1. 서 론

수중글라이더는 부력을 조절하여 잠항과 부상을 반복적으로 수행하고 그 힘을 이용해 활강함으로써 수평적으로 이동할 수 있도록 고안된 해양 관측 로봇의 일종이다. 부력을 바꿈으로써 활강하기 때문에 요구 전력이 낮아 수개월에서 1년 남짓의 기간 동안 광역의 해양에 대해 자동적인 관측이 가능하다. 현재 전 세계적으로 구축하여 운용되기 시작한 무인해양관측망에서 계류형 관측 장비와 함께 주력으로 활용되고 있는 관측 장비이며, 약 1~2 km 공간 해상도로 표층부터 수심 1000 m까지 수평 공간 관측을 수행하고 있을 뿐 아니라 위치 유지 제어(Virtual Mooring)를 통해 시계열 정지 관측까지 수행하고 있어 해양 관측 및 탐사 분야의 무인화를 견인하고 있는 핵심 장비이다(Park, 2013).

수중글라이더는 장기간 독자적인 해양 관측을 수행할 수 있으며 물리, 생물, 화학, 음향 등 다양한 센서를 탑재할 수 있어 기존 관측 방식의 한계를 넘어 새로운 해양 정보를 수집할 수 있다는 장점과 저렴한 비용으로 해양 자료를 획득할 수 있다는 장점, 준실시간으로 해양의 환경을 파악할 수 있다는 장점이 있다. 또한 활강하면서 이동하기 때문에 장비가 가지고 있는 소음이나 진동이 매우 적어 난류 관측이나 수중 음향 관측에 있어 최적화된 장비이기도 하다. 그러나 수중글라이더의 활강하는 비행방식이 많은 장점을 가지고 있기도 하지만, 몇가지 단점도 있다. 활강하기 때문에 이동 속도의 제한이 있어 해류의 영향을 받기가 쉽다. 따라서 원하는 방향으로 똑바로 비행하도록 하기 위해서는 전문적인 운용기술을 필요로 한다. 또한 이러한 이동속도 제한은 수중에서의 비행 궤적을 추정하기 어렵게 함으로써 수중항법의 제약 요건이 되며, 기존의 음향통신을 활용한 위치 추적은 전력소모가 크고 실효적인 위치 추적 거리가 10 km 이내로 짧아 효용성이 낮다. 그러나 이러한 단점들은 고도화된 운용 기술을 통해 해양 관측 자료에 요구되는 성능에 저해되지 않는 범위에서 해결 가능하다.

본 연구에서 수중글라이더를 활용하여 발견한 아중규모 중층성 소용돌이(submesoscale intra-thermocline eddy, 줄여서 ITE라 표기한다)는 수온약층 내에 등수온선들 혹은 등밀도면들이 볼록렌즈 모양으로 나타나는 특징을 갖는다. 과거에는 이런 특징을 갖는 모든 소용돌이를 ITE로 보았으나, 중규모 소용돌이에서 위와 같은 특징이 나타나는 경우는 McGillicuddy et al.(2007)에서 Mode Water Eddy (MWE)로 정의하면서 ITE와 성격을 달리하는 것으로 구분하였다(Thomas, 2008). MWE는 표층부근에서 유속이 가장 빠른 1차 순압성 구조(first baroclinic structure)를 주된 특징으로 가지며, 겨울철에 소용돌이 중심부가 노출되어(outcropping) 혼합층이 깊게 형성되고 이후 봄철과 여름철로 가면서 난수가 상층을 덮은 뒤에 소용돌이의 회전이 늦어지는(spinning-down) 과정을 통해 볼록렌즈 형태의 구조가 만들어 진다(McGillicuddy, 2015). 따라서 회전 저하가 충분히 일어나지 않으면 상층은 볼록한 형태로 나타나지 않는다. 이러한 형태는 전형적으로 울릉 난수성 소용돌이에서 나타나는 특징이며, 울릉 난수성 소용돌이는 MWE의 가능성이 매우 높다고 판단된다. MWE는 생존기간이 길고 중규모 즉 100 km 이상의 크기를 대부분 갖는다는 특징이 있다. 반면에 ITE는 전형적인 2차 순압성 구조(second baroclinic structure)를 가져 중층에서 가장 빠른 유속이 나타난다. 소용돌이의 수평 크기는 1차 순압성 로스비 변형 반경(first baroclinic Rossby deformation radius)와 유사하여 중위도에서 O (10 km)정도를 가지는 것으로 알려져 있다(e.g. McWilliams, 1985).

전 세계적으로 ITE의 발견 사례는 매우 드물다. 그 이유는 ITE의 공간적인 크기로 인해 전통적인 선박 관측으로는 발견하기 어렵기 때문이기도 하고, 2차 순압성 구조 특성으로 인해 인공위성에서는 발견되지 못하기 때문으로 사료된다. 로스비 변형 반경이 작은 중위도나 고위도에서는 거의 발견되지 못하는데 학계에 보고된 ITE의 대부분은 MWE인 가능성이 높으며, 로스비 반경이 큰 저위도에서는 종종 발견된다(c.f. Gordon et al., 2017). 대표적인 ITE는 California Undercurrent Eddy (Cuddy)가 있다(c.f. Huyber et al., 1998; Collins, 2004). 캘리포니아 해역은 일찍이 수많은 선박 관측이 이루어졌었고, Cuddy내에 포함되어 있는 수괴의 물성이 주변 해역과 확연히 다르기 때문에 빨리 알려졌다. 이러한 ITE의 발생 기작은 여러가지가 있는데 기본적으로 ITE내부에 존재하는 낮은 위치 와도(potential vorticity)를 형성시킬 수 있다면 어떤 과정이든 ITE를 발생시키는 것이 가능하다. 따라서 학계에서는 ITE가 성층화되어 있는 전 세계 바다 도처에 존재하고 있을 것으로 추정하고 있다. 기존에 알려진 학설들은 해류와 해저지형 상호작용(D’Asaro, 1988), 전선역 와동(Spall, 1995), 전선역과 바람사이의 상호작용(Thomas and Lee, 2005) 등이 대표적이다.

본 연구에서는 수중글라이더를 활용한 관측 내용에 대해 소개하고, 해당 관측을 통해 동해에서 처음 발견된 중층성 소용돌이, ITE의 특성을 분석하고 이러한 새로운 현상 발견의 의의가 무엇인지 토의하고자 한다.

2. 방 법

2.1 수중글라이더 소개

본 연구에 사용한 수중글라이더는 Teledyne Webb Research사의 Slocum G2-Deep glider이며 수심 1000 m까지 잠항할 수 있는 심해용 글라이더이다(Fig. 1). Slocum glider는 포워드부분에 부력 엔진이 있으며 오일블래더를 이용하여 노즈 쪽으로 해수를 끌어들이거나 노즈 밖으로 내보냄으로써 글라이더의 부피를 변화시켜 밀도를 바꾼다. 해표면에 머무는 동안에는 꼬리 쪽에 있는 에어블래더에 공기를 주입하여 꼬리 부분을 해표면 위로 가능한 한 높이 노출시킨다. 꼬리날개에 탑재되어 있는 안테나를 활용하여 인공위성과 교신하여 자료를 전송하거나 명령을 입력받으며, 잠항할 때는 에어블래더의 공기를 글라이더 내부로 압축시키고 노즈 쪽으로 해수를 끌어들여 물보다 무거워지도록 하고, 내부 배터리를 포워드 쪽으로 이동시켜 무게 중심이 앞쪽으로 쏠리도록 하여 침강하면서 활강한다. 특정 수심에 도착하거나 해저면을 감지하면 부상하는데, 이때 노즈 쪽의 해수를 외부로 배출시켜 상승하게 되고, 내부 배터리는 뒤쪽으로 이동시켜 상승하면서도 활강하게 된다. 이렇게 상승과 하강을 반복하면서 원하는 방향으로 비행하는 원리로 수평적으로 이동한다(Webb et al., 2001). 따라서 비행에 필요한 요구전력이 낮아 배터리만으로도 1년이상 수천킬로미터를 이동할 수 있기 때문에 광역의 해양탐사나 관측에 적합하다.

Fig. 1.

Slocum Glider (kg557) taken right before flying along the NIFS 106 line on August 7, 2017.

해당 Slocum glider에는 Seabird사의 GPCTD가 탑재되어 있어 수온, 염분, 압력을 측정할 수 있으며 이밖에 다른 센서는 탑재되어 있지 않았다. GPCTD는 과거 아르고 플로트에서 활용하던 SBE-41CP를 개량하여 수중글라이더 전용으로 개발한 것으로 175 mW의 저전력을 소모하도록 고안되었으며 1 Hz의 샘플링 속도를 갖는다.

2.2 수중글라이더 관측 내용

수중글라이더 관측은 국립수산과학원 정기 선박 관측 106 라인을 따라 왕복 관측을 수행하는 것이었으며 가장 저렴한 알칼라인 배터리를 이용하였을 때 가능한 수준의 관측 임무였다. 수중글라이더는 표층부터 수심 800 dbar까지 오가며 관측을 수행하도록 설정하였으며, 2017년 8월 7일 투하하여 계획된 관측 경로를 따라 왕복한 뒤에 8월 25일에 회수하였다. 이 기간 동안 수중글라이더의 평균 수평 이동 속도는 0.34 m/s였으며 평균 수직 이동 속도(20 m~750 m범위 한정)는 0.20 m/s였다. 총 관측 기간은 약 18일이었으며 이 기간 동안 수중글라이더가 이동한 거리는 약 440 km로 공개된 기록으로서는 국내 최장기간, 최장거리 운용 기록을 수립하였다(2018년 8월 최장기간 운용 기록은 21일로 자체 갱신하였다). 수중글라이더를 장기간 운용하는 것은 많은 노하우와 전문적 기술이 요구되지만, 대부분의 경우 경험과 기술이 부족한 운용자들은 치밀한 준비와 기술개발 없이 운에만 맡기는 경향이 많다. 해양 장비는 정비과정 혹은 운용과정의 작은 실수에서도 쉽게 손상이나 손실로 이어지는 경우가 많은데, 특히 수중글라이더는 일반적인 해양 장비보다 훨씬 많은 정비 단계와 운용 단계가 있기 때문에 문제가 생길 수 있는 소지가 크므로 철저한 준비가 될 수 있도록 전문적인 주의가 필요하다. 장기간 운용할 수 있다는 것도 실질적으로 중요하지만, 정밀한 운용 역시 수중글라이더의 활용성과 직결되므로 매우 중요하다. Fig. 2a와 Fig. 2b는 투하 후 외해로 나갈 때와 외해에서 연안으로 들어올 때의 수중글라이더 궤적인데 그림에서 보는 것과 같이 거의 106 라인을 따라서 직선 비행을 한 것을 확인할 수 있다. Fig. 2c는 수중글라이더 궤적과 8월 9일~15일 사이의 인공위성 자료로 합쳐진 해표면 고도를 같이 도시한 것인데, 해표면 고도의 경도가 강하게 나타나는 동한난류(East Korean Warm Current)를 수중글라이더가 가로질러서 비행했음을 보여준다. 이는 동한난류가 동해에서 나타나는 강한 해류임에도 불구하고 수중글라이더가 떠내려가지 않으며 계획된 경로를 잘 유지했음을 보여준다. 경로에서 벗어난 정도를 평균 제곱근 거리(Root-Mean-Squared Distance)로 산출해보면 약 408 m정도로 전체 이동거리로 나누면 0.093% 경로 유지 오차율을 가져 정밀한 운용이 가능했음을 확인할 수 있다. 수중글라이더는 표층과 심층을 오가는 동안 해류에 의해 떠내려가는 속도를 측정하여 그 결과를 바탕으로 항법하는 추측항법 체계를 활용한다. 이것은 플랫폼 자체가 톱니 모양으로 수중에서 수직적으로 이동하고 있으므로 bottom tracking이나 GPS tracking로 플랫폼 속도를 추정해야하는 ADCP(혹은 DVL)을 활용하여 해류 속도를 실시간으로 측정하는 것이 어렵고, 에너지 소모 측면에서도 효율적이지 못하기 때문에 직접 해류를 측정하는 방식을 항법에 이용하지 않는다. 또한 수중글라이더 자체가 가지는 느린 이동 속도 때문에 IMU 등과 같은 관성항법 센서 역시 제 역할을 하기 어려운데다 비용 측면에서도 효율적이지 못하다는 이유로 해당 항법 체계를 활용한다. 따라서 수 cm 혹은 수 m 이내로 플랫폼의 위치를 정확하게 알아야하는 탐사나 관측의 경우에는 활용이 제한되기 때문에, 수중글라이더는 광역 해양 정보를 저렴한 비용으로 얻어야 하는 목적에 적합하다.

Fig. 2.

(a) Offshore-bound trajectory of the underwater glider. Open circles denote the stations of the NIFS 106 line. The black arrow presents the location where Keddy was detected by the glider (b) Onshore-bound glider trajectory. (c) A map of Sea surface height anomaly (unit: meter) composited with multi-satellite measurements from Aug. 9 to Aug. 15, 2017 (http://marine.coperinicus.eu). Black dots denote the glider GPS positions.

평균적으로 약 400 m 정도 지정된 경로에서 벗어난 것이 해양 관측에서 어떤 의미를 가지는지에 대해서 잠깐 살펴보고자 한다. 다이나믹 포지셔닝(Dynamic Positioning) 즉 해류나 바람에 의해 배가 밀려나는 것을 자동으로 보정해 위치를 유지시켜주는 장치가 없는 선박의 경우에는 CTD 정점 관측을 수행할 때 해류나 바람에 의해 밀려나게 된다. 예를 들어 수심 2000 m에 CTD 장비를 내려서 측정하는 경우 초당 1 m 속도로 관측하기 때문에, 약 4000초가 소요되며, 표층 해류가 0.5 m/s인 경우(표층 관성류가 존재하기 때문에 이 정도 해류는 표층에서 쉽게 발견된다) 배는 CTD 관측하는 동안 2 km를 이동하게 된다. 심해 계류선 관측 역시, 계류선이 해류에 의해 밀려다니기 때문에 수백 m 정도는 이동하며, ARGO 플로트는 수온/염분 수직구조 관측 시 1~2 km는 쉽게 이동한다. 그러나 이들 관측들은 모두 정점 관측으로 간주한다. 그 이유는 관측하는 변수가 가지는 공간 규모가 10 km 이상 크기 때문에 이보다 충분히 작은 공간에서 관측된 자료는 같은 위치에서 관측된 자료로 간주될 수 있다. 무엇을 관측하고 탐사하는지에 따라 1 mm의 위치 정확도가 필요하기도 하고 1 km의 위치 정확도로도 충분할 수 있다는 것이다. 물론 위치 정확도가 높으면 높을 수록 장비 자체 및 얻어진 자료의 활용성이 좋아지지만, 목적에 따라 비용 대비 효율을 고려하여야 한다.

Fig. 3은 시간에 따른 수중글라이더의 경도 위치 변화를 보여주는 그래프이다. 초기 투하 후에 8월 8일 오전 9시까지는 순조롭게 외해로 이동하였으나, 이후 9일 9시까지는 거의 이동하지 않았음을 볼 수 있다. 이것은 해군 측의 요청으로 24시간동안 해당 위치에서 일시적으로 대기하도록 임무를 변경했기 때문이다. 이 시간 동안 수중글라이더는 위치 유지 제어(Virtual Mooring) 모드로 해당 위치를 유지하도록 제어하였으며 24시간이 지나고 난 뒤에 임무를 재개하였다. 106라인의 가장 외해 정점인 11번 정점에서 약 10 km 더 나간 지점을 반환점으로 삼았으며 해당 지점에 8월 16일 오후 5시 38분 경 도착하였다. 이후에는 연안방향으로 순조롭게 비행했고 8월 23일 오후 6시 3분경에 106라인의 4번 정점에 도착하였으나 풍랑주의보가 발효되어 있는 상황이라 회수용 선박이 출항할 수가 없었다. 따라서 다시 외해로 이동시켜 5번 정점에서 위치 유지 제어를 통해 회수할 때까지 해당 위치를 유지하도록 운용하였으며 8월 25일 오후 1시경 안전하게 회수하였다.

Fig. 3.

Longitude (blue) and Latitude (black) GPS position of the underwater glider in time. Blue lines denote longitudinal location of the NIFS 106 stations.

3. 결 과

3.1 단면 관측 결과

Fig. 4는 수중글라이더가 내해에서 외해로 나가면서 관측한 수온과 염분 단면이다. 수중글라이더가 표층에서 800 dbar까지 이동하는데 걸리는 시간은 약 1시간 30분정도이며 그동안 이동거리는 평균적으로 1.8 km 정도이다. 따라서 수평 및 수직적으로는 2 km x 1 m의 격자를 갖도록 스플라인 내삽한 뒤에 단면을 도시하였다. 투하 위치에서부터 약 40 km 지점에 전선역 중심이 존재하고 이 지역이 동한난류가 북상하고 있는 중심이라고 볼 수 있다. 외해로 나갈 수록 수온 약층이 깊어지는데, 수온 약층 내의 수직적인 수온 구배가 일정하지 않고 큰 차이를 보이고 있다는 점이 특징적이다(Fig. 4a). 염분 단면의 경우에도 수온에서 보이는 큰 규모의 전선역과 수온약층의 구조가 일관되게 염분약층에 나타나지만, 특이한 점은 압력이 50 dbar가 되는 수심에서 대마난류 중층수로 보이는 고염분 수괴가 공간적으로 패치 형태로 나타난다는 점이다(Fig. 4b). 또한, 수온 및 염분약층 아래에 존재하는 염분최소층은 동해중층수로 판단되는데, 동해중층수의 저염분 수괴는 보다 작은 규모의 패치를 보인다는 특징이 있다. 이러한 특징이 일반적인 것인지 만약 그렇다면 그 이유는 무엇인지를 규명하기 위해서는 보다 많은 자료의 수집이 필요할 것으로 보인다. 또한 약 160 km 떨어진 지점에서 등수온선과 등염분선이 위아래로 볼록하여 렌즈 형태의 구조를 갖는 형태가 발견되었다. 이러한 구조에 대해서는 3.3절에서 자세히 살펴보기로 한다.

Fig. 4c는 단면에 대한 절대지형류를 나타낸다. 다음과 같은 식 (1)을 통해 절대지형류를 산출할 수 있는데, 우선 지형류는 기준이 되는 절대해류를 알아야 절대지형류를 산출할 수가 있으며, 수중글라이더는 표층에 도달하는 위치를 추정하는데 이 추정 위치와 실제 GPS 위치 그리고 이동 시간을 이용하여 수심 평균된 해류를 산출할 수 있어 이것을 기준 해류로 활용할 수 있다.

Fig. 4.

Zonal sections of potential temperature (a), salinity (b), and meridional absolute geostrophic velocity (c) along the offshore-bound glider trajectory. The contour intervals are 1.0℃ in (a) and 0.1 g/kg in (b). The black straight lines in (a) and (b) show the stations of the NIFS 106 line. Unit in (c) is cm/s.

V_AG는 위도 방향의 절대지형류 속도, V_G는 수온 및 염분, 압력 자료로 산출한 지형류 속도, V_a는 글라이더에서 산출된 수심 평균된 해류 속도를 나타낸다. 물성자료로 얻어지는 지형류 속도는 특정 수심의 유속이 0이라고 가정하고 얻는 속도이므로, 그 특정 수심의 유속을 모르는 상황에서 물성 자료 기반 지형류의 수심 평균 유속은 부정확할 수 밖에 없다. 따라서 계산한 지형류에서 수심 평균 유속을 제거하고 수중글라이더에서 얻어진 수심 평균 유속을 더함으로써 절대지형류를 산출할 수 있다. 또 하나 중요하게 고려해야하는 사항은 수중글라이더와 같은 고해상도 자료로부터 지형류를 산출하기 위해서는 적합한 필터링이 필요하다는 것이다 (Todd et al., 2011). 지형류는 코리올리 효과가 중요하게 작용할 수 있을 만큼 큰 시공간 규모를 갖는데, 이러한 고해상도 자료는 비지형류적 운동(예를 들어, 내부파에 의한 등밀도면 진동)까지 모두 포함하고 있어서 적합한 필터링 없이 지형류를 계산하는 것은 적합하지 않다.

Rudnick and Cole(2011)에서는 수중글라이더에서 얻은 파수 스펙트럼(wavenumber spectrum) 결과로부터 30 km 이상에서 지형류 계산이 적합하다는 결과를 내었다. 적합한 필터링 파라메터가 30 km인 이유는 아직 규명되지 않았으나, 해당 해역은 로스비 변형반경이 약 30 km인 점을 감안하여 10 km의 박스카 필터링을 통해 공간 규모가 큰 현상만 추출한 뒤에 지형류 계산을 실시하였다. 지형류 계산 결과, 투하지점에서부터 약 30 km 떨어진 해역이 표층 해류가 가장 강하게 나타나며 위도방향 유속 최대치는 약 0.6 m/s로 얻어졌다. 이 지점이 동한난류가 북상하는 지점으로 판단되며 동한난류가 강하게 존재하는 해역에서도 수중글라이더를 원활하게 운용할 수 있음을 입증하였다.

Fig. 5는 외해에서 내해로 이동하면서 관측한 단면을 나타낸다. 염분의 패치 구조에 변화가 보이고 아중규모 현상인 소용돌이와 전선역의 변화가 보이지만, 큰 규모의 구조는 외해로 나가면서 관측한 단면과 유사하다. 동한난류는 약 50 km 지점으로 외해역으로 이동하였으며, 전선역이 외해로 이동하면서 공간 경도가 더 강화된 것을 확인할 수 있고, 지형류 최대 유속도 0.8 m/s로 증가된 것으로 계산되었다. 전선역의 경도방향 이동과 그에 따른 전선역의 변동이 수중글라이더 관측 자료에서 뚜렷하게 나타난다. 내해에서 외해로 이동하며 관측한 단면에서 발견된 렌즈형태의 소용돌이 구조는 외해에서 내해로 이동하는 단면에서는 관측되지 않았다. 그러나 190 km 부근에서도 뚜렷하진 않으나 또 다른 형태의 렌즈 구조가 일부 발견되었는데 이 구조의 중심이 수심 약 200 m 정도 수온은 5~6℃ 정도로 동해중층수에 해당하는 수괴와 관련되는 현상으로 보인다. 특히 이 구조 내부의 염분이 주변보다 훨씬 낮아 관련성이 있을 것으로 판단되나 추가적인 연구가 필요하다. 관련 내용에 대해서는 토의 부분에서 좀더 논의하고자 한다. 수중글라이더를 활용한 왕복 단면 관측을 통해서 전선역과 소용돌이의 변화를 관측할 수 있었기 때문에, 지속적으로 단면 관측을 수행할 경우 시간에 따른 변동을 볼 수 있을 것으로 판단되며, 단면 관측 시간을 줄일 수 있도록 다수의 글라이더를 활용하는 관측 최적화 설계 과정이 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 5.

Same as Fig. 4 but along the onshore-bound glider trajectory.

3.2 국립수산과학원 정선 관측 자료와의 비교

수중글라이더로 단면을 관측했던 시기와 유사한 시기에 국립수산과학원에서 2017년 8월 13일~14일까지 106 라인에 대해 정기 선박 관측을 수행하였다. Fig. 6는 비교를 위해 동일한 방법으로 2 km x 1 m 격자로 스플라인 내삽하여 각각 수온과 염분의 단면을 도시하였다. 선박관측은 정점 간격이 넓기 때문에 일반적으로 단면 구조 분석을 위해서 자료를 공간적으로 내삽하여 재구성한다. 그러나 이 경우 필연적으로 정점 간격보다 작은 규모의 현상은 제대로 나타날 수가 없다. 내삽하여 재구성한 선박 자료와 수중글라이더에서 얻어진 결과를 비교해보면, 연안에서 수온약층이 얕게 형성되고 외해에서는 깊게 나타나는 구조나, 약 80-100 km 부근에 나타나는 약화된 수온약층 구조와 같은 큰 규모의 특징은 잘 나타나는 반면에, 전선역의 구조나 아중규모 구조는 제대로 나타나지 않음을 확인해볼 수 있다. 큰 규모 관점에서 선박 관측 자료에서 나타난 특징이 수중글라이더 관측 자료에서도 동일하게 나타나고 있으며, 염분의 절대값 역시도 수심 500 m에서의 염분값이 정선관측자료 중 9번 정점(2018년 8월 13일)의 경우 34.057 g/kg이고 수중글라이더에 얻어진 염분 값(2018년 8월 13일) 9번 정점 부근에서 34.060 g/kg으로 센서의 오차 범위 내에서 정확한 값이 얻어졌음을 확인하였다. 수중글라이더의 염분 센서는 매년 하드웨어 보정을 받고 있으며 센서 관리 메뉴얼을 바탕으로 철저히 관리하고 있기 때문에, 약 20일간 사용하는 경우에는 염분의 편향 문제가 적어 비교적 선박 CTD 자료와 유사한 값을 나타내고 있는 것으로 판단된다. 그러나 수중글라이더에서 관측된 열염의 아중규모 공간 구조를 살펴보면, 선박 관측 자료의 정점 간격보다 작은 규모의 중요한 현상들이 존재하고 있는 것이 확인되었기 때문에, 현재의 선박 관측 자료의 공간적인 해상도는 동해 전선역 구조와 변동을 보기에 충분하지 않다고 결론 내릴 수 있다.

Fig. 6.

Zonal sections of potential temperature (a) and salinity (b) along the NIFS 106 line obtained from the shipboard CTD measurements from Aug. 13 to Aug. 14 which are interpolated with the cubic spline method in 2 km x 1 m bin. The contour intervals are 1℃ in (a) and 0.1 g/kg in (b). The black straight lines denote the stations of the NIFS 106 line.

3.3 중층성 소용돌이 구조 및 회전속도

내해에서 외해로 나가면서 단면에서 관측된 렌즈 형태를 확대하여 Fig. 7a에 도시하였다. 수평적인 밀도구배가 렌즈 중앙부를 중심으로 위아래 서로 반대방향이므로 압력경도력이 수직적으로 서로 상쇄된다. 그러므로 표층에 지오포텐셜 구조가 드러나지 않아 해표면 수온이나 염분, 해표면 고도에 관측한 단면에서 렌즈 형태의 구조가 나타나지 않을 것으로 예상된다. 절대 지형류 분포를 보면 수평적으로 서로 반대방향의 유속을 가져 시계방향의 회전성을 가짐을 알 수 있으며, 유속의 최대층이 수심 170 dbar 부근에서 나타나고 표층과 심층으로 갈수록 유속이 약화되는 2차 순압성 구조가 지배적임을 알 수 있다. 또한 서로 반대방향의 유속 최대치가 나타나는 지점간의 거리는 약 8 km 정도로, 이 정도 크기의 렌즈 형태 구조를 가지며 시계방향의 회전을 갖는 현상은 전형적인 중층성 소용돌이(Intrathermocline eddy)라 볼 수 있다. 아중규모의 중층성 소용돌이는 동해에서 이전에 발견된 적이 없는데, 수중글라이더를 통한 고해상도 관측이 가능하였기 때문에 새롭게 발견할 수 있었던 것으로 사료된다. 따라서 해당 소용돌이를 Korea intrathermocline eddy (Keddy)로 명명하고자 한다.

Fig. 7.

(a) Zonal sections of potential temperature in Fig. 4 (a) zoomed in between 150 km and 180 km in zonal distance. White lines show meridional absolute geostrophic velocity. (b) Absolute geopotential heights estimated from the glider measurements. Black contours denote the Gaussian geopotential model fitted into the glider observation. (c) Azimuthal cyclo-geostrophic velocity (unit: cm/s). Black straight lines present the locations where the maximum velocities appear.

여기서 발견된 Keddy는 중심부 밀도가 약 1026.5 kg/m³이며, 염분은 34.15 g/kg, 수온은 8.5℃를 갖는다. 소용돌이의 구조는 상층 수심 70 dbar에서 300 dbar까지 영향을 주는 것을 보인다. 참고적으로 Fig. 5에 나타난 소용돌이 구조는 Fig. 4에 나타난 그것만큼 명확하지 않지만, 비교적 유사한 렌즈형 구조를 가지고 있기 때문에 비교를 위해 특징을 기술하면, 중심부 밀도가 약 1026.8 kg/m³이며, 염분은 33.95 g/kg, 수온은 5.0℃ 로 Fig. 4의 Keddy보다 더 깊은 곳에 위치하며 더 저염의 저온의 특성을 갖고 있다. 이 둘의 비교에 대해서는 토의 부분에서 논의하도록 하겠다.

아중규모 소용돌이는 공간규모가 작아 원심력 효과가 중요하게 작용한다. 따라서 일반적인 지형류 평형에 원심력이 포함된 회전지형류 평형(cyclogeostrophic balance)을 가정하고 지형류를 산출해야 한다. 식 (2)는 회전지형류 평형을 나타내며 좌측 두번째 항이 원심력과 관련된 항이다.

v_ϕ는 소용돌이의 회전 속도를 나타내며, ϕ는 지오포텐셜, r는 반지름 방향 좌표, f는 코리올리 수를 의미한다.

시계방향으로 회전하는 Keddy와 같은 소용돌이(일반적으로 난수성 소용돌이 등도 포함)는 압력경도력과 원심력 방향이 서로 같은 소용돌이 중심에서 외부로 나가는 방향이므로 어떤 이유에서든 압력경도력이 강해지더라도 원심력 때문에 그 힘을 유지할 수 없다. 반면에 반시계방향으로 회전하는 소용돌이(예를 들어, 태풍, 토네이도, 냉수성 소용돌이 등)는 압력경도력과 원심력이 서로 반대방향이므로 강화된 압력경도력을 원심력이 지탱해줄 수 있으므로 마찰 등을 무시한다면 무한히 강화될 수 있다. 따라서 시계방향으로 회전하는 소용돌이는 최대로 강해질 수 있는 강도의 한계가 존재한다. Fig. 7a에 도시하였던 절대지형류는 원심력을 고려하지 않았기 때문에 실제 소용돌이의 회전속도보다 크게 추정된 값이다.

현재 가용한 자료로 회전지형류 평형을 통해 소용돌이의 회전속도를 추정하기 위해서는 가우시안 지오포텐셜 모델을 도입하고, 현재 얻어진 단면이 정지해 있는 소용돌이의 중앙을 관통하고 있으며, 해당 소용돌이는 완벽한 원운동을 하고 있다는 가정이 필요하다. 수중글라이더 관측 자료를 통해 뚜렷한 소용돌이의 모습을 확인할 수 있었지만, 이 소용돌이의 물리적 특성을 정량적으로 계산하기에는 3차원 해류 자료가 있어야 하는데, 이러한 자료는 현재 가용하지 않으므로 제한된 자료에서 최대한 소용돌이의 특성을 규명하기 위해 해당 가정을 도입하였다.

제한된 자료로부터 회전지형류를 얻기 위해서는 우선 관측자료를 가장 잘 표현하면서 식 (2)의 해를 얻을 수 있는 가우시안 모형이 가장 적합하다. 지오포텐셜의 가우시안 모형은 식 (3)과 같이 설정하였다.

A는 지오포텐셜의 강도, λ은 소용돌이 수평 영향 범위, z는 수심, z₀는 소용돌이 중심의 수심, h는 소용돌이의 수직 영향 범위를 나타낸다. 이 가우시안 모형을 식 (2)에 대입함으로써 소용돌이 회전속도를 다음과 같이 얻을 수 있다.

식 (4)에서 다른 하나의 해는 실제 소용돌이 형태와는 완전히 다른 구조를 갖기 때문에 제외하였다.

식 (3)의 가우시안 모형이 수중글라이더에서 얻은 관측 자료를 가장 잘 설명할 수 있도록 최소자승법(Least Square Method)을 통해 각 파라미터를 산출한다. 이를 위해서는 절대 지형류에서 절대 지오포텐셜을 먼저 계산해야한다. 물성 자료만을 이용해서는 지오포텐셜의 절대값을 알 수 없기 때문에 수중글라이더에서 측정된 수심 평균 유속에서부터 환산이 필요하다.

다음은 환산 방법에 대한 설명이다. 지오포텐셜을 밀도기반 지형류 평형 관점(ϕ_g)과 기준 지오포텐셜 관점(ϕ_R)으로 표기하면 다음과 같다. 밀도기반 지오포텐셜은 지형류 계산 시에 이미 계산되었던 값이다.

배경 기준 유속으로부터 큰 규모의 기준 지오포텐셜을 지형류적의 관점으로 볼 수 있으므로,

기준 유속만 알게되면 식 (6)을 수평적으로 적분함으로써 기준 지오포텐셜 값을 얻을 수 있다. 수중글라이더는 심층으로 내려갔다 올라오는 동안 해류에 의해서 떠내려 가는데 이 이동거리를 GPS로 측정함으로써 수심평균 해류를 얻을 수 있으며 이것을 기준유속으로 활용할 수 있다(Todd et al., 2011). 그렇게 얻어진 수심평균 해류 (v₀)는 다음과 같이 표현할 수 있다.

v_T는 위도방향 절대 유속이며, H는 수중글라이더 잠항 수심, v_g는 위도방향 지형류 유속, v_R는 기준 유속이다. 따라서 v_R은 수심에 따른 함수가 아니기 때문에, 식 (8)과 같이 표현될 수 있다.

기준 유속을 알아냈기 때문에 식 (6)을 활용하여 절대 지오포텐셜을 구할 수 있다.

식 (9)를 이용하여 구한 절대 지오포텐셜 구조를 도시한 것이 Fig. 7b이다. 해당 자료에 대해 식 (3)에 표시한 가우시안 모형을 적합하면 검은색 실선으로 표시한 가우시안 지오포텐셜 구조를 얻을 수 있다.

다음은 적합과정을 통해 얻어진 가우시안 지오포텐셜 모형의 파라미터 수치이다.

해당 수치를 식 (4)에 대입하여 얻은 Keddy의 회전지형류 유속값을 Fig. 7c에 도시하였다. 이렇게 얻어진 유속자료로부터 최대 회전 속도는 0.12 m/s로 얻어졌으며, 이로부터 음의 최대 상대 와도를 계산해보면 -6.4x10^-5 s^-1이며, 로스비 수는 0.72로 계산되었다.

최대 유속이 나오는 지점간의 거리가 약 12 km로 가우시안 지오포텐셜 모형이 실제 소용돌이 모양보다 좀더 넓은 형태로 모사 되었음을 감안해 보더라도 로스비 수가 1에 근접하는 수치를 가지는 현상임을 알 수 있다. 이는 McWilliams(1985)와 Thomas(2005)에서 지적한 아중규모 중층성 소용돌이의 중요한 특징 중에 하나이다.

3.4 중층성 소용돌이 이동에 관한 추정

수중글라이더가 Keddy를 가로지르는데 걸린 시간은 약 12시간으로 그 시간 동안 Keddy자체가 이동할 수 있다. 소용돌이의 이동 속도는 일반적으로 0.03~0.05 m/s 정도이지만 배경 해류가 있는 경우에는 달라질 수 있다. 따라서 수중글라이더가 관측한 단면이 소용돌이의 중심을 관통한 것이 아닐 수 있으며, 다양한 중규모 변동이 중첩되어 있기 때문에 Keddy의 이동 속도를 정확하게 산출하기 위해서는 적어도 2기 이상의 수중글라이더를 활용한 동시 관측이 진행되어야 한다. 실제로 Cuddy 연구를 위해 수중글라이더 2기가 자동적으로 추적함으로써 Cuddy 발생, 변화, 소멸 과정을 연구하는데 중요한 자료를 획득한 사례가 있다(Pelland et al., 2013; Steinberg et al., 2018).

투하지점에서부터 150~180 km 범위에서 중규모 변동이 매우 작다고 가정하고 해당 해역의 수심평균 배경 유속을 수평적으로 평균하여 살펴보면, 경도와 위도방향이 각각 -0.085 m/s와 0.086 m/s이 된다. 이 수심평균 유속이 일반적인 소용돌이 이동속도보다 크기 때문에 중층성 소용돌이는 북서쪽으로 이동하고 있을 가능성이 높다. 그렇다면 수중글라이더가 이동하는 방향과 반대방향으로 Keddy가 이동한 것이므로 수중글라이더에서 관측된 Keddy의 수평 규모는 실제보다 작게 얻어졌을 수 있다.

예를 들어 -0.085 m/s로 Keddy가 서쪽으로 이동하고 있었다고 가정할 때 수중글라이더에서 관측된 Keddy의 수평 규모인 8 km는 소용돌이의 이동을 고려하면 실제 Keddy의 크기는 약 12 km가 된다는 것이다. 따라서 관측된 것보다 실제 Keddy의 규모는 약간 더 클 수 있다. 그러나 해당 유속은 Keddy의 이동과 관련된 속도 정보를 포함하고는 있으나 실제 Keddy 이동속도는 아니기 때문에, Keddy의 이동 패턴에 대한 정량적 이해가 없는 상태에서의 회전속도에 관련된 분석은 대략적인 크기를 확인하는 정도의 의미만을 가질 것으로 판단된다.

Fig. 8은 수중글라이더가 Keddy의 어느 부분을 가로질렀는지 판단하는데 약간의 단서를 제공한다. 점선은 수중글라이더에서 측정된 수심평균 유속 자료이고 실선은 해당 자료를 150~180 km 이내에서 선형 경향성을 제거한 결과이다. 선형 경향성 만으로는 중규모 변동을 모두 제거할 수는 없지만, 약 30 km 공간 규모내에서는 충분한 근사치를 얻을 수 있을 것으로 판단하였다. 선형 경향성을 제거한 유속을 보면 Keddy 좌측 끝인 약 160 km 지점에서 경도방향과 위도방향이 모두 양의 값을 갖는데 우측 끝인 약 170 km 지점에서는 모두 음의 값을 갖는 것을 볼 수 있다. 이것은 수중글라이더가 Keddy의 북서쪽 부분으로 들어가서 소용돌이 중앙부근을 지나서 남동쪽 부분으로 나온 것으로 해석할 수 있다. 그러나 이것은 어디까지나 수심평균된 해류가 Keddy의 이동속도를 대부분 반영한다고 보았을 때이며 중규모 현상이 선형 경향성으로 모두 제거되었다고 가정했을 때이다. 해당 해역은 동한난류가 우세한 해역으로 전체적으로 북상하는 해류가 지배적으로 존재하고 Fig. 4에서 보여준 바와 같이 약60 km 이상의 중규모 와동류가 나타나는 것으로 판단되는 해역이므로 정확한 분석이 이루어지기 위해서는 추가적인 자료 수집이 필요하다.

Fig. 8.

Depth-averaged velocities estimated by glider trajectories. Blue lines present meridional components and red ones are zonal components. Dotted lines denote original data and solid lines are the data after removing linear trends between 150 km and 180 km in zonal distance.

3.5 중층성 소용돌이 내부 물성 구조

Keddy 내부의 물성 구조를 살펴보기 위해 160~170 km (130.8866 °E~130.9891 °E) 범위 내에 있는 수온, 염분, 밀도의 수직 구조와 Keddy 외부인 150~160 km, 170~180 km 범위 내에 있는 구조와 비교하였다. Fig. 9에서 붉은색 실선은 Keddy 내부의 자료이고 검은색 실선은 외부의 자료이다. Keddy 내부에는 물성이 외부보다 수직적인 경사가 약한 것을 볼 수 있다. Keddy 내부의 물성 범위는 수온이 8.0~9.5℃, 염분은 34.03~34.20 g/kg을 갖는다. 특히 Keddy 내부의 물성 수직구조를 살펴보면, 내부 중앙보다 상층이 상대적으로 온도가 높고 고염이며 하층은 온도가 낮고 저염의 특징을 가져 수직적으로 밀도보상적 구조를 갖고 있다. 이러한 특징때문에 Keddy 내부의 밀도는 수온이나 염분에 비해 수직적으로 보다 일정한 구조를 보인다.

비교를 위해서 울릉난수성 소용돌이에 대해 잠깐 설명하겠다. 울릉난수성 소용돌이 내부는 밀도뿐 아니라 수온 및 염분이 모두 일정한 thermostad, halostad, pycnostad가 같이 나타나는데, 그 이유는 수직적으로 일정한 물성이 겨울철 해표면으로 노출(outcropping)되면서 두꺼운 혼합층으로 만들어졌다가 봄철로 가면서 따뜻한 수층으로 덮히기 때문에 렌즈형태로 나타난다. 울릉난수성 소용돌이의 내부가 겨울철에 노출되어 두꺼운 혼합층을 형성한다는 사실은 이미 많은 연구자들에 의해 보고되었다(e.g. Shin et al. 2005). 이러한 특징은 Mode Water Eddy의 전형적인 형성과정을 통해 만들어진다. 반면에 Keddy 내부 물성의 구조적인 특징은 울릉난수성 소용돌이 중 뚜렷한 렌즈 형태의 구조를 갖는 소용돌이와는 매우 다르기 때문에 Keddy가 울릉난수성 소용돌이와는 다른 과정을 통해 형성되었음을 추론할 수 있다. MWE 성격을 갖는 울릉난수성 소용돌이가 오랜 기간 동안의 수직혼합 작용에 의해 Keddy의 물성 수직 구조와 유사한 형태를 가지게 될 수도 있다. 그러나 이러한 경우에는 뚜렷한 수평적인 렌즈 구조를 유지할 수 없게 된다. Keddy의 경우에는 뚜렷한 렌즈 구조를 가지면서 해당 물성 구조가 유지되고 있기 때문에 울릉난수성 소용돌이와는 다른 과정을 통해 렌즈 구조가 형성되었을 것으로 판단된다. 가능한 Keddy 형성기작에 대해서는 토의부분에서 따로 논의하겠다.

Fig. 9.

Vertical profiles of potential temperature (a), salinity (b), and potential density (c) inside (red) and outside of Keddy (black).

또 하나 흥미로운 점은 Keddy 아래쪽에 계단모양의 구조가 나타난다는 것이다. 이러한 계단모양의 구조는 salt-fingering staircase라는 현상일 가능성이 높으며 salt-fingering 과정을 통한 혼합이 발생했을 때 흔히 나타나는 구조와 매우 흡사하다. 기본적으로 동해 남부해역은 고온고염의 대마난류 중층수 아래에 저온 저염인 동해중층수가 자리잡고 있어서 salt-fingering이 나타날 수 있는 조건을 갖춘 해역이다. 이는 Turner angle 혹은 density ratio를 계산함으로써 확인할 수 있는데, Turner angle이 +45°~+90° 사이로 나타난다면 salt fingering이 존재할 수 있는 해역임을 의미한다(McDougall et al. 1988; Schmitt 1995). 대마난류 중층수와 동해중층수가 인접해있는 영구수온약층 내의 Turner angle을 계산해보면 50°~ 60° 범위 내에 있어 어떤 형태의 교란이 존재할 경우 salt-fingering을 통한 수직 혼합 과정이 발생할 수 있다.

Keddy 외부해역에서도 계단형 구조가 영구 수온 약층 하단에 약하게 나타나는 것이 보이지만, Keddy 하부에서 보다 뚜렷하게 나타나는 경향이 있어 Keddy가 salt-fingering의 발생에 직접적인 영향을 끼치는 것으로 판단된다. 이러한 경향성은 Keddy가 수평유속의 수직적 구배(vertical shear)를 강하게 가지고 있어 수층 내의 수직적 불안정성을 높여 작은 규모의 교란을 발생시키고 이것이 salt-fingering를 형성하는 방아쇠로 작용했을 가능성이 있다. 내부파나 강한 해류가 만들어 내는 유속의 수직적 구배가 salt-fingering의 발달을 가속화할 수 있으며, 이런 salt-fingering가 뚜렷한 계단형 구조를 만들어낼 수 있다는 사실은 이미 보고가 되었다(Kunze, 1995). 이러한 구조의 발견은 Keddy가 동해 수온약층 내의 혼합과정에 중요한 역할을 할 가능성이 있음을 시사한다.

4. 요약 및 토의

수중글라이더를 운용하여 국립수산과학원 정선관측 106 라인을 따라 단면 관측을 수행하였다. 수중글라이더는 2018년 8월 7일에 투하되었으며 106 라인을 따라 왕복 비행한 후 약 18일 뒤인 8월 25일에 안전하게 회수되었고, 그동안 총 이동거리 약 440 km를 비행하였다. 수중글라이더는 단면관측을 수행하는 동안 동한 난류를 가로질러 비행했음에도 불구하고 경로 유지 오차율 0.093%를 달성하여 정확하게 계획된 경로를 유지할 수 있었다. 정확한 경로 유지는 수중글라이더로부터 얻어진 과학 자료의 활용성을 증대시키므로 매우 중요하다고 할 수 있다.

수중글라이더에서 관측한 고해상도 수평-수직 단면은 그동안 볼 수 없었던 동해의 새로운 모습을 보여주었는데, 동한 난류에 의해 나타나는 전선역의 자세한 모습과 변동, 염분 단면 자료에서 나타난 아중규모 패치 구조, 그리고 본 논문의 주제인 중층성 소용돌이 등이 뚜렷하게 나타나 있다. 비슷한 시기에 관측한 국립수산과학원 정선 자료와 비교해 봄으로써 수중글라이더 자료의 정확성을 정성적으로 검증할 수 있었으며, 수중글라이더를 활용한 고해상도 관측의 중요성을 확인할 수 있었다.

수중글라이더 관측 자료에 나타난 물리적 아중규모 구조들은 동해에서 흔히 나타날 수 있는 현상이며, 해양 생물 분포에도 영향을 줄 수 있기 때문에, 이러한 규모의 현상을 볼 수 있는 고해상도 관측이 중요하다. 특히 이렇게 자세한 전선역 구조 자료가 처음 얻어진 만큼 향후 해양 예측 모형 결과를 검증하고 평가하는데도 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 장기간 해상 기상상태와 무관하게 고해상도 수중 공간 관측을 수행할 수 있는 수중글라이더를 안전하게 운용하고 과학적으로 유의미한 자료를 생산할 수 있음을 보여 국내에서도 무인 해양 공간 관측의 기본 기술을 확보했음을 입증하였다.

수중글라이더 단면 관측을 통해 영구 수온 약층 부근에 렌즈 형태의 등밀도 구조를 가지며 시계방향으로 회전하는 아중규모의 소용돌이를 동해에서 최초로 발견하였다. 이 소용돌이는 크기가 약 10 km 정도로 해당 해역의 1차 순압성 로스비 변형 반경과 비교했을 때 그 크기가 유사하거나 약간 작은 것으로 판단되며, 2차 순압성 유속 구조를 가져 전형적인 중층성 소용돌이로 판단된다. 따라서 이 소용돌이를 Korea intrathermocline eddy (Keddy)로 명명하였다. Fig. 10은 수중글라이더 단면 관측 자료로 계산한 1차 순압성 로스비 변형 반경이다. 로스비 변형 반경은 식 (10)과 같이 계산할 수 있으며(Chelton et al., 1998), 수심 800 m 이하는 수심 800 m와 같은 부력주파수를 갖는다고 가정하고 수심 2000 m까지 적분하였다.

Fig. 10.

First baroclinic Rossby deformation radii estimated from the glider hydrographic measurements along the offshore- bound trajectory.

식 (10)은 m차 순압성 로스비 변형 반경을 구하는 식으로 수심(H)에서부터 표층까지 부력주파수(N)을 적분함으로써 얻을 수 있고, f는 코리올리스 수이다. 동해 수심 800 m 이하 성층화 정도는 매우 약하며 거의 균일한 수괴로 이루어져 있어 표층에서 800 m까지 적분한 값이나 2000 m까지 적분한 값에 차이는 거의 나지 않는다. 로스비 변형 반경은 연안에 가까운 정점에서 약 10 km정도이며 외해에서는 약 13 km정도이다. 같은 위도에서 북태평양이나 북대서양의 경우에는 약 30 km 정도임을 감안하면 동해는 거의 1/3 수준으로 대양에 비해 작은 공간 규모를 갖는다는 것을 알 수 있다. 이 계산은 수중글라이더 자료로 106 라인에 대해서만 수행하였으나, 영구 수온 약층 아래가 거의 균일한 동해 환경 특성상 극전선 이남 해역은 ARGO 플로트 자료를 활용하여 계산해보더라도 대부분 유사한 로스비 변형 반경을 가진다.

Keddy의 특성을 분석한 결과, 약 0.12 m/s 속도로 회전하며 로스비 수가 0.7 정도를 가지고 있었다. 그러나 이러한 계산은 자료의 부족으로 인해 소용돌이의 이동과 형태에 대한 가정을 바탕으로 얻어졌으므로 보다 정확한 분석을 위해서는 추가적인 관측이 필요하다. 캘리포니아 연안에서 발견되는 California Undercurrent Eddy (Cuddy)는 이 Keddy와 매우 유사한 형태의 소용돌이이다. Cuddy는 크기가 10~30 km 정도이며 수심 100~300 m에서 발견된다(Hickey, 1979; Pelland et al., 2013). 로스비 수는 형성 당시에 가까운 경우 0.5 정도를 가지며, 시간이 지날수록 0.3 정도로 약화된다고 알려져 있다(Steinberg et al., 2018). 따라서 Keddy 역시 시간이 지남에 따라 로스비 수가 줄어들 가능성이 있다.

Cuddy는 연안을 따르는 바람과 연안류의 상호작용을 통해 발생하는 것으로 알려져 있는데(Thomson and Krassovski, 2015), 이와 특징이 유사한 Keddy도 비슷한 과정을 통해 형성되었을 가능성이 있다. Thomas et al.(2005)는 동해 극전선에서 비선형 에크만 취송류가 전선의 강도를 강화시키면서 강한 음의 위치와도가 형성될 수 있음을 보였다. 이 음의 위치와도는 렌즈형태를 갖는 시계방향 소용돌이를 만들고, 형성된 소용돌이는 수온약층의 하단부를 따라 남쪽으로 이동한다. Keddy는 극전선에 아주 근접한 위치에서 발견되었으므로 이러한 과정을 통해 형성되었을 가능성이 크다. Fig. 5 단면에서도 수온약층 하단에 소용돌이와 유사한 구조가 발견되었는데 주변보다 특별히 낮은 염분을 내부에 포함하고 있는 특징이 있었다. 해당 수괴는 물성의 특성상 동해중층수로 보이는데 소용돌이 구조에 갇힌 채 나타난 것은 이 소용돌이가 중층수 형성해역에 보다 가까운 전선역의 북쪽 해역에서 왔음을 시사한다. Lee et al.(2006)에서는 전선역과 전선을 따르는 방향의 바람과의 상호작용 결과로 중층수 수괴의 섭입(subduction)이 발생할 수 있음을 지적하였다. 따라서 수중글라이더에서 관측된 이 소용돌이는 이러한 과정을 통해서 형성되었을 가능성이 있다.

같은 과정을 통해서 형성되었다고 하더라도 어느 시기에 형성 되었는지에 따라 중심 밀도가 달라질 수 있고 이에 따라 소용돌이가 위치하는 수심도 달라질 수 있다. 만약 Fig. 4와 Fig. 5에 나타난 두 가지 소용돌이 모두 Thomas et al.(2005)의 기작으로 형성되었다고 한다면, Fig. 4에서 발견된 Keddy는 전선역의 수온이 상대적으로 높지만 전선의 구조가 표층에 뚜렷하게 나타나는 가을철이나 이른 봄철에 형성되었을 가능성이 있고, Fig. 5에 보이는 소용돌이는 겨울철에 형성되었을 수도 있다. 그러나 소용돌이의 외각 지역을 따라 저염수가 따라 도는 경우가 종종 있고 소용돌이의 일부 변형 가능성도 고려해본다면, 이 두 소용돌이가 실제로는 같은 것이고 관측 시기에 따라 소용돌이의 다른 부분을 관측했을 가능성도 완전히 무시할 수는 없다. 또 하나의 가능한 형성 기작은 해류-해저지형 상호작용이다(D’Asaro, 1988). 발견된 Keddy는 연안에서 멀리 떨어져 있어 대륙사면과 해류와의 상호작용으로 형성되었을 가능성은 낮으나, 울릉도와 약 40 km 떨어져 있으므로 해류가 섬 부근을 지나가면서 낮은 위치 와도가 형성되었을 가능성도 무시할 수 없다. 따라서 Keddy의 형성과정에 대한 이해를 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.

Keddy는 대양에 존재하는 중층성 소용돌이와 같은 성격을 갖는 것으로 판단되며, 앞서 여러 연구자들이 지적한 바와 같이 Keddy 역시 동해 도처에 존재할 가능성이 높다. 그러나 크기가 작은 아중규모 소용돌이인데다 수평적인 고해상도 자료 없이 수직적인 구조 자료만으로는 중규모 울릉난수성 소용돌이와 물성 측면에서 간단히 구분하기가 어렵다 보니 실제 관측을 하고서도 그 존재를 그동안 알아차리지 못했을 것으로 사료된다. 따라서 Keddy의 분포와 개체수 등을 파악하는 연구도 매우 중요하며, 특히 동해는 대양과 유사한 중층수 구조를 가지고 있어(특히 Antarctic Intermediate Water), Keddy 형성과 분포, 소멸에 관한 연구는 중층성 소용돌이가 중층수 형성 혹은 확산, 소멸에 얼마만큼 기여할 수 있는지 정량적으로 평가하는데 중요한 자료를 제공할 수 있다는 점에서 의의가 있다고 사료된다.

마지막으로 Keddy 하부에 열염 계단형(thermohaline staircases) 구조가 발견되었는데, 동해 수온 약층은 성층화가 강하여 난류에 의한 혼합이 크게 제한될 수 있다. 실제로 성층이 강하면 수직 교란(overturning eddy)이 억제되어 그 크기가 줄어들기 때문에 혼합이 강하게 발생하기 어렵다. 그러나 Keddy 아래 발견된 열염 계단형 구조가 증가하는 패턴은 Keddy가 발생시키는 수평 유속의 수직 구배가 salt-fingering 현상을 강화시켜 비난류성 혼합을 일으킬 수 있음을 보여주는 중요한 관측 결과라 판단된다. 동해는 salt-fingering이 우세하게 나타날 수 있는 조건을 갖춘 해역이며 적합한 교란만 존재한다면 salt-fingering이 발생할 수 있기 때문에, 동해의 혼합과정을 이해하는데 있어서 아중규모 중층성 소용돌이 및 중규모 소용돌이의 역할에 대한 연구가 필요하다.