Note
위성추적부이를 이용한 동중국해 상층 수온구조 관측
이석1*·이흥재2·조철호1·송규민1·이재학3
1한국해양연구원 해양환경·방제연구부
2한국해양연구원 총괄연구본부
3한국해양연구원 기후·연안재해연구부 (425-600) 경기도 안산시 안산우체국 사서함 29
Thermal Structure of the East China Sea Upper Layer Observed by a Satellite Tracked Drifter Experiment
Seok Lee1*, Heung-Jae Lie2, Cheol-Ho Cho1, Kyu-Min Song1, and Jae-Hak Lee3
1
Marine Environment & Pollution Prevention Research Department, KORDI
2
Vice President, KORDI
3
Climate Change & Coastal Disaster Research Department, KORDI Ansan P.O. Box 29, Seoul 425-600, Korea
Abstract : A satellite tracked drifter experiment was conducted to observe thermal structure and surface circulation in the northeastern East China Sea. For this experiment, four ADOS buoys, assembled with surface float and thermister chain, were deployed on August 2007 in southern Jeju-do, where the Kuroshio Branch Current is separated from the main stream. Thermal structure in the upper layer of the northeastern East China Sea was successfully observed during the following 1~3 months. Strong thermo-haline front in a northeast-southwest direction was observed. In the frontal zone, warm and saline Kuroshio origin water intermixes with fresher coastal water and flows toward the Korean Strait.
Typhoon Nari, which passed over the East China Sea 20 days after commencement of study, caused distinct signals in the thermal structure and trajectory of buoys. During the typhoon, surface temperature abruptly dropped to about 4
oC, while the thermocline formed at 30~50 m depth vanished due to strong vertical mixing. Internal inertial oscillation occurred several days after the typhoon. The fortuitous occurrence of typhoon Nari showed that ADOS buoys can provide useful and accurate air-sea interaction data during typhoons.
Key words : ADOS buoy, East China Sea, Thermal structure, Typhoon, Nari
1. 개 요
동중국해는주로수심
200 m
미만의낮은대륙붕으로구성되어있으며남부에최고수심
2,000 m
이상오키나와골
(Okinawa Through)
이존재한다.
남쪽으로는류큐열도(Ryukyu Islands)
를사이에두고북서태평양과연결되어있으며북쪽으로는황해와대한해협으로연결되어있다
.
동중국해의해류체계는 대만동쪽을통해 유입되어오키 나와골의사면을따라북서진하여토카라
(Tokara)
해협으로빠져나가는쿠로시오본류가연중가장주된해류를 형성한다
.
큐슈서방에서분지되어북향하는쿠로시오분지류가우리나라주변해역에가장큰영향을미치며
(Lie and Cho 1994; Lie
et al. 1998)
풍성순환,
대만난류등도계절적으로우리나라주변해역에영향을미친다
.
동중국해에서쿠로시오는북서태평양기원의고온고염수를우리
*Corresponding author. E-mail : [email protected]
나라근해로전달하는역할을하며우리나라근해의해양 환경에직접적인영향을미친다
.
따라서 우리나라주변해역의종관규모해양환경변동성을 해석하고예측하기위 해서는동중국해의해수순환과환경특성을보다명확하게 이해할 필요가있다
.
황해를포함한동중국해에서의해수순환연구는수치모
델을이용하여다양하게수행되고있으나
(
김1998)
직접관측은상대적으로제한적으로수행되고있다
.
고정된정점에관측장비를설치하여해수유동을관측하는
Eulerian
방식의관측은기술적인한계가있다
. 1990
년대에WOCE
(World Ocean Current Experiment)
국제공동프로그램의일환으로
Argos
부이를이용한Lagrangian
방식의해류관측이동중국해에서 집중적으로 수행된바있다
(Lie and Cho 1997;
조2001).
조(2001)
는동중국해에서수행된위성추적부이의궤적을종합하여상층 해류장을제시하고 큐슈서방에서의쿠로시오분지과정과제주난류의형성 등을규명하는등에기여하였다
.
일반적으로해수순환관측은
CTD
와같은해수의물성구조관측과연계하여보완적으로 활용된다
(Yanagi
et al. 1998).
기존의관측방법들은부분적인한계를 가지고있다
.
정점해류관측의경우 정밀한시계열 자료를 획득할 수있 지만관측기기를유지운영하기위해많은노력과경비가 소요됨에도안정성이취약한단점이있다
. Argos
부이의경우비교적용이하게관측을수행할수 있고거의실시 간으로 자료를획득할수있지만 상층의 해류와표층 수
온정보 정도만이관측가능하다
. CTD
의경우 전반적인해양특성의공간구조를파악할수있지만조사선박을이 용하여야하며상대적으로 많은인력이 소요되지만조사 시기동안의일시적인특성만을보여주는한계가있다
.
이와같은기존 관측방법들의한계를 보완할 수있는새로 운형태의 위성추적부이를도입하여동중국해상층의 수 온구조를관측하였다
.
본연구에서는관측에사용된위성추적부이와자료처리방법을소개하고동중국해에서관측 된최근의 결과를보고하고자 한다
.
Table 1. Specifics of ADOS buoys used in the study
Type B Type C Remark
Surface float MasterModem, GPS, Argos, SST, Barometer,
Barometer Port, Battery, E-M cable MasterModem, GPS, Argos,
SST, Battery, E-M cable 16-inch spherical buoy Temperature sensor 10 sensors in 8 m interval 8 sensors in 8 m interval Range: -5~40
oC
Accuracy: 0.05
oC Pressure sensor 5 sensors in 16 m interval 4 sensors in 16 m interval Range: 0~2,000 dB
Accuracy: 1 dB
String length 80 m 64 m
Number of deploy 2 2
Fig. 1. Schematic diagram of 2 types of ADOS buoy.
2. 위성추적부이 실험
ADOS부이
본 연구에서는미국
ClearWater
사의ClearSat-ADOS (Autonomous Drifting Ocean Station)
부이(
이하ADOS
부이
)
를사용하였다. ADOS
부이는 위성통신과부력유지를위한표층뜰개
(surface float)
아래에 여러종류의센서들을장착하여해색
,
상층열구조,
기압,
해상풍등을관측할수있도록고안된장비이다
.
센서의종류와간격등은관측목적과연구해역의수심등에맞추어제작가능하다
.
본연구에서는동중국해 수온구조를측정하기위하여 수 심을고려하여두종류각두대의부이를주문제작하여 사용하였다
. Table 1
과Fig. 1
은두종류의부이에대한제원과구조를보여준다
. Type B
는원형의표층뜰개아래에8 m
간격으로10
개의수온센서가연결되어있어최고80 m
까지의해양상층수온구조를관측할수있다
.
마지막센서아래에는수온센서
string
의수직유지를위해추가부착되어있다
.
수온센서중두개간격으로압력센서가부착되어있어수온센서
string
이 기울어지더라고실제센서의수심을보정할수있도록고안하였다
.
표층뜰개에는위치추적을위한
GPS
수신기, Argos
통신기,
수온센서그리고해표면기압관측을위한기압센서가포함되어있다
.
이에비해
Type C
는표층뜰개에기압계가포함되지않고수온센서는
8
개로 최고64 m
까지 관측이 가능하다.
Fig. 2
는관측에사용된ADOS
부이의사진을보여준다.
ADOS
부이의실시간GPS
위치정보와관측정보는Argos
통신시스템을 이용하여 인공위성을 통해 지상국의 서버
(
프랑스, CLS argos
서버)
로전송되어저장된다.
사용자는지상국서버에원격접속하여원시자료를내려 받아별 도의프로그램을이용하여자료를변환하고검증할수있
다
.
실제로ADOS
부이의관측시간간격은수분에서수시간까지매우불규칙하게나타난다
.
이렇게불규칙한관측시간간격은통신위성의주기관측위치의경도그외 해양기상환경적인요인들이복합적으로 영향을미친다
.
Argos
통신위성의주기인 약100
분이내의시간간격으로관측되는경우가 가장많지만 드물게
6
시간이상의간격으로 관측되는경우도있다
.
ADOS
부이는이전에WOCE
에서주로사용되던Argos
부이와는다르게수중부에끌개
(drogue)
가부착되어있지않아해류를따라 표류하지만부이의 이동속도가특정한 층의해류유속을 직접적으로반영하지는 않으며표층 바 람응력에반응할 가능성도있다
.
현장 투하
부이실험은
Type B 2
대와Type C 2
대,
총4
대의ADOS
부이를
2007
년8
월26-28
일에연구선이어도호를이용하Fig. 2. ADOS drifters of Type B (left panels) and Type C (right panels) and unpacked drifters on deck before releas- ing (lower panels).
여 동중국해의 수심
80-120 m
에 투하하여 실시하였다. 2007
년8
월24
일에서31
일까지기간중 획득한34
개의CTD
관측자료에서분석된해양환경특성분포와비교하여부이자료를해석하였다
. Fig. 3
은ADOS
부이투하위치와관측기간중의
CTD
관측위치를보여준다.
기존관측자료에서의연직물성구조
,
인공위성영상등을참조하여대한해협을통과할수있으며안정적인관측이가능한위치를 선정
,
투하계획을수립하였다.
그러나 관측기간중직전에관측된
CTD
자료의연직물성구조를참조하고주변어선들의조업상황을확인하여위치를조정하였다
(Table 2).
비교적어로활동이 적으며쿠로시오분지류가북상하는것으로예상되는북위
30~32
도,
동경126.5~127
도영역에부이를집중적으로투하하였다
.
관측기간중기상상태는대체로양호하였지만부이를투하한지약
2
주후인9
월
15~16
일2007
년11
호태풍나리(Nari)
가동중국해를통과하였다
.
따라서ADOS
부이관측을통해태풍통과전후의상층해양의변화를성공적으로관측할수있었다
.
일반해황및 자료처리
Fig. 4
는관측기간동안층별수온,
염분그리고밀도의수평분포를보여준다
.
관측기간중표층은 약30
oC
정도의고온수가전해역에 걸쳐거의 균일하게분포하는것 으로나타났다
.
이해역의일반적인여름철표층수온은28
oC
내외인(
이1997; China Ocean Press 1992)
점을감안하면
2007
년8
월의동중국해표층은이상고온이었다.
이는관측기간이전부터이해역의바람이비교적약하고 일사량이많았기때문으로판단된다
.
거의전관측기간에도풍속이
10 m/s
미만으로미약했다.
저층에서는제주도주변인연구해역의북서쪽에저온의수괴가존재하고일 본방향인남동쪽에고온의수괴가존재하여북북동
-
남남서방향의수온전선이 존재했다
.
염분은북서쪽표층에저염수가존재하고남동쪽에상 대적으로고염의수괴가존재하여역시북동
-
남서방향의표층염분전선이형성되어있었다
.
그러나저층으로갈수록저염수의면적이축소되어점점전선의강도가약해졌 다
.
결과적으로수층전체에걸쳐북동-
남서방향의밀도전선이연구해역에 형성되어있는데표층은주로염분구배 에의한 것이며저층은 주로온도구배에 의한것으로나 타났다
.
전체적으로쿠로시오기원의고온고염수가남동쪽에 존재하며저염의연안수가북서 방향에나타났다
.
Fig. 5
는관측기간동안의단면별수온,
염분그리고밀도의연직구조를보여준다
.
표층에서부터 약30~50 m
정도깊이에 계절수온약층이나타나고있어 상층에는거의 균질한고온수괴와저층의저온수와분리되어있다
.
특히ADOS
부이가투하된T11
정점에서는표층으로부터30~
80 m
층에상대적으로고온의해수가저온의해수아래에위치하는수온역전이나타났으며
20~40 m
부근에서는상대적으로저염인 해수가고염의해수아래에위치하는 염분역전이나타났다
. T16
정점의40 m
부근에서도염분의역전이나타났다
.
이는성질이다른두수괴가수평적으로관입하고있는특성으로이부근에서쿠로시오계열 의수괴와연안수사이의혼합이활발하게이루어지고있 음을의미한다
.
결과적으로동중국해에서쿠로시오분지류가우리나라주변해역으로유입되며해수특성이변형되 Fig. 3. Study area with ADOS deploying positions and
CTD stations.
Table 2. Information on ADOS buoy experiment
ID Type Latitude
(
oN) Longitude
(
oE) Deploy date
(YYYY/MM/DD) Observation period (days)
49852 C 32
o00.312' 127
o00.125' 2007/08/26 83
49841 C 31
o00.010' 126
o29.916' 2007/08/27 79
49750 B 30
o59.874' 126
o59.984' 2007/08/27 32
49751 B 30
o00.097' 127
o00.357' 2007/08/28 47
는과정을추적하기에적당한위치에
ADOS
부이가투하된것으로 판단된다
.
국내에서는 처음 사용되는 수온센서
string
이 장착된ADOS
부이의자료처리는오류자료처리에세심한주의를필요로한다
.
자료의오류는센서의측정과정,
장비내부의신호전달
,
위성을통한자료전송과정등에서발생할수있다
. Fig. 6a
는오류를 처리하기전의원시자료의 예를보여준다
.
기압,
압력,
수온자료모두비정상적인자료들을가지고있다
.
이와같은자료를다음과같은과정을거쳐수정하였다
.
먼저이상치를제거한다.
이상치판정은범위검사
(Range check)
와 편차시험(Deviation test)
으로이루어진다
.
범위검사는일반해양환경특성에서가능한범위를벗어나는자료를 판정하는것이며편차시험은자 료가구간 표준편차의
3
배범위를벗어나는경우이상치로판정하는것이다
.
편차시험을위한구간은기본적으로12
시간정도의간격으로설정하였지만항상일정하지는Fig. 4. Horizontal distributions of temperature, salinity and sigma-t at 3, 30, 50 m depth in August 2007.
않다
.
자료의오류가큰경우에는시간간격을늘이고오류가적은경우는시간간격을줄여서설정하였다
.
범위검사와편차시험을수행한후이상치를주변 값을이용선형 내삽하여치환한 후편차시험을반복실시하였다
.
오류차료가처리된후자료는
30
분간격으로다시선형내삽하여정리하였다
. Fig. 6b
는이러한과정을거쳐Fig. 6a
의원시자료에서 수정된 결과의예제를보여준다
.
오류 수정을거친
ADOS
관측결과를검증하기위하여CTD
자료와비교하였다.
관측정점T11
과T22
에서CTD
관측을수행할 때
ID 49852
부이와ID 49751
부이를투하하였지만각각
41, 18
시간정도의시차를 두고최초의자료가획득되어
CTD
관측자료와ADOS
부이관측자료의시간과위치가완전하게일치하지않는다
. CTD
와ADOS
부이의관측위치는
5~10 km
차이가발생하였지만두부이의투하위치에서가장인접한
CTD
정점이어서비교정점으로선택하였다
. ID 49841
부이와ID 49750
부이는Fig. 5. Vertical structures of temperature, salinity and sigma-t in August 2007.
정점과정점사이중간지점에서투하였다
.
투하시간과최초관측시간은각각
20, 3
시간정도차이가있었으며투하지점에서각각
5, 1 km
정도멀어져있었다.
이두부이자료는인접한두
CTD
정점자료를 선형내삽한결과와비교하였다
. CTD
자료와ADOS
관측결과를비교한Fig. 7
을보면표층 혼합층과수온약층의수심 등전체적인구 조가거의유사하게나타나고있다
.
그러나수온약층내부에서의수온의절대값이차이를보이고있다
.
이는센서자료의오류이기보다는비교자료의시공간적인차이에의한 것으로 내부조석파등에 의한수온약층내부의 변동성에 의한것으로추정되며향후지속적인검증이요구된다
.
특히수온역전등연직구조가복잡한
T11
정점에서는상세한수온구조를관측하기에는
8 m
의해상도를가진ADOS
부이를이용한관측이한계가있음을보여준다
.
이러한한계에도불구하고
ADOS
부이는동중국해대륙붕에서상층해양의열구조를관측하는데비교적유용하다고판단된다
. 3. 동중국해에서의 관측결과
부이의이동 궤적
Fig. 8
은2007
년8
월ADOS
부이투하후11
월까지관측된부이의 전체이동궤적을보여준다
. ID 49750
부이(Type B)
는북진하여제주도남방까지도달하였지만분명하지않은이유로
9
월28
일신호가유실되었다. ID 49751
부이
(Type B)
는2007
년10
월14
일이후센서의이상치가계속되고이동궤적이비정상적인 것으로 보아주변에조 업중인어선에의해손상된것으로판단되어분석에서 제외하였다
. ID 49841(Type C)
부이의경우대한해협동수로를통과하였지만대마도연안에도달한후
10
월17
일이후신호가유실되었다
. ID 49852
부이(Type C)
는가장오래까지관측이되어대한해협서수로를통과하여동해로 유입되었으나
, 11
월17
일신호가유실되었다. ID 49750
부이를제외하면 약두달정도정상적으로 자료를관측할 수있었다
(Table 2).
Fig. 6. Time series of temperature and pressure observed by an ADOS drifter before (a) and after (b) the error correction.
Fig. 7. Comparison of temperature profiles observed by CTD and ADOS buoy.
관측기간중가장중요한기상요인은
2007
년11
호태풍나리가동중국해상을통과한것이다
.
태풍Nari
는9
월13
일북서태평양에서발생하여9
월17
일한반도를통과한후소멸되었다
.
최저중심기압은약940 hPa,
최대풍속은168 km/h
정도이었으며,
강한 소형태풍으로분류되었다.
Fig. 9
는6
시간간격의태풍중심이동경로와9
월12
일~23
일동안의각부이의이동궤적을보여준다
.
태풍이동중국해를통과한
9
월15~16
일동안ID 49852
부이를제외하고는부이로부터약
100 km
내외로태풍이통과한것으로파악되었다
.
투하이후부터지속적으로북북서진하여태풍도달직전까지
150 km
정도이동하여이미대한해협으로진입한
ID 49852
부이는태풍이지나가는시기에빠른속도로대한해협을통과하였다
.
이에비해나머지부이들은투하이후태풍도달이전까지는
100 km
이내의범위에맴돌고 있었지만태풍통과 후빠른속도로 북향하는 특성을보였다
.
ADOS
부이의 이동궤적이 해수유속을정확하게 반영하고있지는않지만개략적인해류특성을반영하고있다
.
쿠로시오분지류와연안수의혼합이활발한
T11
정점에투하된
ID 49852
부이의이동궤적이대한해협으로곧바로유입되는것을볼때
,
제주도남부의동중국해서부전선역에서고온고염의쿠로시오기원의수괴가연안수와 활발하게혼합되어대한해협으로유입되는것으로판단된 다
.
또한2007
년9
월태풍Nari
의통과이후동중국해상에있었던
3
대의ADOS
부이의 궤적이북향으로빨라진것을볼 때태풍통과후동중국해서부에서북향의쿠로 Fig. 8. Trajectories of all ADOS drifters. Fig. 9. Trajectories of drifters during the 11th typhoon
Nari passing (2007. Sep. 12~23).
Table 3. CTD data used in the verification of temperature profiles observed by ADOS buoys
Station Measurement Location
(lat./lon.) Time (KST)
(YY/MM/DD,HH:MM)
T11 CTD 32
o00.024' / 127
o00.032' 2007/08/26 12:20
ADOS(ID 49852) 32
o09.546' / 126
o58.254' 2007/08/28 05:10
T15-T16 CTD 30
o59.924' / 126
o29.916' 2007/08/27 07:20
ADOS(ID 49841) 31
o03.006' / 126
o34.056' 2007/08/28 03:04
T16-T17 CTD 30
o59.951' / 126
o59.982' 2007/08/27 10:30
ADOS(ID 49750) 30
o59.574' / 127
o01.350' 2007/08/27 13:02
T22 CTD 29
o59.975' / 127
o00.232' 2007/08/28 09:30
ADOS(ID 49751) 30
o01.470' / 127
o05.670' 2007/08/29 03:46
시오분지류가강화된것으로판단된다
.
그러나태풍통과이전에약한북향의분지류가이시기에국한된것인지 전선역의일반적인특성인지는분명하지않다
.
향후태풍통과와쿠로시오분지류의반응에대한추가의연구가필 요할것으로판단된다
.
태풍통과에따른 동중국해상층 수온구조의반응
ID 49750
부이에서관측된수온의연직구조는태풍통과이전과 이후의 상층수온구조의변화를가장 극명하게 보여주고있다
(Fig. 10).
태풍통과이전인9
월14
일이전에는표층부터
30 m
까지 상층이28
oC
이상의 비교적 균일한고온수로구성되어있었으며
50 m
에서80 m
까지저층은
19
oC
내외의상대적으로저온수가균일한분포를보였다
.
그사이30~50 m
층에강한수온약층이형성되어있었으며내부조석또는내부파의영향으로보이는
1
일미만의주기의단주기연직진동특성을보이고있었다
.
그러나
9
월15
일약40 km
정도거리로태풍이통과한이후강한 연직혼합으로 수온약층이 깨어져 표층 수온이 약
4
oC
정도 하강하고저층의수온이 상승하여20~25
oC
범위의수온이
0~60 m
수층을점유하였다.
시간이지나감에따라
30 m
수심부근으로수온약층이점차형성되었지만태풍통과
10
일후인9
월27
일까지도이전의강도를회복하지는못하였다
.
태풍통과시기의또다른특징은내부관성파의발생이다
.
태풍통과직후4~5
일동안수층은약
23
시간주기의내부관성파에의한연직진동특성이강하게나타났다
.
이기간동안부이의압력센서자료를보면
80 m
층의압력센서가60 m
층까지상승하여수일간유지되었다
.
이는수온센서string
이연직에대하여약40
o정도기울어져있음을의미한다.
이에대한원인은아직명확하지않지만몇가지가능성을생각할수있다
.
첫째로표층뜰개부분이위치한상층은강한바람응력과 취송류에 직접 영향을 받아 유속이 빠르고 수온센서
string
의하부가위치한저층에서는상대적으로유속이작거나 해류의 방향이 달라 경사가발생했을 가능성이 있 다
.
두번째는가능성은수층내부에서강한내부관성파가발생했을경우이다
.
마지막압력센서가들려진수심의변화를자세히보면 수온구조와유사하게관성진동의 주기
로
5~10 m
정도오르내림을 반복하고있다.
내부관성파에의한 경압유속성분이 수온센서
string
의경사를유발했을가능성도있다
.
향후태풍통과시기의바람장의변화와내부관성파특성에대한추가분석이필요로하다
.
가장남쪽에투하된
ID 49751
부이의경우(Fig. 11)
전기간중
40~70 m
수심에수온약층이형성되어있으며태풍통과시기동안표층수온이약
1
oC
정도하강하였지만태풍의직접적인영향인지는명확하지않다
.
태풍의영향이상대적으로작은것은태풍의중심이비교적거리를
두고
(
약100 km)
통과한이유로판단된다.
다만마지막압력센서가
10
일정도기간동안약10 m
정도상승하였으며내부관성파의특성이뚜렷하게나타났다
.
태풍의중심이약
50 km
거리에서통과한ID 49841
부이의경우Fig. 10. Observed vertical structure of temperature by the ID 49750 buoy.
(Fig. 12)
태풍통과시표층수온이3
oC
정도 하강하였으며
20~40 m
수심에형성되었던수온약층이크게약화되었다
.
이부이에서도내부관성진동의특성이나타났으며64 m
층의압력센서가10 m
정도상승한후5
일동안점차원래수심으로회복하였다
.
태풍의중심이 약150 km
거리를두고 통과한
ID 49852
부이에서는(Fig. 13)
태풍통과시기에압력센서의수심이
10 m
이내상승한것이외에는특이한태풍의영향이나타나지는않았다
. 9
월20
일이후에는대한해협을통과하여동해남부로유입되어표층 수온이지속적로약화되고수온약층도점차로깊어지는 Fig. 11. Observed vertical structure of temperature by the ID 49751 buoy.
Fig. 12. Observed vertical structure of temperature by the ID 49841 buoy.