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기계학습법을 이용한 동해 남서부해역의 표층 이산화탄소분압(fCO2) 추정
Estimation of Surface fCO2 in the Southwest East Sea using Machine Learning Techniques 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.24 no.3, 2019년, pp.375 - 388  

함도식 (부산대학교 해양학과) ,  박소예나 (한국해양과학기술원 해양환경.기후연구본부) ,  최상화 (한국해양과학기술원 해양환경.기후연구본부) ,  강동진 (한국해양과학기술원 해양환경.기후연구본부) ,  노태근 (한국해양과학기술원 해양기기개발.운영센터) ,  이동섭 (부산대학교 해양학과)

초록
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지구의 탄소순환을 이해하고 미래 대기 $CO_2$의 농도와 기후 변화를 예측하기 위해서는 해양과 대기 사이 $CO_2$ 교환율(sea-to-air $CO_2$ flux)의 시공간 변화를 정확하게 추정하는 것이 필요하다. 연구선을 이용한 현장 관측이 갖고 있는 시공간 제약으로 인해 동해에는 매우 제한적인 표층 이산화탄소분압($fCO_2$) 자료만 존재한다. 이 연구에서는 위성 및 수치모형에서 얻은 수온, 염분, 엽록소, 혼합층 자료를 세 종류의 기계학습 모형에 입력하여 동해 남서부해역의 고해상도 표층 $fCO_2$ 시계열 자료를 산출하였다. 세 모형 중 현장 관측 자료를 가장 잘 재현하는 Random Forest (RF) 모형의 평균제곱근오차$7.1{\mu}atm$이었다. RF 모형을 이용한 $fCO_2$ 예측에 중요한 역할을 하는 변수는 수온, 염분과 시간 정보였으며, 엽록소와 혼합층 깊이는 $fCO_2$ 예측에 미미한 역할을 하였다. RF 모형에서 예측한 표층 $fCO_2$를 이용하여 계산한 동해 남서부해역의 $CO_2$ 교환율은 $-0.76{\pm}1.15mol\;m^{-2}yr^{-1}$로 이전 현장 관측 연구에서 제시한 교환율( $-0.66{\sim}-2.47mol\;m^{-2}yr^{-1}$) 범위 중 작은 값에 해당한다. RF 모형의 표층 $fCO_2$ 시계열 자료는 1주일 내외의 짧은 시간 사이에도 $CO_2$ 교환율이 상당히 변할 수 있음을 보여주었다. 앞으로 보다 정확한 $CO_2$ 교환율 산출을 위해서는 $fCO_2$가 급격하게 변화하는 봄철에 높은 해상도의 현장 관측을 수행할 필요가 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Accurate evaluation of sea-to-air $CO_2$ flux and its variability is crucial information to the understanding of global carbon cycle and the prediction of atmospheric $CO_2$ concentration. $fCO_2$ observations are sparse in space and time in the East Sea. In this stu...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • , 2016)와 기계학습법들을 결합하여 동해 남서부해역 표층 fCO2의 연변화를 추정하는 모형을 구축하였다. 이 모형으로 이 해역의 fCO2을 추정하는데 중요한 역할을 하는 변수가 어떤 것인가도 살펴보았다. 기계학습 모형을 통해 추정한 fCO2와 기존 연구에서 제시한 대기 fCO2를결합하여, 동해 남서부해역 CO2 교환율을 8일 간격으로 제시하였다.
  • 1). 제한된 현장 관측 자료로 인해 fCO2의 장기 변동을 신뢰성 있게 살펴보기 어려울 것으로 판단하여, 이 연구에서는 전체 관측 시기의 중간에 해당하는 2008년을 기준으로 fCO2 관측자료를 표준화한 후, fCO2의 연변화를 살펴보고자 하였다. 표준화에는 Kim etal.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Decision Tree의 일반화 성능이 좋지 않은 이유는 무엇인가? DT는 일련의 예/아니오 질문을 통해 자료의 분류 혹은 회귀 결정에 이르는 모형이다. DT는 비교적 이해하기 쉽고 시각화가 용이한 방법이기는 하지만, 훈련 단계에서 과적합(overfitting)하는 경향이 있어 일반화(generalization) 성능이 좋지 않다. RF는 DT 구성에 필요한 입력 자료 표본과 입력 변수(feature)를 무작위로 선택함으로써, 모두 다른 DT가 만들어지도록 한다.
Decision Tree는 무엇인가? RF는 Decision Tree (DT)를 기본 구성 요소로 하고 있다. DT는 일련의 예/아니오 질문을 통해 자료의 분류 혹은 회귀 결정에 이르는 모형이다. DT는 비교적 이해하기 쉽고 시각화가 용이한 방법이기는 하지만, 훈련 단계에서 과적합(overfitting)하는 경향이 있어 일반화(generalization) 성능이 좋지 않다.
해양과 대기의 fCO2는 일반적으로 무엇을 이용하여 측정되고 있는가? k와 S는비교적 측정이 용이한 수온, 염분, 풍속으로부터 계산된다(Wanninkhof, 2014). 반면, 해양과 대기의 fCO2 (atm)는 일반적으로 대기-해수 평형기와 적외선 분석기를 결합한 시스템(Dickson et al., 2007; Pierrot et al., 2009)을 갖춘 선박을 이용하여 측정되고 있다. 상대적으로 완만한 시공간 변화를 보이는 f (CO2)air에 비해, f (CO2)sw는 해양의 물리, 생물 작용들에 의해 상당한 시공간 변화를 보이고 있어, CO2 교환율에 가장 큰 변화를 줄 수 있는 요소로 꼽힌다(Takahashi et al.
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