지구시스템모델에 접합된 해양생지화학모델 상호비교: COBALT, MEDUSA, PISCES

김은영,박종연 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10

인류기원으로 증가한 이산화탄소 농도는 해양생태계에 큰 영향을 준다. 이러한 영향을 전지구적 규모에서 분석하기 위해 여러 해양생지화학모델이 사용되고 있다. 해양생지화학모델은 대기, 해양물리, 육상, 해빙모델 등과 함께 접합되어 해양 내의 탄소순환과 그 피드백을 정량화하는데 매우 유용하게 사용된다. 본 연구에서는 해양 생지화학적 모델 중에서 대표적으로 많이 사용되는 COBALT, MEDUSA, PISCES모델 간 역학 과정의 차이를 이해하여 향후 기후연구를 위한 모델 선정에 있어 기초자료를 제공하는 것에 중점을 두었다. 세 개 모델은 공통적으로 NPZ(nutrient-phytoplankton-zooplankton) 모델에 속하지만 상태변수와 매개변수, 모델구조에서 차이가 있었다. 모델의 복잡성은 COBALT, PISCES, MEDUSA 순이었다. COBALT 모델은 박테리아와 질소고정세균을 외재적으로 연산하는 것과 중형동물플랑크톤을 중형과 대형으로 구분하였고 용존유기물질을 물질의 안정성과 생물이용도에 따라 질산염과 인산염, 각각 3개의 다른 상태변수로 구성하였다. MEDUSA는 용존유기물질과 인산염, 질산화와 탈질산화 과정을 모델 내에서 구현하지 않았으나 퇴적층 내 무기영양염을 별도의 상태변수 5개로 구성하였다. PISCES모델은 규조각, 탄산칼슘각과 같은 입자성무기물질에 의해 입자성유기물질의 침강플럭스가 증가하는 밸러스트 효과(ballast effect)를 고려하지 않았으나 다른 두 모델에서는 이 효과가 모사되어 있다. COBALT와 MEDUSA모델은 질소를 주요단위로 사용하는 반면 PISCES모델의 주요단위는 탄소였다. PISCES모델은 철과 입자성유기물질에 대해 두 개의 하위모델을 구성하여 연구목적에 따라 취사선택할 수 있도록 하였다. Kriest모델과 Complex chemistry모델을 선택하면 입자성유기물질의 입자크기 스펙트럼의 기울기에 따른 평균 입자침강속도를 계산할 수 있고 철의 화학종을 5개로 세분화할 수 있다.

생태계 생지화학모형을 이용한 2009년 남부지방 소나무 고사현상 분석

강신규,임종환 한국응용곤충학회 2013 한국응용곤충학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.04

식생의 계절 및 연간변동성은 식물을 먹이자원으로 살아가는 섭식자의 개체군 동태와 상호작용하는 중요한 생태계 요소이다. 이 발표에서는 생태계생지화학모형, 위성영상정보, 지상관측영상정보 등을 활용해 수행한 산림식생의 계절성 및 연간변동성에 대한 연구결과를 소개한다. 구체적인 사례들로 (1) 2009년 남부지방에서 보고된 광범위한 소나무 고사현상에 대한 기상요인의 영향을 파악하기 위해 수행한 생태계 생지화학모델링의 식생동태 계절 및 연간변동성 결과, (2) 지상관측영상정보를 활용해 낙엽활엽수림 임관의 계절변화를 관측하고 이를 증산류 측정과 연계하여 해석한 연구결과, 그리고 마지막으로 (3) 위성영상정보를 활용해 우리나라 전역의 임관개엽일 추정모형의 개발과 적용사례를 소개한다. 생태계 생지화학모형은 대기-식생-토양간의 에너지/물/탄소/질소 흐름과정을 모사하는 과정에서 다양한 생태계 상태(state) 및 과정(flux) 변수를 생산한다. 이를 이용해 식물성장의 빛/물/질소이용효율과 같은 생태생리학적 지수를 산출하여 기상현상에 따른 식물생육의 영향을 분석하는 수단을 제공한다. 2009년에 남부지방에서 소나무 고사현상이 널리 발견되었으며, 모형분석 결과 이전 해 가을부터 당해 이른 봄철까지의 심각한 강수량 부족현상으로 인한 광합성 효율을 저하가 한가지 원인으로 파악되었다. 이러한 물 부족에 의한 생태생리학적 성장저해는 2008-2009년 겨울은 물론, 2000년 이후 수 차례 반복된 현상으로 특히 진주 인근의 경남지역에서 심각했던 것으로 분석되었다. 반면에 중부지역의 경우 2000년대 중반에 경기도 지역을 중심으로 낙엽활엽수림의 성장저해가 심각하였던 것으로 모사되었다. 모형의 모사결과와 당시 중부지방에 창궐하였던 참나무 마름병 간의 연관성은 아직 분석된 바가 없다. 매일 주야 4회 제공되는 MODIS 위성영상은 임관의 개엽과 발달, 성숙, 쇠퇴와 낙엽 등 식물계절현상을 관측하는 유용한 수단을 제공한다. 그러나 250m에서 1km에 달하는 거친 공간해상도는 다양한 수종의 혼합된 분광정보를 제공하고, 빈번한 운무에 의한 위성영상자료의 결손은 정교한 식물계절일 탐지의 어려움을 제공한다. 이러한 단점을 일부 극복한 전처리 과정을 거친 MODIS 영상을 이용해 혼효림 및 낙엽활엽수림 지역의 임관개엽일을 추정하는 기법을 개발하였고, 위성기반의 개엽일 자료와 기상자료를 결합하여 기온의 계절변화에 따른 임관개엽일 추정모형을 개발하였다. 임관개엽모형을 이용해 미래 기후변화에 따른 한반도 식생의 개엽일 변화를 예측하였다. 이 발표에서는 이들 연구과정과 결과들을 간략히 소개하여, 곤충개체군 연구와의 접목점을 논의할 것이다.

지하수 용존 우라늄의 수착 및 침전 거동에서 수소 가스의 생지화학적 영향

이승엽(Seung Yeop Lee),이재광(Jae Kwang Lee),서효진(Hyo Jin Seo),백민훈(Min Hoon Baik) 대한자원환경지질학회 2018 자원환경지질 Vol.51 No.2

원전 시설 주변 및 심지층 폐기물 처분장 인근 환경은 우라늄으로 오염될 가능성이 높으며, 오염된 우라늄은 지하수를 따라 먼 곳까지 이동 및 확산될 수 있다. 이러한 오염 우라늄의 이동 및 확산을 효과적으로 제어하기 위해서는 지하 환경에서 우라늄의 생지화학적 거동을 이해할 필요가 있다. 일반적으로 토양 및 지질 매체 내에 다양한 종류의 미생물이 생존하고 있으며, 이들의 활동은 핵종들의 산화·환원 반응 및 그에 따른 용해도 변화와 밀접히 연관되어 있다. 우리는 유기물 대신 수소 가스를 전자공여체로 사용하여 고체 매질에 대한 용존 우라늄의 수착 및 침전 거동을 살펴보았다. 화강암을 고체 매질로 사용한 회분식 실험에서는 수소의 영향이 관찰되지 않았으나, 벤토나이트를 사용한 조건에서는 수소의 영향으로 5~8% 우라늄 농도 감소가 관찰되었다. 이러한 결과는 벤토나이트 토착미생물이 수소를 전자공여체로 활용하여 우라늄 거동(감소)에 영향을 준 것으로 보인다. 또한, 폐기물 처분환경의 고열 및 고방사선 조건에서도 벤토나이트 토착미생물은 강한 내성을 보였으며, 이는 향후 자연산 벤토나이트가 처분장 완충재로 사용될 경우 핵종-생지화학 반응이 주요 기작 중의 하나가 될 것으로 예상된다. There would be a possibility of uranium contamination around the nuclear power plants and the underground waste disposal sites, where the uranium could further migrate and diffuse to some distant places by groundwater. It is necessary to understand the biogeochemical behaviors of uranium in underground environments to effectively control the migration and diffusion of uranium. In general, various kinds of microbes are living in soils and geological media where the activity of microbes may be closely connected with the redox reaction of nuclides resulting in the changes of their solubility. We investigated the adsorption and precipitation behaviors of dissolved uranium on some solid materials using hydrogen gas as an electron donor instead of organic matters. Although the effect of hydrogen gas did not appear in a batch experiment that used granite as a solid material, there occurred a reduction of uranium concentration by 5~8% due to hydrogen in an experiment using bentonite. This result indicates that some indigenous bacteria in the bentonite that have utilized hydrogen as the electron donor affected the behavior (reduction) of uranium. In addition, the bentonite bacteria have showed their strong tolerance against a given high temperature and radioactivity of a specific waste environment, suggesting that the nuclearbiogeochemical reaction may be one of main mechanisms if the natural bentonite is used as a buffer material for the disposal site in the future.

기후변화에서 지표환경의 역할에 대한 고찰

김성중,Kim, Seong-Joong 한국제4기학회 2009 제사기학회지 Vol.23 No.1

최근 급격한 온실가스 증가에 기인하여 대기와 해양 그리고 빙권의 변화가 나타나고 또한 기온과 수분의 함량 변화에 따라서 지표 환경도 서서히 변하기 시작하는 것으로 보고되고 있다. 지표환경의 반응은 생지화학적 반응과 생물리학적 반응으로 구분 할 수 있는데, 생지화학적 반응은 기후변화에 따른 광합성이나 이와 유사한 지표환경의 변화 그리고 이에 따른 화학적인 피드백을 지칭하며 이는 대기의 온실가스 농도를 변화 시키는 역할을 한다. 생물리학적 반응은 기후변화에 따라 식생의 분포가 변하게 되고 이에 따른 태양에너지의 입사율 변화 등과 같은 물리적 반응을 나타낸다. 과거 기후변화역사에도 식생의 변화가 기후변화에 미치는 영향이 매우 컸던 경우가 있었고, 앞으로의 기후변화는 거대하고 급격하게 일어날 것으로 예측되기 때문에, 미래 기후변화의 정확한 예측을 위해서는 지표환경변화의 물리 화학적 변화를 이해하고 예측 모형에 정확히 포함시킬 필요가 있다. In response to the abrupt climate change in recent years, atmosphere, ocean and cryosphere are reported to be altered. In addition to these changes, the land surface is also gradually changing and its impact on the global climate may not be negligible. The land surface change impacts the global climate via two ways, the biogeochemical and biophysical feedbacks. The biogeochemcial change in the land surface modifies the atmospheric trace-gas concentrations through a change in photo synthesis, while biophycal changes of the land surface alters the surface albedo, which influences the amount of the short wave radiative heat fluxes. There are many examples in the past that the change in land surface greatly influences the global climate change. The recent IPCC report has suggested that the climate change will occur rather abrubtly in the near future. In order to predict the future climate accurately, the impact of the land surface change is fully considered.

수정 수문지형학적 방법을 적용한 강천 대체습지의 기능평가

김정욱,이보은,김재근,오승현,정재원,이명진,김형수 한국습지학회 2017 한국습지학회지 Vol.19 No.3

2008년부터 2013년까지 우리나라는 4대강 살리기 사업을 진행하면서 하천준설 및 습지 내 유원지화로 기존의 습지가 축소되거나 훼손되었다. 이에 환경적 측면을 고려해 대체습지를 조성하였으나, 이에 대한 관리가 미흡한 상태이다. 습 지의 효율적 관리를 위해서는 먼저 습지의 기능을 평가하고 각 기능에 맞는 관리가 필요하다. 본 연구에서는 4대강 사 업으로 조성된 강천습지를 대상으로 수정 HGM 방법을 이용하여 수문학적, 생지화학적, 동·식물서식처 기능을 평가하 였다. 기능평가를 위한 변수를 산정하기 위해 4대강 사업 전과 사업 후의 강천습지에 대한 현황과 습지에 대한 자료 및 제원을 문헌조사 및 현장조사 그리고 수리·수문모델링을 통해 획득하였다. 기능평가 결과 4대강 사업 이후 수문학 적 기능이 65.5%, 생지화학적 기능이 66.6%, 식물서식처 기능이 75%, 그리고 동물서식처 기능이 108.3%로 4대강 사 업 이후 강천습지는 이전에 비해 78.9%의 기능을 수행하는 것으로 분석되었다. 수문학적 기능의 감소는 4대강 사업 이후 지표하 저류의 감소, 그리고 생지화학적 기능 및 식물서식처 기능의 감소는 4대강 사업으로 인해 강천습지 주변 의 모래톱이 상당 면적 제거되었기 때문이다. 따라서, 감소한 기능을 보완하기 위해 습지 구역을 확장하고, 다양한 식 물을 식재할 필요가 있다. 본 연구에서 사용된 수정 HGM 방법은 기존의 습지로부터 대체습지에 대한 개선 정도를 고려할 수 있으므로 조성된 대체습지를 효율적으로 관리하는데 활용할 수 있다. 또한 습지를 새롭게 조성할 경우 시간 에 따른 조성 습지의 기능 변화를 평가하기에 매우 유용할 것으로 판단된다. Riverine wetlands were reduced and damaged by dredging of rivers and constructing parks in wetlands by Four Rivers Project from 2008 to 2013. Therefore, replacement wetlands were constructed for the compensation of wetland loss by the government. However, It is not enough to manage replacement wetlands. In order to manage the wetlands efficiently, it is necessaty to assess the functions of the wetlands and to manage them according to their functions. Here we performed functional assessments for a replacement wetland called Gangcheon wetland using the modified HGM approach. Hydrological, biogeochemical, animal habitat, and plant habitat functions for the wetland were assessed. To assess the functions, we collected informations for modified HGM approach from the monitored hydrologic data, field survey, published reports and documents for before and after the project, and hydraulic & hydrologic modeling. As the results of the assessment, the hydrological function for the replacement wetland showed 65.5% of the reference wetland, biogeochemical function showed 66.6%, plant habitat function showed 75%, and animal habitat function showed 108.3%. Overall, Gangcheon wetland function after the project was reduced to 78.9% of the function before the project. The decrease in hydrological function is due to the decrease of subsurface storage of water. And the decrease in biogeochemical & pland habitat functions is due to the removal of sandbank around the Gangcheon wetland. To compensate for the reduced function, it is necessary to expand the wetland area and to plant the various vegetation. The modified HGM used in this study can take into account the degree of improvement for replacement wetlands, so it can be used to efficiently manage the replacement wetlands. Also when the wetland is newly constructed, it will be very useful to assess the change of function of the wetland over time.

부유식물과 침수식물이 습지의 주요 수 환경에 미치는 영향

이근주,성기준 한국습지학회 2013 한국습지학회지 Vol.15 No.3

본 연구에서는 습지식물의 유형에 따라 습지의 주요 수 환경에 미치는 영향을 파악하고자 부유식물로는 부레옥잠(Eichhornia crassipes)을 침수식물로는 붕어마름(Ceratophyllum demersum)을 인공습지 실험구에 도입한 후 pH, 용존산소, 수온, 산환환원전위, 영양물질 농도 등 주요 수 환경의 변화를 조사하였다. 수 표면에 주로 존재하는 부유식물은 빛이 수체내로 투과하는 것을 막아, 다른 처리구에 비해 수온이 낮게 나타났으며 주·야 모두 상·하층 수온의 차이도 관찰되었 다. 오염물 유입 후 모든 실험구에서 용존 산소가 일시적으로 감소하였다가 다시 회복되었는데 특히 수중에서 광합성을 하는 침수식물처리구에서 주기성을 가지면서 증가하였고 상승폭 또한 가장 큰 것으로 나타났다. pH 또한 침수식물 처리구에서 주 기성을 가지면서 변동하는 것으로 나타나 용존산소의 경우와 같이 광합성의 영향임을 보여주었다. 본 연구에서 습지토양의 산환환원전위가 수생식물의 유무나 유형에 따라 영향을 받을 수 있음이 관찰되었으며 이와 관련된 생지화학적 기작에도영향 을 줄 수 있는 것으로 판단되었다. 수체 내 총질소와 총인의 농도는 물만 있는 대조구 <물과 토양이 있는 대조구 <부유식물 처리구 < 침수식물 처리구의 순으로 감소한 것으로 나타나 식물이 영양물질 제거에도 효과적임을 보여주었다. 부유식물과 침수식물 모두 조류발생을 억제하는 것으로 나타났는데 특히 부유식물의 경우 더 효과적인 것으로 나타났다.

전구해양 모의에서 나타난 생지화학과정의 영향

정현채 ( Hyun-chae Jung ),문병권 ( Byung-kwon Moon ),위지은 ( Jieun Wie ),박효진 ( Hyo-jin Park ) 전북대학교 과학교육연구소 2017 과학과 과학교육 논문지 Vol.42 No.2

Debate continues about the impacts of biogeochemical processes on the oceanic mean state and interannual variability, since climate models show diverse simulation results. We investigate the biophysical impacts on the ocean climate using an global ocean general circulation model. The annual cycle in the tropical Pacific has been amplified due to biological processes. Global surface currents, particularly western boundary currents and Antarctic Circumpolar current, also have been strengthened. Furthermore, ocean model with biological module shows the larger amplitude of El Niño, which is resulted from the modulation of vertical baroclinic mode. Simple model experiments with three baroclinic modes indicate that the biological-induced changes in oceanic thermal structure act to amplify El Niño amplitude via altered vertical modes. The processes presented in this paper are preliminary and need to be validated using more comprehensive models.

새롭게 개발된 NEMO-TOPAZ의 생지화학 모의 특징

이효미,문병권,정현채,변영화,임윤진,이조한 한국기상학회 2019 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2019 No.4

해양-생지화학 접합 모델의 개발과 평가

정현채,문병권,이효미,최진호,김한경,위지은,박종연,박혜선,변영화,임윤진,이조한 한국기상학회 2019 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2019 No.10

습지 식물이 퇴적물의 생지화학적 반응에 미치는 영향

최정현(Jung Hyun Choi) 大韓環境工學會 2008 대한환경공학회지 Vol.30 No.9

이 연구는 습지의 수생 식물이 퇴적물에 유발하는 생지화학적 변화들을 식물이 존재하는 퇴적물과 존재하지 않는 퇴적물의 공극수 및 퇴적물을 비교 분석함으로써 살펴보았다. 현장 실험을 통하여 식물의 생장기간 동안 rhizosphere에서 높은 SO₄^2- 농도가 관찰되었고, 이는 식물의 뿌리에서 방출된 산소가 주변 퇴적물에 존재하고 있는 sulfide를 산화시킨 결과라 판단된다. 측정된 AVS의 농도는 SO₄^2- 농도 증가를 보여주기에 충분한 양이 존재하였고, 관찰된 SO₄^2- 농도를 발생시키기 위해 AVS 산화에 요구되는 산소량은 0.85 g/m2·day로 다른 연구자들의 연구결과와 부합되는 결과를 도출하였다. 식물이 존재하지 않는 퇴적물의 경우 대부분의 AVS가 지표면에 존재하고 있는데 비해 식물이 존재하는 경우 rhizosphere에서 가장 높은 농도의 AVS가 존재하고 있는 것으로 보아 식물의 evapotranspiration에 의해 지표수내 SO₄^2-가 혐기성 상태인 퇴적물 내부로 활발히 이동되어 졌음을 알 수 있다. 그 외에도, 식물에 의해 증가된 유기물은 퇴적물에서 탄소 순환에 중요한 역할을 하는 β-glucosidase 효소의 활성도를 증가시켰다. This research investigates the influences of the presence of aquatic macrophytes on the changes of biogeochemistry in the sediments through the comparative analysis of porewater and sediments. From the in situ measurements, elevated SO₄^2- concentrations were observed in the rhizosphere during the growing season, which was resulted from the oxidation of reduced sulfide in the sediments by the oxygen release from the plant roots. There was sufficient AVS in the sediments to induce observed SO₄^2- concentrations. The amount of oxygen in the oxidation of AVS to produce observed SO₄^2- concentrations is 0.85 g/m2·day which is relevant to the results of other researches. The AVS concentrations in the vegetated sediments increased with the depth whereas there is higher mass of AVS in the surface of the non-vegetated sediments. This shows that evapotranspiration induces the transportation of SO₄^2- in the surface water into the anaerobic sediments. In addition, the elevated organic content caused by the presence of plants increased β-glucosidase activities which play an important role in the carbon cycle of the sediments.