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문제 정의
- 본 연구에서는 이어도 해양과학기지 주변해역에서 활용가능한 해수면온도 합성장 자료를 탐색하여 자료의 특성을 조사하고, 국립해양조사원의 이어도 해양 과학기지에서 관측된 실측 수온과 인공위성 해수면온도 합성장을 비교 분석하고, 해수면온도 합성장 사이의 상호 비교를 통하여 특성 차이를 이해하며, 실측 수온에 대한 인공위성 해수면온도 합성장의 오차 특성을 조사하고자 한다.
- 본 연구에서는 피층 또는 표층 의 수온을 관측하는 인공위성 해수면온도 합성장 자료와의 비교를 위하여 수심 약 5m에서 관측된 실측 수온 자료에 집중하여 분석을 수행하였다.
- 이어도 해양과학기지 관측 수온에 대한 해수면온도 합성장 자료의 정확도 평가뿐만 아니라 이어도 해양과학기지 주변해역에서 해수면온도 합성장 자료 사이의 상호 비교를 통하여 각 합성장 자료의 오차 특성을 파악하고자 하였다. Fig.
제안 방법
- 또한 10분 간격으로 관측되는 실측 수온 자료는 평균하여 일별 자료로 재가공하였다.
- 이어도 해양과학기지 주변해역에서 다중위성 기반 해수면온도 합성장 자료의 특성을 파악하기 위하여 대표적인 4종의 해수면온도 합성장 자료(OSTIA, OISST, CMC SST, MURSST)를 수집하였다. 또한 각 해수면온도 합성장 자료의 정확도와 오차 특성을 이해하기 위하여 2016년 1월부터 12월까지 자료를 사용하여 이어도 해양과학기지 관측 수온 자료와 비교하였으며 해수면온도 합성장 자료의 상호비교 또한 수행하였다.
- 이어도 해양과학기지 실측 수온과 해수면온도 합성장의 일치점 자료를 활용하여 합성장별 실측 수온과의 비교를 통하여 정확도를 평가하였다(Fig. 4). 2016년 한 해 동안 327-329개의 일치점 자료가 각각 생성되었다.
- 해수면 온도 합성장 자료 특성을 확인하기 위하여 이어도 주변해역에서 수온의 공간 변동이 큰 해역을 선정하여 공간 분포를 도시하였다(Fig. 2).
대상 데이터
- 4). 2016년 한 해 동안 327-329개의 일치점 자료가 각각 생성되었다. 전반적으로 모든 해수면온도 합성장 자료가 이어도 해양과학기지 실측 수온과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- 3은 이어도 해양과학기지 관측 수온과 해수면온도 합성장의 일치점 자료 생성 위치를 나타낸다. MURSST 자료가 0.40 km 거리 차로 가장 가까웠으며, CMC 해수면온도 합성장이 8.72 km 거리 차로 가장 먼 곳에서 일치점 자료가 생성되었다(Table 2). 거리 차는 다중위성 해수면온도 합성장의 공간해상도와 관련되며 해상도가 높은 편인 MURSST와 OSTIA 자료가 비교적 가까운 곳에서 일치점이 생성되었으며, 해상도가 20 km 이상인 CMC와 OISST 자료가 이어도 해양과학기지와 상대적으로 먼 곳에서 일치점이 생성되었다.
- 위성 해수면온도 자료는 위성 관측 자료인 휘도 온도(brightness temperature) 자료를 사용하여 산출된다. 위성 적외 센서 또는 마이크로파 센서를 활용하여 관측된 휘도 온도는 Level 1B (L1B) 자료이며, 단일 위성에서 관측된 휘도 온도를 활용하여 산출된 해수면온도 영상 자료는 Level 2 (L2) 자료이다.
- 위성 해수면온도 합성장과 비교하기 위하여 2016년 1월부터 2016년 12월까지 이어도 해양과학기지에서 관측된 실측 수온 자료를 수집하였다. 이어도 해양과학기지에서 수온은 평균해수면을 기준으로 표층 (수심 약 5 m), 중층 (수심 약 20 m), 저층 (수심 약 40 m)에서 관측된다.
- 국내외 다양한 기관에서는 인공위성 해수면온도 자료와 해양 실측 수온 자료를 활용하여 생산된 해수면온도 합성장 자료를 해양 예측 모델 자료 동화에 사용함으로써 해양모델의 정확도를 향상시키고 있다. 이어도 주변해역에서 해수면온도 합성장 자료의 정확도를 비교 분석하기 위하여 국제적으로 널리 활용되고 있는 네 종류의 다중위성 해수면온도 합성장 자료를 수집하였다. 해양예측모델의 자료 동화뿐만 아니라 해양 현상 연구 분야에서도 널리 활용되고 있는 유럽 기상청(Meteorological Office; Met Office)의 OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis) 자료를 수집하였으며, NOAA에서 1982년부터 장기간동안 지속적으로 생산되고 있는 OISST (Optimum Interpolation Sea Surface Temperature) 자료는 해수면온도 장기 변동 특성 연구 등 다양한 목적에 의해 활발하게 사용되는 해수면온도 합성장 자료 중 하나임에 따라 연구 자료로 수집하였다.
- 이어도 해양과학기지 실측 수온과 다중위성 해수면 온도 합성장 자료를 비교하기 위하여 MetOffice의 OSTIA 해수면온도 자료, NOAA의 OISST 해수면온도 자료, CMC의 해수면온도 자료, NASA의 MURSST 해수면온도 자료를 수집하였으며, 이어도 해양과학기지와 가장 가까운 픽셀의 자료를 추출하였다. 또한 10분 간격으로 관측되는 실측 수온 자료는 평균하여 일별 자료로 재가공하였다.
- 이어도 해양과학기지 주변해역에서 다중위성 기반 해수면온도 합성장 자료의 특성을 파악하기 위하여 대표적인 4종의 해수면온도 합성장 자료(OSTIA, OISST, CMC SST, MURSST)를 수집하였다. 또한 각 해수면온도 합성장 자료의 정확도와 오차 특성을 이해하기 위하여 2016년 1월부터 12월까지 자료를 사용하여 이어도 해양과학기지 관측 수온 자료와 비교하였으며 해수면온도 합성장 자료의 상호비교 또한 수행하였다.
- 해양예측모델의 자료 동화뿐만 아니라 해양 현상 연구 분야에서도 널리 활용되고 있는 유럽 기상청(Meteorological Office; Met Office)의 OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis) 자료를 수집하였으며, NOAA에서 1982년부터 장기간동안 지속적으로 생산되고 있는 OISST (Optimum Interpolation Sea Surface Temperature) 자료는 해수면온도 장기 변동 특성 연구 등 다양한 목적에 의해 활발하게 사용되는 해수면온도 합성장 자료 중 하나임에 따라 연구 자료로 수집하였다. 최근 캐나다 기상청에서 생산되는 CMC (CanadianMeteorological Centre) 자료가 인공위성 해수면온도 산출시 초기 해수면온도(first-guess SST)로 높은 활용도를 보임에 따라(Petrenko et al, 2014; Kramar et al., 2016) 연구 자료로 채택하였으며, 마지막으로 NASA (National Aeronautics and Space Administration)에서 생산되는 고해상도 자료인 MURSST (Multiscale Ultra-high Resolution Sea Surface Temperature) 또한 함께 수집하여 연구에 활용하였다.
- 이어도 주변해역에서 해수면온도 합성장 자료의 정확도를 비교 분석하기 위하여 국제적으로 널리 활용되고 있는 네 종류의 다중위성 해수면온도 합성장 자료를 수집하였다. 해양예측모델의 자료 동화뿐만 아니라 해양 현상 연구 분야에서도 널리 활용되고 있는 유럽 기상청(Meteorological Office; Met Office)의 OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis) 자료를 수집하였으며, NOAA에서 1982년부터 장기간동안 지속적으로 생산되고 있는 OISST (Optimum Interpolation Sea Surface Temperature) 자료는 해수면온도 장기 변동 특성 연구 등 다양한 목적에 의해 활발하게 사용되는 해수면온도 합성장 자료 중 하나임에 따라 연구 자료로 수집하였다. 최근 캐나다 기상청에서 생산되는 CMC (CanadianMeteorological Centre) 자료가 인공위성 해수면온도 산출시 초기 해수면온도(first-guess SST)로 높은 활용도를 보임에 따라(Petrenko et al, 2014; Kramar et al.
데이터처리
- 인공위성 해수면온도 합성장 자료와 이어도 해양과 학기지 실측 수온 자료 비교를 위하여 평균제곱근오차(root mean square error; RMSE), 편차(Bias), 상관 계수(Pearson’s correlation coefficient; r) 및 산란지수 (scatter index; SI) 이용해 정량적으로 분석하였다 (Janssen et al., 1984; Clancy et al., 1986, Woo et al., 2017).
성능/효과
- 20℃ 이상의 고온에서 이어도 해양과학기지 관측 수온에 대한 해수면 온도 합성장 자료의 편차는 각각 0.31℃ (OSTIA), −0.32℃ (OISST), 0.26℃ (CMC), 0.33℃ (MURSST) 인 반면, 20℃ 이하의 저온에서는 0.50℃ (OSTIA), 0.41℃ (OISST), 0.64℃ (CMC), 0.71℃ (MURSST)로 오차가 증폭되었다.
- Fig. 4에서 볼 수 있듯이 전반적으로 20℃ 이상의 고온에서는 모든 해수면온도 합성장 자료가 이어도 해양과학기지 관측 수온과 잘 일치하는 것을 볼 수 있으나 20℃ 이하의 저온에서는 오차가 증폭되는 특성이 나타남을 확인할 수 있었다.
- OSTIA 자료를 기준으로 3종의해수면온도 합성장 자료의 편차는 각각 −0.27℃(OISST), 0.09℃ (CMC), 0.11℃ (MURSST)이었으며, OISST 자료를 기준으로 계산한 결과는 0.27℃(OSTIA), 0.36℃ (CMC), 0.38℃ (MURSST)로 모두양의 편차를 보였다.
- 02℃ (CMC)로 모두 음의 편차를 나타내었다. 결과를 종합해 보았을 때 OISST는 다른 해수면온도 합성장 자료에 비해 해수면온도를 과소추정하는 특성이 나타나며, CMC와 MURSST의 경우 전반적으로 과대 추정하는 특성이 나타났다.
- 82℃로 가장 큰 오차 특성을 보였다. 다른 3종류의 해수면온도 합성장 자료에 대하여 OSTIA는 평균 0.66℃, OISST는 0.77℃, CMC 해수면온도는 0.63℃, MURSST는 0.70℃의 평균 제곱근 오차를 보여, 해수면온도 합성장 사이의 상호 비교에서는 CMC 해수면온도가 가장 작은 평균 제곱근 오차를 보였으며 OISST가 가장 큰 평균 제곱근 오차를 보였음을 확인하였다.
- ,2017; Choi et al, 2018). 따라서 이어도 해양과학기지는 실측 수온과 위성 해수면온도 합성장 자료들을 비교하여 한반도 주변 해역에서 나타나는 위성 해수면온도 합성장 자료의 지역적인 오차 특성을 이해하기에 더할 수 없이 적합하다.
- CMC 해수면온도와 MURSST 자료는 다른 해수면온도 합성장과의 비교결과 양의 편차가 나타난 반면 OISST는 뚜렷한 음의 편차를 나타내었다. 또한 OISST는 해수면온도 합성장과의 상호 비교에서 가장 높은 평균 제곱근 오차를 보였다. 이어도 해양과학기지와 가장 가까운 지점의 자료들을 추출하여 시계열을 비교한 결과 봄철에는 해수면온도 합성장 자료가 이어도 해양과학기지 관측 수온에 비해 과대추정되는 특성이 나타났으나 여름철 이후에는 잘 일치하는 특성이 나타났다.
- 4c). 마지막으로 MURSST 해수면온도 자료는 이어도 해양과학기지 관측 수온에 대하여 편차가 0.55℃이고 평균 제곱근 오차가 0.96℃로 가장 큰 오차를 보였다(Fig. 4d). 편차는 OISST가 가장 작고 MURSST가 가장 큰 결과를 나타냈으며, 평균 제곱근 오차는 CMC 자료가 가장 작고 MURSST가 가장 큰 특성을 보였다.
- 이어도 해양과학기지 관측 수온에 대해서 해수면온도 합성장 자료는 0.12-0.55℃ 범위로 뚜렷한 양의 편차가 나타난 반면 각 해수면온도 합성장 사이의 상호 비교를 통한 편차 결과는 −0.38℃부터 0.38℃까지의 범위로 상대적으로 편차의 절대값이 작은 특성이 나타났다.
- 또한 OISST는 해수면온도 합성장과의 상호 비교에서 가장 높은 평균 제곱근 오차를 보였다. 이어도 해양과학기지와 가장 가까운 지점의 자료들을 추출하여 시계열을 비교한 결과 봄철에는 해수면온도 합성장 자료가 이어도 해양과학기지 관측 수온에 비해 과대추정되는 특성이 나타났으나 여름철 이후에는 잘 일치하는 특성이 나타났다. 이는 이어도 해양과학기지 수온 자료와 위성 기반 해수면온도 합성장 자료의 산출 수심 상이에 따른 오차로 추정된다.
- 2016년 한 해 동안 327-329개의 일치점 자료가 각각 생성되었다. 전반적으로 모든 해수면온도 합성장 자료가 이어도 해양과학기지 실측 수온과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. OSTIA 해수면온도의 경우이어도 해양과학기지 관측 수온에 대하여 0.
- 4d). 편차는 OISST가 가장 작고 MURSST가 가장 큰 결과를 나타냈으며, 평균 제곱근 오차는 CMC 자료가 가장 작고 MURSST가 가장 큰 특성을 보였다. 이는 이어도 해양과학기지 관측 수온을 실제 수온이라고 가정한다면 공간해상도가 좋은 자료이더라도 높은 정확도를 보이지 않을 수 있음을 시사한다.
- 평균 제곱근 오차 또한 20ºC 이상의 고온에서는 0.60ºC (OSTIA), 0.91℃ (OISST), 0.47℃ (CMC), 0.64℃ (MURSST)인 반면, 20℃ 이 하의 저온에서는 1.06℃ (OSTIA), 0.86℃ (OISST), 0.91℃ (CMC), 1.12℃ (MURSST)로 높은 오차 특성을 보였다.
- 96℃ (MURSST)의 평균 제곱근 오차를 나타냈다. 해수면온도 합성장 사이의 상호 비교 결과에서는 OSTIA와 CMC 해수면온도 자료 사이의 오차가 가장 작았으며(0.55℃) OISST와 MURSST 자료 사이의 오차가 가장 큰 특성을 보였다(0.82℃). CMC 해수면온도와 MURSST 자료는 다른 해수면온도 합성장과의 비교결과 양의 편차가 나타난 반면 OISST는 뚜렷한 음의 편차를 나타내었다.
후속연구
- 따라서 지역적인 해역 또는 연안에서의 해수면온도 합성장 자료의 정확도를 평가하고 지역적인 오차 특성을 파악하기 위해서는 한반도 주변 해역에서 인공위성 기반 해수면온도 합성장 자료가 대변하는 수심에서의 해수면온도 관측이 활발하게 이루어져야 할 필요가 있다. 이러한 자료를 바탕으로 한반도주변 해역에서 해수면온도 합성장 자료의 정확도 검증 및 해역 특성에 따른 오차 특성에 대한 명확한 이해가 필요할 것이다.
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