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문제 정의
- 해수면 고도나 수온 염분의 동화가 모형 결과에 미치는 영향을 정확이 평가하려면 민감도 실험을 수행해야 한다. 본 연구의 목적은 자료동화를 얻어진 결과를 검증하는 것이기 때문에, 여기서 동화된 각 변수가 모형결과에 미치는 영향에 대한 분석은 수행하지 않았다. 하지만 민감도 분석은 추후에 수행되어야 할 중요한 연구주제이다.
제안 방법
- ADCP와 HYCOM 모두 수심 20 m에서 변동성이 가장 크게 나타나므로 이 깊이에서 유속의 수평분포를 비교하였다. 수심 20 m에서 월별 평균된 유속 벡터를 Fig.
- Fig. 1에 표시된 ADCP 관측선에서 수심별로(20, 50, 75 m) ADCP와 HYCOM 자료의 월별 유속을 관측선과 평행한 방향의 유속 성분(이하 Ut)과 관측선에 수직 방향 유속 성분(이하 Vt)으로 나누어 산점도를 이용하여 비교하고 회귀 직선을 함께 표시하였다(Fig. 5).
- 수송량 계산에서 관측되지 않은 영역에 대한 계산을 위해서 표층 14 m 범위의 수송량은 바로 아래의 유속이 관측된 첫 번째 층의 유속과 같은 유속으로 고려하여 수송량에 포함하였고, 바닥의 수송량은 ADCP 관측의 최하층과 실제 수심과의 차이가 ADCP의 수직관측간격(8 m)의 절반보다 큰 경우(difference > 4 m)에는 그 차이만큼을 바로 위층인 유속이 관측된 마지막 층의 유속과 같은 유속으로 계산하여 수송량에 포함하였고, 관측의 최하층과 실제 수심과의 차이가 ADCP의 수직관측간격의 절반보다 작거나 같은 경우(difference ≤ 4 m)에는 수송량 계산에서 제외하였다.
- 수송량은 ADCP 자료에서는 관측선에 수직방향 유속을 이용 하여 계산하였고, HYCOM에서는 위도 34.7º에서의 남북 방향 유속을 이용하여 서수도, 즉 대한민국과 쓰시마섬 사이의 수송량을, 위도 34.1º에서의 남북방향 유속을 이용하여 동수도, 즉 쓰시마섬과 일본 사이의 수송량을 계산하였다.
- 이 연구에서는 HYCOM 결과를 대한해협을 주기적으로 왕복 횡단하는 여객선으로부터 얻어진 acoustic Doppler current profiler(ADCP) 유속 관측 자료와 정선 관측된 수온, 염분 자료와 비교하여 검증하였고, 관측 및 모델 결과를 이용하여 대한해협 해류의 시 · 공간적 변화 특성을 파악하였다.
- 자료 동화된 전 지구 규모 고해상도 해양예보모델인 HYCOM이 재현한 쓰시마난류의 특성을 2005년부터 2010년까지 부산과 일본 하카다를 왕복하며 얻은 ADCP 관측자료와 비교하여 검증하였다. HYCOM에서 재현한 쓰시마난류의 수송량과 유속분포는 평균과 계절변화 모두 전반적으로 관측과 유사하다.
대상 데이터
- 1º에서의 남북방향 유속을 이용하여 동수도, 즉 쓰시마섬과 일본 사이의 수송량을 계산하였다. HYCOM 자료의 경우 이미 수직적으로 재격자화된 자료이므로 ADCP 관측선에 맞춰 수평적으로 다시 재격자화 할 경우 오류가 생길 수 있기 때문에 수송량 계산시에는 자료의 손실을 줄이기 위해 획득한 원본 자료를 이용하였다. ADCP 관측선은 쓰시마섬을 가로지르지 않기 때문에 ADCP자료에서 서수도와 동수도를 명확하게 나누는 것은 불가능하다.
- HYCOM에서 나타나는 계절별 쓰시마난류의 수온과 염분을 국립수산과학원(National Fisheries Research and Development Institute, NFRDI) 해양자료센터(Korea Oceanographic Data center, KODC)에서 온라인을 통하여 제공하는 정선해양관측 자료(2005~2010)와 Fig. 9와 Fig. 10에서 비교하였다. 비교 정점은 대한해협을 통과하는 쓰시마난류가 동해로 유입되는 부분인 208, 209 정선(Fig.
- 하지만 제공되는 자료의 수직 좌표는 원시좌표가 아니라, 32개 층의 Levitus 표준 수심이다(Levitus 1982). 바람응력, 바람세기, 열 수지, 강우 등 표층 외력은 Navy Operational Global Atmosphere Prediction System(NOGAPS)의 자료가 사용되었다.
- 본 연구에 이용된 모델 자료는 Navy Coupled Ocean Data Assimilation(NCODA)가 적용된 HYCOM(Chassignet et al. 2007)을 이용한 전 지구 규모의 실시간 해황 예보 시스템의 결과이다. 원시방정식을 사용하는 HYCOM은 수평방향으로는 해상도가 1/12º인 Arakawa C 격자를 사용하며, 수직방향으로는 이름이 나타내듯 혼성격자를 사용한다.
- 본 연구에서는 2005년부터 2010년까지 부산-하카타를 주 6~7회 약 21 knot로 운행한 뉴카멜리아호에 장착된 ADCP를 통하여 얻은 유속자료가 사용되었다. 선박의 바닥에 설치된 장비는 Multilevel ADCP(VMBBADCP, 300 kHz, RD Instruments)로 표층부터 수심 14 m 사이의 자료는 획득되지 않았다.
- 10에서 비교하였다. 비교 정점은 대한해협을 통과하는 쓰시마난류가 동해로 유입되는 부분인 208, 209 정선(Fig. 1)이다. 관측결과와 비교하여 모형이 재현한 수온은 전반적으로 약 2ºC 정도, 염분은 약 0.
- 8으로 개선된 자료를 제공한다. 우리는 OPeNDAP(www.opendap.rog)을 이용하여 대한해협 영역의 일 간격 자료를 획득하여 분석하였다. 자료 분석에서는 대한해협 ADCP 관측 자료와 동일한 시기인 2005년부터 2010년까지의 월 평균 자료를 이용하였다.
- rog)을 이용하여 대한해협 영역의 일 간격 자료를 획득하여 분석하였다. 자료 분석에서는 대한해협 ADCP 관측 자료와 동일한 시기인 2005년부터 2010년까지의 월 평균 자료를 이용하였다.
- 평균해류에 대한 분석이 이 연구의 목적이기 때문에 조화 분석을 통하여 Takikawa et al. (2003)의 10개의 분조(Q1, O1, P1, K1, N2, M2, S2, K2, Msf, 그리고 Mf) 이외에도 추가적으로 4개 분조(µ2, NO1, φ1, 그리고 J1)를 제거한 자료(Ostrovskii et al. 2009; Fukudome et al. 2010)를 분석에 사용하였다.
데이터처리
- ADCP와 HYCOM 모두 수심 20 m에서 변동성이 가장 크게 나타나므로 이 깊이에서 유속의 수평분포를 비교하였다. 수심 20 m에서 월별 평균된 유속 벡터를 Fig. 7에 나타내었고, 유속의 시간변화를 파악하기 위하여 주성분 분석(Principal component analysis)을 수행하고 그 결과를 타원으로 Fig. 8에 나타내었다.
이론/모형
- ADCP 관측선은 쓰시마섬을 가로지르지 않기 때문에 ADCP자료에서 서수도와 동수도를 명확하게 나누는 것은 불가능하다. 여기에서는 Fukudome et al. (2010)에서 수행한 방법과 동일하게 쓰시마섬에서 가장 가까운 점을 찾고, 이 점과 대한민국 사이는 서수도로, 이 점과 일본 사이는 동수도로 정의하여 수송량을 구하였다. 기준점을 ADCP 관측선을 따라 수 km 변경하면 동수와 서수도 수송량이 5% 미만으로 약간 변하지만 다음에 기술하는 전체적인 경향에는 영향을 미치지 않았다.
성능/효과
- 4). HYCOM 결과로부터 계산된 동기간 제주해협의 수송량과 서수도의 수송량은 평균적으로 약 1 Sv 차이가 나지만 그 변화 폭은 0.8~1 Sv로 비슷하며 상관관계도 0.89로 높게 나타난다. 반면 동수도도 수송량의 변화 폭은 비슷하지만 상관관계는 0.
- 관측결과와 비교하여 모형이 재현한 수온은 전반적으로 약 2ºC 정도, 염분은 약 0.3 psu 정도 차이가 났다.
- 하지만 민감도 분석은 추후에 수행되어야 할 중요한 연구주제이다. 국립수산과학원 정선 관측자료와의 비교하여 HYCOM 결과가 대한해협 동쪽에서 수온과 염분의 계절적 변동성도 잘 재현함을 파악하였다. 하지만 모형이 재현한 절대값은 수온은 2ºC, 염분은 0.
- 두 자료 모두에서 유량은 겨울에 최소가 된 후 여름까지 서서히 증가하여 늦여름에 최대가 되었다가 겨울철로 접어들면서 다시 줄어드는 매우 유사한 특징을 보인다. 그리고 두 자료에서 6년 기간동안의 월별 시계열 상관관계는 매우 높게 나타났다(Fig. 3, 상관계 수는 0.82이며 95% 신뢰수준 값은 0.73이다).
- HYCOM에서 재현한 쓰시마난류의 수송량과 유속분포는 평균과 계절변화 모두 전반적으로 관측과 유사하다. 동수도와 서수도에서 수도의 가운데 수심이 깊은 지점 부근에서 수도를 따라 북동쪽으로, 즉 동해로 유입되는 빠른 흐름 나타났다. 하지만, HYCOM 결과 분석에 있어 결과는 원시자료 형태가 아닌 Levitus 표준 수심으로 제공되기 때문에, 분석 시 발생할 수 있는 저층에서의 깊이 차이나 실제 지형 등 깊이에 따른 제약이 있다.
- 6에 나타내었다. 두 자료 모두 겨울에서 봄까지는 순압(barotropic) 구조, 즉 수심에 따른 변화가 적은 구조를 보이고, 여름에는 상층에서는 강하고 하층에서는 약한 경압(baroclinc) 구조를 갖는 쓰시마난류의 특성이 잘 나타난다. 대한민국 연안에서부터 서수도 중심까지는 양의 값(북동향), 서수도의 끝부분인 쓰시마섬 오른쪽에서는 음의 값(남서향), 동수도 중심부에서는 양의 값, 일본 연안에서 약한 음의 값이 나타난다.
- 그리고 1/12° 격자의 모형이 대한해협이나 남해의 복잡한 지형 및 외력을 세세하게 모의하지는 못하기 때문에 그러한 부분에서는 관측과 차이를 보이는 것으로 판단된다. 따라서 전체적인 흐름의 양은 유사하지만 각 지점에서의 유속의 세기나 방향에는 약간의 차이가 나타났고, 차이가 가장 크게 나타나는 부분이 쓰시마섬 동쪽의 반류, 부산근처의 연안류, 대한해협 서수도 골에 나타나는 남향류 등이다.
- 또한 주성분 분석을 결과에서는 두 자료 모두 대부분의 계절에서 그 유속의 변동성은 수로의 가운데 부분에서 크게 나타난다. 하지만 ADCP에 비해 HYCOM의 변동성이 흐름의 주축방향으로 좁고 긴 형태로 나타난다.
후속연구
- 따라서 HYCOM 결과를 이 해역에 적용할 때에는 이런 모형의 한계점을 고려하여야 한다. HYCOM 결과가 재현한 남해 및 동중국해의 순환에 대한 자세한 분석 결과는 추후에 보고할 예정이다.
- HYCOM이 쓰시마난류의 특성을 잘 재현한다는 점을 감안할 때, HYCOM 결과를 이용하여 대한해협과 주변해역의 순환특성을 파악할 수 있을 것으로 예상된다. 2005년부터 2012년 사이 HYCOM이 재현한 대한해협을 포함하는 남해역(동중국해 북부해역)의 계절별 해수면수온과 염분 및 표층 흐름을 계절별로 Fig.
- 대한해협의 각 수도가 가지는 지형적 특성으로 인한 흐름의 영향과 주변 해역과의 시·공간적 상호 관계 등을 수치모델링으로 파악하기 위해서는 쓰시마섬과 그 주변 지형이 자세히 포함된 고해상도 격자와 정확도 높은 개방경계조건을 필요로 할 것이다.
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