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HYCOM 재분석 자료가 재현한 동해 수온 및 염분 평가
홍진실
1· 서성봉
2,3· 전찬형
4· 박재훈
5· 박영규
2,3· 민홍식
2*1한양대학교 과학기술대학 해양융합과학과 (15588) 경기도 안산시 상록구 한양대학로 55
2한국해양과학기술원 해양순환기후연구센터 (15627) 경기도 안산시 상록구 해안로 787
3과학기술연합대학원대학교 해양융합과학 (34113) 대전광역시 유성구 가정로 217
4인하대학교 일반대학원 해양과학·생물공학과 (22212) 인천광역시 남구 인하로 100
5인하대학교 자연과학대학 해양과학과 (22212) 인천광역시 남구 인하로 100
Evaluation of Temperature and Salinity Fields of HYCOM Reanalysis Data in the East Sea
JinSil Hong
1, Seongbong Seo
2,3, Chanhyung Jeon
4, Jae-Hun Park
5, Young-Gyu Park
2,3, and Hong Sik Min
2*1Department of Marine Sciences and Convergent Technology, College of Science and Technology Hanyang University, Ansan 15588, Korea
2Ocean Circulation and Climate Research Division, KIOST Ansan 15627, Korea
3Department of Integrated Ocean Sciences, Korea University of Science and Technology Daejeon 34113, Korea
4Department of Marine Science and Biological Engineering, Graduate School Inha University, Incheon 22212, Korea
5Department of Ocean Sciences, College of Natural Science, Inha University Incheon 22212, Korea
Abstract : We evaluate the temperature and salinity fields in the East Sea reproduced by the global ocean reanalysis data using HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM for short). Temporal correlation of Sea Surface Temperature (SST) change between HYCOM and the Group for High Resolution Sea Surface Temperature (GHRSST) are higher in summer than winter. Though distributions of temperature and salinity in the HYCOM are similar to those from historical data (World Ocean Atlas 2013 V2), salinity in the HYCOM is lower (highter) in the region where the salinity is high (low). Temperature fields in the Ulleung basin of HYCOM are quite similar to those derived from Pressure-recording Inverted Echo Sounder (PIES), such as the correlation coefficient is higher than 0.7. This indicates that the HYCOM represents well the circulation and meso-scale phenomena in the Ulleung basin.
Key words : East Sea, HYCOM, evaluation, temperature, salinity
*Corresponding author. E-mail : [email protected]
1. 서 론
태평양 주변해인 동해의 해수 교환은 주로 대한해협, 쓰가루해협, 쏘야해협을 통해 일어난다. 대한해협을 통해 유입되어 쓰가루해협과 쏘야해협을 통해 유출되는 난수는 동해 남부의 상층 해양 환경에 큰 영향을 미친다. 이 난수 에 의해 북위 38−40도 부근에 극전선이 형성되고 이 극전 선을 경계로 북쪽은 냉수역, 남쪽은 난수역으로 나뉜다.
동해의 분지로는 일본분지, 울릉분지, 야마토분지가 있으 며 일본분지는 냉수역에, 울릉분지와 야마토분지는 난수 역에 해당한다(Fig. 1).
난수역 수괴인 대마난류수의 일부는 일본분지로 이송되 고 냉수역에서 형성되는 동해중층수, 북한한류계수는 난 수역으로 이송되는 등 난수역과 냉수역 사이에는 해수 교 환이 일어난다. 그러므로 동해에서 해수의 형성, 분포, 이 동, 변동성을 종합적으로 이해하기 위해서는 냉수역과 난 수역에 대한 조사가 요구된다. 그러나 동해는 한국, 일본, 러시아로 둘러싸여 있어 각국의 배타적 경제 수역에 해당
하는 해역에 대한 타국의 조사가 한정적일 수밖에 없다.
따라서 동해 전 해역에 대한 관측은 수행되기가 매우 어 렵다. 이러한 관측의 한계를 피하면서 어느 정도 관측 자 료와 유사하게 활용할 수 있는 자료로 재분석 자료를 들 수 있다.
하지만 재분석 자료는 자료를 동화하는 방법, 이용된 관측 자료 처리 방법, 이용된 수치모델 등에 따라 자료마 다 특성이 다르기 때문에 재분석 자료를 유사 관측 자료 처럼 이용하기 위해서는 주의가 요구된다. 따라서 재분석 자료를 이용한 분석과 현상 해석을 하기에 앞서 재분석 자료의 품질을 평가하고 검증해야 한다. 위성 및 현장 관 측 자료가 동화된 해양 모델 자료 중 Hybrid Coordinate Ocean Model(HYCOM, http://www.hycom.org, Chassignet et al. 2007, 이하 하이브리드해양모델)을 이용한 전지구 해황 자료는 여러 연구자에 의해 검증되고 이용되어 왔다.
민 등 (2011)은 대한해협 서수도에서 5년 동안 한 달에 1회 이상 관측한 CTD 관측 자료와 자료동화된 하이브리 드해양모델의 자료를 비교하여 하이브리드해양모델이 대
Fig. 1. Bottom topography of the East Sea. Each color box symbolizes representative basin areas. The abbreviations
WJB, EJB, UB, and YB denote western Japan Basin, eastern Japan Basin, Ulleung Basin, and Yamato Basin,
respectively. A line(black) is referred in Figs. 6 and 7
한해협저층냉수의 발달을 어느 정도 모의한다고 주장하였 고, 서 등 (2013)은 부산과 하카타를 왕복하는 Camellia Line 에 장착된 유속계로 관측한 유속과 자료동화된 하이 브리드해양모델의 분석 자료의 유속을 비교하여 하이브리 드해양모델이 대한해협을 통과하는 해류나 연안류를 잘 모의한다고 검증하였다. 선행 연구에서 자료동화된 하이 브리드해양모델의 분석 자료가 대한해협 부근의 물성과 해류를 모의하는 수준은 조사되었으나 동해 내부의 물성 과 해류를 모의하는 수준에 대한 조사 결과는 아직 제시 된 바 없다. 따라서 동해 연구에 자료동화된 하이브리드해 양모델의 분석 자료를 이용하기 위해서는 먼저 하이브리 드해양모델의 결과가 동해의 해양 변수를 모의하는 수준 을 평가할 필요가 있다.
이 연구에서는 자료동화된 하이브리드해양모델의 결과 가 모의하는 동해의 물성과 관측 자료를 비교하여 모델 결과가 동해의 물성을 모의하는 수준을 조사하였다. 해수 면 수온은 위성 관측 해수면 수온인 Group for High Resolution Sea Surface Temperature(GHRSST) 자료와 비 교하였고, 수온과 염분의 분포는 World Ocean Atlas (WOA) V2 와 비교하였다. 그리고 울릉분지에서의 수온장 을 Pressure Inverted Echo Sounder(PIES)로 구한 수온장 과 비교하였다.
2. 자 료
하이브리드해양모델은 미국의 대학, 해군, NOAA 산하 기구 및 기업들에 의해 공동 개발된 해양모델로 연안 및 대양의 순환을 모두 적절하게 재현하기 위하여 수심에 따 라 다른 형식의 연직 좌표계를 사용한다. 성층화된 대양에 서는 밀도면을 따르는 연직 좌표계를 사용하지만 수심이 얕은 연안에서는 해저 지형을 따르는 연직 좌표계를 사용 하고, 혼합층이나 성층이 없는 해양에서는 수심을 따르는 연직 좌표계를 사용한다(Halliwell 2004).
자료동화된 하이브리드해양모델을 이용한 전지구 해황 재분석 자료(HYCOM + NCODA Global 1/12
oReanalysis:
GLBu0.08, 이하 HYCOM)의 경우 수치 계산은 연직 방향 으로 32개의 층에서 실시되지만 최종적으로 40개의 수심 으로 내삽되어 제공되고, 수평 방향으로는 위도와 경도 각 각 동일하게 0.08도, 즉 약 1/12.5도 간격으로 내삽되어 제 공된다. 바람응력이나 열수지, 강수량 등 표층에 작용하는 외력은 1시간 간격의 National Centers for Environmental Prediction(NCEP) 재분석 자료를 사용하였다. 그리고 하 이브리드해양모델은 미 해군 접합 해양 자료동화(Navy Coupled Ocean Data Assimilation, NCODA) 를 통해 이용 가능한 모든 위성 및 현장 관측 자료들이 실시간이나 준 실시간으로 동화된다(Cummings 2005). 하이브리드해양
모델의 자료동화에는 위성을 이용한 해수면 수온 및 해수 면 고도 관측 자료가 이용되며, 이외에도 XBT, CTD, Argo 뜰개 등으로 관측된 연직 관측 자료도 이용된다. 현 재 제공되는 자료는 1992년 10월 2일부터 1995년 7월 31 일까지 기간에 해당하는 실험인 expt_19.0과 1995년 8월 1일부터 2012년 12월 31일까지 기간에 해당하는 실 험인 expt_19.1이다. 이 연구에서는 HYCOM 중 동해의 수온과 염분 자료를 이용하였다.
해수면 수온 비교에 이용된 GHRSST의 L4 자료는 NASA 의 Global Data Archiving Centre(GDAC)로 실시간 으로 전송된 위성 해수면 수온 자료들을 결합하여 제공되 는 자료로서 HYCOM과 비교를 위해 HYCOM 격자점으 로 내삽하여 사용하였다. 비교에 이용된 자료는 2006년 4월 1일부터 2013년 1월 31일까지 기간의 자료이다.
물성 구조 비교에 이용된 WOA 자료는 NOAA에서 제 공하는 관측 자료를 이용한 재분석 자료이다. WOA 2013 V2 Data를 이용하였으며 10년 평균으로 제공되는 자료 중 1995년부터 2004년까지 기간 동안 평균된 위경도 방 향으로 각각 1도 간격인 수온과 염분 자료를 이용하였다.
울릉분지 수온장 비교에 이용된 관측 수온장은 1999년 6월 16일부터 2001년 6월 20일까지 기간 동안 24개 정점 에서 PIES를 이용하여 관측한 음파 이동 시간으로부터 산 출한 수온장이다(상세 내용은 Mitchell et al. 2005b 참조).
한편, 1999년, 2000년, 2001년의 6월 수온장 비교에는 국 립수산과학원의 정선해양관측자료도 함께 이용하였다.
3. 결 과
GHRSST와 비교를 통한 HYCOM의 해수면 수온 평가
HYCOM의 해수면 수온과 GHRSST를 계절별로 비교
하였다. 각 계절을 대표하는 달로서 2월, 5월, 8월, 11월을
선택하였고, 해당 일의 장기 평균을 제거한 아노말리로 비
교하였다. 각 월별 평균 해수면 수온은 GHRSST로 나타
내었다(Fig. 2a). 북위 40도 부근의 극전선을 기준으로 남
쪽의 난수역과 북쪽의 냉수역으로 나뉘고 여름철에는 해
수면 수온이 높아지면서 이 경계가 약해지는 특징이 잘
나타난다. GHRSST에서 보이는 해수면 수온의 변화가
HYCOM 해수면 수온에서도 잘 나타나는지 확인하기 위
해 두 자료의 상관도를 구하였다(Fig. 2b). 두 자료의 상관
도는 각 격자점에서 두 자료의 시간 변동성의 상관도
(temporal correlation)로 계산하였다. 상관계수는 2월, 5월,
8 월, 11월에 각각 0.58, 0.69, 0.79, 0.62로 8월에 가장 높
고 2월에 가장 낮다. 5월에는 동해 북동쪽 냉수역을 제외
한, 동해 전체에서 높은 상관관계를 보인다. 8월에는 다른
달에 비해 전체적으로 높은 상관관계를 보이고 특히 동해
중심부에서 가장 높다. 11월은 서일본분지와 울릉분지 부
근에서 상관관계가 높은 반면, 일본 연안을 따라서는 상 관관계가 낮다. 2월은 한반도 연안에서 상관관계가 높고, 다른 달에 비하여 전체적으로 낮은 상관관계를 보인다. 모 든 달에서 공통적으로 동해 북동쪽의 냉수역에서 상관관 계가 낮고 특히 2월에는 북동쪽에서 내려오는 냉수를 잘 모의하지 못하여 다른 시기에 비해 상관관계가 더 낮다.
HYCOM 해수면 수온과 GHRSST의 차이의 공간 분포 를 Fig. 2c에 나타내었다. 2월, 5월, 8월, 11월에 두 해수면 수온 차이의 제곱평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)는 각각 0.66, 0.66, 0.65, 0.65이다. 5월과 8월에는 HYCOM 해수면 수온이 GHRSST에 비하여 전 반적으로 낮다. 특히 8월에 일본분지 중앙부에서 HYCOM 해수면 수온이 GHRSST보다 매우 낮다. 11월에는 전반적 으로 HYCOM 해수면 수온이 GHRSST보다 더 높으며,
2월에는 HYCOM의 해수면 수온이 GHRSST보다 북위 40 도를 기준으로 북쪽은 낮고 남쪽은 높다. GHRSST에 비 해 HYCOM 해수면 수온이 8월에는 낮고 11월에는 높은 것은 계절이 바뀌면서 수온이 낮아지는 현상을 HYCOM 해수면 수온에서 느리게 모의한다는 것을 의미한다. 두 자 료의 상관관계와 차이를 보여주는 공간 분포도를 통하여 (Fig. 2b,c), 일반적으로 HYCOM 해수면 수온과 GHRSST 의 차이가 큰 곳에서 상관관계도 낮음을 알 수 있다.
Fig. 1 에 표시된 각 분지 별 대표 해역에서 HYCOM 해 수면 수온과 GHRSST의 시간 변화를 비교하였다(Fig. 3).
HYCOM 자료동화 과정의 나이퀴스트 주파수(nyquist frequency) 를 고려하여 HYCOM 해수면 수온과 GHRSST 자료 모두 20일 이동평균(running mean)을 하여 비교하였 다. 대체적으로 모든 분지에서 HYCOM 해수면 수온과 Fig. 2. Horizontal distributions of climatological mean sea surface temperature (SST) from GHRSST (a), temporal
correlation (b), and SST difference between HYCOM and GHRSST (c) in May, August, November, and
February
GHRSST의 변동이 유사하다. 서일본분지에서 2007년 초, 2009년 여름, 2010년 초반기와 초여름, 2012년 봄에 두 자료의 차이가 있다. 이 시기 중 2007년 초에는 HYCOM 해수면 수온이 GHRSST에 비해 높지만, 나머지 시기에는 HYCOM 해수면 수온이 GHRSST보다 낮다. 동 일본분지에서는 2006년 여름과 2010년 여름에만 눈에 띄 는 차이가 있다. 이 시기를 제외한 나머지 시기에서는 약 간의 차이가 있으나 거의 유사하다. 울릉분지에서는 2009/2010 년 겨울에 HYCOM 해수면 수온이 GHRSST보 다 낮으나, 다른 분지에 비하여 시간 변화 형태가 가장 유 사하다. 야마토분지에서는 다른 분지에 비하여 해수면 수 온의 차이가 크다. 특히 2006/2007년 겨울과, 2007/2008 년 겨울, 2010년 여름, 2012년 후반기에 차이가 크고, 주 로 겨울철에 차이가 많이 난다. 네 분지 모두에서 HYCOM 해수면 수온과 GHRSST의 차이가 있기는 하지 만 차이값이 크지 않고, 한편 시계열이 변화하는 양상이 유사하다.
WOA와 비교를 통한 HYCOM의 수온-염분 평가 계절별로, 전 수심에서 나타나는 수온과 염분의 구조를 평가하기 위해, 각 계절을 대표하는 2, 5, 8, 11월을 선택 하여 HYCOM과 WOA의 수온-염분도(TS-diagram)를 비 교하였다(Fig. 4). 모든 분지에서 수온이 높지 않은 2월 과 5월에 차이가 작다. 서일본분지에서는 8월과 11월에 HYCOM 의 염분이 WOA의 염분보다 높다. 8월에는 27 σθ보다 낮은 밀도 범위에서 HYCOM의 염분이 더 높 고 11월에는 27 σθ보다 높은 밀도 범위에서도 염분이 더 높다. 동일본분지는 서일본분지와 대조적으로 HYCOM의 염분이 WOA의 염분보다 높으며 이런 특징이 모든 달에 서 나타난다.
울릉분지에서는 26.5 σθ보다 낮은 밀도 범위에서 차이 가 크게 나타나며 8월과 11월의 상층을 제외하면 HYCOM 의 염분이 WOA의 염분보다 낮다. 야마토분지에서는 2월 에 수온 및 염분 구조가 가장 유사하며, 5월과 8월은 26.5 σθ보다 낮은 밀도 범위에서, 11월은 27 σθ보다 낮은 Fig. 3. Time series of sea surface temperature anomalies. Red lines denote HYCOM and black lines denote GHRSST;
western Japan Basin (a), eastern Japan Basin (b), Ulleung Basin (c), and Yamato Basin (d)
밀도 범위에서 차이가 난다. 5월에는 HYCOM이 WOA보 다 염분이 낮고, 8월에는 24.5 σθ 부근을 경계로 낮은 밀 도 범위에서는 HYCOM이 WOA보다 염분이 높은 반면 높은 밀도 범위에서는 HYCOM이 WOA보다 염분이 낮 다. 11월에는 그 경계가 25.2 σθ 부근에 해당된다. 여름에 대마난류에 의해 대한해협을 거쳐 울릉분지로 유입되는 고온저염(20
oC 이상, 34 psu 이하)의 표층수가 HYCOM 에서도 보이지만 그 염분이 WOA에 비해 높다.
분지 별 평균 연직 프로파일을 이용하여 HYCOM과 WOA의 수온 및 염분의 연직 구조를 비교하였다(Fig. 5).
수온-염분도에서는 2월이 다른 달에 비하여 차이가 작은 것처럼 보이나 연직 프로파일에서는 2월에 두 자료의 차 이가 가장 크다. 서일본분지의 모든 달에서 HYCOM의 수온이 WOA보다 높고, 염분은 2월을 제외한 나머지 달
에서 유사하거나 HYCOM의 염분이 조금 더 높다. 2월의 수온은 WOA에서는 표층에서 125 m까지 계속 감소하는 형태를 보이는 반면, HYCOM에서는 75 m 부근까지 수 온이 일정하다가 75 m부터 천천히 감소하는 형태를 보 인다. 염분은 HYCOM이 WOA보다 낮으며 표층부터 150 m 까지는 차이가 크고 150 m 이심에서 HYCOM의 염 분이 증가하면서 WOA와 유사해진다. 5월에 표층 수온은 HYCOM 이 높으나 50 m 이심에서는 WOA의 수온과 유 사하다. 염분은 표층을 제외하면 유사한 구조를 보인다.
8월에는 표층에서 HYCOM이 WOA보다 수온이 높지만 100 m 이심에서는 유사하다. 염분은 표층에서는 HYCOM 이 WOA보다 더 높지만 25 m 이심에서는 유사한 구조를 보인다. 11월에는 HYCOM의 수온이 WOA보다 높지만 연직 구조는 유사하며 염분은 표층에서는 HYCOM이 Fig. 4. TS-diagrams from WOA (solid line) and HYCOM (dotted line) in February (blue), May (pink), August (red),
and November (green); western Japan Basin (a), eastern Japan Basin (b), Ulleung Basin (c), and Yamato Basin
(d)
WOA보다 높으나, 50 m에서 100 m까지는 낮고 100 m 이심에서는 유사하다.
동일본분지에서는 2월에 HYCOM의 수온이 WOA의 수온보다 낮으며 특히 표층 수온의 차이가 크다. 염분도 HYCOM 이 WOA보다 낮은데 WOA의 염분 구조는 표층 부터 400 m까지 어느 정도 일정한 반면, HYCOM의 염 분 구조는 표층에서 낮고 수심이 증가함에 따라 증가하는 형태이다. 5월에는 HYCOM과 WOA의 수온과 연직 구 조가 유사하다. 5월의 염분 구조는 WOA의 염분이 50 m 이심에서 일정함에 비해 HYCOM의 염분은 수심이 증가
하면서 증가하는 형태이다. 8월에도 5월과 마찬가지로 HYCOM 과 WOA의 수온과 연직 구조가 유사하다. 염분 은 100 m보다 얕은 수심에서 HYCOM이 WOA보다 낮 다. 11월에는 75 m까지는 HYCOM의 수온이 WOA의 수 온보다 높지만 75 m 이심에서는 WOA의 수온보다 낮고 150 m 이심에서 유사해진다. 염분 구조에서는 WOA는 100 m까지 증가하다가 125 m까지 약간 감소하고 125 m 부터는 일정한 염분을 보이는 반면, HYCOM은 50 m까 지 일정하고 100 m까지 증가하다가 100 m부터 일정한 염분을 보인다. 수온과 염분 구조에서 HYCOM이 WOA Fig. 5. Vertical profiles of temperature and salinity in WOA (black lines) and HYCOM (red lines) in February, May,
August, and November; western Japan Basin (a), eastern Japan Basin (b), Ulleung Basin (c), and Yamato
Basin (d)
보다 혼합층이 깊음을 알 수 있다.
울릉분지에서 2월에는 HYCOM의 수온이 WOA의 수 온보다 약간 높으며, HYCOM의 염분은 표층에서는 WOA보다 낮고, 150 m 이심에서는 유사하다. 5월에는 수 온은 200 m까지, 염분은 150 m까지 HYCOM이 WOA보 다 낮으나 수온 구조와 염분 구조는 모두 유사한 형태를 보인다. 8월에 수온은 50−100 m 구간에서는 HYCOM이 WOA 보다 약간 낮으나 다른 수심대에서는 유사하다. 염 분은 표층에서 HYCOM이 WOA보다 높고 50−100 m 구 간에서는 약간 낮으며, 100 m 이심에서는 유사하다. 11월 에도 수온은 50−100 m 구간에서는 HYCOM이 WOA보 다 약간 낮으나 구조는 유사하고, 염분은 표층에서는 HYCOM 이 WOA보다 높다가 50 m부터 WOA보다 낮고 200 m 이심에서 유사한 값을 보인다.
야마토분지에서 2월에는 HYCOM이 WOA보다 수온은 약간 높고 염분이 낮다. 5월에는 수온과 그 연직 구조가 유사하고 염분은 175 m 부근까지는 HYCOM이 WOA보 다 낮다가 175 m 이심에서는 HYCOM이 약간 높은 구조 를 보인다. 8월에도 수온과 그 연직 구조는 유사하지만 염 분은 표층에서는 HYCOM이 WOA보다 높고 50−100 m 에서는 낮으며, 100 m 이심에서는 유사한 값을 보인다.
11 월에는 표층에서 HYCOM의 수온이 WOA 수온보다 높 으나 50 m 이심에서는 유사하며, 염분은 표층에서 50 m 까지는 HYCOM이 WOA보다 높지만 50−150 m에서는 WOA 보다 낮다.
수온과 염분의 남북 단면 분포를 비교하기 위해, HYCOM 과 WOA 평균 자료를 이용하여 서일본분지와 울 릉분지를 가로지르는 Fig. 1의 A선을 따라 수온과 염분의
Fig. 6. Meridional distributions of temperature of WOA (left), HYCOM (middle) and difference (right); February (a),
May (b), August (c), and November (d)
연직 단면을 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. 수온의 연직 단면(Fig. 6)에서 2월에 WOA는 혼합층이 표층에 얇게 존 재하는 반면 HYCOM은 WOA에 비하여 두껍게 존재한 다. HYCOM과 WOA의 수온 차이를 그린 단면에서 북위 39.5 도를 기준으로 100 m보다 얕은 수심에서 남쪽에서는 HYCOM 의 수온이 WOA보다 높은 반면 북쪽에서는 낮 다. 이러한 차이는 위도에 따른 수온 구배가 HYCOM이 WOA 보다 큰 형태에서 기인한다. 한편 WOA는 대부분의 위도에서 1
oC 보다 낮은 수온이 300 m부터 존재하는 반 면, HYCOM은 300 m보다 좀 더 깊은 위치에서 나타나 고 북위 37.5도 부근에서는 400 m보다 깊은 곳에서 나타 난다. 이러한 수온 분포의 차이는 두 자료의 차이를 나타 낸 그림의 북위 37.5도 부근에서 HYCOM이 WOA보다 높은 형태를 보이는 것을 통해서도 확인할 수 있다.
5 월에는 표층부터 100 m 사이에서 HYCOM이 WOA
보다 등온선 간격이 좁다. 1
oC 이하의 수온은 2월과 마찬 가지로 WOA는 300 m 이심에서 나타나는 반면, HYCOM 은 위도에 따라 1
oC 이하의 수온이 나타나는 깊이가 다르 고, 고위도로 갈수록 얕아진다. 표층에서는 HYCOM의 수 온이 WOA보다 높지만 표층을 제외하면 대부분 WOA보 다 낮다. 한편 북위 40도 이남의 100 m 부근에서 HYCOM 의 수온이 WOA에 비해 매우 높다.
8 월에는 두 자료 모두 표층에 고온이 나타나는 형태와 수심에 따른 수온 변화 형태가 유사하게 보이지만 표층 에서 HYCOM의 수온이 WOA보다 높다. 이러한 차이는 북쪽으로 갈수록 더 심하다. 표층 아래에서 200 m까지 수 심대에서 북쪽에서는 HYCOM의 수온이 WOA보다 높지 만 북위 40도 이남에서는 WOA보다 낮다.
11월에는 2월과 마찬가지로 HYCOM에서 혼합층이 더 두껍게 보이고, 다른 달에 비하여 저온이 존재하는 위치가
Fig. 7. Meridional distributions of salinity of WOA (left), HYCOM (middle) and difference (right); February (a), May
(b), August (c), and November (d)
WOA 와 가장 유사하다. 반면, 다른 달보다 고온인 표층의 두께가 더 두껍다. 8월과 비교하여 그 차이는 작지만 8월 에서 보이는 표층 아래부터 200 m까지 수심대에서 북위 40 도를 경계로 남쪽과 북쪽이 대조적인 모습은 11월에도 보인다. HYCOM과 WOA의 차이는 모든 달에서 남쪽 에서는 수심에 따라 고온-저온-고온의 형태를, 북쪽에서 는 2월을 제외하고 고온-저온의 형태를 보인다.
염분의 남북 연직 단면(Fig. 7)에서 보이는 HYCOM의 염분 분포 특성은 WOA에서 보이는 일반적인 동해의 염 분 분포 특성, 즉 상층부에서 남쪽의 염분이 높고 북쪽의 염분이 낮은 특성이나 여름철에 표층에 저염이 존재하는 특성이 보인다. 그렇지만 염분의 상세한 분포 형태는 HYCOM과 WOA가 서로 다르다. 2월에 100 m 이내의 상층에서 WOA는 34.1 psu 이상의 염분이 북위 39도까지 존재함에 반해 HYCOM에서는 고염이 북위 38도 이남에 만 존재하고 북쪽의 저염의 분포가 북위 39도까지 확장된 형태를 보인다. 전반적으로 HYCOM의 염분이 WOA의 염분보다 낮으며 심층보다 상층에서 두 자료의 염분 차이 가 크다. 특히 고염이 존재하는 울릉분지의 상층에서 HYCOM 과 WOA의 차이가 가장 크다.
5월에는 200 m 이내의 상층에서의 구조는 유사하나 2 월과 마찬가지로 울릉분지의 저염의 분포가 HYCOM이 WOA보다 작게 나타난다. 2월에는 남쪽의 고염과 북쪽의 저염의 경계가 WOA보다 HYCOM에서 더 남쪽에 존재 하는데 5월에는 그 경계의 위치가 두 자료에서 모두 북위 39 도 부근으로 비슷하다. 한편 WOA에서는 북쪽의 저염 과 연결된 형태로 34.06 psu보다 낮은 염분의 형태가 남 쪽의 고염 아래에서 보이는 것과 달리 HYCOM에서는 34.06 psu 이하의 저염이 북위 38도 이남에서 보이지 않 는다. 이는 울릉분지에서 보이는 염분최소층, 즉 동해중층 수의 염분이 5월에는 HYCOM에서 제대로 나타나지 않음 을 의미한다. HYCOM과 WOA의 염분의 차이를 나타낸 그림에서 2월과 비슷하게 상층에서 HYCOM의 염분이 WOA의 염분보다 작으며 그 차이가 울릉분지 상층에서 가장 크다. 하지만 2월에는 대부분 HYCOM의 염분이 WOA 의 염분보다 낮았는데 반해, 5월에는 북위 38도 이남 의 중층에서 HYCOM의 염분이 WOA의 염분보다 높다.
8월에는 표층에 낮은 염분이 분포하는 형태가 두 자료 에서 모두 보이지만 HYCOM의 염분이 WOA의 염분보 다 높다. 즉 HYCOM에서 충분히 표층의 저염이 표현되 지 않는다. 저염의 표층수 아래 존재하는 대마난류중층수 의 형태와 분포 범위는 HYCOM과 WOA가 비슷하지만 염분은 HYCOM이 WOA보다 더 낮다. 하지만 5월과 비 교하면 그 차이는 5월보다 작다. 울릉분지에서 대마난류 중층수 아래 존재하는 동해중층수의 특징인 염분최소층의 형태가 WOA처럼 HYCOM에서도 보인다. 다만 그 염분
은 HYCOM이 WOA보다 높다.
11월에는 8월보다 저염의 표층수의 두께가 두껍다. 저 염의 표층수가 분포하는 것은 WOA와 HYCOM에서 보 이지만 WOA의 경우 북위 37도 이남에서 염분이 가장 낮 은 반면 HYCOM의 경우 북위 37.5도 부근에서 염분이 가장 낮다. 이러한 특징과 더불어 표층에서 두 자료의 염 분 차이는 북위 38−40도 영역에서 가장 작게 나타난다.
5 월과 8월에는 비록 HYCOM의 염분이 WOA의 염분보 다 낮긴 하지만 대마난류중층수의 분포 형태가 어느 정도 유사하였는데 11월에는 HYCOM에서 북위 37도 이북에 서 대마난류중층수의 특징이 보이지 않는다. 100 m 부근 에서 HYCOM의 염분이 WOA의 염분보다 매우 낮은 것 은 HYCOM에서 대마난류중층수의 분포가 제대로 표현되 지 않았기 때문이다. 한편 대마난류중층수 아래 염분최소 층의 염분이 8월에는 WOA보다 HYCOM이 높았던 것 에 반해 11월에는 HYCOM의 염분이 WOA의 염분보다 낮다.
PIES 수온장과 비교를 통한 HYCOM의 수온장 평가 HYCOM에서 표현되는 수온장을 평가하기 위해 PIES 를 이용하여 연속적으로 관측한 수온장과 비교하였다. 비 교에 사용된 PIES 수온장은 울릉분지에서 1999년 6월 16 일부터 2001년 6월 20일까지 PIES를 이용하여 관측한 음파 이동 시간과 Gravest Empirical Mode (GEM)를 이 용하여 합성된 수온장이다(자세한 내용은 Mitchell et al.
2004, 2005b 참조). Mitchell et al. (2005b)는 PIES 관측 기간 동안 나타난 울릉분지 상부 순환 형태의 특징을 여 섯 시기로 나누어 제시하였다. 이 여섯 시기에 해당하는 기간 중에서 두 달을 선택(Table 1)하여 평균한 100 m 수 온장을 Fig. 8에 나타내었다. 평균한 시기가 정확하게 일 치하지 않아 Mitchell et al. (2005b)의 수온장과 완벽하게 일치하지는 않지만 대체적인 분포 특성은 유사하다.
PIES 수온장에서 시기에 따라 분포 범위나 수온의 차이 가 있지만 울릉분지에 난수성에디(warm eddy)의 형태가 보인다. 난수성에디의 형태가 가장 발달된 시기는 T2이고 T6 시기에는 난수성에디의 존재를 확인하기 어렵다.
Table 1. Period for comparison of temperature distribution in the Ulleung Basin between PIES and HYCOM Period name Period
T1 1999/08/01−1999/09/30
T2 1999/11/01−1999/12/31
T3 2000/02/01−2000/03/31
T4 2000/06/01 −2000/07/31
T5 2000/11/01 −2001/12/31
T6 2001/04/01−2001/05/30
HYCOM 에서는 난수의 형태가 가장 강하게 보이는 T2 시기를 제외하면 난수성에디의 형태가 PIES 수온장에 비 해 희미하거나 없다. 따라서 T2 시기를 제외하면 PIES 수온장에서 주변에 비해 수온이 높은 지역의 HYCOM의
수온이 PIES 수온장의 수온보다 낮다. 그렇지만 비록 난 수성에디의 형태를 띠지 않더라도, PIES 수온장에서 난 수성에디에 해당하는 고온의 형태가 보이는 지역에서 HYCOM 도 주변에 비해 상대적으로 높은 수온을 표현한
Fig. 8. Distributions of temperature at 100 m of PIES (left), HYCOM (middle) and difference (right) for the 6 periods
(see Table 1 for T1 −T6). Black dots indicate grid points used for interpolation
다. 이는 하이브리드해양모델이 난수성에디 순환을 모의 하기는 하지만 순환의 강도를 약하게 모의한다는 것을 의 미한다.
PIES 수온장에서 난수성에디의 동쪽에 저온의 형태가 보인다. T1, T4, T6 시기에는 냉수성에디 형태를 띠고 T6 시기에서는 북쪽에서 남쪽으로 저온이 확장하는 형태를
띤다. 이 구조는 Dok 냉수성에디(Dok cold eddy)의 이동 과 연관이 있다(Mitchell et al. 2005a). HYCOM에서도 이 런 냉수의 구조가 유사하게 나타난다. T4 시기에 PIES 수 온장은 냉수성에디가 난수성에디의 남동쪽에 위치하지만 HYCOM 에서는 보이지 않고 난수성에디의 북동쪽에 냉수 가 보인다. T5 시기에 냉수성에디의 위치가 PIES 수온장
Fig. 9. Zonal distributions of temperature of PIES (left), HYCOM (middle) and difference (right) along 36.6ºN for the
6 periods (see Table 1 for T1 −T6)
과 HYCOM에서 같은 것으로 보아 하이브리드해양모델이 냉수성에디의 남하 시기를 늦게 모의한 것으로 판단된다.
한편 T1 시기를 제외하면 PIES 수온장에 비해 HYCOM 에서 냉수성에디의 수온이 높다. 이는 난수성에디 분포 비 교의 해석과 유사하게 HYCOM이 냉수성에디의 순환을 약하게 모의하기 때문으로 해석된다.
한국 연안을 따라 냉수가 남하한 형태가 PIES 수온장 에서 뚜렷하게 보인다. HYCOM에서도 이러한 형태가 보 이지만 냉수의 수온이 PIES 수온장에 비해 높거나 냉수의
남쪽 경계가 PIES 수온장보다 더 북쪽에 위치한다. 특히 T2 시기와 T5 시기에는 냉수의 수온뿐만 아니라 냉수가 존재하는 범위도 매우 차이가 나며 PIES 수온장에서 보이 지 않는 울릉분지 남서쪽 한국 연안 부근의 고온의 형태 가 HYCOM에서는 뚜렷하게 보인다. 이는 이 시기에 하 이브리드해양모델이 동한난류를 더 깊고 강하게 모의한 결과로 판단된다.
PIES 수온장에 비해 HYCOM에서 난수성에디의 수온 은 낮고 냉수성에디의 수온은 높으며 한국 연안의 냉수
Fig. 10. Distributions of temporal correlation (a) and RMSE of differences (b) between PIES and HYCOM and time
series of spatial correlation (c) at 50 m, 100 m, and 200 m. In (c), dotted lines denote mean value of
correlation coefficients
의 수온이 높다. 따라서 PIES 수온장의 수평 구배보다 HYCOM 수온장의 수평 구배가 전반적으로 작다. 이로부 터 하이브리드해양모델이 100 m 수심대의 순환을 약하게 모의함을 유추할 수 있다.
PIES 수온장과 HYCOM의 동서 단면도를 Fig. 9에 도 시하였다. Fig. 8과 같은 시기를 택했으며 북위 36.6도의 동서 단면을 택하였다. HYCOM에서 한국 연안의 냉수의 남쪽 경계가 PIES 수온장보다 북쪽에 위치했던 T2, T5 시기에 동경 130.5도 서쪽에 HYCOM의 수온이 PIES 수 온장보다 높은 것이 뚜렷하게 확인되며 이런 모습은 50−
200 m 수심에 걸쳐 나타난다. 아래로 볼록한 난수성에디 모양이 PIES 수온장에서 더 확실하게 보이며 그 위치에서 HYCOM 의 수온이 PIES 수온장의 수온보다 낮은 모습이 150 m 이상 두께로 나타난다. 이와 반대로 T4 시기에 PIES 수온장에서 위로 볼록한 냉수성에디가 보이는 위치 에서는 HYCOM의 수온이 PIES 수온장의 수온보다 높은 모습이 150 m 이상 두께로 나타난다. PIES 수온장의 동 서 수온 구배와 HYCOM 수온장의 동서 수온 구배를 비 교하면 하이브리드해양모델이 울릉분지의 중층 순환을 약 하게 모의함을 확인할 수 있다.
GHRSST 와 HYCOM 해수면 수온 비교에 사용한 방법 과 동일한 방법으로 구한 50 m, 100 m, 150 m에서의 PIES 수온장의 수온과 HYCOM 수온의 시간 상관도의 공 간 분포와 두 자료의 차이의 제곱평균제곱근오차의 공간 분포, 그리고 공간 상관도(spatial correlation)의 시계열을 Fig. 10 에 나타냈다. 시간 상관도는 수심이 얕을수록 높고 (50 m > 100 m > 200 m), 제곱평균제곱근오차는 100 m 에서 가장 크다. 50 m와 100 m에서는 북위 37.5도, 동경 132 도 부근에서 시간 상관도가 낮고 제곱평균제곱근오차 가 다른 곳에 비해 크다. 이에 반해 200 m에서는 난수성 에디가 위치하는 북위 37.5도, 동경 131도 부근에서 제곱 평균제곱근오차가 특히 크지만 시간 상관도는 상대적으로 다른 곳에 비해 작지 않다. 난수성에디가 존재하는 곳에서 PIES 에 비하여 HYCOM의 수온이 낮았다. 이점으로부터 난수성에디의 하부 경계에 해당하는 수심에서 두 자료의 차이가 크게 나타나는 것으로 판단된다. 한편 PIES 수온 장과 HYCOM 수온장에서 달랐던 한국 연안의 냉수의 남 쪽 경계에서 100 m와 200 m의 시간 상관도가 낮은 점도 주목할 만하다.
두 자료의 공간 상관도의 평균은 50 m, 100 m, 200 m
Fig. 11. Distributions of temperature at 100 m from PIES (left), HYCOM (middle), and KODC (right) in June of
1999, 2000, and 2001. Black and red dots indicate observation points of PIES and KODC, respectively
에서 각각 0.77, 0.71, 0.70이다. 동해만을 대상으로 모델 실험을 하여 PIES 수온장과 공간 상관도를 비교한 Kim et al. (2009) 의 결과(0.79)와 비교했을 때, 전지구 모델인 하이브리드해양모델의 모델 실험 결과와 관측과의 상관도 는 높은 편이다. 한편, 2000년 1월과 2001년 1월에 100 m 수심의 공간 상관도가 다른 수심보다 유난히 낮다.
울릉분지에서 공간 상관도에 영향을 미치는 요인을 파 악하기 위해 공간 상관도가 낮은 시기중 하나인 2000년 6월과 그 전후 연도의 6월(1999년 6월, 2001년 6월)의 PIES 수온장과 HYCOM의 평균 수온 분포를 비교하였다 (Fig. 11). PIES 수온장의 신뢰도 평가를 위해 국립수산과 학원의 6월 정선해양관측 수온장도 같이 도시하였다.
1999 년 6월에 PIES 수온장과 정선해양관측 수온장에서는 한국 연안에서의 냉수의 존재와 그 동쪽에서 난수의 존재 가 뚜렷하다. HYCOM에서는 비록 관측 자료만큼 뚜렷하 진 않지만 냉수와 난수의 대비가 보인다. 2001년 6월에는 PIES 수온장과 정선해양관측 수온장에서 한국 연안의 저 온, 동한난류에 해당하는 고온과 그 동쪽의 저온의 형태가 차례로 나타나는 특징이 뚜렷하다. 1999년 6월의 경우와 유사하게 HYCOM은 수평 구배는 작지만 이러한 분포 특 징을 보인다.
2000 년 6월의 경우에는 PIES 수온장에서 북서에서 남 동 방향으로 한국 연안의 냉수, 난수성에디, 냉수성에디의 분포가 뚜렷하게 보인다. 정선해양관측에서도 관측 영역 이 한정적임에도 불구하고 이러한 특징이 나타난다. 그러 나 HYCOM에서는 냉수성에디가 난수성에디의 남동쪽이 아니고 북동쪽에 위치하여 공간 분포가 매우 다르다.
1999년 6월, 2000년 6월, 2001년 6월의 수온장 비교에서 한국 연안의 냉수보다는 난수성에디와 냉수성에디의 위치 가 공간 상관도에 영향을 크게 미침을 유추할 수 있다.
4. 요약 및 토의
동해에서 HYCOM의 수온과 염분을 평가하기 위하여 GHRSST, WOA, PIES 의 자료를 이용하여 동해 전체의 해수면 수온, 각 분지의 물성 구조와 울릉분지의 수온장을 비교하였다. GHRSST 위성 자료와 비교한 HYCOM 해수 면 수온은 위성 자료 등을 이용한 자료동화 효과로 상당 히 유사하였다. GHRSST와 HYCOM 해수면 수온의 시 간 상관도는 8월이 0.79로 가장 높고 2월이 0.58로 가장 낮다. 2월에는 다소 상관도가 낮았지만, 전 기간에 걸쳐 전반적으로 상관도가 높았다. 서일본분지, 동일본분지, 울 릉분지, 야마토분지의 해수면 수온 변동을 비교하였을 때, 네 분지 모두에서 두 자료의 변화 양상이 유사하였 다. 따라서 HYCOM을 동해 해수면 수온 연구에 사용 할 수 있을 것이라 판단된다.
WOA 와 수온-염분도, 연직 프로파일, 남북 단면을 비교 하여 HYCOM의 수온과 염분을 평가하였다. 수온에 비해 상대적으로 염분 차이가 컸으며, WOA보다 HYCOM의 연직 및 수평 염분 차이가 작게 나타났다. 이는 주로 염분 이 높은 곳에서 HYCOM의 염분이 WOA보다 낮고 염분 이 낮은 곳에서 HYCOM의 염분이 WOA보다 높기 때문 이다. HYCOM 염분을 이용한 연구를 위해서는 추가적인 처리나 확인이 필요할 것이라 여겨진다.
울릉분지에 대한 PIES 수온장과 HYCOM 수온장 비교 에서 HYCOM과 PIES 수온장의 절댓값은 차이가 있으나 수온 분포 양상이 상당히 유사함을 보였다. 울릉분지에는 난수성에디와 냉수성에디가 존재하여 에디의 재현 정도가 모델의 재현성 검증에 중요한 역할을 한다. 난수성에디의 수온을 낮게 냉수성에디의 수온을 높게 모의하는 등 하이 브리드해양모델이 순환을 다소 약하게 모의하는 경향이 있으나 울릉분지의 에디를 비교적 잘 모의하는 것으로 판 단된다. HYCOM과 PIES 수온장의 공간 상관도는 동해 지역모델을 대상으로 한 Kim et al. (2009)의 공간 상관도 와 유사하다. 하이브리드해양모델이 동해 지역모델이 아 닌 전지구 모델이라는 점을 감안했을 때 동해 남부 해역 에서 상당히 좋은 재현성을 보인다고 할 수 있다.
하이브리드해양모델이 재현하는 동해의 수온을 평가한 결과 하이브리드해양모델은 수온의 분포 양상, 계절별 변 화 경향 등을 잘 모의하는 것으로 판단된다. 본 연구에서 는 동해를 대상으로 하이브리드해양모델의 재현성을 평가 했으나 동해는 기후변화나 외해와도 연관성이 깊으므로 동해가 아닌 지역의 연구에도 본 연구 결과가 이용될 수 있을 것이다. 또한 Na et al. (2012)이 동해 상층의 10년 주기의 변동성이 북서태평양의 변동성과도 관련이 있다고 보인 바와 같이 동해에서의 기후변화나 외해와의 상관성 연구 등에 HYCOM 장기 자료를 이용 할 수 있을 것이라 고 판단된다.
비록 본 연구에서 하이브리드해양모델이 동해의 수온을 재현하는 수준이 상대적으로 나쁘지 않음을 보였으나 PIES 수온장과 HYCOM의 상관도가 매우 낮았던 2000년 1월이나 2001년 1월처럼 시기나 해역에 따라 하이브리드 해양모델의 재현성이 떨이지는 경우가 있다. 따라서 동해 연구에 HYCOM 자료를 이용하려면 여전히 세심한 주의 가 요구된다.
사 사
이 연구는 해양수산부의 ‘위성기반 한반도 주변해역
해양 탄소 추정모델 개발’과 한국해양과학기술원의 ‘동
중국해의 수온과 해류 변화연구’의 지원으로 수행되었습
니다.
참고문헌
