[논문]동해에서 태풍과 중규모 소용돌이가 준관성주기파 에너지 생성과 분포에 미치는 영향

송하진; 전찬형; 채정엽; 이은주; 이강녕; 최영석; 박재훈

doi:10.7850/jkso.2020.25.3.055

동해에서 태풍과 중규모 소용돌이가 준관성주기파 에너지 생성과 분포에 미치는 영향
Effects of Typhoon and Mesoscale Eddy on Generation and Distribution of Near-Inertial Wave Energy in the East Sea 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.25 no.3, 2020년, pp.55 - 66

송하진 (인하대학교 해양과학.생물공학과 대학원) , 전찬형 (매사추세츠 공과대학 기계공학과) , 채정엽 (인하대학교 해양과학.생물공학과 대학원) , 이은주 (인하대학교 해양과학.생물공학과 대학원) , 이강녕 (인하대학교 해양과학.생물공학과 대학원) , (큐슈대학교 응용역학연구소) , 최영석 (인하대학교 해양과학.생물공학과 대학원) , 박재훈 (인하대학교 해양과학과)

초록
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준관성주기파(NIW)는 주로 바람에 의해 생성되며, 해양 연직혼합에 중요한 요소이다. 태풍의 빠른 풍속과 이동경로에 따른 풍향변화는 NIW 생성에 충분한 조건을 제공한다. 본 연구에서는 동해 실시간 해황예보모형 출력자료를 이용하여 태풍의 영향으로 인한 NIW의 생성과 분포 그리고 동해 중규모 소용돌이가 NIW의 심층 전파에 주는 영향에 대해 검토하였다. 이용한 출력자료 기간은 2013년부터 2017년까지 총 5개년이며, 이 기간 중 동해에 강한 NIW에너지를 만든 3개 태풍(할롱, 고니, 차바)에 초점을 맞추었다. 태풍에 의한 NIW 변동을 검토하기 위하여 강제력으로 작용하는 태풍의 바람에너지유입(${\bar{W}}_I$)과 함께 NIW 에너지의 지표인 혼합층 및 심층 수평운동에너지(${\bar{HKE}}_{MLD}$, ${\bar{HKE}}_{DEEP}$)를 계산하였다. ${\bar{HKE}}_{MLD}$는 ${\bar{W}}_I$와 밀접한 관련을 보였으며 태풍 경로의 오른편에서 강하게 나타났다. ${\bar{HKE}}_{DEEP}$는 주로 동해 남부에서 패치형태로 강하게 나타났으며, 음의 상대 소용돌이도를 가지는 난수성 소용돌이와의 상관성이 확인되었다. NIW에너지에 태풍이 주는 영향을 확인하기 위해, 태풍이 없는 여름철과 12월의 에너지와 상호 비교하였다. 그 결과, 태풍에 의한 ${\bar{HKE}}_{MLD}$는 태풍이 없는 여름에 비해 2.5~5.7배, NIW가 가장 큰 12월 평균대비 0.4~1.0배였고, 태풍에 의한 ${\bar{HKE}}_{DEEP}$는 태풍이 없는 여름대비 1.2~1.6배, 12월 평균대비 0.8~1.0배로 태풍에 의한 NIW가 혼합층과 심층의 해양 연직혼합 모두에 상당한 영향을 줄 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Near-inertial waves (NIW) which are primarily generated by wind can contribute to vertical mixing in the ocean. The energetic NIW can be generated by typhoon due to its strong wind and preferable wind direction changes especially on the right-hand side of the typhoon. Here we investigate the generation and distribution of NIW using the output of a real-time ocean forecasting system. Five-year model outputs during 2013-2017 are analyzed with a focus on cases of energetic NIW generation by the passage of three typhoons (Halong, Goni, and Chaba) over the East Sea. Calculations of wind energy input (${\bar{W}}_I$), and horizontal kinetic energy in the mixed layer (${\bar{HKE}}_{MLD}$) reveal that the spatial distribution of ${\bar{HKE}}_{MLD}$, which is strengthened at the right-hand side of typhoon tracks, is closely related with ${\bar{W}}_I$. Horizontal kinetic energy in the deep layer (${\bar{HKE}}_{DEEP}$) shows patch-shaped distribution mainly located at the southern side of the East Sea. Spatial distribution of ${\bar{HKE}}_{DEEP}$ shows a close relationship with negative relative vorticity regions caused by warm eddies in the upper layer. Monthly-mean ${\bar{HKE}}_{MLD}$ and ${\bar{HKE}}_{DEEP}$ during a typhoon passing over the East Sea shows about 2.5-5.7 times and 1.2-1.6 times larger values than those during summer with no typhoons, respectively. In addition, their magnitudes are respectively about 0.4-1.0 and 0.8-1.0 times from those during winter, suggesting that the typhoon-induced NIW can provide a significant energy to enhance vertical mixing at both the mixed and deep layers during summer.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig.1. (a) The bathymetric map of the numerical model. (b) Typhoon tracks together with its intensity according to Saffir-Simpson scale announced by KMA are shown in 3-hour intervals.
표 Table 1. Information of the three typhoons which generated energetic near-inertial waves (NIW) in the East Sea during 2013-2017. The first two digits and the second two digits of typhoon ID indicate the occurred year and the order in that year, respectively. The time when typhoon entered the East Sea and its extinction time are shown in Coordinated Universal Time (UTC)
표 Table 2. Summary of averaging time (T in Eq. 2) in each period
$Fig. 2. Wind energy input (<TEX>$\overline{X}_I$</TEX>) averaged over 10 days for typhoon (a) Halong, (b) Goni, and (c) Chaba.$ 그림 Fig. 2. Wind energy input ($\overline{X}_I$) averaged over 10 days for typhoon (a) Halong, (b) Goni, and (c) Chaba.
$Fig. 3. Scatter plot of temporal-mean horizontal kinetic energy in the deep layer (<TEX>$\overline{HKE}_{DEEP}$</TEX>) and relative vorticity at 30-m depth.$ 그림 Fig. 3. Scatter plot of temporal-mean horizontal kinetic energy in the deep layer ($\overline{HKE}_{DEEP}$) and relative vorticity at 30-m depth.
그림 Fig. 4. Spatially-averaged monthly-mean horizontal kinetic energy of near-inertial waves (NIW) in the mixed layer (gray bar) and deep layer (black bar) for five periods (months with typhoon Halong, Goni, and Chaba passed, a summer month with no typhoons, and a winter month).

AI 본문요약
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문제 정의

태풍의 강한 바람은 표층해양에 강한 모멘텀을 제공하는데, 특히 태풍 경로의 우측 해역에서는 이동하는 태풍이 고정된 해당 해역에 시계방향의 바람을 유도하게 되어 태풍의 왼편보다 강한 NIW 에너지를 야기할 수 있다(D’Asaro, 1985). 따라서 본 연구에서는 동해에 진입한 태풍에 의한 NIW의 생성과 함께 소용돌이의 효과를 살펴보는데 주안점을 두었다. 연구에 사용한 자료는 자료동화 된 실시간 해황예보모형의 입력 및 출력값이며, 연구 해역은 동해 전역을 포함한다(Fig.
본 연구는 2013부터 2017까지 5년간의 해황예보모형(DR_M)의 입력 및 산출값을 이용하여 동해에서 태풍에 의한 NIW 의 생성과 분포에 대하여 살펴보았다. 연구기간동안 동해에 영향을 준 6개의 태풍 중에서 강한 # 와 NIW 에너지가 나타난 3개 태풍 할롱, 고니, 차바에 초점을 맞추어 분석하였다.

제안 방법

NIW를 살펴보기 위하여 각 위도의 관성주기로부터 2시간 간격으로 유속에 3차 Butterworth 밴드패스 필터(bandpass filter)를 적용하였다. 동해의 관성주기는 북위 35.
2g, 2h, 2i). 난수성 소용돌이에 의한 NIW의 수직전파를 보다 정량적으로 보기 위하여, 3개의 태풍시기(할롱, 고니, 차바)의 #와 30 m 수심의 상대 소용돌이도를 산점도(scatter plot)를 이용하여 도시하였다(Fig. 3). 높은 # 는 음의 상대 소용돌이도 영역에 치우쳐 있으며, 이는 #와 상대 소용돌이도 간의 음의 상관계수 (R = –0.
태풍에 의한 NIW 에너지 세기를 태풍이 없는 여름철 및 NIW가 가장 강한 겨울(12월) 30일 평균값과 비교하였다. 세 시기의 비교를 위해, 태풍 시기의 에너지는 태풍이 통과하기 5일 전부터 30일 기간을 평균하였다. 태풍 차바의 경우 동해 남부의 태풍에 의한 NIW에너지만을 활용하였다(동해 북부의 동아시아 몬순에 의한 NIW에너지는 제외).
본 연구는 2013부터 2017까지 5년간의 해황예보모형(DR_M)의 입력 및 산출값을 이용하여 동해에서 태풍에 의한 NIW 의 생성과 분포에 대하여 살펴보았다. 연구기간동안 동해에 영향을 준 6개의 태풍 중에서 강한 # 와 NIW 에너지가 나타난 3개 태풍 할롱, 고니, 차바에 초점을 맞추어 분석하였다. 이외의 태풍들은 바람이 약하거나 동해가 태풍진행경로의 왼편에 위치하여 # 가 작고 NIW 에너지 생성 역시 작았다.
T는 시기별로 다르게 적용하였다(Table 2). 태풍시기의 #는 태풍 2일 전부터 태풍통과 8일 후까지 총 10일 자료를 이용하였고, #는 NIW의 연직방향 군속도(e.g., Kim et al., 2013)와 수치모형이 재현한 NIW 심층전파시간을 확인하여 태풍통과후 5~20일(총 15일간)로 결정하였다.
1). 태풍에 의한 NIW 에너지 변동을 비교하기 위한 대조군은 태풍이 없었던 여름과 겨울의 NIW 에너지 평균값으로 각각 설정하였다.

대상 데이터

1) 이들 중 일부는 동해 진입전에 열대성 저기압(Tropical Depression, TD)으로 약화되었거나, 태풍의 중심이 일본으로 치우쳐 있어 NIW의 에너지 형성이 미미한 경우도 있었다. 따라서 태풍에 의한 NIW 에너지가 강하게 생성되었던 2014년 8월의 할롱(Halong), 2015년 8월의 고니(Goni), 2016년 10월의 차바(Chaba)의 사례를 집중적으로 살펴보았다(Fig. 1, Table 1).
, 2019b). 본 연구에서는 DR_M 모형의 3시간 간격 바람 입력자료와 1시간 간격 모형 출력자료를 분석하였으며, 분석 기간은 2013년부터 2017년까지 총 5년이다.
본 연구에서는 일본 큐슈대학교 응용역학연구소(Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, RIAM) 에서 운용중인 실시간 해황예보시스템 Dreams-M (DR_M)의 출력자료를 이용하였다. DR_M은 RIAM에서 개발한 3차원 해양수치모형 RIAM Ocean Model (RIAMOM)을 기반으로 하고 있으며 hydrostatic balance와 Boussinesq approximation을 가정하고 있다(Lee et al.
따라서 본 연구에서는 동해에 진입한 태풍에 의한 NIW의 생성과 함께 소용돌이의 효과를 살펴보는데 주안점을 두었다. 연구에 사용한 자료는 자료동화 된 실시간 해황예보모형의 입력 및 출력값이며, 연구 해역은 동해 전역을 포함한다(Fig. 1). 태풍에 의한 NIW 에너지 변동을 비교하기 위한 대조군은 태풍이 없었던 여름과 겨울의 NIW 에너지 평균값으로 각각 설정하였다.
세 시기의 비교를 위해, 태풍 시기의 에너지는 태풍이 통과하기 5일 전부터 30일 기간을 평균하였다. 태풍 차바의 경우 동해 남부의 태풍에 의한 NIW에너지만을 활용하였다(동해 북부의 동아시아 몬순에 의한 NIW에너지는 제외). Fig.

데이터처리

태풍에 의한 NIW 에너지 세기를 태풍이 없는 여름철 및 NIW가 가장 강한 겨울(12월) 30일 평균값과 비교하였다. 세 시기의 비교를 위해, 태풍 시기의 에너지는 태풍이 통과하기 5일 전부터 30일 기간을 평균하였다.

이론/모형

연직적으로는 z좌표계를 이용하여 40개층으로 구성되어 있고, 연직적으로 간격이 일정하지 않은 격자를 가지며 표층부터 수심 1000 m까지 28개의 격자가 분포한다. 연직 에디 확산 및 점성계수(vertical eddy diffusion and viscosity coefficient)는 Noh and Kim(1999)의 스킴(scheme)을 이용하며, 등밀도 에디확산(isopycnal eddy diffusion)은 Gent and Mcwilliams(1990)의 방법을 이용한다. 해수면에서의 운동량 플럭스(momentum flux)와 열 플럭스(heat flux)는 Kondo(1975)와 Hirose et al.
태풍 경로와 최대 풍속은 한국기상청(Korea Meteorological Administration, KMA)의 3시간 및 6시간 간격 자료를 이용하였으며, 태풍 강도는 태풍의 세기 분류 체계인 Saffir-Simpson scale에 따라 분류하였다.

성능/효과

모형의 수온분포를 확인해본 결과 5°C 등온선이 100~400 m에 분포하여 수심 400 m를 심층의 상부경계값으로 결정하였다.
본 연구기간동안 모형에서 수심 1000 m보다 깊은 곳에서 ω < N을 만족하는 경우는 3% 이내로 나타나 NIW의 거동을 살펴보기 위한 심층의 하부경계를 1000 m로 결정하는 것이 적절하다고 판단하였다.
, 2018). 본 연구에서 살펴본 바와 같이 태풍에 의한 NIW 역시 수일에서 수십일에 걸쳐 혼합층과 심층에 혼합을 야기할 수 있는 상당한 에너지를 공급함을 확인할 수 있었다. 이는 태풍이 미치는 영향을 고려할 때는 태풍에 의한 단기적인 영향과 더불어 NIW에 의한 영향도 함께 고려할 필요가 있다는 것을 보여준다.
태풍이 없는 여름철 NIW 에너지는 태풍의 영향을 최대한 배제하기 위하여 6, 7, 8월 중에서 우리나라와 동해, 일본 모두에 태풍이 없던 30일간의 평균이며, 바람이 강한 겨울철은 NIW가 가장 강하게 발생하는 12월의 30일간 평균이다. 대조군과 비교를 위한 태풍시기의 에너지 계산도 30일 평균을 적용하였다.

후속연구

본 연구에서는 최근 5년의 자료를 분석하였으나 연구기간에 동해를 통과하는 태풍의 횟수는 6회에 그쳐서 태풍의 세기나 빈도, 경로차이에 따른 NIW의 발생과 시간변동성을 살펴보기에는 한계가 있었다. 보다 장기간의 자료를 활용할 수 있다면 태풍의 세기 및 경로에 따른 NIW의 발생 및 분포의 차이를 좀 더 자세히 살펴볼 수 있을 것이라 기대된다.
본 연구에서는 최근 5년의 자료를 분석하였으나 연구기간에 동해를 통과하는 태풍의 횟수는 6회에 그쳐서 태풍의 세기나 빈도, 경로차이에 따른 NIW의 발생과 시간변동성을 살펴보기에는 한계가 있었다. 보다 장기간의 자료를 활용할 수 있다면 태풍의 세기 및 경로에 따른 NIW의 발생 및 분포의 차이를 좀 더 자세히 살펴볼 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	준관성주기파란?	준관성주기파(Near-inertial waves, NIW)는 바람이 부는 전 지구 해양 어디에서나 존재할 수 있으며, NIW의 주기는 일반적으로 해당 위도의 관성진동수(local inertial frequency, f)에 의해 결정된다. NIW는 해양의 연직 혼합을 야기하여 전지구적 성층구조와 열염분순환을 유지하는데 크게 기여한다고 알려져 있다(Munk and Wunsch, 1998).
	동해에서 NIW에 대한 연구는 무엇에 대해 진행된 바 있는가?	동해에서 NIW에 대한 연구는 태풍에 의한 NIW의 생성(Nam and Park, 2013)과 난수성 소용돌이와의 상관성(Park and Watts, 2005; Byun et al., 2010; Kawaguchi et al., 2020)에 대하여 진행된 바 있다. 최근 Jeon et al.
	본 연구에서는 동해에 진입한 태풍에 의한 NIW의 생성과 함께 소용돌이의 효과를 살펴보는데 주안점을 둔 이유는?	(2019b)은 실시간 해황예보모형 출력값을 이용하여 동해 혼합층 및 심층에서 NIW의 계절변동성과 소용돌이의 영향에 대하여 밝혔으나, 태풍이 만들어내는 NIW 에너지에 대해선 면밀히 살펴보지 않았다. 태풍의 강한 바람은 표층해양에 강한 모멘텀을 제공하는데, 특히 태풍 경로의 우측 해역에서는 이동하는 태풍이 고정된 해당 해역에 시계방향의 바람을 유도하게 되어 태풍의 왼편보다 강한 NIW 에너지를 야기할 수 있다(D’Asaro, 1985). 따라서 본 연구에서는 동해에 진입한 태풍에 의한 NIW의 생성과 함께 소용돌이의 효과를 살펴보는데 주안점을 두었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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