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문제 정의
- 본 연구결과를 토대로 향후 앞으로 우리나라 연안에 서식하는 해파리 시·공간적 분포의 파악과 그 원인들을 규명함으로서, 해파리 개체군을 관리하거나 조절하는 방안에 대해 연구되어야한다. 또한 해파리의 생물학적 인자들을 모델에 반영하여 현장에 근접한 수치모델을 구축하고자 한다.
- 본 연구는 해파리 폴립의 연안부착 특성을 고려하여 실제 해파리 폴립의 예상되는 서식처에서 해수유동모델과 입자 추적자모델을 이용하여 해파리의 시·공간적 분포 특성을 연구하였다.
가설 설정
- 입자추적 수치실험 수행은 30일 중 해수유동 안정화를 위한 초기 15일을 배제하고 후에 최종 15일 간 실시하였다. 해파리의 크기는 20 cm, 무게는 300 g이고 성장성은 고려하지 않으며, 입자 초기 위치는 인간의 연안개발로 이용한 콘크리트는 해파리 폴립의 좋은 서식처를 제공한다(KIOST, 2007)는 가정 하에 마산만에서 콘크리트 구조물이 있는 지역을 선정하였다. 마산항, 가포신항 및 중공업단지에서 각 100개체씩 표층에서 일시방출을 하였다(Fig.
제안 방법
- 수치모델에서 총 4개의 해역으로 나누었다. A해역은 돝섬 북측 내만으로 유속이 가장 느린 해역, 상대적으로 유속이 빠른 남측해역은 마창대교를 중심으로 하여 북측을 B해역, 남측을 C해역으로 나누었고, 마산만 외양을 D해역으로 나누어서 해파리의 거동을 실험한다.
- , 2002). POM의 주요 특징은 정수압근사와 Bousinessq 근사 등을 사용하여 운동방정식을 계산한다. 수평방향으로는 직교곡선좌표계를 연직방향으로는 sigma(σ) 좌표계를 사용함으로써 z-좌표계의 단점인 해저지형 경사에 따른 저층 흐름 재현의 문제점을 해결한다.
- 연직 방향의 σ-layer 개수는 총 3개의 층으로 표층에서 저층까지 동일한 간격으로 설정하였다. 계산의 시간간격은 CFL 조건(∆t = dx/\(\sqrt{2gh} \) )을 고려하여 external time step은 2초, internal time step은 15초로 총 30일 계산하여 최종 15일의 유동결과를 파악하였다.
- )을 입력하였다. 마산만은 반일주조가 우세한 해역으로 M2, S2 분조가 중요하며, 유향 및 유속을 조류타원도를 이용하여 현장조사자료(Fig. 2, ★)와 모델결과를 비교하여 모델의 재현성을 확인하였다.
- 6). 마산만의 A~C 해역은 평균 유속과 지형적인 특성에 따라 나누었기에 체적이 다르므로 해역별 입자를 단위 면적당(1 km2) 해파리의 개체수를 환산하였다(Table 2).
- 먼저 잔차류가 강하게 나타나는 돝섬, 마창대교, 모도 북서쪽해역을 동일한 면적(계산격자 12×12=144개)을 가지는 Ⅰ(돝섬 주변해역), Ⅱ(마창대교 주변해역), Ⅲ(모도 북서쪽해역) 구역으로 구분하였다(Fig. 7).
- 본 연구는 마산만에서 서항지구의 매립이 되기 전 실시된 해수유동 수치실험(Park et al., 2011)과 달리 새롭게 매립한 서항지구를 고려하여 마산 내측에서의 해수유동을 현재에 더 가까운 조건으로 고려하였다.
- 본 연구에 사용된 수심자료는 국립해양조사원의 전자 해도와 CTD 관측 자료에서 얻은 수심을 interpolation 및 smoothing 하여 각 격자의 수심으로 사용하였다. 해수유동 수치실험 영역은 마산만의 해수 유동과 해파리의 유출이 충분히 반영될 수 있도록 진해만의 일부를 포함하여 x, y 방향으로 각각 14×18.
- 수치실험을 통한 해수유동 결과의 재현성을 검토하기 위해 RCM-9(KHOA, 2005)을 이용하여 마산만 입구에서 2005년 6월 13일부터 2005년 7월 14일까지 약 30일간 계류하여 얻은 유동자료와 모델결과의 유동을 조류타원도를 이용하여 비교하였다(Fig. 4). 마산만은 반일주조가 분명하게 나타나는 해역으로 검증에 사용된 관측자료로부터 조화분해를 통한 4대 분조는 M2, S2분조의 경우 장축의 크기가 각각 8.
- 잔차류는 조석, 바람, 수온·염분의 외력조건을 이용하여 계산되었다. 어떠한 외력 조건이 마산만 내에 해파리를 집적시키기에 탁월한 성분인지 알아보기 위해 조석 잔차류(Case 1), 취송류(Case 2), 밀도류(Case 3) 그리고 모든 외력조건을 포함하는 잔차류 입자추적 수치실험을 실시하였다. 먼저 잔차류가 강하게 나타나는 돝섬, 마창대교, 모도 북서쪽해역을 동일한 면적(계산격자 12×12=144개)을 가지는 Ⅰ(돝섬 주변해역), Ⅱ(마창대교 주변해역), Ⅲ(모도 북서쪽해역) 구역으로 구분하였다(Fig.
- 7). 입자발생 이후 15일간 1일 간격으로 3개의 구역 내에 분포하는 입자의 개수를 counting하여 Case별로 비교 분석 하였다(Fig. 8).
- 입자추적 수치실험 수행은 30일 중 해수유동 안정화를 위한 초기 15일을 배제하고 후에 최종 15일 간 실시하였다. 해파리의 크기는 20 cm, 무게는 300 g이고 성장성은 고려하지 않으며, 입자 초기 위치는 인간의 연안개발로 이용한 콘크리트는 해파리 폴립의 좋은 서식처를 제공한다(KIOST, 2007)는 가정 하에 마산만에서 콘크리트 구조물이 있는 지역을 선정하였다.
- 해수유동모델의 안정화 이후 15일간 해파리의 입자추적을 실시하였다. 입자추적 실시 후 3일, 9일, 15일 후 입자 수평분포를 도시하였다(Fig. 6). 마산만의 A~C 해역은 평균 유속과 지형적인 특성에 따라 나누었기에 체적이 다르므로 해역별 입자를 단위 면적당(1 km2) 해파리의 개체수를 환산하였다(Table 2).
- 1). 조사에 사용된 어구는 소형 트롤(망폭 6 m)로서 2.5 kt/h로 5분간 예인하여 해역별로 개체수를 측정하였다.
- 해수유동모델의 안정화 이후 15일간 해파리의 입자추적을 실시하였다. 입자추적 실시 후 3일, 9일, 15일 후 입자 수평분포를 도시하였다(Fig.
- 해파리 공간분포 조사는 어구를 이용해 해파리를 채집해야 하므로 해역으로 나누어 조사를 실시하였다(Fig. 1). 조사에 사용된 어구는 소형 트롤(망폭 6 m)로서 2.
대상 데이터
- 계산격자는 정방격자 100 m로 총 140×185개로 하였다.
- 일반적으로 하계는 남풍의 영향이 크게 나타나는 계절이지만, 마산만의 경우 둘러싸인 육지의 영향으로 남풍보다 북풍계열의 바람이 더 우세한 것을 조위관측소에서 확인하였다. 마산만 북측에 위치한 국립해양조사원 조위관측소(Fig. 2, ●)에서 CTD 현장조사 시기와 동일한 2014년 8월의 평균 풍속(2.4 m/s)과 가장 높은 빈도를 보였던 풍향(NE)을 전 해역에 일괄 적용하였다(KHOA, 2014). 취송류 계산 시에는 조류에서 사용된 외곽해면변위와 수온·염분의 분포에 의한 부분은 고려하지 않았다.
- 마산만의 수온 및 염분의 연직분포를 파악하기 위해 마산만 내측부터 외측까지 9개의 정점을 선정하였다(Fig. 1). 조사 장비는 CTD(Sea-Bird Electronics, SBE-19 Seacat Profiler)를 이용하여 대조기의 창조시와 낙조시를 대상으로 2014년 8월 13일부터 14일 관측을 실시하였다(Table 1).
- 해파리의 크기는 20 cm, 무게는 300 g이고 성장성은 고려하지 않으며, 입자 초기 위치는 인간의 연안개발로 이용한 콘크리트는 해파리 폴립의 좋은 서식처를 제공한다(KIOST, 2007)는 가정 하에 마산만에서 콘크리트 구조물이 있는 지역을 선정하였다. 마산항, 가포신항 및 중공업단지에서 각 100개체씩 표층에서 일시방출을 하였다(Fig. 2). 마산항과 중공업 단지는 가포신항에 비해 상대적으로 긴 연안지형을 포함하기에 20개의 계산격자에서 각 5개체씩, 가포신항은 10개의 계산격자에서 각 10개체씩 일시 방출한다.
- 1). 조사 장비는 CTD(Sea-Bird Electronics, SBE-19 Seacat Profiler)를 이용하여 대조기의 창조시와 낙조시를 대상으로 2014년 8월 13일부터 14일 관측을 실시하였다(Table 1).
이론/모형
- 여기서, U : time step에 계산된 유속, R : 임의행보(random walk), γ : uniform random number(평균=0, 표준편차=1)이다. 또한 수평확산계수는 Smagorinsky 확산공식(Smagorinsky, 1963)을 사용하여 계산한다(식2). 본 연구에서 C는 0.
- 수온·염분은 CTD 현장조사 자료와 환경측정망자료(2014년 8월)를 kriging 기법으로 계산하였다.
- 해수유동 수치실험에 사용된 모델은 POM(Princeton Ocean Model)을 사용하였다(Blumberg and Mellor, 1987). POM은 외양뿐만 아니라 하구, 대륙붕 등 연안역에 주로 적용되어 왔다(Ezer et al.
성능/효과
- 마창대교 남쪽에 위치한 C해역은 초기 3일 경과 시 인근해역인 가포신항에서 발생한 해파리의 입자가 우선적으로 유입된 것을 볼 수 있으며, 시간이 지남에 따라 마산항과 중공업단지에서 발생한 해파리 입자들과 그 개체수가 유사해 지는 것을 확인하였다. 3개의 입자 초기 발생지 중 가포신항은 가장 남쪽에 위치하기 때문에 C해역으로 가장 빠르게 이동할 수 있었으며, 지속적으로 작용하는 조류의 왕복흐름의 영향으로 혼합이 되면서 점차 마산항과 중공업단지에서 유입되는 입자수가 유사하게 나타나는 것으로 판단된다. 외양역은 마산만 입구를 지나 해파리 입자들이 유출되는 해역으로 만내에 존재하던 입자가 지속적인 유출로 시간이 지남에 따라 증가하는 경향이 나타났다.
- ) 개체수가 높은 경향을 보이며 시간이 지남에 따라 외양역으로 해파리가 이동·확산되는 분포를 확인 할 수 있다. A~C 해역 중 시간이 지남에 따라 지속적으로 단위 면적당(1 km2) 높은 개체수를 보이는 해역은 마창대교 북측인 B 해역으로 나타났다. B해역은 가포신항에서 발생한 해파리가 마산항과 중공업단지에서 발생한 해파리보다 시간이 지남에 따라 일관적으로 개체수가 적은 경향을 보인다.
- B해역은 가포신항에서 발생한 해파리가 마산항과 중공업단지에서 발생한 해파리보다 시간이 지남에 따라 일관적으로 개체수가 적은 경향을 보인다. A해역은 유속이 느린 해역이기 때문에 해파리가 빠르게 유출이 되지는 않지만 B해역으로의 입자 이동이 천천히 진행되는 것을 확인하였고, 가포신항에서 초기에 유입된 해파리의 개체수와 A해역 내에 위치한 마산항과 중공업단지에서의 해파리의 비율이 시간이 지남에 따라 유사하게 감소하는 경향을 보인다. 마창대교 남쪽에 위치한 C해역은 초기 3일 경과 시 인근해역인 가포신항에서 발생한 해파리의 입자가 우선적으로 유입된 것을 볼 수 있으며, 시간이 지남에 따라 마산항과 중공업단지에서 발생한 해파리 입자들과 그 개체수가 유사해 지는 것을 확인하였다.
- 반일주조 성분 중 M2분조는 장축의 크기와 위상은 잘 일치하였고, 단축의 크기가 다소 차이를 보인다. S2분조는 단축의 크기는 잘 일치하였고, 장축의 크기와 위상이 다소 차이를 보이지만 거의 유사한 결과를 나타내어 본 연구에서 수행한 해수유동 수치실험의 재현성은 대체로 양호한 것으로 판단된다.
- 창조 시 출현한 해파리의 개체 수는 39~2,533개체 범위를 보였으며, D 해역에서 가장 많이 출현하였다. 낙조 시 출현한 해파리의 개체수는 20~1,105개체 범위를 보였으며, 창조 시와 동일한 D 해역에서 가장 많이 출현하였다. 마창대교 북쪽에 위치한 돝섬 주변인 D 해역에서 모두 가장 많이 나타났고, 마창대교 남쪽에 위치한 F와 G 해역에서 비교적 많이 출현하였다.
- 5~33 psu로 나타났다. 낙조시 마창대교 북측해역의 10 m 수심에서는 남측 해역과 다르게 연직으로 미세한 혼합이 나타난 반면에, 마창대교 남측에서는 창조시 조사결과와 마찬가지로 수심이 증가함에 따라 수온이 감소하는 안정적인 경향이 보였다(Fig. 3). 이러한 패턴은 해파리의 연직 방향으로의 이동·확산에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다.
- a-d). 대조기의 유속이 소조기보다 전체적으로 2~6 cm/s 강하였고, 창조시 내만으로 북서향, 낙조시 외양으로 남동향 성분이 강하게 나타났다. 가장 강한 유속은 해역이 좁아지는 모도 앞 해역에서 나타났다.
- 해파리의 입자추적결과는 돝섬-마창대교 해역에 높게 나타났으며, 이는 잔차류의 다방향으로 혼재하는 흐름 및 지형적인 영향이 원인이라고 판단된다. 또한 잔차류가 강한 해역에서 물리적 인자들을 고려하였을 시, 바람에 의한 효과가 해파리의 집적에 탁월한 것을 확인하였다. 현장 조사 결과에서 마창대교의 북쪽 및 남쪽에서 해파리의 밀집 된 현상은 마산만의 해역 특성상 강한 조류와 취송류의 영향을 받아 회전 및 다방향으로 혼재하는 잔차류 흐름이 나타나 돝섬 북측과 마산만 입구에 비해 높은 개체수가 유지되는 것으로 보인다.
- 5 cm/s)이 나타났다. 마산만 외양에서는 진해 해군기지의 연안에서 모도 연안을 따라 서향하는 흐름이 보였으며, 부도 부근에서는 취송류가 미약하게 나타났다. 이러한 흐름에 의해서 해파리의 이동·확산은 돝섬, 마창대교 해역에서의 체류에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
- 얕은 수심에 의해 표·중·저층이 거의 유사한 분포가 나타나 표층만 도시하였다. 마산만에서 최대 0.3 cm/s로 아주 미약하게 나타났으며, 외양에서 모델의 남쪽 경계역에서 북향, 부도를 우회하여 동쪽 경계역으로 동향하여 유출되는 흐름이 확인되었다. 마산만에서 발생한 해파리는 밀도류의 영향에 크게 미치지 않을 것으로 사료된다.
- 마산만의 조류는 창조시 북서류, 낙조시 남동류의 성분이 우세하였고, 조석잔차류는 북향하는 성분이 우세하였다. 취송류는 돝섬, 마창대교 등 연안을 따라 회전하는 성분이 나타났고, 밀도류는 미약하게 나타났다.
- A해역은 유속이 느린 해역이기 때문에 해파리가 빠르게 유출이 되지는 않지만 B해역으로의 입자 이동이 천천히 진행되는 것을 확인하였고, 가포신항에서 초기에 유입된 해파리의 개체수와 A해역 내에 위치한 마산항과 중공업단지에서의 해파리의 비율이 시간이 지남에 따라 유사하게 감소하는 경향을 보인다. 마창대교 남쪽에 위치한 C해역은 초기 3일 경과 시 인근해역인 가포신항에서 발생한 해파리의 입자가 우선적으로 유입된 것을 볼 수 있으며, 시간이 지남에 따라 마산항과 중공업단지에서 발생한 해파리 입자들과 그 개체수가 유사해 지는 것을 확인하였다. 3개의 입자 초기 발생지 중 가포신항은 가장 남쪽에 위치하기 때문에 C해역으로 가장 빠르게 이동할 수 있었으며, 지속적으로 작용하는 조류의 왕복흐름의 영향으로 혼합이 되면서 점차 마산항과 중공업단지에서 유입되는 입자수가 유사하게 나타나는 것으로 판단된다.
- 먼저 3일이 경과한 후, A해역은 해파리 발생 지점인 마산항과 중공업단지를 포함하고 B해역은 가포신항에서 발생하는 해파리를 포함하고 있기 때문에 C해역보다 단위 면적당(1 km2) 개체수가 높은 경향을 보이며 시간이 지남에 따라 외양역으로 해파리가 이동·확산되는 분포를 확인 할 수 있다.
- 본 연구에서 마산만의 잔차류는 연안지형 및 수심의 영향으로 마산만 내에서 돝섬 주변해역(1.6 cm/s), 마창대교(1.9 cm/s) 그리고 만 입구인 모도 북서쪽 해역(3.9 cm/s)에서 강한 흐름을 보였다. 잔차류의 유속이 강하게 나타나는 해역은 섬이나 교각 등에 의해 지형이 복잡하게 나타나는 해역이다.
- 조석에 의한 영향을 고려한 Case 1, 바람에 의한 효과를 고려한 Case 2의 경우 추세선의 기울기가 각각 -1.67, -1.39로 Ⅰ구역에 분포하는 입자 수가 빠르게 감소하는 반면, 수온·염분의 효과를 고려한 Case 3의 경우 추세선의 기울기는 -0.99로 Ⅰ구역 내 입자 감소율은 가장 낮게 나타난다.
- 1의 해파리 채집 결과, 보름달물해파리(Aurelia aurita)가 마산만에서 우점하였다. 창조 시 출현한 해파리의 개체 수는 39~2,533개체 범위를 보였으며, D 해역에서 가장 많이 출현하였다. 낙조 시 출현한 해파리의 개체수는 20~1,105개체 범위를 보였으며, 창조 시와 동일한 D 해역에서 가장 많이 출현하였다.
- 잔차류의 유속이 강하게 나타나는 해역은 섬이나 교각 등에 의해 지형이 복잡하게 나타나는 해역이다. 해파리 공간분포 조사결과와 비교해 보면 잔차류 유속이 강하게 나타나는 해역에서 채집된 해파리의 개체수가 높게 나타남을 확인할 수 있다.
- 또한 국립수산과학원 해파리정보센터의 운영을 통하여 모니터링을 실시하고 있으며, 이를 통하여 해파리 속보를 제공하고 있다. 해파리 모니터링에 집계된 해파리는 총 16종이며, 그 중 가장 높은 비율을 차지하는 종은 노무라입깃해파리(Nemopilema nomurai)와 보름달물해파리(Aurelia aurita)이며, 커튼원양해파리(Dactylometra quinquecirrha)와 유령해파리(Cyanea capillata)는 높은 비율은 아니지만 지속적으로 출현하고 있는 것으로 나타났다.
- 또한 잔차류가 강한 해역에서 물리적 인자들을 고려하였을 시, 바람에 의한 효과가 해파리의 집적에 탁월한 것을 확인하였다. 현장 조사 결과에서 마창대교의 북쪽 및 남쪽에서 해파리의 밀집 된 현상은 마산만의 해역 특성상 강한 조류와 취송류의 영향을 받아 회전 및 다방향으로 혼재하는 잔차류 흐름이 나타나 돝섬 북측과 마산만 입구에 비해 높은 개체수가 유지되는 것으로 보인다. 또한 마창대교가 설치된 해역은 타 해역보다 수심이 2~3 m 깊은 것으로 이러한 지형적인 요인에 해수 유동이 달라 질 것이며, 유영능력이 미약한 해파리가 마창대교 북쪽 및 남쪽에 모인 결과로 사료된다.
후속연구
- 본 연구결과를 토대로 향후 앞으로 우리나라 연안에 서식하는 해파리 시·공간적 분포의 파악과 그 원인들을 규명함으로서, 해파리 개체군을 관리하거나 조절하는 방안에 대해 연구되어야한다.
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