새만금 연안역에서 HF radar에 의해 관측된 조하주기 표층해류의 변화 Variations in subtidal surface currents observed with HF radar in the costal waters off the Saemangeum areas원문보기
서해 중부에 위치한 새만금연안역에서 HF radar를 이용하여 2002년 7월과 2004년 9월부터 11월 초까지 표층해류를 관측하였다. 관측 자료로부터 조하주기대(subtidal) 표층해류가 해안선 변화, 바람과 담수 방류량의 변화에 대하여 시 공간적으로 어떻게 변동하는지 조사하였다. 2002년 7월 관측 기간 동안 바람이 약 0.5 m/s로 불었으며, 일 평균 금강 담수 방류량이 $0.88{\times}10^7$ 톤이었다. 시간평균된 표층해류($\overline{U}$)는 금강하구입구에서 $7{\sim}10\;cm/s$의 크기로 북서쪽으로, 방조제 개방구간에서 13 cm/s 이상의 크기를 갖고 서쪽으로, 고군산군도 북측에서는 북서방향의 분포를 보였다. 이는 금강 담수와 새만금 방조제 개방구간에서 유출된 조석 잔차류에 의해 형성된 흐름이다. 또한 를 제거한 표층해류의 공간평균치(<$U-\overline{U}$>)의 방향변화가 바람방향변화와 상대적으로 높은 상관관계(r=0.98)를 보였다. 2004년 9월부터 11월에는 북북서풍이 2.5 m/s로 불었으며, 일평균 담수 방류량이 $11.9{\times}10^7$ 톤이었다. 표층해류($\overline{U}$)는 대부분의 연안에서 크기가 작았고, 새만금 방조제와 고군산군도가 이루는 해안선을 따라서 약 10 cm/s의 상대적으로 빠른 해류가 남서방향으로 흘렀다. 이는 강한 북서풍이 금강 담수를 새만금 방조제 쪽으로 이동시켜 형성된 흐름이다. 2004년도에는 방조제 개방구간에서 유출되는 조석 잔차류가 없어졌으며, 공간평균()된 표층해류의 방향변화가 바람방향변화와 0.69의 상관관계를 보였다.
서해 중부에 위치한 새만금 연안역에서 HF radar를 이용하여 2002년 7월과 2004년 9월부터 11월 초까지 표층해류를 관측하였다. 관측 자료로부터 조하주기대(subtidal) 표층해류가 해안선 변화, 바람과 담수 방류량의 변화에 대하여 시 공간적으로 어떻게 변동하는지 조사하였다. 2002년 7월 관측 기간 동안 바람이 약 0.5 m/s로 불었으며, 일 평균 금강 담수 방류량이 $0.88{\times}10^7$ 톤이었다. 시간평균된 표층해류($\overline{U}$)는 금강하구입구에서 $7{\sim}10\;cm/s$의 크기로 북서쪽으로, 방조제 개방구간에서 13 cm/s 이상의 크기를 갖고 서쪽으로, 고군산군도 북측에서는 북서방향의 분포를 보였다. 이는 금강 담수와 새만금 방조제 개방구간에서 유출된 조석 잔차류에 의해 형성된 흐름이다. 또한 를 제거한 표층해류의 공간평균치(<$U-\overline{U}$>)의 방향변화가 바람방향변화와 상대적으로 높은 상관관계(r=0.98)를 보였다. 2004년 9월부터 11월에는 북북서풍이 2.5 m/s로 불었으며, 일평균 담수 방류량이 $11.9{\times}10^7$ 톤이었다. 표층해류($\overline{U}$)는 대부분의 연안에서 크기가 작았고, 새만금 방조제와 고군산군도가 이루는 해안선을 따라서 약 10 cm/s의 상대적으로 빠른 해류가 남서방향으로 흘렀다. 이는 강한 북서풍이 금강 담수를 새만금 방조제 쪽으로 이동시켜 형성된 흐름이다. 2004년도에는 방조제 개방구간에서 유출되는 조석 잔차류가 없어졌으며, 공간평균()된 표층해류의 방향변화가 바람방향변화와 0.69의 상관관계를 보였다.
Subtidal surface currents are derived from HF radar measurements in the Saemangeum coastal ocean of the Yellow sea in July 2002 and from September to November 2004. The surface current field is analyzed to examine the effect of wind, river plume and coastline change on the spatial distribution and t...
Subtidal surface currents are derived from HF radar measurements in the Saemangeum coastal ocean of the Yellow sea in July 2002 and from September to November 2004. The surface current field is analyzed to examine the effect of wind, river plume and coastline change on the spatial distribution and temporal variation of the surface currents. In July 2002, average wind speed was 0.5 m/s and freshwater discharge from the Keum River was $0.88{\times}10^7\;ton/day$. Temporal mean currents ($\overline{U}$) flow to the northwest with speed of $7{\sim}10\;cm/s$ near the Keum River estuary, to the west as fast as 13 cm/s near the opening gap of the Saemangeum $4^{th}$ dyke, and to the northwest off the Gogunsan-archipelago. This flow pattern is a result of the Keum River plume dispersal and tide-residual currents from the opening gap of the Saemangeum $4^{th}$ dyke. Time series of spatially-averaged current (<$U-\overline{U}$>) direction is highly (r=0.98) correlated with wind direction. From September to November 2004, the opening gap of the Saemangeum $4^{th}$ dyke was closed, northwesterly wind blew with speed of 2.5 m/s on average and the Keum River discharge was $1.19{\times}10^7\;ton/day$. Temporal mean current field ($\overline{U}$) has weak surface flow in most of the coastal ocean and relatively strong currents flow to the southwest with speed of 10 cm/s along the shape coastline of the Gogunsan-archipelago and the Saemangeum $4^{th}$ dyke. The strong flow is generated by the prevailing northwesterly wind which pushes the Keum River plume toward the Saemangeum $4^{th}$ dyke. The residual currents from the opening gap of the Saemangeum $4^{th}$ dyke disappeared and correlation coefficient between time series of spatially-averaged current () direction and the wind direction is 0.69.
Subtidal surface currents are derived from HF radar measurements in the Saemangeum coastal ocean of the Yellow sea in July 2002 and from September to November 2004. The surface current field is analyzed to examine the effect of wind, river plume and coastline change on the spatial distribution and temporal variation of the surface currents. In July 2002, average wind speed was 0.5 m/s and freshwater discharge from the Keum River was $0.88{\times}10^7\;ton/day$. Temporal mean currents ($\overline{U}$) flow to the northwest with speed of $7{\sim}10\;cm/s$ near the Keum River estuary, to the west as fast as 13 cm/s near the opening gap of the Saemangeum $4^{th}$ dyke, and to the northwest off the Gogunsan-archipelago. This flow pattern is a result of the Keum River plume dispersal and tide-residual currents from the opening gap of the Saemangeum $4^{th}$ dyke. Time series of spatially-averaged current (<$U-\overline{U}$>) direction is highly (r=0.98) correlated with wind direction. From September to November 2004, the opening gap of the Saemangeum $4^{th}$ dyke was closed, northwesterly wind blew with speed of 2.5 m/s on average and the Keum River discharge was $1.19{\times}10^7\;ton/day$. Temporal mean current field ($\overline{U}$) has weak surface flow in most of the coastal ocean and relatively strong currents flow to the southwest with speed of 10 cm/s along the shape coastline of the Gogunsan-archipelago and the Saemangeum $4^{th}$ dyke. The strong flow is generated by the prevailing northwesterly wind which pushes the Keum River plume toward the Saemangeum $4^{th}$ dyke. The residual currents from the opening gap of the Saemangeum $4^{th}$ dyke disappeared and correlation coefficient between time series of spatially-averaged current () direction and the wind direction is 0.69.
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문제 정의
본 연구는 새만금 4호 방조제 건설 후인 2004년에 HF radar로 관측된 조하주기대 표층해류를 분석하고 4호 방조제 연결 전인 2002년에 관측된 Son et al.(2007)의 결과와 비교하여 1) 조하주기대 표층해류의 시공간적 변화 특성이 방조제로 인해 어떻게 변화되는지를 살펴보고, 2) 각 경우에 대해 바람과 담수 방류량의 변화가 표층 해류 분포에 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 한다.
제안 방법
COMBS에서 10분 간격으로 관측된 바람자료는 1시간 간격으로 재구성하였다. 1시간 간격의 바람과 해수면자료에 대해 lowpass filter를 사용하여 조하주기대 자료를 생성하였다. 말도 AWS에서 2004년 10월 12일 14시부터 15일 11시, 17일 03시부터 18일 22시, 그리고 19일 10시부터 21일 15시까지 바람이 결측되었다.
2002년도에 HF radar를 비응도(S2)와 연도(S4)에 설치하였고 방향 분해간격을 10°, 거리 분해간격은 1 km로 설정하여 각 관측소에서 최대 30 km까지 radial vector를 관측하였다.
COMBS에서 10분 간격으로 관측된 바람자료는 1시간 간격으로 재구성하였다. 1시간 간격의 바람과 해수면자료에 대해 lowpass filter를 사용하여 조하주기대 자료를 생성하였다.
HF radar로 측정된 표층해류가 안정적으로 얻어진 기간 동안의 바람, 담수방류량 그리고 해수면 동자료를 분석하였다(Table 1, Fig. 3). 바람은 1시간 간격으로 말도 AWS에서 관측된 자료와 COMBS에서 10분 간격으로 관측된 자료를 사용하였으며 담수 방류량은 금강 하구언 수문에서 하루 동안 방류한 총량을 사용하였다.
연구해역에서 가장 큰 운동에너지를 가지는 조류에 대해서는 관측된 속도를 성분별(u, v)로 조화 분해하여 각 격자점에서 예보조류성분을 생성하였다. 관측된 유속에서 예보조류성분을 제거하여 잔차조류를 얻었으며, 잔차조류 시계열자료에서 결측기간 동안에 대해 선형내삽 방법으로 추정 잔차조류를 구하였다. 추정된 잔차조류에 예보조류성분을 더하면 결측기간의 자료를 보완할 수 있다.
4에서 새만금 4호 방조제 완성 전과 후 표층 해류 분포의 차이를 볼 수 있지만, 시간적으로 변화가 큰 바람과 간헐적으로 방류되는 금강담수가 연구해역에서 순간적인 표층 해류분포에 미치는 영향과 해안선 변화(새만금 4호 방조제 완성)가 표층해수 흐름 변화에 미치는 영향을 정성·정량적으로 구별하기는 어렵다. 다음 3.2절에서는 2002년과 2004년 관측기간 동안에 걸쳐 연구해역의 유동을 일차적으로 대표하는 시간 평균된 속도(#) 분포와 공간 평균된 속도(〈U〉)의 시간변화를 구하여 비교하였다.
2002년도에 HF radar를 비응도(S2)와 연도(S4)에 설치하였고 방향 분해간격을 10°, 거리 분해간격은 1 km로 설정하여 각 관측소에서 최대 30 km까지 radial vector를 관측하였다. 또한 2 km 간격으로 격자점을 구성하고(Fig. 2) 각 격자점에서 반경 2 km 범위 내의 radial vector들을 합성하여 1시간 간격의 표층해류 벡터를 생성하였다. 2004년에는 국립해양조사원과 군산대학교가 공동으로 말도(S1), 비응도(S2) 그리고 서천 마량리(S3)에서 radar를 운용하였으며, 방향과 거리 분해간격을 5°와 1.
13)은 연구해역에서 2002년 9월 9일의 저층 수온과 염분분포가 4일 후에 변화된 현상에 대해 북서풍에 의한 에크만 수송과 해안선 형태에 의해 해수면이 외해 쪽으로 누적(pile-up)되어 동쪽으로 경사지며 이때 발생하는 순압적 압력구배가 저층 반류(보류)를 발생시킨 징후로 해석한 바 있다. 바람에 의한 해수면경사가 형성(set-up)되는 데 걸리는(spin-up) 시간으로 약 1일을 제시하였다. 방조제 완성 후인 2004년에는 동쪽에 해안선이 완전하게 형성되어 북풍계열 바람에 의한 동-서 혹은 북동-남서 방향으로 해면경사가 형성되고 이 해면경사가 이완(release)되는 현상이 빨리 일어나게 되며, 바람응력에 대한 해수면의 반응 지체시간이 줄어들 수 있다.
3). 바람은 1시간 간격으로 말도 AWS에서 관측된 자료와 COMBS에서 10분 간격으로 관측된 자료를 사용하였으며 담수 방류량은 금강 하구언 수문에서 하루 동안 방류한 총량을 사용하였다. 해수면 높이의 변동을 파악하기 위해 군산 외항 검조소에서 관측한 해수면 높이자료를 분석하였다.
방조제 건설 후인 2004년 9월부터 11월의 #분포에서 바람에 의한 성분과 담수 방류량 변화에 의한 성분을 구분하기 위해 바람의 크기와 방향은 비슷하고 담수 방류량이 현저히 차이나는 2004년 9월 21일에서 30일까지 10일 동안과 10월 8일 이후 23일 동안의 표층해류(#)분포를 비교하였다(Fig. 7a와 7b). 두 시기의 평균 담수 방류량은 각각 2.
본 연구에서는 선형내삽에 의해 보완된 잔차조류 시계열 자료에 절하주기(cut-off period)가 40시간인 ‘F49’ low-pass filter(Thompson, 1983)를 적용하여 조하주기대 표층 해류(이후부터 U로 표기)를 구하였다.
두 시기의 각 격자점에서 최대 결측기간은 6시간으로 다음과 같이 결측자료가 보완되었다. 연구해역에서 가장 큰 운동에너지를 가지는 조류에 대해서는 관측된 속도를 성분별(u, v)로 조화 분해하여 각 격자점에서 예보조류성분을 생성하였다. 관측된 유속에서 예보조류성분을 제거하여 잔차조류를 얻었으며, 잔차조류 시계열자료에서 결측기간 동안에 대해 선형내삽 방법으로 추정 잔차조류를 구하였다.
연구해역에서 방조제가 완성되어가는 과정에서 표층해류가 바람에 대해 어떻게 반응하는지 알아보기 위하여 각 시기의 관측영역에 대한 공간평균 표층해류(〈U〉)의 변화와 바람응력의 변화를 비교하였다(Fig. 6). 벡터〈U〉는 매 시간별로 모든 격자점의 조하주기 흐름을 평균하여 계산하였으며, low-pass filter된 바람(W, 단위 m/s)에서 바람응력(wind stress, #)을 계산하였다.
또한 바람의 방향을 표기할 때 해양에서 해류 방향을 표시하는 방법과 똑같이 바람이 불어가는 방향으로 표시하였다. 즉 해류와 바람의 벡터방향을 나타낼 때, 벡터가 향하는 방향을 진북(true north)에서 시계방향으로 각을 측정하여 표현하였다.
바람은 1시간 간격으로 말도 AWS에서 관측된 자료와 COMBS에서 10분 간격으로 관측된 자료를 사용하였으며 담수 방류량은 금강 하구언 수문에서 하루 동안 방류한 총량을 사용하였다. 해수면 높이의 변동을 파악하기 위해 군산 외항 검조소에서 관측한 해수면 높이자료를 분석하였다.
대상 데이터
5 km 간격의 격자점에서 30분 간격의 합성벡터를 만들었다. 본 연구에 사용된 자료는 2002년 7월 8일부터 8월 1일까지 약 23일간, 2004년에는 9월 21일부터 11월 6일까지 약 45일간으로 이 기간들은 기상악화와 정전 등에 의한 결측기간이 적은 시기이다(Table 1).
연구해역은 몬순의 영향으로 동계에는 담수유입이 현저히 감소하고 강한 북서풍이 탁월하며, 하계에는 집중강우가 빈번하고 남풍이 우세하다. 바람의 변화는 연안수의 거동과 해수특성 분포에 큰영향을 준다(Bowden, 1983).
(2007)이 2002년에 두 바람자료를 비교한 결과와 유사하다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 두 지점에서 관측된 조하주기대 바람을 혼용하여 사용하였다. 또한 바람의 방향을 표기할 때 해양에서 해류 방향을 표시하는 방법과 똑같이 바람이 불어가는 방향으로 표시하였다.
이 해역에서는 황해 전체의 조석파 전파 구조에 의해 조석이 남쪽에서 북쪽으로 전파되는 곳이다(Choi, 1980; Lee and Beardsley, 1999). 조석형태는 반일주조 형이고, 조류는 50 cm/s 내외로 왕복성이 우세하다. 총길이 33 km의 새만금방조제는 1992년에 공사가 시작되었으며(Fig.
성능/효과
본 연구를 요약하면 다음과 같다. 1) 2002년 7월과 2004년 9월부터 11월에 HF radar를 이용한 표층해류 관측결과에서 바람 및 금강 저염수가 관측해역의 표층흐름에 미치는 영향을 확인하였으며, 바람의 세기나 방향 또는 담수 방류량에 따라 표층해류가 공간적 분포를 달리하며 변화하고 있음을 알 수 있었다. 2) 각 격자점에서 관측기간 동안 시간 평균한 표층해류(#)는 2002년 하계에 새만금 내부의 담수가 방조제 개방구간을 통과하여 금강기원의 저염수와 병합되어 북서쪽으로 흐르는 분포를 보였다.
1) 2002년 7월과 2004년 9월부터 11월에 HF radar를 이용한 표층해류 관측결과에서 바람 및 금강 저염수가 관측해역의 표층흐름에 미치는 영향을 확인하였으며, 바람의 세기나 방향 또는 담수 방류량에 따라 표층해류가 공간적 분포를 달리하며 변화하고 있음을 알 수 있었다. 2) 각 격자점에서 관측기간 동안 시간 평균한 표층해류(#)는 2002년 하계에 새만금 내부의 담수가 방조제 개방구간을 통과하여 금강기원의 저염수와 병합되어 북서쪽으로 흐르는 분포를 보였다. 2004년 추계의 #분포는 북서 탁월풍에 의하여 표층해류가 새만금 방조제와 고군산군도가 이루는 해안선을 따라 남서쪽으로 향하는 강한 흐름이 나타났고 공간적인 큰 속도차이를 보였다.
좁은(30 km×38 km) 연구해역 내에서 북서 탁월풍이 공간적으로 큰 차이(spatial gradient)를 보일 것으로 기대하기는 어려우므로 시간 평균된 표층해류의 공간적인 큰 변화는 새만금 4호 방조제와 고군산군도가 이루는 ‘#’ 형태의 해안선과 금강 담수 방류량의 변화에 기인하는 것으로 판단하였다. 3) 2002년 7월에는 공간 평균된 매시간 표층 해류의 시간변화에서 시간평균해류(#)를 제거하였을때, 표층해류(#)가 바람의 시간변화와 좋은 상호관계를 보였다. 2004년에는 시·공간적으로 평균된 표층해류를 제거하지 않았을 때, 표층해류(#)가 바람과의 시간변화에서 좋은 상호관계를 보였으며 바람방향에 대해 오른쪽으로 더 많이 편향된 결과를 보였다.
ii) 공간 평균된 2002년 7월의 #와 2004년 9월부터 11월의 〈U〉의 방향이 바람응력 방향에 대해 오른쪽으로 편향되어 반응을 보이지만 편향되는 각도는 방조제 완공 전에 비해 완공 후에는 평균적으로 40° 이상 증가되었다.
ii) 공간 평균된 2002년 7월의 #와 2004년 9월부터 11월의 〈U〉의 방향이 바람응력 방향에 대해 오른쪽으로 편향되어 반응을 보이지만 편향되는 각도는 방조제 완공 전에 비해 완공 후에는 평균적으로 40° 이상 증가되었다. iii) 바람응력의 세기와 방향이 바뀔 때 표층속도는 지체시간을 가지며 바람응력에 반응을 보임을 알 수 있다. 특이한 점은 2004년 9월 22일부터 26일에는 바람응력에 비해 유속이 유난히 크게 나타난 시기로서 5일 동안에 금강담수 방류량은 15.
6b의 중·하단 쇄선). 〈U〉와 바람응력을 비교해 보면, 바람응력이 강할 때 평균유속이 증가하고 바람응력이 약해지면 유속이 감소하는 경향이 보였고 바람방향의 오른쪽으로 〈U〉의 방향이 유지되며 바람방향의 변화에 따라 변하였다. 관측기간 동안의 〈U〉의 평균은 5.
관측구역 내에서 〈U〉의 방향은 바람방향에 대해 관측기간 동안 평균적으로 오른쪽 71°로 편향되었으며 에크만 이론에 의한 표층해류 형성각도보다 크게 나타났다.
연도 북측해역에서는 표층해류가 바람이 부는 방향의 왼쪽 방향으로, 연도 남쪽에서는 바람 방향의 오른쪽으로 향한 분포를 보인다. 금강하구와 말도 사이에서는 바람방향에 대해 오른쪽으로 편향되는 각이 더욱 크며, 말도 서북쪽에서는 외측에서 남향하는 흐름과 고군산군도 북측에서 남서향하는 흐름이 만나 수렴하는 형태의 분포를 보였다.
연구해역의 북쪽과 서쪽구역에서는 북북서풍인 평균바람에 의해 남서쪽으로 향하는 취송류가 담수방류에 의해 북서쪽 방향으로 확장하는 흐름에 의해 현저히 상쇄되어 유속이 약해졌다. 고군산군도와 방조제 부근에서는 취송류와 담수방류효과가 만드는 흐름이 유사한 방향으로 서로 보강되어 유속이 증가된다.
위의 토의내용을 요약하면, 연구해역에서 해안선이 변화되는 환경에서 바람응력에 대한 〈U〉의 반응은 다르게 나타나 2004년 9월부터 11월에는 2002년 7월에 비해 바람 방향에 대한 〈U〉의 방향이 오른쪽으로 41° 정도 증가된 74o의 평균적 편향각을 보였다(Fig. 6).
좁은(30 km×38 km) 연구해역 내에서 북서 탁월풍이 공간적으로 큰 차이(spatial gradient)를 보일 것으로 기대하기는 어려우므로 시간 평균된 표층해류의 공간적인 큰 변화는 새만금 4호 방조제와 고군산군도가 이루는 ‘#’ 형태의 해안선과 금강 담수 방류량의 변화에 기인하는 것으로 판단하였다.
10 cm/s 이상 강한 표층해류가 변화된 남동 해안선 쪽으로 편중되어 있으며, 새만금 방조제를 따라 북동쪽에서 남서쪽으로, 그리고 고군산군도를 따라 서쪽으로 향하는 흐름을 보인다. 평균바람이 북서풍으로 2.5 m/s 정도이었지만 관측해역의 남쪽과 동쪽구역에서 나타난 강한 흐름과 달리 북쪽 구역에서는 유속이 2 cm/s 미만이어서 공간적인 속도차이를 보였다. #를 공간적으로 평균한 #의 크기는 3.
후속연구
98)보다 작게 나온 이유에 대해서는 담수방류에 의한 영향을 제거하지 않고 상관관계를 분석하였기 때문에 나타난 결과이다. 4) 향후 자료 결측 및 표층 해수유동 예보에 대한 mapping 연구의 필요성이 제기되며, 조류예측과 동시에 연안역에서 바람, 담수방류 및 해수면 변동 등에 의한 조하주기대 표층유동분포에 대한 예보가 동시에 이루어지면 실시간 표층해수유동 예보가 가능할 것으로 기대된다.
이는 현재까지의 HF radar 관측기술 단계에서 피할 수 없는 상황이다. 앞으로 기상악화, 정전 및 하드웨어 문제 등으로 발생하는 자료결측 시간과 구간에 대한 mapping 기법 연구가 필요하다. 또한, 새만금 연안역에서 추·동계에 바람과 표층해류를 분석하면 조하주기대 해수유동의 약 80% 이상의 변동량을 예측하는 것이 가능하다(Kim et al.
특히 장기간 누적된 해수유동 자료를 분석하여 담수유입량의 변화에 따른 조하주기대 표층속도 분포의 공간구조를 파악하는 것이 요구된다. 장기적 예측이 가능한 주기적인 조류에 수시로 변하는 바람과 담수유입량에 의한 조하주기대 흐름을 합성하면 연구해역에서 표층속도 분포의 예보도 가능할 것이다. 표층 해류 분포의 예보는 해난사고로 인한 유류오염의 확산과 이동 등을 예측하여 방제작업을 하는데 크게 기여할 수 있으며, 육상기원 저염수와 오염물질의 이동과 영향범위를 파악하는데도 도움을 줄 수 있다.
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