나만의 색깔로 유니크(Unique)하게!

- KIOST 해양위성센터 박명숙 책임연구원 -

사진1: 박명숙 책임연구원
#선생님 #흰 가운 #과학자

‘Unique’는 희소 가치성을 지닌 무언가를 일컫는 단어이다. 비슷한 단어인 ‘Rare’와 비교했을 때 ‘Rare’는 ‘희귀한’ 정도의 의미를 지녔다면, ‘Unique’는 ‘유일무이한’ 정도의 의미를 지니고 있어서 ‘Unique’ 쪽이 훨씬 더 희귀함을 강조하는 것으로 사용하곤 한다. 여기, ‘내가’ 흥미롭고 ‘내가’ 궁금해서 하는 ‘즐거운 연구’를 하는 사람이 있다. 그 결과가 나만의 색깔을 입힌 ‘Unique’ 함이라고 말하는 박명숙 책임연구원을 만나보았다.

어린 시절 박명숙 책임연구원을 설명하는 세 가지 단어. 선생님, 흰 가운, 과학자이다. 대구에서 자란 그녀는 어머니와 친척들에게 여자 직업 중 최고인 ‘교사’를 하라는 이야기를 자주 들었다고 한다. 하지만 고등학교 시절 지구과학 시간에 선생님이 칠판에 구름이 생기는 과정을 설명하며 단열곡선에 대해 배울 때 느꼈던 ‘재미’가 그녀에게 과학자의 꿈을 꾸게 하였다. 박명숙 책임연구원의 아버지는 그런 그녀에게 힘이 되어 주는 사람이었다. 여성들이 가운을 입고 실험하는 게 멋있다고 말해주셨다. 과학 잡지를 읽으며 과학에 흥미를 느꼈던 여고생은 경북대학교 천문대기과학과에 진학하게 되었다. 막상 들어가 보니 천문학은 피부에 와닿지 않는 머나먼 분야 같았고, 우리의 삶에 직접적으로 연관된 것이 대기 과학이라고 생각해 서울대 지구환경과학부 대기과학전공으로 대학원을 진학하게 되었다. 그녀가 인공위성 알고리즘에 대해 자세히 공부하게 된 계기는 2002년 석사과정 입학 후 지도 교수님이였던 허창회 교수님이 주신 첫 미션을 통해서였다. NASA GSFC*에서 수년간 연구원으로 재직하다가 막 부임하여 의욕이 넘치는 지도교수님은 그 당시 기후 연구에서 잘 쓰지 않았던 수년간의 위성 자료를 내주었다. NASA TRMM** 위성 산출물 활용하여 강수 구조를 보는 것이 대학원 실험실에서 첫 미션. 이 연구를 통해서 서태평양 두 해역에서 다른 강수 구조가 위성 산출물의 bias가 지역적으로 달라진다는 결과를 도출하였다. 또한, 2010년 천리안 위성 발사를 앞두고 기상 센서(MI) 알고리즘 개발에도 참여하게 되었다. 이러한 연구를 통해 석사까지만 생각하던 대학원에서 어느덧 박사 과정으로 연결되었다.

박사 과정이 끝날 무렵, 학위논문을 위한 주요 결과는 있는데 논문으로 정리하는 방법을 몰라 헤매고 있을 때였다. 그 당시의 심정을 마치 어두운 긴 터널 안에서 방향을 잃고 헤매는 것 같았다고 표현한 박명숙 책임연구원. 그 순간 한 줄기 빛이 터널 안을 비추었다. 기상학회에서 태풍과 열대기상학의 대가인 미국 Naval Postgraduate School의 Russell Elsberry 교수님을 초청한 것이다. 그 교수님의 한국에서 스케줄이 하루 빈다는 걸 알게 된 지도교수님이 서울대 연구실로 초대했다. 박명숙 책임연구원을 포함한 학생들은 자신의 연구를 소개하는 시간을 가질 수 있었다. 박명숙 책임연구원은 당시 논문 준비 중이던 TRMM 위성을 이용한 강수 구조에 관한 연구를 발표하였는데, TRMM 위성과 항공기 레이더를 활용하여 태풍 연구를 할 계획을 세우고 있던 Elsberry 교수는 박 연구원에게 미국으로 오지 않겠냐 물었다고 한다. 학위를 마무리 짓고 그곳으로 박사후과정(Postdoc)을 하러 갈 수 있게 되는 순간이었다. 하지만 마음에 짐은 남아 있었다. 논문을 쓰는 과정에서 알아낸 위성 산출물 bias의 이유를 알았음에도 그 이상 할 수 있는 것이 없었다. 미국의 위성이라 컨트롤할 수 없었기 때문이었다. 문제점을 밝혀도 적용할 수 없으니 허탈했다. 박명숙 책임연구원이 마음 한구석에는 언제나 직접 위성 알고리즘을 개선하고 싶다는 욕구가 남아 있었다.

사진2: Postdoc 시절 함께한 동료들과 박명숙 책임연구원

KIOST와의 만남

박사후 과정을 미국에서 진행했던 박명숙 책임연구원의 소망이 있다면 같은 도시에서 가족이 함께 지내고 싶다는 것이었다. 박 연구원은 미국의 서부인 캘리포니아 Monterey에서, 그녀의 남편은 동부 뉴저지 Princeton에서 박사후연구원(Postdoc) 과정 중이었다. 대학원 후배였던 남편은 힘든 대학원을 함께 보낸 전우 같은 존재였다. 박 연구원이 미국에서 지내던 곳은 한국인이 거의 없어 힘든 일이 있어도 게 토로할 사람조차 없어 힘들었다. 그런 그녀에게 힘이 되어 준 사람이 지금의 남편. 아침, 저녁으로 화상통화를 하며 박 연구원의 힘듦을 함께 짊어지며 위로해 주었다. 그렇게 인연은 시작되고 부부의 연을 맺게 되었지만, 장거리 부부의 삶도 시작되었다. 미국의 월말 부부에서 박명숙 책임연구원은 UNIST로, 남편은 부산으로 오게 되면서 한국에서는 가족이 함께 있을 수 있었다. 하지만, 안정적으로 연구를 위한 permanent job을 찾아야 한다는 생각을 버릴 순 없었다. 그렇게 또 다시 기회를 기다렸다. 그러던 어느 날 기상청에서 연락이 왔다. AI 및 기계 학습을 통해 위성 영상에서 태풍 발생을 예측하는 과제를 제시한 것이다. 이 과제를 통해서 2016년 알고리즘을 개발한 뒤 쓴 논문을 원격탐사 분야의 최고 저널(Remote Sensing Environment)에 출판하게 되었다. 그리고 당시 KIOST는 기계학습 기반 위성 알고리즘을 개발할 사람을 찾고 있었고, 위성/기계학습 기반 태풍 과제를 훌륭하게 수행한 박 연구원은 KIOST의 인재가 되었다.

사진3: KIOST 입사 과정을 설명하고 있는 박명숙 책임연구원

사진4: 전구 규모의 기후변동성(중위도 파동인 CGT, 서태평양의 강수, 엘리뇨)에 의해 조절되는 동아시아 고수온의 두 가지 주요 모드
: (a) Mode 1: Basin-wide warming, (b) Mode 2: Dipole warming (2020년 Environmental Research Letters 출판)

해양위성센터 그리고
고수온 현상

KIOST에 들어온 뒤 해양기상학자로서 하고 싶은 주제를 찾아 나섰다. 때마침 2017년 당시에는 큰 이슈가 아니었던 ‘고수온(marine heatwave)’이 박명숙 책임연구원의 눈에 들어왔다. 해양의 순환으로 조절되는 냉수대와 달리, 고수온은 대기의 강제력이 중요하다고 생각했기 때문에 해양연구원의 기상학자가 접근하기 좋은 주제라고 생각했다. 주요 사업 계획할 때 가벼운 마음으로 2줄 적어 낸 것에서 시작한 연구였지만, 현재는 부산 이전 초창기부터 학생연구원으로 합류하여 이번에 학위를 받는 이선주 예비 박사와 메커니즘뿐 아니라 위성 탐지 기술, AI 기반 예측 알고리즘 개발 등 폭넓은 고수온 연구를 수행하고 있다. 2017년부터 고수온 주요 메커니즘 연구를 하던 중, 2018년 폭염을 계기로 이슈로 떠올랐고, 국내에서도 폭염과 다른 바다 폭염인 고수온 현상에 주목하게 되었다. 약 40년 동안의 미국 국립해양대기청(NOAA) 해수면 온도 자료를 이용한 결과, 한반도 해역에서 10년당 약 4일과 0.4˚ C 정도로 계절별 고수온 일수와 강도가 증가하는 추세가 나타났다. 특히, 겨울철 동해 북부의 경우 동안 해류변화에 따른 최근 변화가 전구 변화율 보다 약 5배 가파르게 변하고 있다. 여기에서 말하는 고수온은 우리가 생각하는 ‘앗 뜨거워!’하는 정도의 수온을 얘기하는 것은 아니다. 그 계절, 지역의 지난 30년간 온도값 중 90 퍼센타일* 기준이상의 극한상태의 높은 해수면 온도가 5일 이상 지속된다면 ‘고수온’ 현상이라고 한다. 2020년에는 ERL 논문을 출판하여 한반도 해역 고수온 현상의 두 가지 주요 모드를 제안하여, 해마다 다른 기작이 작용함을 보였다. 2016년 경우 엘리뇨에서 라니냐로 느린 전이에 따른 동아시아와 서태평양 전 해역이 천천히 가열되는 Mode 1의 기작으로 한반도 고수온이 나타났다. 2018년은 봄철까지 서태평양과 한반도 해역은 평년보다 뜨겁지 않았지만, 여름철 서태평양의 강수에 의해 위도 방향으로 전파되는 Rossby wave(Pacific-Japan 패턴)**로 여름철 고기압이 급격하게 강화되어 빠르게 가열된 고수온이 일어났다. 박명숙 책임연구원은 논문에서의 결과도 중요하지만, 장기적으로 예를 들어 30년간 물질했던 해녀분들의 여름에 물질할 때 더워졌다는 생생한 증언으로 증명된 무시할 수 없는 이 해양 변화에 주목해야 한다고 말했다.

사진5: 약 10년간 천리안 해양위성 1호와 미국 극궤도 위성에서 얻은 클로로필-a 농도의 계절 기후 값
(2022년 Remote Sensing 출판)

사진6: 천리안 위성 1호 모형

천리안 위성 1호 그리고 2호

해양위성센터에서 일하면서 천리안 해양위성을 빼놓고 연구 이야기를 할 순 없다. 천리안 해양관측위성 1호(GOCI)는 우리나라 최초 ‘정지궤도 해색 관측 위성’이다. 천리안 위성을 이해하려면 먼저 ‘정지궤도 위성’에 대한 이해가 필요하다. 적도 상공 36,000km 궤도에 올려 지구의 자전 속도와 같은 속도로 지구 주위를 공전하며, 적조, 부유조류, 해무, 미세먼지 등 다양한 해양 현상을 관측하는 위성으로 특정 지역을 관측할 때 아주 유용하다고 한다. 천리안 위성의 장점은 1시간 간격으로 우리 해역을 정밀하게 분석할 수 있다는 것이었다. 최초의 정지궤도 자료를 가진 기술의 힘은 국제 해양학회나 원격탐사 학회에 가서 깨달을 수 있었다고 한다. 선진국의 NASA, ESA* 등 Space Agency의 과학자들이 먼저 다가올 때 느꼈던 힘! 그들은 변화무상하고 광학적으로 복잡한 동아시아 해역과 천리안 해양위성에 대한 관심과 협력을 표명한다. 그리고 해색 원격 관측을 통해 식물성 플랑크톤의 분포를 파악할 수 있다. 식물성 플랑크톤은 광합성을 하므로 빛을 흡수하는 색소이면서 흔히 엽록소라고 부르는 ‘클로로필’을 가지고 있다. 클로로필-a는 해양의 여러 영양물과 이산화탄소를 흡수하여 생산된 식물성 플랑크톤의 광합성 색소이며, 해양생태계 현황과 전 지구적 기후변화 등의 지표 정보로 사용하고 있다. 천리안 위성 1호는 클로로필-a의 농도 변화 값으로 식물성 플랑크톤의 분포를 알아낸다고 한다. 크기가 아주 미세한 클로로필이 중요하지 않은 변수 같지만, 전 지구의 약 70%를 차지한 바다를 덮고 있어, 지구의 탄소순환에 중요한 역할을 한다. 해양 생물 먹이사슬의 가장 아래 단계에서 해양생태계의 근간을 이루고 있다. 기상위성처럼 구름과 악기상을 주로 본다면, 해양위성은 구름이 없는 픽셀에서 클로로필 농도, 용존유기물 농도, 탁도, 해수고유광특성, 해빙, 에어로졸(미세먼지)의 정량적인 값을 얻어낸다. 그뿐만 아니라 해양 교통의 안전에 중요하다고 볼 수 있는 해무 정보 추출을 위해, 위성영상의 이미지 패턴 분석, 강도 분석을 통해 구름과 해무 지역을 구분할 수 있는 것이다. 천리안 위성 1호는 10년간 관련 자료를 쌓아왔고 그 자료를 이용하여 적조 탐지, 부유 조류에 대한 분석, 괭생이모자반이 동중국해 온다는 것도 밝혀냈다. 하지만 위성에서 찍은 것은 전자기 신호이다. 우리가 원하는 결과로 만들기 위해선 여러 단계의 수많은 “알고리즘” 개발이 필요하다. 이 여러 단계를 해내는 것이 바로 박명숙 책임연구원이 속해있는 해양위성센터. 위성의 카메라에서 관측한 디지털 영상에서 복사보정을 통해서 대기 상층에서 반사되는 태양 복사량이 나온다. 바다와 위성 카메라 사이에는 대기 분자, 에어로졸이 있다. 동아시아의 대기는 미세먼지, 황사, 다양한 기체성 오염원 들이 존재하는데 대기보정을 통해 천리안 위성은 지역 특화된 대기 효과를 제거하는 과정을 거친다. 이렇게 추출된 해수의 광학 요소의 복사량은 여러 산출물 알고리즘을 거쳐, 클로로필-a, 용존유기물 등 최종산출물로 변환된다. 그리고 직접 바다에서 관측한 해수의 태양광 자료, 수질 변수를 위성 자료와 비교하여 위성자료에서 값들을 정확도를 평가하고 알고리즘을 개선해 나간다.

사진7: 천리안 위성 2호 활용 예시

사진8: 천리안 해양위성 2호 해무 분석 예시: 2021년 5월 25일 RGB 영상, 해무 영역(하늘색), 위험지역인 짙은 해무 영역(적색)
(Remote Sensing 2020년 출판)

21년에 임무를 종료하고 내려온 천리안 위성 1호, 그 뒤를 이어 천리안 위성 2호가 2020년 2월 발사되었다. 2019년 천리안 위성 2호 발사를 앞둔 그때를 박명숙 책임연구원은 잊을 수 없다고 한다. 정확도가 높은 천리안 2호 위성 자료를 제공하기 위해서는 검보정/활용 연구를 수행하는 과제가 만들어질 필요가 있어 기획연구를 수행했다. 위성은 올린다고 끝이 아니다. 위성 센서마다 특성이 다르기 때문에 위성 산출물의 정확도를 지상(해수)에서 측정하고 개선을 위한 알고리즘 업데이트가 지속해서 필요하다. 그렇지 못하면 2호기 위성 자료가 필요가 쓸모없어진다는 절박한 마음으로 과제를 만들기 위해서 모두 열심히 일했다. 함께 고생하는 팀원들과 함께 워크숍을 가서 칠판에 브레인스토밍하며 과제에 쓰일 논리를 치열하게 만들어냈다. 천리안 위성 2호는 무사히 발사하였으며, 많은 분의 노력으로 해당 과제는 올해 4월부터 발주되어 천리안 해양위성 2호 자료의 정확도 개선을 위한 연구가 활발하게 진행 중이다. 2호 위성의 해양관측탑재체(GOCI)가 관측하는 영역은 비록 지구 면적의 1.2%밖에 안 되지만 한국과 중국, 일본 등 16억 명이나 사는 지역이다. 천리안 위성 1호는 하루 8번 촬영했다면, 2호는 하루 10번 관측할 수 있다. 그리고 채널 수가 많아 정확도가 높아졌다는 것이 큰 변화라고 한다.

누군가를 위한 노력

전통적인 해양학을 공부한 사람은 아니지만, 해양기후를 분석하고 있는 박명숙 책임연구원. 누구도 주목하지 않던 시기에 ‘고수온’ 현상에 관해 연구를 시작하고 기상 위성 알고리즘을 공부한 내용을 바탕으로 해양위성과 기후를 접목해 자신만이 독특한 방식으로 연구하고 있다. 앞으로 어떤 연구를 하고 싶냐는 질문에 신이 나서 줄줄이 답했다.

사진9: 박명숙 책임연구원의 연구실에 있는 가족사진

잘하는 사람은 재밌는 사람을 이길 수 없다고 생각한다며 자신을 잘하는 사람보단 즐기는 사람이라 표현한 박명숙 책임연구원. 연구하다 보면 예상했던 결과와 예상하지 못했던 결과가 나오기도 하는데, 그 과정이 설명되는 순간이 오면 그렇게 짜릿할 수 없다고 한다. 본인은 천재도, 우수하지도 않고 그저 궁금한 것을 파헤치는 즐기는 사람일 뿐이라 말하며 박명숙 책임연구원은 웃었다. 그런 박 연구원도 한동안 연구가 재미없을 때도 있었다고 한다. 하지만 엄마가 되니까 우리 아이가 자라서 살아갈 미래를 위해 의미 있는 위성 자료를 누적하고 해석하며 해양기상연구를 하는 과학자가 되고 싶어졌다며 눈을 빛냈다. 앞으로 그녀가 계속해 나갈 유니크(Unique)한 연구들이 기대된다.

* 본 기사는 코로나 방역 수칙을 지켜 안전하게 촬영하였습니다.