물의 두 안정동위원소인 산소와 수소의 선형관계는 물의 순환을 이해하는 데에 가장 기본으로 사용되는 방법이다. 선형관계의 기울기 및 절편은 물이 각 계를 이동하면서 어떠한 물리적 과정이 일어났는가를 지시할 수 있다. 선형관계를 파악하기 위하여 보통최소자승법(ordinary least squares method, OLS)이 사용되어 왔으나, 산소와 수소동위원소 모두 불확정성을 포함하고 있기 때문에 완전최소자승법(total least squares method, TLS)이 더 정확한 기울기와 절편을 제시할 수 있다. 본 연구에서는 남극 세종기지 주변의 눈과 융설의 안정동위원소 분석값과 Lee et al., (2013)에서 관찰된 국내 서해안의 수증기의 산소와 수소의 안정동위원소값을 이용하여 OLS와 TLS를 비교하였다. 남극 세종기지 눈 안정동위원소의 선형관계에서 기울기는 7.00(OLS), 7.16(TLS)이었으며, 수증기동위원소의 선형관계의 기울기는 7.75(OLS), 7.87(TLS)로 계산되었다. 세종기지 눈 안정동위원소값은 대부분의 눈 시료가 용융이 일어났음을 의미하여, 수증기동위원소 값은 해양에서 기원한 수증기가 직접 이동하였음을 알 수 있다. 두 방법으로 계산된 기울기 값은 물리적인 과정을 해석하는 데에는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 하지만, 지하수의 혼합과정을 이해하는 연구처럼 기울기의 절대값을 이용하는 연구에서는 기울기 값의 차이가 연구결과에 어떻게 영향을 미치는 가에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이 연구는 남극에서 일어나는 지구온난현상, 오존층 파괴, 엘니뇨-남방진동 같은 지구의 환경변화와 관련이 있는 현상들을 정리한 것이다. 빙벽이 후퇴하고 빙붕이 갈라지는 현상은 지구환경변화, 그 가운데서도 최근 들어 심해진 지구온난현상을 반영한다. 또 서남극 남극반도에서 떨어진 남쉐틀랜드군도 킹조지 섬의 마리안 소만의 빙벽이 1956년부터 38년 동안에 후퇴한 것보다 최근 1994년부터 7년 동안에 더 많이 후퇴했다. 또한 세종기지에서 엘니뇨-남방진동과 관련된 기온과 강수량의 변화가 나타났다. 나아가 인공위성 자료 분석 결과, 세종기지가 있는 지역에서도 성층권의 오존층 파괴가 심한 남극 9월과 10월에 평균 오존전량이 감소하고 지상에 도달하는 자외선이 증가하였음을 확인하였다. 남극 오존층 파괴로 인한 자외선의 증가는 해양생물의 성장 환경을 변화시킨다. 또 남극생물의 생산력, 생물량, 종 조성의 변화를 일으키며, 자외선은 일차생산자인 식물플랑크톤 세포의 생리, 유전, 생태변화를 일으켜 남극 해양생태계 전체를 변화시킨다. 현재부터 42만 년 전까지 네 번의 빙하계(氷河階)를 밝힌 보스토크호수의 얼음연구 결과를 훑어보았다. 우리나라는 남극대륙을 덮는 빙원의 굴착과 해석, 빙원 아래에 있는 지역의 지질연구 같은 남극본연의 연구를 하기위하여 남극대륙을 연구해야겠다. 고층대기과학을 포함한 대기과학도 당연히 연구해야 한다.
이어도 종합해양과학기지 및 주변에서 관측된 해수면고도, 해상풍향 및 풍속 자료와 인공 위성으로부터 관측된 자료를 비교하여 상호 신뢰도를 검증하고 보완하였다. 인공위성자료는 Topex/Poseidon 레이더고도계 및 ERS-1/2 고도계 및 산란계 자료를 이용하였고 이어도 기지 건설 당시 기지 부근 선상에서 관측된 자료 및 기지에서 최근 관측된 자료를 비교 분석하였다. 위성자료와 1995년 6월 해상탐사자료를 비교한 결과 대체적으로 잘 일치하며 이는 더 많은 위성 자료를 이용함으로써 보완 가능하다. 한편 거의 실시간으로 제공되는 이어도 기지의 2004년 12월부터 2005년 2월까지 최근 3개월 간 자료를 분석한 결과 자료의 공백 및 비정상 값을 보이는 경우가 많았고 이들을 위성자료와 비교 한 후 통계적으로 상호 보정하였다. 이어도는 육지와 멀리 떨어져 있어 위성해양관측자료를 검증하기에 매우 적합한 반면 이어도 관측 자료를 검증 및 보완하는 가장 효율적인 방법은 위성자료를 이용하는 것이다.
남극 반도와 그 주변에서의 온난화는 시간적, 공간적 변동이 크기 때문에 이 지역에서의 국지 기후를 이해하는 것이 필요하다. 이 연구의 목적은 남극 세종 기지 주변에서의 지표 복사, 기온 그리고 풍향의 특징을 밝혀내고, 그 변수들간의 상관 관계를 조사하는 것이다. 연구지는 연간 15-20 Wm-2의 복사 에너지를 흡수하지만, 여름 (12월-1월)에는 평균적으로 85 Wm-2의 복사 에너지를 흡수하였다. 이 흡수량은 남극의 다른 지역에 비해 상당히 큰 값이다. 월 평균 기온은 -7.7-2.8oC 이었으며, 매년 다른 변동을 보였다. 북서, 서 및 동풍이 주풍이었으며, 풍향의 변동이 기온 변동을 설명할 수 있었다. 찬 동풍과 따뜻한 북서 및 북풍 빈도의 변동이 특히 여름철 지표 복사 수지에도 크게 영향을 주었으며, 이 시기의 대기와 지면 간의 에너지 교환에 풍향이 중요한 역할을 하는 것으로 보인다.
남극의 토양환경에 대한 기초자료 확보를 위해서 킹조지섬 바튼반도의 세종곶 (세종기지)을 기점으로 하여 3개의 그룹으로 나누어서 총 13개 지점에서 토양을 채취하여 물리화학적 특성을 조사하였다. 남극 세종기지 주변 토양의 물리적 특성은 전 지점에서 sand가 약 90%이상으로서 silt와 clay에 비하여 매우 높았고, 토성은 모두 사토 (10개 지점)와 양질사토 (3개 지점)로 분류되었으며, 전반적인 토양의 입자별 분포특성은 $2,000-500{\mu}m$ 범위의 굵은 입자는 Group 1 > Group 2 > Group 3 순으로 함량이 높았고, $499-355{\mu}m$ 에서는 지역에 따른 큰 차이가 나타나지 않았고, $355{\mu}m$ 이하의 미세입자는 Group 3 > Group 2 > Group 1 순으로 함량이 높았다. 토양의 화학적 특성은 각각의 지점별로 큰 차이를 나타내었다. pH는 4.5-6.7 범위로 약산성 토양이었고, EC는 $0.06-0.16dS\;m^{-1}$ 범위로 낮았다. T-N, OM 및 T-C의 함량은 #6, #8, #12 및 #13 지점이 높은 농도를 나타내었고, T-P 와 $P_2O_5$의 함량은 #9 와 #12의 지점이 높은 농도를 나타내었다. 따라서 남극 킹조지섬에 위치한 세종기지 주변 토양의 물리화학적 특성을 연구한 결과 각각의 지점별로 다양한 특성을 나타내었다. 본 연구는 단편적인 조사에 의해서 이루어졌으나, 남극반도 및 그 주변 섬들의 토양환경을 이해하는데 도움이 될 것이라고 판단된다.
2000년도에 COMNAP/SCAR에 의해 극지지역의 환경모니터링에 관한 표준기술지침서인 'Antarctic Environmental Monitoring Handbook'이 발간되었다. 이 지침서에 따라 남극세종기지주변지역의 토양시료중의 중금속을 분석하였다. 시료분해방법은 고압산분해 방법을 사용하였고, 분석방법으로는 동위원소희석 유도결합플라스마질량분석법을 사용하여 토양중의 Pb, Cu, Zn 성분을 분석하였다. 분석방법의 정확성을 확인하기 위해 표준시료인 NIST 2702를 분석한 결과 인증값의 99.5~100.8% 범위내에서 일치하였다. Chelex 100 이온교환수지를 사용하여 간섭이온을 제거하기 위해 매질을 분리하였다. 측정결과 인위적오염이 예상되는 기지주변지역의 중금속의 평균농도는 각각 Pb 332.9 mg/kg, Cu 95.6 mg/kg, Zn 115.3 mg/kg로 나타났으며, 기지에서 멀리 떨어진 지역의 평균농도는 각각 Pb 28.1 mg/kg, Cu 101.8 mg/kg, Zn 115.6 mg/kg로 나타났다. Pb 농도는 기지주변지역과 멀리 떨어진 지점에서 현저한 차이를 보였다.
The vertical profiles of radiative flux and heating rate at King Sejong Station in West Antarctica were calculated with radiative transfe model by Chou and Suarez (1999) and Chou et al (2001). To run this model, the profiles of temperature, mixing ratios of water vapor and ozone at King Sejng Station were derived from ECMWF Reanalysis data. The surface temperature and albedo were also derived from NCEP/NCAR Reanalysis and CERES data. The radiative flux strongly depends on the cloud optical path length that was calculated using the measured W-h data and model by Chou and Lee(1996). Durins the period of $2000{\sim}2001$ (12 and 18 UTC), the correlation coefficient between calculated and measured downward solar fluxes at surface was 0.90 and the coefficient for downward longwave flux was 0.61. The calculated net heating rates of surface layer decreased during the same period, the trend of which was in accordance with the decrease of measured temperature.
The Antarctic Peninsula is important in terms of global warming research due to pronounced increase of air temperature over the last century. The first eddy covariance system was established at King Sejong Station located in the northern region of the Antarctic Peninsula in December of 2002 and has been operated over one year. Here, we analyze turbulent characteristics to determine quality control criteria for turbulent sensible heat flux data as well as to diagnose the possibility of long term eddy covariance measurement under extreme weather conditions of the Antarctic Peninsula. We also report the preliminary result on sensible heat flux. Based on the analyses on turbulent characteristics such as integral turbulence characteristics of vertical velocity (w) and heat (T), stationarity test and investigation of correlation coefficient, they fallow the Monin-Obukhov similarity and eddy covariance flux data were reliable. ${\sim}47%$ of total retrieved sensible heat flux data could be used for further analysis. Daytime averaged sensible heat flux showed a pronounced seasonal variation, with a maximum of up to $300Wm^{-2}$ in summer. In conclusion, continuous and long-term eddy covariance measurement may be possible at the study site and the land surface may influence the atmosphere significantly through heat transport in summer.
Sensitivity analysis of wind resource micrositing has been performed through the application case at the Antarctic King Sejong station with the most representative micrositing softwares: WAsP, WindSim and Meteodyn WT. The wind data obtained from two met-masts separated 625m were applied as a climatology input condition of micro-scale wind mapping. A tower shading effect on the met-mast installed 20m apart from the warehouse has been assessed by the CFD software Fluent and confirmed a negligible influence on wind speed measurement. Theoretically, micro-scale wind maps generated by the two met-data located within the same wind system and strongly correlated meteor-statistically should be identical if nothing influenced on wind prediction but orography. They, however, show discrepancies due to nonlinear effects induced by surrounding complex terrain. From the comparison of sensitivity analysis, Meteodyn WT employing 1-equation turbulence model showed 68% higher RMSE error of wind speed prediction than that of WindSim using the ${\kappa}-{\epsilon}$ turbulence model, while a linear-theoretical model WAsP showed 21% higher error. Consequently, the CFD model WindSim would predict wind field over complex terrain more reliable and less sensitive to climatology input data than other micrositing models. The auto-validation method proposed in this paper and the evaluation result of the micrositing softwares would be anticipated a good reference of wind resource assessments in complex terrain.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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