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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 연구가 가진 자료의 한계점을 극복하고 엔소에 따른 남극해 클로로필 변동성을 정량적으로 분석하기 위하여 해색 위성센서별 특징을 고려하여 위성센서에 따른 계통오차를 줄인 해색 자료(OC-CCI 2013)를 분석하였다. 특히, 클로로필 경년 변동에 영향을 미치는 핵심 물리 변수 중 해면수온과 해빙 농도를 이용하여 엔소가 남극해 클로로필에 영향을 미치는 기작을 살펴보았다.
- 본 연구에서는 엔소에 따른 해양 환경 변화가 남극 생태계에 미치는 영향을 알아보기 위하여 여름철 남극 클로로필의 시공간적 특성을 분석하였다. 위성센서간 계통오차를 최소화한 클로로필 자료(OC-CCI)를 1997년부터 2012년 기간 동안 분석한 결과 남극 아열대 해역과 아남극 해역에서 클로로필 경년 변동과 엔소의 상관성이 크게 나타났다.
제안 방법
- 겨울철에는 클로로필 센서가 측정 가능한 태양 천정각도가 센서 기준치인 75o를 초과하여 남극해 대부분의 해역에서 해색 자료가 없기 때문이다(Gregg and Casey 2007). OC-CCI 클로로필 자료의 수평 분해능은 4 km이지만, 자료를 합성하는 과정에서 발생할 수 있는 수치적 잡음을 최소화하기 위해 공간적으로 1o간격으로 중위(median) 평균하여 사용하였다(Campbell1995). 또한, 본 연구에서는 클로로필 경년 변동성에 초점을 맞추기 위해 각 격자점에서 계절변화와 장기 선형 경향성을 제거한 어노말리를 사용하였다.
- OC-CCI 클로로필 자료의 수평 분해능은 4 km이지만, 자료를 합성하는 과정에서 발생할 수 있는 수치적 잡음을 최소화하기 위해 공간적으로 1o간격으로 중위(median) 평균하여 사용하였다(Campbell1995). 또한, 본 연구에서는 클로로필 경년 변동성에 초점을 맞추기 위해 각 격자점에서 계절변화와 장기 선형 경향성을 제거한 어노말리를 사용하였다.
- 엔소에 따른 남극해 클로로필 반응을 살펴보기 위해 여름철 클로로필 어노말리를 관측 기간 중 엘리뇨 시기(27개월)와 라니냐 시기(43개월)에 대해 각각 평균하여 Fig. 3에 도시하였다. 엘리뇨와 라니냐 시기 클로로필 어노말리의 공간 분포는 높은 음의 상관관계(r = −0.
- 엔소에 따른 남반구 여름철 클로로필의 경년 변동성을 연구하기 앞서, 본 연구에서 사용한 클로로필 자료 검증을 위해 여름 클로로필 평균장(Fig. 2a)과 기존 문헌에서 나타난 연구 결과를 비교하였다. 남극해 여름 클로로필 공간분포의 가장 큰 특징은 역학적 경계인 남극순환류를 기준으로 아열대(subtropic)와 아남극(subpolar) 환류에서 클로로필 분포가 명확히 구분된다는 점이다.
- org/, 이하 OC-CCI 자료로 부름). 이 자료는 SeaWiFS(1997년 7월-2010년 12월)와 MODIS (2002년 6월-현재),MERIS(2002년 4월-2012년 4월) 해색 자료를 합성한 전 지구 클로로필 자료로 SeaWiFS 표준 밴드에 맞도록MODIS와 MERIS 반사도 값를 계산하고, 오차보정과 필터링을 통해서 파장별 반사도 값을 합성한 후 최근 NASA(National Aeronautics and Space Administration)에서 제시한 클로로필 표준 알고리즘(OC4V6, http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/REPROCESSING/R2009/ocv6/)을 적용하여 계산되었다.
- 본 연구에서는 기존의 연구가 가진 자료의 한계점을 극복하고 엔소에 따른 남극해 클로로필 변동성을 정량적으로 분석하기 위하여 해색 위성센서별 특징을 고려하여 위성센서에 따른 계통오차를 줄인 해색 자료(OC-CCI 2013)를 분석하였다. 특히, 클로로필 경년 변동에 영향을 미치는 핵심 물리 변수 중 해면수온과 해빙 농도를 이용하여 엔소가 남극해 클로로필에 영향을 미치는 기작을 살펴보았다. 2장에서는 본 연구에서 사용한 자료의 특성과 전처리 과정을 기술하였다.
- 해빙이 클로로필에 미치는 영향을 분석하기 위해 엘리뇨와 라니냐 시기의 여름 해빙 어노말리를 평균하였다(Fig. 6). 엘리뇨와 라니냐 시기의 해빙 공간 분포 상관 계수는 −0.
대상 데이터
- 엔소 세기를 수치적으로 표현하기 위해 태평양 적도해역(120oW-170oW, 5oS-5oN) 해면수온을 월 평균한 후 표준화한 Nino3.4 지수를 이용하였다(Fig. 1b). Nino3.
- 엔소 영향에 따른 클로로필 경년 변동성 규명을 위해본 연구에서는 1997년부터 2012년까지 남반구 여름에 해당하는 10월부터 3월까지 총 16년간의 여름철 클로로필 자료를 이용하였다. 겨울철에는 클로로필 센서가 측정 가능한 태양 천정각도가 센서 기준치인 75o를 초과하여 남극해 대부분의 해역에서 해색 자료가 없기 때문이다(Gregg and Casey 2007).
- 2011). 엔소에 따른 클로로필 농도에 영향을 미칠 수 있는 대기/해양/해빙 인자들의 변동을 알아보기 위해서, AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer) 자료를 바탕으로 현장 관측된 해면수온 자료를 포함하여 객관적 내삽법을 이용하여 계산한 해면수온인 OISST.v2(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature version 2; Reynolds et al. 2007)와 수동 마이크로파 센서를 이용해 추정한 해빙 농도(Comiso1996; updated 2012) 월평균 자료를 사용하였다. 해면수온과 해빙 농도 자료의 수평 분해능은 1/4o이다.
- 그러나, 위성별 센서가 가진 고유 특성으로 인해 각각의 클로로필 자료는 계통오차를 보이며, 이 오차는 고위도로 갈수록 커져 연평균 관측치 대비 20%에 가깝게 증가하는 것으로 보고된 바 있다(Gregg and Casey 2007). 클로로필 자료를 통한 장기 기후변화를 평가하기 위하여 플리머스연구소(Plymouth Marine Laboratory, PML)의OC-CCI(Ocean Colour Climate Change Initiative) 연구진은 위성센서로부터 얻은 해색 자료를 통일성을 고려하여 수정 후 합성하였다(Brewin et al. 2015; OC-CCI2013; downloaded from http://www. esa-oceancolourcci.org/, 이하 OC-CCI 자료로 부름). 이 자료는 SeaWiFS(1997년 7월-2010년 12월)와 MODIS (2002년 6월-현재),MERIS(2002년 4월-2012년 4월) 해색 자료를 합성한 전 지구 클로로필 자료로 SeaWiFS 표준 밴드에 맞도록MODIS와 MERIS 반사도 값를 계산하고, 오차보정과 필터링을 통해서 파장별 반사도 값을 합성한 후 최근 NASA(National Aeronautics and Space Administration)에서 제시한 클로로필 표준 알고리즘(OC4V6, http://oceancolor.
이론/모형
- 이러한 한계로 남극해 클로로필의 시·공간적 분포에 대한 연구는 1997년 해색 인공위성센서인 SeaWiFS가 운용되면서부터 본격적으로 활성화되었다. 이후 노후된 SeaWiFS를 대체하고 기존의 문제점을 보완하기 위해 추가적으로 MODIS(MODerate resolution Imaging Spectroradiometer)와MERIS(MEdium Resolution Imaging Spectrometer)가 운용되었다. 그러나, 위성별 센서가 가진 고유 특성으로 인해 각각의 클로로필 자료는 계통오차를 보이며, 이 오차는 고위도로 갈수록 커져 연평균 관측치 대비 20%에 가깝게 증가하는 것으로 보고된 바 있다(Gregg and Casey 2007).
성능/효과
- 1997/1998년은 강한 엘리뇨와 남극진동 최대가 거의 동시에 발생한 해로엘리뇨에 의한 양의 클로로필 어노말리가 바람장 변화에 기인한 혼합층 깊이 증가와 더불어 해면수온 상승으로 유발된 음의 클로로필 어노말리에 의해 상쇄된 것으로 보인다. 결과적으로, 1997/1998년이 강한 엘리뇨가 발생한 해였음에도 불구하고 클로로필 농도가 평년대비 큰 변화가 없는 것으로 사료된다(Fig. 4). 남극진동과 엔소의 효과가 중첩되어 클로로필 농도 변화에 영향을 미칠 것이라는 가설은 남극순환류의 자오선 위치와 해면수온(Kim and Orsi 2014), 해면기압(Fogt et al.
- 반면에, 아남극해역에서는 엔소에 따라웨델해와 로스해에서 대칭적인 해빙 농도를 보이며 클로로필 변화 또한 해역별로 상이하게 나타났다. 대체적으로 해빙 농도가 감소하는 해역에서 클로로필 총량이 증가하고, 해빙이 증가한 해역에서 클로로필이 감소하여 기존의 연구가 제시한 클로로필과 해빙간의 음의 상관관계가 본 연구에서도 나타남을 확인할 수 있었다. 그러나, 해빙 증감이 발생한 해역과 인접한 해역에서도 클로로필 변화가 강하게 나타났다.
- 또한, 브라질 해류를 따라 유입되는 온난한 아열대 해수는 식물플랑크톤이 번성하기에 최적의 생태학적 환경을 형성한다. 두 해류가 합류 후 동쪽으로 사행하는 아르헨티나 분지(Argentine Basin)에서도 여전히 높은 클로로필 농도를 보여 기존 연구가 제시한 것처럼 육지 기원 영양염이 수천 km를 이르는 범위까지 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다(Fig. 2a; Sokolov and Rintoul2007).
- 즉, 아열대에서는 해면 수온 변화를 통해 엔소가 클로로필 경년 변동에 영향을 주는 반면, 아남극에서 해빙 변화를 통해 엔소가 클로로필 경년변동에 영향을 줌을 발견하였다. 엘리뇨시기에 아열대 해역에서 해면수온이 낮아져 해수 성층이 약화되고 결과적으로 연직혼합이 증가하여 클로로필 농도가 증가하는 것으로 보인다. 반면에, 아남극해역에서는 엔소에 따라웨델해와 로스해에서 대칭적인 해빙 농도를 보이며 클로로필 변화 또한 해역별로 상이하게 나타났다.
- 본 연구에서는 엔소에 따른 해양 환경 변화가 남극 생태계에 미치는 영향을 알아보기 위하여 여름철 남극 클로로필의 시공간적 특성을 분석하였다. 위성센서간 계통오차를 최소화한 클로로필 자료(OC-CCI)를 1997년부터 2012년 기간 동안 분석한 결과 남극 아열대 해역과 아남극 해역에서 클로로필 경년 변동과 엔소의 상관성이 크게 나타났다. 더욱 중요한 점은 이 두 해역에서 엔소가 영향을 주는 기작이 다르다는 점이다.
- 엘리뇨에 의한 남극해 아열대 해역 평균 클로로필 농도상승은 ~1 × 10−3mg/m3으로 그 크기가 연안 및 아남극해역에 비하여 작다. 하지만 전기간 평균한 클로로필 농도를 이용하여 변동성을 표준화할 때, 엘리뇨 시기에 아열대해역 클로로필 값이 평년 대비 약 20% 정도 증가하며 반대로 라니냐 시기에 동일한 크기로 감소하여 엔소에 의한 클로로필 변동성은 결코 작지 않음을 알 수 있다.
- 한편, 엘리뇨 시기에 해면수온이 상승한 남태평양 해역(75oW-150oW)에서는 엔소에 따른 클로로필 농도 변화가 미미하여 엔소에 따른 해면수온 상승이 클로로필에 미치는 영향이 다른 아열대 해역에 비하여 약한 것으로 나타났다. 이는 선행 연구가 제시한 것과 같이(e.
후속연구
- 엔소 영향이 해역별로 서로 다른 물리 기작에 따라 클로로필 농도 변화를 일으킨다는 본연구의 결론은 남극해를 남극순환류에 의해 연결되는 단일한 물리·생물학적 환경이라는 가정하에 공간적으로 평균하여 분석하는 클로로필 변동 연구는 지양되어야 함을 시사한다.
- 엘리뇨 시기에 해빙 농도가 가장 강하게 감소한 해역인 로스해 외양에서 오히려 클로로필 농도가 약하게 감소한 것은 해빙이 아닌 본 연구에서 다루지 않은 다른 물리적 요소에 의한 효과로 사료되며, 향후 추가 연구가 필요하다.
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