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Original Paper
쇄빙연구선 아라온호를 활용한 2020-2021년 북극해 연구항차 기간 동안의 기상정보 및 해수 관측 자료
이성재1,*orcid, 김현철2orcid, 신동섭3orcid, 김수환4orcid, 최형규4orcid
Meteorological and Sea Surface Water Measurement Data from Icebreaker Research Vessel ARAON for 2020-2021 Arctic Research Expeditions
Sungjae Lee1,*orcid, Hyun-Cheol Kim2orcid, Dongseob Shin3orcid, Suhwan Kim4orcid, HyunGyu Choi4orcid
GEO DATA 2023;5(1):26-33.
DOI: https://doi.org/10.22761/GD.2023.0005
Published online: March 28, 2023

1기술원, 극지연구소 원격탐사빙권정보센터, 인천광역시 연수구 송도미래로 26, 21990, 대한민국

2센터장, 극지연구소 원격탐사빙권정보센터, 인천광역시 연수구 송도미래로 26, 21990, 대한민국

3책임기술원, 극지연구소 미래기술개발부, 인천광역시 연수구 송도미래로 26, 21990, 대한민국

4선임기술원, 극지연구소 미래기술개발부, 인천광역시 연수구 송도미래로 26, 21990, 대한민국

1Research Specialist, Center of Remote Sensing and GIS, Korea Polar Research Institute, 26 Songdomirae-ro, Yeonsu-gu, 21990 Incheon, South Korea

2Director, Center of Remote Sensing and GIS, Korea Polar Research Institute, 26 Songdomirae-ro, Yeonsu-gu, 21990 Incheon, South Korea

3Principal Administrative Specialist, Division of Polar Technology, Korea Polar Research Institute, 26 Songdomirae-ro, Yeonsu-gu, 21990 Incheon, South Korea

4Senior Administrative Specialist, Division of Polar Technology, Korea Polar Research Institute, 26 Songdomirae-ro, Yeonsu-gu, 21990 Incheon, South Korea

Corresponding Author Sungjae Lee Tel: +82-32-760-5350 E-mail: sungjae@kopri.re.kr
• Received: February 22, 2023   • Revised: March 14, 2023   • Accepted: March 15, 2023

Copyright © 2023 GeoAI Data Society

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

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  • Since its construction in 2010, the icebreaker ARAON has been conducting regular polar field surveys to observe changes in the atmosphere and marine environment in polar regions. The Arctic Ocean, a major research area, is directly affected by changes in the ocean, atmosphere and energy circulation system due to the continuous decrease in sea ice. During the Arctic summer season, when sea ice becomes smaller and thinner, the ARAON passes through East Sea, Bering Sea, Chukchi Sea, and Beaufort Sea to investigate the marine environment on the high latitude high seas. The Arctic Ocean is important not only for scientific research due to climate change, but also for economic research such as undersea energy, mineral resources, and Northern Sea route. However, it is difficult to access the Arctic and conduct long-term and continuous field surveys. ARAON carries out Arctic research voyages using various research equipment, and the most basic observation among them is meteorological information and sea water observation data. Weather data include solar radiation, atmospheric temperature, humidity, wind speed and wind direction, and seawater observations include sea water temperature, salinity, conductivity and fluorescence substances. In addition, three-dimensional location information of the research line was obtained. The data will be used as inspection data for satellite data and polar field survey data.
지구 표면온도의 변화는 19세기 이후로 급격하게 증가하고 있다. 이러한 변화는 자연적인 요인보다는 인간활동에 의한 영향이 크게 작용한 결과이다. 지구온도 변화는 대기 순환, 해류 순환 등 지구시스템 변화를 가져오고 있다. 최근 대부분의 지역에서 폭염, 가뭄 등 고온 현상의 빈도와 강도는 늘어나고 있는 반면, 추위와 관련된 기상 이변은 줄어들고 있다(Pachauri et al., 2014). 특히 북극은 해빙의 지속적인 감소와 봄철 적설 면적이 북반구 전역에 걸쳐 줄어들고 있다. 해빙의 감소는 태양 복사에너지를 대기 중으로 반사시키는 매질이 사라지면서 바다가 에너지를 그대로 흡수하여 에너지 순환 시스템의 변화를 야기시킨다. 이러한 변화는 북극 환경에 국한되는 현상이 아니라 전 세계적인 순환시스템에 의해서 여러 환경 변화 문제로 다가올 것이다.
극지의 기후 변화시스템을 보다 완벽하게 이해하기 위해서는 현장관측, 모델링 및 원격탐사가 반드시 수행되어야 한다. 접근이 어려운 극지방을 지속적으로 관측하기 위해서 인공위성, 항공기 등 원격탐사기법을 이용한 관측이 다양하게 이루어지고 있다. 하지만 극지역은 태양고도가 낮아 열악한 태양 에너지 조건을 가지고 있어 원격탐사 방법의 한계를 가지고 있다. 또한 일반적으로 사용되는 알고리즘의 대부분은 중위도 및 온열대 지역을 대상으로 만들어지기 때문에 극지의 특성을 반영하기 어렵고 불확실성이 다른 지역보다 높다. 원격탐사의 한계점을 해결할 수 있는 방안은 현장관측을 통해서 자료를 획득하여 알고리즘을 극지에 맞게 보정하는 방법이 있다(Lee and Kim, 2020). 극지연구소에서는 쇄빙연구선 아라온호를 이용하여 북극의 해양 및 빙권의 환경 변화를 관측하기 위하여 2010년 아라온호 건조 이후 정기적인 현장조사를 수행하고 있다. 북극 환경 자료 수집을 위하여 기상관측 자료 및 해수의 온도, 염분, 전도도 등의 자료를 측정한다. 측정된 자료는 해양의 생물학적 특성 분석 및 대기 변화 분석의 기초 자료로 활용될 것이다.
쇄빙연구선 아라온호는 극지역의 대기 및 해양 환경 변화 관측을 목적으로 하고 있다. 이를 위하여 2010년 연구선 건조 이후 매년 북극해 및 척치해, 배링해를 포함하는 연구지역을 대상으로 연구항해를 진행하였다. 본 연구에서는 Shin et al. (2019)이 보고한 관측 자료 이후 북극 대기 및 해수표층수온염분 자료를 구축하였다. 연구항해는 해빙이 줄어드는 북극해의 하계시즌(7-9월)에 수행된다. 연구항해는 북극의 환경 변화를 연속적으로 관측하기 위하여 Table 1의 연구장비를 활용하여 아라온 항로를 따라 연속적으로 측정한다. 연구장비는 매년 연구선의 정기적인 상가 수리시 외형적 점검이 이루어지고 있으며, 연구항해 전 시험항해를 통한 현장점검도 이루어지고 있다. 관측 자료는 연구선에서 수신하는 Global Positioning System 자료와 동기화되어 UTC 시간과 위도, 경도 정보를 저장한다. Fluorometer는 엽록소 형광방출의 측정을 통한 엽록소 농도와 해수온도를 측정하며, Thermosalinograph는 수온센서와 전기전도도센서로 구성되어 수온, 전도도, 염분, 음파속도 등을 측정하는 장비이다. 관측 자료는 각각 5초, 10초 간격으로 측정되고, 취수구의 깊이는 해수면으로부터 약 7 m이며 배의 운항 환경에 따라 달라질 수 있다. Thermosalinograph의 센서는 두 개의 동일한 센서로 구성되어 있으며, 해빙 및 해수 상태에 따른 관측 중단을 고려하여 상호보완, 이중화된 구성이다. Wind와 weather 센서는 기상관측을 위하여 설치되어 있으며, 풍속 및 풍향, 기상정보를 획득하고 있다. 기상관측 자료는 각 1초 간격으로 측정되며, 센서의 상태에 따라 2초 간격으로 측정되는 경우도 있다. 모든 관측 자료는 표준 ASCII 코드형식으로 쉼표로 구분된 CSV 형식으로 작성되었으며, 매시간 단위 파일로 구분되어 저장된다.
아라온호는 2010년부터 여름철 북극해 환경 변화 모니터링을 위하여 정기적으로 관측하고 있으며, 본 연구에서는 2020년, 2021년의 관측 자료를 정리하였다. 아라온호의 운항경로는 Fig. 1과 같으며, 매년 동일한 지역을 관측하고 있으나 해양 환경의 상태, 해빙 유무에 따라 유동적으로 연구정점을 변경하여 관측하고 있다. 주로 7월에는 대한민국에서 베링해로 이동하는 이동항해, 베링해에서 연구항해가 이루어지며, 8월에서 9월 사이에 척치해, 보퍼트해, 동시베리아해 등의 연구지역에서 연구항차를 수행한다.
본 연구에서 구축된 자료는 대한민국을 출발하여 동해, 북태평양, 베링해, 척치해, 보퍼트해 등을 포함하는 연구지역을 2020년, 2021년에 걸쳐서 관측하였다. 구축된 자료는 연간 변화를 알아보기 위하여 Fig. 2에 각 연도별, 센서별로 정리하였다. 자료의 왼쪽은 2020년, 오른쪽은 2021년에 획득한 자료이다. 자료는 전처리과정을 통해서 획득되지 않은 위치의 관측 자료는 제외하였다. 그래서 동일한 센서에서 획득한 자료라도 서로 다른 관측 범위의 결과를 보여주고 있다. 또한 이상치 및 기계적인 오차를 제외하기 위하여 통계적인 방법 중에서 사분위수를 이용하였다. 각 자료 중에서 30분간 획득한 자료를 선택하여 1사분위와 3사분위 차이인 사분위 간 범위를 구하고, 범위의 1.5배 이내 자료를 정리하였다. 구축된 자료 형태는 ASCII CSV이며, 모든 자료는 시간순서에 따라 센서별로 정리하였다. 전체적인 자료의 분포는 경도의 이동에 따라서 염분, 전도도, 온도 등이 변화하는 걸로 나타났다. 70도 이상의 고위도로 올라가게 되면 해빙이 많이 분포하게 되어 해수의 온도와 염분의 변동성이 커지는 것을 확인할 수 있다. 해빙이 많이 존재하는 구간에 연구선이 진입하면 해빙에서 융해되어 나오는 담수로 인해 염분이 낮아지게 된다. 2020년 연구항차 기간의 Fig. 2IFig. 2K는 대기정보를 측정하는 센서의 결함으로 인하여 연구항해 이후 귀항하는 기간의 자료는 관측하지 못하였다.
본 연구의 자료는 2020년, 2021년 쇄빙연구선 아라온호를 이용한 북극해 현장조사를 통해 수집하였다. 수집한 자료는 대한민국에서 동해, 북태평양, 베링해, 척치해, 동시베리아해 등을 걸친 북극의 하계시즌에 측정된 자료로 아라온의 이동경로를 따라 획득되었다. 해수의 물리적인 특징을 관측하기 위하여 해양 표층의 염분, 해수온도, 전도도 등을 측정하였으며, 일사량, 대기온도, 습도 등 기상정보를 측정하였다. 또한 추가적인 기초 자료로 활용하기 위하여 위치정보 및 연구선의 3차원 움직임 정보를 기록하였다. 자료는 ASCII 형식의 CSV 파일로 정리하였으며, 사분위수를 이용하여 이상치 값을 제외하는 전처리과정을 거쳤다. 수집된 자료는 위치에 따른 해양 및 대기의 다양한 특성을 보여주었다. 해당 자료는 위성 자료 및 극지 현장 자료의 검보정용 자료로 활용될 수 있을 것이며 지속적인 장기간의 모니터링을 통하여 북극해 환경 변화의 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다. 본 자료의 원시데이터는 극지데이터센터(Korea Polar Data Center, kpdc.kopri.re.kr)에서 확인 가능하며, 신청절차를 거쳐서 원본데이터를 받을 수 있다.

Conflict of Interest

Hyun-Cheol Kim has been an Editorial Board of GEO DATA; however, he was not involved in the peer reviewer selection, evaluation, or decision process of this paper. Otherwise, no other potential conflicts of interest relevant to this paper were reported.

Funding Information

This research was supported by the Research Program "Study on remote sensing for quantitative analysis of changes in the Arctic cryosphere (PE23040)" and "Technical Support for Icebreaking Research Vessels (PE23822)" of the Korea Polar Research Institute of the Korea Institute of Ocean Science and Technology.

Fig. 1.
Seawater sampled track during ice-breaking research vessel (IBRV) ARAON cruise between 2020 and 2021.
GD-2023-0005f1.jpg
Fig. 2.
Meteorological and sea water measurement data result in the research area 2020 (A, C, E, G, I, K, M, O) and 2021 (B, D, F, H, J, L, N, P).
GD-2023-0005f2.jpg
Table 1.
Research equipment and observation information on ice-breaking research vessel ARAON
Sensor Observation information Remarks
Common Universal time coordinated date YYYY/MM/DD
Universal time coordinated time hh:mm:ss
Latitude
North/South
Longitude
East/West
Fluorometer Fluorescence (μg/L) Sensor: 10-AU
Maker: Turner Designs Inc
Thermosalinograph Temperature (℃) Sensor: SBE-45
Conductivity (S/m) Maker: Sea-Bird Electronics
Salinity (psu)
Sound speed (m/s)
Temperature (℃) Sensor: SBE-38-1
Maker: Sea-Bird Electronics
Temperature (℃) Sensor: SBE-38-2
Maker: Sea-Bird Electronics
Wind Relative wind angle (degree) Sensor: WindObserver 65
Relative wind speed (m/s) Maker: Gill Instruments
True wind angle (degree)
True wind speed (m/s)
Weather Solar radiation (W/m2) Sensor: SMP-10V
Maker: Kipp & Zonen
Temperature (℃) Sensor: HMP-155
Relative humidity (%) Maker: Campbell Scientific Inc
Air pressure (hPa) Sensor: CS106
Maker: Campbell Scientific Inc
Motion Roll (degree) Sensor: MRU5+
Pitch (degree) Maker: Kongsberg Maritime
Heading (degree)
Heave (m)
  • Lee S, Kim HC (2020) In-situ measurement of the arctic ocean for optical property analysis during 2019 cruise. GeoData 2(2):63–70ArticlePDF
  • Pachauri RK, Allen MR, Barros VR, et al (2014) Climate change 2014: synthesis report. Contribution of Working Groups I, II and III to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC, Geneva, 168p
  • Shin D, Kim S, Choi H, Joo D (2019) Meteorological and sea surface water measurement data from icebreaker research vessel ARAON for 2010-2019 arctic research expeditions. GeoData 1(1):1–6ArticlePDF
Metadata for Dataset
Sort Field Subcategory#1 Subcategory#2
Essential *Title Meteorological and sea surface water measurement data for 2020-2021 Arctic Ocean
*DOI name https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001466.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001465.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001464.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001463.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001462.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001699.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001702.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001703.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001704.1
https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001705.1
*Category Oceans climatology, meteorology, atmosphere
Abstract
*Temporal Coverage 2020.07.12. to 2020.09.13.
2021.07.01. to 2021.09.24.
*Spatial Coverage Bering Sea, Chukchi Sea/Arctic Ocean
Rectangle [left-bottom (120,35), right-top (-150,82)] Point/line/polygon
*Personnel Name Dongchan Joo
Affiliation KOPRI
E-mail dc.joo@kopri.re.kr
*CC License CC BY-SA
Optional *Project Study on remote sensing for quantitative analysis of changes in the Arctic cryosphere
*Instrument

Figure & Data

References

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      Figure
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      Meteorological and Sea Surface Water Measurement Data from Icebreaker Research Vessel ARAON for 2020-2021 Arctic Research Expeditions
      Image Image
      Fig. 1. Seawater sampled track during ice-breaking research vessel (IBRV) ARAON cruise between 2020 and 2021.
      Fig. 2. Meteorological and sea water measurement data result in the research area 2020 (A, C, E, G, I, K, M, O) and 2021 (B, D, F, H, J, L, N, P).
      Meteorological and Sea Surface Water Measurement Data from Icebreaker Research Vessel ARAON for 2020-2021 Arctic Research Expeditions
      Sensor Observation information Remarks
      Common Universal time coordinated date YYYY/MM/DD
      Universal time coordinated time hh:mm:ss
      Latitude
      North/South
      Longitude
      East/West
      Fluorometer Fluorescence (μg/L) Sensor: 10-AU
      Maker: Turner Designs Inc
      Thermosalinograph Temperature (℃) Sensor: SBE-45
      Conductivity (S/m) Maker: Sea-Bird Electronics
      Salinity (psu)
      Sound speed (m/s)
      Temperature (℃) Sensor: SBE-38-1
      Maker: Sea-Bird Electronics
      Temperature (℃) Sensor: SBE-38-2
      Maker: Sea-Bird Electronics
      Wind Relative wind angle (degree) Sensor: WindObserver 65
      Relative wind speed (m/s) Maker: Gill Instruments
      True wind angle (degree)
      True wind speed (m/s)
      Weather Solar radiation (W/m2) Sensor: SMP-10V
      Maker: Kipp & Zonen
      Temperature (℃) Sensor: HMP-155
      Relative humidity (%) Maker: Campbell Scientific Inc
      Air pressure (hPa) Sensor: CS106
      Maker: Campbell Scientific Inc
      Motion Roll (degree) Sensor: MRU5+
      Pitch (degree) Maker: Kongsberg Maritime
      Heading (degree)
      Heave (m)
      Sort Field Subcategory#1 Subcategory#2
      Essential *Title Meteorological and sea surface water measurement data for 2020-2021 Arctic Ocean
      *DOI name https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001466.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001465.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001464.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001463.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001462.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001699.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001702.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001703.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001704.1
      https://dx.doi.org/doi:10.22663/KOPRI-KPDC-00001705.1
      *Category Oceans climatology, meteorology, atmosphere
      Abstract
      *Temporal Coverage 2020.07.12. to 2020.09.13.
      2021.07.01. to 2021.09.24.
      *Spatial Coverage Bering Sea, Chukchi Sea/Arctic Ocean
      Rectangle [left-bottom (120,35), right-top (-150,82)] Point/line/polygon
      *Personnel Name Dongchan Joo
      Affiliation KOPRI
      E-mail dc.joo@kopri.re.kr
      *CC License CC BY-SA
      Optional *Project Study on remote sensing for quantitative analysis of changes in the Arctic cryosphere
      *Instrument
      Table 1. Research equipment and observation information on ice-breaking research vessel ARAON


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