1. 서 론

해양은 지구 표면적의 71% 이상을 차지하고 있으며 23만종 이상 생명체의 서식처를 제공할 뿐 아니라 지구에 생명체가 살아갈 수 있는 안정적인 환경을 유지하는데 핵심적인 역할을 담당하고 있다. 지난 몇십 년 동안의 연구에서 해양에서 일어나는 다양한 과정이 전 지구적인 기상 및 기후 현상에 밀접한 관련이 있는 것으로 알려졌다. 특히 1980년대 이후에는 인간활동이 전 지구적인 기후변화의 원인을 제공했을 가능성이 제기되어, 해양내부 물질순환을 이해하기 위해 전 세계의 수많은 연구자가 광범위한 해역에서 해양연구 프로그램(IPY/IGY, GEOSECS, WOCE, WOCE/WHP, OACES, JGOFS, OCMIP, GEOTRACES, GO-SHIP)을 수행하였다(부록 1). 이처럼 다양한 측정능력을 가진 연구자에 의해서 장기간에 걸쳐 수행된 연구자료를 통합하여 전 지구적 규모로 해양 심층에서 일어나는 변화를 이해하기 위해서는 각 자료 간의 상호비교성 확보가 중요하다. 본 연구에서는 자료를 생산하는 시료 채취에서 분석에 이르기까지 화학 자료의 품질관리와 생산된 자료를 통합하면서 다양한 연구자에 의해 생산된 자료의 상호비교성을 확보하는 방법들에 대해 다루고자 한다.

2. 생산단계별 자료품질에 영향을 미치는 요소

자료를 생산하는 단계에서 자료의 품질에 영향을 미치는 요소는 현장에서 시료를 채취하고 전처리하는 단계, 실험실에서 시료를 분석하는 단계, 그리고 분석된 자료를 처리하여 최종결과를 도출하는 단계별로 핵심적인 요소가 있다(Fig. 1).

Fig. 1.

Detailed components affecting data quality from sampling to analysis.

시료채취 단계에서 자료의 품질에 영향을 주는 요소는 항목별로 목표하는 자료품질을 확보하기 위한 적절한 시료채취 장비 및 장비의 관리상태, 장비 운영자의 숙련도 및 시료채취 당시의 해황등이 있다. 시료채취 후에는 분석전까지 현장이나 실험실에서 사료의 전처리가 필요한 경우 전처리 방법의 적절성, 전처리 장비의 종류 및 상태, 그리고 전처리를 담당자의 숙련도등이 자료의 품질에 영향을 미친다. 채취된 시료를 보관하는 방법 및 보관용기의 적절성, 보관기간 등도 자료품질에 영향을 주는 중요한 요소이다. 항목별 시료분석에 사용되는 분석방법 및 분석장비의 적절성, 분석장비 관리상태와 분석자의 숙련등이 분석의 정확도와 정밀도를 결정하는 핵심 요소이다. 이러한 요소들에 대해서 개별적으로 설명을 하는 것은 본연구의 범위에서 벗어나 자세하게 다루지는 않았다.

최근의 경향은 다양한 연구자들이 참여하는 프로젝트에서는 항목별로 목표로 하는 자료의 품질을 달성하기 위해 자료를 생산하는 단계에서 필수적으로 요구되는 사항들을 정리한 표준운영절차서를 미리 작성하여 과제에 참여하는 연구자들과 공유하여 공통된 방법으로 자료를 획득하고 있다. 해양에서 수집되는 자료 중의 일부는 장기간 관측에 따른 시료보관 기간이 길어져 시료를 보관하는 과정에서 자료의 품질이 저하되거나 시료의 수가 너무 많아 보관이 어려워 시료 채취 후 짧은 기간 내에 선상에서 분석하는 것을 장려하고 있는데, 이럴 때 사용되는 장비와 운영자의 숙련도에 따른 분석자료의 품질 상호비교성 확보를 위해 다양한 기관이 참석하는 선상 상호비교실험을 진행하기도 한다.

3. 다양한 관측자료의 통합 및 상호비교성 확보를 위한 품질관리 절차

해양내부 물질순환과 대기 중 이산화탄소의 상호작용이 전 지구적 규모의 기후변화와 밀접한 관련성이 있는 것으로 알려지면서 장기간에 걸쳐 전 지구적인 규모의 해양 환경변화 이해하기 위해 가용한 모든 자료를 사용하기 쉬운 자료의 형태로 통합하는 전 지구적 해양 자료 분석 프로젝트(Global Ocean Data Analysis Project, GLODAP)를 2004년에 진행하였다(Key et al., 2004). 초기 GLODAP data set 구성을 위해서 사용된 자료는 1985~1999년 사이에 수행된 95개의 항차에서 9,681개 정점자료와 1972~1990년 사이에 관측된 21개 항차에서 2,393개의 역사적인 관측정점의 자료를 통합하였다(Fig. 2).

이후 유럽의 과학자들이 북대서양에서 탄소시스템에 관계되는 연구에 유용한 해양표층 이산화탄소계 인자 자료를 통합하는 CARINA (Carbon in Atlantic Ocean) 프로젝트가 있었다(Key et al., 2010). 태평양에서 해양내부 탄소계 인자들 통합하는 PACIFICA (PACIFic ocean Interior CAbon)가 북태평양해양과학기구(North Pacific Marine Science Organization, PICES) 주도로 수행되었다(Suzuki et al., 2013). 2016년에는 이전의 GLODAPv1.1, CARINA, PACIFICA 자료에 168개 항차의 관측자료를 추가하여 통합한 GLODAPv2 (Olsen et al., 2016)가 나왔으며, 2019년도 106개 항차의 자료를 추가한 GLODAPv2_2019 (Olsen et al., 2019)에 이어 2020년에 GLODAPv2_2019에 추가적인 업데이트를 포함한 GLODAPv2_2020에는 1972~2019년 기간 동안 전 세계 대양에서 수행된 946개 항차의 1.2백만 개 이상의 해수 시료에서 측정된 자료를 포함하고 있으며 향후 2023년 예정된 3차 The Global Ocean Ship-Based Hydrographic Investigations Program (GO-SHIP) 관측 완료 후에는 이들 자료도 포함하는 GLODAPv3도 추진할 예정이다(Olsen et al., 2020).

Fig. 2.

Diagram showing global research program for data collection and efforts for GLODAP data set.

다양한 관측자료를 통합하기 위해서 (1) 광범위한 해역에서 관측된 고품질의 자료를 각각의 연구프로그램과 관련된 자료센터에서 수집하거나 각 항차의 관측책임자 또는 개별연구자들로부터 수집하는 과정, (2) 다양한 관측프로그램에서 생성된 다양한 형식의 자료의 일관성을 부여하기 위해서 World Ocean Circulation Experiment (WOCE) Exchange Format (Swift and Diggs, 2008)으로 통합하는 과정, (3) 수집되는 모든 자료 중 분석값의 정확성이 의심스러운 자료를 가려내기 위해 특성-특성 그래프(property-property plots)를 검토하는 일차품질관리(Sabine et al., 2005; Tanhua et al., 2010) 과정, (4) 자료에 중요한 편차를 확인하고 교정하는 이차품질관리(Olsen et al., 2016) 과정을 수행하였다(Fig. 3). 본 연구에서 이러한 과정들에 대해 자세하게 설명하고자 한다.

Fig. 3.

Various steps involved in the making GLODAPv2.2020 Data Set.

3.1 자료형식 통합

자료통합에 사용된 기본 형식은 일반적인 사항을 설명하는 양식과 자료에 포함된 항목의 이름, 단위, 품질표시 깃발에 대한 설명 등이 자세하게 기술된 WOCE Exchange Format (Swift and Diggs, 2008)이다. 수집된 자료의 단위가 WOCE Exchange Format과 다를 경우가 많아 단위변환을 해야 하는 경우가 많다. 가장 흔한 단위변환이 필요한 분석항목은 용존산소와 영양염 자료이다. 영양염의 단위는 흔히 μmol L^-1로 보고된다. 이를 시료의 염분과 시료측정을 22°C 온도와 1기압에서 수행되었다고 가정하여 구한 밀도를 이용하여 해수 1kg에 들어 있는 micromol수인 μmol Kg^-1로 변환하였다. 용존산소는 부피 단위인 ml L^-1로 보고되는 경우가 종종 있다. 부피 단위를 Garcia and Gordon(1992)의 산소의 몰부피 22.3916 L_STP mol^-1 (44.6596 μmol mL^-1_STP)을 사용하여 산소부피(ml)를 μmol로 변환하고 시료의 염분과 시료채취 시 기록된 온도를 사용하여 계산한 밀도를 이용하여 시료부피(L)를 무게(Kg)으로 변환하여 최종적으로 μmol Kg^-1로 보고하였다(Olsen et al., 2020). GLODAPv2_2020 (Olsen et al., 2020)에서는 기존의 WOCE 자료품질 깃발을 변경하여 아래 Table 1과 같이 사용된 자료의 품질을 표시하였다. 원본 자료에 WOCE 자료품질 깃발이 없는 경우에는 자료를 통합할 때 자료품질 깃발을 새롭게 부여하였다(Table 1).

3.2 일차품질관리(Primary Quality Control)

해양에 녹아 있는 화학성분들은 해양-지각의 다양한 상호작용으로 해양으로 유입되기 때문에 해양에는 주기율표에 있는 모든 원소가 존재하고 있다. 해양에 녹아 있는 화학성분들은 개별 항목들이 해양에서 일어나는 물리적, 화학적, 생물적, 그리고 지질적 순환 과정들에 참여하는 특성에 따라서 일정한 시·공간적인 분포 특성 및 항목 간의 상관관계 특성이 나타난다. 이러한 특성들을 이용하여 분석자료의 이상값과 분명한 오류를 확인할 수 있기 때문에 분석 대상의 특성별로 분류하여 공통에 대한 이해가 필수적이다. 해양에 녹아 있는 성분 은 해수 1kg 중 평균농도에 따라 (1) 0.5 mmol 이상인 주요원소(Major elements), (2) 0.05~50 μmol 사이인 소량원소(Minor elements), (3) 50 nmol 이하인 미량원소(Trace elements)로 구분한다(Libes, 2009). 주요원소는 아래에 설명한 것처럼 해수의 혼합, 제거, 또는 추가 등의 과정과 같은 물리적인 과정 이외에 거의 참여하지 않아 보존적인 특성이 있으나, 소량원소와 미량원소은 입자표면에 흡착, 침전, 또는 유기물로 전환되는 등의 해양 내부의 다양한 생지화학적인 순환에 참여하여 빠르고 효율적으로 제거되기 때문에 염분에 따라 보존되지 않는 특성이 있다. 따라서 해수에 녹아 있는 성분들은 해양 내부 물질순환 과정에 참여하는 정도에 따라서 일정한 시·공간적인 분포 특성 및 항목 간의 상관관계 특성이 나타난다. 이러한 특성을 이용하여 분석된 자료의 일차적인 품질을 확인할 수 있다.

3.2.1 주요원소(Major Elements)

대표적인 주요원소는 해수 1kg 중 존재하는 염화물 이온(Chloride ion), 소듐 이온(Sodium ion), 황산염 이온(Sulfate ion), 마그네슘 이온(Magnesium ion), 칼슘 이온(Calcium ion), 포타슘 이온(Potassium ion), 중탄산염 이온(Bicarbonate ion), 브로마이드 이온(Bromide ion), 스트론튬(Strontium ion), 붕소 이온(Boron ion), 플루오린 이온(Fluoride ion)등의 11개 성분이다. 해양에 녹아 있는 주요원소는 물의 공급 또는 제거와 같은 물리적인 과정들에만 영향을 받고 해양 내부에서 일어나는 화학적·생물학적 과정들에 활발하게 참여하지 않는 특성이 있다.

따라서 주요원소는 해양에 공급 또는 제거되는 생지화학적인 과정보다 해양 내부에서 해수에 의해 순환되는 속도가 훨씬 빠르므로 농도가 일정하게 유지되는 보존적 특성이 있다. 하지만 증발, 강우, 해수의 결빙·해빙, 염분이 다른 해수 간 화학성분들의 분자 확산, 염분이 다른 해수들의 혼합 및 이류 등과 같은 해양의 물리적인 과정들에 의해 개별 화학성분들의 절대적인 농도가 변화될 수 있으나, 주이온 성분들이 전체 염분에서 차지하는 비율은 일정하고 해수의 염분과 상관없이 주이온 성분들 사이의 상호비가 일정하게 유지되는 특성이 있다. 주이온들의 연직 분포는 대양해수와의 교환이 제한적인 폐쇄해역과 강물에 의한 유입이 상대적으로 큰 하구역, 무산소 환경인 해역에서 황산염 이온의 선택적인 제거, 해빙이 만들어지거나 녹을 때 선택적인 이온의 선택적인 참여, 열수작용(hydrothermal vent), 증발암의 형성, 공극수내 광물의 침전과 용해등에 의한 주이온들의 선택적인 공급과 제거에 의한 변화를 제외하면 수심에 따라 거의 일정하고 주이온 상호 간 일정한 상관관계가 있어야 한다.

3.2.2 소량원소(Minor Elements)

해양에 녹아 있는 성분 중에는 해양표층에서 일어나는 생명활동에 참여하는 성분들이 있다. 해양에 녹아 있는 화학성분들은 생명활동에 참여하는 정도에 따라 생명 활동에 적극적으로 참여하여 해양표층내 농도가 거의 없어 식물플랑크톤의 성장을 제한(생물 제한성분, biolimiting elements)하거나, 부분적으로 결핍되어 어느 정도 식물플랑크톤 성장에 영향을 미치(생물 중간성분, biointermediate elements)거나, 해양표층에 농도가 풍부하여 식물플랑크톤 성장에 전혀 영향을 미치지 않는 성분(생물 비제한성분, biounlimited elements)등으로 나눌 수 있다. 생물 활동에 적극적으로 참여하는 대표적인 형태는 해양표층에서 식물플랑크톤이 광합성을 통하여 유기물 형성과정과 호흡 과정에서 미생물에 의한 유기물 분해로 무기성분으로 재 광물화 과정이다(식 (1)). 광합성에 사용되는 C:N:P비는 106:16:1이고, 재 광물화 시 C:N:P:O₂ =106:16:1:-138의 관계가 나타난다. 대표적인 생물 제한성분은 질산염, 인산염, 규산염, 아연이온, 카드뮴, 저마늄 등이 있다.

3.2.3 미량원소(Trace Elements)

미량원소 대부분은 금속으로 구성되어있다. 이들 금속 성분들은 해수 중에 아주 미량으로 존재하지만, 실제 주요한 지각구성 성분이다. 금속들은 강물 유입, 대기 공급, 열수 순환, 퇴적물로부터의 확산, 인간 활동 등으로 해양에 유입되고, 해수 중에 존재하는 입자 표면에 흡착, 침전, 또는 생물 기원 입자에 결합 등과 같은 빠르고 효과적으로 제거되기 때문에 해수 중에는 아주 낮은 농도로 존재한다. 미량으로 존재하는 일부 금속 이온들은 효소작용에 중요한 역할을 하여 식물플랑크톤 성장에 필수적인 영양소로 작용한다.

3.2.4 화학성분별 특성을 이용한 일차품질관리 방법

해수에 녹아 있는 성분들은 해수의 혼합과 같은 물리적인 과정, 식물플랑크톤에 의한 제거와 수층에서의 재 광물화, 해수 중 입자 성분 형성 또는 입자 표면에 흡착에 의한 제거 등에 의해 성분에 따른 고유한 연직 분포 특성을 보인다. 성분에 따른 고유한 연직 분포 특성이 나타나지 않고 불규칙하다면 자료의 품질을 우선적으로 검토해야 한다. 해수 성분의 일차품질관리에 사용되는 가장 중요한 성분 특성은 염분이다. 주요원소들은 앞서 설명한 것처럼 염분에 따른 주요 성분들의 절대 농도값 차이가 있을 수 있으나, 주요원소들은 상호 간에 일정한 비율이 유지되는 특성을 이용하여 분석 간에 발생한 오차를 점검할 수 있다. 현재 염분을 측정하는 방법은 해수의 전기전도도를 이용하여 0.002 PSU에 상응하는 정확도 이상으로 측정하고 있다. 이렇게 측정된 염분값과 주요원소의 관계식으로 계산한 주요원소 농도와 해수에서 직접 분석된 주요원소 농도를 비교하여 해수를 채취하여 분석한 주요원소의 분석오차를 점검한다(Fig. 4A). 또한 분석된 주요원소들 상호 간 비교를 통해서 시료 채취와 분석과정에서 발생할 수 있는 오차를 점검할 수 있다(Fig. 4B~C).

Fig. 4.

Vertical distribution of calcium in the North Pacific Data from (Brewer et al., 1975) and the relationship among major elements in seawater (Lebrato et al., 2020). Slight difference in calcium concentrations in the shallow depth was removed when they were normalized to salinity of 35.

주요원소와 같이 해양 내부에서 일어나는 과정에 참여하지 않아 보전적인 특성을 가지면서 육상기원 성분이 해양으로 유입되는 하구역의 경우 강물에 성분의 농도가 높고(낮고), 해수에 농도가 낮(높)을 경우 강물과 해수가 혼합되는 물리적인 과정에 의해 염분의 증가에 따라 화학성분의 농도가 감소(증가)하는 경향이 나타난다(Fig. 5). 그러나 소량 또는 미량원소는 해양 내부의 생지화학적인 과정에 적극적으로 참여하는 경우 육상기원의 소량 또는 미량원소들은 담수와 해수의 물리적인 혼합과정에 의해 선형적으로 나타나는 염분 변화와 달리 이들의 농도변화는 선형적이지 않을 수 있다. 만약 이들이 염분과의 선형적인 경향에서 벗어나는 경우 화학성분의 추가적인 공급/제거 과정이 있는지 확인해야 한다. 만약 추가적인 공급/제거 과정 없이 이러한 경향에 벗어나는 경우 자료의 품질을 의심해야 한다.

Fig. 5.

Schematic diagram (A,B) and actual data (C,D) showing the relationship between chemical constituents and salinity. (A) Riverine Source, (B) Seawater Source, (C) Nitrate concentration in the Keum River Estuary (Ki and Kim, 1987), (D) Major ion concentration (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, C^l-, SO₄^2-, HCO₃^-) along the meltwater discharge at Leverett Glacier from the Greenland Ice Sheet (Hawking et al., 2015).

해수 중 용존 영양염등의 생물 제한성분들은 표층의 식물플랑크톤 광합성작용에 참여하여 유기물로 전환되어 수층에서 제거된 후 유기입자가 침강하면서 미생물 분해와 같은 재 광물화 과정을 통해 다시 용존 상태로 되돌아오는 특성이 있다. 용존 영양염 성분들의 연직분포 특성은 해양표층에서 농도가 고갈되어 있고 해양표층 아래에서 농도가 급격하게 증가하다 특정한 수심에서 최댓값을 가진 후 수심이 깊어지면서 일정하게 유지, 계속 증가 또는 심층수 형성시 용존 영양염 농도가 낮은 표층수가 침강하여 수평적으로 이동하던 심층수의 상승으로 인해 이들의 농도가 약간 감소하는 분포특성을 보인다(Fig. 6). 생물체를 구성하는 부위에 따라 수층에서 재 광물화되는 속도의 차이가 발생하기 때문에 성분에 따라 중층 최댓값이 나타나는 수심의 차이가 발생하는데 대표적으로 규산염은 규조류의 딱딱한 껍질을 구성하는 데 사용되어 재 광물화가 느린 특성으로 인해 질산염 또는 인산염과 같이 부드러운 유기물을 구성하는 데 사용되어 수층에서 빠르게 재 광물화되는 성분들보다 최댓값이 나타나는 수심이 깊은 특성이 있다. 또한 이러한 생물 제한성분은 해양표층에서 침강하는 유기물의 재 광물화 영향이 심층수가 이동하는 경로를 따라 누적되어 심층의 생물 제한성분 농도가 심층수 이동 경로를 따라 북대서양에서 북태평양으로 갈수록 증가하는 특성이 나타난다(Fig. 6).

Fig. 6.

Vertical distribution of nitrate, phosphate, silicate along the North (A) and South (B) Atlantic Ocean, southern (C) and northern (D) Indian Ocean, western North Pacific (E) and northern North Pacific (F) Ocean. Nutrients concentrations at the deep ocean increased along the pathway of deep water circulation from (A) to (F). Data from GLODAPv2.2020.

앞서 생물 제한성분들이 식물플랑크톤의 광합성에 사용될 때 성분 간의 일정한 비율로 사용되고, 이렇게 생성된 유기물이 수층에서 재 광물화될 때 일정한 비율로 해수 중으로 공급되기 때문에 해수 중에 녹이 있는 생물 제한성분들은 특정한 성분의 선택적인 제거 또는 공급을 제외하고 생물 제한성분들 상호 간에 일정한 관계가 나타나야 한다. 대표적으로 용존 영양염 분석자료의 품질검증에 사용되는 것은 분석된 용존 영양염 자료에서 질소:인의 관계식이 일정하게 나타나는 것을 확인하는 것이다(Fig. 7A). 만약 용존 영양염 중 한 개의 성분이 이러한 경향을 벗어나서 특정한 수심에서 특이한 분포 특성을 보이면 다른 용존 영양염 성분의 분포 특성과 상호 간의 상관관계를 확인하여 특이사항이 없으면 분석의 오류 또는 시료 채취 시 특정 성분에 대한 오염의 가능성을 확인해야 한다(Fig. 7 A~C). 만약 다른 성분도 동일한 수심에서 이상이 보이면 분석이나 오염의 문제이기보다는 시료 채취 때 수심 기록의 오류 등을 확인한다.

Fig. 7.

Various property-property plots of nutrient concentration in the global ocean (Data from GLODAPv2.2020). (A) Nitrate vs Phosphate, (B) Nitrate vs Depth, (C) Phosphate vs Depth.

그러나 하구역이나 해안선에서 가까운 연안해역의 경우 육상으로부터 담수 유입에 공급으로 인해 해양 내부에서 일어나는 생지화학적인 영향에 의한 관계만으로 품질을 확인하기 어려울 때도 있다. 예를 들어 해양환경공단에서 우리나라 연안역 해양환경을 감시하는 해양환경측정망 자료의 경우 염분이 낮은 해역보다는 염분이 높은 해역에서 질소:인의 관계가 뚜렷하게 나타났다(Fig. 8). 따라서 하구역이나 연안역의 경우 성분간의 상관관계를 활용하여 품질관리를 할 경우 염분에 따른 특성도 함께 고려하기를 권장한다.

Fig. 8.

N:P ratios in KOEM Marine Environmental Monitoring Network: (A) all data with various salinity range 1997-2016 period, (B) data from salinity (<32.5) during 2016, (C) data from salinity (>32.5) during 2016.

Nozaki(2001)는 북태평양에서 주기율표에 있는 원소들에 대한 연직분포도를 작성하였다. 일부 미량금속(Rb, Cs, Mo등)은 생물학적인 과정에 전혀 참여하지 않는 생물 비제한성분으로 수층에서 분포 특성은 해수의 이류(advection)와 와류혼합(turbulent mixing)과 같은 물리적인 과정에만 영향을 받는 보존적인 특성을 보인다. 니켈, 구리, 아연과 카드뮴등은 생물 제한성분으로 표층에는 고갈되어 있고 심층으로 갈수록 증가하는 영양염과 같은 분포 특성을 보인다(Fig. 9A). 영양염과 같은 연직 분포 특성을 보이는 미량금속은 영양염 성분과 선형적인 상관관계를 이용하여 자료의 신뢰성을 확인할 수 있다. 그러나 각각의 화학성분 분석과정에서 바탕값의 영향으로 인하여 높은 상관성에도 불구하고 두 항목간의 기울기가 다를 수 있으므로 표준물질등을 활용하여 분석값의 정확도 확인을 권장한다(Fig. 9B).

Fig. 9.

Vertical distribution of nutrients and trace elements (A), relationship between nutrients and trace elements (B) modified from (Libes, 2009).

미량금속인 납은 육상의 인간 활동으로 생성되어 대기를 통해 표층 해양으로 유입되어 탄산염, 수산화, 염화 착화합물 형태로 존재하며 표층에서 농도가 높고 심층으로 갈수록 농도가 감소하며 인간 활동의 영향을 많이 받는 해역에서 인간 활동의 영향이 적은 해역으로 갈수록 농도가 낮아지는 특성이 있다(Fig. 10A). 특정한 수심에서 화학성분의 공급 또는 제거 작용이 있는 경우에도 연직분포 특성이 일반적인 경우와 다르게 나타날 수 있다. 특히 열수가 해수 중으로 유출되는 경우 특정 성분의 농도가 중간에서 급격하게 증가하는 경향이 나타난다. 일부 화학성분들의 이러한 연직분포 특성은 열수작용의 유무를 확인하는 수단으로 활용되기도 한다. 예를 들어 망간과 같은 미량금속은 열수 활동의 영향으로 인해 특정한 수층에서 급격하게 증가하는 분포 특성을 보이고(Fig. 10B), 알루미늄은 대기와 저층 퇴적물에서 확산에 의한 공급으로 수층 중간에서 최소값을 보이는 분포 특성이 나타난다(Fig. 10C). 따라서 미량성분들의 연직분포 특성과 해양에서 일어나는 다양한 과정들에 대한 정보를 통하여 분석된 자료의 품질을 일차적으로 확인할 수 있다.

Fig. 10.

Vertical distributions of Pb (A), Mn (B), and Al (C) modified from (Libes, 2009).

3.3 이차품질관리(Secondary Quality Control)

이차품질관리는 일차품질관리를 거친 자료들에 존재하는 계통 편차를 정량화하기 위해 자료를 미리 설정한 정확도 한계와 비교하여 객관적으로 자료의 정확도를 평가하는 과정이다(Tanhua et al., 2010). 이차품질관리에 사용되는 방법은 교차분석(Crossover Analysis)을 통해서 차이값(offset)을 구하고, 교차분석에서 구한 차이값과 표준편차를 이용하여 최소자승모델(Wunsch, 1996)을 이용하여 교정 인자를 계산하여 Johnson et al.(2001)에 따라 교정된 값(inversion)을 계산하는 과정이다.

이차품질관리에 사용되는 교차분석은 WOCE와 JGOFS 자료의 품질관리를 위해서 도입된 개념으로 교차분석의 기본 가정은 심층수는 정상상태에 있어 주어진 장소에서 특정한 항목들의 심층수 농도는 시간에 따라 일정하다는 것이다(Sabine et al., 1999; Johnson et al., 2001; Sabine et al., 2005). 교차분석은 이차품질관리가 필요한 관측자료(A)와 품질관리가 비교적 잘 이루어진 관측자료(B)를 비교하여 차이값(offset)과 표준편차를 계산한다. 이차품질관리의 두 번째 단계는 교차분석 결과로 구한 차이값과 표준편차를 이용하여 자료의 값을 보정하는 단계로 보정계수(correction factor)를 곱해주거나(multiplicative corrections), 보정값을 더하는(additive corrections) 과정을 통해서 보정된 자료를 생성하는 과정이다.

자료 중 영양염, 용존산소, 프레온 가스(CFC) 등과 같은 항목들은 분석 시 표준화가 가장 큰 오차의 요인이고 농도가 낮게 측정되는 구간에서 음의 보정값으로 인한 잠재적인 문제를 줄이기 위해 보정계수를 곱하여 분석자료를 보정한다. 그리고 염분, 총무기탄소, 알카리니티와 같이 사용된 표준물질에 의한 편차가 발생하는 항목들은 보정값을 더하여 분석자료를 보정한다(Tanhua et al., 2010). 모든 자료에 대해서 보정계수를 곱하거나 보정값을 더해서 자료를 조정하는 것은 심층에서 시간에 따른 변화가 있으면 교차분석을 수행하는 기본 가정이 성립하지 않는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 더욱더 정교한 방법을 사용하여 특정 시기에 관측된 자료를 보정한다. 이에 대한 자세한 교차분석 절차와 보정값을 이용한 자료의 보정 절차는 Tanhua et al.(2010) 자세하게 설명되어 있다.

하지만 이처럼 오랜 시간 동안 진행된 심층변화를 선형적으로 보정하는 방법은 심층의 변화가 선형적이지 않으면 오류가 발생할 수 있다. 최근에는 이러한 단점을 극복하기 위해 국제적으로 공인된 표준물질을 시료와 함께 분석하여 보정한 자료를 보고할 것을 권장하고 있다(Hydes et al., 2010).

4. 국내해양환경자료 통합 및 품질관리절차

4.1 국내 주요 해양환경자료

우리나라에서는 안정적이고 지속적인 해양 이용과 수산자원 확보, 전 인류가 당면한 과제인 기후변화 이해들과 같은 현안 사항에 대응하기 위해 우리나라 연안, 주변 해역, 대양에서 다양한 수단을 통해 해양 환경자료를 생산하고 있다. 대표적으로 해양 환경자료를 생산하는 기관은 국립해양조사원, 국립수산과학원, 해양환경공단, 한국해양과학기술원등과 같은 공공기관, 해양관련 대학 및 기업체등이 있다. 우리나라 주변해역에서는 국립해양조사원, 국립수산과학원, 해양환경공단에서 주기적으로 자료를 생산하고 있다(Table 2).

국립해양조사원은 조위관측소(55개), 해양관측소(3개소), 해양관측부이(주요해역:10개, 이안류:8개, 주요항로:16개), 해양과학기지(3개), 및 해수유동관측소(44개)등 총 135개의 정기관측을 시행하고 있다(Fig. 11).

Fig. 11.

National Marine Observation System (http://www.khoa.go.kr/oceangrid/khoa/koofs.do).

그리고 국가해양조사자료 관리기관으로 해양관련 조사 및 연구기관(대학, 연구소)등에서 생산되는 각종 해양조사자료(기온, 해양생물, 수소이온농도, 플랑크톤, 해저지형, 염분, 수심, 수온, 용존산소)를 통합 관리하여 각 기관 간의 자료공유와 활용도를 높이는 노력을 하고 있다. 이와 관련한 자세한 사항은 국립해양조사원 홈페이지(www.khoa.go.kr)에 있다.

국립수산과학원에서는 체계적인 어장관리를 통해 지속적이고 안정적인 해양수산자원확보와 기후변화와 같은 전 지구적인 환경변화가 우리나라 주변 해역의 수산자원 생산성에 미치는 영향을 이해하기 위해서 실시간 해양환경 어장정보 관측, 연안정지관측, 정선해양관측 등의 해양환경관측을 정기적으로 수행하고 있으며 관련 자료들은 해양환경자료센터(Korea Oceanographic Data Center, KODC; www.nifs.go.kr/kodc)를 통해서 공유하고 있다(Fig. 12).

Fig. 12.

Marine Environment Monitoring System of National Institute of Fisheries Science (www.nifs,go.kr/kodc) and Korea Marine Environment Management Corporation (https://www.meis.go.kr/map/oemsBaseMap.do).

해양환경공단에서는 건강한 해양환경 조성을 위한 국가 해양환경 보전 정책수립에 기초자료를 수집 및 전국연안의 해양환경 상태를 감시하기 위해서 종합모니터링 체계를 구축하여 정기적으로 해양환경자료를 수집하고 있다. 해양환경공단에서 운영하는 해양환경측정망은 1997년부터 운영하고 있으며, 현재 425개 정점에서 16개 항목에 대해 연간 4회(2월, 5월 ,8월, 11월) 관측을 하고 있으며, 자료는 해양환경정보포털(www.meis.go.kr)에서 검색하여 확인할 수 있다.

해양 관련 대학이나 연구소에서 연구 수행을 위해 생산된 다양한 해양화학자료들은 주로 연구과제 결과물로 연구논문이나 보고서에 수록되어 있고, 원시자료들이 공개되는 경우는 매우 제한적이다.

4.2 국내 자료 생산단계 품질관리

국내에서도 이러한 국제적인 추세에 맞추어 해양에서 수집되는 자료품질의 일관성을 유지하기 위해서 국가적인 차원에서 해양환경관리법 제10조에 따라 해양환경공정시험기준(해양수산부 고시 제2020-143호)에서 항목별 시료채취 및 보관, 해역별 시료채취 시기 및 정점 선정, 시료채취 빈도 및 수직간격, 가능한 시료채취기 및 시료보관 용기, 시료의 전처리 방법, 시료의 보관방법, 분석자료의 표시 및 통계처리 방법, 자료의 품질표현 및 보고방법, 개별 항목별 분석방법 등에 대한 기준을 제시하고 있다.

또한 해양수산부에서는 해양화학자료를 생산하는 기관에 대해 정기적으로 숙련도 평가를 하여 일정한 기준을 통과한 기관에 대해서 인증서를 발급하여 국가정책 수립에 중요한 기초자료의 품질관리를 위한 노력을 하고 있다.

4.3 국내 해양환경자료 통합

앞서 설명한 바와 같이 각각의 공공기관에서 생산된 해양환경자료는 공공기관별 목적에 따라 적절한 방법으로 자료를 취합하여 관리하고, 자료를 개방하고 있다. 특별히 우리나라는 해양과학조사법에 해양과학조사자료의 관학연 공동활용을 위한 해양과학자료 관리기관으로 국립해양조사원을 지정하여 대학 및 연구원등으로부터 각 기관에서 보유한 물리, 화학, 생물, 지질, 기상 관련 조사자료의 목록(메타데이터)을 취합 및 관리서비스를 제공하고 있다(https://www.khoa.go.kr/kcom/cnt/selectContents Page.do?cntId=21940000). 국립수산과학원에서는 한국을 대표하는 국가해양자료센터(National Oceanographic Data Center)인 한국해양자료센터를 운영하면서 해양과학 자료 및 정보를 수집하여 국내외에 배포하고 국제교류와 협력을 촉진하고 있으며, 국립수산과학원에서 생산되는 다양한 해양관련 자료와 국립해양조사원, 기상청, 해양환경공단, 한국해양과학기술원 자료에 접근할 수 있도록 하였다. 해양환경공단에서 운영하는 해양환경정보포털(www.meis.go.kr)은 해양환경공단에서 관측하는 해수욕장 환경정보, 해양환경측정망 정보, 해양수질자동측정망 정보등과 유관기관 해양환경정보 등에 접근할 수 있도록 하였다. 이처럼 해양 관련 기관에서 생산되는 자료는 각 기관의 임무에 적합한 자료관리 및 공유체계를 가지고 있으며 다른 기관의 자료는 링크를 통해 해당 기관의 자료에 단순히 접근할 수 있다. 각 기관별 자료는 고유임무 특성에 따라 관측항목이 다르고, 동일한 항목을 관측하더라도 기관의 목적에 맞게 서로 상이한 단위를 사용하기 때문에 자료활용에 상당한 주의가 필요하다(Table 3).

해양수산부에서는 해양환경자료를 생산하는 국립해양조사원, 국립수산과학원, 해양환경공단등의 공공기관의 자료와 국내 대학 및 연구기관에서 생산되는 자료를 통합 관리할 목적으로 관할해역 해양정보 공동활용체계(Jurisdictional sea area Oceanographic Information Sharing System, JOISS)를 구축하였다. JOISS에서는 개별 공공기관, 대학 및 연구기관에서 생산된 자료를 취합하여 각 기관별 자료의 단위통일는 개별적으로 확인하여 Table 3의 common unit항으로 통일하였으며 통합된 자료의 품질관리는 기본 품질관리(Fig. 13)만 수행한 자료를 제공한다. 자료의 기본 품질관리에 대한 자세한 사항은 Fig. 13과 관련한 웹사이트에서 확인할 수 있다. 또한 국제적인 프로그램에서 생산된 자료도 함께 검색할 수 있도록 하였다.

Fig. 13.

Structure of data quality control in JOISS modified from diagram in JOISS site (https://joiss.kr/joiss/stnd.JoissQCPage.do).

JOISS는 앞서 설명한 바와 같이 개별 공공기관의 고유 임무에 따라 생산된 자료의 관리 및 공개 서비스를 제공하고 관계기관의 자료는 단순히 해당 기관에서 제공하는 자료에 접근할 수 있는 링크만 제공하는 체계와 다르다. 하지만 여전히 기관별로 제공하는 자료체계를 벗어나지 못하여 넓은 해역에서 장기간의 자료 분석을 위해서 여러 기관의 자료를 취합하면 자료 양식의 통일성이 없어 효율적인 활용이 제한된다. 따라서 국제프로그램에서 다양한 연구과제에서 생성된 자료통합을 위해 다양한 형식의 자료를 동일한 양식으로 전환하였으며, 일차품질관리 및 이차품질관리를 수행한 자료를 사용자들이 사용하기 편리한 형식(예를 들어 Ocean Data View format)으로 배포하고 있는 것처럼 JOISS에서도 국제적으로 통용될 수 있도록 모든 공공기관자료, 대학 및 연구기관 자료를 하나의 양식으로 통합할 것을 제안한다. 그리고 JOISS에서 사용한 기본적인 품질관리와 앞서 설명한 국제적인 품질관리 절차인 일차품질관리와 이차품질관리를 수행한 자료가 제공되어야 할 것으로 판단된다.

우리나라 주변 해역에서 생산되는 해수 중 용존 영양염과 같은 생지화학 자료는 육상유입의 영향이 큰 하구역이나 연안해역에서 측정된 자료가 많으므로 성분 간의 특성을 이용한 일차품질관리에 주의가 필요하고, 자료의 계절적인 변화가 커서 대양과 같이 화학성분들의 변화가 없는 해역의 자료가 거의 없어 절대적인 분석오차를 점검하는 이차품질관리에 한계가 있다. 따라서 앞으로는 국제적인 추세에 맞추어 시료를 분석할 때 표준물질을 함께 분석하여 시료의 분석자료와 함께 보고 또는 표준물질 분석값을 이용하여 보정된 값의 보고를 의무화하는 것이 국내에서 생산된 해양 관련 자료가 국제적인 상호비교성이 확보될 수 있도록 적절한 이차품질관리가 가능하게 하는 데 필수적이라 판단된다.

부 록

1. 대표적인 국제해양연구 프로그램

1.1 국제극지연도(International Polar Years, IPY)

국제극지연도(International Polar Years, IPY)는 1882~1883년에 걸쳐 북극에서 일어나는 현상에 대해 다양한 연구자들이 동시에 여러 분야의 관측을 수행하여 결과를 공유하여 장기간에 걸친 극지방의 기후변동과 환경변화 등의 전 지구적인 문제를 해결하기 위해 국제공동연구의 효시였다. 세계기상기구(World Meteological Organization)의 전신인 국제기상기구(International Meteological Organization)는 1882~1883년에 실시된 첫 번째 국제극지연도 50주년이 되는 1932~1933년에 극지방의 기상예보와 공중과 해양 수송의 안정화를 향상시키기 위한 관측수행목적으로 두 번째 국제극지연도를 추진하여 극지방에서 방대한 자료를 수집하여 세계자료센터를 만들었다. 세 번째 국제극지연도는 두 번의 국제극지연도에 영감을 받아 극지뿐만 아니라 11개 분야의 지구과학분야에 전 세계 과학자들이 동시에 관측을 수행하는 국제지구연도(International Geophysical Year)로 계승되어 첫 번째 국제극지연도 75주년이 되는 1957~1958년에 수행되었다. 그리고 2007~2008년도에 광범위한 현장관측, 연구, 분석으로 구성된 네 번째 국제극지연도 프로그램이 극지역에서 극지대기, 북극해, 남극해, 그린랜드해붕과 북극빙하, 남극해붕, 빙하하부수환경, 동토, 지구구조, 지구역학, 극지육상생태계 및 생물다양성, 극지 사회과학 및 인간 건강등 다양한 분야에서 수행되었다. 그러나 두 번째 국제극지연도 기간 동안 획득된 자료가 제2차 세계대전으로 유실되는 것을 경험한 국제지구연도 위원회는 대규모의 국제적인 프로그램으로 획득된 자료가 모든 국가의 연구자들이 자유롭게 활용될 필요성에 공감하여 세계자료센터(World Data Center)체계를 구축하여 다양한 자료형식을 포함할 수 있고 품질이 보증된 과학자료와 정보를 잘 보존하고 누구나 자유롭게 활용할 수 있는 표준들을 추진하였다.

1.2 지화학적 해양 단면연구(Geochemical Ocean Sections Study, GEOSECS)

지화학적 해양 단면연구(Geochemical Ocean Sections Study, GEOSECS)는 화학적 추적자를 이용하여 해양의 심층순환을 연구하기 위해서 화학적, 동위원소 그리고 방사선 추적자의 3차원 분포를 전지구적(대서양: 1972년 7월에서 1973년 5월, 태평양: 1973년 8월에서 1974년 6월, 인도양: 1977년 12월에서 1978년 3월)으로 조사하였다. 주요 측정항목은 수온, 염분, 압력, 총무기탄소, 알카리니티, 질산염, 인산염, 규산염, 산소와 겉보기산소 소모량(AOU), 방사성동위원소 추적자(¹³C, ¹⁴C, Tritium). 지화학적 해양 단면연구를 통해서 처음으로 영양염, 방사성동위원소, 탄소, 기체, 미량금속 및 입자를 측정하는 해양화학자들이 동일한 연구선에 승선하여 거의 동일한 시료를 분석하였으며, 각 항차 종료 직후에 모든 고품질의 자료가 제공되었다. 서로 다른 실험실간에 수많은 상호비교실험을 통하여 많은 분석적인 문제들이 해결되었다. 이러한 노력의 결과는 해양에서 관측된 화학자료들은 일반적으로 염분, 온도, 영양염, 용존산소, 또는 다른 추적자들의 분포 형태를 따른다는 “해양학적 일관성의 원칙”을 알게 되었다. 해양학적인 일관성의 원칙은 몇몇 실험실에서 측정된 미량금속 농도가 광범위하게 산란하였다면, 미량금속 자료 산란의 특별한 원인이 확인되지 않는다면 자료의 품질을 의심해야 한다.

1.3 세계 해양 순환실험(World Ocean Circulation Experiment)

세계 해양 순환실험(World Ocean Circulation Experiment)은 국제 세계기후연구프로그램(International World Climate Research Program)의 한 요소로 지구 기후 체계내에서 해양의 역할 이해를 목적으로 1990~1998년 사이에 현장관측을 수행하였으며 2002년까지 자료분석과 모델 연구를 수행하였다. 세계 해양 순환실험의 중점사항은 기존의 자료가 부족한 해역(예, 남극해)에서의 자료획득이었다. 특히 여름보다는 겨울철 자료획득에 중점을 두어 가능한 모든 계절의 자료획득을 목표로 하였다. 기존 자료가 해양순환을 연구하는 목적으로 획득되지 않았으며 모델 비교에 적절하지 않은 것을 개선하려고 했다. 또한 측정항목들의 신뢰성과 정확성 확보를 통하여 기후예측을 위한 전지구적 순환 모델의 요구에 맞는 자료 생산을 최우선 과제로 삼았다.

1.4 공동 전지구 해양 플럭스 연구 (Joint Global Ocean Flux Study, JGOFS)

공동 전지구 해양 플럭스 연구(Joint Global Ocean Flux Study, JGOFS)는 해양 연구 과학위원회(Scientific Committee of Ocean Research, SCOR)가 시작하여 1987년부터 2003년까지 운영된 해양 내부와 해양-대기간 국제 탄소플럭스 연구 프로그램이고, 나중에 국제 지권-생물권 프로그램(International Geosphere-Biosphere Programme, IGBP)으로 이어졌다. 이 프로그램은 해양내부 또는 해양-대기 경계면을 가로지르는 탄소교환과 관련한 생지화학적인 과정의 측정을 향상하여 지역에서 전지구적 공간 규모에서 계절에 경년에 걸친 시간규모로 일어나는 생지화학적인 과정들을 연구하고 기후변화와 같은 외압에 대한 민감도를 확립함을 목적으로 하고 있다. 이 프로그램 초기에 대서양과 태평양에 생지화학 변수들의 장기 시계열 관측 정점인 Bermuda Atlantic Time-series (BATS)와 Hawaii Ocean Time-series (HOT)를 시작하여 현재까지 운영하고 있다.

1.5 해양 대기 탄소 교환 연구(Ocean Atmosphere Carbon Exchange Study, OACES)

해양 대기 탄소 교환 연구는 해양순환, 생지화학, 해양-대기 탄소 교환 과정에 대한 이해, 해양에서 미래 변화를 추정하는 기저선 제공, 인간적인 요인들이 전지구적 기후변화에 미치는 영향을 예측하는데 사용되는 모델개발을 목표로 미국 해양대기국(National Oceanographic and Atmospheric Administration, NOAA)에서 주관한 현장관측 중점의 프로그램이다.

1.6. GEOTRACES

GEOTRACES는 해양의 생지화학적인 순환들의 이해를 높이기 위한 목적의 국제연구프로그램이다. 여기에서 이야기하는 순환의 개념은 지구의 세가지 주요 저장고들(대륙, 대기, 해양)을 통한 화학성분들의 이동경로를 설명하는 것인데, 특히, GEOTRACES는 이들 순환 중 해양부분에 중점적으로 하는 것으로 해양내 미량원소와 이들의 동위원소의 분포도 작성과 이들 분포를 조절하는 과정들을 이해하기 위한 목적이 있다. 이들 미량원소 중 일부는 생물의 필수 영양소로 작용하거나, 해양내부 과정들을 정량화(물질의 기원 및 상호작용, 해수의 기원 등)에 활용 또는 오염물질(납 또는 수은)로 작용하기도 한다. 미량원소들의 생지화학적인 순환은 탄소순환, 기후변화, 해양생태계, 그리고 환경오염과 같은 다양한 영역의 연구에 직접적인 영향을 미치는 것에 대한 공감대가 형성되어 있다. GEOTRACES는 수층의 여러 수심에서 철과 코발트와 같이 청정시료 채취 기술이 적용되어야만 측정할 수 있는 미량원소들 채취하여 분석하는 것을 일차적인 목표하였으며 약 30개국 이상이 참여하여 2010년부터 10여년 동안 10개 이상의 관측을 수행하였다.

1.7 연구선 기반 전 지구적 해양수층조사 프로그램(The Global Ocean Ship-Based Hydrographic Investigations Program, GO-SHIP)

연구선 기반 전 지구적 해양수층조사 프로그램(The Global Ocean Ship-Based Hydrographic Investigations Program, GO-SHIP)은 지난 수십년 동안 다양한 기술적인 발전에도 불구하고 전체수층에서 물리, 화학, 생물인자들에 대한 고해상도의 품질 좋은 자료를 획득하는 유일한 방법은 연구선을 활용하는 것이다. 이러한 연구선을 이용한 관측은 2000미터 이상의 수심에서 해양의 변화를 찾아내는 핵심이다. 앞서 설명한 다양한 프로그램에서 수행된 해양관측을 지속할 필요성을 인식하여 다양한 국가에서 전 지구적으로 해양내부 환경변화를 이해할 수 있는 모든 핵심변수들에 대하여 좀더 체계적으로 이전의 관측단면에 대한 반복관측을 수행하는 프로그램이 조직되었다. 이렇게 조직된 GO-SHIP에서는 표층에서 바닥까지 전체 수심에서 전세계 대양의 열, 담수, 산소, 그리고 탄소의 저장 및 순환에서 장기간 변화를 이해할 수 있는 반복적인 해양관측을 수행하여 시계열자료를 계속 축적하는 것을 목표로 55개의 지속적인 반복적 기준선 관측을 10년 주기로 유지하는 전 지구적 관측망이다.