인공위성과 UAV를 활용한 이어도 해양과학기지 인근 플룸 확산 현상 관측 = Observation of Sediment Plume Dispersion around Ieodo Ocean Research Station in the Central East China Sea Using Satellites and UAVs

국문 초록 (Abstract)

동중국해 북부에 위치한 이어도 해양과학기지(Ieodo Ocean Research Station, I-ORS) 인근 해역에서는 이어도 플룸이라 불리는 특징적인 부유퇴적물 플룸 현상이 보고되고 있다. 부유퇴적물 플룸 현상은 지금껏 기수역과 연안 지역, 혹은 인간 활동이 이루어지는 중층 및 심해를 중심으로 논의되었기 때문에 외해역의 표층에서 발생하는 이와 같은 현상은 잘 알려지지 않았다. 이에 본 연구에서는 이어도 플룸의 발달과 확산을 관측하기 위해 인공위성과 무인항공기(UAV)를 활용한 복합 원격탐사가 수행되었다. Sentinel-2와 Geostationary Ocean Color Imager-II(GOCI-II) 위성 자료를 통해 이어도 플룸의 공간 규모와 넓은 범위에서의 거동, 시간별 변화 및 탁도 특성을 분석하였고, TPXO 모델과의 연계를 통해 플룸 발생과 조석의 관계를 평가하였다. 분석 결과, 플룸은 해산 정상부 인근에서 반복적으로 발생하였고, 영향 규모는 동–서 방향 11.4 ± 3.2 km, 남–북 방향 14.3 ± 4.1 km로 나타났다. 또한, GOCI-II로 본 일중 변화에서 TPXO 조석류의 남향 성분이 최대인 시기에 총 부유물질 농도(total suspended solids, TSS)가 최대치를 보였다. I-ORS에서는 UAV 광학영상 관측을 실시하여 플룸 발달 초기 단계에서의 세부 형태와 기원 지점을 중심으로 한 표층 유동을 관측하였다. 기하보정 처리된 UAV 연속영상에 입자 영상 유속측정법(PIV)을 적용해 표층 유속을 산출한 결과, 플룸 유속은 발생 초기 근원부에서 0.81 ± 0.30 m s⁻1로 가장 크게 나타난 뒤 플룸 외곽의 원거리 지점에서 0.34 ± 0.29 m s⁻1까지 감소하였다. 플룸의 일정한 발생 위치와 기원지 부근에서 표층 유속의 변화 양상을 근거로 본 연구에서는 이어도 플룸의 발생 메커니즘을 지형 효과로 인한 조석류 가속과 그에 따른 압력 감소(베르누이 효과)로 설명하였다. 본 연구는 위성과 UAV의 복합 활용을 통해 단기간에 역동적으로 변화하는 외해역 표층 부유퇴적물 플룸을 효과적으로 모니터링하고, 그 규모 및 유동 특성을 정량적으로 제시할 수 있음을 시사하며, 해양에서 유사한 동역학적 원리를 갖는 부유퇴적물 현상에 대한 이해를 확장하는 데 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the waters surrounding the Ieodo Ocean Research Station (I-ORS), located in the middle of East China Sea, a distinctive suspended-sediment plume known as the “Ieodo plume” has been reported. Since suspended-sediment plumes have so far been discussed mainly in estuarine and coastal environments, or in the mid and deep ocean, the occurrence of such plumes in the surface layer off the shore is not well known.
Accordingly, this study conducted an integrated remote-sensing observation using satellites and unmanned aerial vehicles (UAVs) to observe the development and dispersion of the Ieodo plume. Sentinel-2 and Geostationary Ocean Color Imager-II (GOCI-II) data were used to determine the overall size of the plume and analyze its behavior over a broad spatial extent, and to examine its temporal evolution and derive turbidity. By coupling these observations with the TPXO tidal model, the relationship between plume occurrence and tides has been investigated. In addition, optical sensors mounted on UAVs operated from I-ORS were used to capture the initial behavior and fine-scale morphology of the plume during its growth stage and to observe its flow around the source region. A sequence of UAV images acquired during hovering observations at the onset of plume formation was geometrically corrected and then analyzed using particle image velocimetry (PIV) to estimate the plume velocity field. Based on these observations, we interpret the generation of the Ieodo plume as driven by a decrease in internal fluid pressure induced by the interaction be-tween tidal currents and the seamount topography based on the Bernoulli principle. This study demonstrates that the combined use of satellites and UAVs enables effective monitoring of rapidly evolving suspended-sediment plumes on short time scales, and is expected to broaden our understanding of suspended-sediment phenomena governed by similar dynamical principles in the ocean.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 데이터 및 방법 4
• 2.1 연구지역 4
• 2.2 위성자료 및 재분석자료 5
• 2.3 저고도 원격탐사 6
• 2.3.1 현장 관측 6
• 2.3.2 드론 채수 및 SPM 분석 6
• 2.3.3 드론 광학자료 처리: 기하보정과 PIV 유속 추정 7
• 2.4 현장 자료 및 보고서 자료 9
• 3. 결과 11
• 3.1 이어도 플룸의 전 범위 관측 11
• 3.2 이어도 플룸의 저고도 관측 16
• 3.3 이어도 플룸의 구성과 메커니즘 21
• 4. 토의 28
• 4.1 이어도 플룸의 패치 구조 28
• 4.2 여름철 이어도 해역의 성층화와 이어도 플룸의 해수면 아래 확산 29
• 4.3 LSPIV 알고리즘과 직접기하보정 30
• 4.4 제트-플룸 이론 31
• 5. 결론 33
• 참고문헌 34
• Abstract (English) 43