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문제 정의
- 본 연구에서는 한반도 근해(해안으로부터 300km 이내)의 해역에 대해서 기존 관측 자료를 활용하여 성층이 가장 강하게 발달하는 수심을 정의하고 정량화하는 방안을 제안하고, 제안된 방법에 의해 추정된 한반도 근해 성층 발달의 특성과 계절별, 연도별 그리고 해역별 분포 및 변화 경향을 분석하여, 성층의 특성과 대표적인 변화 경향을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 이를 위해 총 1391 관측점(수평, 수직)의 시간 자료(Time Series Data)를 각 정점별 관측이 수행된 날짜를 Julian Days로 계산하고, Akima Cubic Spline 내삽법을 적용하여, 모든 자료의 시간이 동기화되는 각 정점별 228개의 시간자료를 재구성하였다[1,7]. 내삽을 이용하여 자료를 재구성한 결과 관측 자료와 시기적으로 거의 일치하는 기간이 대부분이지만, 일치하지 않는 기간(홀수 월에 관측한 경우)도 있으며, 이를 보정하면 0.
- 염분도 수온과 동일한 방법으로 보정하였고, 주어진 수온과 염분, 수심 값을 이용하여 한반도 주변의 동기화된 밀도 구조를 계산하였다. 밀도 계산식은 1983년 Gill이 제공한 경험식을 이용하였다[3].
- 성층화 정도를 계산하거나 표현하기 위해 수온이 급격히 변화하는 수온약층의 깊이와 기준 수심간의 수온차를 관측하거나 추정한다. 해수에서 대부분의 밀도 분포는 수온 구조와 유사한 경우가 많고, 때문에 수온약층의 수심 및 수온차로 성층화를 대표하는 경향이 있다.
- )으로 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 Simpson 등이 제안한 성층화의 크기를 대표하는 식으로부터 일정 수직 구간의 상대적 위치에너지 편차를 표층부터 최대 수심 500m까지 연속적으로 계산하여, 상대적 위치에너지 편차가 가장 큰 수심을 성층의 경계 수심으로, 이때의 위치에너지 편차를 성층의 강도로 정의한다. 계산식은 식 (1)로부터 다음과 같이 정의한다.
- 본 논문에서는 기준수심간격(D )을 원 자료(KODC)의 최소 기록간격인 10m로 하였다. 기준수심간격(D )을 5m로 하였을 경우 상대적 위치에너지의 표층부와 저층부의 포함 범위가 5m 증가하나, 최대 밀도 변화층이 대부분 수심 5m와 495m 사이에 대부분 존재하고, 한반도 주변해역에서의 위치에너지 편자 및 상대적 위치에너지 편차가 큰 변화를 보이지 않았다.
- 기준수심간격(D )을 5m로 하였을 경우 상대적 위치에너지의 표층부와 저층부의 포함 범위가 5m 증가하나, 최대 밀도 변화층이 대부분 수심 5m와 495m 사이에 대부분 존재하고, 한반도 주변해역에서의 위치에너지 편자 및 상대적 위치에너지 편차가 큰 변화를 보이지 않았다. 표층부터 수심 500m까지 1m 간격으로 10m 수직 구간의 상대적인 위치에너지 편차를 구하여 성층화의 크기로 사용하였다. 관측 해역에서 밀도의 공간구조에 따라 등압면이 모두 수직 방향으로 존재하지는 않지만 수직적 기준 간격간의 상대적 밀도차이에 의한 위치에너지 편차를 성층화의 크기로 간주하는데 무리가 없을 것으로 사료된다.
- 본 논문에서 제안된 변형된 상대적 위치에너지 편차식(식 (2))으로 계산된 한반도 근해 성층 경계 수심의 계절적 형성 수심 및 크기 분포를 도시하였다(Fig. 4). 성층 경계 수심 및 성층의 크기 분포로 볼 때, 계절적으로 2월, 4월, 12월의 동계와 6월, 8월 10월의 하계로 확연하게 구분된다.
- 격월별로 산출된 성층의 변동성을 분석하기 위해각 격월별 성층이 가장 강하게 형성되는 수심의 변화를 도시하였다(Fig. 5). 이러한 수심 및 성층의 발달 경향 분석을 통해, 크게 동해와 서/남해로 구분하여, 각 해역의 각 격월별 경향을 살펴보았다.
- 5). 이러한 수심 및 성층의 발달 경향 분석을 통해, 크게 동해와 서/남해로 구분하여, 각 해역의 각 격월별 경향을 살펴보았다. 각 해역의 성층이 가장 강하게 생성되는 수심의 대표 값을 구하기 위해 각 해역에 포함된 관측정점의 최대 밀도 구배 수심을 산술평균하였다.
- 이러한 수심 및 성층의 발달 경향 분석을 통해, 크게 동해와 서/남해로 구분하여, 각 해역의 각 격월별 경향을 살펴보았다. 각 해역의 성층이 가장 강하게 생성되는 수심의 대표 값을 구하기 위해 각 해역에 포함된 관측정점의 최대 밀도 구배 수심을 산술평균하였다.
- 경험적 직교함수 분석(EOF 분석, Empirical Orthogonal Function)을 통해 동해와 서/남해의 성층 경계 수심에서의 성층 강도 변화에 대한 모드 구조를 분석하였다. 첫 번째 EOF 모드에서 계절 변화를 포함한 전체 변동의 약 11%를 설명하며, 대한해협과 동해 연안선을 기준으로 동해와 서/남해의 성층 경계 수심에서의 성층 강도가 서로 반대 위상으로 변동하는 것으로 나타났다(Fig.
- 본 연구에 이용된 자료와 동일한 자료를 이용하여 해수중 밀도 변화 및 분포에 가장 큰 영향을 주는 물성인 수온에 의한 수온약층의 형성 수심과 수온 구배에 대해서 분석하여 밀도구배로 인한 상대적 위치에 너지 편차에 기인한 성층 경계 수심 및 크기와 비교 하였다(Fig. 7).
- 한반도 근해의 성층화 정도 및 변동성을 분석하기 위해 1971년부터 2008년에 이르는 38년간의 KODC 정선관측 자료를 각 격월의 중심에 맞게 모든 관측정 점에서의 시간이 동기화 되도록 재구성하였다. 각 해역의 성층 경계 수심과 성층의 강도를 최대 밀도 구배가 발생하는 수심과, 그 수심에서의 단위 체적 당 상대적 위치에너지 편차로 새롭게 정의하고, 제안된 식을 이용하여 한반도 근해의 성층변화에 대한 계절별 장기 변화 경향을 최초로 기술하였다.
- 한반도 근해의 성층화 정도 및 변동성을 분석하기 위해 1971년부터 2008년에 이르는 38년간의 KODC 정선관측 자료를 각 격월의 중심에 맞게 모든 관측정 점에서의 시간이 동기화 되도록 재구성하였다. 각 해역의 성층 경계 수심과 성층의 강도를 최대 밀도 구배가 발생하는 수심과, 그 수심에서의 단위 체적 당 상대적 위치에너지 편차로 새롭게 정의하고, 제안된 식을 이용하여 한반도 근해의 성층변화에 대한 계절별 장기 변화 경향을 최초로 기술하였다.
- 계절별 및 연도별 성층 경계 수심의 변동과 성층의 강도 변화를 분석하였다. 월별로 성층이 발달하는 수심의 변화 경향 분석을 통해, 동계 동해의 경우 성층의 수심이 깊어지고 있으며, 하계 서/남해의 성층이 강화되고 동계와 하계의 계절적 특성이 강화되고 있는 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 1), 국립수산과학원이 운영하는 KODC(Korean Oceanographic Data Center)를 통해 2010년 현재 2008년까지의 물성 자료를 제공하고 있다. 본 연구에서는 비교적 안정적으로 자료 수집이 이루어진 1971년부터 2008년까지 38년간의 격월 관측 자료를 분석하였으며, 분석에 이용된 자료의 범위와 성격은 Table 1과 같다.
이론/모형
- 염분도 수온과 동일한 방법으로 보정하였고, 주어진 수온과 염분, 수심 값을 이용하여 한반도 주변의 동기화된 밀도 구조를 계산하였다. 밀도 계산식은 1983년 Gill이 제공한 경험식을 이용하였다[3].
성능/효과
- 본 논문에서는 기준수심간격(D )을 원 자료(KODC)의 최소 기록간격인 10m로 하였다. 기준수심간격(D )을 5m로 하였을 경우 상대적 위치에너지의 표층부와 저층부의 포함 범위가 5m 증가하나, 최대 밀도 변화층이 대부분 수심 5m와 495m 사이에 대부분 존재하고, 한반도 주변해역에서의 위치에너지 편자 및 상대적 위치에너지 편차가 큰 변화를 보이지 않았다. 표층부터 수심 500m까지 1m 간격으로 10m 수직 구간의 상대적인 위치에너지 편차를 구하여 성층화의 크기로 사용하였다.
- 수심 전체에 대해 계산된 위치에너지 편차의 분포를 통해 한반도 근해의 성층화의 계절적 변화를 확인할 수 있지만, 해역별 차이의 대부분이 관측 수심에 의한 밀도차에 의해서 발생하므로(수심이 깊을수록 위치에너지 편가가 크게 계산되므로), 식 (1)에 의한 절대 값을 근거로 각 해역을 비교하기는 부적절하다고 판단된다. 따라서 계절적 성층의 강도를 해역별로 상대적으로 비교하기 위해 본 논문에서 제안된 식 (2) 의 결과를 이용해서 성층이 가장 강하게 형성되는 수 심과, 이 수심에서의 상대적 위치에너지 편차를 분석 하는 것이 보다 타당할 것으로 사료된다.
- 수심효과(수심이 깊을수록 위치에너지 편가가 크게 계산되는 효과)를 포함하지 않은 상태의 성층의 강도는 하계 전체적으로 동해가 서/남해 보다 약한 것으로 나타났으며, 이는 실질적인 성층의 강도에 해당한다고 사료된다.
- 경험적 직교함수 분석(EOF 분석, Empirical Orthogonal Function)을 통해 동해와 서/남해의 성층 경계 수심에서의 성층 강도 변화에 대한 모드 구조를 분석하였다. 첫 번째 EOF 모드에서 계절 변화를 포함한 전체 변동의 약 11%를 설명하며, 대한해협과 동해 연안선을 기준으로 동해와 서/남해의 성층 경계 수심에서의 성층 강도가 서로 반대 위상으로 변동하는 것으로 나타났다(Fig. 6).
- 계절별 및 연도별 성층 경계 수심의 변동과 성층의 강도 변화를 분석하였다. 월별로 성층이 발달하는 수심의 변화 경향 분석을 통해, 동계 동해의 경우 성층의 수심이 깊어지고 있으며, 하계 서/남해의 성층이 강화되고 동계와 하계의 계절적 특성이 강화되고 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 그동안 한반도 근해역의 국지적이고 비교적 단기관측 자료를 통해 연구된 성층에 대한 연구결과로는 알 수 없는 계절별 연간 성층의 변동 특성을 이해하는데 중요 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 동계, 동해의 수온약층에서 수온구배가 작아지는 것은 염분 분포 변화와 함께 밀도 변화에 영향을 주고 있음을 의미하며, 동계(2월과 4월) 기온 및 바람의 영향으로, 수온약층의 깊이 변화는 연간 변화가 크지 않을 수 있으나, 수온약층에서의 수온편차가 감소하는 경향을 보이고(Fig. 7b), 상대적 위치에너지의 편차가 가장 큰 수심(밀도약층)에서의 에너지 편차에 큰 변화가 없는 것은 염분의 수직 구배가 성층 깊이를 형성하는데 더욱 중요한 역할을 하고 있다는 해석을 할 수 있다. 동해의 경우, 수온을 수직 평균으로 동일한 상태에서 염분의 수직 분포만으로 밀도의 변화량을 계산하면, 하계의 경우 10%∼20%, 동계의 경우 30%∼40% 위치에너지 편차 변화를 염분의 수직 분포에 의해서 발생하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 동해와 서/남해의 성층 경계 수심에서의 성층 강도 변화의 1 모드 변동 구조가 서로 반대 방향으로 나타나는 것은, 비록 1 모드 변화가 전체 변동량에 비해 크지 않은 부분을 설명하고 있지만, 첫 번째 모드로서 동해와 서/남해의 변동 양상이 반대로 나타난 것은 동해와 서/남해의 성층변화를 연구하는데 있어서 중요한 단서를 제공할 수 있을 것으로 사료된다. 이는 동해와 서/남해의 수심에 따른 위치에너지의 계절 변화에 대한 열에너지 반응 감도에 의한 것으로 생각 되며, 수심이 깊을수록 상대적 위치에너지의 변화가 수심이 낮은 해역에 비해 적으므로 나타나는 현상이라 사료된다.
- 월별로 성층이 발달하는 수심의 변화 경향 분석을 통해, 동계 동해의 경우 성층의 수심이 깊어지고 있으며, 하계 서/남해의 성층이 강화되고 동계와 하계의 계절적 특성이 강화되고 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 그동안 한반도 근해역의 국지적이고 비교적 단기관측 자료를 통해 연구된 성층에 대한 연구결과로는 알 수 없는 계절별 연간 성층의 변동 특성을 이해하는데 중요 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 논문에서 제안된 방법을 이용하여 성층의 정도를 에너지의 양으로 표현하고, 성층화 정도의 정량화를 통해 성층의 상대적 비교와 이해가 보다 용이할 것으로 판단되며, 계절별 성층 경계 수심의 변동과 성층의 크기 변화 및 경향에 대한 정보는 각종 수중/수상 세력에서 운용하는 소나의 계절별, 시기별 효율을 극대화 할 수 있도록, 운용수심을 선정하는데 중요 고려사항으로 적용 가능할 것으로 기대된다.
- 본 논문에서 사용된 자료인 KODC 자료는 비교적 장기간 동안 한반도 근해에 대해 지속적으로 관측을 수행하여 축적되어 있으나, 기본적으로 연간 6회의 격월 간격으로 구성되어있고, 정리되어 있는 자료의 수심 간격이 표준수심의 14개 층으로 제한된다는 제약이 있다. 그러나 1971년부터 38년간 장기간의 자료를 통해 한반도 주변해역의 장주기 변동 경향을 설명하기에는 무리가 없을 것으로 판단 된다.
- 최대 밀도 구배가 형성되는 성층 경계 수심 및그 수심의 변화를 이해하기 위해 각 물성의 역할을 시․공간적 특성 분석이 추가로 필요할 것으로 사료된다.
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