해양 10년 프로그램을 통해 "해양에서 기후까지 원활한 예측 시스템(OSF)"을 통해 중국 천연자원부 산하 제1해양연구소(FIO)는 차세대 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS) 표면 표류 부표를 개발했습니다. 매우 저렴하고 고정밀하며 지능적인 이 GNSS 표면 표류 부표는 해양 관측 및 모니터링을 개선할 수 있는 중요한 기회를 제공합니다.
OSF 프로그램의 수석 연구원이자 FIO의 부국장인 팡리 차오 교수와 그의 팀이 개발한 차세대 GNSS 표층 표류 부이는 GNSS 위성의 무료 신호를 사용하여 지리적 위치, 시간, 표층 파고, 주기 및 방향, 표류 속도 및 방향, 표층 해수 온도, 표층 해수 염도, 대기 수증기 함량 등 10가지 중요한 변수를 정확하게 얻습니다.
이 성과는 해양 10년 자문위원회 위원이기도 한 차오 교수가 주도한 수년간의 중요한 연구를 바탕으로 한 것으로, 그는 소규모 해양 파도가 상층 해양 혼합과 공해 플럭스를 조절함으로써 대규모 해양 순환과 기후 시스템에 중요한 역할을 한다는 사실을 입증했습니다. 이러한 이유로 해수면 파도 관측은 그 자체로 대규모 해양 순환과 지구 기후 변화에도 매우 중요한 의미를 갖습니다.
역사를 통틀어 전 세계 해양 관측에는 세 가지 큰 혁명이 있었습니다. 1978년 최초의 해양 컬러 위성을 통해 처음으로 대규모 동기식 해양 관측이 가능해졌습니다. 1980년대에는 열대 부이 어레이의 개발이 시작되었고, 전 세계 열대 대규모 고정점 연속 관측 네트워크가 구축되어 엘니뇨-남방 진동에 대한 모니터링 및 예측 능력이 크게 향상되었습니다. 21세기 초, 글로벌 해양 관측 이니셔티브인 실시간 지구 영양 해양학 배열(Argo)이 출범했습니다. 현재 전 세계 해양에는 약 4,000개의 Argo 부이가 운영되고 있으며, 약 10일마다 수직 프로파일을 관측하여 3차원의 실시간 해양 모니터링을 실현하고 있습니다. 아르고 프로그램은 또한 유네스코 정부간해양학위원회가 공동 주도하는 전지구해양관측시스템(GOOS)의 일부이기도 합니다. 해양 관측을 위한 엄청난 노력과 일련의 기술적 성과가 있었지만, 높은 비용은 여전히 해양 관측의 걸림돌이자 큰 도전 과제입니다.
2016년부터 심도 있는 해양 다학제 협력을 통해, 그리고 베이더우를 비롯한 GNSS 위성을 활용하여 차오 교수팀은 부이 하드웨어 설계와 데이터 처리 분야에서 기술적 혁신을 이루었습니다. 여기에는 저비용 GNSS 단일 스테이션, 실시간 고정밀 온라인 속도 및 위치 결정, 파동 요소 및 수증기 함량을 포함한 여러 요소의 실시간 온라인 반전, 파동 스펙트럼의 넓은 스펙트럼 확장 및 캡처, BeiDou 위성 단문 메시지 통신(SMC)과 통합된 다중 요소 코딩 전송 및 제어, 저전력 및 고성능 알고리즘 최적화, 부이 소형화 및 파동 추종 최적화 등이 포함됩니다. 이러한 발전으로 반전 정확도가 크게 향상되고 정밀 차동 보정 서비스 비용이 절감되었으며 통신 부담도 크게 줄었습니다.
여러 현장 관측 실험과 비교 결과, 이 획기적인 새 부표의 정밀도는 웨이바이더와 같이 일반적으로 사용되는 다른 파도 측정 장비와 동등한 수준으로, 센티미터 수준의 차이밖에 나지 않는 것으로 나타났습니다. 관측 비용도 획기적으로 절감되어 GNSS 부표의 비용이 90% 절감되었습니다. 즉, 새로운 GNSS 부표의 관측 비용은 기존 시스템의 10% 미만입니다.
이러한 재정적 측면은 종합적인 해양 관측 시스템 구축에 걸림돌이 되어 왔기 때문에 특히 중요합니다. 지난 45년 동안 괄목할 만한 진전이 있었음에도 불구하고 해양 관측은 여전히 높은 비용과 부족한 관측 범위라는 문제에 직면해 있으며, 이는 해양 과정에 대한 과학적 이해와 해양 및 기후 예측 능력에 직접적인 장애가 되고 있습니다. 실제로 상층 해양과 하층 대기는 바다에서의 인간 활동과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 기후 변화를 이해하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
초기 연구 결과를 바탕으로 차오 교수와 그의 팀은 네 가지 유형의 GNSS 부이를 개발하고 있습니다. A형 GNSS 부표는 기본 구성으로, 위의 10가지 변수를 동시에 얻을 수 있습니다. 타입-B GNSS 부표는 풍속과 풍향, 온도, 습도, 기압 등 5가지 대기 변수를 더 수집할 수 있습니다. Type-B GNSS 부이를 대량으로 배치하면 전 세계 대규모 기-해 플럭스의 실시간 관측이 현실화되고, 기-해 플럭스 계산 시 표층파의 기여도를 정확히 고려할 수 있습니다. 타입-C GNSS 부이는 기존 10가지 변수 외에 0~300미터까지 해수 온도와 염분 구조를 측정할 수 있으며, 인공지능 제어 소프트웨어를 통해 해양 내부 파도까지 정확하게 포착할 수 있습니다. 한편, 타입-D GNSS 부표는 기존 10가지 외에 수중 소음까지 측정할 수 있어 해양 포유류 모니터링과 해양 생태 보호에 활용할 수 있습니다.
FIO가 개발한 새로운 GNSS 부이는 지능형이기 때문에 큰 파도 지역, 내파, 해양 위험 등 필요에 따라 언제든지 자동으로 집중 관측을 수행할 수 있습니다. 향후에는 추가적인 기술 혁신을 통해 소용돌이를 감지하고 전 세계 조수 간만의 차를 정밀하게 측정하여 전 세계의 취약한 해안 지역을 더욱 안전하게 보호하는 것을 목표로 하고 있습니다.
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Liu 외. 2022. GNSS 변동계측 접근법을 이용한 해수면 파도의 실시간 정밀 측정. 국제 응용 지구 관측 및 지리 정보 저널, 115, 103125. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125
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리 리 박사, 국제협력부 국장, 천연자원부 제1해양연구소 수석 과학자
li.li@fio.org.cn