해양 생태계 모형은 생태계 기능에 대한 이해를 바탕으로 과학적 지식과 각종 자료 그리고 정보를 통합하여 모니터링과 관측자료를 보완 분석하고 과거 변동성에 대한 진단 및 미래 변화를 예측할 수 있는 중요한 도구이다. 이는 축적된 자료의 간극을 채우고 생태계 변동성과 요소인자 간의 상호작용을 파악하는 데 유용하다. 본 연구의 목적은 독도 주변 해역 생태계 모델링을 통하여 모형(model)을 이용한 과거 변동성 재현과 해양 하위생태계 변동 역학을 규명하고, 독도 주변 해역 생태계의 계절 및 경년 변동성[1]을 이해하는 것이다. 해양 하위생태계 모델링은 영양염과[2] 일차생산자[3] 그리고 일차소비자[4] 기능군을 통해서 친생물원소인 탄소, 질소, 인, 규소 등과 용존기체인[5] 이산화탄소, 산소 등의 생지화학적 순환[6]을 주로 다루며, 해수유동에 의한 수평 이동 및 확산과 연직혼합과[7] 같은 물리적 특성과의 상호작용을 고려한다(그림 1).

이를 통해 기후변화와 같은 장기변화 시나리오에 따른 독도 해양 생태계 변화 전망을 통해 정책입안자, 어업인 및 일반 국민들이 활용할 수 있는 과학적 근거 자료를 생산하고 의미있는 정보를 제공하는 데 기여할 것으로 기대한다.

지난 2009년부터 독도 동쪽 약 3.2 km 에 있는 수심 약 140 m 해역에서 표층 기상, 용존산소 및 엽록소 등과 수심에 따라 약 20 m 간격으로 수온, 염분을 모니터링하고 있다. 여기에서 생산되는 자료를 활용하여 GOTM-ERSEM 기반의 연직 1차원 혼합역학[8] -생지화학 결합 하위생태계 모형을 수립하였으며, 모형 결과와 관측자료와의 비교를 통해 모형의 재현성을 검증하고 개선한다. 연직 1차원 혼합역학 모형은 수평적인 이동 확산에 의한 영향을 고려할 수 없어 관측에서 종종 나타나는 난수(냉수) 소용돌이 등의 출현과 같은 중규모 변동성을 직접적으로 재현할 수 없다. 이에 대한 보완책으로 미 해군에서 제공하고 있는 3차원 재분석 자료(NRL-HYCOM)에서 모사된 수온과 염분의 연직분포를 이용하여 물리적 특성을 재현하고 이에 따른 생지화학 변수들의 계절 및 경년 변동성을 재현, 분석한다.

그림 2는 연직 1차원 혼합역학-생지화학 결합 하위생태계 모형에서 도출한 생태계 변수들의 기후 월평균장으로서[9] 수심과 계절에 따른 변화를 볼 수 있다.

수온의 경우, 겨울에는 전반적으로 상하층 사이의 혼합이 잘 이루어지고, 여름철에는 표층에 강한 성층이 형성된다. 엽록소-a의 시간 및 수직분포 변화를 통해 영양염과 빛의 공급이 원활한 봄에 표층에서 대번성이 발생하며, 여름철에는 표층의 영양염이 고갈되어 엽록소-a 최대층이 수온약층과[10] 영양염약층 하부 및 유광층[11] 상부를 중심으로 형성되었다가, 늦가을과 겨울에 공급되는 하층의 영양염에 의해서 봄 번성보다 작은 번성이 표층에서 발생하는 일반적인 식물플랑크톤의 번성 시기 및 크기 변동성이 비교적 잘 재현되고 있음을 알 수 있다. 크기 및 영양염 특성에 따른 식물플랑크톤 기능군 및 동물플랑크톤 기능군, 박테리아, 그리고 유기물의 시간에 따른 수직분포 변화를 통해 일반적인 계절변동성을 모형이 정성적으로는 잘 재현하고 있음을 알 수 있다. 현재까지의 관측자료는 모형 결과처럼 조밀하게 제시할 수는 없으나, 경년 변동성으로 인해 매년 편차가 발생하므로 여기에 대한 모니터링과 모형의 경년 변동성 재현성에 대한 평가와 분석을 통해 모형을 개선하고 있다.

독도 주변 해역의 복잡한 지형과 물리적 특성을 고려한 하위 생태계 변동성 규명 및 미래변화 예측을 위해 POLCOMS-ERSEM 기반의 해양순환-생지화학 결합 생태계 모형을 수립하고 있다. 본 모형은 수평격자 크기를 약 1/40도 (2~3 km), 연직 층수를 40개로 구성하였으며, 1/10도 규모의 광역 모형 결과로부터 경계조건을 얻고, 유럽 중규모 기상센터(ECMWF)의 재분석자료를 대기강제력으로 하여, 과거 30년 이상의 하위생태계 변동성을 수치적으로 재현하고자 한다. 그림 3은 모형의 영역과 수심 분포를 나타낸 것이다.

• [1] 경년 변동(Interannual Variation) - 해양 현상이 가지는 다양한 시간 규모의 변동성 중에서 수십 년 이내 범위에서 여러 해에 걸친 변동을 경년 변동이라 한다.
• [2] 영양염 - 식물플랑크톤이나 해조류의 골격물질을 구성하고 그것들의 유기물질 합성에 제약요인이 되는 규산염(silicate), 인산염(phosphate), 질산염(nitrate), 아질산염(nitrite) 등을 총칭해서 영양염이라 한다.
• [3] 일차생산자 - 
  ① 먹이망이나 먹이사슬의 최하위에 속하는 생물.
  ② 무기물에서 유기물을 생산하는 독립영양생물.
• [4] 일차소비자 - 식물에 의하여 동화된 유기물질을 처음으로 소비하는 초식동물을 칭하는 생태학적 용어이다.
• [5] 용존기체 - 물 또는 용액 속에 녹아 있는 기체를 용존기체라고 한다.
• [6] 생지화학적 순환 - 지구상에서 어떤 물질이 생물학적, 지질학적, 화학적 과정을 거치면서 변환되거나 저장고들 사이를 이동하지만 원래 자리로 되돌아온다는 의미에서 생지화학적 순환이라는 용어를 사용한다.
• [7] 연직혼합 - 바닷물이나 대기가 난류로 인해 수직방향으로 뒤섞여져 원래 갖고 있던 물리적, 화학적 성질이 바뀌는 것을 말한다.
• [8] 혼합역학 - 평균류에 의한 물질의 이동과 난류성분에 의한 확산을 고려한 물질의 이동 확산 역학을 말한다.
• [9] 기후 월평균장 - 일정 기간(보통 30년) 동안의 매달 평균값의 평균적 분포를 의미한다.
• [10] 수온약층 - 바다에서 깊이에 따른 수온이 급격하게 감소하는 층을 말한다. 수온약층의 깊이는 계절, 장소에 따라서 달라진다.
• [11] 유광층 - 표층조도(surface illumination)의 1%까지 투과되는 깊이로서, 광합성에 충분한 빛을 받는 수층을 말한다.