19세기 산업화 이후, 인간의 활동은 직간접적으로 해양에 영향을 주었으며, 현재 그 피해가 우려할 수준으로 확대되고 있다. 이러한 변화는 장기간에 걸쳐 넓은 지역에 나타나므로 선박에 의존한 전통적인 조사방식으로는 온전하게 파악하기 어렵다. 해양 선진국들은 이를 보완하기 위해 1950년대부터 장기 해양관측시스템을 구축했다.

해저에 설치된 계류시스템이나 고정 구조물을 활용하는 해양관측은 수 초에서 수 분 주기의 단주기 해양 및 해양기상 환경 변동에서부터 수 십 년 동안 이뤄지는 중장기 규모까지 관측이 가능하다. 이는 장기간의 시계열 자료로부터 기후변화의 신호를 확인할 수 있는 최선의 관측방법이다. 하지만 이런 고정점에서의 해양관측은 넓은 해양에서 보면 단 하나의 점 자료라는 한계를 벗어날 수 없다. 때문에 해당 해역에서의 관측이 해양 영역의 공간대표성을 어느 정도나 가지는지 지속적인 평가가 필요하다. 이로 인해 최근에는 고정점에서의 장기적인 해양관측시스템과 글라이더 등을 이용하여 해양을 입체적으로 관측할 수 있는 이동식 관측을 합리적으로 결합하여 해양관측 계획을 수립, 실행하고 있다.

현재 해양관측 부이 및 타워, 등표, 그리고 석유시추 플랫폼 등의 해양시설들이 장기 해양관측시스템으로 활용되고 있으며, 최근에는 IT, 기계, 소재 기술 등의 급속한 발전에 힘입어 글라이더, 표류부이처럼 해양에서 이동하면서 관측하는 무인자동해양관측시스템의 활용비중이 높아지고 있는 추세다.

미국의OOI(Ocean Observation Initiative)는(그림1) 이러한 추세를 반영한 대표적인 사례라고 할 수 있다. 장기 해양 관측 프로그램으로 유명한 HOT(The Hawaii Ocean Time-series)는 2004년 장기 고정점 관측을 위해 WHOTS(WHOI Hawaii Ocean Time-series Site)를 구축하여, 연구선을 통한 관측방법에 시계열 관측을 결합하여 연구를 수행 중에 있다.

지구환경변화는 해양 및 기상 시스템의 변화에 의한 것으로 국경이 존재하지 않는다. 연구자들은 개별 해양관측시스템을 활용하는 수준에서 벗어나 국가 차원에서 해양관측을 통합 관리하는 일의 중요성을 인식하였고, 나아가 전 지구적 규모의 관측 네트워크를 구성하고 있다. GOOS(Global Ocean Observing System)는 해양분야의 대표적인 관측네트워크이다. GOOS 내에는 다수의 지역별 네트워크가 존재하는데, 우리나라는 중국, 러시아, 일본과 함께 near-GOOS(north-eastern Asian region)에 참여하고 있다. 각국 및 각 기관의 관측자료와 메타 정보를 공유하여 전 지구를 하나의 시스템으로 이해하기 위해 노력하고 있으며, 이를 위해 필요한 표준관측 매뉴얼 작성, 자료 포맷 및 메타 정보 표준화 등의 작업을 수행하고 있다.

현재 가장 활발히 역할을 수행하고 있는 관측 네트워크로는 OceanSITES를 들 수 있다. OceanSITES는 해양 표층의 해양-대기 상호작용에서부터 5,000미터 이상 깊이의 심해에 이르기까지, 전 수심에 걸친 수십 가지 요소를 관측하는 장기간, 대수심의 전지구적인 레퍼런스 관측시스템이다. 1999년부터 OceanSITES에 연계된 국제 연구진들은 관측자료와 예산을 서로 공유하고 있으며, 현재는 약 30개의 표층 및 30개의 시스템이 등록되어 지속적으로 연계를 확대해 나가고 있다.

현재 해양관측은 단일 플랫폼에 다종의 플랫폼을 결합하여 개별 플랫폼들이 갖는 장점을 확대하고 단점은 보완하는 방향으로 진행되고 있으며, 지구를 하나의 시스템으로 조망하는 측면에서 국제적인 관측 네트워크가 활발히 추진되고 있다. 또한 과거에는 물리학적 관측이 주도하였으나, 새로 개발된 기술을 접목한 학제적인 관측이 강화되는 추세에 있는데 생지화학 센서와 장비들이 다양한 플랫폼에 장착되어 관측자료를 제공하고 있다. 

KIOST 관련 연구사업 소개  
우리나라 주변 해역의 해양생태계는 건강성/다양성/생산성이 악화될 우려가 커지고 있으며, 구조 및 기능적 변화가 빠르게 진행되어 그 심각성이 커지고 있다. 따라서 해양 및 기상 요소에 대한 장기적이고 안정적인 모니터링의 중요성이 증대되고 있다. 
우리나라는 해양으로부터 오는 직접적인 재해뿐 아니라, 대륙으로부터 발생하여 이동하는 다양한 오염물질들로 인해 피해를 받고 있다. 최근 이슈가 되고 있는 미세먼지와 황사, 그리고 이들과 함께 편서풍을 타고 우리나라로 날아오는 입자성 중금속 등 오염물질로 인한 피해도 심각하다. 이는2014년, 한중 정상회담에서 월경성 대기오염물질에 국가간의 지속적인 감시와 공동연구가 논의될 만큼 중요한 사안으로 떠오르고 있다. 또한 중국의 샨샤댐 완공으로 인한 담수 유출량의 변화도 우리의 해양환경에 많은 영향을 주고 있으며, 일본의 방사능 오염수의 영향도 지속적으로 모니터링해야 하는 등 주변국에서 일어나는 일이 우리 바다에 어떤 변화를 일으키는지 지속적으로 추적해야 한다. 
1990년대초, 한국해양과학기술원(당시 한국해양연구소)에서는 태풍으로 인한 피해를 줄이기 위해 태풍의 실시간 현장 관측자료와 이를 기초로 한 정확한 예측을 위한 연구가 진행중이었다. 우리나라에 큰 피해를 준 대부분의 태풍들이 이어도 해역을 지나 북상했기 때문에, 이어도에 해양관측타워를 설치하여 태풍 정보를 확보하려는 계획이 있었다. 이후 정부부처와 연구 추진과정에서 해양과 기상, 대기환경에 대한 관측 및 연구 기능을 강화하고, 수색구조 거점, 안전항로 확보를 위해 필요한 다양한 기능이 부가되었다. 단순한 관측타워의 기능을 넘어 종합해양과학기지로서 구축하고자 하는 계획이1990년대 중반에 이르러 본격화되었고, 이를 수행하기 위해 국가연구개발사업으로‘이어도 종합해양과학기지 구축’이 시작되었다. 
2000년대초, ‘국가해양관측망 구축 기본계획 수립’에 의해 이어도 기지는 국가종합해양관측망의 주요 인프라로서 위치를 확보하게 되었으며, WMO의 권고 기준에 따라 서해상에 위도2도 간격의 거점 해양과학기지를 건설하는 계획이 포함되었다. 2003년 6월, 이어도 기지가 성공적으로 이어도 해역에 건설됨으로써 국내 최초이자 세계 최대 규모의 해양과학기지가 그 역할을 수행하기 시작하였으며, 구축된 해양과학기지를 활용한 연구도 같은 해 시작되었다. 
종합해양과학기지 구축 및 활용연구는 크게 ‘이어도 기지’ 이후 추가적인 해양과학기지 구축을 위한 연구개발과 구축된 해양과학기지를 활용한 다학제간의 연구활동으로 구성되어 있다. 해양과학기지 구축은 기지가 구축되는 해역의 과학적 이슈, 관측 필요성, 건설 타당성 등을 분석하여 최적의 설치 해역을 선정한 후, 해양과학기지의 기능과 역할을 해당 해역에 맞추어 정립하는 일련의 연구를 포함한다. 설치 해역의 해양 및 기상 환경조건을 분석하여 설계조건을 산출한 후, 이를 기초로 해양과학기지 구조물을 설계한다. 

이렇게 구축된 해양과학기지의 많은 장점을 기반으로 해양과학기지 활용연구가 수행된다. 먼저 해양과학기지는 고정점으로써 장기간의 시계열 관측이 가능하다. 관측에 충분한 전력과 공간, 그리고 수명이 50년 이상이어서 수 초, 수 분에서 50년 이상 장기간의 시계열 관측을 수행할 수 있기 때문에 단주기 파랑, 와류에서부터 기후변화 등 다양한 시간 규모의 현상을 이해하기 위한 최적의 조건을 갖추고 있다. 또한 해저면에 고정되어 있기 때문에 해수유동으로 인한 영향을 적게 받아 관측의 정밀도가 높으며, 학제간 다종의 관측장비를 추가로 설치할 수 있어 관측 및 연구활동의 확장성도 크다. 그리고 해양과학기지에서 일정 기간 체류하며 현장 관측 및 샘플링, 그리고 현장에서 분석도 가능하기 때문에 해당 해역의 연구거점 역할도 수행할 수 있다. 또 우리나라 해양과학기지는 주변에 오염원이 전혀 없는 외해에 설치되기 때문에 해양환경의 순수 배경자료를 획득할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다. 이어도 기지는 태풍의 이동경로에 자리한 세계 유일의 해양과학기지로서 태풍을 관측하고 연구하는데 중요한 가치를 가지고 있기도 하다.

해양과학기지 활용연구에서는 태풍, 대기환경, 해양물리, 해양생지화학, 해양구조물 등 다학제간 연구를 수행하고 있다. 이어도 기지의 경우, 우리나라에 영향을 미치는 태풍의 절반 정도가 지나고 있으며, 태풍의 영향권에 들기 8~10시간 전에 태풍의 실시간 정보를 제공할 수 있어 태풍의 실제 위력을 파악하고 예측 정확도를 높이는데 기여하고 있다. 그리고 태풍의 내습 전후 해양과 기상의 반응을 관측하고 파악함으로써 태풍에 대한 이해를 높이는데 큰 역할을 수행하고 있다. 특히 태풍 내습 전후의 해양의 물리환경 변동과 해양-대기의 열교환을 연구하는 주요 사이트로서 활용되고 있다. 뿐만 아니라, 해양 성층의 형성과 소멸, 해수면 및 해수온의 변동 등을 이해하는데 필요한 핵심자료를 만들어내고 있다.

해양과학기지에서는 대기환경의 변화를 파악하기 위해 미세먼지, 오존, 수증기, 이산화탄소 등에 대한 관측과 연구가 활발히 수행되고 있다. 편서풍의 영향을 받는 우리나라의 특성상 대륙으로부터 많은 대기입자들이 유입되는데, 육상이나 연안에서는 우리나라에서 발생한 대기입자들이 섞이게 되므로 대륙의 영향을 명확히 파악하기 어렵다. 반면 해양과학기지는 인위적인 오염원이 전혀 없어, 관련 연구를 통해 해양과학기지 해역을 지나 이동하는 대기입자에 함유된 오염물질이 중국 대륙 기원임을 명확히 밝히고 있다.

해양환경과 생태계 변화 연구에서는 해양환경의 기초이자 핵심요소인 일차생산력을 파악하기 위해 식물플랑크톤의 대증식 기간 동안, 해양과학기지 현장에서는 집중 샘플링과 분석이 수행된다. 이 기간 동안 해양의 물리환경, 플랑크톤, 영양염에 대한 정보를 확보함으로써 우리 해양의 기초 생산성을 파악하고 있으며, 향후 우리 해양환경의 변동에 따라 생태계의 기초가 되는 일차생산력 변화를 정량적으로 파악할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 수중음향을 통해 해양환경을 파악하는 연구도 매우 활발히 수행되고 있다. 해양생물이 발생시키는 소음을 통해 해양과학기지 해역의 생태환경을 추정하며, 수중음향과 관련된 다양한 물리현상, 예를 들어 풍속, 파랑, 내부파 등에 대한 응용연구도 해양과학기지의 기상 및 해양물리자료와 연계하여 수행되고 있다. 

해양과학기지 구조물은 50년 이상 해양의 열악한 환경에 견딜 수 있도록 건설되지만 지구온난화 등으로 인해 극한의 해양환경을 조성하는 태풍의 강도가 강해지고 있어 설계조건 이상의 풍속, 파고를 맞게 될 가능성이 있다. 이를 위해 해양구조물의 안정성을 지속적으로 확보할 수 있는 해양공학적인 연구도 필요하다. 해양과학기지에는 구조물 거동을 모니터링하는 계측장비가 설치되어 있으며, 장기적으로 해양구조물의 동적 특성을 이해하는데 활용되고 있다. 향후 해양과학기지를 설계한 수명 이상으로 관리할 수 있도록 과학적 근거를 마련하는 한편, 해양공학 관련 산업계에도 기여하기 위한 연구가 수행되고 있다.

국제동향

해양관측에서 국경은 의미가 없으며 국제적인 협력 체계 속에서 우리의 해양관측시스템도 그 가치를 재정립 해야 할 시점에 있다. 국제 해양관측의 대표적인 네트워크인 OceanSITES의 등록 요구사항은 다음과 같다. 대양의 중요한 정점 혹은 특성화된 정점에 자리해야 하고, 장기간에 걸친 운용 계획이 있어야 하며, 짧은 주기의 관측을 통해 수 일 이내 시간규모의 일시적인 변동이나 단주기 변동을 포함하고, 가능한 다학제 간의 센서를 활용해야 하며, 수집된 자료는 GDAC를 통해 실시간 및 지연모드로 제공해야 한다는 것이다.

이어도 기지가 완공된 이후, 해양과학기지는 다양한 해양 및 해양기상, 대기 환경의 시계열 자료를 꾸준히 생산하여 왔다. 이는 고정점에서 주요 환경요소에 대한 장기 시계열 자료를 획득할 수 있었다는 측면에서 매우 중요하다. 덧붙여 세계적인 추세인 다양한 관측 플랫폼과의 결합을 통해 해양과학기지의 해양학적 가치를 더욱 높일 수 있다. 지난 10년 동안의 해양과학기지의 자료 분석 결과는 관측자료의 공간적인 대표성을 지속적으로 확인해야 할 필요성을 제기하고 있는데, 이동식의 관측 플랫폼은 이를 해결하는 핵심요소가 될 수 있을 것이다.

현재 국제 해양관측 네트워크에 포함된 국내 해양관측시스템은 제한적인데, 극동 아시아에 대한 장기 해양관측자료의 부족 문제는 해결되어야 할 것으로 보인다. 이를 위해서는 국제 관측 네트워크와의 연계가 필요한데, 해양과학기지는 국제적으로 해양과학적 기여를 할 수 있는 적합한 여건을 가지고 있다. 하지만 국제 네트워크에 연계하기 위해서는 고품질의 관측자료를 생산하고 관리해야 한다는 전제조건을 가지고 있다. 해양과학기지에서 장기 시계열 자료를 생산해내는 관측장비의 센서, 설치 위치, 관측 주기 등에 대한 표준화가 먼저 전제되어야 한다. 해양과학기지에서의 현장 연구에 있어서도 마찬가지이다. 관측자료는 연구자들의 신중하고 전문적인 QA/QC 과정을 거쳐 활용되어야 한다.

현재 해양과학기지 활용연구는 1단계를 마무리하고 2단계에 진입하고 있으며, 2단계의 주요 연구목표는 해양과학기지의 관측 및 연구 지원능력을 높여 활용성을 극대화하는 데 있다. 이를 위해 2단계에서는 해양과학기지가 생산한 관측자료의 대표성 확보를 위하여 다양한 이동식 관측 플랫폼을 이용을 계획하고 있으며, 이는 연구자들의 해양과학기지 현장 방문 시 비교 관측 및 샘플링 수행과 함께 해양과학기지 관측자료의 검보정 및 공간 대표성을 평가하는 자료로 활용될 것이다. 해양과학기지의 관측 및 연구 성과를 기반으로 Ocean SITES 등의 국제 네트워크와 연계함으로써, 해양과학기지의 과학적 기여를 더욱 확대해 나가는 것이 필요하다. 그리고 Ocean SITES 와의 연계는 GOOS의 공식 해양 시계열 관측에 동참하는 활동으로서도 매우 중요한 의미를 가진다.

결론 및 정책 제언

종합해양과학기지 구축 및 활용연구 과제는 장기 고정식 해양관측시스템을 마련하고 이를 활용하여 연구활동을 수행하는 것을 목적으로 한다. 해양관측의 시대정신에 비추어, 현 시점에서 해양과학기지의 구축과 활용연구는 과학기지 자체만이 아니라, 다양한 해양관측 플랫폼과 결합하여 그 가치를 증대시키는 것이 필요하며, 국제 네트워크와의 적극적인 교류를 통해 해양학적 기여를 높이는 것이 필요하다. 이를 위해서는 장기적인 운영과 활용에 대한 연구자들의 노력과 정책적 지원이 반드시 병행되어야 한다.

‘Keeling Curve’는 장기 관측자료의 중요성과 가치를 보여주는 좋은 사례이다. 1958년부터 미국의 스크립스 해양연구소의Charles David Keeling 박사는Mauna Loa Observatory site를 하와이에 설립하여 대기 중 이산화탄소 농도를 연속적으로 측정하였으며, 그 관측은 현재까지도 계속되고 있다. 이는 기후변화와 관련하여 이산화탄소 농도 증가를 증거하는 최초이자 결정적인 연구성과로 주변 오염원이 없는 지점에서 배경환경에 대한 정밀 관측을 장기간 수행한 결과이며, 지속적인 연구지원을 통해 가능한 성과였다.

해양과학기지 역시 50년 이상 100년까지 동일지점에서 해양 및 기상관측을 수행할 수 있어 장기 시계열 관측생산 및 연구지점으로서 해양학적으로 높은 가치를 지니고 있다. 해양과학기지에서는 설치 해역의 다양한 환경요소들에 대한 장기 관측자료를 확보할 수 있어, 각 환경변화 요인들에 대한 관측장비 및 자료의 품질을 높이기 위한 노력이 철저히 병행된다면 높은 수준의 과학적 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다. 이를 위해서는 해양과학기지의 관측자료 생산과 품질검증, 자료의 서비스 분야에 대한 장기적인 관점에서의 투자가 필요하며, 이는 해양과학기지 관련기관 및 연구자들의 노력과 정부 당국의 꾸준한 정책적 지원이 있을 때 가능한 일이다.