북극해에서 다중위성 자료를 이용한 표층수온, 해빙농도 및 클로로필의 장기 변화 Climatological Variability of Multisatellite-derived Sea Surface Temperature, Sea Ice Concentration, Chlorophyll-a in the Arctic Ocean원문보기
최근 전지구적인 기후변화가 직/간접적으로 북극환경에 큰 변화를 야기하고 있다. 해양-대기의 상호적인 피드백 작용은 최근 막대한 양의 해빙면적 감소를 초래했으며, 북극 온난화 현상을 가속시켜 왔다. 이러한 현상들은 직/간접적으로 북극의 생-물리학적 상호관계에 영향을 주어 해양생태계에 많은 변화를 초래할 것으로 보고되었다. 본 연구는 북극환경변화에 대해 물리-생물학적인 현상의 변화 및 인자간의 관계성을 포괄적으로 이해하기 위해 수행되었다. 북극의 환경변화를 조사하기 위해 SeaWiFS 및 MODIS-Aqua에서 제공하는 클로로필 농도와 OISST의 표층수온, ECMWF ERA-Interim의 해빙농도 자료를 이용하였다. 연구기간은 1998년-2016년 여름이며 조사해역은 북위 $60^{\circ}$ 이상의 해역으로 제한하였다. 전체적으로 클로로필의 증가($0.15mg\;m^{-3}\;decade^{-1}$), 표층수온의 상승($0.43^{\circ}C\;decade^{-1}$), 해빙농도의 감소($-5.37%\;decade^{-1}$)를 보였으나 해역별로 차이를 나타냈다. 이들 인자간 상관성 분석에서 표층수온과 해빙농도간의 상관성은 전 해역에 걸쳐 강한 음의 상관관계(r=-0.76)를 보인 반면, 클로로필과 해빙농도의 관계는 자료의 한계성으로 인해 전체적으로 낮은 상관성($r={\pm}0.1$)을 나타내었다. 또한 표층수온과 클로로필의 상관성은 해역에 따라 편차를 보이나 약 ${\pm}0.6$의 상관성을 보였다.
최근 전지구적인 기후변화가 직/간접적으로 북극환경에 큰 변화를 야기하고 있다. 해양-대기의 상호적인 피드백 작용은 최근 막대한 양의 해빙면적 감소를 초래했으며, 북극 온난화 현상을 가속시켜 왔다. 이러한 현상들은 직/간접적으로 북극의 생-물리학적 상호관계에 영향을 주어 해양생태계에 많은 변화를 초래할 것으로 보고되었다. 본 연구는 북극환경변화에 대해 물리-생물학적인 현상의 변화 및 인자간의 관계성을 포괄적으로 이해하기 위해 수행되었다. 북극의 환경변화를 조사하기 위해 SeaWiFS 및 MODIS-Aqua에서 제공하는 클로로필 농도와 OISST의 표층수온, ECMWF ERA-Interim의 해빙농도 자료를 이용하였다. 연구기간은 1998년-2016년 여름이며 조사해역은 북위 $60^{\circ}$ 이상의 해역으로 제한하였다. 전체적으로 클로로필의 증가($0.15mg\;m^{-3}\;decade^{-1}$), 표층수온의 상승($0.43^{\circ}C\;decade^{-1}$), 해빙농도의 감소($-5.37%\;decade^{-1}$)를 보였으나 해역별로 차이를 나타냈다. 이들 인자간 상관성 분석에서 표층수온과 해빙농도간의 상관성은 전 해역에 걸쳐 강한 음의 상관관계(r=-0.76)를 보인 반면, 클로로필과 해빙농도의 관계는 자료의 한계성으로 인해 전체적으로 낮은 상관성($r={\pm}0.1$)을 나타내었다. 또한 표층수온과 클로로필의 상관성은 해역에 따라 편차를 보이나 약 ${\pm}0.6$의 상관성을 보였다.
Recently, global climate change has caused a catastrophic event in the Arctic Ocean, directly and indirectly. The air-sea interaction has caused the significant sea-ice reduction in the Arctic Ocean, and has been accelerating the Arctic warming. Many scientists are worried about the Arctic environme...
Recently, global climate change has caused a catastrophic event in the Arctic Ocean, directly and indirectly. The air-sea interaction has caused the significant sea-ice reduction in the Arctic Ocean, and has been accelerating the Arctic warming. Many scientists are worried about the Arctic environment change, suggesting that many of anomalous events will produce direct or indirect biophysical effects on the Arctic. The aim of this study is to understand the inter-annual variability of the Arctic Ocean in wide-view using multi-satellite-derived measurements. Sea surface temperature (SST) and sea ice concentration (SIC) data were obtained from Optimum Interpolation Sea Surface Temperature (OISST) and ECMWF ERA-Interim, respectively. Chlorophyll-a concentration (CHL) was obtained from Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor (SeaWiFS) and Aqua sensor from MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS-Aqua) sensor which has continuously observed since 1998. From 1998 to 2016 summer in the Arctic Ocean which was defined as regions over $60^{\circ}N$ in this study, there were three consequences that CHL increase ($0.15mg\;m^{-3}\;decade^{-1}$), SST warming ($0.43^{\circ}C\;decade^{-1}$) and SIC decrease ($-5.37%\;decade^{-1}$). While SST and SIC highly correlated each other (r = -0.76), a relationship between CHL and SIC was very low ($r={\pm}0.1$) because of data limitations. And a relationship between CHL and SST shows meaningful results ($r={\pm}0.66$) with regional differences.
Recently, global climate change has caused a catastrophic event in the Arctic Ocean, directly and indirectly. The air-sea interaction has caused the significant sea-ice reduction in the Arctic Ocean, and has been accelerating the Arctic warming. Many scientists are worried about the Arctic environment change, suggesting that many of anomalous events will produce direct or indirect biophysical effects on the Arctic. The aim of this study is to understand the inter-annual variability of the Arctic Ocean in wide-view using multi-satellite-derived measurements. Sea surface temperature (SST) and sea ice concentration (SIC) data were obtained from Optimum Interpolation Sea Surface Temperature (OISST) and ECMWF ERA-Interim, respectively. Chlorophyll-a concentration (CHL) was obtained from Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor (SeaWiFS) and Aqua sensor from MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS-Aqua) sensor which has continuously observed since 1998. From 1998 to 2016 summer in the Arctic Ocean which was defined as regions over $60^{\circ}N$ in this study, there were three consequences that CHL increase ($0.15mg\;m^{-3}\;decade^{-1}$), SST warming ($0.43^{\circ}C\;decade^{-1}$) and SIC decrease ($-5.37%\;decade^{-1}$). While SST and SIC highly correlated each other (r = -0.76), a relationship between CHL and SIC was very low ($r={\pm}0.1$) because of data limitations. And a relationship between CHL and SST shows meaningful results ($r={\pm}0.66$) with regional differences.
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문제 정의
북극주변해역은 특히 유라시아, 아메리카 대륙이 만나는 접경지이며 태평양과 대서양의 수괴가 혼합되는 구역이다. 따라서 해역별 해양 특성에 차이가 있을 뿐 아니라 장기적 환경 변화도 다르기 때문에, 해역의 클로로필 및 표층수온 자료를 바탕으로 수괴를 분류하여 해역별 변화를 분석하고자 한다. 시간에 따른 변화를 분석하기 위한 목적에 따라 전기간의 자료를 확보하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 북극해양환경의 장기 변동성을 이해하기 위해 첫째, 북극해 주변 해역의 표층수온 및 해빙 변화의 경향을 분석하고, 둘째, 최근 19년간의 클로로필의 시공간적 변동을 분석하여 어떤 상호관계를 가지고 있는지 이해하고자 한다.
제안 방법
1998년부터 2016년까지 총 19년간의 클로로필, 표층 수온, 그리고 해빙농도 자료 간의 상호관계를 분석하였다(Fig. 5). 첫째, 클로로필과 표층수온과의 관계는(Fig.
K-means 클러스터링 결과에서 오차제곱합이 최소가 되는 클러스터를 이용하여 4개의 해역으로 구분했다 (Fig. 1). 구분된 네 해역은 각각 동그린란드 해와 바렌츠 해로 이루어진 C1, 허드슨 만과 배핀 만을 포함하는 C2, 보퍼트 해와 척치 해가 포함된 C3, 그리고 랍테프 해와 카라 해로 이루어진 C4이다.
15 mg m-3 decade-1). 그리고 북극의 물리적 해양환경 변화와 어떤 상호관계를 가지고 있는지 분석했다. 생산성에 영향을 주는 요인인 표층수온 및 해빙농도는 모든 해역에 걸쳐 증가(0.
추가적으로 구역별 해당하는 클로로필 자료의 결측률이 35% 이상일 경우 사용될 수 없다고 판단하여 보퍼트 해(Beaufort Sea)와 동시베리아 해(East Siberian Sea)의 일부 해역이 제외되었다. 두 번째로, 선택된 해역의 클로로필 농도와 표층수온의 1998년부터 2016년 여름철 평균값을 산출한 뒤 K-means 클러스터링을 수행하였다. 클러스터의 개수는 클러스터링의 검증 척도를 바탕으로 최적화되었다.
본 연구에서는 클로로필 자료의 가용범위로 설정된 1998년~2016년의 여름 동안 위성 및 재분석자료로부터 클로로필, 표층수온, 해빙 농도 자료를 활용하였다. 북극해에서 해양환경의 장기 변화를 전체적으로 분석함과 동시에 객관적으로 분류된 해역별 환경특성 및 변화 양상을 파악하였다. 주요 환경인자간 연구기간을 통일하는 과정에 있어 분석 가능한 자료기간이 20년이 넘지 않지만, 현존하는 최장기간의 해색 자료를 이용하여 북극의 생산성 변화와 연관된 클로로필의 장기 변화를 이해하고 결과적으로 증가하는 양상을 분석했다(0.
시간에 따른 변화를 분석하기 위한 목적에 따라 전기간의 자료를 확보하는 것이 중요하다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 K-means 클러스터링을 통한 해역 분류를 수행했다. 유사한 표층 수온 및 클로로필 특성을 지닌 해역 간의 구분은 공간적 평균의 기준을 제공함으로써 구름 및 해빙에 의한 결측 자료를 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
북극해에서 해양환경의 장기 변화를 전체적으로 분석함과 동시에 객관적으로 분류된 해역별 환경특성 및 변화 양상을 파악하였다. 주요 환경인자간 연구기간을 통일하는 과정에 있어 분석 가능한 자료기간이 20년이 넘지 않지만, 현존하는 최장기간의 해색 자료를 이용하여 북극의 생산성 변화와 연관된 클로로필의 장기 변화를 이해하고 결과적으로 증가하는 양상을 분석했다(0.15 mg m-3 decade-1). 그리고 북극의 물리적 해양환경 변화와 어떤 상호관계를 가지고 있는지 분석했다.
해역 구분의 과정은 두 단계로 수행되었다. 첫 번째로 National Snow and Ice Data Center(NSIDC)에서 객관적으로 해역을 분류한 영역을 적용한다. 영역은 총 14개의 해역으로 구분되고 연구 해역에 해당되는 해역은 허드슨 만(Hudson Bay), 배핀 만(Baffin Bay), 동그린란드 해(East Greenland Sea), 바렌츠 해(Barents Sea), 카라 해 (Kara Sea), 랍테프 해(Laptev Sea), 척치 해(Chukchi Sea), 캐나다 군도(Canadian Islands)이다.
대상 데이터
, 2008; Arrigo and van Dijken, 2015). SeaWiFS와 더불어 Aqua위성에 탑재되어 2002년부터 운용되고 있는 MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) 해색센서와 연계하여 19년 간의 연속적인 클로로필 자료를 획득할 수 있게 되었다. 초봄의 개빙 시점 및 늦가을 해빙발달시점에 종속적으 로 반응하는 클로로필 번성(Labiosa et al.
gov/oisst)를 사용했다. 공간과 시간해상도는 각각 25km와 일 자료 이며, 클로로필 자료의 사용기간과 동일한 1998년-2016 년 6월, 7월, 8월의 자료를 계절 평균하여 사용했다.
ERA-Interim의 해빙농도 자료는 직접적인 관측을 수행하지 않고 부분적으로 산출된 해빙을 병합하여 산출한다. 기간에 따라 ERAInterim의 이전 버전인 ERA-40, National Centers for Environmental Prediction (NCEP)의 Real-Time Global SST (RTG), Operational Sea Surface Temperature and Sea IceAnalysis(OSTIA)를 입력자료로 사용하며, 하루 1회 갱신되는 배경장에서 4차원 변분법 기반의 자료동화를 통해 해빙농도가 계산된다(Dee et al., 2011). 자료는 1979년 이후로 현재까지 제공되고 있으며 단위 픽셀 영역 내에 해빙이 차지하는 면적의 비로써 0에서 1사이(0~100%)의 값을 가진다.
두 자료를 연속적으로 사용하기 위해 SeaWiFS 자료는 1998- 2008년, MODIS-Aqua자료는 2003-2016년의 자료를 사용했고, 중복기간(2003-2008년)은 산술 평균했다(IOCCG, 2004 & 2007).
북극 온난화 현상이 심화되고 있는 현재, 원격탐사 자료를 활용한 북극의 해양환경의 폭넓은 이해가 요구된다. 본 연구에서는 클로로필 자료의 가용범위로 설정된 1998년~2016년의 여름 동안 위성 및 재분석자료로부터 클로로필, 표층수온, 해빙 농도 자료를 활용하였다. 북극해에서 해양환경의 장기 변화를 전체적으로 분석함과 동시에 객관적으로 분류된 해역별 환경특성 및 변화 양상을 파악하였다.
사용된 자료의 시간해상도는 8일이며 공간해상도는 9km이다. 북극권에서의 태양고도각은 겨울에 가장 낮아지며 북극점 주위에는 도달하지 않아 해색 센서의 관측은 계절적으로 제한되기 때문에, 본 연구에서는 최대한 넓은 영역을 조사하기 위해 태양고도각이 제일 높은 여름(6월, 7월, 8월)의 자료를 사용했다.
첫 번째로 National Snow and Ice Data Center(NSIDC)에서 객관적으로 해역을 분류한 영역을 적용한다. 영역은 총 14개의 해역으로 구분되고 연구 해역에 해당되는 해역은 허드슨 만(Hudson Bay), 배핀 만(Baffin Bay), 동그린란드 해(East Greenland Sea), 바렌츠 해(Barents Sea), 카라 해 (Kara Sea), 랍테프 해(Laptev Sea), 척치 해(Chukchi Sea), 캐나다 군도(Canadian Islands)이다. 중앙 북극해는 상당 기간 해빙으로 덮여있는 구역으로 클로로필 자료 획득이 불가능하기 때문에 본 연구에서 제외되었고, 북위 60° 이하의 해역을 포함하는 베링 해 및 오호츠크 해도 제외되었다.
표층수온자료는 근적외선 밴드를 이용하여 관측하는 과정에서 구름 및 해빙에 의해 자료 손실이 발생하여, 장기 변동을 분석하기 어렵기에 본 연구에서는 NOAA에서 제공하는 다중 플랫폼(위성, 선박, 부이)으로부터 관측된 자료로 재구성된 Optimum Interpolation Sea Surface Temperature(OISST, https://www.ncdc.noaa.gov/oisst)를 사용했다. 공간과 시간해상도는 각각 25km와 일 자료 이며, 클로로필 자료의 사용기간과 동일한 1998년-2016 년 6월, 7월, 8월의 자료를 계절 평균하여 사용했다.
해빙의 변화는 European Center for Medium range Weather Forecasting (ECMWF)의 ERA-Interim 재분석자료인 해빙농도(sea ice concentration, SIC) 자료를 이용하였다(http://apps.ecmwf.int). ERA-Interim의 해빙농도 자료는 직접적인 관측을 수행하지 않고 부분적으로 산출된 해빙을 병합하여 산출한다.
데이터처리
0.125°의 공간해상도와 일별 시간해상 도로 취득한 자료에서 해빙농도가 15% 이상인 해역의 총 면적을 합산하여 해빙면적(sea ice extent)을 계산했다 (Jay et al., 2002).
클러스터의 개수는 클러스터링의 검증 척도를 바탕으로 최적화되었다. 검증 척도는 오차제곱합(Sum of squares error, SSE)을 이용하여 클러스터 내의 오차제곱합의 값이 최소가 되는 클러스터 개수를 결정할 수 있도록 클러스터 중심 위치를 수정하였다.
이론/모형
SeaWiFS와 MODIS-Aqua의 반사도(remote-sensing reflectance) 자료를 이용하여 최신 알고리즘인 OC4v6와 OC3v6를 적용하여 클로로필 농도를 계산하였다 (O’Reilly et al., 1998; Arrigo and van Dijken, 2011).
성능/효과
첫째, 클로로필과 표층수온과의 관계는(Fig. 5(a)), 유럽북부의 바렌츠 해 및, 태평양으로 이어지는 베링 해, 그린란드 배핀 만의 남부해역에서 평균적으로 0.66의 양의 상관관계를 보였고, 반대로 아이슬란드 남동부, 바렌츠 해의 일부 해역과, 배핀 만의 북부해역에 서 -0.63의 음의 상관관계를 보였다. 이처럼 표층수온의 변화가 북극주변해의 클로로필 번성에 영향을 주고 있지만, 지역적으로는 서로 다른 관계를 나타냈다.
결과적으로 이 해역은 C1 해역 다음으로 평균 표층수온이 높게 나타나고(2.85±0.87°C), 전반적으로 낮은 해빙농도 (18.07±7.72%)를 보였다.
이처럼 표층수온의 변화가 북극주변해의 클로로필 번성에 영향을 주고 있지만, 지역적으로는 서로 다른 관계를 나타냈다. 둘째, 표층수온과 해빙농도의 상관관계는 전반적으로 강한 음의 상관관계(r=-0.76)을 보였다(Fig. 5(b)).
이는 C1이 하천수의 유입이 많은 C4를 제외한 다른 해역에 비하여 수온이 높고 해빙농도가 낮은 점으로부터 클로로필이 상대적으로 더 번성 할 수 있는 조건을 가지고 있다고 판단할 수 있다. 장기적인 경향을 살펴보면, C2와 C3은 0.01 mg m-3 decade-1 로 미미한 변화를 보이나, C1과 C4에서 상당한 증가패턴을 보였으며 변화율은 각각 0.14 mg m-3 decade-1과 0.15 mg m-3 decade-1였고 상대적 변화율은 각각 31.93%와 10.73%이다.
전 해역의 평균적인 해빙농도는 39.25± 5.56%이고, 동시베리아 해와 보퍼트 해가 각각 65.79%, 61.33%으로 가장 높았으며, 환산된 해빙면적 값 또한 각각 758,000 km2와 634,000 km2로 해빙이 가장 넓게 분포되어 있었다.
클로로필의 변화와 상반된 변화를 보이는 해역의 표층수온 및 해빙농도간의 차이를 파악하기 위하여 클로로필의 변동 추세가 증가 및 감소하는 해역의 공간 평균을 수행하고 시계열 자료로 나타냈다(Fig. 3) 클로로필이 증가 추세를 나타내는 해역의 전체 면적은 6,900,000 km2 이고, 감소경향의 해역은 3,700,000 km2으로, 증가경향을 보이는 해역의 면적이 감소경향을 나타내는 해역에 비해 약 1.87배 크고 연구 해역 전체면적의 약 65%를 차지하며 증가 추세가 비교적 강하게 나타났다(Fig. 3(a)).
북극에서 수온이 증가하고 해빙면적이 감소하는 북극주변 해의 물리적 환경 변화 속에서 클로로필은 장기적으로 변화하고 있다. 클로로필의 선형적인 경향성은 증가 추세를 보이며(평균 0.15 mg m-3 decade-1, Table 1), 상대적 변화율로 약 17.40%의 증가를 보였다. 가장 높은 증가 추세를 나타내고 있는 해역은 랍테프 해와 동시베리아 해로 각각 0.
표층수온은 모든 해역에 걸쳐 공통적으로 수온이 증가하는 경향이 뚜렷하며 해역간 수온 편차가 크게 나타났다(Fig. 4b). 전체기간 평균적인 표층수온은 C1(4.
후속연구
, 2007). 따라서 단순히 표층수온과 해빙농도가 높은 상관성을 보였으나, 복합적인 요인을 주고받는 북극해양환경을 고려하여 관계성에 대한 보다 심도 깊은 연구가 필요하다. 마지막으로 클로로필과 해빙농도와의 관계를 Fig.
66)의 관계성은 좋았으나, 클로로필과 해빙농도와 의 관계는 세부적인 비교가 어려운 관계로 상호 비교가 적합한 다양한 자료와의 분석이 요구된다. 북극해양에 대한 다수 과학자들의 관심이 증가하는 현재, 수치모델 및 재분석자료 등 다중플랫폼으로부터 산출된 풍속, 해류, 대기온도 등과 같은 자료를 이용함으로써 좀 더 심도 있는 연구가 가능하여 북극 해양환경 변화에 대한 포괄적인 가이드라인을 제시할 수 있을 것이다.
이러한 문제점을 보완하기 위해서 K-means 클러스터링을 통한 해역 분류를 수행했다. 유사한 표층 수온 및 클로로필 특성을 지닌 해역 간의 구분은 공간적 평균의 기준을 제공함으로써 구름 및 해빙에 의한 결측 자료를 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
1의 약한 상관관계를 보였다. 이 같은 자료의 한계성 때문에, 차후 해빙농도 자료 이외에 개빙기간, 개빙시점, 해빙두께 등과의 다양한 관점에서의 접근이 필요하다.
인자간 상관관계 분석에 있어 재분석자료인 표층수온과 해빙농도(r = -0.76), 그리고 표층수온과 클로로필(r = ±0.66)의 관계성은 좋았으나, 클로로필과 해빙농도와 의 관계는 세부적인 비교가 어려운 관계로 상호 비교가 적합한 다양한 자료와의 분석이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
북극해의 역할은 무엇인가?
북극해는 열악한 광 조건과 수온의 환경에도 불구하고 비교적 안정된 생산성을 보이며 다양한 군집의 생물들이 환경을 유지하고 있을 뿐 아니라(Nelson et al., 1987; Smith 1987; Gosselin et al., 1997; Mock and Gradinger, 1999) 저층수 형성으로 열염순환을 발생시켜(Aagaard et al., 1985; Peterson et al., 2006; Goose et al., 2007; Münchow et al., 2007) 전지구적인 열 분배 작용과 같은 중추적인 역할을 담당하고 있다. 이러한 중요성 때문에 북극의 해양환경변화는 해양뿐만 아니라, 해양-대기 상호작용을 비롯한 포괄적인 연구가 진행되어 있다(Mysak et al.
해빙 감소의 원인은 무엇인가?
, 2008; Parkinson and Comiso, 2013). 해빙 감소의 주된 요인은 해빙의 융해로 넓어진 개빙 해역으로부터의 수증기 방출 증가와 이로 인한 하향장파복사의 증가라는 원인과(Wang and Key, 2005; Zuidema et al., 2005; Francis and Hunter, 2006), 전 지구적인 기후 변화에 비롯한 표층수온의 증가를 그 원인으로 제기하였다 (Shimada et al., 2006; Woodgate et al.
북극 온난화 현상은 해양환경 어떻게 변화시키고 있는가?
, 2012). 기후변화로 인해 북극해로 유입되는 담수가 증가하고 (Peterson et al., 2002), 해빙의 이동경로에 변화가 생기며 (Serreze et al., 2007), 내부파에 의해 염분 약층이 붕괴 (Rainville and Woodgate, 2009)하는 등, 북극의 일차 생산성을 조절하는 인자들이 급속도로 변화하고 있다. 10년 당 평균적으로 9-17일씩 증가하고 있는 개빙 기간 (Comiso, 2003; Belchansky et al.
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