수치실험을 이용한 남해 중부 연안의 하계 수온 분포 연구 A Study on the Distribution of Summer Water Temperatures of the Central Coast of the Southern Sea of Korea Using Numerical Experimentation원문보기
본 연구는 해수유동모델을 이용하여 하계 한국 남해안 양식장 부근에서 수온의 시 공간적인 분포를 파악하였다. 한국 남해 조류의 흐름은 창조시 서향, 낙조시 동향하며, 쓰시마 난류의 흐름은 50 m보다 깊어지는 외양에서 연안에 비해 강하게 동북향 하였다. 조류, 바람, 쓰시마 난류 및 실시간 수온을 고려한 해수유동에서 하계 수온의 분포는 반폐쇄성 해역에서 $26{\sim}28^{\circ}C$로 높게 나타났으며, 외양으로 갈수록 낮아져 $18{\sim}22^{\circ}C$로 나타났다. 반폐쇄성 내만의 형태를 가지는 해역의 해수교환량을 계산한 결과 광양만 $10,331m^3/sec$, 여수-가막만 $16,935m^3/sec$, 그리고 거제-한산만은 $13,454m^3/sec$로 나타났다. 해수교환량이 적은 해역일수록 수온이 비교적 높게 나타난다.
본 연구는 해수유동모델을 이용하여 하계 한국 남해안 양식장 부근에서 수온의 시 공간적인 분포를 파악하였다. 한국 남해 조류의 흐름은 창조시 서향, 낙조시 동향하며, 쓰시마 난류의 흐름은 50 m보다 깊어지는 외양에서 연안에 비해 강하게 동북향 하였다. 조류, 바람, 쓰시마 난류 및 실시간 수온을 고려한 해수유동에서 하계 수온의 분포는 반폐쇄성 해역에서 $26{\sim}28^{\circ}C$로 높게 나타났으며, 외양으로 갈수록 낮아져 $18{\sim}22^{\circ}C$로 나타났다. 반폐쇄성 내만의 형태를 가지는 해역의 해수교환량을 계산한 결과 광양만 $10,331m^3/sec$, 여수-가막만 $16,935m^3/sec$, 그리고 거제-한산만은 $13,454m^3/sec$로 나타났다. 해수교환량이 적은 해역일수록 수온이 비교적 높게 나타난다.
To understand the spatial-temporal distribution of seawater in Korea's South Sea, seawater movement and the distribution of water temperature has been analyzed using a hydrodynamic model (the Princeton Ocean Model). The directions of tidal currents were generally westward during flood tides and east...
To understand the spatial-temporal distribution of seawater in Korea's South Sea, seawater movement and the distribution of water temperature has been analyzed using a hydrodynamic model (the Princeton Ocean Model). The directions of tidal currents were generally westward during flood tides and eastward during ebb tides. Northeastward Tsushima Warm Currents in the open sea, which is deeper than 50m were stronger than in coastal areas. Analysis of data from the hydrodynamic model showed that the water temperature in the semi-closed bay was relatively higher ($26{\sim}28^{\circ}C$) than in the open sea ($18{\sim}22^{\circ}C$). The exchange volume of semi-closed seawater was $10,331m^3/sec$ in Gwangyang Bay, $16,935m^3/sec$ in Yeosu-Gamag Bay and $13,454m^3/sec$ in Geoje-Hansan Bay. Therefore, it was shown that the lower seawater exchange volume is, the higher seawater temperature will be.
To understand the spatial-temporal distribution of seawater in Korea's South Sea, seawater movement and the distribution of water temperature has been analyzed using a hydrodynamic model (the Princeton Ocean Model). The directions of tidal currents were generally westward during flood tides and eastward during ebb tides. Northeastward Tsushima Warm Currents in the open sea, which is deeper than 50m were stronger than in coastal areas. Analysis of data from the hydrodynamic model showed that the water temperature in the semi-closed bay was relatively higher ($26{\sim}28^{\circ}C$) than in the open sea ($18{\sim}22^{\circ}C$). The exchange volume of semi-closed seawater was $10,331m^3/sec$ in Gwangyang Bay, $16,935m^3/sec$ in Yeosu-Gamag Bay and $13,454m^3/sec$ in Geoje-Hansan Bay. Therefore, it was shown that the lower seawater exchange volume is, the higher seawater temperature will be.
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문제 정의
연안에 위치하는 특정 만 또는 하구역을 대상으로 수치실험을 통해 체류시간, 성층의 변화 등을 파악한 다양한 선행연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 보다 넓은 한국 남해 중부 연안해역을 대상으로 유동 및 수온의 시공간적인 분포 특성을 파악하고자 한다.
제안 방법
검증 방법은 관측된 자료와 모델결과의 유동을 조류타원도를 이용하여 비교하였다(Fig. 1, ★ C1 & C2).
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 90일 계산하여 시 공간적 유동 및 수온분포를 파악하였다.
기존의 연구들은 해수유동 및 입자추적모델을 이용하여 체류시간 및 해수교환율을 수행한 연구가 대부분이다. 그러나 본 연구에서는 유속 자료를 이용하여 연안과 외양의 해수교환량을 직접적으로 추정하는 방법을 사용하였다.
모델의 동쪽 개방경계가 대마도 서수도 전체를 포함하지 않으며 선행연구의 관측정점 및 정선에서의 수로 폭에 큰 차이가 난다. 따라서 동쪽 개방경계가 가지는 단면적이 대마도 서수도 단면적의 83 %임을 고려하여 남쪽 개방경계에 1.5 Sv가 유입되고, 동쪽 개방경계에서 유출되도록 모델에 입력하여 계산하였다.
그러나 실제해역에서는 지형 변화에 따른 조류의 비선형성에 의하여 조석 잔차류가 발생하며 이에 따라 해수의 순 이동 즉 해수교환이 발생한다. 반폐쇄성 내만의 형태를 가진 해역을 대상으로 모델결과를 이용하여 해수교환량을 계산하였다. 조류에 의한 해수교환량 Rt는 다음과 같다.
본 연구해역의 조류는 개방경계에서 국립해양조사원 검조소의 4대 분조(M2, S2, K1 및 O1)와 NOAA에서 제공하는 외양역의 진폭과 위상 값을 이용하여 계산하였다. 또한 조류 모델의 결과를 검증하기 위해 국립해양조사원에서 조사한 자료를 이용하였다.
수심자료는 국립해양조사원의 전자 해도를 interpolation 및 smoothing 하여 각 격자의 수심으로 사용하였다. 해수유동 수치실험 영역은 x, y 방향으로 각각 132×109.
또한 표층 수온의 분포는 현재 위성자료를 이용하여 파악이 가능하지만 구름에 의한 masking 현상에 의해 부분적으로 확인이 되지 않는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 유동 및 수온의 시공간 분포를 파악할 수 있는 수치실험을 이용하여 계산한다. 연안에 위치하는 특정 만 또는 하구역을 대상으로 수치실험을 통해 체류시간, 성층의 변화 등을 파악한 다양한 선행연구가 진행되어 왔다.
1 cm/s의 평균 유속이 나타났다. 자료 및 방법에서 설명한 바와 같이 모델 동쪽 개방경계 단면적에 따른 대략적인 유량을 산정하여 계산하였다. 따라서 그림에 나타난 밀도류의 결과가 연구해역에 실제로 나타나는 흐름이라고 볼 수는 없으나 전반적인 흐름은 파악할 수 있다.
조류모델의 결과를 검증하기 위해 국립해양조사원에서 조사된 자료와 모델결과의 유동을 조류타원도를 이용하여 비교하였다(Fig. 4).
조석, 바람, 쓰시마난류, 수온 염분 효과를 고려한 해수유동 모델을 통해 2015년 하계 6월 1일 부터 8월 30일 까지 90일간 남해의 시공간적 수온의 분포를 파악하였다(Fig. 5). 표층의 수평 수온분포는 연안의 경우 광양만과 사천만은 모델 계산 초기(6월 1일)에 19~20°C , 고성 연안은 18~19°C 로 주변 해역에 비해 높게 나타났으며, 시간이 경과함에 따라 상승하여 90일째(8월 30일)에는 22~27°C 로 상승하였다.
한국 남해연안의 수온의 시공간적 분포특성을 파악하기 위해 해수유동모델을 이용하여 수치실험을 하였다. 연구해역의 조류는 동-서방향이 우세하며 동향하는 해류의 영향에 의해 잔차류는 동향하는 흐름이 우세하다.
대상 데이터
또한 조류 모델의 결과를 검증하기 위해 국립해양조사원에서 조사한 자료를 이용하였다. 검증에 사용된 자료는 남해 남측해역의 관측 자료(2012년 6월 17일~7월 16일, Fig. 1 C1)와 거제도 남측해역의 관측 자료(2005년 9월 6일~9월 29, Fig. 1 C2)이다. 검증 방법은 관측된 자료와 모델결과의 유동을 조류타원도를 이용하여 비교하였다(Fig.
계산격자는 정방격자 800 m로 총 165×137개로 하였다.
남해에서 바람은 시시각각 변하기 때문에 실시간 바람에 의한 취송류 재현에 까다로움이 있다. 따라서 기상청에서 제공하는 국내기후자료 중 해양기후도의 하계평균바람자료 남풍 8 m/s를 전 해역에 일괄 적용하였다.
)와 NOAA에서 제공하는 외양역의 진폭과 위상 값을 이용하여 계산하였다. 또한 조류 모델의 결과를 검증하기 위해 국립해양조사원에서 조사한 자료를 이용하였다. 검증에 사용된 자료는 남해 남측해역의 관측 자료(2012년 6월 17일~7월 16일, Fig.
, 2005). 본 연구에서 수행한 수치실험은 남해의 조류, 바람, 쓰시마난류, 염분 및 수온을 고려하였다. 바람의 경우 해상부이의 실시간 바람 자료가 부족 하여 하계 평균 바람을 일괄 적용한 점과 해류 입력에 있어서 모델 동쪽 개방경계가 대마도 서수도 전체를 포함하지 않아 단면적에 대한 대략적인 유입량을 산정하는 부분에 있어서는 부족한 점이 있다.
수치계산에 이용한 실시간 수온은 국립수산과학원 실시간 어장환경정보 자동관측시스템(여수 신월, 여수 자봉, 남해 강진, 남해 미조, 통영 사량, 통영 풍화, 통영 학림, 통영 비산, 거제 가배, 거제 일운)의 2015년 6 8월 자료를 30분 간격으로 각 계산격자에 입력하였다(Fig. 1, ■). 또한 수온계산에 있어서 열속(heat flux)는 고려하지 않았다.
수치모델에 사용한 초기 수온자료는 모델영역에 포함되는 해양환경측정망의 2015년 하계의 자료(Fig. 1, ●)와 국립수산과학원 정선자료의 2015년 하계의 관측자료(Fig. 1, ▲)를 이용하였다.
이론/모형
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
16 cm/s, 위상은 서북서-동남동, 동-서, 동-서, 동-서 방향이다. 관측된 자료에 비해 모델결과의 장축 크기는 다소 차이를 보이지만 위상은 대부분 일치한 결과가 나타나 본 연구에서 수행한 수치실험의 재현성은 대체로 양호한 것으로 판단된다.
모델 결과를 이용하여 반폐쇄성 내만의 형태를 가지는 해역의 해수교환량을 계산한 결과 광양만 10,331 m3/sec, 여수-가막만 16,935 m3/sec, 그리고 거제-한산만은 13,454 m3/sec로 나타났다. 광양만, 진주만, 사천만, 강진만 및 마산만과 같이 수온이 높게 나타나는 해역은 지형적인 원인에 의해 해수순환이 통영, 거제 및 여수해역에 비해 원활하지 못하여 고수온이 나타났다고 사료되며 이러한 고수온은 양식생물의 성장에 피해를 입히기 때문에 양식장으로 좋지 못한 해역으로 볼 수 있다.
모델 초기부터 90일까지(6월 1일 ~ 8월 30일) 연안해역의 수온의 변화를 보면 여수-가막만은 18~20°C 에서 19~22°C로 1~2°C 상승하였고, 남해북쪽 연안은 19~21°C 에서 26~28°C로 8°C 상승하였다.
39 cm/s, 위상은 동-서, 동-서, 동-서, 동-서 방향이다. 모델결과 조류타원도의 M2, S2, K1, O1분조 장축은 각각 17.22(83.5 %), 8.43(72.2 %), 7.75(80.2 %), 9.29(86.7 %) cm/s, 단축은 4.91, 2.08, 1.22, 1.16 cm/s, 위상은 서북서-동남동, 동-서, 동-서, 동-서 방향이다. 관측된 자료에 비해 모델결과의 장축 크기는 다소 차이를 보이지만 위상은 대부분 일치한 결과가 나타나 본 연구에서 수행한 수치실험의 재현성은 대체로 양호한 것으로 판단된다.
조석잔차류, 취송류 및 밀도류의 효과를 모두 고려한 잔차류는 밀도류의 흐름과 가장 유사하게 나타났고 연안역의 섬과 섬 사이 수로에서 빠른 흐름이 나타났다.
하계 남풍계열 바람의 영향에 의한 취송류는 전 해역에서 북동향하는 흐름을 보이며 외양에 비해 연안역의 흐름이 크게 나타났다.
후속연구
바람의 경우 해상부이의 실시간 바람 자료가 부족 하여 하계 평균 바람을 일괄 적용한 점과 해류 입력에 있어서 모델 동쪽 개방경계가 대마도 서수도 전체를 포함하지 않아 단면적에 대한 대략적인 유입량을 산정하는 부분에 있어서는 부족한 점이 있다. 좀 더 정확한 유동 및 수온 분포를 파악하기 위해서는 유속, 수온과 염분 등 다양한 해양인자에 대한 장기적인 관측이 함께 수행되어야 할 것이다. 향후 연구 해역을 점차 확장하고 실시간 바람 자료, 운량, 강수량 등 해양환경에 영향을 줄 수 있는 기상환경을 추가적으로 고려해 나간다면 보다 더 현장과 유사한 시·공간적인 수온 분포 파악이 가능할 것으로 판단된다.
향후 연구 해역을 점차 확장하고 실시간 바람 자료, 운량, 강수량 등 해양환경에 영향을 줄 수 있는 기상환경을 추가적으로 고려해 나간다면 보다 더 현장과 유사한 시·공간적인 수온 분포 파악이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한국 남해안의 특징은?
한국 남해안은 육지의 연장으로 이루어진 많은 만과 섬들로 이루어져 복잡하지만 해저면의 경우 제주해협과 대한해협은 각각 최대수심 120 m, 228 m로 나타나고 수심은 100 m 내외로 평탄하며, 남쪽 및 남동방향으로 점차 깊어지는 해역이다. 하계 남해안 표면에서 최고수온은 28~29°C 정도이며, 동계 최저 수온기에도 외해는 13°C 이하로 내려가지 않는다.
남해안 근해에 서식하는 생물은 무엇이 있나?
조류의 세기 및 방향은 해역에 따라 차이를 보이지만 일반적으로 창조시 서향, 낙조시 동향하는 흐름이 나타난다. 남해안 근해는 생물체들이 서식하기 좋은 환경으로서 멸치와 갈치의 어획량이 많으며 그 외에도 전갱이, 꽁치, 돔, 가자미 등이 많이 어획된다. 또한 굴 양식이 성행하고 있으며 피조개, 홍합, 백합, 고막, 키조개 및 새조개 등이 생산된다(Kim et al., 2000).
수온 변화는 생태계에 어떠한 영향을 주고 있나?
한국 연안의 표층 수온은 1970년대에 꾸준히 증가하였으며 1980년대 후반에 급격히 상승한 이후 최근까지 높은 수온이 유지되었다(Min and Kim, 2006). 이러한 수온 상승은 해양생물의 군집조성과 생태계 기능을 변화시켜 생물 다양성 보전과 어업에 피해를 미치고 있으며(Gang et al., 2012), 지구 온난화에 따른 해양수온 상승은 열대외래 생물종 유입이 심각하게 진행되고 있음이 확인 되고 있다(Ju and Kim, 2012).
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