해양 환경 정보를 실시간으로 파악/감시하는데 기여할 것으로 기대된다.
특히 해류, 수온, 염분과 같은 전통적 물리 환경 센서보다도 용존산소, pH, pCO2, 영양염, 엽록소 등의 다양한 생지화학 센서들, 그리고 음향 및 광학 센서들이 더 많이 개발될 것으로 보인다. 특히 음향과 광학 센서를 동시에 사용하고 수중카메라 등의 영상 자료들을 함께 수집하여 해양생태계와 지구물리/지질학적 관측에도 큰 진전이 있을 것으로 기대된다. 새로 개발되는 센서들이 기존 및 새로 개발되는 이동형과 고정형 플랫폼에 잘 통합되어 기존 센서들의 자료와 함께 잘 전송하기 위한 연구들이 추가적으로 필요할 것이다.
다양한 해양환경에서 운용되는 무인 해양관측의 경우 수집되는 자료의 양 못지않게 그 질의 관리와 지속적인 운용에 많은 노력을 들여야 한다. 특히 자동측정 장비들이 자료를 수집하고 있는 위치에서 정기적으로 선박 관측을 통한 해수 시료 수집과 정밀한 실험실 분석을 통한 정밀 측정값들이 함께 수집/분석되어 센서들의 검교정이 주기적으로 이루어져야 할 것이다. 배터리와 메모리 같은 전자기적인 부분들 뿐 아니라 체인과 샤클 등의 기계적인 부분들의 마모 및 생물부착 등을 고려하여 계류 장비들 또한 정기적으로 점검/교체하는 것이 필요한데, 계류 장비들을 점검하기 위해 연구선이 접근할 때마다 계류 장비에 부착했던 모든 센서들을 정밀한 해수 시료 분석 자료와 비교하여 각 센서들의 검/교정에 사용해야 한다.
향후 해양관측 플랫폼과 더불어 새로운 센서 혹은 기존 센서의 개선을 위한 기술들이 개발될 것으로 예상된다. 특히 해류, 수온, 염분과 같은 전통적 물리 환경 센서보다도 용존산소, pH, pCO2, 영양염, 엽록소 등의 다양한 생지화학 센서들, 그리고 음향 및 광학 센서들이 더 많이 개발될 것으로 보인다. 특히 음향과 광학 센서를 동시에 사용하고 수중카메라 등의 영상 자료들을 함께 수집하여 해양생태계와 지구물리/지질학적 관측에도 큰 진전이 있을 것으로 기대된다.
향후 해양관측 플랫폼과 더불어 새로운 센서 혹은 기존 센서의 개선을 위한 기술들이 개발될 것으로 예상된다. 특히 해류, 수온, 염분과 같은 전통적 물리 환경 센서보다도 용존산소, pH, pCO2, 영양염, 엽록소 등의 다양한 생지화학 센서들, 그리고 음향 및 광학 센서들이 더 많이 개발될 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
오일러식 해양관측의 장단점은?
오일러식 해양관측의 경우에는 계류선(mooring)이나 바닥장착형(bottom mounts) 플랫폼을 사용하여 고정점에서 짧은 시간 간격으로 연속적인 시계열 자료를 수집하기 때문에 단주기 변동을 포함한 많은 해양과정들을 감지할 수 있고, 자료 분석이 용이한 편이지만, 인력과 예산 등 소요되는 비용이 큰 편이다. 특히 공간적으로 여러 개의 고정형 플랫폼을 동시에 사용하여 시공간적 변동성을 함께 파악하기 위해서는 비용이 크게 증가하기 때문에 일부 제한된 해역에서만 특정 목적을 위해 간헐적으로 활용되어 왔다.
이동형 플랫폼을 이용하여 수집한 해양관측의 장단점은?
, ARGO floats)를 거쳐 최근 급격히 사용이 늘어나고 있는 수중 글라이더(glider)와 자율주행 수중운동체(AUV; autonomous underwater vehicle) 등은 대표적인 이동형 플랫폼이라고 할 수 있다. 이동형 플랫폼을 이용하여 수집한 해양관측 자료는 시공간적 변동성을 동시에 포함하고 있기 때문에 해석에 주의가 필요하고 자료 분석이 다소 용이하지 않은 반면, 운용과 비용면에서 효율적인 장점이 있어서 AUV를 제외한 대부부의 플랫폼이 글로벌 무인해양관측에 널리 활용되고 있는 추세이다.
무인 해양관측을 두 가지 접근방법으로 나누면?
무인 해양관측은 크게 두 가지 종류의 접근 방법으로 나눌 수 있다. 하나는 이동하는 플랫폼에 부착된 센서들을 통해 해양의 시공간적 변동성을 동시에 측정하는 라그랑지(Lagrangian) 방식의 접근이고, 다른 하나는 고정된 플랫폼에 부착된 센서들을 통해 시간적인 변동만을 측정하는 오일러식(Eulerian) 방식의 접근이다. 표류병으로부터 시작해서 표층 뜰개(surface drifter)와 중층 뜰개 혹은 플로트(subsurface float, e.
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