Grounding Line of Campbell Glacier in Ross Sea Derived from High-Resolution Digital Elevation Model

고해상도 DEM을 활용한 로스해 Campbell 빙하의 지반접지선 추정

Abstract

Grounding line is used as evidence of the mass balance showing the vulnerability of Antarctic glaciers and ice shelves. In this research, we utilized a high resolution digital elevation model of glacier surface derived by recently launched satellites to estimate the position of grounding line of Campbell Glacier in East Antarctica. TanDEM-X and TerraSAR-X data in single-pass interferometry mode were acquired on June 21, 2013 and September 10, 2016 and CryoSat-2 radar altimeter data were acquired within 15 days from the acquisition date of TanDEM-X. The datasets were combined to generate a high resolution digital elevation model which was used to estimate the grounding line position. During the 3 years of observation, there weren't any significant changes in grounding line position. Since the average density of ice used in estimating grounding line is not accurately known, the variations of the grounding line was analyzed with respect to the density of ice. There was a spatial difference from the grounding line estimated by DDInSAR whereas the estimated grounding line using the characteristics of the surface of the optical satellite images agreed well when the ice column density was about $880kg/m^3$. Although the reliability of the results depends on the vertical accuracy of the bathymetry in this study, the hydrostatic ice thickness has greater influence on the grounding line estimation.

지반접지선은 남극 빙하 및 빙붕의 취약성을 나타내는 가장 핵심적인 척도로 물질균형의 증거로 사용된다. 본 연구에서는 SAR와 레이더 고도계 위성을 이용하여 빙하와 빙붕의 고해상도 수치고도모델을 제작하고, 이를 이용하여 동남극의 Campbell 빙하의 지반접지선의 위치를 추정하고 시공간적 변화를 관찰하였다. 2013년 6월 21일과 2016년 9월 10일에 획득된 TanDEM-X 와 TerraSAR-X 자료와 촬영날짜 대비 15일 이내의 CryoSat-2 레이더 고도계 자료의 조합을 이용하여 고해상도 수치고도모델을 제작 후 지반접지선을 추정하였으나 3년 동안 큰 변화를 관찰하지 못하였다. 지반접지선 추정 시 사용된 얼음의 평균 밀도는 정확하게 알려져 있기 않기 때문에 얼음의 밀도를 변화시킨 지반접지선의 변화를 분석하였다. DDInSAR로 추정된 지반접지선과는 공간적으로 큰 차이가 있었지만 광학위성의 표면 특징을 이용하여 추정된 지반접지선과는 얼음의 밀도가 약 $880kg/m^3$일 때 가장 유사하였다. 본 연구는 해저지형의 수직적 정확도에 따라서 결과의 신뢰도가 변할 수 있지만 얼음의 지반접지선 지역의 유체정역학적 얼음 두께가 더욱 큰 영향을 끼칠 것으로 고려되며 동일한 오차를 포함한 두 시기의 지반접지선을 비교하였기 때문에 상대적 변화는 의미가 있다고 고려된다.

1. 서론

지반접지선은 남극 빙하 및 빙붕의 취약성을 나타내는 가장 핵심적인 척도로 물질균형의 증거로 사용된다. 서남극 지역은 내륙 쪽으로 해저지형이 더 깊어지는 모양을 하고 있기 때문에 지반접지선의 위치에 따라 높은 취약성을 보일 수 있다고 알려져 있다(Mercer, 1978). 서남극지역은 지구온난화의 영향으로 예상되는 급격한 변화를 보이고 있으며 특히 여러 연구들을 통하여 빙하의 표면 높이가 빠른 속도로 낮아지는 것이 증명되었다(Wingham et al., 2006; Rignot et al., 2013).

지반접지선을 추출하기 위한 방법으로는 다양한 연구들이 진행되었다. Fricker and Padman(2006)은 레이저 고도계 위성인 ICESat(Ice, Cloud and land Elevation Satellite)을 이용하여 조수의 차이로 달라지는 얼음의 표면 높이를 반복적으로 측정하고 지반접지선에서 발생하는 얼음의 굴곡현상을 관측하여 지반접지선을 추출하였다. Bindschadler et al.(2011)은 다른 각도에서 촬영된 광학위성영상을 photoclinometry 기법을 적용하여 수치고도모델을 제작한 후 광학위성영상과의 시각적 검사를 통하여 지반접지선의 위치를 예측하였다. 위의 연구들은 현재 남극 전체에 대한 지반접지선의 위치를 추출할 수 있는 이점을 가지고 있다. 하지만 시간적으로 변하는 지반접지선의 위치를 추적하기에는 공간적인 정확도가 낮다.

마지막으로 Rignot et al.(2013)은 각 SAR 영상이 획득된 시기의 조수 높이의 차이로 인하여 발생하는 얼음의 휨 현상을 DDInSAR를 활용하여 지반접지선의 위치를 추정하였으며 이 기법은 현재 지반접지선 추정을 위하여 가장 많이 쓰인다. 하지만 DDInSAR의 경우 최소 3장의 SAR 영상을 획득해야 하며 각 영상의 획득 시기의 조수의 높이가 일정하지 않아야 하는 제약을 갖고 있다.

본 연구에서는 SAR 위성과 레이더 고도계 위성을 이용하여 빙하와 빙붕의 고해상도 수치고도모델을 제작하고, 바다 표면과 얼음 표면간의 거리인 freeboard를 유체정역학에 적용하여 얼음의 두께와 얼음의 바닥의 높이를 추정하였다. 추정된 얼음의 바닥과 BEDMAP2의 해저지형을 비교하여 지반접지선의 절대적 위치를 예상하고 반복적인 관측을 통하여 시공간적 변화를 추정하고자 한다.

2. 연구지역

Campbell 빙하(74° 25′ S 164° 22′ E)는 로스 해(Ross Sea)의 북부에 위치한 테라노바 베이(Terra Nova Bay)로 흐르는 대표적인 분출빙하로서 110 km 정도의 길이와 약 4000 km2의 유역 면적을 갖고 있다. 로스 해로 확장되어 있는 Campbell Glacier Tongue는 약 75.5 km2 정도의 표면적을 갖고 있으며 두개의 빙류로 구성되어 있다 (Fig. 1).

Fig. 1. Cambell Glacier in East Antarctica. Grounding lines, estimated in 1996 by DDInSAR (Rignot et al., 2011) and in 2009 by MOA (Scambos et al., 2007), are overlaid in the flow velocity of the glacier and its glacier tongue. An inset indicates the location of Campbell Glacier as a red dot.

Glacier tongue의 속도는 DInSAR 기법으로 추출되었으며 일평균 0.67 m, 연평균 0.25 km 로 알려져 있다(Han and Lee, 2015). 또한 ICESat GLAS 자료를 활용하여 추출된 glacier tongue 의 표면 높이는 연평균 0.69 m 낮아지고 있는 것으로 확인되었다(Han et al., 2013; Han and Lee, 2014; Han and Lee, 2015). 약 4 km/year 이상으로 흐르며 2 m/year 이상으로 표면고도침하가 진행되고 있는 서남극해의 Thwaites, Pine Island, Smith 빙하들과 비교하였을 때 Campbell 빙하는 작은 변화를 나타낸다고 볼 수 있다. 또한 1996년에 확보된 지반접지선과 Han and Lee(2014)에서 추출된 지반접지선은 약 20년 동안 큰 변화를 보이지 않았다. 주위의 동로스해의 빙하들의 지반접지선도 큰 변화를 보이지 않는 것으로 보고되고 있다(Konrad et al., 2018). 특별한 큰 변화가 없기 때문에 짧은 두 시기의 고해상도 DEM을 독립적으로 제작하여 지반접지선을 추출하여 비교한다면 DEM 제각기법의 견고성과 지반접지선의 변화를 동시에 확인해 볼 수 있는 좋은 지역으로 선정되었다.

3. 연구방법

1) Digital Elevation Model 제작

Campbell 빙하와 Glacier Tongue 표면의 고해상도 DEM은 Kim and Kim(2017)의 기법을 참조하였다. 일반적으로 두 SAR 자료의 간섭기법을 이용하여 DEM을 제작하기 위해서는 정확한 기상지반점을 이용하여 위상절대값을 추출 후 절대고도로 변환을 한다. 하지만 노출된 암반지역이 전혀 없는 영상에서 SAR 촬영 시기에 기반점의 정보를 획득하는 데는 많은 어려움이 있다. 위 기법은 위상절대값의 보정이 되지 않은 보정 전 DEM을 먼저 제작 후 SAR 영상이 촬영된 날짜 전후로 획득된 CryoSat-2 SARIn 레이더 고도계 자료 중 보정 전 DEM과 CryoSat-2 자료 간의 correlation과 CryoSat-2 부분자료의 표준편차를 이용하여 최적의 지반점을 선정하여 Linear Least Square Fitting을 통하여 절대고도 값을 추출한다(Kim and Kim, 2017).

위 기법을 2013년 6월 21일과 2016년 9월 10일에 확보된TanDEM-X와 TerraSA-X자료에 적용하였다. SAR 영상의 촬영날짜 전 후로 15일 동안의 CryoSat-2 자료를 확보하였다. 각 시기에 확보된 SAR 자료의 수직거리는 각각 214.59 m와 421.60 m이었으며 이에 따른 ambiguity height는 각각 30.24 m와 15.41 m다. 두 SLC 자료는 상호 등록되어 있는 CoSSC 파일로 제공되기 때문에 바로 간섭도의 제작이 가능하다. 제작된 간섭도에서 지구타원체에 대한 성분을 제거 후 Goldstein 필터를 적용하였으며(Goldstein and Werner, 1998) Minimum Cost Flow 알고리즘을 이용한 phase unwrapping을 진행하여 위상 값을 추출하였다(Costantini, 1998).

획득된 SAR 진폭 영상에는 빙하와 바다가 모두 포함 되어있으며 남반구의 겨울에 촬영되었기 때문에 바다는 해빙으로 덮여있다(Fig. 2a). 해빙의 비교적 높은 리턴 신호는 결과적으로 높은 interferometric coherence를 나타냈으며(Fig. 2b), glacier tongue 과 바다 경계선에서 급격한 고도차이로 인하여 unwrapping이 제대로 이뤄지지 않았으며 보정 전 DEM의 바다의 고도가 glacier tongue보다 높은 값을 갖게 되는 문제가 발생하였다 (Fig. 2c). 따라서 glacier tongue보다 낮은 절대고도를 나타내는 CryoSat-2 고도 점과 보정 전 DEM 사이의 Linear Least Square Fitting은 큰 오차를 일으켰다. Glacier tongue와 해빙 사이의 unwrapping 문제를 해결하기 위하여 바다 및 해빙 부분을 masking 하였으며 해빙 표면의 반사 강도는 빙하 표면의 반사 강도보다 훨씬 약하기 때문에 진폭 자료만 사용하는 것만으로 masking 프로세스를 실행하였다.

Fig. 2. Amplitude (a), interferometric coherence (b), and unwrapped phase (c) of TanDEM-X SAR data in Campbell Glacier. The amplitude and coherence image show that the ocean is covered with sea ice.

바다와 해빙을 마스킹 한 후 추출된 최적의 지반점과 보정 전 DEM에 Linear Least Square Fitting 적용하여 절대고도값을 추출하였다. 최적의 지반점을 추출하기 위해서 먼저 CryoSat-2 부분자료와 보정 전 DEM 간의 상대적 형태를 비교할 수 있는 correlation 값은 0.90을 사용하였다. 또한 CryoSat-2 SARIn 자료는 표면의 기울기가 낮은 비교적 평평한 지역에서 높은 정확도를 갖기 때문에(Wang et al., 2015) CryoSat-2 부분자료의 표준 편차가 20 m 보다 작은 값을 선발하였다. 이는 약 1.15°의 기울기를 갖는 면에서 획득된 CryoSat-2 자료를 발했음을 나타낸다.

2) 유체정역학을 이용한 지반접지선 추정

지반접지선은 빙붕의 바닥과 해저지반이 만나는 지점으로서 고해상도 DEM과 해수면과의 차이인 freeboard를 유체정역학에 적용하여 얼음의 두께를 추정하고, 표면으로부터 추정된 두께를 빼서 계산된 얼음의 바닥면과 BEDMAP2의 해저지반과 비교를 통하여 추정되었다 (Griggs and Bamber, 2011). 해수면은 AVISO에서 얻은 평균 해수면과 FES2014 조석 모델의 합으로 정의하여 TanDEM-X 촬영 시기에 최대한 정확한 갚을 추정하였다. Campbell 빙하는 현장에서 측정된 빙하의 평균 밀도가 없기 때문에 본 연구에서는 간단한 단층 모델을 사용하여 glacier tongue의 두께를 추정하였으며 총 얼음의 두께 T는 다음과 같이 나타낼 수 있다(Van den Breke et al., 2008):

\(T=(F-d h-t d) \frac{\rho_{s e a}}{\rho_{s e a}-\rho_{i c e}}\)       (1)

\(d h=h_{f}\left(1-\frac{\rho_{f i r n}}{\rho_{i c e}}\right)\)        (2)

여기서 F는 freeboard를 나타내며, td는 FES2014 조석 모델에서 추정된 높이를 나타낸다(2013년 +31.103 cm, 2016년 +36.757 cm). ρ_sea는 평균 해수 밀도(1028 kg/m³)를 나타낸다. dh는 firn 깊이와 밀도를 이용하여 빙하의 밀도를 실제 값과 비슷하게 보정해 주는 용도로 사용되는데 본 연구에서는 단층 모델(single layer model)을 사용하였기 때문에 0으로 추정하여 계산을 진행하였다. 대신 얼음의 평균 밀도, ρ_ice를 변화를 주어 firn 보정과 같은 효과를 내었다. 일반적으로 남극 얼음의 평균 밀도는 확실한 관측 자료가 부족하다. 깊이에 따라 달라지는 밀도에 따라서 firn 밀도, 깊이가 결정되는데 이러한 깊이 및 밀도는 공간적으로 일정하지 않으며 남극을 대변하거나 남극 전체의 관측은 없기 때문이다. 남극의 빙하와 빙붕을 다루는 다양한 연구에서는 빙하의 평균 밀도를 880~900 kg/m3(Fricker and Padman, 2006; Wen et al., 2010)로 가정을 하였으며(Jonathan, 1994)는 Ross Ice Shelf에서 평균 밀도를 918 kg/m³로 가정을 하여 위성 고도계를 이용한 얼음 두께와 실제로 측정된 얼음 두께 값을 비교했다./p>

본 연구에서는 700에서 918 kg/m³ 사이의 값을 얼음 평균 밀도로 사용하여 밀도에 따른 지반접지선 위치를 추정하였다. 먼저 자주 사용되는 남극 빙하의 평균 밀도 값인 918 kg/m³을 이용하여 Campbell 빙하의 지반접지선을 추정하였고 유도된 얼음의 두께를 사용하여 얼음 바닥의 고도를 계산한 후 BEDMAP2의 해저지형 데이터와 비교했다. 일반적으로 알려진 평균 얼음 밀도보다 낮은 값을 사용한다면 추정된 얼음의 두께는 과소평가 된다. 이는 빙하의 전반적인 두께감소로 인하여 지반접지선이 후퇴하는 경우를 실험할 수 있다고 고려하였다. 또한 본 연구에서는 dh의 값을 0으로 가정하였기 때문에 일반적인 평균 얼음 밀도보다 낮은 값을 사용하는 것은 dh 값을 수정하는 것과 비슷한 효과를 나타낼 수 있다. 따라서 얼음 평균 밀도를 700에서 918 kg/m³ 사이의 값을 얼음 평균 밀도로 사용하였다.

4. 결과 및 토의

Fig. 3(a)는 제작된 Campbell 빙하의 고해상도 DEM을 보여준다. 완벽하게 바다와 해빙 지역의 masking이 되지 않았으나 unwrapping 시 발생하는 문제를 해결할 수 있었다. Fig. 3(b)은 제작된 DEM을 이용하여 얼음의 밀도를 918 kg/m³로 가정하여 추정한 Campbell 빙하의 지반접지선을 보여준다. 검은 실선은 DDInSAR 기법으로 추정된 1996년의 지반접지선을 나타내며(Rignot et al., 2011) 2010년과 2011년의 COSMO-SkyMed 위성의 DDInSAR 를 이용하여 추출된 지반접지선과 큰 차이를 갖지 않는다(Han and Lee, 2014).

Fig. 3. Generated DEM of Campbell Glacier and its ice tongue. Floating regions are colored differently to show the grounding line variations during 2013 and 2016. Green region indicates advance whereas red regions indicates retreat. Black solid lines indicate the grounding line in 1996.

도출 된 접지선의 시간적인 전진과 후퇴를 구별하기 위해 부유 얼음 영역은 다른 색으로 표현하였다. 회색 영역은 2013년과 2016년에도 변경되지 않은 영역을 나타낸다. 적색과 녹색의 영역은 각각 2013년과 2016년 사이의 접지선의 후퇴와 전진을 나타낸다. 후퇴의 대부분은 glacier tongue의 서쪽 부분에서 약 1 km 정도 나타났으며 전진은 동부에서 나타났다. 3년간의 관찰 동안 나타났기 때문에 Campbell 빙하의 지반접지선은 큰 변화가 없었다고 고려된다.

하지만 Campbell빙하의 얼음 평균 밀도 정확하게 알려져 있지 않기 때문에 얼음의 두께의 오차로 인하여 지반접지선이 정확하지 않을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 700~918 kg/m³로 가정된 얼음 평균 밀도 값에 따라서 계산된 얼음 두께의 차이를 이용하여 지반접지선이 어떻게 변화하는지 알아보았다. 또한 밀도에 따라 추정된 지반접지선을 1996년과 2010/2011년에 DDInSAR를 사용하여 추출된 지반접지선(Rignot et al., 2011)과 2009년에 MODIS 광학영상의 표면 특성을 이용하여 추출된 지 반접지선(Scambos et al., 2007)과 비교하였다(Fig. 4).

Fig. 4. Grounding lines with respect to various ice densities. Previously estimated grounding lines in 1996 and 2009 are overlaid in red and yellow lines, respectively

낮은 얼음 평균 밀도값이 이용된 경우(700~800 kg/ 에는, 얼음의 두께는 과소평가 되었으며 따라서 지반접지선은 크게 후퇴하는 것으로 나타난다(검게 어두운 영역). 얼음 평균 밀도값이 800~900 kg/m³의 경우 지반접지선은 1996년에 추정된 영역(회색 영역) 주위에 위치하였다. 광학영상을 이용한 2009년의 지반접지선은 얼음의 밀도가 880 kg/m³일 때 전반적으로 일치하는 것을 확인할 수 있다. 지점 A에서 A′에 선을 그어 밀도의 변화에 따라 계산된 얼음 바닥이 해저지형과 닿는 위치를 확인하였다(Fig. 5).

Fig. 5. A line segment from point A to A’ show how ice bottom varies and crosses the seafloor at different density values

만약 2009년 이후 두께의 큰 변화가 없었다고 가정하면 Campbell 빙하의 얼음 기둥 밀도는 약 880 kg/m³인 것으로 예상할 수 있다. 하지만 특정한 얼음 밀도가 Campbell 빙하를 대표하고 있다고 결론 내리기에는 실제 측정을 통한 검증이 필요하다.

DDInSAR 를 이용하여 1996년(2010/2011년)에 추정된 지반접지선은 얼음의 밀도가 900 kg/m³로 가정되었을 때의 결과와 비슷한 것으로 보인다(Fig. 4-5). 하지만 이 또한 서부 지역에서만 일치하고 있으며 동쪽 영역은 전혀 일 치하지 않는다. 또한 DDInSAR를 이용한 지반접지선과의 큰 공간적인 차이는 SAR 영상이 획득된 시기의 조수 높이의 차이로 인하여 발생하는 얼음의 휨 현상을 이용하여 지반접지선을 추출하기 때문에 빙하와 지반이 물리적으로 만나는 절대적 위치를 추정하는 본 연구의 지반접지선과 직접적인 비교는 어렵다고 고려된다.

마지막으로 본 연구의 결과는 유체정역학을 이용하여 얼음의 두께를 계산하기 때문에 얼음 두께에서 발생할 수 있는 수직적 오차가 bathymetry의 정확도보다 더욱 민감하다. 빙하의 표면은 지반접지선 주위에서 내륙 방향으로 급격하게 높아지는 특성이 있기 때문에 유체 정역학적 얼음 두께 또한 지반접지선 지역에서 급격하게 증가하는 패턴을 보이기 때문이다(Fig. 5). 추후 해저 지형의 정확도에 따라서 지반접지선의 절대적 위치의 신뢰도가 높아질 수 있다. 특히 해저지형의 기울기가 매우 낮은 경우 해저지형의 수직적 오차는 큰 공간적 오차를 야기할 수도 있다. 하지만 얼음의 두께가 더욱 민감하기 때문에 지형의 정밀한 모양을 나타낼 수 있는 공간정확도가 연구 결과에 더욱 큰 영향을 끼칠 것으로 고려된다. 또한 동일한 해저지형의 오차를 동시에 포함한 두 시기의 지반접지선을 비교하였기 때문에 추정된 지반접지선의 절대적 위치는 추후 새롭게 정의될 수 있지만 본 연구방법을 이용하여 추출한 지반접지선의 시간적 변화는 의미가 있다고 고려된다.

5. 결론

본 연구에서는 고해상도 DEM을 이용하여 로스해의 Campbell 빙하의 지반접지선을 추정하였다. 빙하 표면의 고해상도 DEM은 TanDEM-X SAR 위성과 CryoSat-2 레이더 고도계 자료를 활용하여 제작되었다. 고해상도 DEM을 유체정역학에 적용하여 얼음의 두께를 유추하였으며 이를 이용하여 2013년과 2016년의 지반접지선을 추정하였으나 3년 동안 큰 변화를 관찰하지 못하였다. Campbell 빙하의 비교적 느린 흐름과 작은 고도변화를 고려한다면 당연한 결과로 보인다.

Campbell 빙하의 평균 얼음 밀도가 정확하게 알려져있지 않기 때문에 얼음의 밀도를 변화시켜 지반접지선의 변화를 분석하였다. DDInSAR를 이용하여 추정된 지반접지선은 얼음의 밀도가 900 kg/m³로 가정되었을 때 비슷한 결과를 보였으나 조수 높이의 차이로 인한 얼음의 휘는 영역을 나타나기 때문에 빙하와 지반이 물리적으로 만나는 절대적 위치로 정의된 지반접지선과의 직접적인 비교는 어렵다고 고려된다. 또한 얼음의 밀도가 880 kg/m³일 때 광학영상을 이용한 2009년의 지반접지선과 전반적으로 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

마지막으로 해저지형의 수직적 정확도에 따라서 결과의 신뢰도가 변할 수 있지만 지반접지선 지역의 유체 정역학적 얼음 두께가 급격하게 증가하는 특성 때문에 해저지형의 공간적 정확도가 더욱 큰 영향을 끼칠 것으로 고려된다. 또한 동일한 오차를 포함한 두 시기의 지반접지선을 비교하였기 때문에 상대적 변화는 의미가 있다고 고려된다.