군집분석을 이용한 통영·거제 연안역의 수온·염분 계절 변동 특성 Seasonal Characteristics of Temperature and Salinity Variations Around the Tongyeong and Geoje Coastal Waters by a Cluster Analysis원문보기
통영 거제연안역에서의 해양생태계 관측 결과를 군집분석하여 이 해역에서의 계절에 따른 수온 염분 분포 특징을 파악하고자 하였다. 춘계, 추계 및 동계에는 연안역이 외해역에 비해 수온이 $1{\sim}2^{\circ}C$ 정도 높았으며, 특히 2014년 동계의 저층은 표층과는 달리 남-북 방향으로 등수온선을 형성하였다. 염분 또한 2013년 동계에는 저층에서 남-북 방향의 등염분선을 형성하였다. 따라서, 표 저층의 등수온 및 등염분선의 방향이 서로 달라, 수괴의 이동 패턴도 서로 다르다는 사실을 확인하였다. 반면 하계 표 저층에는 수온이 약 $10^{\circ}C$, 염분은 외해 2 psu, 거제연안 10 psu 이상인 성층이 형성되었다. 군집분석 결과, 이 해역의 수괴는 크게 세 개의 군집으로 나눌 수 있었으나, 해수의 유입 등에 의해 복잡한 군집을 이루는 경우도 있었다. 이러한 군집분석 결과는 군집의 형태가 남-북 방향으로 형성되는 시기를 제외하고는 비교적 적합한 것임을 회귀분석을 통해 확인하였다.
통영 거제연안역에서의 해양생태계 관측 결과를 군집분석하여 이 해역에서의 계절에 따른 수온 염분 분포 특징을 파악하고자 하였다. 춘계, 추계 및 동계에는 연안역이 외해역에 비해 수온이 $1{\sim}2^{\circ}C$ 정도 높았으며, 특히 2014년 동계의 저층은 표층과는 달리 남-북 방향으로 등수온선을 형성하였다. 염분 또한 2013년 동계에는 저층에서 남-북 방향의 등염분선을 형성하였다. 따라서, 표 저층의 등수온 및 등염분선의 방향이 서로 달라, 수괴의 이동 패턴도 서로 다르다는 사실을 확인하였다. 반면 하계 표 저층에는 수온이 약 $10^{\circ}C$, 염분은 외해 2 psu, 거제연안 10 psu 이상인 성층이 형성되었다. 군집분석 결과, 이 해역의 수괴는 크게 세 개의 군집으로 나눌 수 있었으나, 해수의 유입 등에 의해 복잡한 군집을 이루는 경우도 있었다. 이러한 군집분석 결과는 군집의 형태가 남-북 방향으로 형성되는 시기를 제외하고는 비교적 적합한 것임을 회귀분석을 통해 확인하였다.
This study was carried out to understand the characteristic distributions of water temperature and salinity in accordance with seasons atound the Tongyeong and Geoje, based on a cluster analysis. Water temperatures in coastal areas were $1-2^{\circ}C$ higher than those in open seas when i...
This study was carried out to understand the characteristic distributions of water temperature and salinity in accordance with seasons atound the Tongyeong and Geoje, based on a cluster analysis. Water temperatures in coastal areas were $1-2^{\circ}C$ higher than those in open seas when in the spring, autumn and winter. In particular, a south-northward isothermal line was established at the bottom layer in the winter of 2014, unlikely to the surface layer. In addition, a south-northward isohaline was also established at the bottom layer in the winter of 2013. Therefore, we recognized that a moving pattern of water masses has also a difference since forming directions of those lines were not equivalent with each other between the surface and bottom layers. In contrast, stratification appeared in the summer with a roughly difference of water temperature of $10^{\circ}C$ and a salinity of 2-10 psu between the layers. A cluster analysis indicated that the southeastern coastal waters have three distinct water masses, even though some complicated situations exist due to the seawater inflow from the outside. However, the result of a cluster analysis turned out quite reasonable because the result of a regression analysis proved that it is appropriate, just except for the timing of a south-northward front formation.
This study was carried out to understand the characteristic distributions of water temperature and salinity in accordance with seasons atound the Tongyeong and Geoje, based on a cluster analysis. Water temperatures in coastal areas were $1-2^{\circ}C$ higher than those in open seas when in the spring, autumn and winter. In particular, a south-northward isothermal line was established at the bottom layer in the winter of 2014, unlikely to the surface layer. In addition, a south-northward isohaline was also established at the bottom layer in the winter of 2013. Therefore, we recognized that a moving pattern of water masses has also a difference since forming directions of those lines were not equivalent with each other between the surface and bottom layers. In contrast, stratification appeared in the summer with a roughly difference of water temperature of $10^{\circ}C$ and a salinity of 2-10 psu between the layers. A cluster analysis indicated that the southeastern coastal waters have three distinct water masses, even though some complicated situations exist due to the seawater inflow from the outside. However, the result of a cluster analysis turned out quite reasonable because the result of a regression analysis proved that it is appropriate, just except for the timing of a south-northward front formation.
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문제 정의
국립공원연구원 해양연구센터에서 실시하는 해양생태계조사는 해양생물다양성 확보 및 해양환경 연구를 통하여 공원구역의 생물자원 확보 및 공원관리방안에 대한 기초자료를 제공하는 데 목적이 있다. 최종적으로는 장기적인 해양환경 특성을 모니터링하여 해양환경변화와 생물변동 특성을 파악하기 위함이다.
따라서 본 연구에서는 기초연구 중 하나로 해양생태계조사에서 획득한 수온·염분 관측 자료를 바탕으로, 계절에 따라 공원지역과 인접한 통영·거제 연안역의 해양환경 변동 특성을 파악하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 정점이 동일하지는 않지만 2012년부터 2014년까지의 수온·염분 자료를 바탕으로 군집분석을 실시하여 그 특성을 파악하여 보았다.
각 계절별로 구분된 군집 결과를 바탕으로 남해연안수의 영향을 받는 구역을 A, 남해연안수, 낙동강 담수 및 동해 저층냉수대의 영향을 받는 구역을 B, 대마난류와 양쯔강 유출수의 영향을 받는 구역을 C로 구분하여 회귀분석을 실시하였다. 구분된 세 구역을 종속변수로 정의하고 수온과 염분 관측결과를 독립변수로 두었으며, 적합도 검토와 회귀진단을 통하여 분석결과를 검증하였다.
1에서 보는 바와 같이 2012년 30개 정점, 2013년 8개 정점, 2014년 19개 정점에서 3개년에 걸쳐 각 계절별 관측한 수온·염분 자료를 이용하였다. 그러나, 관측연도에 따라 이들 정점의 개수, 위치 또는 조사 시기도 달라, 각 정점별로 정성적인 계절변화만을 검토하였다.
또한, 수온·염분의 공간적인 분포 특성을 살펴보기 위하여 이를 수치화한 자료를 바탕으로 군집 분석(Cluster analysis)을 실시하였다.
변수들은 각각 다른 측정단위를 가지고 있으므로 동일한 중요도를 갖게 하기 위하여 표준화(Z점수)를 실시한 후 분석하였다. 각 계절별로 구분된 군집 결과를 바탕으로 남해연안수의 영향을 받는 구역을 A, 남해연안수, 낙동강 담수 및 동해 저층냉수대의 영향을 받는 구역을 B, 대마난류와 양쯔강 유출수의 영향을 받는 구역을 C로 구분하여 회귀분석을 실시하였다.
수온·염분은 Sea-Bird Electronics사의 SBE 9 Plus 및 19 Plus를 이용하여 측정하였으며, CTD 후처리 과정을 거쳐 0.5m 간격으로 수온과 염분 자료를 수치화하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 국립공원연구원 해양연구센터에서 해양생태계조사의 일환으로 Tabel 1 및 Fig. 1에서 보는 바와 같이 2012년 30개 정점, 2013년 8개 정점, 2014년 19개 정점에서 3개년에 걸쳐 각 계절별 관측한 수온·염분 자료를 이용하였다.
데이터처리
변수들은 각각 다른 측정단위를 가지고 있으므로 동일한 중요도를 갖게 하기 위하여 표준화(Z점수)를 실시한 후 분석하였다. 각 계절별로 구분된 군집 결과를 바탕으로 남해연안수의 영향을 받는 구역을 A, 남해연안수, 낙동강 담수 및 동해 저층냉수대의 영향을 받는 구역을 B, 대마난류와 양쯔강 유출수의 영향을 받는 구역을 C로 구분하여 회귀분석을 실시하였다. 구분된 세 구역을 종속변수로 정의하고 수온과 염분 관측결과를 독립변수로 두었으며, 적합도 검토와 회귀진단을 통하여 분석결과를 검증하였다.
군집분석 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 각 계절별로 구분된 세 구역에 대한 회귀분석(Regression analysis)을 실시하여 그 적합도를 검토하였다. 적합도(Goodness of fit) 검토는 통계분석에 사용된 모형이 적절한지를 나타내는 척도로 매우 중요한 과정이다.
모형적합도 검토 후 회귀진단(Regression diagnostics)을 통해 이상값(Residual values)을 구하였으며, 이상값 판정에는 표준화잔차(Standardized residual)를 사용하였다. 표준화잔차는, 잔차(Residual)를 각각의 표준편차로 나누어 표준화한 값이며, 표준화잔차의 절댓값이 3 이상이면 이상인 값이 거의 확실하며, 2와 3 사이이면 이상값의 가능성이 있다고 판단할 수 있다.
이론/모형
군집분석에는 식 (1)과 같이 유클리디안 거리(Euclidean distance)와 군집화 방법에는 최장연결법(Complete linkage method)을 사용하였다.
회귀분석은 독립변수가 두 개 이상인 경우이므로 중회귀모형(Multiple regression model), 또는 다중회귀모형을 사용하였으며, k개의 독립변수 x1, x2, ..., xk와 종속변수 y에 대한 모형은 식 (2)와 같다.
성능/효과
이 경우는 군집이 잘못 이루어진 것이 아니라 C구역이 두 개의 수괴로 나누어지는 것으로 판단하였다. 전반적인 군집분석 결과는 남해 동부해역을 총 세 개의 구역(A: 남해연안수, B: 남해연안수, 낙동강 담수 및 동해 저층냉수대, C: 대마난류 및 양쯔강 유출수)으로 구분이 가능하였다. 하지만, Fig.
따라서, 조사지역에서 하계에 관측한 수온·염분 결과는 거제도 연안에서 발생한 냉수대의 영향에 따라 변동되는 특징을 보이고 있는 것으로 판단된다.
군집분석 결과 남해 동부해역을 총 세 개의 구역(A: 남해연안수, B: 남해연안수, 낙동강 담수 및 동해 저층냉수대, C: 대마난류 및 양쯔강 유출수)으로 구분이 가능하였다. 또한, 군집군석결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 회귀분석을 통한 군집분석의 모형적합성 검토에서는 군집 형태가 남-북 방향일 때 그 신뢰성이 떨어졌으며, 군집 안에 있는 타 군집의 정점이 함께 묶여졌을 경우에도 모형적합성이 떨어지는 것으로 나타났다. 수온·염분 결과를 바탕으로 한 군집분석은 기존 연구에서는 거의 이루어지지 않았다.
이 경우는 군집이 잘못 이루어진 것이 아니라 C구역이 두 개의 수괴로 나누어지는 것으로 판단하였다. 전반적인 군집분석 결과는 남해 동부해역을 총 세 개의 구역(A: 남해연안수, B: 남해연안수, 낙동강 담수 및 동해 저층냉수대, C: 대마난류 및 양쯔강 유출수)으로 구분이 가능하였다. 하지만, Fig.
군집분석과 회귀분석을 동시에 비교하여 보면 수정결정계수, 유의확률 및 표준화잔차 절댓값이 기준치를 벗어나는 원인을 크게 세 가지로 판단해 볼 수 있다. 첫째, 군집형성의 형태가 남-북 방향으로 수직구조를 가지는 경우 둘째, 군집안에 타 군집의 정점이 포함된 경우 셋째, 군집을 이룬 정점의 수가 작은 경우이다. 특히, 2014년의 춘계 표층과 동계 표·저층은 수정결정계수, 유의확률 및 표준화잔차 절댓값이 모두 기준치를 넘어서는 경우이며, 공통적으로 세 가지의 원인 중 군집이 수직구조의 형태를 나타내는 경우였다.
특히, 2014년 춘계의 경우는 거제 동측의 수괴가 남서쪽으로 확장하는 형태를 보였으며, 하계는 남쪽에서 연안으로 유입하는 수괴와, 거제 연안을 따라 남서쪽으로 확장하려는 수괴 등 수시로 그 세력을 달리하면서 위치가 바뀌고 있다. 추계는 하계에 복잡했던 수괴들이 다소 안정되어 가는 형태를 보이며, 동계는 춘계와 유사하게 수온 및 염분차이는 크지 않지만, 저층의 등수온선과 등염분선의 형태가 남-북 방향으로 나눠지는 특징을 나타내었다.
추계의 수온 및 염분 분포 특징으로 표층은 전 영역에서 비교적 균일한 수온 분포를 보인 반면, 염분은 저염의 연안수가 외해로 확장하는 모습을 보였다. 그러나 저층에서는 수온 염분 모두 연안역의 고온·저염수가 외해역으로 확장하는 경향을 나타내었다.
후속연구
al.[2013]의 하계 식물플랑크톤 군집구조의 변동에 대한 연구를 바탕으로 향후, 국립공원관리방안을 위하여 체계적이고 지속적인 연구가 이루어져야할 것이다.
kr)도 본 연구 결과에 잘 반영되고 있는 특징을 보였다. 따라서, 향후 통영과 거제도에 위치한 국립공원지역의 관리방안에는 냉수대와 같은 이상해황의 발생과 생물과의 상관성에 대한 연구가 필요할 것이다.
본 연구를 통해 통영·거제연안역은 계절별에 따라 수괴의 분포나 배치에 차이가 있음을 확인하였으나, 각 연도별 관측 정점이 통일되어 있지 않아 보다 면밀한 비교 분석을 하지 못한 것은 아쉬움으로 남는다.
그리고 두 개 또는 한 개의 통계분석 값이 기준치를 넘어서는 경우는 나머지 두 개의 원인 중 적어도 한 가지 이상을 포함하고 있는 경우로 나타났다. 수정결정계수, 유의확률 및 표준화잔차 절댓값의 세 가지 통계분석 결과를 통한 모형적합도 분석에서는 다소 높게 나타나는 시기가 출현하였으나, 전반적으로 모형에 적합하다고 판단할 수 있으며 앞서 언급한 바와 같이, 향후 관측정점의 통일에 의해 통계분석 결과의 정확성도 한층 높일 수 있을 것으로 사료된다.
또한, 몇몇의 결과에서는 어울리지 않는(Mismatch) 조합을 이루는 결과가 있었으며, 이는 관측정점이 육지와 인접한 곳이거나 관측오차에 의해 발생하는 것으로 추정하였다. 특히, 본 연구에서는 3개년의 관측정점이 동일하지 않아 일관성 있는 분석결과를 얻는 데는 다소의 한계가 있어서 향후 일정한 정점에 대한 통일된 분석이 필요할 것으로 생각된다.
수온·염분 결과를 바탕으로 한 군집분석은 기존 연구에서는 거의 이루어지지 않았다. 하지만, 본 연구결과와 같이 장기적인 환경변동 특성 연구에 사용되면, 기존 연구결과와는 차별화된 통계학적인 결과를 도출할 수가 있어 향후 타 연구에도 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 통영·거제연안역은 계절별에 따라 수괴의 분포나 배치에 차이가 있음을 확인하였으나, 각 연도별 관측 정점이 통일되어 있지 않아 보다 면밀한 비교 분석을 하지 못한 것은 아쉬움으로 남는다. 향후, 동일한 관측정점에서 정기적으로 획득되는 자료가 축적되면 더욱 정도 높은 연구가 이루어질 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하계 수온 상승 원인을 무엇으로 보고 있는가?
026 ºC/year로, 하계의 상승률이 동계에 비해 더 높았다. 특히, 그들은 이러한 하계에 있어서의 수온 상승 원인을 1980년대 후반부터 강화되고 있는 대마난류수에 양쯔강 유출수가 더해져서 나타나는 현상으로 파악하였다.
남해 동부해역의 특징은?
그러나 해마다 증가하는 적조 발생과 수온상승 등 해양환경이 변화하고 있어 그 결과에 따라, 먹거리와 여가생활도 변화가 있을 것으로 판단된다. 연구 해역과 인접한 남해 동부해역은 남해연안수, 동해저층 냉수, 대마난류수 등 기원이 서로 다른 해수가 존재하고 있으며, 계절에 따라 수괴 변동이 큰 특징을 가진다. 그 중 대마난류수 기원의 고온고염의 해수가 남해 동부해역을 거쳐서 동해로 공급되며, 한반도 주변해역 해황에 큰 영향을 주는 요인이라는 사실이 Lee and Kim[1998], Pang et al.
해양생태계조사의 최종 목적은 무엇인가?
국립공원연구원 해양연구센터에서 실시하는 해양생태계조사는 해양생물다양성 확보 및 해양환경 연구를 통하여 공원구역의 생물자원 확보 및 공원관리방안에 대한 기초자료를 제공하는 데 목적이 있다. 최종적으로는 장기적인 해양환경 특성을 모니터링하여 해양환경변화와 생물변동 특성을 파악하기 위함이다. 따라서 본 연구에서는 기초연구 중 하나로 해양생태계조사에서 획득한 수온·염분 관측 자료를 바탕으로, 계절에 따라 공원지역과 인접한 통영·거제 연안역의 해양환경 변동 특성을 파악하고자 하였다.
참고문헌 (14)
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