3. 결 과
3.4. 내부 조석 에너지
3.4.1 Barotropic forcing
3.4.2 에너지 변환량 및 플럭스
순압조석 (barotropic tide)은 경압조석 (baroclinic tide)이 생성되는데 중 요한 기원이 된다. 다음 식 2는 Niwa and Hibiya (2004)가 순압조석으로부터 내부 조석으로 에너지가 변환되는 양 (conversion rate)을 계산한 식이다. 그 리고 식 4는 내부 조석 에너지가 생성되어 이동하는 플럭스를 계산한 식이다.
′은 perturbation density이고, T는 평균된 기간으로 3일을 평균하였다.
는 barotropic 흐름의 데카르트 수직 속도 (Cartesian vertical velocity)로 식 3으로 설명된다. S-좌표계의 는 바닥에서 -1 이고 해표면 에서 0 이다.
′ 는 baroclinic velocity vector를 말하고, ′ 은 perturbation pressure를 이다.
′ (2)
(3)
′′ (4)모델 영역에서 생성된 내부조석 에너지중 반일주기 조석과 일주기 조석에 의 해 생성된 내부조석 에너지를 구하기 위해 bandpass filter 하였다. 반일주기 주파수 범위 (통과대역)는 11 ~ 13.42시간이고, 일주기 주파수 범위는 21 ~ 27 시간 이다.
가) 반일주기 내부조석 에너지
그림 31의 (a)와 (b)는 각각 2월과 8월의 반일주기 순압조석으로부터 내부 조석으로 에너지가 변환되는 양 ()이다. 모델 영역 전체에서 수심 적분된
변환 량을 3일 평균하여 계산하였다. 내부조석 에너지가 생성된 지역은 Park and Watts (2006)에서 제시한 약 북위 35.5도 ~ 35.7도, 동경 129.5도 ~ 131도 사이 (울릉분지의 입구)의 가파른 해저지형 변화가 있는 곳이다. 그림 30에서 barotropic forcing이 강하게 발생한 지역과 일치한다. 모델 영역 (33.3°N ~ 36.5°N, 126.9°E ~ 132°E)에서 분석된 는 2월에 약 0.24 GW이고, 8월 에 약 0.50 GW이다. 생성된 내부조석 에너지의 양은 여름철인 8월이 2월에 비 해 약 두 배 이상 크다. 생성된 내부조석 에너지의 분포도 2월과 8월에서 차이 가 있다. 대한해협 서수도 부근에서 2월의 경우 거의 생성되지 않은 내부조석 에너지가 성층이 강화되는 8월의 경우 골의 양쪽으로 생성된다 (그림 35a와 35c).
그림 32는 생성된 내부조석 에너지가 이동하는 플럭스이다. 모델 영역 전체 에서 수심 적분된 내부조석 에너지 플럭스를 3일 평균하여 계산하였다. 그림 25의 내부조석 에너지가 생성된 지역 (북위 35.5도 ~ 35.7도, 동경 129.5도 ~ 131도 사이)에서 등수심선을 따라 양방향으로 전파된다. 전파되는 크기와 범위 는 계절에 따라 차이를 보인다. 2월의 경우 동해 쪽으로 전파되는 최대 에너지 플럭스는 1 에 달하고 평균 0.5 이다. 반면에 남해연안 쪽으로 전파되는 에너지 플럭스는 생성지역 근처에서 제한되어 남해연안으로 들어오지 못한다. 8월의 경우 동해 쪽으로 전파되는 최대 에너지 플럭스는 2 에 달하고 평균 1 이다. 에너지 플럭스의 범위도 2월에 비해 북쪽 바운더 리까지 확장되었다. 또한 남해연안 쪽으로 전파되는 에너지 플럭스도 북위 35 도까지 확장되었다. 대한해협 서수도 부근의 에너지 플럭스는 내부조석 에너지
에서 수심 적분된 변환 량을 3일 평균하여 계산하였다. 모델 영역 (33.3°N ~ 36.5°N, 126.9°E ~ 132°E)에서 분석된 는 2월에 약 0.17 GW이고, 8월 에 약 0.09 GW이다. 생성된 내부조석 에너지의 양은 반일주기 내부조석 에너지 와 다르게 겨울철인 2월이 8월에 비하여 약 2배 크다. 그림 34는 생성된 내부 조석 에너지가 이동하는 플럭스이다. 생성된 내부조석 에너지는 등수심선을 따 라 양방향으로 전파된다. 전파되는 크기와 범위는 반일주기 내부조석과 마찬가 지로 계절에 따라 차이를 보인다. 2월의 경우 동해 쪽으로 전파되는 최대 에너 지 플럭스는 0.5 에 달하고 평균 0.3 이다. 생성된 내부조석 에 너지의 대부분은 동해 쪽으로 전파되고, 남해연안으로 전파되는 에너지 플럭스 는 생성지역 근처에서 제한되어 남해연안으로 들어오지 못한다. 반면에 8월의 경우 생성된 내부조석 에너지 플럭스는 양방향으로 비슷한 크기로 발산하고, 남해연안으로 전파되는 에너지 플럭스의 범위는 약 북위 35.2도 까지 확장된 다.
반일주기 일주기
2월 0.25 GW 0.17 GW 8월 0.47 GW 0.09 GW 표 3. 생성된 내부 조석 에너지의 양
그림 32. 반일주기 brotropic tidal energy에서 baroclinic tidal
그림 33. 일주기 brotropic tidal energy에서 baroclinic tidal energy로의 변환량. (a) 2월, (b) 8월. 실선과 점선은 수심을 나 타냄 (실선 간격 : 20 m, 점선 간격 : 500 m).
그림 35. 수심 적분된 일주기 내부조석 에너지 플럭스. (a) 2월, (b) 8월. 실선과 점선은 수심을 나타냄 (실선 간격 : 20 m, 점선 간격 : 500 m).
4. 토의
모델 영역 (33.3°N ~ 36.5°N, 126.9°E ~ 132°E)에서 생성된 내부조석 에너지는 생성지역에서 동해 쪽뿐만 아니라 남해와 대한해협으로 전파되었다.
생성되는 내부조석 에너지가 남해연안으로 전파되는 범위는 북위 35도까지 영향을 미친 8월이 2월보다 크게 나타났다. 하지만 8월의 모델결과는 ADCP정점에서 연직 조류타원도의 크기나 위상이 관측결과와 차이를 보였다.
물론 내부조석은 성층화 정도와 수심에 큰 영향을 받기 때문에 실제 수심과 차이가 나는 모델 결과는 일대일 비교가 힘들다. 또한 각 정점에서 발생한 내부조석이 지역적으로 생성된 내부조석일 수도 있지만, 그림 33(b)에서 확인 하였듯이 북위 35.5 ~ 35.7도, 동경 129.5 ~ 131도 사이에서 생성된 내부조석이 남해연안으로 전파되어 발생한 내부조석일 수도 있기 때문에 각 정점에서 발생한 내부조석이 어느 요인에 의한 것인지 확일 할 필요가 있다.
그림 36은 ADCP 정점 중 내부조석 에너지가 강하게 생성되는 지점과 일직선상에 놓인 N2정점과 C1정점의 2월과 8월 연직 조류타원도이다. C1정점은 ADCP 설치 시 추가로 설치되어 8월 관측결과가 없다. 8월 연직 조류타원을 보면, N2 정점에서는 내부조석이 발생하지 않는 반면에 C1정점에서는 N2정점을 제외한 N라인에서 발생한 내부조석보다 강하게 내부조석이 발생하였다. 또한 C1정점과 N2정점의 2월 연직 조류타원을 보면, N2 정점에서는 관측과 모델결과 모두에서 내부조석이 발생하지 않았고, N 라인 모든 정점에서도 같은 결과를 보였다. 하지만 C1정점의 2월에는 관측과 모델결과 모두에서 내부조석이 나타났고, 저층에서 (약 90 m) 노드점이 발생하였다. C1 정점은 1999년 12월에 유입되기 시작한 저층냉수가 2월까지 영향을 주었고, 이렇게 유입된 저층냉수는 지역적 성층화에 영향을 준다 (Teagus et al., 2002). 그림 37의 왼쪽 그림은 Min et al. (2006)이 관측한 대한해협 저층냉수의 1988년, 1989년 그리고 1990년 9월 수온 연직 단면도 (라인 S)이고, 오른쪽은 8월과 9월 모델
결과의 수온 연직 단면도이다. 수심 100 m ~ 150 m에서 나타나는 대한해협 저층 냉수가 모델에서도 재현된다. 즉, C1 정점에서 발생한 내부조석은 대한해협 저층냉수에 의해 강화된 지역적 성층화에 의해 발생했을 가능성이 크다. 또한 모델의 북위 35.5도 ~ 35.7도, 동경 129.5도 ~ 131도 사이에서 생성된 내부 조석 에너지는 2월에 N2 정점에서 나타나지 않는 내부 조석이 내부 조석 생성지역에서 직선상의 거리가 N2 정점보다 먼 C1 정점에서 발생하는 것으로 보아 C1 정점까지는 영향을 미치지 않을 것이라고 예측할 수 있다.
북위 35.5도 ~ 35.7도, 동경 129.5도 ~ 131도 사이에서 생성된 내부조석 에너지는 N 라인까지 영향을 미친다. 하지만 계절에 따라 남해연안으로 전파되는 범위는 차이를 보였다. 모델 전체를 평균한 수온, 염분, 부력 주파수 (buoyancy frequency)의 2월과 8월의 깊이에 따른 변화를 보면 수심 150 m 를 기준으로 150 m 보다 낮은 깊이에서 2월과 8월의 차이가 있다 (그림 38).
수온의 깊이별 변화를 살펴보면 표층에서 100 m 까지가 계절적 수온약층으로 보이고, 100 m 이상의 깊이는 계절에 변화가 없는 영구 수온약층으로 보인다.
즉 모델에서 재현한 겨울철은 계절적 수온약층이 거의 존재하지 않아 약 100 m 까지 혼합되어 수심이 상대적으로 얕은 북위 35.5도 이남의 영역에서는 성층이 존재하지 않는다. 그림 39는 생성지역에서 붉은 선을 따라 그린 연직 수온 단면도이다. 8월은 50 m ~ 100 m 깊이에서 계절적 수온약층이 뚜렷하게 나타나고 강한 성층을 이루고 있다. 반면에, 2월의 경우 계절적 수온약층은 약화되고, 100 m 깊이 아래의 영구 수온약층만 존재한다. 북위 35.5 ~ 35.7도,
C1관측 2월 C1관측 8월 C1모델 2월 C1모델 8월
No data
N2관측 2월 N2관측 8월 N2모델 2월 N2모델 8월
그림 36. 모델 영역 중 C1, N2 정점의 분조의 2월, 8월 조류 타원 연직 분포 (위: 관측 결과. 아래: 모델 결과).
그림 37. 라인 S를 따라 1988년, 1989년, 1990년 9월의 수온 연직 단 면도 (좌), 모델 영역에서 라인 S를 따라 8월 9월의 수온 연직 단면도 (우).
그림 38. 모델 전체를 평균한 수온, 염분, 부력 주파수 (buoyancy frequency)의 2월과 8월의 깊이에 따른 변화 (점 선-2월. 실선-8월).
그림 39. 왼쪽 지도의 빨간색 라인을 따라 그린 연직 수온 단 면도 (2월, 8월).
5. 결론
본 연구에서는 해류와 조류를 모두 포함시킨 3차원 고해상도 모형을 사용하 여 남해에서 생성되는 내부조석 에너지의 시·공간적 크기 및 분포 특성을 정 량적으로 파악하였다. 수치실험 결과 여름철이 겨울철보다 약 2배 이상의 내부 조석 에너지가 생성되었고, 수심이 급격히 변하고 barotropic tide가 우세하게 나타나는 곳에서 내부조석이 효과적으로 생성되었다. 생성된 내부 조석 에너지 의 양은 표 4에 나타내었다. 모델 영역에서 북위 35.5도 이남은 수심 200 m 이 하의 지역으로 계절에 따라 성층화 정도가 달라져 생성된 내부 조석 에너지가 남해 연안으로 전파되는 범위에 영향을 미쳤다. 대부분의 내부 조석은 Park and Watts (2006)에서 제시한 약 북위 35.5도 동경 129.5 ~ 131도 사이 (울릉 분지의 입구)에서 나타났다. 이곳에서 생성된 내부 조석 에너지는 성층이 약화 되는 2월에는 생성된 에너지의 대부분이 동해 쪽으로 전파되고 남해연안으로의 전파는 제한되는 반면, 성층이 강화되는 8월에는 북위 35도까지 전파되어 남해 연안에 영향을 준다. 그리고 대마도 서쪽 깊은 골에서 생성되는 내부 조석 에 너지는 성층이 강화되는 여름철의 경우 골과 수직한 방향으로 전파되어 남해연 안에 영향을 준다. 성층이 약화되는 겨울철의 경우 여름철에 생성되는 내부 조 석 에너지에 비해 적은 양이 생성되지만, 대한해협 저층냉수의 유입으로 지역 적 성층화가 강화되어 내부 조석이 생성되었다.
본 연구에서는 연구영역에서 내부 조석 에너지가 생성되어 계절에 따라 다른
참고문헌
김 구, 노홍길, 이상호. 1991, 하계 제주도 주변 해역의 수계 및 해수순환. 한 국해양학회지, 26, 262-277.
김인옥, 노홍길, 1994. 제주도 주변해역에 출현하는 중국대륙연안수에 관한연 구. 한국수산학회지, 27, 515-528.
김충기, 장경일, 박경, 석문식, 2000, 한국 남해의 해수순환: 2차원 순압모델.
The Journal of the Korean Society of Oceanography, 5(4), 257-226.
조양기, 김구, 1994, 여름철 남해 저온수의 특성과 기원. 한국해양학회지, 29(4), 414-421.
최병호, 방인권, 김경환, 1994. 대한해협조류의 3차원분포. 한국해안·
해양공학회지, 6, 421-438.
Chang, K.I., Kim, C.K., Lee, S.W. and Shim, T.B., 1997, Barotropic circulation of the South Sea-preliminary model results. Ocean Research, 19, 139-152
Baines, P.G. 1982, On internal tide generation models. Deep-Sea Research, 29, 307-338.
Book, J.W., Pistek, P., Perkins, H. Thompson, K.R., Teague, W.J., Jacobs, G.A., Suk, M.S., Chang, K.I., Lee, J.C. and Choi, B.H., 2004, Data Assimilation Modeling of the Barotropic Tides in the Korea/Tsushima Strait. Journal of Oceanography, 60, 977-977.
Fang, G., 1986. Tide and tidal current charts for the marginal seas adjacent to China. Chinese Journal Oceanology and Limnology, 4, 1-16.
Fairal, C.W., Bradley, E.F., Rogers, D.P., Edson, J.B., and Young, G.S., 1996, Bulk parameterization of air-sea fluxes in TOGA COARE. Journal
of Geophysical Research, 101, 3747-3767.
Foreman, M. G. G., 1977, Manual for tidal heights analysis and
prediction. Pacific Marine Science Report, 77-10, Institute of Ocean Science, Patricia Bay, Sidney, B.C., Canada.
Griffin, D.A. and Van Loan, C.F., 1996. The adjoint method of data assimilation used operationally for shelf circulation. Journal of Geophysical Research, 101(C2), 3457-3477.
Jan, S., Lien, R.C. and Ting, C.H., 2008, Numerical Study of Barcolinic Tides in Luzon Strait. Journal of Oceanography, 64, 789-802.
Lie, H.J. and Cho, C.H., 1997, Surface current fields in the eastern East China Sea. Journal of Korean Society Oceanography, 32, 1-7.
Mellor, G.L. and Yamada, T., 1982, Developement of a turbulence closure model for geophysical fluid problems. Reviews of Geophysics, 20, 851-875.
Niwa, Y., and Hibiya, T., 2001, Numerical study of the spatial
distribution of the M2 internal tide in the Pacific Ocean, Journal of Geophysical Research, 106, 22441-22449.
Niwa, Y. and Hibiya, T., 2004, Three-dimensional numerical simulation of M2 internal tides in the East China Sea. Journal of Geophysical Research, 109.
Odamaki, M., 1989. Tides and tidal currents in the Tsushima Strait.
Journal of Oceanographical Society of Japan, 45, 65-82.