가중공간중심을 활용한 한국 남동해역의 표층수온 분포 패턴 분석 Pattern Analysis of Sea Surface Temperature Distribution in the Southeast Sea of Korea Using a Weighted Mean Center원문보기
한국 남동해역은 매년 하계에 집중적으로 냉수대가 형성되어 빈번한 이상해황이 발생한다. 본 연구에서는 이 해역에서 발생하는 표층수온 분포의 공간 변화를 분석하기 위해 2018년 6월에서 9월까지 고리와 정자 부이에서 관측한 해양현장 수온 데이터와 GHRSST Level 4 재분석 해수면 온도(sea surface temperature: SST) 자료를 이용하였다. 부이 자료는 두 지점의 시계열적 수온 변동 분석에, GHRSST 자료는 연구해역 전반에 걸친 일별 SST의 분산과 가중공간중심(weighted mean center: WMC)을 계산하는데 이용하였다. 부이의 수온이 낮아지면 연구해역 SST의 분산이 증가하는 경향을 보였으나, 전 기간 일치하게 나타나지는 않았다. 이는 GHRSST가 재분석 자료로 연안의 민감한 수온변화를 반영하지 못하기 때문이다. 이와 같이 전 해역의 SST 변화를 대표하는 통계적 분산만으로는 연안의 국지적인 소규모의 수온변화를 파악하거나, 냉수대 발생해역의 위치 및 범위를 탐지하기에는 한계가 있다. 따라서 차가운 수괴가 발생하는 공간적인 위치를 정량적으로 파악하기 위해 WMC를 활용하여 분석한 결과 냉수대가 발생했을 때, WMC가 연구해역의 공간중심(mean center: MC)으로부터 북서 해역 쪽에 위치하였다. 이는 SST의 WMC 위치 정보를 통해 차가운 표층수온의 분포가 어디에서 어느 정도 나타나는지를 정량적으로 파악할 수 있음을 의미하며, 향후 냉수대 규모 및 지역 확산 범위 탐지에 WMC의 활용 가능성을 알 수 있었다.
한국 남동해역은 매년 하계에 집중적으로 냉수대가 형성되어 빈번한 이상해황이 발생한다. 본 연구에서는 이 해역에서 발생하는 표층수온 분포의 공간 변화를 분석하기 위해 2018년 6월에서 9월까지 고리와 정자 부이에서 관측한 해양현장 수온 데이터와 GHRSST Level 4 재분석 해수면 온도(sea surface temperature: SST) 자료를 이용하였다. 부이 자료는 두 지점의 시계열적 수온 변동 분석에, GHRSST 자료는 연구해역 전반에 걸친 일별 SST의 분산과 가중공간중심(weighted mean center: WMC)을 계산하는데 이용하였다. 부이의 수온이 낮아지면 연구해역 SST의 분산이 증가하는 경향을 보였으나, 전 기간 일치하게 나타나지는 않았다. 이는 GHRSST가 재분석 자료로 연안의 민감한 수온변화를 반영하지 못하기 때문이다. 이와 같이 전 해역의 SST 변화를 대표하는 통계적 분산만으로는 연안의 국지적인 소규모의 수온변화를 파악하거나, 냉수대 발생해역의 위치 및 범위를 탐지하기에는 한계가 있다. 따라서 차가운 수괴가 발생하는 공간적인 위치를 정량적으로 파악하기 위해 WMC를 활용하여 분석한 결과 냉수대가 발생했을 때, WMC가 연구해역의 공간중심(mean center: MC)으로부터 북서 해역 쪽에 위치하였다. 이는 SST의 WMC 위치 정보를 통해 차가운 표층수온의 분포가 어디에서 어느 정도 나타나는지를 정량적으로 파악할 수 있음을 의미하며, 향후 냉수대 규모 및 지역 확산 범위 탐지에 WMC의 활용 가능성을 알 수 있었다.
In the Southeast Sea of Korea, a cold water mass is formed intensively in summer every year, causing frequent abnormal sea conditions. In order to analyze the spatial changes of sea surface temperature distribution in this area, ocean fields buoy data observed at Gori and Jeongja and reanalyzed sea ...
In the Southeast Sea of Korea, a cold water mass is formed intensively in summer every year, causing frequent abnormal sea conditions. In order to analyze the spatial changes of sea surface temperature distribution in this area, ocean fields buoy data observed at Gori and Jeongja and reanalyzed sea surface temperature(SST) data from GHRSST Level 4 were used from June to September 2018. The buoy data were used to analyze the time-series water temperature changes at two stations, and the GHRSST data were used to calculate the daily SST variance and weighted mean center(WMC) across the study area. When the buoy's water temperature was lowered, the variance of SST in the study area trend to increase, but it did not appear consistently for the entire period. This is because GHRSST is a reanalysis data that does not reflect sensitive changes in water temperature along the coast. As such, there is a limit to grasping the local small-scale water temperature change in the coast or detecting the location and extent of the cold water zone only by the statistical variance representing the SST change in the entire sea area. Therefore, as a result of using WMC to quantitatively determine the spatial location of the cold water mass, when the cold water zone occurred, WMC was located in the northwest sea area from the mean center(MC) of the study area. This means that it is possible to quantitatively identify where and to what extent the distribution of cold surface water temperature appears through SST's WMC location information, and we could see the possibility of WMC's use in detecting the scale of cold water zones and the extent of regional spread in the future.
In the Southeast Sea of Korea, a cold water mass is formed intensively in summer every year, causing frequent abnormal sea conditions. In order to analyze the spatial changes of sea surface temperature distribution in this area, ocean fields buoy data observed at Gori and Jeongja and reanalyzed sea surface temperature(SST) data from GHRSST Level 4 were used from June to September 2018. The buoy data were used to analyze the time-series water temperature changes at two stations, and the GHRSST data were used to calculate the daily SST variance and weighted mean center(WMC) across the study area. When the buoy's water temperature was lowered, the variance of SST in the study area trend to increase, but it did not appear consistently for the entire period. This is because GHRSST is a reanalysis data that does not reflect sensitive changes in water temperature along the coast. As such, there is a limit to grasping the local small-scale water temperature change in the coast or detecting the location and extent of the cold water zone only by the statistical variance representing the SST change in the entire sea area. Therefore, as a result of using WMC to quantitatively determine the spatial location of the cold water mass, when the cold water zone occurred, WMC was located in the northwest sea area from the mean center(MC) of the study area. This means that it is possible to quantitatively identify where and to what extent the distribution of cold surface water temperature appears through SST's WMC location information, and we could see the possibility of WMC's use in detecting the scale of cold water zones and the extent of regional spread in the future.
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문제 정의
본 연구에서는 남동해역의 수온 관측 부이 자료, NASA Jet Propulsion Laboratory에서 제공하는 GHRSST(Group for High Resolution Sea Surface Temperature) Level 4의 분산과 WMC(weighted mean center)를 활용하여 냉수대의 분포패턴을 정량적으로 분석하고자 한다.
제안 방법
85℃ 높게 나타난 결과에서 확인한 것처럼 연구지역내에서 남쪽연안의 수온이 북쪽연안에 비해 높게 형성되어 나타난 결과로 사료된다. 그러나 WMC의 산포도만으로는 일별로 생산된 WMC의 전체적인 분포만 파악할 수 있기에 일별 변화를 파악하기 위해 MC와 WMC의 거리를 시간에 따라 나타내고 제 2사분면의 위치한 WMC를 분석하여 보았다.
기하학적인 공간중심인 MC를 기준으로 하여 구한 WMC는 수온에 역수를 취하여 가중치를 부여하였다. 일반적인 SST를 WMC에 가중치로 부여하게 되면 연안에 낮은 수온의 수괴가 나타났을 때 WMC는 상대적으로 높은 수온이 형성되어 있는 외해로 이동하게 된다.
냉수대의 공간적인 분포에 관한 연구로는 Yoon and Yang(2016)의 SST와 Chl-a, 해류의 흐름을 활용하여 남동해역 냉수대의 시공간적 변화를 분석하여 해역별 SST의 변화와 냉수대의 영향에 대해 분석하였다. Kim et al.
두 지점의 부이 자료를 통해서는 수온의 시계열적 변동을 파악하였고, GHRSST 자료를 통해서는 연구지역 전체의 일별 표층 수온 분산을 도출하였다. GHRSST의 분산은 7월 22일에 3.
또한 전체적인 해역의 수온분포에 대한 변화를 한눈에 알 수 있는 장점이 있다. 또한 기하학적 객체의 중심인 MC를 (0, 0)으로 MC에서 WMC의 거리를 나타내었다. 이를 통해 WMC 각각의 이동한 거리를 나타냄으로써 수온에 의한 상대적인 영향을 파악하였다.
본 연구에서는 2018년 6월∼9월의 위도 35.20° ∼35.90° , 경도 129.10° ∼129.90° 한국남동 해역의 수온변화를 수온 관측 부이, SST의 분산, WMC를 활용하여 분석하였으며 이를 활용하여 남동해역의 수온변화를 분석한 결과는 다음과 같다.
WMC를 활용하여 연안에 발생하는 냉수대 및 수온변화를 분석한 결과 수온이 낮아지는 시점에는 제 3사분면에 위치하고 다시 증가되는 시점에는 제 2사분면에 위치함으로써 수온의 변화가 있을 때 WMC가 제 3사분면에서 제 2사분면으로 이동하는 것으로 나타났다. 이를 GHRSST의 분포로 확인하여 보았다. 그림 7은 6월 25일∼7월 3일의 SST 분포이다.
또한 기하학적 객체의 중심인 MC를 (0, 0)으로 MC에서 WMC의 거리를 나타내었다. 이를 통해 WMC 각각의 이동한 거리를 나타냄으로써 수온에 의한 상대적인 영향을 파악하였다.
분산과 수온으로 연안 해역에서 남쪽의 수온과 중간의 수온차이가 분산의 변화와 비슷하게 나타나는 것을 알 수 있지만, 해역전체의 변화를 한눈에 파악하기는 어려운 문제점이 있었다. 이에 SST를 활용하여 추출한 WMC을 이용하여 해역의 수온분포를 파악하였다. 그림 4는 6월에서 9월까지의 일별 WMC의 분포이다.
이에 본 연구에서는 SST의 분산을 수온 관측 부이의 수온 및 SST에서 추출한 수온과 비교 · 분석하였다.
현재 SST를 활용한 냉수대의 분석은 수온의 변화를 시각적으로 파악하여 확산 및 분포를 설명하였으므로 정량적인 분석이 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 연안에서 용승한 차가운 해수가 해역의 수온변화에 미치는 영향을 분석하기 위해 분산을 활용하였다. 그림 2는 SST를 활용하여 2018년 6월∼2018년 9월 동안 위도 35.
부이의 수온이 낮아지면 연구해역 수온의 분산이 증가하는 경향을 보였으나, 전 기간 일치하게 나타나지는 않았다. 이에 차가운 수괴가 발생하는 공간적인 위치를 정량적으로 파악하기 위해 GHRSST를 활용하여 추출한 WMC을 이용하여 해역의 수온분포를 파악하였다. 수온에 역수를 취하여 산포도로 분석한 WMC는 제 2사분면에 밀집되어 분포하는 특성을 보였다.
85℃이상 높게 형성되는 특성을 보였다. 이후 해역전체의 수온에 비해 연안 수온이 급격하게 변화한 기간을 파악하여 분석하였다. 수온 관측 부이와 SST의 수온을 분석한 결과 6월에서 8월까지 상승하다 8월 이후 하강하는 패턴을 보이는데 이는 계절적인 영향으로 판단되며, 6월에서 9월까지 동일한 추세를 보이는 것으로 나타났다.
이는 수온 관측 부이 자료에서 확인하였듯이 북쪽 연안의 수온이 남쪽연안에 비해 낮게 형성되며 연안의 차가운 수괴가 해류의 영향을 받아 북쪽으로 확산되는 영향으로 판단된다. 제 2사분면 및 제 3사분면에 위치한 WMC의 기간을 파악하고 수온 관측 부이 자료와 비교하기 위해 MC 와 WMC의 거리를 시계열로 분석하였다. WMC는 수온이 낮아지는 시점에는 MC와의 거리가 0.
대상 데이터
또한 냉수대의 공간적인 분포를 파악하기 위해 연구대상 해역의 기하학적인 MC(mean center)인 35.37° N, 129.57° E을 중심좌표(0, 0)로 설정하여 NOAA에서 제공하는 GHRSST Level 4 자료를 활용하였다.
본 연구에서 활용한 자료는 2010년 6월부터 1㎞ × 1㎞ 격자에서 매일 생산되고 있다.
본 연구의 대상지역은 위도 35.20°∼35.90° , 경도 129.10°∼129.90° 의 한국 남동해역으로 수집기간은 2018년 6월에서 9월까지이다(그림 1).
, 2014). 실제 냉수대의 발생을 확인하기 위하여 한국수력원자력에서 제공하는 고리, 정자의 현장 관측 부이의 수온자료를 활용하였다. 또한 냉수대의 공간적인 분포를 파악하기 위해 연구대상 해역의 기하학적인 MC(mean center)인 35.
5㎞ 이상에서 제 2사분면에 위치하는 것을 알수 있다. 이러한 WMC의 변화를 통해 냉수대 발생을 분석하기 위하여 국립수산과학원의 냉수대 속보자료를 활용하였다. 국립수산과학원에서 발표한 냉수대 발생 기간은 6월 26일∼7월 4일, 8월 24일∼9월 3일이며 제 2사분면에 위치한 WMC가 총 20일중 6월 29일∼7월 3일, 8월 25일∼9월 3일의 기간 동안 15일만큼 일치하고 제 3사분면에 위치한 WMC는 20일중 6월 26일∼6월 28일 동안 3일만큼 일치하게 나타났다.
데이터처리
두 지점의 부이 자료를 통해서는 수온의 시계열적 변동을 파악하였고, GHRSST 자료를 통해서는 연구지역 전체의 일별 표층 수온 분산을 도출하였다. GHRSST의 분산은 7월 22일에 3.33으로 가장 높은 값을 나타내었으며, 해역에서 분산이 0.5이상 되는 구간을 유의미한 변화가 있는 구간으로 판단하여 수온 관측 부이의 수온과 비교 분석하였다. 수온 관측 부이의 수온은 6월 1일∼6월 9일, 6월 23일∼7월 3일, 7월 14일∼7월 27일, 8월 25일∼9월 10일에 급격하게 낮아지는 것으로 나타났는데 이는 분산이 0.
이론/모형
또한 하나의 지점에 대한 수온정보만을 제공하고 있어 연안 전체의 수온을 대변하는 것에는 한계가 있다고 판단되었다. 이에 해역 전체의 수온 변화를 파악하기 위해 WMC를 활용하였다.
성능/효과
6월 25일에 기장, 울산 해역에 냉수대가 발생하여 6월 27일∼7월 3일까지 경주, 포항 해역으로 확산되는 모습을 확인할 수 있었다.
냉수대 발생기간에 WMC가 제 2사분면과 제 3사분면에 나타나는 특성을 보였다. WMC를 활용하여 연안에 발생하는 냉수대 및 수온변화를 분석한 결과 수온이 낮아지는 시점에는 제 3사분면에 위치하고 다시 증가되는 시점에는 제 2사분면에 위치함으로써 수온의 변화가 있을 때 WMC가 제 3사분면에서 제 2사분면으로 이동하는 것으로 나타났다. 이를 GHRSST의 분포로 확인하여 보았다.
국립수산과학원에서 발표한 냉수대 발생 기간은 6월 26일∼7월 4일, 8월 24일∼9월 3일이며 제 2사분면에 위치한 WMC가 총 20일중 6월 29일∼7월 3일, 8월 25일∼9월 3일의 기간 동안 15일만큼 일치하고 제 3사분면에 위치한 WMC는 20일중 6월 26일∼6월 28일 동안 3일만큼 일치하게 나타났다.
90° 범위에서 산출한 분산을 나타낸 것이다. 균일한 수온이 분포한 해역에서 분산의 증가는 기존과 다른 수온의 해수가 유입된 것으로 판단할 수 있으며, 유입된 수온이 기존의 수온과의 차이가 클수록 높은 분산의 값을 나타낸다. 7월 22일의 분산은 3.
국립수산과학원에서 발표한 냉수대 발생 기간은 6월 26일∼7월 4일, 8월 24일∼9월 3일이며 제 2사분면에 위치한 WMC가 총 20일중 6월 29일∼7월 3일, 8월 25일∼9월 3일의 기간 동안 15일만큼 일치하고 제 3사분면에 위치한 WMC는 20일중 6월 26일∼6월 28일 동안 3일만큼 일치하게 나타났다. 냉수대 발생기간에 WMC가 제 2사분면과 제 3사분면에 나타나는 특성을 보였다. WMC를 활용하여 연안에 발생하는 냉수대 및 수온변화를 분석한 결과 수온이 낮아지는 시점에는 제 3사분면에 위치하고 다시 증가되는 시점에는 제 2사분면에 위치함으로써 수온의 변화가 있을 때 WMC가 제 3사분면에서 제 2사분면으로 이동하는 것으로 나타났다.
5㎞ 이상에서 제 2사분면에 위치하였다. 또한 WMC의 변화는 수온변화가 있는 구간과 동일하게 나타나는 것을 알 수 있으며 총 20일의 냉수대 발생기간 중 18일이 일치하는 것으로 나타났다. 위성영상을 통해 검증한 결과 6월 26일∼7월 4일의 냉수대는 기장, 울산해역에서 발생하여 경주, 포항해역으로 확산되는 것을 확인할 수 있었다.
5 이상으로 증가된 기간과 비교적 일치하는 특성을 보였다. 또한 고리와 정자의 수온은 동일한 경향성을 보이며 증가 및 감소를 하는 것으로 나타났지만 고리가 정자에 비해 평균 0.85℃이상 높게 나타났다. 이는 연구지역에서 북쪽연안의 수온이 남쪽연안에 비해 상대적으로 낮다는 것을 의미한다.
SST의 수온분포는 수온 관측 부이 자료에 비하여 변동성이 적고 계절성을 반영하고 있다. 먼저 고리와 정자의 수온 변화의 추세를 비교한 결과 동일한 경향성을 보이는 것으로 나타났으며 연구기간동안 고리의 수온이 정자에 비하여 평균 0.85℃이상 높게 형성되는 특성을 보였다. 이후 해역전체의 수온에 비해 연안 수온이 급격하게 변화한 기간을 파악하여 분석하였다.
본 연구결과 WMC는 남동해역에 발생하는 연안의 표층 수온 변화 및 냉수대 발생 시 수온 변화를 정량적으로 파악 할 수 있는 장점이 있으며, SST의 변화패턴을 시계열적으로 분석하기 용이하다.
이후 해역전체의 수온에 비해 연안 수온이 급격하게 변화한 기간을 파악하여 분석하였다. 수온 관측 부이와 SST의 수온을 분석한 결과 6월에서 8월까지 상승하다 8월 이후 하강하는 패턴을 보이는데 이는 계절적인 영향으로 판단되며, 6월에서 9월까지 동일한 추세를 보이는 것으로 나타났다. 이에 SST의 수온에 비해 수온 관측 부이의 수온이 급격하게 낮아진 기간을 파악하여 보았는데 변화가 있는 기간은 6월 1일∼6월 9일, 6월 23일∼7월 3일, 7월 14일∼7월 27일, 8월 25일∼9월 10일로 나타났다.
위성영상을 통해 검증한 결과 6월 26일∼7월 4일의 냉수대는 기장, 울산해역에서 발생하여 경주, 포항해역으로 확산되는 것을 확인할 수 있었다.
6월 25일에 기장, 울산 해역에 냉수대가 발생하여 6월 27일∼7월 3일까지 경주, 포항 해역으로 확산되는 모습을 확인할 수 있었다. 이를 통해 연안의 발생하는 냉수대는 남쪽에서 북쪽으로 확산되는 특성을 WMC로 분석이 가능한 것을 확인하였다. 또한 WMC가 연안에 위치할 때 수온변화가 있는 구간과 동일하게 나타나는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 연안에서 발생하는 수온 변화 및 냉수대를 파악할 수 있을 것이다.
후속연구
이를 통해 연안의 발생하는 냉수대는 남쪽에서 북쪽으로 확산되는 특성을 WMC로 분석이 가능한 것을 확인하였다. 또한 WMC가 연안에 위치할 때 수온변화가 있는 구간과 동일하게 나타나는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 연안에서 발생하는 수온 변화 및 냉수대를 파악할 수 있을 것이다.
위성영상을 통해 검증한 결과 6월 26일∼7월 4일의 냉수대는 기장, 울산해역에서 발생하여 경주, 포항해역으로 확산되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 WMC를 연안에서 발생하는 수온 변화 및 냉수대를 파악하는데 활용할 수 있을 것이라 사료된다.
그러나 재분석 자료의 한계를 지닌 GHRSST의 특성으로 국지적으로 급격하게 변하는 수온을 충분히 탐지하기에 문제점이 있었다. 이에 향후 연구에서는 남동해역의 표층 수온 변화 및 냉수대의 변화와 WMC의 관계를 명확히 제시하기 위해서는 장기적인 데이터 분석이 필요한 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한반도 연안에서 발생하는 냉수대는 어떤 현상인가?
한반도 연안에서 발생하는 냉수대는 수온이 주변해역에 비하여 상대적으로 5℃ 이상 급격하게 낮아지는 현상을 말하며 하계 6월에서 8월경에 동해안에서 주로 발생한다(Oh et al., 2004; Kim et al.
연안에서 냉수대가 발생하는 원인에는 무엇이 있는가?
연안에서 냉수대가 발생하는 원인으로는 바람에 의한 혼합 및 용승, 조류에 의한 해저마찰 및 혼합, 기온 하강, 담수유입에 의한 이류에 의해서 발생한다(Oh et al., 2005).
부이의 수온이 낮아지면 연구해역 SST의 분산이 증가하는 경향을 보였으나, 전 기간 일치하게 나타나지는 않는 이유는?
부이의 수온이 낮아지면 연구해역 SST의 분산이 증가하는 경향을 보였으나, 전 기간 일치하게 나타나지는 않았다. 이는 GHRSST가 재분석 자료로 연안의 민감한 수온변화를 반영하지 못하기 때문이다. 이와 같이 전 해역의 SST 변화를 대표하는 통계적 분산만으로는 연안의 국지적인 소규모의 수온변화를 파악하거나, 냉수대 발생해역의 위치 및 범위를 탐지하기에는 한계가 있다.
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