Article (Special Issue)

The Sea Journal of the Korean Society of Oceanography. 31 May 2019. 351-373
https://doi.org/10.7850/jkso.2019.24.2.351

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 자료 및 방법

  •   2.1 인공위성 고도계 자료와 연안역 자료 보간

  •   2.2 냉수성 소용돌이 탐지방법

  • 3. 울릉분지 일대에서 발생하는 냉수성 소용돌이

  • 4. 독도 냉수성 소용돌이의 연직구조

  • 5. 독도 냉수성 소용돌이의 이동 경로

  •   5.1 소용돌이 평균 위도에 따른 이동 경로 분류와 표층 순환

  •   5.2 독도 냉수성 소용돌이의 이동과 표층 순환의 시간적 변화

  •   5.3 독도 냉수성 소용돌이와 연안 냉수성 소용돌이의 병합

  • 6. 요 약

1. 서 론

해양 소용돌이(eddy)의 변동성은 크기와 기간의 범위에 따라 바다의 여러 가지 과정(process)에 영향을 준다. 소용돌이는 열, 염, 운동량, 그리고 영양분 등 물질을 운반하고 혼합하며 에너지를 전달하여 대양에서의 순환과 해양 생태계 유지에 중요한 역할을 한다. 이러한 이유로 해양의 소용돌이를 탐색하고, 소용돌이 구조와 이동에 관한 분석이 이루어져왔다(Wyrtki et al., 1976; Richardson, 1983). 서안경계류의 사행에 의해서 만들어지는 소용돌이에 대한 연구가 대표적이며, 그 중 울릉 난수성 소용돌이(Ulleung Warm Eddy, UWE)는 비선형항의 영향보다 β 효과에 의해서 만들어진다고 알려졌다(Arruda et al., 2004). Pichevin et al.(2009)은 내부중력모델(reduced gravity model)을 이용하여 서안경계류가 대양의 서쪽 육지경계에서 이안하는 위도가 시간에 따라서 변화하며 이러한 이안 위치의 변동이 난수성 소용돌이와 냉수성 소용돌이를 만드는 요인이라 주장하였다.

Mittelstaedt(1987)는 북동대서양에서 냉수성 소용돌이의 수온과 염분의 연직 구조를 관측하였다. 냉수성 소용돌이의 단면을 살펴보았을 때 중심부근에서 주변보다 수온과 염분이 낮은 해수가 표층까지 나타났다. 단면의 지형류 속도는 30~40 cm/s의 핵구조를 가지며, 냉수성 소용돌이의 영향으로 수심 1,200 m까지 유속이 나타났다. 냉수성 소용돌이는 북동쪽으로 3 cm/s로 이동하였다. 또한 Hu et al.(2011)은 남중국해 일대에서 발생한 냉수성 소용돌이를 관측하였고, 지형류를 계산하였을 때 해류는 반시계방향으로 순환하였다. 냉수성 소용돌이 중심 아래 50 m 보다 깊은 수심에서 수온이 20℃ 보다 낮았고, 수온이 주변보다 낮아 저온 돔(dome, 반구형으로 된 지붕 모양)형태가 나타났다. 등온선의 기울기는 80~100 m 수심에서 가장 가파르게 나타났다. 염분은 소용돌이 가운데에서 34.0 이상이었으며, 냉수성 소용돌이의 중심에서 주변보다 염분이 높았다.

동한난류의 사행에 의해 형성되는 소용돌이는 크게 UWE와 독도 냉수성 소용돌이(Dokdo Cold Eddy, DCE) 두 가지로 구분할 수 있다. UWE는 울릉도 주변에서 시계방향의 순환 형태로 나타나는 소용돌이이며, 소용돌이 내부에 난수를 포함하고 있어 해수면이 주변과 비교하여 높고, DCE는 독도 남서쪽에서 관측되는 반시계방향의 순환이며, 소용돌이 내부에 주변보다 수온이 낮은 냉수를 포함하고 있어 해수면 높이가 주변과 비교하여 낮다(Kang and Kang, 1990; Morimoto et al., 2000; Gordon et al., 2002; Lee and Niiler, 2005; Mitchell et al., 2005a).

Mitchell et al.(2004; 2005a)는 1999년 6월부터 2001년 7월까지 울릉분지에 압력감지 역방향 음향탐지기(Pressure sensor equipped Inverted Echo Sounder; PIES)들을 설치하여 수온분포를 관측하고 표층 순환을 연구하였으며, 이 관측 자료로부터 울릉분지에서 동한난류의 사행으로 만들어지는 냉수성 소용돌이를 처음으로 DCE로 정의하였다. 또한 Mitchell et al.(2005b)는 동한난류와 북한한류가 만나서 동쪽으로 사행하며 흐를 때 만들어진 첫 번째 골(trough)에서 DCE가 형성되어, 사행의 골에서 분리되고(pinch off), 한국 동해안을 향하여 서쪽으로 1~6개월 동안 이동한다고 보고하였다.

인공위성 고도계 자료를 이용하여 만든 절대역학지형(Absolute Dynamic Topography, ADT)과 표층 지형류 정보를 사용하여 탐색된 DCE는 표층 뜰개(surface drifter)의 궤적 자료에서도 나타난다. 이 연구에서는 표층 뜰개 자료로부터 DCE 주변을 순환하는 흐름의 유속을 알아보기 위하여 1993년부터 2015년까지의 울릉분지를 지나간 표층 뜰개들 중에서 DCE 주변을 지나가는 것들을 조사하였다. 표층 뜰개가 DCE 근처를 지나면 DCE 주변에 형성된 반시계방향 표층 순환에 잡혀서 DCE 주위를 반시계 방향으로 여러 번 회전한 후에 DCE의 영향권을 벗어난다(Fig. 1). 2000년 11월 14일부터 2001년 01월 18일까지 약 66일 동안 표층 뜰개가 울릉도 남동쪽에서 DCE에 잡혀서 1,486 km를 평균 속력 26 cm/s로 반시계 방향으로 회전하다가 동쪽으로 이동하였다(Fig. 1a). 2008년 4월 4일부터 2008년 6월 5일까지 약 62일 동안 표층 뜰개가 울릉도 남쪽에서 DCE에 잡혀서 1,577 km를 평균 속력 30 cm/s로 반시계 방향으로 회전하다가 동쪽으로 이동하였다(Fig. 1b). 동해를 지나간 표층 뜰개들의 수가 적어서 표층 뜰개 자료는 시공간적으로 일정한 간격의 해류 자료를 제공하지 못한다. 그래서 표층 뜰개 자료에서는 DCE의 이동을 찾아내기 어렵다.

동해에 발생하는 소용돌이들에 관한 연구가 지금까지 진행되어 왔으나 동한난류의 사행에 의해 생성되는 DCE에 대한 정량적 발생 통계 분석이 없었다. 그리고 DCE의 연직 구조, 이동경로와 DCE가 동한난류의 변동에 미치는 영향에 대한 연구도 매우 부족하다. 이 연구에서는 Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data (AVISO)에서 생산하는 인공위성 해면고도 자료를 사용하였으며, 연안 근처에서는 인공위성 고도계 자료의 관측 오차가 크기 때문에 그 관측 오차를 줄이기 위하여 조위관측소 자료를 활용하였다(Saraceno et al., 2008; Choi et al., 2012). 1993년부터 2015년까지 DCE를 포함한 울릉분지 일대에서 발생하는 냉수성 소용돌이들을 Winding-Angle 알고리즘을 이용하여 탐색하였다. 냉수성 소용돌이의 발생에 대한 연도별 그리고 월별로 정량적인 통계 분석을 수행하였다. 탐색한 냉수성 소용돌이들을 발생위치와 발생기작에 따라 구분하였으며, 이 냉수성 소용돌이들 중에서 특별히 DCE의 발생과정과 이동특성을 자세히 분석하였다. 이 연구는 기존 연구에서 살펴보지 못했던 서쪽으로 이동하는 모든 DCE에 대하여 발생부터 이동 그리고 소멸까지의 전 생애의 이동 경로를 최초로 제시하였다. 또한 NIFS가 2013년 10월과 12월에 울릉분지에서 관측한 수온과 염분자료 그리고 HYCOM 모델이 모의한 2013년 10월의 수온과 유속벡터 자료를 분석하여 이전까지 제시되지 못했던 DCE의 연직구조를 제시하였다. DCE가 서쪽으로 이동하여 한국 동해안에 도달하는 경로와 DCE의 서쪽 방향 이동이 동한난류에 미치는 영향을 조사하였다. 이 연구를 통해서 DCE의 생성과 이동 그리고 소멸이 울릉분지의 표층 순환 및 물성(hydrography) 변화와 어떻게 상호작용하는지 그 과정을 보여주고자 하였다.

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Fig. 1.

ADT (color and contour) and surface geostrophic current (vector) on (a) November 25, 2000 and (b) April 1, 2008. Blue line represents trajectory of a drifter from October 14, 2000 to January 18, 2001 and from April 4, 2008 to June 5, 2008. Red (black) dot indicates starting (end) location of a surface drifter.

2. 자료 및 방법

2.1 인공위성 고도계 자료와 연안역 자료 보간

AVISO는 여러 인공위성들의 해면 궤적(ground track)을 따라 관측한 해수면 높이 자료(along-track data)들을 모두 적합보간법에 의해 합성(merging)하여 수평 간격 0.25° 간격으로 해수면 고도 편차를 격자화한 자료(gridded data)를 제공한다(Chelton and Schlax, 2003; Pascual et al., 2006). AVISO는 자료를 제공하는 시간과 자료를 처리하는 방법에 따라 지연시간모드(Delayed Time mode, DT)와 준 실시간 모드(Near-Real Time mode, NRT)로 해면고도 자료를 제공한다.

이 연구에 사용된 인공위성 고도 자료는 HY-2A, SARAL, Cryosat, Jason-2와 같이 현재 관측중인 인공위성과 Jason-1, Topex/Poseidon, Envisat, GFO, ERS-1/2와 같이 임무가 완료된 인공위성을 이용하여 생산한 지연시간 자료(DT-MSLA “Ref”; Delayed Time - Maps of Sea Level Anomalies “Reference”)이다. Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS)의 웹페이지를 통해서 제공되는 DT-MSLA “Ref” 자료를 FTP를 이용하여 내려 받았다(http://marine.copernicus.eu). 자료는 1993년 01월 01일부터 2015년 12월 31일까지 23년 동안 1일 간격의 해수면 고도 편차(Sea Level Anomaly, SLA)이다. 이 자료 중에서 동해에 해당하는 영역만을 추출하여 사용하였다.

인공위성 고도계로 관측한 SLA 자료에 평균역학지형(Mean Dynamic Topography, MDT)를 더하여 ADT를 만들었다. 이 ADT자료에 지형류 방정식을 적용하여 해수의 흐름을 구할 수 있다. 이 연구에서는 수심이 500 m 이상인 곳은 열·염분 해수면 높이(steric height)를 이용하여 산출한 MDT를 사용하였으며(Choi et al., 2004), 수심이 500 m 보다 얕은 곳은 자료동화형 해양순환 수치모델(data assimilative ocean circulation model)의 MDT를 사용하였다(Kim et al., 2009; Lee et al., 2009).

$$ADT(x,y,t)=MDT(x,y)+SLA(x,y,t)$$ (1)

이와 같이 구해진 ADT에 지형류 방정식을 적용하면 식 (2)와 같이 표층 지형류를 계산할 수 있다(Choi et al., 2012).

$$u=-\frac1{\rho\;f}\frac{\partial p}{\partial y}=-\frac gf\frac{\partial h}{\partial y},\;v=\frac1{\rho\;f}\frac{\partial p}{\partial y}=\frac gf\frac{\partial h}{\partial y}$$ (2)

여기서, ρ는 밀도, h는 상층의 두께 또는 ADT, pxpy는 각각 x방향과 y방향의 수압경도, f는 코리올리 인자이다. 해류에 의한 해수면 높이 변화(h 또는 ADT)는 식 (1)과 같이 MDT와 SLA를 더하여 구할 수 있다. 동일한 방법을 사용하여 MDT로부터 평균 해류장을 구할 수도 있다.

인공위성 고도계 자료는 연안 50 km 이내의 해역과 수심 500 m 미만인 연안 근처에서 관측 오차가 상대적으로 크기 때문에 그 정확도가 줄어든다. 이는 인공위성의 복사계(radiometer)가 복사 값을 받아들일 때 육지로부터의 부정확한 복사 값도 함께 받아들이고 이 부정확한 복사 값을 인공위성 고도계 자료를 보정할 때 사용하기 때문이다. 그 결과 연안 50 km 이내의 해수면 고도 편차 자료에는 오차 값이 크게 나타나며, 이 해수면 고도 편차 자료로부터 계산된 연안의 표층 해류도 오차가 커질 수밖에 없다.

해안선 근처에서 부정확한 연안의 해수면 고도 편차 자료는 동해안에 위치한 속초, 묵호, 후포, 포항, 울산, 부산 조위관측소들의 해수면 높이 자료와 기상청의 해면기압 자료를 이용하여 인공위성 고도계로 관측한 자료를 보정하여 사용하였다. 그리고 각 연안 조위관측소 자료는 31일 이동평균(moving average)을 실시하여 단주기 성분과 조석성분을 제거하였으며, 해수면 높이 관측 자료에 포함된 선형 경항성(linear trend)을 제거하고, 인공위성 자료로부터 조위관측소 위치와 동일한 지점에서 출력한 자료가 가지고 있는 선형 경향성을 추가하여 연안지역에 대해 보정을 하였고, 인공위성 고도계 자료를 이용하여 두 지역 사이의 연안격자점에 대하여 2차원 내삽을 수행하였다(Saraceno et al., 2008; Choi et al., 2012).

2.2 냉수성 소용돌이 탐지방법

Winding-Angle 알고리즘은 해류 벡터장이 소용돌이를 주변에서 원형 혹은 나선형의 패턴을 나타내는 기하학적 특성을 이용하여 소용돌이를 추출해내는 알고리즘이다(Sadarjoen and Post, 2000; Chaigneau et al., 2008). 동해의 표층 해류가 지형류인 것을 가정하면 ADT 등치선이 대략적으로 유선함수가 된다. Chaigneau et al.(2009)은 개선된 Winding-Angle 알고리즘을 소개하면서 소용돌이의 위치와 모양을 해수면 높이(ADT) 등치선들로부터 파악할 수 있으며, 소용돌이 중심에서 해수면 높이가 주변보다 상대적으로 크거나 작아서 ADT 등치선이 폐곡선이 되는 부분을 소용돌이라고 판단할 수 있다고 하였다.

이 연구에서는 DCE를 탐지하기 위해 해수면 높이(ADT) 등치선 분포에 Winding-Angle 알고리즘을 적용하여 소용돌이를 탐지하는 방법을 사용하였다. 먼저 2.25° × 2.25° 격자 안에서 해수면 높이 등치선들을 0.1 cm 간격으로 그리고 해수면 높이 최솟값을 탐색하였다. 그 최솟값 주변 등치선들이 폐곡선을 이루며 중심보다 해수면 높이 값이 큰 경우를 냉수성 소용돌이라고 판단하였다. 하나의 냉수성 소용돌이가 7일 동안에 50 km 이내로 이동하였을 때는 동일한 소용돌이가 이동한 것으로 판단하였고, 적어도 28일 이상 계속 탐지되어야 하나의 독립적인 냉수성 소용돌이로 분류하였다. 이 같은 기준을 적용하여 128°~134°E와 35°~39°N 범위 내에서 발생한 냉수성 소용돌이를 탐색하였다.

3. 울릉분지 일대에서 발생하는 냉수성 소용돌이

이 연구에서는 울릉분지를 포함하는 128°~134°E, 35°~39°N 범위에서 발생한 냉수성 소용돌이를 탐색하였다(Fig. 2). 탐색된 냉수성 소용돌이들을 크게 3가지 발생 해역으로 구분하였다. 독도 일대에서 발생하는 소용돌이(DCE), 한국 동해안 근처 연안에서 발생하는 소용돌이(Coastal Cold Eddy, CCE), 그 외 냉수성 소용돌이(Other Cold Eddy, OCE)로 구분하였다. 또한 DCE가 이동하는 방향에 따라 각각 동쪽으로 이동하는 소용돌이(DCE-E)와 서쪽으로 이동하는 소용돌이(DCE-W)로 구분하여 분석하였다. Fig. 2에서 냉수성 소용돌이의 발생위치는 빨간색 점 그리고 소멸 위치는 검정색 점으로 나타냈다. 빨간색 점과 검정색 점을 연결하여 냉수성 소용돌이의 이동 궤적을 나타내는 파란색 선들이 여러 구간에서 서로 중복되어 나타난다.

Mitchell et al.(2005b)은 동한난류의 사행과정에서 UWE에 의해 분리(pinch off)되어 독도 남부에서 생성되는 냉수성 소용돌이를 DCE라 정의하였고, 한국 동해안 근처 연안으로 이동한다고 하였다. Lee and Niiler(2010)는 130°~132.5°E, 36°~38°N 일대에서 나타난 냉수성 소용돌이를 DCE라 정의하였고, 평균적으로 남서방향으로 이동한다고 보고하였다. 이 연구에서는 동한난류 사행의 첫 번째 골에서 발생하여 분리되어 나타나는 냉수성 소용돌이이면서 동시에 발생 위치가 130.50°~133.25°E, 35.75°~38.75°N(울릉도와 독도 일대)인 냉수성 소용돌이를 DCE라 정의하였다. 설령 이 영역 안에서 발생한 냉수성 소용돌이라도 동한난류의 사행과 뚜렷한 관련이 없는 경우나 명확한 판단이 어려운 냉수성 소용돌이는 OCE로 분류하였다. CCE는 대부분 동해안으로부터 50∼75 km 떨어진 곳에 형성되기 때문에 그 발생 위치가 130.25°E보다 서쪽이다.

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Fig. 2.

Trajectories of (a) all cold eddies, (b) DCE (Dokdo Cold Eddy), (c) CCE (Coastal Cold Eddy), and (d) OCE (Other Cold Eddy) in the Ulleung Basin. Red dot represents formation location and black dot represents decay location. Blue line, which connects red and black dots, represents trajectory of a cold eddy. Trajectories (blue lines) of moving cold eddies overlapped each other.

Lee and Niiler(2010)가 인공위성 고도계 자료와 지형류를 이용하여 128°~135°E와 35°~40°N 범위에서 1992년부터 2007년까지 16년 동안 탐색한 냉수성 소용돌이의 수는 총 137개였으며, 그 중에서 DCE는 55개였고 DCE의 평균 수명은 99일이었다. CCE는 23개였고 CCE의 평균 수명은 146일이었다. 이 연구에서 23년 동안 탐지된 냉수성 소용돌이의 수는 총 209개였다. 그중에서 DCE는 112개였고, 130.25°E보다 서쪽 해역인 한국 동해안 근처에서 발생한 CCE는 총 53개였으며, DCE 또는 CCE로 정확히 구분하기 어려운 냉수성 소용돌이 OCE는 44개였다. 탐색된 냉수성 소용돌이들의 평균수명은 78일이었으며, 최대수명은 329일이었다. 또한 평균적으로 157.3 km를 이동하였으며, 최대 722 km를 이동하였다. 냉수성 소용돌이의 평균 이동속도는 2.4 cm/s였다. DCE의 평균수명은 78일이였으며, 평균적으로 185.3 km를 이동하였다. DCE의 평균 이동속도는 2.8 cm/s였다. CCE의 평균수명은 89일이였으며, 평균적으로 129.9 km를 이동하였다. CCE의 평균 이동속도는 1.7 cm/s로 나타났다. OCE의 평균수명은 63일이었으며, 평균적으로 118.9 km를 이동하였다. OCE의 평균 이동속도는 2.3 cm/s였다(Fig. 2). Lee and Niller(2010)는 연안에서 오차를 보정하지 않은 인공위성 해수면 높이 자료를 사용하였고, 이 연구에서는 동해안을 따라 위치한 속초, 묵호, 후포, 포항, 울산, 부산의 조위관측소 자료를 이용하여 인공위성 해수면 높이 자료를 보완한 해수면 높이 자료를 사용하였기에 CCE의 발생숫자와 평균수명에 차이가 있을 수 있다.

냉수성 소용돌이는 1993년에 최대 15개 발생했고, 2009년에 5개로 최소로 발생하였다. DCE는 1993년에 10개 발생하였고, 1997년에 1개 발생하였다. CCE는 2002년, 2007년, 2013년에 최대 4개 발생하였고, 2003년에는 발생하지 않았다. OCE는 1996년에 최대 5개 발생하였고, 2000년, 2007년, 2008년에는 발생하지 않았다(Fig. 3a). 소용돌이가 월별로 생성되는 수는 23년 동안 7월에 총 26개로 최대 발생하였으며 10월에 5개로 최소로 발생하였다. DCE는 7월, 9월, 11월에 14개로 최대로 많이 발생하였으며, 10월에 2개로 최소로 적게 발생하였다. CCE는 8월에 8개로 최대로 많이 발생 하였고, 10월에 1개로 최소로 적게 발생하였다. OCE는 4월에 9개로 최대로 많이 발생하였고, 8월에 1개로 최소로 적게 발생하였다(Fig. 3b). 냉수성 소용돌이의 연도별 발생횟수는 동해 표층 해류의 해마다의 변동에 영향을 받는 것으로 생각되며, 냉수성 소용돌이의 월별 발생횟수에서는 뚜렷한 계절 변화를 찾을 수 없었다.

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Fig. 3.

(a) The number of DCE (Dokdo Cold Eddy), CCE (Coastal Cold Eddy) and OCE (Other Cold Eddy) detected in each year from 1993 to 2015, (b) the total number of eddy formation in each month from 1993 to 2015.

DCE로 구분된 총 112개의 소용돌이 중 39개의 DCE는 서쪽으로 이동하여 한국 동해안에 도달하였고, 그 외 73개의 DCE는 생성된 위치 근처를 맴돌거나, 동쪽으로 이동하거나, 한국 동해안 근처로 이동하는 중에 소멸했다. DCE가 동쪽과 서쪽으로 이동하는 경우를 구분하여 수명, 이동거리, 이동속도를 분석하였고(Table 1), 각각의 소용돌이의 이동경로를 도시하였다(Fig. 4).

서쪽으로 이동하는 DCE-W는 50일~150일의 수명을 갖는 소용돌이가 30개이었으며, 평균수명은 93일이었고, 200~300 km 이동하는 소용돌이가 18개이며, 평균적으로 250.9 km 이동하였다. 소용돌이가 이동하는 속도는 2.0~3.0 cm/s가 15개로 가장 많이 관측되었고, 평균적으로 3.5 cm/s 의 속도로 이동하였다. 동쪽으로 이동하는 DCE-E는 50일~100일의 수명을 갖는 소용돌이가 34개이었으며, 평균수명은 65일로 서쪽으로 이동하는 DCE에 비해 수명이 짧았고, 200 km 이하로 이동하는 소용돌이가 33개로 가장 많았고, 평균적으로 134.1 km 이동했다. 소용돌이가 이동하는 속도가 2.0~3.0 cm/s인 소용돌이들이 25개로 가장 많이 관측되었고, 평균적으로 2.4 cm/s의 속도로 이동하였다(Table 1). DCE-E가 DCE-W보다 더 많은 것은 DCE 발생지역의 평균적인 해류가 동쪽으로 흐르기 때문에 DCE가 동쪽으로 흐르는 해류에 실려서 이동할 가능성이 높기 때문인 것으로 보인다. 그러나 동쪽으로 흐르는 해류의 주경로로부터 남서쪽으로 떨어져서 나와 독립적으로 있는 DCE의 경우에 서쪽으로 이동할 수 있게 된다.

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Fig. 4.

Trajectories of DCEs (a) which moved toward the east coast of Korea, DCE-W (N = 39) and (b) which moved eastward or hovered around their formation locations and decayed, DCE-E (N = 73). N represents the number of eddies. Red dot represents formation location and black dot represents decay location. Blue line, which connects red and black dots, represents trajectory of a DCE. Trajectories (blue lines) of moving cold eddies overlapped each other.

Table 1. Lifespan, displacement distance and propagation speed of DCE (Dokdo Cold Eddy) calculated from satellite altimeter and tide gauge sea level data for 23 years (1993-2015). DCE-W (DCE-E) stands for DCE propagating westward (eastward).

Lifespan (day) Number Propagation Distance (km) Number Propagation Speed (cm/s) Number
DCE-W DCE-E DCE-W DCE-E DCE-W DCE-E
≤50 6 31 ≤200 13 33 ≤2.0 2 24
50~100 20 34 200~300 18 25 2.0~3.0 15 25
100~150 10 6 300~400 6 11 3.0~4.0 9 19
150~200 2 1 400~500 1 3 4.0~5.0 9 5
≥200 1 1 ≥500 1 1 ≥5.0 4 0
Mean Lifespan 93 days 65 days Mean Distance 250.9 km 134.1 km Mean Speed 3.47 cm/s 2.42 cm/s

4. 독도 냉수성 소용돌이의 연직구조

DCE의 수평과 연직 구조를 파악하기 위하여 NIFS 정선 해양관측 수온과 염분 자료를 사용하였다. 하나의 냉수성 소용돌이가 연속으로 관측된 2013년 10월과 12월의 수심 100 m의 수온 평면도, 남북 단면도, 동서 단면도를 살펴보았다(Fig. 5).

2013년 10월 14일 인공위성 고도계 자료에 탐색된 DCE는 그 중심이 131.5°E, 36.5°N에 위치했다(Fig. 5a). 이 DCE는 계속해서 서쪽으로 133.8 km를 이동하여 2013년 12월 23일에 그 중심이 130.0°E, 36.5°N에 위치했다(Fig. 6a). NIFS 정선해양 관측자료 100 m 수온 수평분포에서 2013년 10월에 131.2°E, 37.0°N에 DCE의 가장자리가 관측되고(Fig. 5b), 2013년 12월은 130.0°E, 36.5°N에 위치한 관측점들(Fig. 6b)에서 수온이 주변보다 가장 낮았다(4°C). 이러한 수온분포는 인공위성의 고도계 자료에서 탐색한 DCE의 흔적을 보여준다.

2013년 10월에 NIFS가 37°N를 따라 동서 방향으로 관측한 수온 단면에서 5℃ 등온선이 131.2°E에서 수심 130 m까지 얕아졌고(Fig. 5c), 131.2°E를 따라 남북 방향으로 관측한 수온 단면에서도 5℃ 등온선이 37°N에서 수심 125 m까지 얕아져 수온이 주변보다 낮아 등온선들이 돔 구조를 만들었다(Fig. 5d). 염분 단면에서 34.1 등염선이 5℃ 등온선과 유사한 위치에서 나타나 주변보다 염분이 낮았다(Figs. 5e and 5f).

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Fig. 5.

(a) Absolute dynamic topography with surface geostrophic currents on October 14, 2013, (b) horizontal distribution of 100 m depth temperature, (c) zonal section of temperature along 37°N, (d) meridional section of temperature along 131.2°E, (e) zonal section of salinity along 36°N, and (f) meridional section of salinity along 130.0°E in October 2013. Contour intervals of sea surface height, temperature and salinity are 0.05 m, 2°C, and 0.1, respectively.

2013년 12월에 NIFS가 36.5°N를 따라 동서 방향으로 관측한 수온 단면에서 냉수성 소용돌이 중심(130.0°E) 위치에서 5℃ 등온선이 수심 75 m 부근까지 얕아져 수온이 주변보다 낮아 등온선들이 돔 구조를 만들었고(Fig. 6c), 130.0°E를 따라 남북 단면도에서 냉수성 소용돌이 중심 36.5°N 위치에서 5℃ 등온선이 수심 80 m 부근까지 올라와 저온의 돔 형태가 나타났다(Fig. 6d). 염분 단면에서도 34.1 등염선이 5℃ 등온선과 유사한 위치에서 관측되어 주변보다 염분이 낮았다(Figs. 6e and 6f).

이러한 수온과 염분 분포가 만드는 돔 구조는 기존연구에서 보고된 하계 DCE의 물성구조들과 유사하다. Chang et al.(2004)이 분석한 2000년 8월과 10월 수심 100 m 수온 수평분포에는 DCE가 연안의 냉수대에 병합되고, 동한난류가 소멸된 과정이 나타났다. Lee and Niiler(2010)는 1999년 8월 수온 연직구조로부터 129.5°E, 37.4°N에 중심을 둔 연안 냉수성 소용돌이를 탐색하였다. 연직 수온분포에서 5℃ 등온선이 수심 80 m 부근까지 얕아져 주변보다 수온이 낮은 돔 구조가 나타났다. 염분의 연직 분포를 살펴보면 60 m 수심에 34.1 등염선이 나타나 DCE 중심에서 주변 해역에 비해 저염의 해수가 나타났다. DCE의 수평 및 연직 구조를 상대와도 또는 잠재와도(potential vorticity)를 이용하여 살펴보기 위해서는 충분히 깊은 (약 2000 m) 수심까지 수온과 염분을 관측하고, 여러 층에서 해류를 관측하는 3차원적인 조사가 필요하다(Mittelstaedt, 1987; Hu et al., 2011).

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Fig. 6.

(a) Absolute dynamic topography with surface geostrophic currents on December 23, 2013, (b) horizontal distribution of 100 m depth temperature, (c) zonal section of temperature along 36.5°N, (d) meridional section of temperature along 130°E, (e) zonal section of salinity along 36.5°N, and (f) meridional section of salinity along 130°E in december 2013. Contour intervals of sea surface height, temperature and salinity are 0.05 m, 2°C, and 0.1, respectively.

해수면 아래층의 속도 분포와 구조를 파악하기 위해 자료동화가 수행되는 HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) 결과를 분석하여 울릉분지 일대에서 나타난 DCE를 조사하였고, 인공위성 고도계 자료에 탐색된 DCE의 수평구조와 HYCOM 수치모델에 재현된 DCE의 수평구조와 연직단면을 살펴보았다. 인공위성 고도계 자료에서는 2013년 10월 21일에 DCE의 중심이 131.3°E, 36.5°N에서 탐색되었다(Fig. 7a). HYCOM 수치모델 결과에서는 131.7°E, 36.3°N에 냉수성 소용돌이의 중심이 나타났다(Fig. 7b). HYCOM 수치모델 결과의 수심 100 m 수온 수평분포에서는 DCE 중심에서의 수온은 주변보다 낮은 8℃이하의 분포를 나타냈으며(Fig. 7c), 수심 200 m 수온 수평분포에서도 주변보다 수온이 낮아 2℃ 이하였다(Fig. 7d). DCE의 중심을 기준으로 36.3°N를 따라 동서 방향의 모델 해수면 높이는 131.7°E에서 가장 낮아 DCE의 중심 위치를 보여주었다(Fig. 7e). 36.3°N를 따라 동서 방향 수온 단면을 살펴보면 5℃ 등온선의 깊이가 131.8°E에서 약 80 m까지 얕아져 소용돌이 가운데에 저온 수를 포함한 돔 형태로 나타내며, 독도 냉수성 소용돌이의 중심 근처에서 2℃∼5℃ 등온선들의 기울기가 해수면의 기울기와 반대방향으로 기울어져 있다. 동서 방향 단면에서 유속벡터는 DCE 중심에서 서쪽으로 54 km 위치에서 남쪽방향으로 10 cm/s이상의 유속이 300 m 수심까지 나타났고, DCE 중심에서 동쪽으로 63 km 위치에는 북쪽방향으로 10 cm/s이상의 유속이 250 m까지 나타났다(Fig. 7e). 131.7°E를 따라 남북 단면을 살펴보면 DCE 중심에서 남쪽으로 11 km 위치에서 동쪽방향으로 10 cm/s이상의 유속이 300 m 수심까지 나타났고, 북쪽으로 22 km 위치에서는 서쪽방향으로 10 cm/s이상의 유속이 약 500 m 수심까지 나타났다(Fig. 7f). 유속벡터의 크기는 해수면 높이와 등온선의 경사가 가장 급한 지점에서 가장 크다.

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Fig. 7.

(a) Absolute dynamic height with surface geostrophic height from satellite observation, (b) sea surface height (SSH), horizontal distributions of (c) 100 m and (d) 200 m depths temperature, (e) zonal section of SSH, temperature and meridional velocity(v) along 36.3°N, and (f) meridional section of SSH, temperature and zonal velocity (u) along 131.7°E from HYCOM simulation on October 21, 2013.

5. 독도 냉수성 소용돌이의 이동 경로

5.1 소용돌이 평균 위도에 따른 이동 경로 분류와 표층 순환

동한 난류의 경로와 울릉분지 일대의 순환에 영향을 주는 DCE는 발생 후 서쪽과 남쪽으로 이동하는 소용돌이다. 소용돌이의 이동 경로와 표층 순환 형태와의 관계를 파악하기 위하여 서쪽으로 이동하여 한국 동해안에 도달한 39개의 DCE-W들을 이동하는 경로의 평균위도를 기준으로 36.0°N 이남, 36.0°~36.5°N, 36.5°~37.0°N, 37.0°N 이북 네 가지 그룹(group)으로 구분하였다. 각 그룹별로 DCE의 생성위치(Fig. 8 빨간 점)와 함께 DCE가 생성된 시기들의 평균(composite) ADT와 표층 지형류를 표현하여 DCE 생성당시 주변 해류의 공간적 분포를 살펴보았다(Fig. 8).

DCE의 평균 위도가 36.0°N 이남인 그룹에 속하는 DCE는 총 9개이었으며, 평균수명은 78일이었다. 이들 DCE들의 평균 위치는 130.7°E, 35.8°N이며, 생성지점(빨간 점)의 평균 위치는 131.5°E, 36.0°N이고, 소멸지점(Fig. 8 검정 점)의 평균 위치는 129.8°E, 36.1°N이었다(Fig. 8a). Fig. 8a에 빨간색 점들이 9개보다 적게 보이는 것은 생성 위치가 겹치는 DCE들이 있기 때문이다. DCE의 평균 위도가 36.0°~36.5°N인 그룹에 속하는 DCE는 총 16개이었으며 평균수명은 98일이었다. 이들 DCE가 이동한 경로들의 평균은 130.6°E, 36.3°N이며, 생성지점의 평균 위치는 131.4°E, 36.6°N이고, 소멸지점의 평균 위치는 129.8°E, 36.3°N이었다(Fig. 8b). DCE의 평균 위도가 36.5°~37.0°N인 그룹에 속하는 DCE는 총 7개이었으며, 평균수명은 95일이었다. 이들 DCE가 이동하는 평균 위치는 130.5°E, 36.8°N이며, 생성지점의 평균 위치는 131.3°E, 37.0°N이고, 소멸지점의 평균 위치는 129.9°E, 36.9°N였다(그림 8c). DCE의 평균 위도가 37.0°N 이북인 그룹에 속하는 DCE는 총 7개이었으며, 평균수명은 98일이였다. 이들 DCE가 이동하는 평균 위치는 130.5°E, 37.2°N이며, 생성지점의 평균 위치는 37.5°N, 131.3°E이고, 소멸지점의 평균 위치는 37.4°N, 129.7°E였다(그림 8d). DCE가 생성되고, 이동하고, 소멸하는 이동경로를 살펴보면, DCE는 평균적으로 131°~132°E 구간에서 생성된 후에 UWE의 가장자리를 따라 남서쪽으로 이동을 하다가 북서쪽으로 이동을 하여 소멸하는 U자형 이동경로를 가지고 있음을 알 수 있다(Fig. 8). 이러한 DCE의 생성부터 소멸까지의 전 생애 동안의 이동 경로는 이 연구에서 처음 제시되는 것이다.

이 연구에서는 23년 동안의 인공위성 고도계 자료를 이용하여 DCE들이 이동하는 경로의 평균위도를 기준으로 DCE들을 네 가지 그룹으로 구분하고 이와 연관된 울릉분지 표층 순환을 제시하였으나, Mitchell et al.(2005b)은 1999년 6월부터 2001년 7월까지 울릉분지 일대에서 PIES를 이용한 관측과 인공위성 해수면 고도 자료를 이용하여 동한난류의 경로와 UWE의 위치에 따라 울릉분지의 표층 순환을 5가지 형태(pattern)로 분류하였다. 이 연구에서 구분한 네 가지 표층 순환 형태(Fig. 8)와 Mitchell et al.(2005b)이 제시한 다섯 가지 표층 순환 형태를 비교하면 다음과 같은 유사한 점들이 있다. (1) 동한난류가 한국 동해안을 따라 북쪽으로 흐르다가 포항 앞 36.5°N에서 이안하여 울릉도 아래쪽에서 남쪽으로 사행하는 경우(Fig. 8a)가 Mitchell et al.(2005b)의 순환 형태 1이다. 이러한 경우는 동한난류 사행의 첫 번째 골이 35.5°~36.5°N에 형성되고 이곳에서 DCE가 생성된다. (2) 동한난류가 한국 동해안을 따라 북쪽으로 흐르다가 37°N에서 이안하여 울릉도 북쪽으로 울릉도를 감싸고 흐르다 남쪽으로 흐르며, UWE가 북동쪽으로 길어지고 중심이 울릉도 남쪽에 위치하는 경우(Fig. 8b)가 Mitchell et al.(2005b)의 순환 형태 2이다. 이러한 상황에서는 동한난류 사행의 첫 번째 골이 36°~37°N에서 남서쪽으로 깊이 침투하고 이곳에서 DCE가 생성된다. (3) 대마난류를 통해 동해로 들어오는 대마난류수가 36°N 남쪽에서 동쪽으로 흘러서, 한국 동해안을 따라 북쪽으로 흐르는 동한난류가 약화되고 UWE가 동한난류의 경로로부터 분리되어 시계방향 순환하는 특성을 지닌다(Fig. 8c). 이는 Mitchell et al.(2005b)의 순환 형태 3과 4와 일치한다. 이러한 표층 순환이 만들어지는 경우에는 표층 해류 사행의 골이 남서쪽으로 좁고 길게 침투하여 36.5°~37.5°N에서 DCE가 생성된다. (4) 동한난류가 129.5°E를 따라서 직선으로 북쪽으로 흘러서 39.5°N에 다다른 후에 남북으로 큰 진폭을 갖고 사행하는 경우가 Mitchell et al.(2005b)의 순환 형태 5이다(Fig. 8d). 이 경우는 UWE가 울릉도 북서쪽에 위치하게 되고, DCE가 첫 번째 사행의 골(37°~38°N)에서 생성된다. 이 연구를 통해서 울릉분지의 순환 형태와 UWE의 위치가 DCE의 생성과 이동경로에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.

Lee and Niiler(2010)도 표층 뜰개들의 궤적 자료를 사용하여 동한난류의 경로와 UWE의 위치에 따라 동해의 표층 순환을 네 가지 형태로 구분하였다. 동한난류가 37.5°N보다 남쪽에서 이안하고 UWE가 울릉분지 남쪽에 위치하고 있는 형태(Fig. 8a)가 Lee and Niiler(2010)의 UE-L형태이다. 동한난류가 37.5°N보다 북쪽에서 이안하고 UWE가 울릉도를 감싸고 있으며 울릉분지 북쪽에 위치하고 있는 형태(Figs. 8b and 8c)가 UE-H형태이다. 동한난류가 129.5°E를 따라서 39.5°N까지 직선으로 흘러서 UWE가 울릉도 북쪽에 형성되는 형태(Fig. 8d)가 관성경계류(Inertial Boundary Current, IBC)형태이다. 인공위성 고도계 해수면 높이 분포, 수심 100 m 수온 분포, 표층 뜰개의 이동 궤적 자료에 나타난 표층 순환의 형태 구분이 유사하며, 이러한 표층 순환 공간적 형태가 DCE의 생성위치, 이동경로, 소멸 위치에 영향을 주고 있음을 알 수 있다(Fig. 8).

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Fig. 8.

Composites of ADT (color and contour) and surface geostrophic current (vector) on the days of DCE generation. Red (black) dot represents generation (decay) location. DCEs were grouped by their mean latitude (ML) during lifespan: (a) ML < 36.0°N, (b) 36.0° < ML < 36.5°N, (c) 36.5° < ML < 37.0°N, (d) ML > 37.0°N.

5.2 독도 냉수성 소용돌이의 이동과 표층 순환의 시간적 변화

DCE의 이동이 울릉분지 표층 순환에 미치는 영향과 DCE가 한국 동해안 근처에 도착한 후에 동한난류에 미치는 영향을 조사하기 위하여 일생동안의 평균위도가 36.0°~36.5°N인 총 16개 DCE들(Fig. 8b)의 생성 30일 전, 생성 당시, 생성 30일 후, 60일 후와 90일 후에 표층 지형류와 절대역학지형을 살펴보았다(Fig. 9). 이 때 표층 지형류와 절대역학지형은 16개 수평분포 장(field)을 평균(composite) 하여 구한 것이며, Fig. 9에서 DCE를 나타내는 검정색 점들이 16개보다 적어보이는 것은 다른 시기(event)에 같은 위치에 나타난 DCE들이 있어 검정색 점들이 겹쳐졌기 때문이다.

일생동안의 평균위도가 36.0°~36.5°N이었던 DCE들이 발생하기 30일전에 동한난류는 울릉도 북쪽에서 울릉도를 끼고 시계방향으로 흘러서 사행을 시작한다(Fig. 9a). 이 때 동해안 37.5°N 북쪽 연안에는 냉수대가 자리 잡고 있다. 동한난류의 사행이 커지면 울릉도 동쪽에 위치한 사행의 첫 번째 골이 남서쪽으로 깊이 파고들고, 울릉도 남동쪽(131.0°E, 36.5°N) 부근에서 DCE가 생성되어 해류로부터 분리된다(Fig. 9b). 분리된 DCE는 131.3°E, 37.0°N 부근에 자리 잡은 UWE의 가장자리를 따라서 시계방향으로 U 모양의 경로를 그리며 남서쪽 130.2°E, 36.3°N 부근으로 이동한다(Fig. 9c). DCE가 계속 시계방향으로 U 모양의 경로를 그리며 서쪽으로 이동하여 동해안 근처 연안에 도착하면, 동한난류는 36.3°N 부근에서 이안하여 DCE의 동쪽 가장자리인 130°E를 따라 북쪽으로 흐른다(Fig. 9d). 이때 동해안 근처 연안 36°∼37°N에는 냉수 해역이 형성되고, 동해안을 따라 북쪽으로 흐르는 해류가 없어지거나 약화된다. DCE가 연안에 도착한 후 30일이 지나면 DCE가 약화되고 동해안을 따라 북쪽으로 흐르는 동한난류의 세기가 점차 복구된다(Fig. 9e). DCE가 연안에 도착한 후 60일이 지나면 동해안을 따라 북쪽으로 흐르는 동한난류가 강화되고 DCE가 만들어지기 이전의 상태로 회복된다(Figs. 9a and 9f).

일생동안의 평균위도가 36.0°N 이남인 DCE 그룹(Fig. 8a), 36.5°~37.0°N인 DCE 그룹(Fig. 8b), 그리고 37.0°N 이북이었던 DCE 그룹(Fig. 8d)도 모두 평균위도가 36.0°~36.5°N인 DCE 그룹(Fig. 8b)과 비슷한 생성, 이동, 소멸 과정을 보였다(Fig. 9). DCE가 한국 동해 연안에 도착하면 동해안 근처 36°∼37°N 연안에 냉수 해역을 형성하고, 동해안을 따라 북쪽으로 흐르는 해류를 일시적으로 막는 역할을 한다. 울릉도 동남쪽에서 동한난류의 사행에 의해서 DCE가 발생하고 UWE의 가장자리를 따라 남서쪽으로 이동하여 연안 근처에서 동한난류 상류(upstream)의 경로를 변동시킨다. 연안에서 DCE가 소멸하면 동한난류가 다시 회복된다. 이러한 전체 과정은 100∼150일정도의 시간이 걸린다(Fig. 9).

Mitchell et al.(2005a)은 절대 역학지형 자료를 분석하여 DCE의 생성 과정과 이동에 관한 모식도를 제시하였다. 울릉도와 독도 사이에서 동한난류의 사행 첫 번째 골이 만들어지고, DCE가 131.5°E, 36.5°N 부근에 생성되며, 사행의 골에서 분리된 DCE가 36.2°N, 130.4°E로 이동하여 연안으로 이동한다고 하였다. Mitchell et al.(2005a) (Fig. 6)의 모식도는 이 연구에서 16개 DCE의 이동을 종합(composite)하여 만든 DCE의 생성, 이동, 소멸 과정(Fig. 9)과 몇 가지 차이를 보이고 있다. 첫째로 DCE의 생성과 분리를 위해서는 동한난류의 경로가 한국의 동해안과 이루는 각(angle) 그리고 UWE의 위치가 특정한 형태로 변화할 필요가 없다. 둘째로 DCE는 직선으로 서쪽으로 이동하는 것이 아니라 DCE는 UWE의 가장자리를 따라서 시계방향으로 U 모양의 경로를 따라서 서쪽으로 이동한다. 셋째로 DCE의 U 모양 이동의 중심 위도가 표층 순환 형태의 변화에 따라 36.0°N 이남부터 37.0°N 이북까지 다양하게 변화한다.

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Fig. 9.

ADT (color and contour) and surface geostrophic current (vector) every 30 days relative to the day of DCE generation. Black dot represents DCE location. The number and mean latitude of DCEs used in this composite analysis are 16 and 36.0°‒-36.5°N, respectively.

5.3 독도 냉수성 소용돌이와 연안 냉수성 소용돌이의 병합

자료를 분석한 기간 중에 DCE가 서쪽으로 이동하여 CCE와 하나로 합쳐지는 경우들이 있었다. 1995년 9월 23일에 울릉도 북동쪽(Fig. 10a 빨간 점)에서 생성된 DCE는 울릉 난수성 소용돌이의 가장자리를 따라 남서쪽으로 이동하기 시작하였다. 1995년 10월 14일에는 DCE가 울릉도 북쪽(Fig. 10a 검정 별; 131.0°E, 37.8°N)에 위치하고, DCE와는 독립적으로 CCE가 울진과 영덕 동쪽 연안(130.0°E, 36.5°N)에 위치한다. 1995년 11월 11일에 DCE는 울릉도 남서쪽(Fig. 10c 검정 별; 130.0°E, 36.8°N)에서 CCE와 병합되어 울진과 영덕 동쪽 해역에 반시계 방향 순환의 냉수해역을 형성하며, 동한난류가 36.0°N 부근에서 이안하여 북동쪽으로 흐른다. DCE가 북쪽으로 이동하여 1995년 12월 9일에 울릉도 서쪽 해역(130.3°E, 37.5°N)에 위치하여 CCE와 함께 남북으로 긴 반시계 방향 순환과 냉수해역을 형성한다(Fig. 10d 검정 별). 1995년 10월에 관측한 NIFS 정선 해양관측 자료 100 m 수온의 수평분포에서도 인공위성 고도계 해수면 자료에 나타난 DCE (130.4°E, 37.6°N)와 CCE (129.7°E, 36.5°N)가 동시에 관측되었고(Fig. 10b), 1995년 12월에는 서로 연결된 냉수성 소용돌이가 울릉도 서쪽에서 남북으로 긴 냉수해역을 형성하고 있다(Fig. 10e).

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Fig. 10.

ADT with surface geostrophic currents on (a) October 14, (c) November 4, and (d) December 2, 1995. Horizontal distribution of 100 m depth temperature in (b) October 1995 and (e) December 1995. Contour intervals of sea surface height and temperature are 0.05 m and 2°C, respectively.

2000년 5월 27일에 울릉도 북동쪽(Fig. 11a 빨간 점)에서 생성된 DCE는 울릉 난수성 소용돌이의 가장자리를 따라 남서쪽으로 이동하기 시작하였다. 2000년 6월 24일에 DCE는 울릉도 남동쪽(Fig. 11a 검정 별; 131.3°E, 36.5°N)에 위치하고, DCE와는 독립적으로 CCE가 포항 동쪽 연안(130.3°E, 35.8°N)에 위치한다. DCE가 남서쪽으로 이동하여 2000년 7월 15일에 울산 동쪽 해역(130.8°E, 36.0°N; Fig. 11c 검정 별)에 위치하여 CCE와 연결된다. 두 개의 냉수성 소용돌이는 넓은 냉수해역을 만들고 반시계 방향 순환을 형성하며, 동한난류가 35.5°N 부근에서 이안하여 북동쪽으로 흐른다. DCE는 서쪽으로 이동하여 2000년 8월 12일에 CCE와 병합되어 울릉분지 남서쪽 해역(130.0°E, 35.8°N; Fig. 11d 검정 별)에 위치하고, 병합된 DCE와 CCE는 북쪽으로 이동하여 2000년 10월 28일에 한국 동해안 포항 동쪽(Fig. 11d 검정 점)에 도착하였다. 2000년 6월에 관측한 NIFS 정선 해양관측 자료 수심 100 m 수온의 수평분포에서도 인공위성 고도계 해수면 자료에 나타난 DCE (131.3°E, 36.5°N)와 CCE (130.3°E, 35.8°N)가 동시에 관측 되었고(Fig. 11b), 2000년 8월에는 인공위성 고도계 해수면 자료에 나타난 병합된 냉수성 소용돌이가 울릉분지 남서쪽 해역(130.3°E, 35.8°N)에서 관측 되었다(Fig. 11e).

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Fig. 11.

ADT with surface geostrophic currents on (a) June 24, (c) July 15, and (d) August 12, 2000. Horizontal distribution of 100 m depth temperature in (b) June 2000 and (e) August 2000. Contour intervals of sea surface height and temperature are 0.05 m and 2°C, respectively.

2007년 7월 15일에 울릉도 동쪽(Fig. 12a 빨간 점)에서 생성된 DCE는 울릉 난수성 소용돌이의 가장자리를 따라 남서쪽으로 이동하기 시작하였다. 2007년 8월 12일에는 DCE가 울릉도 남동쪽(Fig. 12a 검정 별; 131.3°E, 37.0°N)에 위치하고, DCE와는 별개로 CCE가 포항 동쪽 연안(129.8°E, 36.8°N)에 위치한다. 2007년 9월 9일에 DCE는 울릉도 남서쪽(Fig. 12c 검정 별; 130.5°E, 37.0°N)에서 CCE와 병합되어 동서방향으로 긴 반시계 방향 순환과 냉수해역을 형성하고, 동한난류가 36.5°N 부근에서 이안하여 동쪽으로 흐른다. DCE가 북서쪽으로 이동하여 2007년 10월 7일에 동해시 동쪽 해역(129.8°E, 37.5°N)에 위치하여 북서쪽 연안에 발달한 반시계 방향 순환에 흡수된다(Fig. 12d 검정 별과 검정 점). 2007년 8월에 관측한 NIFS 정선 해양관측 자료 100 m 수온의 수평분포에서도 인공위성 고도계 해수면 자료에 나타난 DCE (130.9°E, 37.1°N)와 CCE (129.8°E, 36.5°N)가 8월에 동시에 관측 되었다(Fig. 12b). 2007년 10월에는 병합된 냉수성 소용돌이가 북쪽에 발달한 반시계 방향 순환에 흡수되어 동해시와 울릉도 사이의 해역(130.0°E, 37.5°N)에 주위보다 수온이 낮은 냉수의 흔적이 남아있다(Fig. 12e). 이 때 포항 동쪽에는 또 다른 CCE가 생성되어 있다(Figs. 12d and 12e).

인공위성 고도계 자료와 NIFS 정선 해양관측 자료를 살펴보았을 때 울릉분지 서쪽과 남서쪽 바다에 발생하는 냉수역은 CCE에 의해서 형성되거나(Fig. 10), 동쪽에서 서쪽으로 DCE-W가 이동해 와서 형성되거나(Fig. 11), 또는 CCE가 위치하고 있는 곳에 DCE-W가 이동해 와서 두 개가 하나로 합해져서 만들어지는 경우(Fig. 12)가 있다. Chang et al.(2004)은 2000년 8월과 2000년 10월의 NIFS 정선 해양관측 자료를 이용하여 CCE와 DCE에 의해 한국 동해안을 따라 흐르던 동한난류가 일시적으로 소멸되고, 대마난류의 대부분이 35°N 이남에서 동쪽으로 흘러간다고 제시하였다(Fig. 11). Mitchell et al.(2005b)도 PIES를 이용하여 관측한 자료로부터 동일한 시기에 DCE가 연안의 냉수대와 병합되는 과정을 보이고, 그 결과로 동한난류가 냉수대를 우회하는 것으로 제시하였다. 이 연구에서는 1995년, 2000년, 2007년의 인공위성 고도계 자료(ADT와 표층 지형류)와 NIFS 수심 100 m 수온의 수평분포를 이용하여 DCE의 이동, 두 냉수성 소용돌이의 병합, 울릉분지 서부에 냉수해역 형성 그리고 병합된 냉수성 소용돌이가 동한난류와 울릉 난수성 소용돌이를 분리하는 과정 전체를 제시하였다.

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Fig. 12.

ADT with surface geostrophic currents on (a) August 12, (c) September 9, and (d) October 7, 2007. Horizontal distribution of 100 m depth temperature in (b) August 2007 and (e) October 2007. Contour intervals of sea surface height and temperature are 0.05 m and 2°C, respectively.

6. 요 약

이 연구에서는 인공위성 고도계로부터 얻은 해수면 높이 자료가 해안선으로부터 50 km 이내에서 상대적으로 큰 오차를 갖고 있어서 오차를 줄이기 위해 연안 조위관측소 해수면 높이 관측 자료와 인공위성 고도계 자료를 활용하여 연안의 해수면 높이를 보간 하였고, 해수면 높이(ADT) 자료에 Winding-Angle 알고리즘을 적용하여 울릉분지 일대에서 발생하는 냉수성 소용돌이를 탐색하였다. 냉수성 소용돌이들 중에서 DCE를 구분하여 DCE의 수평 및 연직 구조를 살펴보고, DCE의 이동경로를 파악하고, DCE 이동과 동한난류의 경로 변화와의 관련성을 분석하였다. 이 연구에서는 DCE를 울릉도, 독도, 울릉분지 일대(130.50°~133.25°E, 35.75°~38.75°N)에서 발견되는 냉수성 소용돌이 중에서 동한난류 사행의 첫 번째 골에서 반시계방향 순환을 형성한 뒤에 동쪽으로 흐르는 해류의 주경로부터 남서쪽으로 떨어져 나와 독립적인 반시계방향 순환을 형성하는 냉수성 소용돌이로 정의하였다(Morimoto et al., 2000; Mitchell et al., 2005b; Lee and Niiler, 2010).

동해 남서부에서 23년(1993-2015년) 동안 발견된 209개의 냉수성 소용돌이 중에 112개는 DCE이었으며, CCE는 53개이었고, OCE는 44개이었다. 냉수성 소용돌이의 연도별 발생횟수는 동해 표층 해류의 해마다의 변동에 영향을 받는 것으로 생각되며, 냉수성 소용돌이 발생횟수는 계절에 따라 큰 차이가 없었다. 112개의 DCE 중 한국 동해안 방향인 서쪽으로 이동하는 DCE는 총 39개이고, 그 외 73개의 DCE는 생성된 위치 근처를 맴돌거나, 동쪽으로 이동하거나, 한국 동해안 근처로 이동하는 중에 소멸했다. 서쪽으로 이동하는 DCE가 동쪽으로 이동하는 DCE에 비해 수명이 길고, 더 빠른 속도로 서쪽으로 이동하였다.

NIFS 정선 해양관측 수온과 염분 자료를 분석하여 DCE 내에서 수온과 염분의 수평 및 연직 구조를 살펴보았다. DCE 중심부에서 5℃ 등온선이 주변보다 얕은 50~100 m에서 나타나며, 염분이 약 34.1 이하이여서 저온과 저염의 돔 구조를 가지고 있다. HYCOM 수치모델이 모의한 DCE의 중심에서 5℃ 등온선이 80 m 부근까지 올라와 있어 주변보다 수온이 낮으며, DCE의 중앙부를 중심으로 10 cm/s 이상의 흐름이 해수면부터 수심 300 m까지 반시계방향 순환을 형성한다. 이 연구에서 처음으로 DCE의 3차원적인 수온과 유속 분포를 동시에 제시하였다.

DCE의 생성, 이동, 소멸 과정과 DCE가 울릉분지 순환에 미치는 영향을 요약하면 다음과 같다. 한국 동해안에서 이안한 동한난류가 북동쪽으로 흘러서 울릉도 북쪽에서 울릉도를 끼고 시계방향으로 흘러서 동쪽으로 흐를 때 사행을 시작한다. 이때 울릉도 북동쪽에 위치한 냉수대가 울릉도 동편에서 남쪽으로 유입되고, 동한난류의 사행의 커지면 울릉도 동편에 위치한 사행의 첫 번째 골이 남서쪽으로 깊이 파고들면서 혀 모양(tongue shape)의 냉수역을 형성한다. 동쪽으로 흐르는 해류의 사행이 계속 발달하면 첫 번째 골(냉수역)의 북서쪽과 북동쪽에 위치한 마루 부분들이 점점 가까워져 서로 연결되어 해류는 사행 없이 동쪽으로 흐르고, 이때 남서쪽으로 뻗어나간 혀 모양의 냉수역은 분리되어 하나의 독립적인 반시계방향 순환(DCE)을 생성한다. 동쪽으로 흐르는 해류의 주경로부터 남서쪽에서 독립적인 반시계방향 순환을 형성한 DCE는 UWE의 가장자리를 따라서 시계방향으로 U 모양의 경로를 그리며 남서쪽으로 이동한다. DCE가 계속 시계방향으로 U 모양의 경로를 그리며 서쪽으로 이동하여 동해안 근처 연안에 도착하여 북쪽으로 이동한다. 연안에 도착한 DCE가 연안에 반시계 방향의 순환을 형성한다. 동해안을 따라 북쪽으로 흐르던 동한난류는 연안에 도착한 DCE 때문에 더 이상 해안을 따라 북쪽으로 흐르지 못하고 36.3°N 부근에서 이안하여 DCE의 동쪽 가장자리인 130~131°E를 따라 북쪽으로 흐른다. 이때 한국 동해안 근처 연안에는 냉수 해역이 형성되고, 동해안을 따라 북쪽으로 흐르는 해류가 약해진다. DCE가 연안에 도착한 후 30일이 지나면 약화되고 한국 동해안을 따라 북쪽으로 흐르는 동한난류의 세기가 점차 회복된다. DCE가 연안에 도착한 후 60일이 지나면 동해안을 따라 북쪽으로 흐르는 동한난류가 다시 강화되고 DCE가 연안에 도착하기 이전 상태로 복구된다. 이와 같이 서쪽으로 이동하는 DCE의 생성부터 소멸까지 전 생애 동안의 이동 경로는 이 연구에서 처음 제시된 것이다(Figs. 8 and 9). 이전 연구들에서는 연안 근처의 해수면 높이 자료가 정확하지 못해서 울릉분지에서 발생한 DCE가 연안에 도착해서 소멸하기까지의 과정을 제시하지 못하였다. 이 연구의 의의는 울릉분지의 표층 순환을 4가지 형태로 구분하고, 각 순환 형태에 따라 DCE의 생성 위치와 소멸위치 그리고 전 생애 동안의 이동경로를 제시한 것이다(Fig. 8). 또 한 가지는 DCE가 동한난류의 사행에 의해서 발생하였으나 남서쪽으로 이동하여 연안에서 동한난류 상류(upstream)의 변동을 일으키는 과정과 이 전체 과정의 시간 규모(100∼150일)를 제시한 것이다(Fig. 9).

DCE는 중앙에 주변보다 차고 염분이 낮은 물을 가둔 상태에서 울릉분지 북동쪽에서 울릉분지 남서쪽으로 이동하는 과정에서 열과 염을 수송한다. 반시계 방향으로 순환하는 흐름(양의 와도)를 가진 DCE는 울릉분지 남서쪽에서 동한난류의 경로를 변경시키거나, UWE를 동한난류로부터 분리시키기도 한다. 서쪽으로 이동하는 DCE 중에서 일부는 CCE와 병합되어 울릉분지 서쪽에 냉수해역을 형성한다. DCE가 CCE와 병합되면 넓은 반시계 방향 순환을 형성하며, 북쪽의 UWE와 남쪽의 동한난류를 분리시킨다.

Acknowledgements

이 연구는 국립해양조사원 “근해 해양재분석자료 생산 연구”와 “2019년 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원의 지원을 받아 시행된 연구(해양수치모델링과 지능정보기술을 활용한 해양예측 정확도 향상 연구와 해양 미세플라스틱에 의한 환경 위해성 연구)”의 일부입니다. 우리나라 주변 해역에서 해수의 물성(수온과 염분)을 정기적으로 관측하고 이 연구에서 자료를 사용할 수 있도록 제공해준 국립수산과학원에 감사드립니다.

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