간헐적 시계열자료를 활용한 인공지능 모델 기반 마산만 저층 용존산소 농도 장기 변화 예측

김수빈; 이재성; 김성한; 김경태

doi:10.7846/JKOSMEE.2024.27.3.153

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저자정보: 김수빈 (한국해양과학기술원) 이재성 (한국해양과학기술원) 김성한 (한국해양과학기술원) 김경태 (한국해양과학기술원)

저널정보: 한국해양환경·에너지학회 한국해양환경·에너지학회지 한국해양환경·에너지학회지 제27권 제3호

발행연도: 2024.8

수록면: 153 - 166 (14page)

DOI: 10.7846/JKOSMEE.2024.27.3.153

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최근 기후변화, 육상 기원 오염원 증가, 생지화학적 및 물리적 요인 등으로 인해 해수 중 용존산소(dissolved oxygen, DO) 농도가 감소하여 빈산소 수괴(hypoxia water mass)가 발생하고 있다. 빈산소 수괴의 발생은 해양생태계를 급격히 변화시키고 사회·경제적인 피해를 가져올 수 있다. 해양 수질 및 생태계의 효율적인 관리를 위해 DO 농도 변화 예측과 빈산소 수괴 발생 영향인자를 파악할 필요가 있다. 이 연구에서는 최근 빈산소 수괴 발생이 우려되는 마산만 인근 연안의 저층 DO 농도를 예측하고자 한다. 해양환경측정망 및 어장환경모니터링 자료 중 조사일시, 수심, 투명도, 표층 및 저층의 수온, 염분, 수소이온농도, DO, 화학적산소요구량, 암모니아성질소, 아질산성질소, 질산성질소, 용존무기질소, 총질소, 용존무기인, 총인, 규산성규소, 부유물질, 엽록소 a 자료를 수집하여 결합하였다. 조위, 풍향, 풍속, 기온, 기압자료는 조위관측소, 유속, 유향자료는 해양관측부이에서 측정된 자료를 사용하였다. 일강수량 자료는 종관기상관측 자료를 활용하였고 일사량 자료는 해양수질자동측정망 자료에서 추출하였다. 유입 하천수질 자료는 수질측정망 자료, 하수처리시설 방류수 수질자료는 전국오염원조사 자료에서 수집하였다. 수집한 자료를 모두 결합하여 결측치를 제거하고 신경망(neural network) 모델 학습기반 자료 합성(data synthesis) 방법을 이용하여 자료의 수를 증식(augmentation)시켰다. 자료의 비정상성(non-stationarity)을 경감하기 위해 경험웨이블릿변환(empirical wavelet transform)으로 자료를 분해(decomposition)하고 교차웨이블릿변환(cross wavelet transform)을 정규화하여 얻은 웨이블릿 긴밀도(wavelet coherence)를 비교하여 모델 입력변수를 선택하였다. 모델의 출력변수는 저층 DO 농도로 설정하였다. 랜덤포레스트 회귀(random forest regression), 계절성 자기회귀누적 이동평균(seasonal autoregressive integrated moving average), 장단기메모리(long short-term memory)신경망 알고리즘으로 모델 학습을 하였다. 모델의 성능 평가를 위해 평균제곱근오차(root mean squared error), 평균절대비오차(mean absolute percentage error), 수정 결정계수(adjusted coefficient of determination), 상관계수(correlation coefficient)를 사용하였다. 평가 결과 모델의 예측 성능이 상이하였으나 저층 DO 농도 변화가 급격한 구간에서는 성능이 낮았고 계절 변동성만 근사하게 예측하였다. 결과적으로 이 연구는 반폐쇄성 내만의 저층 DO 농도 변화에 영향을 미치는 인자를 확인하였고 향후 개선을 통해 실시간 빈산소 수괴 발생 예측을 통한 사전 경보, 해양환경 복원·규제 정책 지원, 연안오염총량관리 오염부하 삭감이행평가 등에 활용될 수 있다. 나아가 기존 수치모델과 연계하였을 때 예측 결과에 대한 정밀한 이론적 해석이 가능하며 자료 처리 방식과 자료의 양과 질이 보완된다면 저층 DO 농도 변화의 정확한 예측이 가능할 것이다.

Recently, climate change, the increase in land-based sources of pollution, and various biogeochemical and physical factors have led to a decrease in the concentration of dissolved oxygen (DO) in seawater, resulting in the formation of hypoxic water masses. The occurrence of hypoxic water masses can drastically alter marine ecosystems and lead to significant socio-economic damage. For the effective management of marine water quality and ecosystems, it is essential to predict changes in DO concentrations and identify the factors influencing the occurrence of hypoxic water masses. This study aims to predict the bottom DO concentrations in the coastal waters near Masan Bay, where the occurrence of hypoxic water masses has recently become a concern. Marine environmental data, hydroclimatic data, ocean current data, and land-based pollution source data were collected for model training. All collected data were combined, missing values were removed, and the data were augmented using a neural network model-based data synthesis method. To mitigate the non-stationarity of the data, the empirical wavelet transform (EWT) was used for data decomposition, and cross wavelet transform (CWT) was normalized to obtain wavelet coherence. These wavelet coherences were compared to select the model input variables. The output variable of the model was set to the bottom DO concentration. The model was trained using random forest regression, seasonal autoregressive integrated moving average (SARIMA), and long short-term memory (LSTM) neural network algorithms. To evaluate the performance of the model, root mean squared error (RMSE), mean absolute percentage error (MAPE), adjusted coefficient of determination (adjusted R²), and correlation coefficient were used. The evaluation results showed that the predictive performance of the models varied; however, the performance was lower in regions with abrupt changes in bottom DO concentrations, and the models only approximated the seasonal variability. In conclusion, this study identified the factors influencing changes in bottom DO concentrations in semi-enclosed coastal bays. Future improvements could enable real-time prediction of hypoxic water mass occurrences, providing early warnings and supporting marine environmental restoration and regulation policies, as well as evaluating the reduction of pollution loads in coastal total maximum daily load (TMDL) management. Furthermore, when integrated with existing numerical models, precise theoretical interpretation of the prediction results is possible. If the data processing methods and the quantity and quality of data are improved, accurate prediction of changes in bottom DO concentrations will be achievable.

#빈산소 수괴(Hypoxic water mass) #경험 웨이블릿 변환(EWT) #계절성 자기회귀누적이동평균(SARIMA) #랜덤포레스트 회귀(RFR) #장단기메모리(LSTM) #마산만(Masan bay)

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