본 연구는 한국 남해 연안에서 하계에 상습적으로 발생하는 유해적조생물의 이동과 확산에 관하여 파악하는 것이다. 먼저 3차원해수유동모델(POM)을 이용하여 조석의 효과, 수온 염분, 바람 효과 및 쓰시마난류를 고려한 잔차류를 계산하였다. 잔차류에 의해 부유 이동하는 적조생물의 시간에 따른 공간적인 분포를 파악하기 위하여 국립수산과학원의 적조속보 자료를 이용하여 한국 남해안에서 유해적조의 최다 발생한 3개 지역 가막만(Case 1), 미조연안(Case 2), 미륵도연안(Case 3)을 선정하여 적조발생을 유형별로 수치실험을 하였다. 가막만 남부해역에서 적조가 발생한 경우(Case 1)는 발생지점으로부터 서쪽에 위치한 나로도주변해역과 여자만으로 주로 이동 확산하였다. 미조연안에서 적조가 발생한 경우(Case 2)는 발생해역의 북동측에 위치한 해역으로 입자들이 주로 이동하는 것으로 나타났다. 그리고 미륵도 주변해역에서 입자가 발생한 경우(Case 3)는 욕지도주변해역과 자란만-사량도 주변해역에서 가장 많이 분포하였다. 특히 Case 3의 경우 확산된 입자가 연구 해역의 남동쪽에서 북동향하여 진행하는 쓰시마 난류의 영향을 받아 거제도 남부와 동부해역에 분포하는 현상을 볼 수 있다.
본 연구는 한국 남해 연안에서 하계에 상습적으로 발생하는 유해적조생물의 이동과 확산에 관하여 파악하는 것이다. 먼저 3차원 해수유동모델(POM)을 이용하여 조석의 효과, 수온 염분, 바람 효과 및 쓰시마난류를 고려한 잔차류를 계산하였다. 잔차류에 의해 부유 이동하는 적조생물의 시간에 따른 공간적인 분포를 파악하기 위하여 국립수산과학원의 적조속보 자료를 이용하여 한국 남해안에서 유해적조의 최다 발생한 3개 지역 가막만(Case 1), 미조연안(Case 2), 미륵도연안(Case 3)을 선정하여 적조발생을 유형별로 수치실험을 하였다. 가막만 남부해역에서 적조가 발생한 경우(Case 1)는 발생지점으로부터 서쪽에 위치한 나로도주변해역과 여자만으로 주로 이동 확산하였다. 미조연안에서 적조가 발생한 경우(Case 2)는 발생해역의 북동측에 위치한 해역으로 입자들이 주로 이동하는 것으로 나타났다. 그리고 미륵도 주변해역에서 입자가 발생한 경우(Case 3)는 욕지도주변해역과 자란만-사량도 주변해역에서 가장 많이 분포하였다. 특히 Case 3의 경우 확산된 입자가 연구 해역의 남동쪽에서 북동향하여 진행하는 쓰시마 난류의 영향을 받아 거제도 남부와 동부해역에 분포하는 현상을 볼 수 있다.
To understand the drift-diffusion of HAB(Harmful Algal Bloom) in this paper, we used three-dimensional hydrodynamic model POM(Pringceton Ocean Model) and Lagrangian particle track module. First, the results of residual flow that considered tide, wind, temperature, salinity, and TWC(Tsushima Warm Cur...
To understand the drift-diffusion of HAB(Harmful Algal Bloom) in this paper, we used three-dimensional hydrodynamic model POM(Pringceton Ocean Model) and Lagrangian particle track module. First, the results of residual flow that considered tide, wind, temperature, salinity, and TWC(Tsushima Warm Current) effect was tend to northeast in the coastal area and the flow in the offshore region showed results similar to TWC. To understand of HAB's movement, released each area that southern Kamak bay(Case 1), Mijo coast(Case 2), and southern Mireukdo coast(Case 3) assumption that red tide occurred. The areas where the HAB occurs frequently. As a result of HAB occurred in southern Kamak Bay(Case 1), mainly drifts to Narodo coast and Yeoja bay that located on the west side. Case 2 was mainly drifts to Yokjido coast and Saryangdo coast Especially, HAB occurred in Mireukdo coast(Case 3) relatively many particles drift to eastward as the influence of the TWC.
To understand the drift-diffusion of HAB(Harmful Algal Bloom) in this paper, we used three-dimensional hydrodynamic model POM(Pringceton Ocean Model) and Lagrangian particle track module. First, the results of residual flow that considered tide, wind, temperature, salinity, and TWC(Tsushima Warm Current) effect was tend to northeast in the coastal area and the flow in the offshore region showed results similar to TWC. To understand of HAB's movement, released each area that southern Kamak bay(Case 1), Mijo coast(Case 2), and southern Mireukdo coast(Case 3) assumption that red tide occurred. The areas where the HAB occurs frequently. As a result of HAB occurred in southern Kamak Bay(Case 1), mainly drifts to Narodo coast and Yeoja bay that located on the west side. Case 2 was mainly drifts to Yokjido coast and Saryangdo coast Especially, HAB occurred in Mireukdo coast(Case 3) relatively many particles drift to eastward as the influence of the TWC.
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문제 정의
본 연구에서는 한국 남해안에서 물리적인 환경요인을 고려한 적조 생물을 직접적으로 수송하는 해수유동을 파악하기 위해 해수 유동 모델을 구축하였다. 또한 실제 적조생물에 의해 큰 피해를 입는 해역이 다양하게 발생하기 때문에 피해가 큰 해역을 대상으로 blooming이 크게 발생할 경우 주변해역으로 어떻게 이동·확산되는지 알아보고자 입자 추적자 모델을 이용하여 시간 변화에 따른 적조의 공간적인 분포를 파악하였다.
가설 설정
연구해역을 정방 10 km 간격으로 분할(가로15×세로9)하였고, 격자 1개의 입자가 포함되면 그 격자에서 C. polykrikoides 의 농도가 15 cell/ml3 로 가정하였다.
제안 방법
연직 방향의 σ-layer 개수는 총 6개로 표층에서 저층까지 동일한 간격으로 한다. 계산의 시간간격은 CFL 조건(∆t=#)을 고려하여 external time step은 2초, internal time step은 15초로 총 30일을 계산하여 최종 15일의 유동결과를 이용하였다.
남해의 조류를 재현하기 위해 운동방정식과 정수압방정식이 사용되었으며, 외곽경계에서 해면변위를 매 time step 마다 변화를 주어 조류를 재현하였다. 조류계산시 개방경계의 조화상수는 한국해양조사원 검조소의 4대분조(M2, S2, K1 및 O1)(KORDI, 1996)를 이용하였다.
따라서 적조발생해역에서 시간에 따라 총 발생된 양 중각 해역별로 몇 %의 입자가 잔류하는지를 산정하였다(Table 1).
또한 실제 적조생물에 의해 큰 피해를 입는 해역이 다양하게 발생하기 때문에 피해가 큰 해역을 대상으로 blooming이 크게 발생할 경우 주변해역으로 어떻게 이동·확산되는지 알아보고자 입자 추적자 모델을 이용하여 시간 변화에 따른 적조의 공간적인 분포를 파악하였다.
또한 한국 남해안의 해류에 큰 영향을 미치는 쓰시마 난류의 유량을 적용하였다. Teague et al.
또한 확산된 입자를 counting 하기 위하여 발생된 총 입자에 대해 시간에 따른 14개로 나눈 구역(Fig. 2)별 잔류량을 파악하였다.
1). 수치해도상의 수심자료를 보간하여 모델 격자의 수심으로 사용하였다.
물질 확산에 관한 문제는 일반적으로 확산방정식을 수치적으로 풀이하여 근사 값을 구하는 방법 외에 입자의 움직임이 임의행보(random walk)한다는 가정 하에 수립된 Monte Carlo 방법이 있다. 이러한 입자추적방법은 현상을 손쉽게 재현할 수 있다는 장점이 있고, 결과의 분석이 용이하기에 유해 적조생물의 추적에 이용하였다(식1).
이러한 점을 고려하여 하계 쓰시마난류 3.0 Sv 의 약 30 %인 0.9 Sv을 연구해역의 남측 경계에 유입(경도 128.2º~129.0º)되고 동쪽경계(위도 34.3º~35.0º)로 유출되도록 임의로 적용하였다.
입자추적법을 이용한 수치실험의 결과를 이용하여 적조주의보 발령 가능한 범위를 파악하였다(Fig. 8).
또한 한국 남해안에서 밀도류를 재현하기 위해 운동방정식과 정수압방정식, 열염 확산방정식을 사용한다(Bae, 2011). 초기 외곽경계의 해면변위는 없는 것으로 계산하고, 수온과 염분(연안정지자료와 정선관측자료)을 초기분포로 입력하였으며, 남쪽의 외곽경계에서 쓰시마난류가 유입(Teague et al., 2003)되는 것으로 하여 계산한다. 밀도류 계산시 조류와 취송류의 강제력인 조화상수에 의한 외곽 해면 변위의 변화와 표면 장력에 의한 wind stress는 주지 않았다.
한국해양연구소에서 조사한 Fig. 1 에 표시된 거제도 남동쪽에 위치한 St. 1 해역의 층별 조류관측자료 과 모델결과의 유동을 조류타원도를 이용하여 비교하였다(Fig. 4). 조류타원도는 M2분조의 장축 35.
대상 데이터
하지만 우리나라의 해상 및 육상 관측소는 연구해역을 커버하기에 부족함이 있다. 공간해상도가 떨어지긴 하나 넓은 연구해역을 포괄할 수 있는 평균 바람장을 적용하기 위해 NOAA NCEP 바람자료로 7년간(2002~2008) 8월의 평균 풍향 및 풍속(4.6 m/s, 남풍)을 이용하였다.
국립수산과학원의 7년간(2002~2008) 하계 7월과 8월의 C. polykrikoides 적조속보자료를 이용하여 적조발생 후 영향이 있는 해역 중 내만과 근해역을 14개 해역으로 구분하였다. 또한 한국 남해안에서 유해적조생물의 발생일수가 최대빈도로 나타난 3개 해역(Case1: 가막만 ④ in Fig.
또한 한국 남해안에서 유해적조생물의 발생일수가 최대빈도로 나타난 3개 해역(Case1: 가막만 ④ in Fig. 2, Case2 : 남해 미조 ⑥ in Fig. 2, Case3 : 통영 미륵도 남부 ⑩ in Fig. 2)을 적조생물의 발생시킬 위치로 선정하였다.
0 Sv (Sv=106 m3 sec-1) 로 제시되어 있다. 본 연구에서 연구해역의 동측 해역은 수심이 비교적 얕은 해역을 포함하고 있다. 또한 쓰시마 난류의 주 흐름은 대마도 동수도를 따라 강하게 흐른다(Fig.
수온·염분은 국립수산과학원의 국가해양환경측정망자료(NFRDI, 2002-2008a)와 정선해양관측자료(NFRDI, 2002-2008b)를 이용하여 7년간(2002 2008) 8월 자료를 평균하여 사용하였다.
연구해역의 수심자료는 한국해양조사원의 해도 K229 를 사용하였다(Fig. 1). 수치해도상의 수심자료를 보간하여 모델 격자의 수심으로 사용하였다.
적조생물 발생 후 확산 경향성을 파악하기 위해 선정된 3개 해역에서 각각 2500개의 입자를 발생하도록 설정하였다. 발생된 입자에 생물·화학적 인자는 모델에 반영되지 않아 적조생물의 성장과 사멸은 고려하지 않았고, 왕복성 흐름을 가지는 조류, 해수의 밀도 차에 의해 발생하는 밀도류, 그리고 바람에 의해 발생하는 취송류 영향을 받아 시간의 흐름에 따라 확산된다.
남해의 조류를 재현하기 위해 운동방정식과 정수압방정식이 사용되었으며, 외곽경계에서 해면변위를 매 time step 마다 변화를 주어 조류를 재현하였다. 조류계산시 개방경계의 조화상수는 한국해양조사원 검조소의 4대분조(M2, S2, K1 및 O1)(KORDI, 1996)를 이용하였다.
해수유동 수치실험 영역 크기는 가로(동-서)방향 150 km, 세로(남-북)방향 90 km, 격자는 가로·세로 600 m 의 정방격자 모델 영역내의 주요 지형과 수심을 잘 반영할 수 있도록 하였다.
이론/모형
연구해역의 해수유동은 3차원 해양순환모델 POM (Princeton Ocean Model)을 이용하였다(Blumberg and Mellor, 1987). 해수유동 수치실험 영역 크기는 가로(동-서)방향 150 km, 세로(남-북)방향 90 km, 격자는 가로·세로 600 m 의 정방격자 모델 영역내의 주요 지형과 수심을 잘 반영할 수 있도록 하였다.
적조생물의 공간적인 분포는 유해적조생물군을 입자로 보고 일정한 부피를 가진 입자들이 서로 독립적으로 움직인다는 가정 하에 시간에 따라 이동한 위치를 구하는 Lagrangian 방법에 의한 입자추적방법을 이용하였다.
성능/효과
가막만 남부해역(④ in Fig. 2)에서 적조가 발생한 경우(Case 1) 적조생물은 대부분 인접한 해역에 잔류하였고, 발생 지점으로부터 서쪽에 위치한 나로도 주변해역(① in Fig. 2)과 여자만(② in Fig. 2)으로 주로 이동 확산하였다. 미조연안(⑥ in Fig.
미조연안(⑥ in Fig. 2)에서 적조가 발생한 경우(Case 2) 발생해역의 북동쪽으로 입자들이 주로 이동하는 것으로 나타났다. 미륵도 주변해역(⑩ in Fig.
미륵도 주변해역(⑩ in Fig. 2)에서 입자가 발생한 경우(Case 3) 욕지도주변해역(⑨ in Fig. 2)과 자란만-사량도 주변해역(⑧ in Fig. 2)으로 가장 많은 입자가 확산되었다. 또한 통영과 거제도(⑩ in Fig.
미륵도 주변해역(⑩ in Fig. 2)에서 입자가 발생한 경우(Case 3)에는 발생지를 제외하고 초기발생 6일 경과 후 거제도 남쪽연안 해역(⑫ in Fig. 2)에서 가장 높은 잔류량을 나타내었으나, 7일 경과 이후로 크게 감소하는 경향을 나타내어 15일 경과 후에는 잔류량이 7 %로 2배 이상 감소하는 경향을 보였다. 욕지도 주변해역(⑨ in Fig.
수치실험의 결과를 이용한 적조주의보 발령 가능 범위는 가막만과 미조 주변해역에서 적조가 발생한 Case 1 과 2 경우, 적조주위보는 서쪽방향보다 동쪽방향으로의 확장속도가 빨리 나타났다. 미륵도 주변해역에서 적조가 발생한 Case 3의 경우, Case1 과 2보다 동쪽해역에 위치하고 있지만 적조주위보의 확장속도가 작게 나타났다.
2)에서 가장 높은 잔류량을 나타내었다. 연구해역의 서쪽에 위치한 나로도주변해역, 여자만, 가막만(①, ② and ④ in Fig. 2) 해역에서 적조생물의 공간적분포는 시간에 따라 각 해역별 잔류량이 증가하는 경향을 보였고 남해도와 욕지도 사이에 위치한 해역에서는 반대로 잔류량이 감소하는 경향이 나타났다.
2)에서 가장 높은 잔류량을 나타내었다. 적조 발생으로부터 15일 경과 후 나루도 주변해역에 15.8 %의 잔류량이 나타나서 초기발생지인 가막만보다 더 높은 잔류량을 보이고 있다. 발생지인 가막만 주변해역(①, ② and ③ in Fig.
후속연구
따라서 편모조에 의한 유해적조가 한국 연안에 발생하기 시작했을 때, 적조 확산 예방을 위한 신속한 대처가 필요하다. 이를 위해서 적조 확산 모델을 개발하여 유해적조 이동 경로의 예측의 기초자료로 활용이 된다면, 적조 방제사업의 효율적이고 합리적인 관리체계가 구축되어 유해적조에 의한 피해를 최소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 수치실험을 수행한 계산영역을 현재보다 동쪽방향으로 넓게 설정한다면 적조주의보 발령 가능 범위가 Case 2 보다 더 확장되어 나타날 것이다. 이에 대한 연구는 앞으로 수행되어야 할 과제이다.
향후, C. polykrikoides 의 발생 원인인 수온·염분, 영양염 등의 수질 조건 및 증식·소멸 조건을 고려한 적조생물의 생활사 등 생물학적 인자들이 모델에 반영하여 현장에 근접한 적조 수치모델을 구축하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주변해역의 해수유동이 유해 적조 생물의 이동 속도 및 방향성을 결정하는 요인인 이유는 무엇인가?
연안 어장과 해양환경에 악영향을 미치는 유해 적조를 발생시키는 생물의 특성 중 하나는 유영능력이 없거나 미약하므로 해수유동에 의해 수동적으로 확산된다. 따라서 주변해역의 해수유동은 수동적으로 부유 이동하는 유해 적조 생물의 이동 속도 및 방향성을 결정하는 요인이 된다.
유해적조의 악영향은 무엇인가?
유해적조(HAB; harmful algal bloom)가 발생하면 연안어장의 어·패류를 폐사시키는 등 해양생물과 환경에 악영향을 미친다. 특히, Cochlodinium polykrikoides 적조는 와편모조류로 1982년부터 최근에 이르기까지 우리나라 연안에 분포하는 양식어장에 많은 피해를 입혔다.
우리나라 적조발생 원인종은 무엇인가?
특히, Cochlodinium polykrikoides 적조는 와편모조류로 1982년부터 최근에 이르기까지 우리나라 연안에 분포하는 양식어장에 많은 피해를 입혔다. 이처럼 우리나라 적조발생 원인종은 대체로 편모조류이며, 발생기간이 장기화 및 고밀도화되어 수산피해도 매년 증가해 왔다(Park and Choi, 1998). 2008 2011까지 국내의 현저한 피해는 없었지만, 2012년 7월 27일부터 통영시 미륵도 서남측 해역과 전남 봇돌바다 북부 해역에서 발생한 것을 시작으로 10월 24일까지 3달가량 확산되어 우리나라 연안 양식업에 큰 피해를 입혔다(NFRDI, 1995-2013).
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