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문제 정의
- (2003)은 경압성분만을 고려하기 위해 각 깊이 별 유속에서 수심평균 유속을 제거하여 조화분해하였다. 본 연구에서는 관측과 동일한 지점에서의 모델 결과를 동일한 방법으로 분석하여 내부조석 존재 여부를 살펴보았다. Fig.
- 본 연구에서는 장기계류된 음향도플러 유속계(acoustic Doppler current profiler, ADCP) 자료를 통해 남해와 대한해협에 내부조석이 발생함을 확인하고, 해류와 조류를 모두 포함시킨 3차원 고해상도 모델을 사용하여 생성되는 내부조석 에너지의 시·공간적 분포 특성을 규명하고자 한다.
제안 방법
- 1에서의 line A). 1999년 관측 자료의 부재로 인해 관측 수온은 1998년 2월 6일과 8월 19일 자료를 사용하여 모델로 계산된 2월과 8월의 월평균 수온과 비교하였다(Fig. 3). 관측 자료의 여름철 수온 자료를 살펴보면 동경 129.
- Fig. 5에 따르면 대륙붕단역에서 발생한 내부조석은 8월에 북위 35.2º까지 유입되는 것으로 보아 NRL의 ADCP 관측정점 중 N1~N6 정점과 C1정점까지 영향을 줄 수 있을 것으로 추정되어 이 정점들에서 내부조석 존재 여부를 분석하였다.
- 2006)를 이용하였다. NRL은 대한해협을 가로지르는 2개의 측선을 따라 13개 정점을 선정하여 해저면 계류 ADCP를 이용하여 해류와 해수압을 장기간 측정하였다(Fig. 1). N2~N6와 S1~S6 정점에서는 1999년 10월 회수 및 재투입을 통해 1999년 5월부터 2000년 3월까지 약 10개월의 연속관측이 수행되었다.
- 모델에 입력된 수심자료는 30초 간격의 한국해양과학기술원 수심자료를 이용하였다(서 2008). 격자 간 수심이 급격히 변화하는 해역에서는 변화율을 줄이기 위해 수심 평활화(smoothing) 과정을 거쳤으며, 최소 수심은 2 m로 고정하였다. 수직 확산계수 계산은 남해와 같은 천해역에 적합한 Mellor-Yamada 난류확산 모형(Mellor and Yamada 1982)을 이용하여 계산하였다.
- 모델결과를 검증하기 위해 모델에 의해 계산된 조석과 조류를 관측 값과 비교하였다. 관측된 13개 정점 중 1999년 10월부터 관측된 C1 정점을 제외한 12개 정점과 동일한 지점의 조위 값을 조화 분해하여 주요 4대 분조의 진폭과 위상을 비교하였다(Table 2, 3). 분석된 진폭의 단위는 cm이고, 위상은 그리니치 자오선을 기준으로 분석하였다.
- 다음으로 모델이 계절별 성층을 잘 재현하는가를 판단하기 위하여 국립수산과학원이 대한해협 동부에 위치한 208 정선에서 관측한 수온 자료와 모델이 재현한 수온의 연직 분포를 비교하였다(Fig. 1에서의 line A). 1999년 관측 자료의 부재로 인해 관측 수온은 1998년 2월 6일과 8월 19일 자료를 사용하여 모델로 계산된 2월과 8월의 월평균 수온과 비교하였다(Fig.
- 모델 검증 결과 본 모델이 연구영역의 조류와 성층을 잘 재현하고 있어 모델결과를 이용하여 연구영역에서 생성되는 내부조석 에너지의 시·공간적 분포 특성을 정량적으로 파악하였다.
- 모델에 계산된 내부조석과 조류 관측 결과를 비교하기 위해 1999년 5월부터 2000년 3월까지의 ADCP 관측 자료 중 여름과 겨울철을 대표하는 1999년 8월과 2000년 2월 유속 값을 깊이 별로 조화 분해하여 연직 구조를 서로 비교하였다. Kurapov et al.
- 이 모델에 쓰인 자료에는 M2, S2, O1, K1, N2, K2, P1, Q1의 8대 분조와 장주기 분조인 Mm, Mf 가 포함되어 있다. 모델은 안정화를 위해 월평균된 기후 자료를 사용하여 5년간 시간 적분 하였으며, 이 후 1999년~2000년까지 2년간 실시간 과거재현(hindcast) 모델링을 수행하였다.
- 수평적으로 346 × 551의 격자로 설정하였고 격자 간격은 1/108º로 약 1 km의 공간 해상도를 가진다. 수직적으로는 S-좌표계(stretched terrain-following coordinate)를 사용하며 총 20개 층으로 설정하였다. 모델에 입력된 수심자료는 30초 간격의 한국해양과학기술원 수심자료를 이용하였다(서 2008).
- 연구에서는 해류와 조류를 모두 포함시킨 3차원 고해상도 모형을 사용하여 대한해협 부근에서 생성되는 내부조석 에너지의 시·공간적 분포를 파악하였다.
대상 데이터
- 해표면에서의 대기 강제력은 1/2º 간격의 유럽중기예보센터(European Centre for Medium-Range Weather Forecast, ECMWF)에서 제공하는 1999~2008년 예보자료를 12시간 간격으로 내삽하여 사용하였다. 남해연안에서 염분 분포에 영향을 미치는 영산강과 낙동강의 유입은 국가수자원관리 종합정보시스템(http://www.wamis.go.kr)의 1999년부터 2008년까지 10년 월평균 자료를 이용하여 고려하였다. 각 강물의 수온은 이(2007)의 관측 값을 사용하였고, 염분은 연중 0으로 고정하였다.
- 모델 개방 경계에서의 유속, 수온 및 염분은 큐슈대학의 1/15º 해상도의 실시간 동해 모델링 결과 중 1999년부터 2000년까지의 자료를 월 평균하여 사용하였다.
- 모델 영역은 남해와 대한해협, 동해 남부해역을 포함하는 북위 33.3~36.5º, 동경 126.9~132º로 설정하였다(Fig. 1).
- 수직적으로는 S-좌표계(stretched terrain-following coordinate)를 사용하며 총 20개 층으로 설정하였다. 모델에 입력된 수심자료는 30초 간격의 한국해양과학기술원 수심자료를 이용하였다(서 2008). 격자 간 수심이 급격히 변화하는 해역에서는 변화율을 줄이기 위해 수심 평활화(smoothing) 과정을 거쳤으며, 최소 수심은 2 m로 고정하였다.
- 모델에서 이용된 조석자료는 오레곤대학에서 제공한 1/12º 간격의 조석 모델결과(OTIS Regional Tidal Solutions) 자료를 모델영역에 맞게 내삽하였다.
- 본 연구에서는 모델이 재현한 조석의 검증을 위하여 미국 해군 연구소(U.S Naval Research Laboratory, NRL)에서 “Link ages of Asian Marginal Seas(LINKS)” 프로그램의 일환으로 실시한 대한해협 정점관측으로부터 얻어진 자료(Teague et al. 2006)를 이용하였다.
- 모델에서 이용된 조석자료는 오레곤대학에서 제공한 1/12º 간격의 조석 모델결과(OTIS Regional Tidal Solutions) 자료를 모델영역에 맞게 내삽하였다. 이 모델에 쓰인 자료에는 M2, S2, O1, K1, N2, K2, P1, Q1의 8대 분조와 장주기 분조인 Mm, Mf 가 포함되어 있다. 모델은 안정화를 위해 월평균된 기후 자료를 사용하여 5년간 시간 적분 하였으며, 이 후 1999년~2000년까지 2년간 실시간 과거재현(hindcast) 모델링을 수행하였다.
- 2001)를 비교한 그림이다. 총 13개의 정점 중 Teague et al. (2001)에서 제시한 11개의 정점에서의 1999년 5월부터 10월까지 유속 시계열 자료를 조화 분석하여 비교하였다. 모델에 의해 재현된 주요 4대 분조의 조류타원은 S6 정점을 제외하고 거의 모든 정점에서 관측과 거의 일치하였다.
- 해표면에서의 대기 강제력은 1/2º 간격의 유럽중기예보센터(European Centre for Medium-Range Weather Forecast, ECMWF)에서 제공하는 1999~2008년 예보자료를 12시간 간격으로 내삽하여 사용하였다.
데이터처리
- 모델결과를 검증하기 위해 모델에 의해 계산된 조석과 조류를 관측 값과 비교하였다. 관측된 13개 정점 중 1999년 10월부터 관측된 C1 정점을 제외한 12개 정점과 동일한 지점의 조위 값을 조화 분해하여 주요 4대 분조의 진폭과 위상을 비교하였다(Table 2, 3).
이론/모형
- 개방 경계 조건으로 해수면 변위는 Chapman (1985) 조건을, 수심평균된 2차원 유속은 Flather (1976) 방사(radiation) 경계조건을 사용하였다. 3차원 유속, 수온 및 염분은 Marchesiello et al. (2001)의 방사경계조건을 사용하여 계산하였다. 수온과 염분의 경우에는 방사경계조건과 더불어 관측 값을 복원 입력(nudging)하는 방법으로 모델 결과를 보정하며 복원시간 간격은 1일이다.
- 기존에 수행된 남해를 포함한 해역에 대한 수치모델 연구들(Fang 1986; 최 등 1994)은 조석 및 조류의 재현에 초점을 두었다. Book et al. (2004)은 Griffin and Thompson (1996)이 개발한 순압(barotropic) 자료동화 2차원 조석 모델을 이용해 남해 및 대한해협의 조류와 조위를 계산하였다. 하지만 경압(baroclinic)성분은 고려하지 않고 순압성분만을 고려하였기 때문에 내부조석의 존재를 확인할 수 없었다.
- 개방 경계 조건으로 해수면 변위는 Chapman (1985) 조건을, 수심평균된 2차원 유속은 Flather (1976) 방사(radiation) 경계조건을 사용하였다. 3차원 유속, 수온 및 염분은 Marchesiello et al.
- 수직 확산계수 계산은 남해와 같은 천해역에 적합한 Mellor-Yamada 난류확산 모형(Mellor and Yamada 1982)을 이용하여 계산하였다. 난류와동 점성계수는 모델의 격자 크기와 수평적인 전단속도가 비례하는 Smagorinsky (1963)의 수식을 이용하여 계산하였다. 해표면에서의 열속(heat flux)는 Fairall et al.
- 모델 검증 결과 본 모델이 연구영역의 조류와 성층을 잘 재현하고 있어 모델결과를 이용하여 연구영역에서 생성되는 내부조석 에너지의 시·공간적 분포 특성을 정량적으로 파악하였다. 내부조석 에너지의 분포를 계산하기 위해서 외부 조석(barotropic tide)에서 내부조석 에너지로 변환되는 양(barotropic-to-baroclinic energy conversion rate, Ebt2bc)을 Niwa and Hibiya (2004)에서 제시된 다음의 식으로 계산한다.
- 는 수심평균된 유속이다. 생성된 내부조석의 전파는 수심적분된 경압성분의 에너지 플럭스(Ebc)을 이용하여 계산한다(Niwa and Hibiya 2004).
- 격자 간 수심이 급격히 변화하는 해역에서는 변화율을 줄이기 위해 수심 평활화(smoothing) 과정을 거쳤으며, 최소 수심은 2 m로 고정하였다. 수직 확산계수 계산은 남해와 같은 천해역에 적합한 Mellor-Yamada 난류확산 모형(Mellor and Yamada 1982)을 이용하여 계산하였다. 난류와동 점성계수는 모델의 격자 크기와 수평적인 전단속도가 비례하는 Smagorinsky (1963)의 수식을 이용하여 계산하였다.
- 연구에 사용된 3차원 해양 순환 모델은 Regional Ocean Modeling System(ROMS-version 3.4)이다. 모델 영역은 남해와 대한해협, 동해 남부해역을 포함하는 북위 33.
- 난류와동 점성계수는 모델의 격자 크기와 수평적인 전단속도가 비례하는 Smagorinsky (1963)의 수식을 이용하여 계산하였다. 해표면에서의 열속(heat flux)는 Fairall et al. (1996)의 Bulk 식에 의해 계산된다.
성능/효과
- 7은 여름과 겨울철을 대표하는 1999년 8월과 2000년 2월 유속 값을 수심평균 유속을 제거하여 깊이별로 조화 분해하여 구한 조류 타원이다. 관측과 모델을 비교한 결과 겨울철에 비해 성층이 강화되는 여름철에 내부 조석의 특징이 더 뚜렷하게 존재하는 것을 확인할 수 있다. 2월의 경우에는 관측과 모델 모두 상하층 조류타원의 크기 차이가 거의 없는 분포를 보여준다.
- 2°까지 전파되는 것으로 나타났으며 상대적으로 성층이 강하게 형성되는 8월의 경우에 대한 해협으로의 유입이 상대적으로 우세해지는 것을 확인하였다. 또한 대한 해협 서수도에서는 또 다른 내부조석의 생성지가 확인되었는데, 상대적으로 수심의 변화가 크고 200 m 이상의 깊은 골 지형의 사면에서 내부조석이 발생하여 우리나라 연안 쪽으로 에너지가 전파되는 것으로 나타났다. 대한해협 서수도에서의 내부조석 생성은 8월에 우세하게 나타나고 2월에도 아주 미약하지만 여전히 존재한다.
- 또한 대한해협으로 에너지 전파도 다소 증가하여 최대 북위 35.2º까지 전파하는 것을 확인할 수 있다.
- 모델 계산 결과 대한해협의 대륙붕단역에서 생성된 내부조석 에너지는 동해 내부로의 전파(Park and Watts 2006) 뿐 만 아니라 대한해협 북위 35.2°까지 전파되는 것으로 나타났으며 상대적으로 성층이 강하게 형성되는 8월의 경우에 대한 해협으로의 유입이 상대적으로 우세해지는 것을 확인하였다.
- 연구에서는 해류와 조류를 모두 포함시킨 3차원 고해상도 모형을 사용하여 대한해협 부근에서 생성되는 내부조석 에너지의 시·공간적 분포를 파악하였다. 수치실험 결과 여름철이 겨울철보다 약 2배 이상의 내부조석 에너지가 생성되었고 수심이 급격히 변하고 순압조석이 우세하며 조류 타원의 주축방향이 등수심선을 가로지는 해역에서 내부조석이 효과적으로 생성되었다.
후속연구
- 성층이 약화되는 2월의 경우 여름철에 생성되는 내부조석 에너지에 비해 적은 양이 생성되지만 대한해협 저층냉수의 유입으로 지역적 성층화가 강화되어 여전히 내부조석이 생성되었다. 그러나 대한해협 서수도의 깊은 골에서 발생하는 내부조석의 경우에는 향후 추가 관측과 보다 정밀한 격자망의 모델링을 통해 존재 여부 및 발생 기작을 확인해야 할 것으로 사료된다. 만약 대한해협 서수도에서 내부조석이 발생하여 그 에너지가 남해 연안까지 영향을 미친다면 남해 연안 용승 및 해양 혼합 등의 현상과 관련하여 의미 있는 연구가 될 것으로 생각된다.
- 그러나 대한해협 서수도의 깊은 골에서 발생하는 내부조석의 경우에는 향후 추가 관측과 보다 정밀한 격자망의 모델링을 통해 존재 여부 및 발생 기작을 확인해야 할 것으로 사료된다. 만약 대한해협 서수도에서 내부조석이 발생하여 그 에너지가 남해 연안까지 영향을 미친다면 남해 연안 용승 및 해양 혼합 등의 현상과 관련하여 의미 있는 연구가 될 것으로 생각된다.
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