2.1. 해양생태계 모델링 미래의 핵심도전
2.1.1. AMEMR 소개 가) AMEMR 2005
○ AMEMR (Advances in Marine Ecosystem Modelling Research Symposium)은 영국 플리머스 PML에서 2005년 첫 컨퍼런스가 개최된 이래 매 3년마다 열리며, 해양 생태계 모델러들에게 토론하고 문제와 해결책을 공유할 포럼을 제공해오고 있다 (www.amemr.info).
○ 2005년 첫 번째 컨퍼런스에서는 다음의 세 가지 주제를 미래 해양생태계 모델링이
당면할 핵심 도전(key challenges)으로 규정하였다(Blackford et al., 2007).
- 과학적 통찰과 모델 복잡성(model complexity) 간의 적절한 균형 - 모델러들과 실험자들(experimentalists) 사이의 협력 증진
- 모델 오류의 평가, 이해 및 저감
나) AMEMR 2008
○ 2008년의 2차 컨퍼런스는 ①기후 관련 변화(climate related change), ②평가 (evaluation), ③운용 모델(operational models), ④복잡성(complexity), ⑤과정 (processes), ⑥생물다양성(biodiversity), ⑦상위영양단계(higher trophic levels), ⑧ End-to-End 생태계 및 ⑨환경관리(environmental manage)의 9개 세션으로 구성
되어 1차 컨퍼런스에서 규정한 핵심 도전들에 대한 진전을 평가하였다(Blackford
et al., 2010)
○ 2차 컨퍼런스에서 제기된 핵심 도전들은 다음과 같다.
- 모델 복잡성
- 상호작용하는 다중 인자들의 영향 - 영양단계의 융통성
- 다윈적 접근방식
- 동물플랑크톤의 정확한 서술
- 효율적이고 우수한 분석방법론 개발
다) AMEMR 2011
○ 3차 컨퍼런스에서는 해양 환경의 과학적인 예측에 관련된 최근의 발전, 잠재적인 변화와 미래의 요구들에 초점을 맞추었다.
○ 2011년의 주요 관심 주제는 모델결과뿐만 아니라, 모델과정, 모델주제에도 관심을
가져야 한다는 것이며 다음 주제들에 대해서 토의하였다(www.amemr.info/
hottopics.html).
- 모델의 개선:
∙미생물 모델의 생리학적 기초에 대한 재논의
∙누락된 모델들, 모델들 사이의 갭(혼합영양, 저생생물, 중층해양 등)
∙기능성 및 회복력을 기초로 한 생물 다양성
∙행동 반응의 결과들 - 새로운 접근법:
∙적응 모델 - 공간적인 및 진화적인 반응
∙대규모 모델에서 복잡성의 모수화 - 영양단계, 생물군계 및 개념의 연결:
∙연안에서 해양까지, 연안, 대륙붕 및 해양 시스템 연결
∙물리와 어류의 연결, End-to-End 모델 접근법
∙사회-경제 모델과의 연결 - 예 측:
∙예측 모델을 위한 도전(운용 및 기후 규모)
∙전 지구적 변화의 국지적 및 지역적 영향 정량화
∙다양한 환경변화에 대한 상승적, 이차적 영향 - 지식 교환:
∙모델 관점에서 관측 및 실험 방법을 재설계
∙모델기술의 이해 및 모델 불확실성에 대한 최종 사용자와의 소통
∙정책 및 관리에 대한 정보를 주는 모델
2.1.2. MarQUEST 소개(Allen et al., 2010)
○ QUEST (Quantifying and Understanding the Earth System)는 전 지구적 환경 변화를 정량적으로 이해하기 위해서 2004-2011년 동안 진행된 영국 NERC (Natural Environmental Research Council) 연구 프로그램이다(http://quest.bris.ac.uk).
황해 생태환경에 대한 결합모델링 및 물리-생지화학 과정 기획연구
○ MarQUEST (Marine biogeochemistry and Ecosystem Modelling Initiative in
QUEST) 프로젝트는 QUEST의 세 가지 연구주제 가운데 <주제 1(21세기 기후
변화에서 생물계 피드백이 얼마나 중요한가)>의 일부로 차세대 지구시스템모델에 적합한 해양생지화학 서술을 개발하기 위한 활동 프로그램이다.
○ 이 프로젝트에서는 생지화학순환에 있어서 해양생태계의 전지구적 역할, 특히 플랑크톤 기능 유형(Plankton Functional Types, PFTs)의 구성요소를 결정하는 프로세스와 이러한 프로세스가 기본적인 순환에 미치는 영향, 해양물리 및 화학과 프로세스들 간의 상호작용을 고려하는 것이 목적이다.
○ MarQUEST에서는 이를 위해 다음과 같은 주제에 대해서 진전을 평가하고 경험
과 전망을 토의하였다. ①해양생태계의 플랑크톤 기능 유형 표현을 위한 적절한 모델 구조의 선택, ②생리(physiology)에서 기능 유형에 이르는 스케일링 프로세스
(scaling process) 개선, ③해양생태계와 생지화학 순환을 표현하기 위한 해양
물리의 중요성, ④연안-대양 과정들을 전 지구 모델에 연결시키는 기술, ⑤생태계 모델과 생지화학 모델들을 평가, 비교하는 새로운 방법 개발 등이다.
○ 중요한 (사회적) 이슈들을 설명할 수 있을 정도 수준의 해양생태계모델을 개발
하기 위해서는 향후의 노력과 투자를 어디에 집중할 것인가를 고민해야 한다.
MarQUEST는 토의를 통해 향후 생태계모델링이 나아갈 방향에 대해 다음과 같이 정리하였다.
- 생태계 모델의 복잡성(complexity)의 수준: 모델이 너무 복잡하면 모델 역학을 해 석하는 데 있어서 불확실성과 여러 문제들을 일으킬 수 있고, 반대일 경우에는 현 실적인 생태계를 재현하기 어렵다(Fulton et al., 2003). 첫 번째 도전과제는 플랑 크톤을 포함한 전체 먹이 그물의 구조와 역학에 대해 더 잘 서술하는 것이며, 두 번째는 이를 바탕으로, 중요한 생태계 역학과 피드백을 포함하는 것과 같은 방법 으로 먹이그물을 통합하는 방법을 고안해내는 것이다.
- 생리에서 기능유형에 이르는 스케일링(scaling)을 위한 도전 및 방향: 다음 단계는 현재 많은 모델에서 적용하고 있는 Monod와 Droop 경험식을 넘어서 더욱 정교 하게 식물플랑크톤 생리를 서술하는 것이다(Hood et al., 2007). 식물플랑크톤을 대표하는 유전체 배열에 대한 정보가 풍부해지면서 식물플랑크톤의 성장과 관련 하여 메커니즘에 기반한, 더 나은 모델을 개발할 수 있는 가능성이 높아졌다.
- 동력학 및 기후 인자에 대한 모델의 민감도: 동력학 환경에 대한 PFT모델의 민감도는 양날의 검과 같다. 한편으로 환경변화에 대해 모델 플랑크톤 분포의 민감도를 보면 기후변화에 대한 민감도를 개선할 수 있다고 생각되기도 하지만 다른 한편으로 이러한 변화가 얼마나 현실적인가, 내재된 모델 물리에 얼마나 많은 에러가 포함되어 있는 가는 알 수가 없다. 이러한 주제들을 다루기 위한 네 가지 주요 접근 방법이 있다.
즉, ①동력학모델의 해상도 및 프로세스 기술, ②재분석 모의(reanalysis simu- lations), ③앙상블 모의(ensemble simulations), ④모수화(parameterisation)와 평가를 위한 데이터세트(data sets) 확대이다. 처음 세 가지 방법은 많은 전산 비용이 소요 되며, 마지막 방법은 연구자의 실질적인 노력이 필요하다.
2.2. End-to-End 모델 연구 동향: Fulton(2010)
○ 생태계(ecosystem)란 용어는 70년 전부터 사용되기 시작하였으며 지난 세기의 가장
중요한 생태학적 개념의 하나로 간주되고 있다(Willis, 1997). 초기 생태계 모델들 은 전형적으로 물리 요소들과 몇 가지 생태학적 시스템 요소들만을 포함하였으나,
지난 20년 동안 보다 넓은 그룹들과 영양단계 연결을 포함하는 확장된 모델들이
나타났다(예를 들면, EwE 모델).
○ 이들 확장된 모델들이 계속 발전하고, 인간 기원 요소들을 포함한 더 많은 시스템 요소들을 끌어들이면서, 생태학적인 면에만 초점이 맞춰진 기존 모델들과 구별하기 위해서 End-to-End 모델이라는 용어가 채택되었으며(IMBER, 2005), End-to-End 모델 개발의 과제를 검토하는 최근 논문으로 Travers et al.(2007) 등을 들 수 있다.
○ 최근 해양순환 모델이 발전하고 생태계 부분 모델들에 대한 연구가 활발해지고 아울러 컴퓨터의 연산능력이 급속히 향상되면서 이러한 End-to-End 모델의 구현 이 가능하게 되었다.
○ End-to-End 모델은 뚜렷이 구분되는 두 모델러 집단에 의해 개발되어온 하위영양
단계 모델과 상위영양단계 모델을 동물플랑크톤이라는 고리를 통해 연결함으로써 시스템 내의 모든 주요한 관련된 과정들을 포함시킨다.
○ End-to-End 모델은 적응형 자원관리(adaptive resource management)를 지원하는 개념적이고 전략적인 도구로써 나름의 가치를 가지고 있다. 예를 들면, 관리전략 평가 틀(management strategy evaluation framework) 안에서 End- to-End 모델을
황해 생태환경에 대한 결합모델링 및 물리-생지화학 과정 기획연구
사용함으로써 시스템 기능, 인간 활동의 영향, 관리 활동의 통합된 영향에 대해 살펴볼 수 있게 되었다([그림 1-2-1]).
[그림 1-2-1] 적응형 관리 사이클(주요 단계와 구성요소; Fulton, 2010)
○ End-to-End 모델은 기후변화와 생태계(하위, 상위, 인간 기원)의 상호영향 및 상관관계의 이해를 높이고 과도한 어업활동에 따른 해양생태계의 파괴와 같은 문제점을 파악하는 동시에 수산자원 관리 및 결정을 위한 도구로써 그 필요성이 점차 커지고 있다.
○ End-to-End 모델은 현재에도 전 세계적으로 많은 지역에서 사용되고 있지만
([그림 1-2-2]), 현재까지의 많은 발전에도 불구하고 초기단계에 있으며 아직도
연구되어야 할 부분이 많다.
[그림 1-2-2] End-to-End 모델이 적용되고 있는 지역(Fulton, 2010)
2.3. 우리나라 해양생태계 모델링 연구의 당면 과제
○ 국내 연구동향에서 살펴본 바와 같이 지난 20여 년 동안 연안해역을 포함하는 우리나라 주변해역에 대한 해양생태계모델 연구는 꾸준히 지속되어 왔으며 부분적이지만 상당한 연구 성과가 축적되어 있다. 해양생태계모델 분야를 더욱 발전시키기 위해서는 다음의 몇 가지 문제가 검토되어야 할 것이다.
- 모델 지향적 생지화학 과정 연구: 현재까지는 생태계 연구에 있어서 주로 개별 생 지화학 현상을 규명하는 연구가 주를 이루었으나 앞으로는 물리-생지화학 상호작용 에 관심을 갖고 수치모델을 통하여 현상을 정량적으로 파악하고 미래 변화를 예측 하는 연구가 주로 이루어질 것이다. 따라서 이를 뒷받침할 수 있는 생태계 요소모델 개발에 대한 연구가 필요하다.
- 해양생태계 연구자료 데이터베이스 구축: 지난 수십 년 간의 우리나라 주변 해양 생태계 연구를 통하여 많은 양의 생태계 자료가 확보되었으나 이를 모델링에 활용 하기 위해서는 체계적인 데이터베이스로 구축되어야 하고 미비한 부분을 파악하고 보완하는 자료 조사 및 수집 계획이 수립되어야 한다.
- 장기적이고 지속적인 자료조사: 해양생태계의 장기 변동을 파악하기 위해서는 우리 나라 주변의 최소한 수개의 고정 정점에서 수십 년 동안의 장기적이고 지속적이며,
물리-생태계의 주요 변수를 포함하는, 그리고 다양한 주기의 현상을 파악할 수 있을
만큼 잦은 빈도의 관측이 필요하다.
- 수치모델 기술 확보: 우리나라 해양수치모델링 연구에 있어서 가장 취약한 부분은 수치모델 개발 분야라 해도 과언이 아니다. 비록 선진 외국에 비해서 많이 늦었지 만 연구개발 인력 확보와 투자를 통해서 수치모델 개발 분야를 활성화시켜야 할 것이다.
- 순환-생태계 결합모델링 시스템 구축 및 예측기술 확보: 최근 해양생태계모델링
연구 경향은 순환-생태계 결합모델, 여기에 상위영양단계 모델과 자료동화기법까지 를 포함시키는 End-to-End 모델을 이용한 예측시스템 구축이므로 이를 위한 기술 확보가 필요하다. 장기적으로는 자원관리나 정책결정 지원 수단 기능을 갖추는 방안 도 검토할 필요가 있다.
- 학제적 융․복합연구 추진: 해양생태계모델 연구 분야의 특성상 해양생태계(하위 영양단계) 연구 분야, 수산자원 관리(상위영양단계) 분야, 순환-생태계 모델링 분야, 생태계 요소모델 분야, 관련 정책연구 분야 등 제 분야가 참여하는 학제적 융․복합 연구로 추진되어야 한다.