초록 ▼

I. 제목 : 동해 기후변동 예측 연구 II. 연구개발의 목적 및 필요성 1. 필요성 - 최근 수십 년 사이에 동해의 심층수 수온이 증가하고 용존산소량이 감소하였으며 어류의 종조성이 변화하였고, 또한 최근 울릉도 연안까지 백화현상이 발생하는 등 생태환경의 변화를 경험하고 있다. 이러한 요인을 정확하게 진단하고 향후 변동에 대한 예측 능력을 확보하는 것은 동해의 수산업과 환경보전 등 해역의 부가가치를 지속적으로 개발 및 관리하기 위하여 국가가 보유하여야 할 핵심적 과학 기술 중의 하나이다. - 기후변동의 영향을 예측하고 대체하

I. 제목 : 동해 기후변동 예측 연구 II. 연구개발의 목적 및 필요성 1. 필요성 - 최근 수십 년 사이에 동해의 심층수 수온이 증가하고 용존산소량이 감소하였으며 어류의 종조성이 변화하였고, 또한 최근 울릉도 연안까지 백화현상이 발생하는 등 생태환경의 변화를 경험하고 있다. 이러한 요인을 정확하게 진단하고 향후 변동에 대한 예측 능력을 확보하는 것은 동해의 수산업과 환경보전 등 해역의 부가가치를 지속적으로 개발 및 관리하기 위하여 국가가 보유하여야 할 핵심적 과학 기술 중의 하나이다. - 기후변동의 영향을 예측하고 대체하기 위해서 장기적인 학제간 연구가 어느 때 보다 절실하다. 물리적 강제가 생태계 구조에 미치는 직？간접적 영향을 이해하기 위해서는 다양한 영양준위에 대한 종합적 연구가 필요하다. 이를 위해 새로운 방법론을 활용해야 한다. - 미래에 나타날 생태계 변화를 예측하기 위해서는 현재의 동해 환경과 생태계의 상호관계에 대한 조사가 필요하다. - 동해의 장기적인 기후변동은 해양의 축소판인 동해의 열？염순환 변화에 기인하는 것으로 사료되며, 향후 동해 기후변동을 예측하기 위해서는 이러한 동해의 열？염순환을 정량적으로 이해하여야 한다. - 동해에서의 난수성 소용돌이의 형성 및 변화는 광역적 범위로 나타나며, 이로 인해 플랑크톤 군집의 구조변화를 야기하여 기존의 계절적 변화의 관점과는 다른 해석이 필요하다. - 동해 생태계 변동에 큰 영향을 주리라 사료되는 대한해협을 통해 동해로 유입되는 대마난류의 분지규모의 순환, 대마난류와 연관된 중규모 소용돌이의 형성 및 소멸, 연안역 혹은 대륙사면에서의 용승과 같은 국지적인 해양현상과 이들에 수반되는 해황 및 수층의 수직구조 변동 등이 해명되어야 한다. - 동해의 생지화학적 변동과정 연구는 현재 동해에서 진행되고 있는 지구기후변화와 관련된 자연변이에 관한 기초자료를 획득하기 위하여 대단히 중요하다. 동해에서의 생물기원 원소를 포함한 여러 원소들의 시공간적 플럭스 변이 및 순환에 관한 연구는 동해의 생지화학적 과정에 대한 이해를 확충시켜 줄뿐 아니라 환경보전과 이용에 대한 과학적 토대를 제공해 줄 것이다. 2. 목적 - 기존 해황 분석을 통한 동해 울릉분지에서의 연변동 이상 규모의 기후변동 파악. - 장기적 시계열 자료 및 목표 지향적인 해수특성 자료를 확보하여 울릉분지 분지규모와 중규모 해수순환 및 그 변동성을 정량적으로 규명. - 자연적인 과정을 이해함으로써 자연과정의 한 교란형태인 기후변동에 따른 동해의 변동과정을 이해하기 위한 기초자료 제공. - 동해의 생지화학적 변동 예측능력을 확보하여 향후 기후변동에 따른 국가의 장기적 대응전략 수립에 활용. - 식물플랑크톤 종 조성의 변화와 엽록소의 분포 및 일차생산력 변동에 관한 영향 파악 및 자료의 축적. - 난수성 소용돌이의 형성과 변화가 해양생물 개체군에 미치는 영향을 파악. - 동해 중서부 및 동해 서남부해역의 어란과 자치어의 종 조성과 지리분포 연구 및 지표생물 탐색. III. 연구개발의 내용 및 범위 - 2001년 4월, 10월의 다학제간 해양관측을 통해 동해 동？식물플랑크톤, 영양염 분포와 해황과의 연관성 파악. - 동해 남서부의 해황과 우점어종의 분포에 영향을 미치는 대한해협 저층냉수의 공간구조와 장기변동 분석. - 울릉분지 심층수의 장기 수온 변동 파악. - 장기 해류관측을 통해 울릉분지 해류의 시？공간적 분포 파악. - Box 모델을 이용한 울릉분지 심층수 수직확산 산정. - 침강입자 채취기 장기 계류를 통하여 침강입자 플럭스의 시계열 변이 파악. - 동해 표층 유광대의 일차생산력 변동을 파악하기 위한 영양염 역학 이해. - 현장조사와 위성자료 분석을 이용하여 춘계 및 추계의 식물 플랑크톤 번성의 공간적 양태를 조사. - CZCS pigment 자료(78‘-86’)를 이용하여 광역 식물플랑크톤 분포 파악. - CZCS pigment 자료와 해수면 수온 및 해수면 일사량 자료를 이용하여 동해 일차생?서의 식물플랑크톤 개체수 분석. - 동해 광역 조사를 통한 동물플랑크톤 군집의 분포파악. - 난수성 소용돌이 주변의 동물플랑크톤 군집과 물리적 요인과의 관계연구. - Flow cytometer를 이용한 초미세 플랑크톤의 분포파악. - 분급별 생산력 조사를 통한 초미세 플랑크톤의 일차생산 기여도. - 인편모조류의 분포 현황 파악. - 광역 조사를 통한 동물플랑크톤의 분포파악. - 어란과 자치어의 종조성과 지리분포 연구 - 동한난류수가 어란과 자치어 군집에 미치는 영향 연구. - 앨퉁이 어란의 비중 측정. - 앨퉁이 어란의 수직 분포 연구. IV. 연구개발결과 및 활용에 대한 건의 1. 울릉분지 해황과 해류 1986～2000년에 걸쳐 대한해협에서 격월 간격으로 획득한 해수특성 자료를 이용하여 대한해협 저층냉수 (KSBCW, Korea Strait Bottom Cold Water)의 공간적인 분포와 장기적인 시간변동을 살펴보았다. 냉수역에서의 해류자료와 해수특성 자료를 이용하여 KSBCW를 영구수온약층 내 수온의 연직구배가 극대인 수심의 하부에 존재하는 해수로 새롭게 정의하였고, 이러한 정의를 바탕으로 KSBCW의 계절적 분포 및 출현율과 체적의 시간변동을 분석하였다. 울기 단면 남쪽에서 서수도로 확장하는 냉수는 년 중 4월에 저층냉수의 출현율이 가장 낮으며, 반대로 8월에 저층냉수의 출현율이 가장 높은 계절변동을 보인다. 봄철인 4월에 저층냉수는 35°N 남쪽에서는 거의 영향을 미치지 못하다가 6월에 접어들면서 한국연안을 따라 대마도 북단까지 확장한다. 년 중 출현율이 가장 높은 8월에 저층냉수는 대마도 남단까지 확장하며 이 분포는 10월까지 지속된다. 겨울철인 12월에 접어들면서 저층냉수는 6월보다 약간 작은 세력범위를 보이며 출현율이 낮아지며, 2월에 대한해협 서수도 깊은골에 나타나는 냉수는 매우 드물어진다. KSBCW의 연평균 체적은 1987 ～ 1991년에 비해 1992 ～ 1998년이 크게 나타난다. 대한해협에 분포하는 KSBCW의 이러한 체적변동은 동해안을 따라 남하하는 북한한류수의 변동과 유사한 양상을 보인다. 울릉분지의 상층 순환과 해황은 북상하는 동한난류와 동한난류의 이안과 연관된 시계방향의 난수성 소용돌이에 의해 영향을 받는다. 2001년 4월에는 동한난류가 좁은 폭을 형성하며 한국 동해안에 인접하여 북상 후 연안으로부터 떨어져 울릉도 서쪽에 난수성 소용돌이를 형성하였고, 10월에는 대한해협으로 유입된 동한난류가 넓은 폭을 갖고 연안과 거리를 두고 북상하면서 울릉도 북쪽 해역에서 소용돌이를 형성하였다. 4월에 대한해협에서는 동한난류의 기원이 되는 대마난류수가 전 단면을 점유하고 있으며, 연안쪽으로는 바닥에 깔려 얇은 두께로 대한해협 저층냉수가 나타난다. 10월에는 계절적 수온 및 염분약층이 발달하고 두께 약 40～70 m인 표면 혼합층에는 고온, 저염의 대마난류 표층수가 나타난다. 고염의 핵으로 특징되는 대마난류 중층수는 계절적 약층 하부 단면의 외해역에 나타나며, 한국 연안쪽으로는 4월에 비해 수직적으로 두꺼운 대한해협 저층냉수가 해저면에 나타난다. 10월의 경우 단면의 중앙부분 표면 혼합층 하부에 염분 역전층이 나타나는 것이 특징이다. 4월 난수성 소용돌이를 남북으로 가로지르는 단면에서의 해수특성 분포에 의하면 소용돌이는 폭 120 km, 중앙부에서의 최대 두께가 약 170 m 에 달한다. 소용돌이 가장자리에는 소용돌이 외곽을 따라 새로이 공급되는 고온, 고염수가 나타나며, 소용돌이 하부에는 염분 34.06 psu 미만인 동해중층수가 분포한다. 동한난류를 따라 남북으로 관측이 이루어진 10월의 경우 수심 60 m 부근에 계절적 수온과 염분약층이 형성되고, 염분약층 하부에는 염분으로 보았을 때 염분 34.3 psu 이상의 고염 균질수가 분포한다. 38.5°N을 동서로 가로지르는 단면상에서는 4월에 염분 34.0 psu 미만의 염분이 낮은 동해중층수가 출현하였으며, 10월 동일한 단면상에서는 이러한 저염의 동해중층수는 나타나지 않았다. 4월 난수성 소용돌이 중앙부에서는 엽록소 농도가 1.0 ～ 2.5 ㎍/ℓ로 높게 나타나며, 10월의 경우 동한난류를 따른 남북 단면상에서는 상층 엽록소 농도가 0.5 ㎍/ℓ 이하로 작게 나타난다. 4월의 소용돌이 중앙부에서는 수심 약 30 m에 subsurface chlorophyll maximum (SCM)층이 나타나며, 소용돌이 북쪽에서는 보다 수심이 깊은 30～70 m에 SCM층이 나타난다. 울릉분지에서의 장기 심층류 관측 결과에 의하면 울릉도-독도간 Ulleung Interplain Gap (UIG)을 통해 울릉분지 북부의 중？저층수가 울릉분지로 유입되고, 한국 동해안 대륙사면에는 deep western boundary current 형태의 강한 남향류가 나타난다. 울릉분지 남쪽과 중앙에서는 평균해류가 미약하고 해류의 시간변동이 심하지만 분지 내 해저면을 따른 저층순환은 상층과 달리 반시계 방향인 것으로 사료된다. 심층류의 변동은 계절 변동이 뚜렷치 않은 대신에 15～40일 주기의 변동이 우세하게 나타난다. UIG의 수심 400 m 보다 깊은 3개 층에서의 해류관측 결과는 해류의 변동이 순압적임을 보여 주며, 해저면 부근에서의 평균해류나 시간변동 하는 해류가 상층에 비해 크게 나타나는 것이 특징이다. UIG에서의 해류 변동은 난수성 소용돌이의 운동과 연관된 것으로 사료되는 400 m 층의 수온변동과 부분적으로 상관관계를 보이지만, 상층의 소용돌이 변동과 해저면 부근에서의 강한 해류 변동과의 연관성은 보다 상세한 자료의 분석이 요구된다. 울릉분지에서 1996년이래 수집된 심층 관측자료의 분석 결과는 분지 내 심층수가 온난화 경향을 보여 주며, 이러한 온난화는 약 0.005℃/년으로서 동해 다른 분지의 온난화 경향에 비해 수온 증가율이 크게 나타난다. 동일 기간 중 울릉분지와 일본분지의 연결 통로인 UIG에서의 심층수 수온 변화는 분지 내 심층수 수온 변화만큼 크게 나타나지 않고 있어 분지 내 심층수 온난화는 외부로부터 온난화 된 해수의 이송이 아닌 분지 자체의 수직적인 열 전달에 의한 것으로 사료된다. UIG에서의 장기 해류관측 결과와 울릉분지에서의 장기 축적된 해수특성 자료를 이용하여 산출한 울릉분지 심층수의 수직확산 계수는 60×10-4 m2/s로서 대양의 다른 심해분지에 비해 크게 나타난다. 2. 생지화학적 과정 동해에서의 침강입자 플럭스는 북서태평양의 다른 주변부 해역인 Bering Sea, Okhotsk Sea 보다도 적어도 2 ～ 3배 정도 높다. 일차생산을 반영하는 유기탄소의 침강플럭스는 지역별, 시기별로 매우 다양한 변화를 보이고 있다. 춘계 식물 플랑크톤 대번성의 경우, 95년 일본분지에서의 자료와 같이 발생하지 않는 해도 있었으며, 동해 남서부 해역에서는 2월부터 유기탄소 침강플럭스의 증가하기도 한다. 추계 식물플랑크톤의 대번성에 의한 유기탄소 침강플럭스의 증가는 일본분지에서는 10월 중순에서 11월 중순까지 관측되며(1994년), 울릉분지와 독도-울릉도 사이 지역에서는 여름철에도 높은 유기탄소 침강플럭스가 관측되기도 하였다. 춘계와 추계에서의 유기탄소의 침강플럭스의 증가는 규조류의 대번성에 의한 것이며 수온이 높은 하계에는 일시적으로 탄산염의 플럭스가 증가하기도 한다. 동해 남서부해역에서 유기탄소의 침강플럭스가 심한 변동을 보이는 것은 이 해역에서의 와류의 움직임과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. 그리고, 여름철 유기탄소의 침강플럭스 증대는 와류에 의한 영향 이외에 수층에서 질소고정 미소생물의 기여와 관계될 지 모른다. 1999년 1년간 1020 m 와 2100 m 사이의 수층에서 분해된 생물기원 규소와 입자성 질소의 mole 비는 4.5:1 로 나타났다. 이것은 수층에서의 규산염과 질산염의 mole 비를 상회하는 값으로 동해의 심층에서는 규산염/질산염의 비가 증가하는 방향으로 진행되고 있다는 사실을 지시하고 있다. 2001년 4월 울릉분지를 남북으로 종단한 G-line 에서의 영양염의 분포는 수온분포 경향을 반영하고 있다. 즉, 와류의 중심부에서는 낮은 농도의 영양염이 좀 더 깊은 수심까지 나타나며 와류의 주변부에서는 상대적으로 높은 농도의 영양염이 얕은 층에 존재한다. 이 시기의 입자성 유기탄소(POC)의 농도는 와류의 주변부 중에서도 북쪽방향에서 높게 분포한다. 질소성분을 기준으로 표면혼합층내에서의 용존성 무기질소는 지역에 따라 거의 고갈된 형태에서 최대 약 2 umole/l 정도까지 존재한다. 이는 겨울철의 표면층에서의 4 ～ 6 umole/l 에 비하면 지역에 따라 최대 50 % 까지가 잔류되어 있는 것이다. 입자성 질소는 많게는 4.65 umole/l 가 존재하며(EC1) 이 정점 표층에서의 용존성과 입자성 질소성분은 총 5.5 umole/l 로 거의 겨울철의 총 무기질소의 농도에 가깝다. 표층에서의 입자성 질소가 총질소성분에서 차지하는 비율은 적게는 50 %에서 많게는 90% 이상을 상회하기도 한다. 입자성 형태가 대부분을 차지하는 정점들에서는 용존성 질소성분은 거의 고갈되어 있는 상태이다. 3. 생태계 반응 1978년 11월부터 1986년 12월까지의 CZCS pigment 자료 중 구름 등 대기 영향에 의한 자료 손실 등이 적은 4월, 7월, 10월 자료에 대하여, 1979년부터 1984년 기간 내의 자료를 집중 분석하였다. 4월 자료에서 봄 번성이 관측되었고, 매년 시기의 차이가 있다. 봄 번성의 공간적인 차이도 보이고 있다. 공간적인 분포를 3가지 형태로 나룰 수 있다. 첫째 1980년의 경우, 동해의 남쪽해역, 즉 37。N 이남의 일본 연안쪽에서 번성이 관측되었다. 둘째, 1981년은 동해 중심부와 한반도 쪽의 해안에서 상당히 넓은 해역에서 높은 엽록소 농도가 관측되었다. 셋째, 1983년의 경우로 134。E의 서쪽해역에서 한반도의 동해안을 따라 남북 방향으로 번성이 관측되었다. 7월은 성층이 발달한 시기로 동해에서 번성이 일어나지 않는 시기이며, 대체적으로 1979년에서 1984년 사이에 0.5 mgm-3 이하의 낮은 농도를 보이고 있다. 1981년의 경우는 35。N과 130。E에서 북동 방향으로 2.5 mgm-3 이상의 농도를 가진 사선형 패취가 관측되었다. 10월 자료에서는 1979년과 1981년, 1984년에 번성이 관측되었다. 그 외 다른 해에는 11월경에 번성이 관측되었다. CZCS pigment 와 해수면 온도 그리고 해수면 일사량을 이용하여 1978년부터 1986년까지의 모든 자료에 대해 일차 생산을 계산하였다. 그 중 봄과 가을 번성에 기준을 두어 4월과 10월 자료를 집중적으로 분석하였고, 비교를 위해 7월 자료도 함께 분석하였다. 계산된 일차 생산 영상의 화소값 분포 특성을 보기 위해 히스토그램 분석도 병행하였다. 4월, CZCS pigment 분석에서도 언급을 했지만, 일차 생산 분포를 3가지 형태로 요약할 수 있다. 첫째, 1980년과 1982년의 경우로 동해의 37。N이남의 일본 쪽 해역에서 다른 해역에 비해 높은 일차생산량을 나타내고 있으며, 1200 mgCm-2day-1 정도를 나타내고 있다. 두 번째 형태로 1981년을 들 수 있다. 동해 전역에서 높은 일차생산을 보이고 있지만, 황사로 인한 CZCS pigment의 오염이 일부 있을 것으로 사료된다. 마지막 세 번째 형태로 1983년의 경우인데, 동해중심부의 134。E의 서쪽해역에서 한반도 해안을 따라 남북 방향으로 1000 mgCm-2day-1 이상의 높은 일차생산을 나타내고 있다. 7월, 79년에서 1984년까지는 대체적으로 600 mgCm-2day-1 부근의 값을 가지고 있다. 10월, 동해에서 일차생산 이 높아지기 시작하는 시기이며, 연 별 변화가 있다. 2000년 11월과 2001년 4월에 조사한 동해의 식물플랑크톤 생태계는 뚜렷이 다른 특징을 보였다. 먼저 초미세 플랑크톤의 개체수 분포를 살펴보면 두시기에 분류군별로 다른 변화를 나타냈다. Synechoccoccus는 11월에 평균 2.4x 1012cells/m2의 개체수를 보였으나 4월에는 6.2x1011cells/m2의 감소된 개체수를 보였다. 반면 picoeukaryotes는 11월에 3.3 x 1011cells/m2에서 4월에 2.0x1012 cells/m2로 개체수 증가가 나타났다. Prochlorococcus는 4월에 동해에서 분포하지 않았다. 이들 초미세 플랑크톤이 식물플랑크톤 생체량과 일차생산에 기여하는 정도는 11월에 높게 나타났는력은 54.4%를 나타냈다. 그러나 4월에는 nano+netplankton의 생체량이 증가하며 초미세 플랑크톤은 전체 엽록소-a 35.9%, 일차생산의33.3%를 담당하는 것으로 나타났다. 4월에는 정점평균 엽록소-a 농도는 75.5mg/m2으로 11월의 22.1 mg/m2에 비해 큰 증가가 있었다. 식물플랑크톤의 개체수 분석 결과는 자가영양편모류와 인편모조류, 규조류의 개체수가 11월에 비해 증가하였음을 보였다. 특히 주목 할 현상은 4월의 식물플랑크톤 생체량 증가에 있어 자가영양편모류가 중요한 역할을 한다는 점이다. 규조류의 경우는 성층이 뚜렷한 북쪽 수역의 정점에서 높은 개체수를 나타낸 반면 자가영양편모류는 성층이 약하게 형성된 대부분 정점에서 높은 개체수를 나타냈다. 자가영양 편모류의 정점 평균 개체수는 3.5x1010cells/m2로서 1.2 x109cells/m2를 보인 규조류의 개체수보다 높은 결과를 보였다. 인편모조류도 4월이 11월에 비해 높은 개체수를 나타냈다. 동물플랑크톤의 출현량과 종조성에 대한 연구가 2001년 4월과 10월에 동해에서 실시되었다. 우점하는 주요 분류군은 두 계절 모두 요각류로 전체 동물플랑크톤의 70% 이상을 차지하였다. 요각류의 우점종은 4월에 Clausocalanus sp. (21.7%), Paracalanus indicus (17.8%) 그리고 10월에는 Paracalanus indicus (16.6%), Oncaea spp. (12.3%)로 나타났다. 동물플랑크톤의 출현 개체수는 4월에 560 ～ 5,036 개체/m3였고, 10월에는 129 ～ 645 개체/m3로 봄철에 출현량이 높게 나타났다. 어란과 자치어 군집에 관한 연구는 2000년 11월과 2001년 10월에 동해에서 실시되었다. 시료는 봉고네트 (2000년 11월)와 IKMT (Isaacs-Kidd mid-water trawl) 네트 (2001년 10월)를 이용하여 수집하였다. 2000년 11월 조사에서 어란을 포함 자치어는 총 46종이 출현하였다. 자치어의 종별 생물량 비율을 보면 앨퉁이는 전체 출현량의 69.1%를 차지하며 우점하였고, 다음은 멸치로 7.3%, 악어치 2.6%, 놀래기 1.6%, 쌍동미리 1.6%, 망둑어류 1.2%, 바다뱀류 1.2%, Spinapsaron spp. 1.2% 그리고 기타 어종들의 출현량 비율은 각각 1.0% 미만이었다. 우점종인 앨퉁이를 제외한 대부분의 종들은 난류종이었다. 2001년 10월 조사에서 어란을 포함 총 72종의 차치어가 출현하였다. 자치어의 종별 출현량 비율을 보면 멸치가 전체 출현량의 56.3%를 차지하며 우점하였고, 다음은 깃비늘치로 7.8%, 망둑어류 4.8%, 놀래기 2.8%, 바다뱀류 2.2%, 흙무굴치 1.3%, 전갱이 1.2%, Acanthaphritis uroorum 1.1%, Scorpaenidae spp. 1.1%, 꽃돔 1.1%, 그물메기 1.1%, 자리돔 1.0%, 돛양태류 1.0% 그리고 기타 어종들은 출현량 비율이 각각 1.0% 미만이었다. 우점종을 포함 대부분의 종들은 난류종이었다. V. 결론 및 제안 이 사업의 과학적 결과는 대상해역인 울릉분지 해역의 지속 가능한 어족자원 및 환경오염과 폐기물 관리, 향후 기후변화에 대한 대비 및 자료/모델 비교를 통한 보다 정확한 해양예보 서비스 등 보다 실질적인 사회적인 관심사에 단기적, 그리고 장기적으로 활용 될 수 있을 것이다. 동해의 입구인 대한해협과 울릉분지에서 수집된 기존 자료와 현장관측 자료의 분석 결과는 대한해협 저층냉수의 장기변동과 심층수의 온난화 경향 및 해황과 해류의 다양한 규모의 변동을 보여주며, 이러한 물리적 강제력 변동은 동해의 생태계 변동과 직？간접적으로 연관되리라 사료된다. 그러므로, 분석된 결과는 기 보고된 수산자원의 장기변동을 이해하고 기후변동에 따른 향후 수산자원 변동을 예측하는데 유용하게 활용될 것이다. 시계열 침강입자 채취기를 이용하여 획득된 다년간의 자료는 동해의 평균 침강입자플럭스가 Bering Sea, Okhotsk Sea 보다 2 ～ 3 배 정도 높다는 것을 보여준다. 여름철에 동해 남부해역에서 유기탄소의 침강 플럭스가 봄철 못지 않게 크다. 그리고, 여름철에 침강하는 입자중의 유기탄소는 다른 계절에 비하여 수층에서 분해가 잘 이루어진다. 여름철의 유기탄소 침강플럭스를 증대시키는 요인을 정확하게 규명하여야 한다. 이를 위하여 질소 동위원소의 분석을 통하여 질소 고정의 기여를 정량화할 필요가 있다. 시계열 침강입자 실험 자료는 1020 m 와 2100 m 사이에서 분해되는 생물기원 규소와 질소의 비가 현재 동해 수층의 규산염과 질산염의 비보다 크다는 것을 보여준다. 이것은 동해 수층의 영양염 구성비를 변하게 할 것이다. 그 규모와 영양염 구성비를 변화시키는 요인 및 변화가 가지는 의미를 추적할 필요가 있다. 1979년부터 1985년 사이 동해 일차생산의 경년변동이 관측되었다. 이 변동과 관련하여 엽록소농도, 수온 및 일사량의 연변화도 관측하였지만, 엽록소농도를 제외하고는 일차생산 경연변동과 직접적인 연관을 찾을 수 없었다. 일차 생산의 경년변화와 함께 공간적인 분포 형태도 매년 다르게 나타났다. 일차생산의 변동과 물리적인 강제가 연관있는 것으로 사료된다. 동해로 들어오는 해류의 변화와 이에 따른 국지적인 전선대 그리고 수괴 특성에 의한 혼합구조 등이 그 원인일 것이다. 일차생산 추정의 방법적인 면에서도 오차를 최소화 할 수 있는 경험적 자료와 연구가 수반되어야 할 것이다. 광역 해색자료의 이용하여 동해 일차 생산변동을 관측하고, 그 원인과 자연생태계에 미치는 영향에 대해서도 계속적인 연구가 요구된다. 현재까지의 식물플랑크톤 생태계 분석은 물리환경의 계절변화와 연동관계를 파악에 중점을 두고 있다. 난수성 소용돌이와 같은 중규모적 해양환경에 의한 식물플랑크톤 생태계 변화는 계절변화와 같은 물리적 강제력이 이해된 후 판단하여야 할 분야로서 3차년도에서 분석이 이루어질 예정이다. 대마난류의 영향을 받는 해역에서 동물플랑크톤의 개체수 및 난류종의 출현빈도가 높게 나타났다. 따라서 동물플랑크톤 군집의 분포를 결정짓는 물리적 강제에 대한 폭넓은 이해와 보다 정밀한 조사가 요구된다. 조사해역의 우점종은 멸치와 앨퉁이였다. 중층성 어류인 앨퉁이를 제외한 대부분의 종들은 난류종으로 이들은 동한난류수를 따라 동해로 유입된 것으로 추정된다. 그리고 표층혼합수층의 평균 수온 변동과 생물량 및 출현종수의 변동은 2000년 11월 조사와 2001년 10월 조사 모두 유의한 양의 상관관계가 있는 것으로 나타나 수괴내의 수온구조가 자치어의 군집에 큰 영향을 주는 것으로 판단된다.

Abstract ▼

I. Title : Marine ecosystem responses to climate variability in the East Sea II. Necessity and Objectives of the Study 1. Necessity - Marine environment has been changed in the East Sea during recent several decades. This ongoing changes include an increase in deep water temperature, decrease of

I. Title : Marine ecosystem responses to climate variability in the East Sea II. Necessity and Objectives of the Study 1. Necessity - Marine environment has been changed in the East Sea during recent several decades. This ongoing changes include an increase in deep water temperature, decrease of dissolved oxygen in deep water, change of species in fishery, and progress of whitening around the Ulleungdo. The precise analysis is required to understand the scale and strength of recent changes and to predict the effects of changes on the future living conditions in nation. - To predict and cope with the impacts of the climate changes, long-term interdisciplinary studies is needed more than ever. To understand the direct and indirect impacts of the changes in the physical forcing on the ecosystem structure, integrated investigation is required for various trophic levels. To this end, new methodologies should be exploited. - It is necessary to compile and analyze the present status and condition as well as determine the interaction between the current ecosystem and environment of the East Sea to predict any potential future ecosystem changes in the East Sea. - To predict the climatic variability in the East Sea as a miniature ocean, the thermohaline circulation of the East Sea should be understand quantitatively. - Mode of warm eddy, which is formed and changed in large scale, would influence on the variation of plankton community. Because the variation pattern is different from the seasonal variation of plankton community, analysis of another viewpoint is in need in the East Sea. - Basin-scale circulation fed by the Tsushima Current, generation and evolution of meso-scale eddies, coastal upwelling and upwelling in the continental slope, and associated changes in hydrography and vertical structure of water column are thought to be important physical factors affecting the ecosystem and its variability, hence they need to be clearly understood. - To understand the response of oceanic biogeochemical processes related to the climate change. - To study on the geographical distribution pattern of the coldwater masses to affect fishing grounds 2. Objectives - To examine interannual and longer-term climate variability through the historical data analysis - To understand, quantitatively, the basin- and meso-scale circulation and their variability through the collection of long-term time series data and process-oriented hydrographic data - To develop appropriate data bases that can be used to understand the responses of biogeochemical conditions to climate perturbation - To determine and understand the processes controlling the time-area-varying fluxes of biogenic elements - To study seasonal distribution of chlorophyll a and primary productivity - To clarify and better understand phytoplanktonic ecosystem - We tried to understand the effects of warm eddy formation and changes on variation of population of marine organisms. - To study the assemblage and geographical distributions of the ichthyoplankton and to find the biological indicator species - Investigation of continental rifting and subsequent seafloor spreading that led to the formation of the southwestern East Sea by modeling and tomography of crustal and mantle structure of the Korean margin and the Ulleung Basin - Presentation of distribution and characteristics of the Holocene sediments in the Ulleung Basin in terms of paleoenvironment and paleoclimatology III. General scope of the study - Multidisciplinary oceanographic surveys in April and October to investigate the distribution of planktons and nutrients in relation to the hydographic condition - Analysis of the spatial structure and long-term variability of the Korea Strait Bottom Cold Water that influences the hydrographic condition and the distribution of dominant fish species in the southwestern East Sea - Analysis of historical CTD data to investigate the long-term change in deep water temperature - Long-term moored current measurements to investigate the spatial and temporal structure of currents in the Ulleung Basin - Calculation of the vertical diffusivity of deep water in the Ulleung Basin using a box model - Time-series variability of downward particle fluxes - Nutrient and particle biogeochemistry. - Spatial patterns of the spring and autumn phytoplankton blooms are investigated by satellite data analysis as well as in-situ surveys - To understand year to year variation of Primary production using CZCS pigment (78'-86') - To understand distribution of zooplankton through large scale survey - To investigate the interaction between environmental factors and zooplankton community around warm eddy. - Analysis on distributional patterns of picoplankton using flow cytometer - Determination of primary production contribution by picoplankton through fractionated production analyses - Determination of distributional pattern of Coccolithophores - To understand distribution of zooplankton through large scale survey - Study on the assemblage and geographical distribution of the ichthyoplankton. - Analysis of the correlation between the assemblage of the ichthyoplankton and the structure of the East Korean Warm Current. - To measure of the specific gravity of Maurolicus muelleri eggs - To study on the vertical dynamic patterns of the Maurolicus muelleri eggs IV. Results and suggestions 1. Hydrography and currents in the Ulleung Basin Long-term hydrographic and current data are analyzed to investigate the spatial and temporal structure of the Korea Strait Bottom Cold Water (KSBCW). The KSBCW is newly defined in this study as a water mass below the maximum vertical gradient of temperature in the permanent thermocline. Based on the definition the seasonal distribution, the appearance rate, and the volume of the KSBCW are estimated. The KSBCW extends to south towards the western channel of the Korea Strait from an area off Ulgi and shows the seasonal variation in its appearance rate in the Korea Strait, a minimum in April and maximim in August. It is confined north of 35°N in April, and extends to the north of Tsushima Island hugging the Korean coast in June. It appears in the southern Tsushima Island in August when its appearance rate shows an annual maximum, and the wide distribution of the KSBCW in the Korea Strait persists until October. The appearance rate becomes reduced in December, and it is hardly found in the deep trough west of Tsushima island in February. The annual mean volume of the KSBCW had been increased during 1992 ～ 1998 as compared to that during 1987 ～ 1991, which appears to be associated with the variation of the North Korean Cold Water mass flowing southward along the eastern coast of Korea. Hydrography and circulation in the upper layer of the Ulleung Basin are mainly influenced by the East Korean Warm Current (EKWC) and an anticyclonic warm eddy that is associated with the separation of the EKWC from the coast. The northward flowing narrow EKWC hugged the eastern coast of Korea and formed the warm eddy west of Ulleungdo in April 2001, while it formed a broader northward flowing current off the coast with the warm eddy formed north of Ulleungdo. The Tsushima Warm Current Water that feeds the EKWC water occupies the whole section cross the western half of the Korea Strait, and the KSBCM occupies a shallow bottom layer close to the Korean coast in April. Seasonal thermocline and harocline are formed in October and the Tsushima Current surface water occupies the upper mixed layer of 40 ～ 70 m deep. The Tsushima Current middle water that is characterized by a core of high salinity occurs below the seasonal thermocline offshore of a section across the western half of the Korea Strait. The thicker KSBCW than in April appears close to the Korean coast near the seabed also in October. A salinity conversion layer was observed below the seasonal thermocline in the Korea Strait in October. A long meridional section in April shows the existence of the warm eddy that is about 150 km wide and about 170 m thick in the center of the eddy. A newly-supplied warm and saltier water is found at the southern and northern peripheries of the eddy, and the East Sea Intermediate Water (ESIW) having salinity less than 34.06 psu is found below the warm eddy. The same long meridional section in October shows the formation of the seasonal thermocline and harocline at around 60 m depth, and a homogeneous layer with a high salinity core (S > 34.3 psu) is found below the harocline. A fresh ESIW with salinity less than 34.0 psu was found on a zonal section along 38.5°N in April, but it disappeared in October on the same section. The chlorophyll concentration was high inside the warm eddy ranging 1.0～2.5 ㎍/ℓon the meridional section across the warm eddy in April, but was lower than 0.5 ㎍/ℓin October on the same section but followed the northward flowing EKWC. The subsurface chlorophyll maximum layer is found at about 30 m depth inside the eddy in April, and a deeper SCM layer is found north of the eddy between 30～70 m depth. Southwestward flows in the Ulleung Interplain Gap (UIG) between Ulleung and Tokdo and a strong southward western boundary undercurrent off the eastern coast of Korea on the continental slope characterize the long-term deep mean flows in the Ulleung basin. Although the mean abyssal flows are weak in the central and southern Ulleung Basin with high temporal variability, the overall mean circulation appears to be cyclonic in the abyssal layer in the Ulleung Basin opposite to the dominant anticyclonic circulation in the upper layer. Seasonal variation of deep flows are not obvious, while the mesoscale variability with period of 15～40 days is dominant in the observed fluctuations. Fluctuations at three depths below 400 m are mainly barotropic in the UIG with characteristics of stronger mean flow and larger temporal variation near the seabed as compared to the flows above. The current fluctuations appear to be related with temperature fluctuations at 400 m depth that seems to be associated with the movement of the warm eddy in the upper layer. More detailed analysis is required to figure out the relationship between the movement of the warm eddy and the current fluctuations. A warming trend in deep water temperature is found in the Ulleung basin in full-depth CTD data sets that has been compiled since 1996. The warming rate is approximately 0.005℃/year which is larger than those rates reported in other basins in the East Sea. The temperature variation in the UIG, that serves as a conduit of deep waters between Japan and Ulleung basins, is smaller than the variation inside the basin, suggestive of the local downward diffusion of heat more important than the advection of heat through the UIG. Vertical diffusivity is estimated to be 60×10-4 m2/s using long-term current data in the UIG and all available CTD data in the Ulleung Basin, that is an order of magnitude greater than the value in other deep basins in the ocean. 2. Biogeochemical processes Average downward total mass flux in the East Sea estimated from the recent experiments of sediment trap mooring was higher than 0.30 g/m2/day at least. This flux is two or three times greater than the sinking particle fluxes of the Okhotsk Sea and the Bering Sea, the marginal sea of the Northwest Pacific. Organic carbon fluxes related to the signal of primary productivity showed a high time and spatial variation. There was not the signal of spring bloom in the Japan Basin, 1995. In the southern part of the East Sea, spring bloom has been started in February. Even the East Sea is known as oligotrophic ocean in summer, organic carbon flux to be comparable to that in spring has been observed. This may result from the effect of eddy, however, partly there may be the contribution of the N-fixation by micro organism. Average mole ratio of biogenic silica and particulate nitrogen decomposed between 1020 m and 2100 m during one year was 4.5 : 1. This value is higher than mole ratio of silicate and nitrate in deep water of the East Sea. This implies that ratio of silicate and nitrate in deep water is increasing. The distributions of nutrients respond to the characteristics of distribution of water temperature. The ratio of nitrate/phosphate was lower than 10 and particulate organic carbon and nitrogen contents were relatively high in surface water near the Hupo Bank in April. This indicates that nitrate was being depleted by the spring bloom of phytoplankton. And nitrate/silicate ratio in this area was higher than that in other areas. This suggests that silicate is firstly consumed in spring bloom. Dissolved inorganic nitrogen in surface mixed layer was depleted in some area and showed maximum 2 μmole/l in other area in April 2001. This is close to the half of the concentration of 4 ～ 6 μmole/l in surface layer of winter. Maximum concentration of particulate nitrogen was 4.65 μmole/l in April. 3. Ecological responses Of CZCS pigment data, during Nov '78 through Dec '86, April, July, and October data of '79 through '84 for the East Sea have been analyzed. Spring blooms were observed in April data with variability of timing. Also spatial variability was evident. There were three patterns of spatial distribution of pigments. Firstly, n 1980, spring blooms were observed in the Japanese coastal region south to the 37N. Secondly, in 1981, high chlorophyll concentration was observed in large area in the central region and Korean coastal region of the East Sea. Third pattern was the case of 1983, when blooms were observed in meridional direction along the Korean Peninsula west to 134E. Typically, no blooms were observed in July due to the stratification, the pigment concentration usually being less than 0.5 mg m-3. However, in July of 1981, blooms were observed in rather large parts of the East Sea. In October, there were blooms in 1979, 1981, and 1984, while in other years, blooms were observed in November. Using CZCS pigment, SST, and solar radiation data, primary production has been calculated for all the data during the period of 1978 through 1986. Analysis has been focused on April and October data in reference to spring and autumn blooms. Also July data were compared. Histograms of primary production values were analysed. As was mentioned in pigment patterns, three patterns were also evident in the primary production. Firstly, in 1980 and 1982, primary production was higher in Japanese coastal region south to 37N with typical values about 1,200 mg C m-2 d-1. Second pattern was the case of 1980. when high primary production was observed all over the East Sea, altlough overestimation might have resulted from the Yellow Sand contamination. Lastly, the third pattern was the case of 1983, area of high production was present along the Korean Peninsula in meridional direction. The production level was about 1,000 mg C m-2 d-1. The mode value of primary production in July was about 600 mg C m-2 d-1. There were large year-to-year variability in the primary production in October. The ecological investigation of phytoplankton showed distinctly different characteristics between two surveys conducted in November 2000 and April 2001. Firstly, the distribution of picoplankton abundances exhibited well-defined changes in taxa groups between the two seasons i.e., summer and winter. The average cell abundance for Synechococcus was 2.4x 1012cells/m2 in November, however, in April, its average cell abundance showed a decreased concentration of 6.2x1011cells/m2. An opposite trend was observed for picoeukaryotes where the average April abundance (2.0x1012 cells/m2) was higher than November (3.3 x 1011cells/m2). On the other hand, there were no observable Prochlorococcus cell in April in the sampling stations of the East Sea. The picoplankton contribution to total primary production was higher in November comprising 52.0% of total chlorophyll-a and 54.4% of primary production. However, with biomass increase in nano + netplankton in April, the contribution of picoplankton to the total chlorophyll-a and primary production was decreased to 35.9% and 33.3%, respectively. Also, in April, the averaged chlorophyll-a concentration for all stations was 75.5 mg m-2 which showed a drastic increase from the November concentration of 22.1 mg m-2. In general, phytoplankton abundance analyses showed that autotrophic flagellate, coccolithophore and diatom communities notably increased in cell numbers in April compared to November samples. Particularly, the analyses showed that autotrophic flagellates played an important role in the April increase of phytoplankton abundance. In April, high diatom cell abundances were observed in the northern part of the sea where prominent thermoclines were formed whereas high abundance of autotrophic flagellates were observed along the areas of weak thermocline. Also, higher abundance (3.5x1010cells m-2) of autotrophic flagellates was observed when compared to diatom (1.2 x109cells m-2). Coccolithophores also showed a similar trend of higher abundance in April than November. The species composition and abundance of zooplankton were studied in the East Sea in April and Octover, 2001. Among dominant taxa of the zooplankton community, copepods were predominant in both seasons. They contributed up to 70% of the total zooplankton abundance. In the copepod community, Clausocalanus sp. (21.7%) and Paracalanus indicus (17.8%) were dominant in April; Paracalanus indicus (16.6%) and Oncaea spp. (12.3%) in October, 2001. The individual numbers range from 560 ～ 5,036 ind. m-3 in April and 129 ～ 645 ind. m-3 in October. Investigation on the larval fish assemblage was conducted in the East Sea in November 2000 and October 2001. The sampling gear was the bongo net in November 2000 and IKMT (Isaacs-Kidd mid-water trawl) net in October 2000. In November 2000 survey, the total of 46 species of fish larvae were found in the study area. Among them Maurolicus muelleri was the most dominant species comprising 69.1% of the total larvae, followed by Engraulis japonicus with 7.3%, Champsodon snyderi with 2.6%, Pseudolabrus japonicus with 1.6%, Parapercies sexfasciatus with 1.6%, Gobiidae spp. with 1.2%, Ophichthidae spp. with 1.2%, Spinapsaron spp. with 1.2% and the other rare species comprising of less than 1.0%, respectively. The most of fish larvae except for M. muelleri were the warm water species. In October 2001 survey, a total of 72 species of fish larvae were found in the study area. Among them Engraulis japonicus was the most dominant species comprising 56.3% of the total larvae, followed by Benthosema pterotum with 7.8%, Gobiidae spp. with 4.8%, Pseudolabrus japonicus with 2.8%, Ophichthinae sp. with 2.2%, Synagrops philippinensis with 1.3%, Trachurus japonicus with 1.2%, Acanthaphritis uroorum with 1.1%, Scorpaenidae spp. with 1.1%, Sacura marugaritacea with 1.1%, Neobythites sivicola with 1.1%, Chromis notatus with 1.0%, Repomucenus sp. with 1.0% and the other rare species comprising of less than 1.0%, respectively. The most of fish larvae were the warm water species. There was a significant positive correlation between the number of species and biomass of the fish larvae and the mean temperature of the mixed layer of the surface in the survey area in November 2000 and October 2001. V. Suggestions for Applications The scientific results of the project is expected to have short- and long-term effects on some of the important societal and practical problems such as the management of the sustainability of the fisheries resources and pollution and waste materials, preparation of future climate change, and accurate operational ocean forecasting services through data/model inter-comparisons using quantitative data sets acquired throughout the project. Analysis of long-term data compiled and survey data conducted in the Korea Strait and Ulleung Basin shows an interannual variability of the Korea Strait Bottom Cold Water, a warming trend of deep water in the Ulleung Basin, and various scales of variability in hydrography and currents hermal structure, which is expected directly or indirectly associated with the variability of the ecosystem. Hence, the results of the analysis will be useful in understanding the reported changes in fisheries resources, and the prediction of future changes due to climate variability. The result of sediment trap experiment during recent several years showed that the downward particle flux in the interior of the East Sea was two to three times higher than the sinking particle fluxes in the interior of the Okhotsk Sea and the Bering Sea. Organic carbon fluxes in summer were even comparable to those in spring. And the sinking particulate organic carbon in summer was decomposed more rapidly than in other season. It is necessary to understand the factors that enhance organic carbon flux in summer. It is required to quantify the contribution of N-fixation using the method of isotope analysis. The mole ratio of biogenic silica and particulate nitrogen decomposed between 1020 m and 2100 m was higher than the ratio of silicate to nitrate in deep water. This implies that stoichiometry of biogenic components may be changed in water column. Related causes and scopes should be identified. A large year-to-year variability in the primary production was observed in 1979 through 1985. To explain this variability, chlorophyll, SST, solar radiation data were analyzed. Only chlorophyll appears to be directly related to the variability in the primary production. There were also changes in the spatial patterns every year, which seem related to physical forcing. The direction and strength of the Tsushima current as it enters into the East seem the primary factors by forming local fronts and eddies and changing mixing characteristics. The long term change in primary productivity and its ecological consequences in large scale should further be studied. Thus far, the ecological analyses of phytoplankton mainly concentrated on understanding its relationship to seasonal changes in physical environment. In the coming third phase of the study, changes in phytoplankton ecology by meso-scale marine environment created by warm eddies will also be investigated in relation with physical forcing. The abundance of subtropical species of fish larvae seems to illuminate the influence of the Tsushima current. Therefore the study requires more intensive survey and apprehension of physical forcing. Engraulis japonicus and Maurolicus muelleri were the dominant species in the survey area. The most of fish larvae except for the mid-water species M. muelleri was the warm water species that could be transported by the East Korean Warm Current. It appears that the larval fish assemblage in the East Sea was largely dependent upon the structure of the water masses.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...42
• 제 1 절 연구사업 배경...42
• 제 2 절 연구개발 목표와 주요사업 내용...49
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...52
• 제 1 절 국내의 경우...52
• 제 2 절 외국의 경우...54
• 제 3 절 국제공동연구...55
• 제 4 절 동해에서 해류관측 성과...56
• 제 5 절 현 기술상태의 취약성...61
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과...65
• 제 1 절 동해남서부 및 울릉분지 해황과 해류...65
• 제 2 절 생지화학 과정...127
• 제 3 절 생태계의 반응...179
• 제 4 장 연구개발 목표 달성도 및 대외 기여도...245
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용 계획...247
• 제 6 장 참고문헌...249
• 부 록...263
• 1. 동해기후변동 웍샵( 2001년 7월) 요약집...264
• 2. 기후변동과 동해의 반응 웍샵 (2002년 1월) 요약집...288
• 3. 웍샵 지방지 보도자료...316