서론 연구지역 및 연구자료 연구방법 연구결과 및 토의 결론 정착빙과 유빙 분류 정착빙 면적 추출 정착빙 검출 시기별 정착빙의 면적 변화 결론

연구배경 연구목적 계절에 따라 분포 면적이 변화하는 해빙은 전 지구적인 기후 및 환경 변화를 분석하는데 매우 중요 특히 해안에 고착되어 있는 정착빙(land-fast sea ice)은 고위도의 대기-해양 상호작용과 동식물 생태계에 큰 영향을 미침 장보고기지가 건설된 테라노바 만(Terra Nova Bay)에는 연중 대분분 정착빙이 형성되어 있어 해양 생태계 및 쇄빙선의 운항 및 안정성에도 영향을 미칠 수 있음 우리나라의 극지 현장 활동을 위해서도 테라노바 만의 정착빙에 대한 시공간적 변화 연구가 필요 연구목적 2010년 12월부터 2012년 1월까지 테라노바 만이 촬영된 시계열적 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용하여 다양한 시간적 기선거리(temporal baseline)를 가지는 간섭도(interferogram)를 생성 간섭도에서 관측되는 해빙 표면의 변위와 긴밀도(coherence)를 이용하여 해빙 유형과 바다를 분류하고자 함 약 1년간 정착빙의 시간적인 면적 변화를 분석하였고, 면적 변화와 풍속과의 상관관계를 파악 연구배경입니다 계절에 따라 분포 면적이 변화하는 해빙은 전 지구적인 기후 및 환경 변화를 분석하는데 매우 중요합니다. 특히 해안에 고착되어 있는 정착빙은 고위도의 대기-해양 상호작용과 동식물 생태계에 큰 영향을 미치고 있습니다. 우리나라의 장보고 과학기지가 건설된 테라노바 만에는 연중 대부분 정착빙이 형성되어 있습니다. 이러한 테라노바 만의 정착빙은 해양 생태계에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 쇄빙연구선 아라온호의 운항 및 안정성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 테라노바 만의 정착빙에 대한 시공간적 변화 연구는 동남극 지역에서 우리나라의 극지 현장 활동을 위해서도 필수적으로 수행되어야 한다. 연구목적입니다. 이 연구에서는 2010년 12월부터 2012년 1월까지 테라노바 만이 촬영된 시계열적 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용하여 다양한 시간적 기선거리를 가지는 간섭도를 생성하였습니다. 이 간섭도에서 관측되는 해빙 표면의 변위와 긴밀도를 이용하여 해빙 유형과 바다를 구분하고, 정착빙의 시간적 면적변화를 분석하였습니다. 그리고 정착빙의 면적변화와 풍속과의 상관관계를 파악하고자 하였습니다.

연구지역은 남극 장보고 과학기지(74° 37′ 4" S, 164° 13′ 7" E)에 인접한 동남극 테라노바 만 장보고기지를 기준으로 동쪽에는 Campbell 빙하와 서쪽에는 Priestly 빙하가 위치 테라노바 만은 연중 9-10개월간 정착빙이 형성 서쪽 해안을 따라 강한 활강풍 연중 -30℃에서 5℃의 기온 변화 평균 적설량은 연간 170 kg/m²로 추정 강한 활강풍과 큰 폭의 기온변화는 정착빙의 면적 변화에 크게 영향을 미칠 수 있음 연구지역은 남극 장보고 과학기지에 인접한 동남극 테라노바 만입니다. 다음 영상은 2011년 11월 11일에 획득된 COSMO-SkyMed SAR 영상으로 장보고 과학기지(적색 원 표식)를 기준으로 동쪽에는 Campbell 빙하와 서쪽에는 Priestly 빙하가 위치합니다. 이러한 테라노바 만에는 연중 9-10개월 동안 정착빙이 넓게 형성되어 있습니다. 테라노바 만은 서쪽 해안을 따라 강한 활강풍이 부는 지역으로, 연중 -30℃에서 5℃의 기온 변화를 보이며, 평균 적설량은 170 kg/m yr로 추정되고 있습니다. 이러한 강한 활강풍과 큰 폭의 기온변화는 정착빙의 면적 변화에 크게 영향을 미칠 수 있습니다. 2011년 11월 11일에 획득된 COSMO-SkyMed SAR 영상

자동 기상 관측 시스템(Automatic Weather System, AWS) COSMO-SkyMed SAR 중심 주파수 9.6 GHz, X-band SAR 시스템을 탑재하여 고해상도 영상을 제공 4기의 위성이 영상을 획득하면서 최소 1일의 시간 해상도를 구현 2010년 12월 1일부터 2012년 1월 21일까지 획득된 총 62장의 SAR 영상을 이용 관측폭 : 40 km, 공간해상도 : 3 m, VV 편파, 입사각 : 40° 자동 기상 관측 시스템(Automatic Weather System, AWS) 풍속에 따른 정착빙의 면적 변화를 분석하기 위해 테라노바 만의 AWS로 2010년 12월부터 2012년 1월까지 매 시간 측정된 풍속자료 사용 연구자료는 COSMO-SkyMed SAR 영상과 자동 기상 관측 시스템으로 관측된 풍속 자료를 사용하였습니다 COSMO-SkyMed는 총 4기의 위성군으로 구성되어 있으며, 중심 주파수 9.6 GHz의 X-band SAR 시스템을 탑재하여 고해상도의 영상을 제공하고 있습니다. 각각의 위성은 16일의 시간 해상도를 가지지만, 4기의 위성이 영상을 획득함으로써 매우 짧은 시간 해상도(최소 1일)를 구현할 수 있는 장점이 있습니다. 이 연구에서는 2010년 12월 1일부터 2012년 1월 21일까지 테라노바 만이 촬영된 총 62개의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용하였습니다. 모든 SAR 영상은 stripmap 모드에서 획득된 single look complex 영상으로, 40 km 의 관측폭, 3 m의 공간해상도, VV 편파, 40°의 레이다 입사각을 가집니다. 그리고 풍속에 따른 정착빙의 면적 변화를 분석하기 위해 테라노바 만의 AWS로 2010년 12월부터 2012년 1월까지 매 시간 측정된 풍속자료를 사용하였습니다.

SAR 영상으로부터 정착빙을 검출하기 위해서는 정착빙과 유빙, 바다를 구분할 필요가 있음 바다와 쉽게 구분되지 않음 유빙은 정착빙과 유사한 표면을 가지는 것으로 관찰되어 해빙 유형 구분이 어려움 정착빙과 유빙, 바다는 InSAR (SAR Interferometry) 영상에서 관측되는 표면변위 특성과 긴밀도를 이용하여 구분 정착빙은 조위에 의한 수직방향의 변위가 지배적, 수 일 동안 표면의 긴밀도가 유지 유빙은 해류, 바람(수평방향)과 조위(수직방향)에 의한 변위를 모두 나타냄, 정착빙에 비해 변위량이 크기 때문에 간섭도에서 변위가 관측되지 않음 총 62개의 SAR 영상으로부터 최소 1일에서 최대 9일의 시간적 기선거리를 가지는 38개의 간섭도를 생성하여 정착빙을 검출 분류된 정착빙을 제외하고 유빙과 바다의 구분은 SAR amplitude 영상을 이용 얼음 표면에 균열에 의한 특징을 파악 SAR 영상으로부터 정착빙을 검출하기 위해서는 정착빙과 유빙, 바다를 구분할 필요가 있습니다. 대부분의 정착빙은 표면이 부드럽고 눈으로 덮여있기 때문에 약한 후방산란을 나타내며, 이는 바다와 쉽게 구분되지 않습니다. 또한 SAR 영상에서 유빙은 정착빙과 유사한 표면을 가지는 것으로 관찰되어 해빙 유형을 확연히 구분하기는 쉽지 않습니다. 정착빙과 유빙, 바다는 InSAR 영상에서 관측되는 표면변위 특성과 긴밀도를 이용하여 구분할 수 있습니다. 정착빙은 해안에 고착되어 있어 조위변화에 의한 수직방향의 변위를 지배적으로 나타내며, 수 일 동안 표면의 긴밀도가 유지됩니다. 반면, 유빙은 해류와 바람에 의한 수평방향의 변위와 조위에 의한 수직방향의 변위를 모두 나타내 정착빙과는 다른 간섭띠 변화율을 나타냅니다. 또한 변위량이 정착빙에 비해 매우 크기 때문에 시간적 기선거리가 큰 간섭도에서는 변위가 관측되지 않습니다. 따라서 InSAR 영상에서 해빙 표면의 변위특성과 긴밀도를 분석함으로써 해빙의 유형 구분이 가능합니다. 이 연구에서는 총 62개의 SAR 영상으로부터 최소 1일에서 최대 9일의 시간적 기선거리를 가지는 38개의 간섭도를 생성하여 정착빙을 검출하였다. 간섭도로부터 분류된 정착빙을 제외하고, 유빙과 바다의 구분은 SAR amplitude 영상을 이용하였습니다. 일부 유빙은 파도가 강한 바다와 유사한 후방산란을 나타냈으나, 표면에 균열에 의한 특징이 나타나 바다와 구분할 수 있었습니다.

연구에 사용된 SAR 영상은 모두 촬영 범위가 약간씩 차이가 있어 테라노바 만의 면적이 조금씩 다름 테라노바 만 전체를 포함하고 있지 않아 영상의 범위 내에서만 면적 분석 정착빙의 정량적인 면적 추출을 위해 동일한 기준을 설정 모든 SAR 영상에서 테라노바 만의 면적이 최소로 관찰되는 2011년 11월 11일 영상 기준 테라노바 만의 정착빙과 유빙을 디지타이징(digitizing)하여 면적을 추출 약 1년간 정착빙의 면적 변화를 분석 정착빙의 형성과 소멸 시기 파악 면적 변화에 바람이 미치는 영향을 분석 테라노바 만의 정착빙은 남극의 겨울철에 매우 광역적으로 확대됩니다. 그러나 연구에 사용된 SAR 영상은 테라노바 만 전체를 포함하고 있지 않기 때문에 영상의 범위 내에서만 정착빙의 면적 분석이 가능했습니다. 연구에 사용된 COSMO-SkyMed SAR 영상은 모두 같은 궤도에서 획득되었으나, 동일한 궤도에서도 촬영 범위가 약간씩 차이가 있기 때문에 SAR 영상에 촬영된 테라노바 만의 면적은 조금씩 상이합니다. 이에 따라 모든 SAR 영상에서 정착빙 면적 추출을 위한 동일한 기준을 설정할 필요가 있습니다. 이 연구에서는 테라노바 만의 면적이 최소로 관찰되는 2011년 11월 11일 영상의 흰색 폴리곤을 모든 영상에 적용시켜 정착빙의 면적을 추출하였습니다. 따라서 산출될 수 있는 정착빙의 최대 면적은 다음 영상의 흰색 폴리곤의 면적입니다. 이 연구에서는 2010년 12월부터 2012년 1월까지 약 1년 동안 정착빙과 유빙의 시간적인 면적 변화를 분석하였고, 이를 통해 테라노바 만 주변 정착빙의 형성 및 소멸 시기를 파악하였습니다. 또한 정착빙의 면적 변화에 바람이 미치는 영향을 파악하기 위해 테라노바 만의 AWS로 측정된 풍속자료와 비교하였습니다. 2011년 11월 11일에 획득된 COSMO-SkyMed SAR 영상 정착빙 면적 추출을 위한 기준 면적(흰색 영역) : 175.86 km²

정착빙은 1일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서 간섭띠가 관찰 유빙에 비해 시공간적 변화가 작아 긴밀도가 높음 유빙은 정착빙과 달리 고정되어 있지 않아 바람, 해류, 조위와 같은 힘에 의해 시공간적 변화가 큼 정착빙에 비해 변위량이 크기 때문에 긴밀도가 낮음 1일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서 간섭띠가 나타나지 않음 정착빙 표면에서는 9일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서도 변위에 의한 간섭띠가 관찰됨 간섭띠가 관찰되는 영역만을 정착빙으로 정의함으로써 효과적으로 검출 정착빙 검출입니다. 다음 영상은 2011년 6월 3일과 4일의 간섭도로, 정착빙과 유빙을 구분한 것입니다. 정착빙은 1일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서 변위에 의한 간섭띠가 관찰되었습니다. 이는 유빙에 비해 시공간적 변화가 작아 긴밀도가 높은 것으로 파악되었습니다. 반면 유빙은 정착빙과 달리 고정되어 있지 않아 바람, 해류, 조위와 같은 힘에 의해 시공간적 일변화가 큼니다. 이는 정착빙에 비해 변위량이 크기 때문에 긴밀도가 낮아 1일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서도 간섭띠가 나타나지 않았습니다. 그러나 정착빙 표면에서는 9일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서도 변위에 의한 간섭띠가 관찰되었습니다. 따라서 이연구에서는 다음 영상과 같이 간섭도에서 간섭띠가 관찰되는 영역만을 정착빙으로 정의하였으며, 총 38쌍의 간섭도로부터 효과적으로 정착빙을 검출하였습니다. 적색 영역을 확대한 SAR 영상을 보시면……… 2011년 6월 3일과 4일의 간섭도 정착빙(흰색 영역)과 유빙(녹색 영역)을 구분

적색 영역에서 간섭띠가 나타나는 정착빙의 경계(흰색 선)와 녹색 선의 경계가 잘 일치 정착빙이 물리적인 힘에 붕괴된 것으로 판단 얼음 표면에 균열(청색 화살표)이 나타남 - 바다에서는 나타나지 않음 이러한 영역을 유빙으로 분류 2011년 6월 4일의 SAR 영상 반면 유빙의 구분은 다음과 같은 영역을 확대해보면, 적색 영역에서 간섭띠가 나타나는 정착빙의 경계와 녹색 선의 경계가 잘 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 정착빙이 바람, 해류, 조위, 기온 변화와 같은 힘에 의해 붕괴된 것으로 판단됩니다. 그리고 청색 화살표로 표시된 부분과 같이 얼음 표면에 균열이 나타나는데, 바다에서는 나타나지 않았습니다. 따라서 이러한 영역을 유빙으로 분류하여 바다와 구분하였습니다. 이와 같은 방법으로 분류된 정착빙과 유빙의 면적을 시계열적으로 산출하였습니다.

일반적으로 남극의 3월은 해빙이 서서히 형성되는 시기, 10월은 해빙이 서서히 감소하는 시기 정착빙의 면적 감소는 2010년 12월 이전부터 시작 면적이 최소인 시기는 1-2월, 최대인 시기는 7월 (170.65 km²)로 나타남 3-6월은 면적이 불규칙적으로 증가 또는 감소하는 시기 6-9월은 면적이 큰 감소없이 증가하는 시기 10월부터 서서히 감소하는 시기 정착빙의 형성 및 소멸은 계절 변화에 의해 매년 반복 가장 중요한 형성 및 소멸 시기가 다름 시기에 대한 정밀한 분석을 위해서는 장기간의 자료가 필요 정착빙이 최대 면적을 나타내기 이전인 4월과 6월에 일시적인 면적 감소가 관찰됨 면적 감소 및 붕괴에 바람이 영향을 미치는지 검토 다음 영상은 약 1년간 테라노바 만 주변 정착빙의 시기별 면적 변화를 나타내는 애니매이션입니다. 다음 영상에서 폴리곤의 색은 영상의 날짜를 나타내며, 해당 날짜의 면적이 표시되어 있습니다. 일반적으로 남극의 3월은 여름이 끝나고 가을이 시작되어 해빙이 서서히 형성되는 시기이며, 10월은 남극의 봄철에 해당되고 해빙이 서서히 감소하는 시기입니다. 테라노바 만 주변 정착빙의 면적 감소는 2010년 12월 이전부터 시작되었고, 면적이 최소인 시기는 2011년 1~2월 사이입니다. 그 후 3월부터 정착빙의 면적이 증가하기 시작하지만, 3월에서 6월 중순까지는 정착빙 면적 증가 또는 감소가 불규칙적으로 반복되었습니다. 반면 6월말부터 9월 중순까지 정착빙의 면적은 큰 감소 없이 증가하는 양상을 보였고, 7월에 최대 170.65 km로 나타났습니다. 9월 중순 이후로부터 정착빙 면적이 서서히 감소하는 것을 확인하였습니다. 정착빙의 형성 및 소멸은 계절변화에 의해 매년 반복된다고 판단할 수 있습니다. 하지만 매년 가장 중요한 형성 및 소멸 시기가 다를 것이기 때문에, 정밀한 분석을 위해서는 장기간의 자료가 필요할 것으로 판단되었습니다. 정착빙이 최대 면적을 나타내기 이전인 4월과 6월에 일시적으로 큰 면적 감소가 두 차례 관찰되었습니다. 이러한 정착빙의 일시적인 면적 감소 및 붕괴에 바람이 영향을 미치는지 비교하였습니다. 약 1년간의 테라노바 만 주변 정착빙의 시기별 면적 변화

약 1년간의 풍속과 정착빙의 면적을 시계열적 비교한 그래프 실선 : 풍속의 변화 점선 : 정착빙의 면적 변화 4월과 6월에 나타난 정착빙의 면적 감소 시기에 풍속은 최대 약 14 m/s로 나타남 반면 3월과 5월에도 약 12-14 m/s 이상의 풍속이 나타남 정착빙의 두께가 비교적 얇은 시기인 3-6월에는 바람, 해류, 조위와 같은 힘의 영향을 받아 얼음이 쉽게 붕괴될 수 있다고 판단 정착빙이 최대 면적을 보이는 6-9월에는 비교적 얼음의 두께가 두껍기 때문에 붕괴가 발생하지 않아 일시적 면적 감소가 관찰되지 않은 것으로 추측 다음 그래프는 약 1년간 풍속과 정착빙의 면적을 시계열적으로 비교한 그래프입니다. 회색 실선은 풍속을 나타내며, 흑색 점선은 정착빙의 면적 변화를 나타냅니다. 그래프에서 보면 4월과 6월에 나타난 정착빙의 면적 감소 시기에 풍속은 최대 약 14 m/s로 나타났습니다. 하지만 3월과 5월에도 14 m/s 이상의 풍속이 나타났지만 정착빙의 면적은 감소하지 않았습니다. 이는 연중 정착빙의 두께가 상대적으로 얇게 얼어가는 시기인 3월에서 6월에는 해류, 바람, 조위와 같은 외부 영향인자로 인해 정착빙이 쉽게 붕괴될 수 있다고 판단된 반면, 정착빙이 최대 면적을 보이는 6-9월 사이에는 정착빙의 두께가 비교적 두꺼운 시기로 얼음이 보다 견고하기 때문에 외부 영향인자로 인한 붕괴가 일어나지 않아 면적 감소가 관찰되지 않은 것으로 추측하였습니다.

최소 1일 – 최대 9일의 시간적 기선거리를 가지는 38개 간섭도를 생성 2010년 12월에서 2012 1월까지 테라노바 만의 정착빙 분포지역이 촬영된 총 62개의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용하여 해빙 분류 및 정착빙의 시간적인 면적 변화를 분석 최소 1일 – 최대 9일의 시간적 기선거리를 가지는 38개 간섭도를 생성 1일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서 유빙은 간섭띠가 관찰되지 않은 반면, 정착빙은 9일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서도 간섭띠가 관찰 간섭도에서 간섭띠가 나타나는 영역만을 정착빙으로 정의 간섭도로부터 정의된 정착빙의 면적을 추출하였고, 약 1년간 정착빙의 정착빙의 면적 변화를 분석 6-9월에 최대 면적(약 170 km²)을 보였고, 1-2월에 최소로 나타남 4월과 6월에 나타난 정착빙의 일시적인 면적 감소는 바람, 해류와 같은 영향인자로 인해 붕괴가 발생된 것으로 판단 최대 면적을 보이는 6-9월에는 얼음의 두께가 두꺼워 견고하기 때문에 붕괴가 일어나지 않음 반면 두께가 얇은 시기인 3-6월에는 쉽게 붕괴되는 것으로 추측 향후 정착빙의 변위 및 붕괴 원인을 파악하기 위해서는 바람, 해류, 조위, 기온변화와 같은 요소들이 정착빙에 미치는 영향을 정밀하게 분석해야 할 것으로 사료됨 결론입니다. 이 연구에서는 2010년 12월 1일부터 2012년 1월 21일까지 남극 장보고 과학기지에 인접한 테라노바 만의 정착빙 분포지역이 시계열적으로 촬영된 총 62장의 COSMO-SkyMed SAR 영상을 이용하여 해빙 분류 및 정착빙의 시간적인 면적 변화를 분석하였습니다. 이를 위해 최소 1일 – 최대 9일의 시간적 기선거리를 가지는 38쌍의 간섭도를 생성하였습니다. 그 결과, 1일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서도 유빙은 큰 변위로 인해 간섭띠가 관찰되지 않은 반면 정착빙 표면에서는 최대 9일의 시간적 기선거리를 가지는 간섭도에서도 변위에 의한 간섭띠가 관찰되었습니다. 이에 따라 간섭도에서 간섭띠가 나타나는 영역만을 정착빙으로 정의하여 효과적으로 정착빙을 검출하였습니다. 그리고 38쌍의 간섭도를 이용하여 분류된 정착빙의 면적을 추출하였고, 약 1년간 정착빙의 시간적인 면적 변화를 분석한 결과, 정착빙은 6-9월에 최대 면적(약 170 km)을 나타냈으며, 1-2월에 최소 면적을 나타냈습니다. 정착빙이 최대 면적을 나타내기 이전인 4월과 6월 일시적인 면적의 감소가 두 차례 관찰되었는데, 이는 해류, 바람, 조위와 같은 외부 영향인자로 인해 얼음의 붕괴가 발생했기 때문으로 판단되었습니다. 정착빙이 최대 면적을 보이는 6월부터 9월 사이에 비교적 얼음의 두께가 두껍기 때문에 붕괴가 발생하지 않았고, 이에 따라 일시적 면적의 감소가 관찰되지 않은 것으로 판단되었다. 반면 얼음의 두께가 비교적 얇은 시기인 3월부터 6월에는 쉽게 붕괴되는 것으로 추측하였습니다. 테라노바 만 정착빙의 형성 및 소멸은 매년 반복된다고 볼 수 있지만 시기가 다를 것이기 때문에, 시기에 대한 정확한 분석을 위해서는 장기간의 자료를 이용할 필요가 있을 것으로 보인다. 또한 향후 연구에서는 정착빙의 변위 및 붕괴 원인을 파악하기 위해서는 바람, 해류, 조위, 기온변화와 같은 영향인자들이 정착빙에 미치는 영향을 정밀하게 분석해야 할 것으로 사료됩니다.

Fast ice near 모슨 대륙기지(Mawson station), Antarctica