일본 해양연구개발기구 지구환경관측연구개발센터 해양순환연구그룹은 시공간적으로 드문드문 존재하는 해양관측 데이터를 하나의 데이터 셋으로 통합함으로써 해양환경변동의 메커니즘 해명을 추진하고 있다. 본 연구에서는 작성한 통합 데이터 셋에서 해양환경 변동의 재현성을 조사한 복수의 예를 나타내고 기후변동연구에서 이 데이터 셋의 유용성을 실증하였다.

지구환경변동에서 해양의 변동이 중요한 역할을 담당하고 있는 것으로 알려져 있으며, 지구환경변동을 이해, 예측하기 위해서는 해양변동의 메커니즘을 밝혀낼 필요가 있다. 그러나 시공간적으로 드문드문 존재하는 실제 관측 데이터에만 기초하여 메커니즘을 해명하는 것은 상당히 힘들다. 최근 수치모델을 이용하여 귀중한 관측 데이터의 정보를 시간방향, 공간방향으로 무리 없이 연결하여 해양환경을 재현함으로써 상세한 해석을 실시하는 방법이 주목을 받고 있다(참조: 북태평양 최심층부의 수온상승이 남극해에서의 기후변동 현상과 수십 년 규모로 연결되어 있는 것을 해양 데이터 동화방법을 이용하여 실증). 그 중에서도 전 지구 해양 전 층을 대상으로 한 장기 해양환경 재현 실험은 상당히 많은 계산기 자원 및 고도의 시스템 구축 등을 필요로 하여 세계적으로 보더라도 흔하지 않다.

본 연구그룹은 사차원 변분법 해양 데이터 동화방법을 응용한 데이터 통합시스템을 이용하여 해양연구개발기구가 소유한 세계 굴지의 수퍼컴퓨터인 지구 시뮬레이터를 구사함으로써 해양 전 층을 대상으로 한 1957년부터 2011년까지 55년간에 걸쳐 장기 데이터 통합실험을 실시하여 해양환경 재현 데이터 셋(Estimated STate of global Ocean for Climate research, ESTOC)을 작성하였다.

본 연구에서는 해양연구개발기구가 처음으로 발견한 해붕 스케이의 저층수 승온을 비롯한 해면에서 심해까지 나타난 수년에서 수십 년 규모의 수온, 염분의 변동을 예로 ESTOC에서 해양환경 변동의 재현성을 다각적으로 검증하였다. 이것에 의해 ESTOC가 특히 관측데이터가 드문 중심층을 포함하여 다양한 해역에서의 중장기 해양환경 변동을 잘 재현하고 있다는 것을 실증할 수 있었다. 위에 언급한 성과는 ESTOC가 해양 전 층에 걸쳐 다양한 변동을 관측 데이터와 모순 없이 통합적으로 하나의 가상 해양으로서 표현하였다는 것을 시사하고 있다. 앞으로 ESTOC를 다양한 해양환경 연구분야에서 활용함으로써 지구환경변동, 기후변화과 관련된 해양 내부변동의 이해에 기여할 것으로 기대된다.

ESTOC는 현재 해양을 그대로 사진 및 영화와 같이 재현한 것이 아니라, 다양한 가정에 근거하여 성립하고 있는 기후변동 연구에 특화된 하나의 가상 해양이라는 것에 주의할 필요가 있다. 지구환경변동에서 해양의 역할 해명을 진행하기 위해서는 유용한 도구이지만, 만능의 해양 상황 재현과는 취지가 다르다. 앞으로 보다 정밀한 가상 해양을 구축하여 더욱 응용 가능성을 확대시킬 계획이다. 해양순환연구그룹은 앞으로도 해양 모델링을 지속하고 해양분야에서 데이터 통합연구의 진전에 기여할 계획이다.

* 사차원 변분법 해양 데이터 동화방법을 응용한 데이터 통합시스템
해양에서 실제 관측된 데이터를 최적화 이론에 따라 입력(동하)하여 수치모델(해양대순환모델) 결과를 수정함으로써 현실에 가까운 값으로 개선하는 방법을 데이터 동화라고 한다. 다시말하면 시공간적으로 단편적으로만 얻어지는 해양 관측 데이터를 해양대순환 모델을 이용하여 역학적인 보간을 수행하는 것을 의미한다. 본 연구에서 이용한 시스템은 사차원 변분법 데이터 동화방법을 이용한 전 지구 전 층 해양 데이터의 통합을 목적으로 한 것으로 해면에서 심해저까지의 “전 층”에서 이용 가능한 해양관측 데이터와 전 지구 해양대순환 모델의 정보를 “변분” 원리를 이용하여 최적으로 융합하고 역학적으로 정합성이 있는 해양순환장의 시계열(사차원)을 재현하는 것이다.

그림. 북위 17도를 따라 24.0σθ 등밀도면 위에서 염분편차의 시간 경도 단면도

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 1일]