The Sea Journal of the Korean Society of Oceanography ISSN:1226-2978(Print) 2671-8820(Online) 한국해양학회지 바다

본 연구에서는 다층 퍼셉트론(multi-layer perceptron, MLP) 신경망을 이용하여 Lorenz 시스템의 자료기반 인공지능(artificial intelligence, AI) 모델을 구축하고, 이를 활용한 4차원 변분(four-dimensional variational, 4D-Var) 자료동화 시스템을 개발하였다. AI 모델은 기존 역학 모델의 적분 시간 간격보다 10배 큰 시간 간격에서 Lorenz 시스템의 상태를 예측하도록 학습되었으며, 끌개 구조, 결정론적 불규칙 흐름, 분기 현상 및 초기 조건 민감성 등 카오스적 특성을 잘 재현하였다. 자동미분을 적용하여 AI 모델의 접선형 모델과 수반 모델을 도출하고, 수반 기울기의 정확성을 수치적으로 검증하였다. AI 4D-Var 모델은 전통적 4D-Var 모델과 유사한 분석 정확도를 보였고, 모델 가중치를 추출한 NumPy 구현(AI-NP)과 네트워크 축소를 결합하여 전통적 4D-Var 모델 대비 최대 약 3.5배 빠른 계산 성능을 달성하였다. 물리 기반 Euler 전진 차분에 신경망 보정을 추가한 잔차 학습 기법도 적절한 네트워크 규모에서 전통적 4D-Var 모델과 유사한 정확도를 나타냈다. Lorenz 끌개에서 추출한 8개의 초기 조건과 8가지 배경장 섭동 크기를 조합한 64개 케이스의 앙상블 실험에서는 네트워크가 클수록 성능이 대체로 향상되었다. 특히 은닉층 크기 h = 64인 AI-NP 실험은 평균 분석 오차 1.18과 성공률 90.6%를 기록하여, 평균 분석 오차 1.52와 성공률 87.5%를 기록한 전통적 4D-Var 모델과 비교 가능한 성능을 보였다. 이러한 결과는 충분한 네트워크 용량을 갖춘 AI 기반 4D-Var 모델이 저차원 카오스 시스템에서 전통적 4D-Var 모델과 동등한 수준의 성능을 보일 수 있음을 시사한다. 본 연구는 저차원 카오스 시스템에서의 개념 검증으로서, 향후 부분 관측 조건과 보다 복잡한 방정식계로의 확장 검증이 필요하다.

본 연구에서는 5개 특별관리해역(시화호-인천연안, 광양만, 마산만, 부산연안, 울산연안) 육상 유역 내 하천 퇴적물을 대상으로 중금속 농도와 오염도 및 생태위해도를 평가하였다. V와 Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Sb, Cs, Ba, Pb, Hg 14개의 중금속 원소와 보존성 원소인 Li과 Cs을 분석하였고, 시화는 Ba의 평균 농도가 825.3 mg/kg, 광양과 마산, 부산, 울산은 Mn의 평균 농도가 739.5 mg/kg, 893.2 mg/kg, 1023.5 mg/kg, 585.4 mg/kg으로 가장 높았다. 농축계수(EF)는 광양의 Sb, 마산의 Cr과 Ni, Hg, 울산의 Cu과 Cd, Sb 등이 산업 활동에 기인한 고농축 양상을 보였다. 오염부하지수(PLI) 분석 결과, 5개 지역에서 1 이상의 수치를 기록하여 광범위한 오염 상태를 나타냈으며, 울산(U10), 마산(M14), 부산(B7), 시화(S8) 등 주요 국가산업단지 및 공업지역 인근 정점에서 높은 오염부하가 확인되었다. 생태위해도지수(ERI) 평가에서는 독성 계수가 높은 Hg(수은)와 Cd(카드뮴)이 전반적인 위해도를 결정짓는 핵심 원소로 분석되었다. 특히 울산 지역의 Hg 평균 Er은 3723.1로 매우 높은 위해도(Very high) 기준인 320을 수십 배 상회하였으며, 울산 U10 정점의 ERI는 50000 이상의 수치를 기록하여 생태계에 매우 치명적인 상태임을 나타내었다.

서부 인도양에서 수집된 음향자료와 인도양 다랑어 위원회 열대 다랑어 어획자료 및 Copernicus 기반 해양환경 자료를 활용하여 눈다랑어, 가다랑어, 황다랑어의 어획 분포와 먹이생물 분포 및 해양환경 간의 관계를 조사하였다. 2021년 12월 한국해양과학기술원 연구선 이사부호에서 획득한 38 kHz 음향자료를 이용하여 해리면적산란계수(NASC)를 산출하였으며, 이를 열대 다랑어 어획량 및 수온, 염분, 용존산소 자료와 비교하였다. 분석 결과, NASC는 남위 9°-12° 및 남위 3°-6° 해역에서 상대적으로 높게 나타난 반면, 열대 다랑어 어획량은 북서부 및 적도 인근 해역에 집중되는 경향을 보였다. 열대 다랑어 3종 모두 북부 및 적도 인근 해역에서 높은 어획량을 나타냈으나, 종별 공간 분포에는 차이가 있었다. 가다랑어와 황다랑어는 주로 남위 3° 이북 해역에 집중되었고, 눈다랑어는 남위 9° 이남에서도 일부 어획이 나타났다. NASC와 열대 다랑어 어획량 간 스피어만 상관계수는 매우 낮았으며 통계적으로 유의하지 않았다(ρ = 0.029, p = 0.172). 이는 음향자료와 어획자료 간의 시·공간적 불일치와 표본 기반 어획자료의 한계에 기인한 것으로 판단된다. 해양환경 분석에서는 다랑어 어획이 집중된 북부 및 적도 인근 해역이 34 m 수심에서 비교적 높은 수온과 용존산소 농도가 나타난 구간과 일부 중첩되었으며, 이는 기존 연구에서 제시된 열대 다랑어의 선호 환경 범위와 일부 유사한 경향을 보였다. 또한 NASC와 해양환경 변수 간에는 일부 유의한 상관관계가 나타났으나, 전반적으로 상관계수의 절대값이 낮아 약한 수준의 관계를 보였다. 본 연구는 서부 인도양에서 음향자료와 열대 다랑어 어획자료 및 해양환경 자료를 통합적으로 비교·분석한 기초 연구로서, 향후 다랑어 자원과 먹이생물 및 해양환경 간의 생태적 연계성을 규명하기 위한 기반 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

북극해는 전 지구상에서 가장 빠르게 온난화가 진행되고 있으며, 이에 따른 해빙의 급격한 감소는 해양 순환과 생지화학적 순환에 근본적인 변화를 초래하고 있다. 본 종설은 극지연구소의 쇄빙연구선 아라온호 탐사를 통해 축적된 자료와 최신 국제 공동 연구 결과들을 바탕으로, 서북극해에서 발생하고 있는 해양순환 체계의 급격한 전환과 그에 따른 영양염 및 유기물 순환의 변화를 종합적으로 고찰하였다. 현재 서북극해는 ‘대서양화(Atlantification)’와 ‘보퍼트 환류(Beaufort Gyre) 변동성’이라는 두 가지 주요 물리적 변화를 겪고 있다. 대서양 기원수가 유라시아 분지를 넘어 마카로프 분지와 동시베리아해까지 확장되면서 염분약층(halocline)의 약화, 영양염 약층(nutricline)의 상승, 및 식물플랑크톤 번성을 유발하고 있다. 동시에, 보퍼트 환류의 연간 변동성은 하천수와 육상 기원 용존 유기물의 공간적 재배치를 주도하고 있다. 또한, 이러한 물리적 순환의 변화는 척치 고원(Chukchi Plateau) 등에서 저산소화 및 해양 산성화를 가속화하는 요인으로 작용하고 있음이 확인되었다. 본 종설은 서북극해의 영양염 공급 및 유기물 순환의 변화가 대서양화와 보퍼트 환류 변동이라는 대규모 물리적 과정에 의해 주도됨을 시사하며, 이는 향후 북극해 탄소 순환과 생태계 모델링에서 물리-생지화학적 결합 기작에 대한 정량적 이해가 필수적임을 강조한다.