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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.29 No.1 pp.1-14
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2023.29.1.001

High-frequency Radar Observations of Convergence (Downwelling) and Water Temperature Variations in Yeongil Bay

Bo Kyeong Hwang*, Young Tae Son**†, Hyoung Rok Kim***, Ji Hye Park****
*Engineer, Geosystem Research Corporation, Gyeonggido, Korea
**Principal Engineer, Geosystem Research Corporation, Gyeonggido, Korea
***Principal Researcher, Agency for Defense Development, Daejeon, Korea
****Assistant Director, Korea Hydrographic and Oceanographic Agency, Busan, Korea

* First Author : bkhwang@geosr.com, 031-5180-5882


† Corresponding Author : sonty123@geosr.com, 031-5180-5880
December 14, 2022 January 20, 2023 February 24, 2023

Abstract


High-Frequency Radar (HF-Radar) data of surface currents in Yeongil Bay (a semi-enclosed sea area of the East Sea) was used to investigate the between wind and horizontal surface currents The variation in horizontal and vertical flow of surface currents correlated closely to the water temperature time-series data of densely spaced (1 to 2 m) layers. During the time-series observation period, when the northeast wind prevailed over the entire Yeongil Bay area, a rapid rise in water temperature was recorded across all the layers. Moreover, currents parallel to the wind direction were clearly observed in low-frequency currents of the surface layer. Time-delayed correlation analysis between wind and surface current confirmed that if northeasterly wind blows in Yeongil Bay and continues unidirectionally, a southwestward surface current occured within a short period of time (1 to 2 hours). Convergence and divergence were calculated from the daily average values of low-frequency surface currents. A rapid rise in temperature occurred in the lower layers of water at the observation points, due to the convergence (downwelling) of the surface seawater (relatively high temperature water) associated with the northeasterly wind.


HF-Radar , Low-frequency surface currents , Downwelling , Correlation analysis , Water temperature variation

영일만에서 고주파 레이더로 관측된 수렴(침강)과 수온변동

황보경*, 손영태**†, 김형록***, 박지혜****
*㈜지오시스템리서치 전임
**㈜지오시스템리서치 책임
***국방과학연구소 책임연구원
****국립해양조사원 주무관

초록


동해연안의 반폐쇄성 해역인 영일만에서 고주파해양레이더(HF-Radar)로 측정된 표층 해수유동 자료를 활용하여 1)바람과 수평 적인 해수유동 사이의 상관성을 파악하고 2)수직적으로 조밀한 간격의 층별 수온시계열 자료와 연계하여 수평적 및 수직적 해수유동의 특성을 파악하였다. 시계열 관측기간 중 영일만 해역의 전역에 걸쳐 북동풍이 우세하게 나타났을 때 표층부터 저층까지 수온의 급격한 상승이 동반되었다. 또한 표층의 장주기 해수유동에서도 풍향과 유사한 방향의 흐름이 뚜렷하게 관측되었다. 바람과 표층 해류 사이의 지 연상관 분석을 통해 영일만에 북동풍의 바람이 불기 시작하여 일정하게 지속된다면 짧은 시간(1 ~ 2시간) 내에 남서향의 표층 해류가 발 생되는 것을 확인하였다. 일평균된 장주기 표층 해류로부터 수렴과 발산을 계산하였고 이를 통해 층별 관측지점에서 발생한 두 번의 급 격한 저층수온 상승이벤트가 모두 영일만의 북동풍과 연관된 표층 해수(상대적 고온수)의 수렴(침강) 현상으로 인해 나타난 것으로 판단 하였다.


고주파 레이더 , 장주기 해수유동 , 침강 , 상관분석 , 수온변동

    1. 서 론

    연안 해역에서 바람에 따른 에크만(Ekman) 수송(북반구에 서 바람 방향에 대해 45° 각도로 흐름)은 오래전부터 잘 알 려진 연안해역의 해수유동 현상이다. 해안선 지형, 수심과 바람 조건(에크만 수송)에 따라 발생되는 연직방향의 해수 운동인 용승(upwelling)과 침강(downwelling)은 전 세계 연안 어디에서든지 빈번하게 나타난다. 연안해역에서 바람변동에 따른 용승과 침강에 대한 연구는 관측(Barton et al., 2015;Aristizábal et al., 2017) 및 수치모델(Jung and Cho, 2020) 기반 으로 수행되었고 수많은 연구결과가 보고된 대표적인 해역 은 미국 서부연안, 아프리카 북서부와 남서부 연안, 인도 서 부 연안 등이 있으며 바람과 성층조건에 따른 공간적 범위 를 포함하여 계절부터 경년변동까지 다양한 시간 규모의 변 동성이 보고되었다(Bakun, 1990;Barth and Wheeller, 2005;Pradhan et al., 2006;Lathuilière et al., 2008;Rao et al., 2008).

    연안용승(깊은 수심의 차갑고 영양염이 풍부한 해수가 표 층으로 공급되어 1차 생산자의 성장 지원) 해역은 전체 해양 의 약 0.1 % 면적에 불과하지만 어업생산량의 약 50 %를 차 지하며(Ryther, 1969;Lalli and Parsons, 1993) 생물다양성과 생 물생산성에 중요한 역할을 한다(Gorchakov et al., 2012; Liu et al., 2010). 침강(표층의 따뜻한 해수가 상대적으로 깊은 수심 으로 이동) 현상 역시 연안 해역에서 자주 발생되며 바람 조 건에 따라 용승 전후시기에 교대로 나타나기도 한다. 어류 의 유생을 포함하는 연안 부유생물(Yoo and Park, 2009; Liu and Chai, 2009;Pitcher and Nelson, 2006;Pitcher et al., 2010;Crespo et al., 2007), 해양쓰레기(Kataoka et al., 2013;Declerck et al., 2019) 및 유출유(Abascal et al., 2009;Abascal et al., 2011;Whelan et al., 2012)와 같은 해양부유물은 연안 해역에서 용 승과 침강에 의해 이동될 수 있으며 급격한 기상변화(해양 과 대기의 기온차이에 의한 해무 및 저온현상 등(Hahn et al., 1995))에 상당한 영향을 주는 것으로 보고되어 왔다.

    영일만은 약 120 km2의 해수면 면적으로 구성되며 만 입 구 폭은 남남동-북북서 방향으로 약 10 km이고, 육지쪽 북동 -남서 방향으로 약 12 km가 만입된 형태를 가진다. 수심은 만 안쪽(약 1.5 m)으로부터 만 입구(25 ~ 30 m)로 갈수록 깊어 지는 지형적 특성을 보이며 등수심선은 해안선에 거의 평행 하게 나타난다. 또한 영일만은 동해의 북한한류와 대마난류 의 지류인 동한난류의 영향을 동시에 받는 해역으로, 영일 만 내로 유입하는 해류는 지형을 거슬러 올라가는 주요 해 류의 일부가 유입된 것으로 보고되었다(Pohang City History Compilation Committee, 2010).

    동해연안 용승과 관련된 연구들은 주로 인공위성 영상을 활용한 시·공간적 특성분석(Park and Kim, 2010; Kim et al., 2010), 물성관측 자료와 바람과의 상관성 분석(Byun, 1989;Lee, 1983;Lee and Na, 1985;Suh et al., 2001;Lee et al., 2003) 및 수치모델을 이용한 표층 냉수분포의 역학(Seung, 1988) 연 구 등이 수행되어 왔다. 또한 수치실험을 통해 용승과 관련 된 물리적 기작과 영양염 분포(Kim et al., 2017) 사이의 상관 성에 대한 연구가 진행되었으며 생화학적 요소의 시공간적 분포에 용승의 중요성을 언급하였다. 특히 동해 연안해역에 서는 남풍 계열의 바람이 지속적으로 불면 용승 현상이 나 타나고(Byun, 1989;Lee, 1983;Shin et al., 2018), 용승지수와 침강에 대한 상관성(Shin, 2019) 연구가 보고되었지만 직접적 인 바람과 연관된 침강현상의 연구보고는 거의 없는 상황이 다.

    고주파해양레이더(High-Frequency Radar, HF-Radar)는 송신 안테나, 수신안테나, 신호처리부(콘트롤러와 PC 포함)로 구 성되어 있다. 고주파해양레이더는 해안가에 설치하여 고주 파대역의 특정 주파수(3 ~ 50 MHz)를 바다를 향해 송출하고 해수면에 반사(산란)되어 돌아오는 신호를 분석하여 표층 해수의 유동 정보(크기와 방향)를 준실시간으로 측정하는 원격탐사 장비이다(Barrick et al., 1977; Lipa and Barrick, 1983; Kim et al., 2018). 해양레이더는 공간적으로 넓은 영역(수 km2 ~ 수백 km2)을 포함하며 시간적으로는 장기간에 걸쳐 짧은 시간 간격(통상 1시간)으로 연속하여 표층 해류(조류포함)를 측정할 수 있다. 또한 파랑과 해상풍 정보를 생산할 수 있으 며 최근에는 선박탐지와 추적이 가능하여 다양한 영역에서 활용되고 있다.

    고주파해양레이더를 이용하여 해외에서 수행된 용승의 연 구는 매우 다양하다. 대표적으로는 캘리포니아 연안(Fernandez, 1993; Shkedy et al., 1995; Fernandez et al., 1996)과 유럽연안 (Lorente et al., 2020) 등에서 수행되었으며, 조류가 제거된 장주기 흐름의 공간분포와 바람과의 상관관계 분석을 통해 용승된 해수의 공간적인 이동을 살펴보거나 레이더로부터 관측된 해수유동을 수치모델의 입력장으로 활용하여 용승 과 연관된 역학적 해석 연구를 수행한 바 있다. 또한 고주 파해양레이더로부터 관측된 표층의 흐름과 저층으로부터 용승된(영양염이 풍부한) 저온수의 거동을 탐지하여 부유 생물(유생)의 수송 경로를 파악하는 연구결과가 보고되었 다(Bjorkstedt and Roughgarden, 1997).

    본 연구는 동해연안의 반폐쇄성 해역인 영일만에서 HF-Radar로 측정된 해수유동 자료를 활용하여 1) 바람과 수 평적인 해수유동 사이의 상관성을 파악하고 2) 조밀한 간격 으로 설치된 수직적 수온시계열 자료와 연계하여 수평적 및 수직적 해수유동의 특성을 이해하고자 한다(Fig. 1).

    2. 자료 및 방법

    2.1 층별 연속 수온조사

    층별 연속 수온조사 자료는 국방과학연구소의 관측시스 템을 활용하여 관측되었다. 국방과학연구소에서는 층별 연 속 수온조사를 위해 수온계(SBE-39, SBE-56)를 이용하여 포 항신항 내측(A)과 외측(B)에서 계류관측을 수행하였다(Fig. 2). 측정주기는 1분으로 설정하였으며 수직 계류라인에 1 m 간격으로 수온계를 설치하고, 장비가 유실되거나 충돌로 인 한 장비훼손을 방지하기 위해 계류추와 표시부이를 함께 설 치하였다.

    포항신항 내측(A)에서는 2019년 6월 2일부터 7월 9일까지 (약 36일간) 9개의 수층에서 수온을 획득하였으며 포항신항 외측(B)에서는 6월 19일부터 7월 9일까지(약 20일간) 10개의 수층에서 수온을 획득하였다. 측정된 수온 자료의 품질을 점검하고 각 정점별 수온 시계열 및 수직분포를 비교하여 시공간별 수온의 변동특성을 분석하였다.

    2.2 표층 해류(HF-Radar), 바람, 수온분포(인공위성)

    국립해양조사원에서는 고주파해양레이더(HF-Radar)를 영 일만(발산리와 입암리 두 지점에 설치)에 운영하여 2016년 하반기부터 표층 해수 유동장의 시계열 자료를 생산하고 있 다. 발산리와 입암리 두 지점에서 생산된 방사형 벡터(42 MHz)를 이용하여 합성된 표층 해수유동 자료는 수평적으로 0.5 km 간격의 243개의 격자로 구성되어 있으며 1시간 간격 의 시간해상도를 가진다. 본 연구에서는 국방과학연구소의 수온 관측기간에 해당하는 2019년 6월 2일부터 7월 9일까지 약 36일 동안 1시간 간격으로 관측된 표층 유속자료를 사용 하였다(Table 1).

    연직 수온 변화에 영향을 미치는 표층 해류와 바람의 상 호작용을 살펴보기 위해 고주파해양레이더(HF-Radar) 표층 유속자료와 바람자료를 함께 분석하였다. 영일만 주변 해역 을 대표할 수 있는 바람으로는 포항 종관기상관측장비(ASOS, Automated Surface Observing System)와 호미곶 방재기상관측 장비(AWS, Automatic Weather Stations)에서 관측된 1시간 간격 의 자료를 사용하였다. 바람과 표층 유속자료에 대해 40시간 low-pass filter를 사용하여 단주기 성분을 제거한 후 시계열(장주 기 성분의 변동)을 비교하였으며, 복합상관(Complex correlation) 분석을 활용하여 두 자료의 지연상관관계(lag correlation)를 살펴보았다. 바람과 표층 유속 자료 간의 복합 상관계수는 Kundu(1976)가 제안한 식을 바탕으로 계산하였으며(식1), 계 산에 사용한 표층 유속 자료는 관측영역 내에서 방위별로 5 개의 대표정점(동서남북 및 중앙지점)을 선정하였다. 연직 수온의 시계열 변동이 영일만 해역에서의 수평적인 해수유 동과 수직적 해양변화 현상(용승 또는 침강)과 연관되어 있 는지 확인하기 위해 표층 해류의 공간적인 변동성(회전성과 수렴·발산)을 살펴보았으며, 수렴·발산은 일평균 장주기 해 수유동 자료를 사용하여 계산하였다(식2, 식3).

    | γ | = | 〈 u 1 u 2 + υ 1 υ 2 〉 + i 〈 u 1 υ 2 + υ 1 u 2 〉 〈 u 1 2 + υ 1 2 〉 〈 u 2 2 + υ 2 2 〉 |
    (1)

    • | γ | : 복합상관계수(Complex correlation coefficient)

    • u1, υ1 : 해수유동자료의 동방·북방성분

    • u2, υ2 : 바람자료의 동방·북방성분

    • 〈⋯〉: 평균을 의미

    ∇   ·   D → = ∂ D u ∂ x + ∂ D υ ∂ y
    (2)

    • ∇   ·   D → : 벡터장 D → ( x , y ) 의 발산

    ( ∇   ×   D → )   ·   k ^ = ∂ D υ ∂ x − ∂ D u ∂ y
    (3)

    • ( ∇ × D → )   ·   k ^ : 벡터장 D → ( x , y ) 의 회전

    또한 영일만에서 관측된 수온 시계열 자료의 비교 검증을 위하여 국립해양조사원 조위관측소(포항 및 후포)의 수온과 외해역에서 운용되는 기상청 기상관측부이(포항과 울진)의 표층 수온을 활용하였고, 관측된 수온 시계열의 이벤트와 수평적 수온 변동 사이의 상관관계를 파악하기 위하여 인공 위성 기반의 표층 수온분포를 추가적으로 확인하였다.

    3. 결 과

    3.1 층별 수온관측 결과

    국방과학연구소로부터 제공받은 층별 수온관측 시계열 자료를 살펴보면 A 관측점과 B 관측점의 층별 수온 시계열 은 시간에 따라 유사한 변동특성을 보였으며, 특히 표층의 수온은 시간이 경과함에 따라 점진적으로 상승하는 전형적 인 계절적 특성(봄철로부터 여름철로 진행되는)이 나타났다 (Fig. 3 and 4). A 관측점보다 상대적으로 바깥에 위치한 B 관 측점은 두 번의 이벤트 기간에 층별 수온의 순간적인 최대 증가율이 빈번하게 관측되었으며 연직 평균수온은 약 0.5℃ 정도 높게 나타났다.

    A 관측점에서는 표층은 12℃ 정도, 저층은 7℃ 정도로 표 층과 저층의 수온 차이가 크게 나타났고 6월 7일 이후 저층 수온이 상승하여 연직 수온의 차이가 작아지는 현상을 확인 할 수 있었다. 특히 6월 19일 이후에 저층 수온이 급격하게 상승하여 표층 수온과의 차이가 크게 줄어드는 구간이 존재 하였으며, 동일한 기간에 B 관측점에서 A 관측점보다 저층 수온의 상승 폭이 더 크게 나타났다.

    두 관측점 모두 동일한 기간에 저층 수온이 급격하게 상 승하였으며, 이로 인해 연직 수온의 차이가 작아지는 현상 을 확인할 수 있었다. 저층 수온이 상승한 첫 번째 기간(6월 22일 ~ 6월 25일)을 Event 1(E1), 두 번째 기간(7월 7일 ~ 7월 9일) 을 Event 2(E2)로 구분하여 수온의 수직구조가 변화할 때 바 람과 표층 해류의 수평적인 공간분포를 살펴보았다.

    3.2 바람과 표층 해류의 상호작용

    층별 수온관측 기간 동안 바람과 표층 해류의 변화 양상 을 파악하기 위해 HF-Radar 대표정점의 해류 벡터와 바람을 도시하였다(Fig. 1의 정점 위치와 Fig. 5 참조). 바람을 살펴보 면 남풍(남서풍) 계열과 북풍(북동풍) 계열의 바람이 일정한 기간(3 ~ 7일) 동안 지속되는 형태로 교차하여 나타나고 있음 을 확인할 수 있었다. 일반적으로 이러한 바람의 수평변화 에 따른 에크만 수송과 주변지형의 영향으로 인해 상층의 해수가 침강하거나 용승에 의해 하층의 해수가 표층해역으 로 이동되기도 한다(Barton et al., 2015;Aristizábal et al., 2017). 저층 수온이 급격하게 상승한 E1과 E2 시기에는 포항 ASOS 와 호미곶 AWS 모두 북동풍이 나타나, 적어도 수온관측 시 기에는 영일만 해역 전반에 걸쳐 북동풍이 우세하게 나타났 음을 확인할 수 있었다.

    HF-Radar 격자점 중 방위별로 선택한 5개의 대표정점 자 료 분석을 통해 영일만 전체에서 표층 해류의 시·공간적인 변동 특성을 파악하였다(Fig. 5). 5개의 정점 모두 풍속이 증 가하고 풍향이 변하지 않고 오래 지속될 때 풍향과 유사한 방향의 해류가 관측되었으며, 단주기 흐름을 제거하기 위하 여 저주파 통과 필터(low-pass filter, 40시간)를 적용한 장주기 흐름에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. 일반적으로 연안해역에 서 조류 등 단주기 성분이 제거된 장주기 표층 흐름이 장주 기의 바람과 높은 상관관계를 보이고 바람의 방향, 세기 및 지속시간에 따라 변동 반응이 잘 나타나는 기존 연구(Son et al., 2007;Kim et al., 2008;Cosoli et al., 2012)들을 고려했을 때, 영일만의 표층 해류는 조류나 외해의 주요 해류에 영향 을 받을 뿐만 아니라 바람이 강하게 발달하는 특정시기에 장주기 흐름이 바람의 변동에 따라 지배적으로 반응하는 것 을 알 수 있었다. E1과 E2 시기에는 층별 수온 관측지점(A, B) 인근에 위치한 서쪽과 남쪽 정점에서 남서향의 해류가 더 강하게 나타났다.

    전파의 특성 변화를 이용하여 광역의 해수유동 정보를 관 측하는 HF-Radar는 관측해역의 주변 전파환경, 관측장비의 성능, 전리층 변화 등에 민감하게 영향을 받는 것으로 알려 져 있으며 관측원점으로부터 멀어질수록 오차를 많이 포함 하게 되어 관측결과의 해석 시 주의를 기울여야 한다. HF-Radar로 관측되는 외곽 영역의 신뢰도를 확인하기 위해 관측 전 기간에 대한 오차타원(error ellipse)을 계산하였다 (Fig. 6). 서쪽 대표 정점의 위치는 동북-남서 방향의 오차 크 기가 상대적으로 크게 나타났으나 남쪽 정점의 오차 범위는 관측원점(HF-Radar 설치 위치)과 가까이 위치하여 상대적으 로 작은 오차 범위를 보여주는 것으로 해석된다. 따라서 층 별 수온 관측지점 인근의 HF-radar 대표 정점에서 관측된 해 수유동과 바람의 상관성을 살펴보는데 크게 무리가 없을 것 으로 판단된다.

    바람의 영향이 표층 해류에 어느 정도 시간 후에 반영되 는지 확인하고자 이벤트 시기별(E1과 E2)로 지연상관분석을 수행하였다(Fig. 7). 이벤트로 정의된 기간은 약 3 ~ 4일이나, 상관분석을 수행할 때 통계적 신뢰도를 높이기 위해 이벤트 기간을 포함하여 약 1일 정도를 추가 확장하여 계산하였다. [E1] 시기는 2019년 6월 21일부터 2019년 6월 25일까지, [E2] 시기는 2019년 7월 5일부터 2019년 7월 11일을 기준으로 적 용하였으며, 영일만 인근 두 지점의 기상청 바람자료와 HF-Radar 대표정점 사이의 상관성(복합 상관계수, complex correlation coefficient)을 1시간 간격으로 최대 24시간 전까지 지연시간을 두고 계산하였다.

    이벤트 시기별로 바람과 표층 해류의 지연상관계수를 살 펴보면, 두 시기 모두 북동풍 계열의 바람이 불었고 표층 해 류가 바람의 방향과 유사하게 나타났음에도 불구하고 [E2] 시기가 [E1] 시기에 비해 북동풍이 지속된 기간이 하루 이상 더 길어서 [E2] 시기의 상관성이 높게 나타난 것으로 사료된 다(Fig. 7). 두 시기 모두 지연시간이 1 ~ 2시간 이내일 때 양 의 상관성이 가장 높게 나타났으나 [E1] 시기의 경우 특정 지연시간(13 ~ 14시간)에 남쪽 정점에서 가장 낮은 상관성을 보였다. 특정 지연시간에 남쪽 정점에서 낮은 상관성이 나 타난 원인으로 관측에러를 유발할 수 있는 주변 전파환경, 관측장비의 기능저하, 전리층 변화 등을 추정해 볼 수 있으 나 명확한 원인 파악을 위해서는 향후 추가적인 연구가 더 필요할 것으로 사료된다. [E2] 시기에 영일만 입구 주변에 위치한 정점(동쪽과 북쪽)에서는 영일만 안쪽에 위치한 정 점들에 비해 지연시간에 관계없이 상관계수의 값이 큰 변동 폭 없이 낮게 유지되었다. 이 정점들은 HF-Radar 특성 상 다 소 불확실성이 포함된 관측영역 외곽 격자에 해당하므로 유 효하지 않다고 판단하였다. 따라서 불확실성이 포함된 일부 외곽 격자를 제외하고 바람과 HF-Radar로 관측된 표층해류 의 상관성을 살펴보았을 때, 영일만에 북동풍의 바람이 불 기 시작하여 지속된다면 짧은 시간(1 ~ 2시간) 내에 남서향의 표층 해류가 발생하는 것으로 사료된다.

    3.3 표층 해류의 수렴과 발산

    바람에 의해 표층의 수평적인 흐름이 발생하고 바람이 일 정시간 동안 지속된다면 바람 방향의 직각 방향으로 평균적 인 해수 이동(에크만 수송)이 발생하게 되며, 표층에서 에크 만 수송으로 인해 저층의 차가운 해수가 용승하거나 표층의 따뜻한 해수가 침강하게 되는 현상이 연안해역에서 주로 발 생한다. 이러한 용승과 침강 현상을 표층 해류로부터 판단하 기 위해 일평균된 장주기 해수유동에 대한 수렴과 발산을 계 산하였다(Fig. 8 and 9). [E1] 시기의 경우, 층별 수온 관측지점 인근에서 6월 21일과 22일에 남서향의 흐름이 나타났고 공간 적인 흐름의 속도차이로 인해 표층수의 수렴(마이너스 부호) 이 우세하게 나타났다. 그러나 6월 23일에는 표층 유동장이 북향 또는 북동향의 흐름으로 변화하면서 해수유동이 점차 발산하는 형태를 보였다. [E2] 시기에는 층별 수온 관측지점 에서 남서향의 흐름이 지속(7월 6일부터 7월 9일까지)되었으 며 이와 연관된 표층 해수의 수렴 현상이 유지되었다.

    저층을 포함하여 전 층의 수온이 급격하게 상승했던 두 시기(E1과 E2)에 관측지점 주변에서 남서향의 해수유동이 우세하였으며 이와 연관된 표층 해수유동의 수렴 현상이 공 통적으로 나타났다. 북동풍에 의해 영일만 내부의 표층을 점유하고 있던 상대적으로 따뜻한 해수가 연안으로 이류되 어 수심이 얕은 만 내측에서 쌓이게(pile-up) 되고, 수압이 높 아진 표층수가 저층 방향으로 침강하는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 현상으로 상대적으로 따뜻한 표층수가 낮은 수온의 저층수를 밀어내거나 혼합되면서 전 층에 걸쳐 수온 이 상승하였고 그에 따라 연직 수온의 차이가 급격하게 줄 어든 것으로 사료된다.

    4. 토 의

    4.1 외해역 수온의 수층구조 특성

    영일만 내측에서 바람에 의한 침강 이벤트가 발생했을 때 외해역 수온의 수층구조를 파악하기 위해 국립수산과학원 의 정선수온관측 자료 중 두 관측라인(102와 103 라인)을 확 인하였다(Fig. 1의 정점 위치와 Fig. 10 참조). 수직적인 수온 의 성층이 발달해 있으며 연안으로 갈수록 수직 성층구배가 증가하는 전형적인 동해연안의 하계 수온 수직단면 구조를 보여준다. 하지만 두 관측라인의 관측 시기가 7월 초순(1일 과 2일, Table 2 참조)으로 두 번의 수온 변동 이벤트 사이에 관측되었고 시간에 따른 수온구조의 변화를 파악할 수 없기 에 영일만 내측의 이벤트적 수온 변동에 직접적으로 영향을 주었는지는 판단하기 어렵다. 그러나 두 관측라인에서 가장 연안에 위치하는 정점의 표층 수온이 영일만 내측에서 관측 된 동일 시기의 표층 수온(계류관측 수온)에 비해 상대적으 로 높은 18 ~ 19℃의 범위를 보이고 있어, 태양가열에 의한 표층 수온의 상승과 북동풍 바람에 의해 외해의 고온수가 연안으로 이류되어 급격한 수온 상승으로 나타날 수 있는 가능성을 보여준다.

    4.2 표층 해류의 회전성과 스펙트럼 특성

    해류의 회전(시계와 반시계 방향) 방향에 따른 주기별 특 성을 파악하기 위해 전체 관측기간(약 36일)의 해수유동 자 료를 활용하여 로터리 스펙트럼 분석을 수행하였다(Fig. 11). 5개 정점 모두 다른 주기에 비하여 일주기 에너지의 피크가 우세하게 나타났으며 모든 정점에서 시계방향의 에너지가 반시계방향보다 상대적으로 높게 산정되었다. 동풍계열의 바람이 불어 취송류가 발달하고 영일만 외측의 해수가 이류 된다면 만 입구의 북쪽방파제에 의해 남쪽으로 유입될 가능 성이 높으며 그에 따라 시계방향으로 회전하는 성분의 흐름 이 상대적으로 강하게 나타날 것으로 판단된다. 한편 동쪽 정점에서 반시계 방향의 에너지가 낮게 나타난 이유는 영일 만과 외해가 연결되는 길목에 위치해 있어 표층을 통한 외해 로부터의 해수유입이 우세하고 영일만 입구의 북쪽 방파제 와 북동쪽으로 뻗어있는 호미곶 등의 지형효과에 따른 영향 으로 추정해 볼 수 있다. 향후 다양한 형태의 부이(고정형 및 표류형) 실험과 조밀한 간격의 공간적 물성관측 등 집중관측 을 통한 정량적인 원인 파악이 필요할 것으로 판단된다.

    영일만의 표층 해류 공간분포에서 회전(시계와 반시계 방 향) 특성을 살펴보기 위하여 1일 평균된 해수유동장을 바탕 으로 두 이벤트 시기(E1 & E2)의 상대와도(relative vorticity)를 계산하였다(Fig. 12 and 13). 북동풍이 불었던 첫 번째 이벤트 시기([E1])의 초반 2일(6월 21 ~ 22일) 동안 영일만 내측의 일 평균 유속이 만의 외측보다 상대적으로 크게 나타났고, 6월 21일 시작된 반시계방향(양의 와도값)의 회전성이 22일에 층 별 수온 관측지점 주변에서 강하게 나타난 후 23일까지 지 속되었음을 확인하였다(Fig. 12). 영일만 내측에서 나타난 상 대적으로 큰 크기의 흐름과 양의 와도값은 만 내측의 막혀 있는 지형에 의해 외측의 따뜻한 표층수가 이류되고 층별 수온 관측지점에서 해수면이 상승하는 현상(pile-up)과 침강 (down-welling)에 의해 수직적으로 수온이 상승하였을 가능성 을 뒷받침한다. 두 번째 수온 상승 이벤트 시기([E2])에도 영 일만 내측과 층별 수온 관측지점 주변에서 강한 표층 해류 와 반시계방향의 회전성이 나타났으며 [E1]시기에 비해 상 대적으로 강하게 나타났다. 시간이 경과함에 따라 수직적 성층이 강해지는 하계의 특성을 고려했을 때, 강한 바람(북 동풍)에 의한 외해 표층수의 이류와 해수면 상승에 동반되 는 침강 현상으로 인해 수직적인 수온 상승이 발생한 것으 로 판단된다.

    4.3 수온의 시계열 변동특성 비교

    영일만 내측에서 관측된 층별 수온의 시계열 변동특성을 검증하기 위해 인접한 조위관측소(포항과 후포) 수온을 살 펴보았고 동시에 외해역에서 관측된 두 지점(포항, 울진 해 양기상부이)의 표층 수온과 변동특성을 비교하였다(Fig. 14). 층별 수온 관측지점과 가장 가까운 포항 조위관측소의 수온 은 두 번의 이벤트 시기에 가장 높은 수온을 보였으며 가장 멀리 떨어진 후포 조위관측소의 수온은 상대적으로 낮은 수 온을 유지하였다. 외해역에서 관측된 두 지점의 표층 수온 은 이벤트 기간에 관측된 포항 조위관측소의 수온보다 높지 않게 나타났다. 따라서 이벤트 기간에 관측된 포항 조위관 측소의 고온수와 층별 수온관측에서 나타난 고온수는 대한 해협을 통과한 후 동해연안을 따라 북상하는 고온의 동한난 류수의 영향을 받은 것으로 추정된다.

    4.4 외해역 표층 수온(SST) 분포 변화

    영일만 내측에서 관측된 두 번의 수온상승 이벤트가 수평 적인 이류와 관련이 있는지 확인하기 위해 인공위성 기반의 일평균 표층 수온 합성장(OSTIA)의 공간분포를 살펴보았다 (Fig. 15). 영일만에서 첫 번째 이벤트가 나타난 시기인 6월 22일의 수온은 약 2일 전인 6월 20일의 수온에 비해 증가(약 2℃)하였고 22일부터 23일까지 영일만에서 고온수의 면적이 확장된 것으로 나타났다. 두 번째 이벤트가 시작되기 전인 7 월 4일의 수온 분포는 영일만으로부터 동해연안 북쪽에 걸 쳐 상대적인 고온수가 남북방향으로 점유하는 형태를 보였 고 시간이 지남에 따라 영일만을 향하여 고온수의 중심이 남하하는 특성이 나타났다. 앞에서 언급한 바와 같이 정선 수온관측 자료만으로는 영일만 내측의 수온 변화와 외측의 수온변동 사이의 상관성을 파악하기 어려웠지만 위성으로 부터 측정된 공간적인 수온의 분포변화를 고려한다면 외측 의 고온수가 북동풍 계열의 바람에 의해 영일만으로 이류되 어 영일만 내측의 수온 상승 이벤트가 발생하였다고 해석할 수 있다.

    감사의 글

    본 연구는 한국수력원자력(주) “원자력발전소 주변 해양 생물 실시간 모니터링 및 경보 시스템 구축 사업”의 부분 지 원을 받아 수행되었습니다.

    Figure

    KOSOMES-29-1-1_F1.gif

    Research area and location of observation data.

    KOSOMES-29-1-1_F2.gif

    Water temperature observation mooring equipment configuration.

    KOSOMES-29-1-1_F3.gif

    Time-series of water temperature for water depth at the mooring point A.

    KOSOMES-29-1-1_F4.gif

    Same as Figure 3 except for the mooring point B.

    KOSOMES-29-1-1_F5.gif

    Time series wind at two ASOS (Pohang) and AWS (Homigot) stations, and surface currents obtained by HF-Radar at five positions. The two figures are raw data (left) and low-pass filter data (right).

    KOSOMES-29-1-1_F6.gif

    Covariance error ellipse of surface currents obtained by HF-Radar at all positions.

    KOSOMES-29-1-1_F7.gif

    Delay correlation analysis between wind and surface currents at five points of HF-Radar by events (left: Event 1, right: Event 2).

    KOSOMES-29-1-1_F8.gif

    Daily average of low-pass filtered current (black vectors) distribution and convergence (red (+) means divergence, blue (-) means convergence) was depicted in colors for event 1 period.

    KOSOMES-29-1-1_F9.gif

    Same as figure 8 except for event 2 period.

    KOSOMES-29-1-1_F10.gif

    Vertical water temperature section observed from National Institute Fisheries Science (Upper: 103 Line and Lower: 102 Line).

    KOSOMES-29-1-1_F11.gif

    Rotary power spectra using surface current velocities at 5 points of the HF-Radar area during whole observation. The red line indicates clockwise and blue line denotes counterclockwise rotation with 95% confidence interval. Vertical dash lines mean main harmonic constituents (M2, S2, O1, K1).

    KOSOMES-29-1-1_F12.gif

    HF radar 1 day averaged low-pass filtered current (black vectors) and relative vorticity (ζ) normalized by the planetary vorticity (f) was shown in colors for Event 1. Circles with dashes denote major area where vertical movement of seawater occurs.

    KOSOMES-29-1-1_F13.gif

    Same as figure 12 except for event 2 period.

    KOSOMES-29-1-1_F14.gif

    Surface water temperature time series at nearby tide stations (Pohang and Hupo) and buoy stations (Pohang and Uljin). The ocher boxes indicate the duration of Event 1 and 2, respectively.

    KOSOMES-29-1-1_F15.gif

    Daily surface water temperature (SST) distribution derived from OSTIA for event 1 (top) and 2 (bottom) period.

    Table

    Pohang (Yeongilman bay) HF-Radar observation information

    Wind, Water temperature, SST data information

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