기후모형(CMIP6)에서 모사한 인도양 용승해역(SCTR) 수온 약층깊이 오차와 미래변화

Saat Mubarrok 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내박사

세이셸레스-차고스 수온약층 융기 (Seychelles-Chagos Thermocline Ridge, 이하 SCTR; 5oS-10oS, 50oE-80oE)는 남서 인도양의 외양에 위치한 용승지역이다. 적도 편서풍과 남동 무역풍 사이에서 발생한 음의 바람 응력 와도(wind stress curl)의 영향으로 SCTR은 용승이 강한 해역으로 알려져 있으며 생물학적 생산성이 높아 주변 국가들의 주요 어장이다. 또한 SCTR은 인도양 기후 변동성을 조절하는 중요한 해역이므로 SCTR의 대기-해양 상호작용과 역학을 이해해야 한다. 따라서 모형상호 비교프로젝트(Coupled Model Intercomparison Project, Phase 6, 이하 CMIP6) 의 SCTR의 재현성능을 평가하고자 하였다. 2장에서는 CMIP6의 수온약층 깊이(thermocline depth)의 편차를 평가하고 관측자료와 비교하였다. CMIP6 27개 모형 중 23개에서 SCTR 수온약층(20°C 등온선 수심으로 정의함; 이하, D20)을 더 깊게 모사했 으며 이는 기후모형에서 흔히 발생하는 편차이다. 수온약층이 깊게 모 사되는 편향은 적도~남부 인도양의 동풍 편차와 관련 있으며, 이는 북 반구 여름과 가을에 두드러진다. 이 동풍 편차는, 특히 북반구 가을에 에크만펌핑을 약하게 모사하는 원인이 된다. 3장에서는 표층바람에 따른 에크만펌핑을 살펴봄으로써, 국지강 제력과 원격강제력의의 역할에 초점을 맞추어 수온약층 깊이 편향의 잠재적 원인을 추정하였다. 에크만펌핑 속도는 연중 양의 값을 보이는 것으로 관측되었으며, 주로 컬 항(curl term)과 베타 항(beta term)의 영향 을 받는다. 컬 항은 바람응력와도와 관련이 있으며, 북반구 여름과 가 을의 용승을 유도한다. 베타 항은 planetary beta와 지역풍(zonal wind stress)의 영향을 받으며, 북반구 봄에서 가을까지 발생하는 침강 (downwelling)에 기여한다. 그러나 CMIP6의 동풍 편향은 양의 컬 항과 음의 베타 항을 모두 증가시키며, 베타 항의 편향은 컬 항의 편향을 상쇄하고 용승 속도를 감소시킨다. 또한, 동풍 편향은 인도양의 동-서 평균 해수면 압력 구배와 함께 인도양 서적도해역의 유의미한 온난 편 차와 동-서 해면온도 차이 감소로 발생할 가능성이 높다. 또한, 이 연 구는 CMIP6가 로스비파의 전파를 모사하지만 국지적인 바람으로 인한 에크만펌핑이 로스비파보다 수온약층 깊이 편향에 더 지배적인 요인이 라는 사실을 발견했다. 이 연구는 에크만펌핑 모사에서 베타 항의 중 요성을 강조하며, 인도양에서 북반구 여름과 가을의 동풍 편향을 줄이 면 SCTR 수온약층 깊이 모사 성능이 개선될 수 있음을 보였다. 4장에서는 CMIP6가 모사한 SCTR 수온약층 깊이의 미래변화를 전망하였으며, 네 가지 기후변화 시나리오 모두 일관되게 깊어지는 추 세가 나타난다. 그러나 연 변동을 살펴보면 CMIP6 미래전망에서 2015 년 부근에 갑작스럽게 수온약층 깊이가 얕아졌으며, 이는 미래 전망의 평균상태에도 영향을 미쳤다. 이 현상을 설명하기 위해서는 2015년 수 온약층에 영향을 미칠 수 있는 변수들의 추가 분석이 필요하다. CMIP6 과거재현과 미래전망에서 에크만펌핑 속도를 계산한 결과, 기후모형에 서 흔히 나타나는 동풍 편차로 특히 적도에서 에크만펌핑 속도가 미래 에 유의미하게 감소할 것으로 나타났다. 인도양 쌍극자(Indian Ocean Dipole, 이하 IOD)가 발생했을 때, 로스비파 전파의 일부인 수온약층 깊이 변동 역학을 살펴보면 CMIP6 미래전망, 과거재현, 관측 간의 불 일치를 발견할 수 있다. 따라서 인도양 동부의 바람응력와도와 에크만 펌핑의 모사성능이 향상되면 IOD가 발생했을 때의 수온약층 깊이의 정확성을 높일 수 있으며 인도양의 미래 기후 전망의 신뢰성을 높일 수 있다. 본 논문은 CMIP6 수온약층 깊이 편차와 해양-대기 강제력 간의 복잡한 상호작용에서 비롯된 잠재적 편차 사이의 연관성을 강조한다. 또한, 편차를 줄이기 위한 노력은 미래 기후 모형을 개선하고 향상시 키는데 매우 중요하며 이러한 불일치를 해결하는 것은 기후 역학 예측 의 정확성과 신뢰성을 향상시켜 보다 정밀한 기후 모형 개발에 기여할 수 있다. 핵심어: SCTR, CMIP6, 수온약층, 에크만펌핑, 로스비파 The Seychelles-Chagos Thermocline Ridge (SCTR, 5oS-10oS, 50oE-80oE) is a unique open-ocean upwelling region in the southwestern Indian Ocean. Due to the negative wind stress curl between the equatorial westerlies and southeasterly trade winds, SCTR is known as a strong upwelling region with high biological productivity, providing a primary fishing zone for the surrounding countries. Given its importance in shaping the variability of the Indian Ocean climate, the simulation of SCTR is evaluated using outputs from the Coupled Model Intercomparison Project Phase Sixth (CMIP6). In Chapter 2, the existing bias of thermocline depth in the CMIP6 models is assessed and compared with the observation data. The results show that 23 out of 27 CMIP6 models tend to simulate considerably deeper SCTR thermocline depth (defined as the 20°C isotherm depth (D20))– a common bias in climate models. The deep bias is related to the easterly wind bias in the equatorial to southern Indian Ocean, which is prominent in boreal summer and fall. This easterly wind bias produces a weak annual mean Ekman pumping, especially in the boreal fall. In Chapter 3, the possible cause of the thermocline depth bias focusing on the role of local forcing and remote forcing is analyzed by looked at the Ekman pumping driven by surface wind. Throughout the year, the observed Ekman pumping is positive and is driven by two components: the curl term, is associated with the wind stress curl, which leads to upwelling during boreal summer to fall; the beta term, is linked to planetary beta and zonal wind stress, contributes to downwelling during boreal spring to fall. However, the easterly wind bias in the CMIP6 increases both the positive curl and negative beta terms. The beta term bias offsets the curl term bias and reduces the upwelling velocity. Furthermore, the easterly wind bias is likely caused by the reduced east-west sea surface temperature (SST) difference associated with a pronounced warm bias in the western equatorial Indian Ocean, accompanied by the east-west mean sea level pressure gradient over the Indian Ocean. Furthermore, this study finds local wind-induced Ekman pumping to be a more dominant factor in thermocline depth bias than Rossby waves, despite CMIP6 models replicating Rossby wave propagation. This study highlights the importance of the beta term in the Ekman pumping simulation. Thus, reducing the boreal summer-to-fall easterly wind bias over the Indian Ocean region may improve the thermocline depth simulation over the SCTR region. In Chapter 4, the comparison between the future projection of thermocline depth changes and the historical simulation in CMIP6 models indicates a consistent deepening trend across all four future projection scenarios. However, an abrupt shallowing occurrence around 2015 remains unexplained, impacting the mean state in future scenarios despite an observed significant positive deepening trend in the SCTR region. This anomaly needs further investigation for a comprehensive understanding. The analysis of Ekman pumping velocity in both historical simulations and future projection scenarios highlights a noticeable reduction in the future projection scenarios, particularly in the equatorial region, owing to a prevalent easterly wind bias typical in climate models. Examining the dynamics of thermocline depth anomalies as a part of Rossby wave propagation during positive and negative Indian Ocean Dipole (IOD) events uncovers discrepancies among CMIP6 projections, historical simulations, and observations. This emphasizes the crucial need for accurately representing wind stress curl and Ekman pumping patterns in the eastern Indian Ocean to improve the accuracy of modeling thermocline depth anomalies during IOD events, thus enhancing the reliability of future climate projections in the Indian Ocean region. The outcomes highlighted in this thesis underscore the connection between thermocline depth biases in CMIP6 models and the underlying biases stemming from the complicated interaction between oceanic and atmospheric forcings. Rectifying these biases holds significant importance in the refinement and enhancement of future climate models. Addressing these discrepancies is crucial as it could pave the way for improved accuracy and reliability in forecasting climate dynamics by developing more robust and precise climate models. Keywords: SCTR, CMIP6, thermocline, Ekman pumping, Rossby wave * A thesis submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy conferred in February 2024

Microalgae Cultivation Systems Overcoming the Climatic Disadvantages of Korea : Microalgae Cultivation Systems Overcoming the Climatic Disadvantages of Korea

이원규 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내박사

북서태평양 극한파동의 특성과 향후 전망

Ahmad Bayhaqi 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내박사

The Northwestern Pacific (NWP) ocean, comprising coastal and island ecosystems along with several East Asian Marginal Seas (EAMS), is crucial for maritime activities and has densely populated coasts. This region is highly susceptible to extreme climate events, including extreme ocean waves resulting in significant coastal damage. However, the attributes of extreme ocean waves attributes (EWA), such as duration, intensity, and frequency, which are vital for coastal mitigation strategies, remain poorly explored. This study aims to characterize extreme waves in the NWP over a 42-year period (1980-2021, hereinafter present climate) and to project future conditions (2026-2050, hereinafter future climate) under different global warming scenarios. Using hourly ERA5 reanalysis data, extreme wave events in the present climate were identified based on the 99th percentile (threshold) of significant wave height (Hs). The findings indicate that extreme waves occur throughout the present climate period across the study domain, with mean intensities (exceedance Hs values above the threshold) up to 1.5 meters and durations ranging from 8 to 35 hours annually. The most severe events, lasting for over 20 hours, are located in the southern domain (125°-140°E, 20°-30°N), impacting the East China Sea (ECS) and southern Korea. Seasonal variations were observed, with winter being severe for the East Sea (ES) and summer-fall for the ECS and the most extreme regions, driven by climatic disturbances such as low-pressure system-induced winter storms and summer typhoon activities. The significant increase in extreme wave frequencies in the ES and ECS is likely caused by an intensified pressure gradient, possibly enhancing storms and typhoons over the present climate period. Future EWA projections were derived from WaveWatch III (WW3) model simulations forced with 10 General Circulation Models (GCM) of the 6th phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) winds. Validation with buoy data revealed regional accuracy variations within CMIP6 models. A historical evaluation (1985-2014) against ERA5 indicates better performance of the Multi-Model Ensemble Mean (MMM) with a Taylor Skill Score (SS) of 0.8. Future projections suggest regional changes in EWA, likely influenced by seasonal conditions. Future extreme waves are expected to be longer during winter and more intense during summer along the east coast of Korea, with an increase of 10% compared to historical records, mainly due to the increased extreme winds. This research provides valuable insights into the impacts of climate change on oceanic hazards in the NWP, aiding coastal communities and policymakers in developing effective mitigation and adaptation strategies. This thesis represents a crucial step towards enhancing our understanding of extreme ocean dynamics in the NWP region and provides a foundation for future research aimed at addressing the complex challenges posed by climate change-induced oceanic hazards. Keywords: NWP, CMIP6, extreme ocean waves, future projections, wave simulations 여러 동아시아 한계해(EAMS)와 함께 해안 및 섬 생태계로 구성된 북서태평양(NWP) 해양은 해양 활동에 매우 중요하고 인구 밀도가 높은 해안을 가지고 있습니다. 이 지역은 극한 기후 현상에 매우 취약하여 극한 해양 파도로 인한 심각한 해안 피해를 초래합니다. 그러나 해안 완화 전략에 필수적인 기간, 강도 및 빈도와 같은 극한 해양 파도(EWA)의 속성은 아직 제대로 조사되지 않았습니다. 이 연구는 42 년 동안(1980-2021, 이하 현재 기후)의 EWA 를 특성화하고 다양한 지구 온난화 시나리오에서 미래 조건(2026-2050, 이하 미래 기후)을 예측하는 것을 목표로 합니다. 시간당 ERA5 재분석 데이터를 사용하여 상당한 파고(Hs)의 99 번째 백분위수(threshold)를 기반으로 현재 기후의 극한파 이벤트를 식별했습니다. 연구 결과에 따르면 극한파는 연구 영역 전반에 걸쳐 현재 기후 기간 동안 발생하며 평균 강도(임계값 이상의 exceed 강도 Hs 값)는 최대 1.5 미터, 기간은 연간 8~35 시간입니다. 20 시간 이상 지속되는 가장 심각한 이벤트는 남부 도메인(125°- 140°E, 20°-30°N)에 위치하여 동중국해(ECS)와 한국 남부에 영향을 미칩니다. 계절적 변화가 관찰되었으며, 저압 시스템으로 인한 겨울 폭풍 및 여름 태풍 활동과 같은 기후 교란에 의해 동해(ES)의 경우 겨울이 심각하고 ECS 및 가장 극한 지역의 여름 가을이 발생했습니다. ES 및 ECS 에서 극한파 주파수의 상당한 증가는 압력 구배가 증가하여 현재 기후 기간 동안 폭풍과 태풍이 강화될 수 있습니다. 향후 EWA 예측은 결합 모델 상호 비교 프로젝트(CMIP6) 6 단계 바람의 10 개 일반 순환 모델(GCM)을 사용한 WaveWatch III (WW3) 모델 시뮬레이션에서 도출되었습니다. 부표 데이터를 사용한 검증은 CMIP6 모델 내에서 지역 정확도 변화를 보여주었습니다. ERA5에 대한 과거 평가(1985-2014)에서는 테일러 스킬 점수(SS)가 0.8 로 다중 모델 앙상블 평균(MMM)의 성능이 더 우수한 것으로 나타났습니다. 향후 예측은 계절적 조건의 영향을 받는 EWA 의 지역적 변화를 시사합니다. 미래의 극한 파도는 한국의 동해안을 따라 겨울에는 더 길어지고 여름에는 더 강렬해질 것으로 예상되어 과거 기록에 비해 약 10% 증가할 것으로 예상됩니다. 이 연구는 기후 변화가 NWP 의 해양 위험에 미치는 영향에 대한 귀중한 통찰력을 제공하여 해안 지역 사회와 정책 입안자들이 효과적인 완화 및 적응 전략을 개발하는 데 도움을 줍니다. 이 논문은 NWP 지역의 극한 해양 역학에 대한 이해를 높이기 위한 중요한 단계를 나타내며 기후 변화로 인한 해양 위험에 의해 제기되는 복잡한 문제를 해결하기 위한 미래 연구를 위한 기초를 제공합니다.

동한만 장기 해양열파 특성과 발생기작 : Contributions of an anticyclonic eddy

이수비 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내석사

평년에 비해 상당히 높은 해면수온이 5일 이상 유지되는 해양열 파는 최근 들어 빈번해지고, 강해지고, 지속시간이 길어지면서 해양 생 태계뿐만 아니라 사회경제적으로 부정적인 영향을 미치고 있다. 극한 장기 해양열파는 해양 생태계에 심각한 피해를 미칠 수 있다. 동해 북 서부에 위치한 동한만은 동해에서 가장 길고 강한 해양열파가 발생하 는 해역이다. 본 연구에서는 37년(1982 ~ 2018년) 동안의 위성자료와 재분석 자료를 이용하여 동한만 장기 해양열파의 특성과 물리적 메커 니즘을 규명하고자 하였다. 동한만 해양열파 지속시간(16.8±24.0 일/ 회)은 동해 평균(12.6±11.5 일/회)에 비해 32% 더 길었다. 특히, 2008년 가을(2008년 11월 10일 ~ 2009년 4월 19일) 과 2017년 가 을(2017년 10월 8일 ~ 2018년 2월 10일)에 해양열파가 4개월 이상 (161일, 126일) 매우 길게 지속되었다. 이 두 해양열파는 세기가 각각 약 3.1 °C, 3.0 °C로 동한만에서 발생한 77회의 해양열파 중 여섯 번 째, 열 번째로 강했다. 극한 장기 해양열파 기간동안 평년과 비슷한 태 양복사 에너지 유입 (3W/𝑚2) 에도 불구하고 평년과 유의미한 차이로 잠열속을 통해 해양에서 대기로 열이 방출되었다 (-59W/𝑚2). 이는 극 한 장기 해양열파가 대기보다 해양에서 공급된 열에 의해 발생한 것을 시사한다. 극한 장기 해양열파 기간에 강한 소용돌이가 오래 유지되었 으며, 극한 장기 해양열파의 위치도 주로 소용돌이 경계를 따라 발생 하였다. 열수지 분석을 통해 수평이류가 해양열파 기간에 동한만에 주 로 열을 공급한 것을 확인하였다. 연구 결과는 극한 특성을 가진 해양 열파 분석의 필요성과 지역 규모 극한 장기 해양열파의 발생과 조절에 기여할 수 있는 해양 역학의 중요성을 강조한다. Marine heatwaves (MHWs)—prolonged, extremely high sea surface temperature events—have become more frequent, intense, and long-lasting in recent years, causing destructive impacts on marine ecosystems and subsequent socioeconomic consequences. Although the duration of MHWs can vary depending on the driving mechanism, most previous studies have primarily focused on the average characteristics and driving mechanisms of these events. Extremely long-lasting MHWs (ELMs) with different driving mechanisms from the average can cause severe long-term damage to the marine ecosystem. The East Korea Bay (EKB) is known to have the longest MHWs in the East/Japan Sea (EJS). In this study, we aimed to investigate the characteristics of the ELMs in the EKB and their possible physical mechanism using satellite and reanalysis products from 1982 to 2018. The duration of MHWs was 32% longer (16.8±24.0 days/event) in the EKB than in the EJS (12.6±11.5 days/event). In particular, two ELMs lasted more than four months (161 and 126 days) in the fall of 2008 and 2017 (10 Nov 2008 ~ 19 Apr 2009; 8 Oct 2017 ~ 10 Feb 2018). The intensities of the ELMs are approximately 3.1 °C and 3.0 °C, ranking them in the top eight out of the 77 MHWs in the EKB. The ELMs were primarily influenced by the ocean rather than the atmosphere, with a negligible increase in shortwave anomaly (3 W/𝑚2 ), but a significant heat release anomaly through latent heat flux (-59 W/𝑚2). In particular, strong eddies persisted during the two ELMs, and the ELMs were mainly located northwest of their boundary. The heat budget analysis suggests that horizontal advection can play a crucial role in the long-lasting MHWs in the EKB. Our findings highlight the importance of ocean in the occurrence and modulation of ELMs.

Short-term effects of dumping dredged materials on the coastal marine environment of El Oro province- Ecuador. : Delft3D Modeling Coastal Marine Environment

David Fernando Garzon Pico 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내석사

준설은 항만 확장이나 인프라 현대화 과정에서 전 세계적으로 일반적인 관행입니다. 준설 전에 준설 재료를 어떻게 해야 하는지에 대한 공통된 질문이 발생합니다. 폐기물로 가정할 경우, 신중하게 투기 장소를 선택하면 연안 해양 환경에 미치는 영향을 최소화합니다. 수치 모델은 연안 시스템의 동역학적 거동을 시뮬레이션하고 다양한 해양 처분 장소에서 준설 재료의 운명을 예측할 수 있습니다. 에콰도르의 연안 유체역학 및 해양 퇴적물 분야는 광범위하게 연구되지 않았습니다. 따라서 해양 환경에 대한 낮은 이해도는 해양 환경 문제에 대한 해상 투기의 경제적 이익과 중복되는 결과를 제공합니다. 이 연구는 환경 영향 평가에서 해상 처분이 최선의 선택이라고 결론지은 경우 엘오로 주의 연안 해양 환경에 매립된 준설 재료가 더 깊은 서쪽 퇴적물에서 발생할 때 영향이 덜하다는 것을 보여줍니다. 델프트 3D 에서 4 가지 시나리오를 시뮬레이션한 후 6 개월 동안 하루에 17,000 입방미터 이상의 준설 재료를 처리하면 홍수 및 썰물 때 7 가지 수문 변수에 영향을 미칩니다. 이러한 시나리오는 투기 장소가 더 얕고 준설 장소에 더 가까울 때 준설 재료 축적이 단기적으로 더 많은 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 처분 장소를 선택하기 전에 준설 재료의 효과에 대한 근사치를 가진 시뮬레이션된 시나리오를 실행하면 투기 활동이 발생할 때 에콰도르 연안 지대에 미치는 영향이 더 적을 수 있습니다. 이 연구는 해양 환경에 대한 이해에 기여하는 것을 넘어 에콰도르의 정책 입안자들이 지속 가능한 준설 재료 관리 지침을 수립하고 환경 협약을 비준하거나 해양 준설 재료의 최종 처분을 위한 다른 옵션을 제안할 수 있도록 지원하는 향후 연구의 출발점이 될 것으로 기대합니다. 키워드: Delft3D, 준설자재, 덤핑, 수치모델. Dredging is a common practice worldwide during port expansion or infrastructure modernization. Before dredging, a common question arises about what to do with the dredged materials. If they are assumed to be waste, carefully selecting the dumping site minimizes the impact on the coastal marine environment. Numerical models can simulate the behavior of the coastal system's dynamic and predict the fate of dredged materials from various offshore disposal sites. Coastal hydrodynamic and marine sediment fields in Ecuador have not been studied extensively. Therefore, the low understanding of the marine environment grants overlapping the economic benefits of dumping at sea over the marine environment matters. This research shows that if the environmental impact assessment concluded that disposing at sea is the best option, dredged materials dumped at the coastal marine environment of El Oro province have less effect when it occurs at a deeper westward deposit site. After simulating four scenarios at Delft3D, daily disposal of more than seventeen thousand cubic meters of dredged materials for six months affects seven hydrographic variables at flood and ebb tide. These scenarios show that the accumulation of dredged materials has more effects in the short term when the dumping site is shallower and closer to the dredging site. Less impact on the Ecuadorian coastal zone can be reached when dumping activities occur if simulated scenarios with a close approximation of the effects of dredged materials are run before selecting a disposal site. We anticipate this research, beyond contributing to understanding the marine environment, is also the starting point for future studies that will support Ecuador’s policymakers to establish guidelines for managing sustainably dredged materials, ratifying environmental agreements, or proposing other options for the final disposal of dredged materials at sea. Keywords: Delft3D, dredged materials, dumping, numerical model.

Genome-wide detection and molecular characterization of positively selected genes in marine mammals and apes

노유림 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내박사

Compare and Contrast of legislation, Case Studies, and Guidelines to develop a Deep-sea Mining Environment Adaptive Management Framework to Protect Fiji’s Marine Environment.

Reginald Eric Augustine Caine 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내석사

피지는 배타적 경제수역 내 북부 피지 분지의 해저 대규모 황화물(SMS) 매장지에 대한 심해 채굴을 탐사할 수 있는 라이센스를 부여했다.피지는 해양 생태계에 의존하는 어업, 관광 등 피지의 경제 활동을 보호하는 국제 정책에 부합하는 규정을 개발할 주권을 가지고 있다. 금, 은, 구리, 아연과 같은 DSM 귀중한 광물에 대한 수요는 연구 및 기술에 대한 관심을 발전시킬 수 있는 현대 기술에 의해 주도된다. 그러나 해양 생태계에 가장 미미한 영향을 미치기 위해서는 심해 채굴 중금속이 해양생태계에 미치는 독성 영향을 완전히 조사해야 한다. 심해 채굴 현장 주변의 해양 생태계는 압력 및 온도와 관련된 다양한 깊이의 수질, 빛, 소리 및 가스에 의존하는 해양 동식물로 구성된다. 심해 채굴 광미 또는 광산 폐기물의 배출은 해양 생태계에 해를 끼치고 심해 채굴의 독성 발자국이라고 할 수 있는 중금속 농도가 포함된 독성 플럼 및 폐수가 된다. 본 연구는 유해 중금속이 해양 생태계에 미치는 영향, 중금속 오염을 규제 및 관리하고 해양 환경을 보호하기 위한 환경 적응관리 체계(EAMF)를 개발하는 법안에 중점을 둔다. 이러한 평가는 유해 중금속(HMM)으로부터 해양환경을 보호하기 위한 합의에 도달하기 위해 정부 기관, 전문가, 대중 인식 및 협의를 통합할 수 있다. 따라서 EAMF 는 해양환경을 보호하기 위해 여러 환경영향 평가(EIA)를 관리하고 심해 채굴 단계를 모니터링해야 할 수도 있다. 주요 단어: 심해 채굴 광미(DSMT) / 유해 중금속류 / 해양환경 / 보호 / 제도 / 환경 적응관리 체계(EAMF) Fiji has given out licenses to explore Deep-Sea Mining (DSM) for Seafloor Massive Sulphide (SMS) deposits in the Northern Fiji Basin, within Fiji’s Economical Exclusive Zone. Fiji has the sovereignty right to develop regulations aligning with international policies that will protect Fiji’s economic activities, such as Fisheries and Tourism, which depend on the Marine Eco-System (MES). The demand for these DSM valuable minerals such as Gold, Silver, Copper, and Zinc is driven by modern technology that may develop an interest in research and technology. However, DSM heavy metals' toxicity impact on the MES must be fully explored to achieve the most negligible effect on the Marine Ecosystem. The Marine Ecosystem around the Deep Sea Mining sites consists of Marine Flora and Fauna that depend on water quality, light, sound, and gases at different depths related to pressure and temperature. Any discharge of Deep-sea mining tailings or mine waste will become toxic plumes and waste water with concentration of heavy metals that will harm the Marine Ecosystem and could be refer as the toxic foot print of DSM. This study focuses on the impact of harmful heavy metals on the Marine Ecosystem, the legislation to govern and manage the pollution of heavy metals and develop an Environment Adaptive Management Frame work (EAMF) to protect the Marine Environment. These assessments may integrate Government agencies, expert, public awareness and consultation to come to agreement to protect the Marine environment from Harmful heavy Metals (HMMs). Therefore EAMF may have to manage multiple Environment Impact Assessment (EIA) and monitoring DSM stages to protect Marine Environment. Keywords: Deep-sea Mining Tailing (DSMT) / Harmful Heavy Metals / Marine Environment/ Protection/ Legislation/ Environment Adaptive Management Framework (EAMF)

식물플랑크톤 군집의 화학분류적 분석법 개선 및 한국 주변해 생태계 연구의 적용

현명진 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내박사

This dissertation explores the community structure and function of phytoplankton, which play a critical role in ecological dynamics and biogeochemical cycles. Among various methodologies to assess phytoplankton community structure, chemotaxonomic analysis stands out for its ability to allocate chlorophyll-a concentrations, indicative of phytoplankton biomass, into major taxonomic groups. This work critically examines methodologies for chemotaxonomic analysis, which have evolved since the 1980s but still possess inherent drawbacks. To enhance the accuracy of the CHEMTAX method, the study applied a refined approach to both time-series and spatial data, successfully reducing bias and improving reliability. The constrained pigment ratio ranges, established through a linear model correlating Next-Generation Sequencing (NGS) datasets with pigment datasets, effectively mitigated the underdetermined biasThe approach shows high agreement with the results from Bayesian Compositional Estimator (BCE), known for its robustness against underdetermined bias, confirming the efficacy of the proposed method. Additionally, the linear model aids in addressing the identifiability problem in CHEMTAX, revealing how its inclusion of groups with undetectably low composition distorts results. This refined CHEMTAX analysis have been applied to time-series dataset acquired in S-ORS (Socheongcho Ocean Research Station). It elucidates the mechanism of the spring phytoplankton bloom in the Yellow Sea using data from Socheongcho Ocean Research Station (S-ORS). The analysis indicates that phytoplankton surface bloom is primarily initiated by the onset of vertical stratification due to increased sea surface temperature. Dynamic Factor Analysis (DFA) reveals varying responses among phytoplankton groups, with Bacillariophyceae thriving in turbulent environments before the bloom, Chlorophytes dominating during the bloom in stabilized water columns, and Cryptophyceae exhibiting intermediate traits. The refined CHEMTAX analysis is also adapted in large-scale spatial data analysis. The dataset for spatial analysis is acquired based on joint research with KIOST and NASA, examines the spatial distribution of phytoplankton around Korea. The spatial distributional pattern across the environmental gradient is firstly assess through RDA (redundancy analysis), and the spatial distributional pattern with an exception of environmental effects is determined by GLMM (Generalized Linear Mixed model), a type of spatial analysis. Based on the spatial effects, clustering analysis is done to figure which datapoints have similar distributional mechanisms. As result, there were striking distinction between the East, Yellow, and South Sea are detected, which is not detected through beta- diversity between samples. This study's advancements in chemotaxonomy pave the way for future research linking phytoplankton community structures with ecological functions, including primary production, food webs, carbon cycling, and particulate organic carbon dynamics. Future directions involve integrating remote sensing data and automating HPLC peak analysis to handle large datasets more effectively. Additionally, refining existing chemotaxonomic algorithms to address limitations in the gradient descent algorithm of CHEMTAX and the uncertainty in BCE is a priority. As suggested, incorporating spatial or temporal factors into pigment ratio algorithms could further improve the efficacy and reliability of chemotaxonomic approaches in marine ecosystem studies. 식물플랑크톤은 생태계와 생지화학적 순환에 중요한 역할을 하기 때문에, 이들의 군집구조와 기능에 대한 연구는 중요한 기초연구이다. 식물플랑크톤의 군집구조를 정량하는 방법에는 여러가지가 있지만, 화학분류적 접근법은 식물플랑크톤 생체량의 지표인 엽록소 a의 농도를 주요 분류군별로 할당할 수 있다는 이점이 있다. 따라서 1980년대부터 화학분류적 방법은 발전이 되어왔지만, 각각의 알고리즘이 특정 단점을 가지고 있으며, 아직 완성형 알고리즘은 없는 실정이다. 이 중에서도 가장 널리 사용되는 CHEMTAX 알고리즘은 underdetermined 편향에 취약한 경사하강법을 이용한 알고리즘이라는 한계가 있다. 따라서 본 연구는 색소 농도 데이터와 Next-generation sequencing (NGS) 데이터간의 선형 모델링을 기반으로 underdetermined 편향을 억제하는 새로운 접근법을 검토하였다. 이 접근법의 결과로 얻은 색소 비율 (final ratio)는 underdetemined system에 상대적으로 강한(robust) Bayesian Compostional Estimator (BCE)의 결과와 높은 일치도를 보이며, 해당 편향을 효과적으로 억제한 것을 확인하였다. 또한 이 선형모델은 대부분의 화학분류 알고리즘에서 공통적으로 문제가 되는 식별가능성(identifiability) 문제를 해결하는 근거로서 활용될 수 있음을 보였다. 이와 같이 개선된 CHEMTAX 방법을 활용하여 소청초 해양과학기지(S-ORS)에서 획득한 시계열 데이터를 분석하여 황해의 춘계 식물플랑크톤 대증식 메커니즘을 규명하였다. 계절변화에 따른 표층수온의 상승에 의해 유발된 수직 성층의 강화는 식물플랑크톤의 표층 대증식을 개시하는 주요 원인으로 밝혀졌다. 하지만 시계열 분석 기법 중 하나인 Dynamic Factor Analysis(DFA)로 분석한 결과 분류군별로는 다른 메커니즘이 작용하고 있었다. 규조류 (Bacillariophyceae)는 수직혼합이 활발한 환경에 대한 선호를 보였으며, 이에 따라 성층 및 표층 대증식 전에 빠른 생체량의 증가를 보였다. 이에 반해 녹조류(Chlorophytes)는 안정된 수층을 선호하였으며, 은편모조류(Cryptophyceae)는 두 분류군의 중간 특성을 가지고 있었다. 표층의 녹조류 대증식은 인산염을 빠르게 소모하여, 인-제한 환경을 조성하였으며, 이에 따라 후기천이분류군으로의 천이가 일어났다. 개선된 CHEMTAX 방법론을 광역 공간데이터 해석에도 적용해 보았다. 데이터는 2016년 미국 국립 항공 우주국 (NASA)와 한국해양과학기술원(KIOST)의 공동연구에서 얻은 데이터를 활용하여 한국 주변해역의 식물플랑크톤 군집 변동을 광역적으로 연구하였다. 우선 RDA(redundancy analysis)를 통하여 환경요소들에 따른 식물플랑크톤의 공간 분포 패턴을 1차로 밝히고, 공간분석법인 GLMM (Generalized Linear Mixed Model)을 통하여 환경적 영향이 제거된 공간 분포 패턴을 밝혔다. 이러한 공간분포 패턴은 식물플랑크톤의 분포 메커니즘을 반영하기 때문에, 군집분석을 통하여, 유사한 공간패턴을 나타내는 정점을 확인하였다. 그 결과 동해, 남해, 황해에서 뚜렷한 식물플랑크톤 분포 메커니즘의 차이를 확인하였다. 이러한 연구는 기존에 일반적으로 수행되던 베타 다양성 분석에서는 뚜렷하게 나타나지 않는 패턴을 확인한 점으로 의미가 있다. 이러한 기술모델 (desriptive model) 기반 생태 해석은 우선 CHEMTAX의 정확도가 개선되었기 때문에 가능한 분석으로서, 본 연구는 방법론의 개선과 현장 데이터로의 적용을 테스트 해보았고, 합리적인 생태적 해석을 얻을 수 있었다는 점에서 큰 의미가 있다. 이러한 연구들은 추후 먹이망, 탄소순환, 일차생산 등 생태학적 기능과 연결하는 연구로 연결될 수 있으며, 식물플랑크톤의 색소 기반 연구인 만큼, 원격탐지를 통한 데규모 연구로 이어질 수 있는 장점이 있다. 또한 추가적인 알고리즘의 개선을 위한 연구도 병행하여 진행하고 있다.

Case Study of Oil Spill in Central Visayas : Basis for Action Plan

JAMES SOMOZA BARANDINO 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내석사

필리핀은 다양한 해양 자원을 가진 섬나라로, 1,641개의 섬이 기록되어 있으며 해양 및 해안 자원을 보호하기 위해 1,923개의 해양보호구역(MPAs)을 설립했습니다. 필리핀의 경제 발전은 주로 해양 운송에 의존하기 때문에 해양 오염, 특히 기름 유출에 취약합니다. 중앙 비사야스는 가장 빠르게 성장하는 경제 지역 중 하나로, 관광업 덕분에 필리핀의 국내 총생산(GDP)에 많은 기여를 해왔습니다. 그러나 중앙 비사야스도 기후 변화의 부정적인 영향을 피해 가지 못했습니다. 2021년 12월 16일 태풍 라이(현지에서는 오데트로 알려짐)는 어업 산업을 마비시키고, 선박을 전복시키며, 양식 시설, 해안 주거지 및 관광지를 파괴했습니다. 이 연구는 2023년 2월 28일 발생한 또 다른 기름 유출 사고 이후 필리핀에서 주요 기름 유출을 규명하는 것을 목표로 합니다. 이 사고는 오리엔탈 민도로의 나우얀 근처에 거주하는 필리핀 사람들의 환경, 경제, 건강에 심각한 피해를 입혔습니다. 나쁜 날씨 조건으로 인해 M/T 프린세스 엠프레스 호가 침몰하여 약 900,000리터의 산업용 기름이 유출되었습니다. 이 연구는 또한 중앙 비사야스 지역의 기름 유출 발생률을 규명하고, 중앙 비사야스 해양경비대 직원들의 기름 유출 계획 및 대비에 대한 지식과 실천을 평가하며, 중앙 비사야스의 기름 유출 취약성에 대한 기름 유출 위험 평가를 식별하는 것을 목표로 합니다. 연구 결과는 기름 유출의 영향에 대한 회복력을 개선하고 기름 유출 대비 및 대응의 격차와 도전에 대한 지속 가능한 해결책을 개발하기 위한 행동 계획의 형태로 권장 사항을 제공할 것입니다. 주요단어(Key words) : 수질 오염, 기름 유출 완화, 대응, 영향 및 도전 과 제, 환경 민감도 지수(ESI) 매핑 The Philippines is composed of 1,641 islands and has an ironic biodiversity, being part of the Coral Triangle. As of 2020, the Philippine Marine Protected Area (MPA) database recorded 1,923 MPAs managed nationally and locally to preserve coastal and marine resources. The Central Visayas region comprises four provinces with 472 MPAs. The region's economic development depends most on maritime transportation, with busy ports vulnerable to oil spills. On 16 December 2021, Typhoon "Rai" (locally known as "Odette") devastated Cebu Island, wreaking havoc on the entire Cebu province and associated islands. The typhoon paralyzed the maritime and fishing industries, destroying most fishing facilities, including aquaculture, and damaging coastal residences and tourism. Eight major oil spill incidents in the Philippines have caused significant damage to the environment, economy, and human health. This research highlights the support of science and technology and the different methods and approaches globally that can improve oil spill mitigation, risk assessment, response, and practices in Central Visayas. The results may provide provisions and recommendations for government interventions in decision-making on mitigating the impact of an oil spill, considering economic, ecosystem and human perspectives may contribute to the success of exploration and development in Central Visayas. Key words: Oil Spill Mitigation, Response, Impacts, and Challenges, Environmental Sensitivity Index (ESI) Mapping, Aquatic Pollution * A thesis submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering/Master of Science conferred in August 2024

A Study on Novel Secondary Metabolites of Marine Sponges from the Philippines

Pham Van Thong 과학기술연합대학원대학교 한국해양과학기술원(KIOST) 2024 국내석사

수생 생물 중에서 우수한 생물 다양성과 화학 성분을 가진 것으로 알려진 해면은 흥미로운 약리학적 특성을 지닌 새로운 대사산물을 발견할 수 있는 잠재적인 자원으로 알려져 있다. 해양 천연물 연구 역사에서 해면에서 분리된 많은 화합물이 의약품으로 FDA 의 승인을 받았거나 임상 시험이 승인되었다. 본 논문은 필리핀에서 채집된 Theonella swinhoei Gray, Sprirastrella hartmani와 183-PIL-130으로 지정된 미동정 해면을 연구주제로 선정하여 신규 이차대사산물의 발굴을 시도하였다. 생물학적종 동정 기반 보고된 성분 검토와 추출물의 NMR 분석, MPLC, HPLC 를 포함한 크로마토그래피를기법을사용하여 위 해면으로부터 3개의 신규 펩타이드, 1 개의 신규 알칼로이드, 9 개의 신규 유도체와 27 개의 알려진 화합물을 분리하였다. 새로운 대사산물의 화학 구조는 NMR 및 HRMS 등 분광학 데이터를 통해 규명하였다. 상대적 입체 배열은 J 값분석과 ROESY 실험을 통해 결정되었으며, 절대적 입체 배열은 Mosher 실험, Marfey의 분석, ECD, 계산 화학을 통해 확인되었다. 본 연구를 통해 발굴된 신규 대사산물은 펩타이드, 황을 함유한 알칼로이드, 글루코실 아미노산 등 다양하게 나타났으며 항균, 항암 활성을 측정하여 약리학적 유용성을 평가하였다. 결과적으로분리된 신규 해양천연물의은유용한생리, 활성을 발굴하지 못 하였지만, 해면 대사산물의화학구조 결정법에 대한 연구결과는 유사 천연물의 구조결정에 대한 해법을 제공할 수 있을 것으로기대된다. Among aquatic organisms, marine sponges, known for their immense biodiversity and chemical components, have emerged as a potential resource for discovering novel metabolites with interesting pharmacology properties. In view of the long history of marine natural products, many valuable compounds isolated or derived from sponges have been approved by the FDA as drugs or under clinical trials. For this ambition, this dissertation focuses on the identification of new natural products from three marine sponges, Theonella swinhoei Gray, Sprirastrella hartmani, and an unidentified sponge, collected from the untouched habitats of the Philippines. The combination of chromatographic techniques, such as column chromatography, medium-pressure liquid chromatography (MPLC), and high-performance liquid chromatography (HPLC), is employed for the purification of sponge extracts, enabling the isolation of 40 natural products including three novel peptides, one unusual alkaloid, nine new derivatives, and 27 known compounds. The structures of the new metabolites were elucidated by spectroscopic analysis (1D and 2D NMR and HRESIMS). Their relative configurations were determined by the J-based configuration analysis method, while the absolute configurations were confirmed by Mosher’s experiment, Marfey’s analysis, the ECD method, TD-DFT calculation, and biosynthetic consideration. The structures of the new metabolites are diverse, including peptides with unusual amino acids, alkaloids containing sulfur atoms, and glycosyl amino acids. All of the new natural products were evaluated for antibacterial and anticancer activities. In conclusion, although the useful levels of biological activities of natural products were unidentified, we envision that this research will expand our understanding of the chemical diversity of marine organisms and provide solutions to determine the structure of complex natural products. Keywords: secondary metabolites, marine sponge, NMR, isolation, HPLC, peptides, Mosher, Marfey, Snatzke, J-based configuration analysis, TD-DFT calculation