위 왼쪽부터, 현승훤, 김은영, 이현정 연구원, 아래 왼쪽부터 임형규, 제현민 연구원

 한국해양과학기술원(KIOST) 임형규 선임연구원은 해양기후의 변동성이 해양수산자원의 변동에 미치는 영향과 원인을 규명하기 위해 ‘지구시스템 모형의 해양순환-해양생태계 변동 및 예측성 검증 연구’를 수행하고 있다. 최종 목표는 지구 전체의 해양 순환과 해양 생태계를 더 정확하게 예측할 수 있는 기술을 개발하는 것으로, 이를 위해 지구 시스템 모형을 활용하여 해양과 대기의 상호작용이 해양 생태계에 미치는 영향을 분석하고 있다. 임형규 박사와의 인터뷰를 통해 어떤 연구인지 소개한다.

1. 이 연구를 수행하게 되신 계기가 있다면 소개해 주세요.

 저는 2023년도에 실시한 ‘우수과학자’ 전형 과정을 통해 KIOST에 들어왔습니다. ‘우수과학자’ 전형은 당시 KIOST에서 제시한 연구역량을 충족하는 연구원을 대상으로 채용을 진행하고, 최종 합격자로 선정이 되면 3년간 초기 정착을 위한 연구비와 기숙사 제공 등의 혜택을 제공하는 좋은 기회였는데, 제가 합격하게 되었습니다. 덕분에 KIOST에 들어와서 해당 연구주제를 제안하여 연구비를 지원받을 수 있었습니다. 제가 제안한 연구과제는 모델링을 활용해서 해양환경 예측이 가능한지, 또 그에 따라 수산자원 예측에 도움을 줄 수 있는지 확인해보는 연구입니다.

 이 연구는 제가 미국 스크립스해양연구소(Scripps institute of Oceanography, SIO)에서 포스닥(Post doctororal)으로 일할 때부터 수행하던 주제인데, KIOST에 오게 되면서 진행하던 연구를 계속하기 어렵게 되었습니다. 당시 지도해 주셨던 Colleen Petrik 교수님과 향후 일정과 앞으로의 연구 진행에 대해 상의하다가, KIOST에서 지원 받게 될 사업을 공동연구로 제안해보자는 아이디어를 주셨습니다. 개인연구이지만, Petrik 교수님의 도움으로 미국 기상연구소(National Center for Atmospheric Research, NCAR)와 미국 해양대기청(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)의 해양생지화학 모델링 그룹과 공동연구를 지속할 수 있도록 연결해주셨고요. 지금도 2주에 한 번씩 저와 김은영 연구원(전북대학교 박사과정/KIOST 연수생)이 온라인 미팅을 통해 해외 연구팀과 지속적으로 협업을 하고 있습니다. 작년에는 김은영 연구원이 스크립스해양연구소에 방문해서 상위생태계모델링 연수를 하는 등의 방법으로 공동연구를 수행하고 있습니다. 연구과제 제안서가 채택된 덕분에 지속적으로 연구를 수행될 수 있게 되어서 무척 기쁩니다.

2. 어떤 연구인지 연구내용과 함께 이번 연구 수행을 통해서 기대할 수 있는 성과는 어떤 것이 있는지 설명해 주세요.

 이 연구의 핵심 기술은 해양 생태계와 기후 변화를 더 정확하게 예측하기 위한 첨단 모델링 기법을 개발하는 데 있습니다. 먼저, 지구 시스템 모형을 활용한 해양 상위 생태계 모델링이 이루어집니다. 이를 통해 해양의 다양한 환경 변수를 분석하고, 전지구 해양 생태계의 변화를 종합적으로 예측할 수 있습니다. 또한, 해양순환 및 생태계 자료동화 기술을 이용해 기존 관측 자료와 예측 모델을 비교하며 예측 성능을 평가하고 개선합니다.

CESM-DPLE-FEISTY 모형에서 모의하는 전체 물고기(1열), 먹이물고기(2열), 대형표영물고기(3열), 저서물고기(4열)

생물량의 역학적 잠재예측성(Anomaly Correlation Coefficient of Dynamic Forecast Potential Predictability) 평가

(1-3년 평균(1행), 4-6년 평균(2행), 7-9년 평균(3행)) 및 

통계적 자기지속성(Persistence of Statistical Forecast Potential Predictability in CESM-FOSI-FEISTY reconstruction)과의 잠재예측성 차이

 저희 연구진은 NCAR에서 개발된 Community Earth System Model (CESM)의 해양환경변수 (수온, 동물플랑크톤 생물량, 탄소플럭스)를 고려하여 해양 상위생태계 모형 (FishErIes Size and functional TYpe model, FEISTY) 결과를 바탕으로 연구를 진행하고 있습니다. CESM 기반 다중앙상블 장주기예측 시스템 (Decadal Prediction Large Ensemble)에서 모의한 해양환경변수가 FEISTY의 장주기 예측을 가능케 하고, 동시에 예측시스템의 초기조건인 Forced Ocean and Sea Ice(FOSI) 재분석장의 해양환경변수를 바탕으로 FEISTY의 물고기 생물량 재분석장을 구축하였습니다. 잠재예측가능성(Potential Predictability)평가는 우선 물고기 기능군(Functional Type) 별 편차상관성 (Anoumaly Correlation Coefficient)으로 평가하고, 기준이 되는 통계적 자기지속성(Persistence)과 비교하여 역학모형 기반 수산예측의 가치를 평가하고 있습니다.

광역해양생태계 별 대형표영물고기 시계열 (좌): CESM-FOSI-FEISTY 재분석(검정),

CESM-DPLE-FEISTY 1년후 역학모형 예측(파랑), 2년후 역학모형 예측(빨강).

예측연도 별 잠재예측가능성 비교 (우): 역학모형 잠재예측성(파랑), 통계적 자기지속성(검정)

 KIOST는 2021년도에 지구상의 에너지와 탄소 순환을 모사하는 지구시스템모형(KIOST-ESM)을 자체적으로 개발하여 UN의 ‘기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)’ 제6차 기후 변화 평가보고서에 수록된 바 있는데요, ESM은 해양기후시스템 뿐만 아니라 해양 생지화학, 탄소순환 및 식물플랑크톤 생물량 변화를 평가할 수 있습니다. 이 연구를 통해 지구시스템 모델 개발에 기여하고, 그 활용분야를 수산자원 모델링 분야까지 확장하여 해양생태계 지속가능성 평가 및 미래예측 연구에 발판이 될 것으로 기대하고 있습니다.

 궁극적으로는 이 연구를 통해 미래 해양 생태계 변화 예측의 정확성을 높이고, 기후 변화 대응 전략을 수립하는 데 기여할 수 있었으면 하는 바람입니다.

3. 현재 수행하고 있는 연구사업 이외에 관심을 가지고 있는 다른 연구주제가 있으신지요?

 지구시스템 모델에서 활용할 수 있는 연구 분야는 매우 다양합니다. 해양 탄소저감기술 적용 시 해양탄소흡수력 평가, 화학적 인자들이 해양에 확산 또는 농축 될 수 있는지, 해양기후변동이 어떻게 해양생태계 변동을 유발하는지 등에 적용해볼 계획입니다. 특히, 관측된 해양물리-생지화학적 순환 모델링을 통해서 관측되지 않는 시공간적인 해양환경에 대한 추가자료를 생산하여 과학적 성과를 이룩하는데 기여하고 싶습니다. 이를 위해서는 관측 및 모델링을 포함한 연구진 간 긴밀한 상호연구가 필요할 것입니다. 또한 제가 참여하고 있는 PICES, SCOR working group 등에서 국제협력도 지속해 나갈 생각입니다.

 국제 연구 프로젝트인 Fish-MIP(해양 및 어업 다중모형 프로젝트)에서는 다양한 기후변화 예측 모델을 기반으로 미래의 해양 생물량 감소를 전망하고 있다. 연구 결과에 따르면, 기후 변화 강도가 높아질수록 해양 온난화, 일차생산량 감소, 동·식물성 플랑크톤 생물량 감소가 가속화될 것으로 예측된다. KIOST도 이 연구를 통해 기후 변화가 해양 생태계에 미치는 영향을 보다 정확히 이해하고, 미래 변화를 예측하여 적절한 대응책을 마련하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 수산 자원의 지속 가능성을 확보하고, 해양 환경 변화에 따른 어업 및 생태계 보호 전략을 수립하는 데 중요한 과학적 기반을 제공할 수 있을 것이다.