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문제 정의
- 2015), 남하 궤도 비행 시 관측한 값과 북상 궤도(ascending orbit) 비행 시 관측한 값을 혼합하여 사용하게 되면 해역에 따라 북상궤도만을 사용할 때보다 오차가 커질 수도 있다. 본 논문의 목적은 동해에서 이러한 지역적 특성이 감안된 Aquarius 염분을 Argo 뜰개 및 Conductivity-Temperature-Depth(CTD)로 실측한 염분 자료와, 자료 동화된 HYCOM 재분석 자료 등을 이용하여 보정하는 데에 있다.
- 본 연구는 Aquarius 염분 관측 프로그램에 의해 일반 사용자에게 제공되는 염분 중 위경도 1도 간격 격자에서의 월평균 염분을 보정하는 것이 목표이다. 동해에서는 매월 위경도 1도 간격의 월평균 염분 분포도를 제작할 정도의 실제 관측한 염분의 수가 충분하지 않고 같은 위경도 1도 간격 격자내에서도 염분의 시공간 상 변화가 큰 해역이 많아 실제 관측 값과 1도 간격의 월평균 Aquarius 염분과 직접 비교하여 보정하기에는 용이하지 않다.
제안 방법
- 2015; Yu 2014) 동해는 1도 간격의 격자내에서도 염분의 변동이 크게 나타나고 또한 시간 변동도 커, 실측 자료를 이용한 Aquarius 염분을 보정하고 검증하기에는 어려움이 있었다. 그러나 본 연구에서 HYCOM에 의해 재분석된 염분과 실측자료와의 회귀식을 먼저 구하여 재분석 염분을 보정하였다. Aquarius 위성은 해표면 수 cm의 표층 염분을 측정하나 HYCOM 재분석 염분은 수심 5 m까지의 평균 염분을 나타내 특히 강수량이 많은 해역에서의 HYCOM 재분석 염분을 이용한 비교 및 보정은 오차가 클 수 있다.
- 5°N)에서의 염분 분포를 나타내는데, 십자로 표시된 값들은 북상 궤도(SCIA) 자료만 사용한 염분이고 사각형은 남하 궤도(SCID) 및 북상 궤도를 같이 사용한 염분이다. 그림에서 보인 바와 같이 남하 궤도는 아시아 대륙에서 동해로 남하하며 관측하게 되어 구조적인 오차가 커, 북상궤도만의 자료 모음에 바이어스를 적용하여 Aquarius 염분을 보정하였다. Table 1의 바이어스는 4월부터 11월까지 적용하였고 Table 2에 나타낸 겨울철 바이어스는 바이어스 계산 기간인 12월부터 3월까지만 적용하였다.
- 동중국해로부터의 양자강 저염수 유입의 영향이 적은 2월부터 5월까지는 (Fig. 3a) HYCOM 자료와 실측 염분과는 염분 33.5−34.5 psu에서 회귀계수 1과 상관계수(r = 0.77)의 상관관계를 가지나, 양자강 저염수의 영향을 받는 8월부터 11월까지는(Fig. 3b) 염분 33.5 psu 이하에서 회귀계수가 1보다 큰 값을 나타내어 염분 33.5 psu 이상의 염분과 이하의 염분을 나누어 상관관계를 구하였다.
- 또한 본 연구에 사용된 보정 기법을 검증하기 위해 수산과학원에 의해 2개월 간격으로 수행되는 울릉도 근해 해역의 격자(130°−131°E, 37°−38°N)와 일본 기상청에 의해 정기적으로 관측되는 PM 관측선이 위치하는 해역의 격자(134°−135°E, 38°−39°N)에서의 실측 염분과 본 연구에서 제시한 기법으로 보정한 염분과 비교하여 Fig. 7에 제시하였다.
- 겨울철에 적용되는 바이어스를 따로 구한 이유는 대양에 적용되는 해표면 거침도 보정이 동해 전해역의 겨울철 염분을 과다하게 낮추는 현상이 발생하여 이를 보정하기 위한 것이다. 매년 겨울 5개월(12월부터 3월까지)과 7월부터 11월까지 위경도 1도 간격 격자의 HYCOM에 의한 월평균 염분을 식(1)을 이용하여 보정한 후 Aquarius에 의해 관측된 월평균 염분과를 각각의 격자에서 비교하여 두 자료간의 바이어스를 구한 후, Aquarius에 의해 관측된 염분에 각 격자 별로 바이어스를 가감하여 바이어스를 제거한다. 동해 전체에 바이어스를 최적 보간법(optimal interpolation)으로 스무스한 바이어스값을 사용하지 않고 각 격자 별 바이어스 값을 사용하는 이유는 동해가 육지로 둘러 쌓여있어 위성의 비행 궤도 방향에 따른 영향이 격자마다 다르고 또한 섬에 의한 영향을 받는 해역도 있어 격자간 특성을 고려하는 것이 적절하기 때문이다.
- 그러나 동해에서는 혼합층의 두께가 여름철에도 보통 10 m 이상이고 본 논문에 사용된 Aquarius 염분은 월평균 염분이어서 많은 강수에 의해 단기적으로 받는 영향은 최소화 되어 본 연구에 제시된 보정 방법은 유용하다고 본다. 보정된 재분석 염분 분포를 이용하여 Aquarius 위성에 의해 측정된 염분의 구조적 바이어스를 제거하였다. 이 기법을 적용한 염분과 월별 관측자료가 비교적 많은 해역의 염분을 비교하고 또한 WOA에 의한 동해 전 해역의 최근 8년 평균 염분 분포와도 비교한 결과 신뢰할 만한 결과를 얻어, 실측 자료가 아닌 모델에 의해 재구성된 염분을 사용한 기법이지만 본 연구에서 보정 기법의 효용성을 충분히 보일 수 있었다.
- 5 psu 이하에서 HYCOM에 의한 염분이 실제 관측 값보다 높게 재분석된다. 본 연구에서 시도한 보정 방법은 7월부터 11월까지와 겨울철인 12월부터 3월까지 Aquarius에 의해 관측된 월평균 염분(Level 3 Version 4: podaac. jpl.nasa.gov/aquarius)과 식 (1)을 적용하여 현장 관측 값으로 보정된 HYCOM에 의해 재분석 월평균 염분을 비교하여 구한 바이어스를 이용하여 보정하는 방법이다. 겨울철에 적용되는 바이어스를 따로 구한 이유는 대양에 적용되는 해표면 거침도 보정이 동해 전해역의 겨울철 염분을 과다하게 낮추는 현상이 발생하여 이를 보정하기 위한 것이다.
- 해수에 녹아있는 염의 양에 따라 해수의 전기전도도(conductivity)가 변화하고 이는 해수 표면에서 열 복사파(thermal emission) 파장의 변화로 나타난다. 염분에 따라 해표면 수온(Surface Sea Temperature, SST)과 해표면 밝기온도와의 상관관계(Le Vine et al. 2007)가 형성되는데, 이를 이용하여 복사파계측기로 추정한 밝기 온도와 극초단파 대 및 적외선 센서로 동시 관측한 해표면 온도로부터 염분을 추정한다. 해표면 밝기 온도와 SST와의 상관관계는 파도에 의한 해표면의 거침도(roughness)에 의해 영향을 받기 때문에 위성에 같이 설치된 L-주파수대의 반사파 계측기(active scatterometer: 1.
- edu/projects/argo)가 만들어 지는데 동해를 포함한 육지 주변 해역(marginal sea)에서는 제공되고 있지 않다. 이렇게 동해는 실측 염분과 직접 비교하여 보정하기에는 어려움이 많아 본 연구에서는 실측자료를 동화(data assimilation)하여 재분석(reanalysis)한 HYCOM에 의한 염분값을 사용한 보정 방법을 시도하였다. HYCOM 재분석 자료는 Aquarius 위성의 공식 보정 및 유용성 검사(validation)에 사용되고 있으며(Lagerloef et al.
- 2007)가 형성되는데, 이를 이용하여 복사파계측기로 추정한 밝기 온도와 극초단파 대 및 적외선 센서로 동시 관측한 해표면 온도로부터 염분을 추정한다. 해표면 밝기 온도와 SST와의 상관관계는 파도에 의한 해표면의 거침도(roughness)에 의해 영향을 받기 때문에 위성에 같이 설치된 L-주파수대의 반사파 계측기(active scatterometer: 1.26 Ghz)로 파도에 의해 변하는 해표면 거침도(roughness)를 동시 측정하여 파도에 의한 영향을 보정하여 사용한다. 대서양의 걸프 스트림 해역에서 실측된 염분과 이 복사파계측기에 의해 추정된 염분은 0.
대상 데이터
- Aquarius 미션 관측 기간(2011년 10월−2015년 6월) 중 수집된 실측 염분 자료는 총 5099건이었으며 이중 보정 기법 개발 시에는 염분 32 psu 이하는 사용하지 않아 4736건의 자료를 이용하였다.
- Aquarius에 의한 염분 자료는 북반구 기준 위성 궤도의 진행 방향에 따라 구성되어 있는데 남쪽에서 북쪽으로 북상하며 관측된 북상 궤도 자료모음(SCIA: ascending orbit), 북쪽에서 남쪽으로 남하할 때의 남하 궤도 자료모음(SCID: descending orbit) 그리고 가용한 모든 자료를 이용하여 만들어진 혼합 자료 모음(SCI)이다. Fig.
- Aquarius에 의해 관측된 염분을 보정하기 위한 기법을 위해 동해에서 2011년 11월부터 2014년 12월까지 수심 5 m에서 실측된 염분을 수집하였다. 동해에서 염분은 한국, 일본, 미국 등 3개국에 의해 주로 관측되었으며 CTD 관측 및 Argo 뜰개에 의해 관측되었다.
- NODC의 Argo 자료 중 품질관리(quality control)가 된 자료만을 사용하였고 해양연구소 Argo 센터의 염분 자료는 1/4도 간격의 World Ocean Atlas (2005−2012평균)의 월별 염분과 비교하여 염분의 수직 변화가 평균 염분의 수직 변화와 유사한 변화를 가지는 자료만 사용하였다.
- Aquarius 미션 관측 기간(2011년 10월−2015년 6월) 중 수집된 실측 염분 자료는 총 5099건이었으며 이중 보정 기법 개발 시에는 염분 32 psu 이하는 사용하지 않아 4736건의 자료를 이용하였다. 대부분의 실측 자료는 아극전선 이남의 동해 남부에서 수집되었다. Fig.
- 5 psu의 낮은 저염수가 분포하는 것을 볼 수 있다. 본 논문에서는 국제적으로 사용되고 있는 장강 희석수(Chanjiang diluted water)보다 우리나라 문헌에서 일반적으로 사용되고 있는 양자강 저염수를 사용하였다.
- 동해에서 염분은 한국, 일본, 미국 등 3개국에 의해 주로 관측되었으며 CTD 관측 및 Argo 뜰개에 의해 관측되었다. 본 연구에 사용된 실측 자료는 미국 NODC(National Ocean Data Center: www.nodc.noaa.gov/OC5)로부터 내려 받은 CTD 및 Argo 뜰개에 의한 염분 자료와 한국해양과학기술원 Argo센터(argo.kiost.ac/argodata.asp)에서 내려 받은 Argo 뜰개에 의한 염분 자료이다. NODC의 Argo 자료 중 품질관리(quality control)가 된 자료만을 사용하였고 해양연구소 Argo 센터의 염분 자료는 1/4도 간격의 World Ocean Atlas (2005−2012평균)의 월별 염분과 비교하여 염분의 수직 변화가 평균 염분의 수직 변화와 유사한 변화를 가지는 자료만 사용하였다.
성능/효과
- 그러나 Aquarius에 의한 염분은 4년 평균이며 WOA에 의한 평균 기간(8년)보다 적어 고염수 유입량의 장기 변동에 의한 변화로 보기에는 무리가 있다. 2) Fig. 4에 보여진 바와 같이 9월 동수도로 유입되는 양자강 저염수는 서수도로 유입되는 양자강 저염수보다 평균적으로 0.5 psu 높다. 그러나 동해로 유입된 후에는 북위 38.
- 5°의 위도에 평행한 양상으로 분포하여 양자강 저염수는 Lee and Niiler (2005)에 의해 유추된 평균 해류 경로, 즉 동한난류 및 대마 난류가 합류한 동해 해류를 따라 북동진하여 쓰가루 해협을 통해 태평양으로 유출되는 것으로 보인다. 3) 만약 33.4 psu 이하의 해수가 양자강 저염수의 영향을 보여주는 해수라고 가정하면 양자강 저염수는 아극전선(Lee et al. 2015) 남부 해상까지 확산하는 양상을 보인다. 33.
- Aquarius 위성은 해표면 수 cm의 표층 염분을 측정하나 HYCOM 재분석 염분은 수심 5 m까지의 평균 염분을 나타내 특히 강수량이 많은 해역에서의 HYCOM 재분석 염분을 이용한 비교 및 보정은 오차가 클 수 있다. 그러나 동해에서는 혼합층의 두께가 여름철에도 보통 10 m 이상이고 본 논문에 사용된 Aquarius 염분은 월평균 염분이어서 많은 강수에 의해 단기적으로 받는 영향은 최소화 되어 본 연구에 제시된 보정 방법은 유용하다고 본다. 보정된 재분석 염분 분포를 이용하여 Aquarius 위성에 의해 측정된 염분의 구조적 바이어스를 제거하였다.
- 보정된 재분석 염분 분포를 이용하여 Aquarius 위성에 의해 측정된 염분의 구조적 바이어스를 제거하였다. 이 기법을 적용한 염분과 월별 관측자료가 비교적 많은 해역의 염분을 비교하고 또한 WOA에 의한 동해 전 해역의 최근 8년 평균 염분 분포와도 비교한 결과 신뢰할 만한 결과를 얻어, 실측 자료가 아닌 모델에 의해 재구성된 염분을 사용한 기법이지만 본 연구에서 보정 기법의 효용성을 충분히 보일 수 있었다. 본 연구에 제시한 보정 기법을 이용하여 동시 염분 관측이 거의 불가능한 동해 전역에 동시 관측된 염분 분포를 얻을 수 있어 과거 불가능했던 동해 염분의 시공간 변동을 연구할 수 있게 되었다.
- 8f)과 거의 유사한 분포를 보인다. 즉 염분 33 psu 이하의 저염수 분포와 동해 중서부의 33.5 psu 이상의 고염 해역 그리고 동해 북동부의 고염해역의 분포는 아주 유사하게 나타나 보정 전의 Aquarius 염분(Fig. 8d)과 비교하면 보정기법이 적절하게 적용된 것을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구에 제시한 보정 기법을 이용하여 동시 염분 관측이 거의 불가능한 동해 전역에 동시 관측된 염분 분포를 얻을 수 있어 과거 불가능했던 동해 염분의 시공간 변동을 연구할 수 있게 되었다. 0.2 psu 정확도의 Aquarius미션의 특성 상 0.01 psu의 정확도를 가진 CTD나 Argo뜰개로 부터 관측된 염분으로 나타나는 현상을 연구할 수는 없으나 표층 염분의 월 변동 및 년도 별 장기 변동 그리고 저염수의 확산 범위 등의 시공간 변동을 연구하기에는 Aquarius 위성의 구조적 오차를 본 연구에 제시된 기법을 사용하여 적절하게 보정한다면 적합하다고 사료된다. 적절하게 보정된 Aquarius 염분을 이용하여 대한 해협으로 유입되는 양자강 저염수의 확산 범위, 잔류 시간 그리고 봄철 시베리아 연안의 해빙으로 형성된 저염수의 남하 범위 등에 대한 후속 연구가 현재 진행되고 있다.
- 2015) 남부 해상까지 확산하는 양상을 보인다. 33.4 psu 이하의 저염수대는 아극전선 북부 해상에도 형성이 되며 이는 봄철 시베리아 연안의 해빙에 의한 형성된 것으로(Park et al. 2014) 해빙에 의한 저염수의 확장 범위 및 분포에 대한 연구가 필요하다. Jeong et al.
- 이 기법을 적용한 염분과 월별 관측자료가 비교적 많은 해역의 염분을 비교하고 또한 WOA에 의한 동해 전 해역의 최근 8년 평균 염분 분포와도 비교한 결과 신뢰할 만한 결과를 얻어, 실측 자료가 아닌 모델에 의해 재구성된 염분을 사용한 기법이지만 본 연구에서 보정 기법의 효용성을 충분히 보일 수 있었다. 본 연구에 제시한 보정 기법을 이용하여 동시 염분 관측이 거의 불가능한 동해 전역에 동시 관측된 염분 분포를 얻을 수 있어 과거 불가능했던 동해 염분의 시공간 변동을 연구할 수 있게 되었다. 0.
- 01 psu의 정확도를 가진 CTD나 Argo뜰개로 부터 관측된 염분으로 나타나는 현상을 연구할 수는 없으나 표층 염분의 월 변동 및 년도 별 장기 변동 그리고 저염수의 확산 범위 등의 시공간 변동을 연구하기에는 Aquarius 위성의 구조적 오차를 본 연구에 제시된 기법을 사용하여 적절하게 보정한다면 적합하다고 사료된다. 적절하게 보정된 Aquarius 염분을 이용하여 대한 해협으로 유입되는 양자강 저염수의 확산 범위, 잔류 시간 그리고 봄철 시베리아 연안의 해빙으로 형성된 저염수의 남하 범위 등에 대한 후속 연구가 현재 진행되고 있다.
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