해양 생태계 모델링

해양 생태계 모형

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 확산, 연직혼합과^[7] 같은 물리적 특성과의 상호작용을 고려한다(그림 1).

그림 1. POLCOMS-ERSEM 해양순환-하위생태계 결합 모형 개념도

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

해양 생태계 모형 : 연직 1차원 혼합역학-생지화학 결합 하위생태계 모델링

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 2. 미 해군 제공 해양순환재분석 자료(NRL-HYCOM)를 기반으로 한 물리특성에 따라 변동하는 생태계 변수들의 기후 평균장 산출 예

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 계절 변동성을 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.

3차원 물리-생지화학 결합 하위생태계 모델링

독도 주변 해역의 복잡한 지형과 물리적 특성을 고려한 하위 생태계 변동성 규명 및 미래 변화 예측을 위해 POLCOMS-ERSEM 기반의 해양순환-생지화학 결합 생태계 모형을 수립하고 있다. 본 모형은 수평 격자 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 대기 강제력으로 하여, 과거 30년 이상의 하위생태계 변동성을 수치적으로 재현하고자 한다. 그림 3은 모형의 영역과 수심 분포를 나타낸 것이다.

그림 3. 개발중인 POLCOMS-ERSEM 기반 독도 주변 해역 포함 동해 남부 상세 해양순환-생지화학 결합 모형의 영역 및 수심 분포도