김성용 교수 연구팀, 기후변화 예측 모델 개선 가능 기대

해색위성을 이용해 관측된 표층 엽록소 농도장에서 표현된 아중규모 난류 유동.<사진 = KAIST 제공>
해색위성을 이용해 관측된 표층 엽록소 농도장에서 표현된 아중규모 난류 유동.<사진 = KAIST 제공>
국내 연구진이 아중규모 난류의 고유 특성과 원동력을 입증했다.  빅데이터 분석으로 수 킬로미터, 수시간 규모의 해양유체를 이해, 전 지구와 지역의 기후변화 예측 모델 개선에 기여할 전망이다.

KAIST(총장 신성철)은 김성용 인공지능연구소·기계공학과 교수 연구팀이 빅데이터 분석으로 아중규모 난류의 고유 특성인 '에너지 캐스케이드(Energy Cascade)'와 그 원동력인 '경압불안정성(baroclinic instability)'을 입증하는데 성공했다고 12일 밝혔다.

아중규모 난류는 해양난류 규모중 지름이 1~100km미만 공간규모 난류를 의미한다.

이 난류는 지구물리·환경유체 분야에서 큰 관심을 받는 분야로, 열과 밀도를 포함한 물리적 혼합, 난류특성 연구뿐 아니라 해양생물, 생태·환경 보존의 주요한 물리적 원인으로도 주목받고 있다.

전 세계적으로 아중규모 난류는 주로 컴퓨터를 이용한 수치 모델링 연구로 진행된다. 하지만 시공간으로 급격히 변하는 아중규모 해양유체를 기존 장비와 기술로는 관측이 제한적이고, 현장 관측만 가능한 상황이다.   

김 교수 연구팀은 원격탐사장비인 연안레이더와 해색위성을 이용해 각 1년간 해수유동장과 5년간 엽록소 농도장을 관측했다. 이를 빅데이터 분석해 해양난류의 고유한 특성을 입증했다.

파수영역에너지 스펙트럼과 주어진 파수구간에 따른 에너지 스펙트럼의 기울기의 시간에 따른 변동성.<사진= KAIST 제공>
파수영역에너지 스펙트럼과 주어진 파수구간에 따른 에너지 스펙트럼의 기울기의 시간에 따른 변동성.<사진= KAIST 제공>
연구팀은 해양난류 파수영역(wavenumber)에서의 에너지 스펙트럼 기울기 변화를 계절과 공간의 변화 관점에서 분석했다.

이를 통해 에너지가 큰 규모에서 작은 규모 또는 작은 규모에서 큰 규모로 이동하는 현상인 에너지 캐스케이드가 일어남을 입증했다.

또 에너지가 투입되는 공간규모가 약 10 km이고, 이는 수평방향으로 밀도 변화가 심할 때 이를 복원하기 위해 난류 현상이 발생하는 상태인 경압불안정성에 의한 것임을 입증했다.

이번 연구는 우리나라 동해안 극전선 가장자리에서 생성되는 아중규모 소용돌이와 전선의 장기 관측자료를 바탕으로 이뤄졌다.

김 교수는 "이번 연구로 해양물리, 대기와 기후변화의 전 지구 고해상도 모델링 분야의 아중규모 물리현상의 모수화에 기여가 기대된다"면서 "아중규모 원리를 이해함으로써 방사능, 기름유출 같은 해양 오염물 추적 등 실제적이고 다양한 응용이 가능할 것"이라고 연구의의를 설명했다.

한편, 연구는 한국연구재단, 한국해양과학기술원, 해양위성센터, 해양경찰청연구센터 지원으로 수행됐다. 결과는 환경유체 및 지구물리분야 학술지 '저널 오브 지오피지컬 리서치-오션스(Journal of Geophysical Research-Oceans)' 6일자에 두 편의 연계논문으로 게재됐다.

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