1. 서 론

동해 남부 해역은 세계에서도 소용돌이 활동이 활발하기로 유명한 해역이며, 특히 울릉도, 독도 주변에는 동한난류의 사행으로부터 형성된 난수성 및 냉수성 소용돌이들이 거의 항상 발견되고 있다(Ichiye and Takano, 1988; An et al., 1994; Shin et al., 1995; Arruda et al., 2004; Mitchell et al., 2005; Lee and Niiler, 2010b). 또한 인공위성 추적 표층부이(ARGOS surface drifter) 자료를 사용한 상층의 에디 운동에너지 분포(eddy kinetic energy)에서도 동해 남부 울릉분지 주변 해역에서는 매우 큰 에너지 분포가 나타난다(Lee and Niiler, 2005; Park and Kim, 2013).

그동안 울릉 난수성 소용돌이에 대해서는 많은 연구자들에 의해 그 특성이 관측되었고, 또한 연구되어 왔다(Isoda and Saitoh, 1993; An et al., 1994; Lie et al., 1995; Shin et al., 2005; Lee and Niiler, 2010b). 그러나 연구방법, 사용 자료 및 기간에 따라 약간씩 차이가 있다. An et al.(1994)은 울릉도 부근 해역에서 1967∼1987년의 수온, 염분 관측자료를 분석하여 총 27개의 난수성 소용돌이를 통계적으로 분석하였다. 울릉 난수성 소용돌이의 모양으로는 남북방향으로 긴 타원형이 전체의 약 63%로 가장 많았고, 평균 크기(직경)는 약 132km, 수심 200m에서 소용돌이 중심 수온은 평균 8.1℃, 난수성 소용돌이의 최고 수심은 400m 이상이 65%로 가장 많았다. 또한 Shin et al.(2005)은 1992년 6월부터 1995년 5월까지 약 3년 동안 하나의 울릉 난수성 소용돌이 WE92를 추적하여 크기 변화, 계절별 내부 구조 및 유속구조의 변화를 분석하였다. 1993년 4월에 소용돌이 WE92의 크기는 동서방향 약 150km, 남북방향 약 170km이었지만, 9월에는 동서방향 약 130km, 남북방향 약 90km로 축소되었다. WE92의 최대 유속이 45∼60cm/s, 최대 유속이 나타나는 수심은 약 25∼100m이었다. 1992년 11월부터 1993년 9월 사이에 수심 15∼35m의 ARGOS 표층부이로 관측한 또 다른 울릉 난수성 소용돌이(크기가 70∼120km)의 평균 회전 속도는 약 24cm/s, 회전주기는 약 14.9일이었다(Lie et al., 1995). Lee and Niiler(2010b)는 1992년부터 2007년까지의 ARGOS 표층부이와 위성 고도계 자료를 사용하여 동해의 소용돌이를 분석하였다. 울릉 난수성 소용돌이는 울릉 분지 서쪽의 음의 와도 영역에 모여 있고, 모든 방향으로 전파되지만, 평균 이동 방향은 남동 방향이며 속도는 0.14cm/s이었다. Lee and Niiler(2010b)가 분류한 소용돌이의 6개 그룹 중에서 울릉 난수성 소용돌이는 가장 크고(97×63km), 가장 긴 평균 수명(171일)을 가진다.

선박에 의한 울릉 난수성 소용돌이 관측 자료(수온, 염분, 유속 자료)는 시공간적인 제약이 큰 반면 내부 수직구조의 변화를 명확히 파악할 수 있다. 반면 인공위성 자료(해수면 온도 및 고도계 자료)는 시·공간적 제약은 비교적 적지만, 수직구조를 알 수 없는 단점이 있다.

본 연구에서는 1993년부터 2017년까지 25년 동안의 CMEMS (Copernicus Marine Environment Monitoring Service, http://marine.copernicus.eu) 자료와 국립수산과학원 정선관측의 CTD (Conductivity-Temperature-Depth) 자료를 사용하여 울릉 난수성 소용돌이의 물리적인 특성과 동한난류(East Korea Warm Current, EKWC)와의 관계를 분석하는 것이 목적이다. 첫 번째로 인공위성 고도계 자료를 사용한 울릉 난수성 소용돌이의 탐지 및 추적 방법을 확립하여, 25년 동안의 소용돌이의 수명, 발생 빈도, 생성 및 소멸 시기를 정량적으로 분석하였다. 두 번째로 울릉 난수성 소용돌이를 동한난류와의 위치 분포에 따라 세 가지로 분류하였고, 분류 양상을 모식도로 나타내었다. 세 번째로는 CTD 자료를 사용하여 울릉 난수성 소용돌이의 계절에 따른 수직 구조변화를 분석하였고, 수직 발달 과정을 모식도로 나타내었다. 마지막으로 울릉 난수성 소용돌이의 크기를 위성 고도계 자료에 의한 산정 방법과 CTD 자료의 수온단면도에서의 산정 방법을 함께 사용하여 비교 분석하였고, 각각의 산정방법에 의한 크기 및 차이를 정량적으로 제시하였다.

2. 자료 및 방법

2.1 위성 고도계 자료 및 CTD 자료

본 연구에 사용한 인공위성 고도계 관측자료(CMEMS)는 여러 인공위성(Jason-3, Sentinel-3A, HY-2A, Saral/AltiKa, Cryosat-2, Jason-2, Jason-1, T/P, ENVISAT, GFO, ERS1/2)들의 지상 궤적(ground track)을 따라 관측된 해수면 고도 자료를 이용하여 일정한 수평 격자 간격(0.25°×0.25°)으로 최적합 보간(Optimal Interpolation)된 자료이다. 본 연구에서는 해수면 고도 편차(Sea Level Anomaly, SLA) 및 평균역학지형(Mean Dynamic Topography, MDT) 자료를 사용하여 해수면 고도 자료(SSH=ADT=SLA+MDT)를 계산하였고 분석에 사용하였다.

자료의 사용 기간은 1993년부터 2017년까지이며, 연구 영역은 34°N∼40°N, 128°E∼134°E 이다. 분석 시에는 공간적으로 $\frac{1}{4}°\times \frac{{\displaystyle 1}}{{\displaystyle 4}}°$ 및 $\frac{1}{32}°\times \frac{{\displaystyle 1}}{{\displaystyle 32}}°$로 보간한 자료를 사용하였고, 시간적으로는 1일 간격으로 제공되는 자료를 10일 간격으로 사용하였다.

또한 울릉 난수성 소용돌이의 물리적인 특성 및 수직구조의 변화 과정을 파악하기 위하여 국립수산과학원에서 관측한 CTD 자료를 사용하였다(Fig. 1). Fig. 1에서 점(●)은 각각의 정선에서 CTD 관측 정점을 나타낸다. 위성자료의 사용 기간에 맞추어서 1993년부터 2017년까지 2개월 간격으로 측정된 동해 103 라인부터 106 라인까지의 표층부터 수심 500m까지 표준수심으로 제공된 수온, 염분 자료를 사용하였다.

Fig. 1.

The locations of CTD observation stations provided by NIFS (National Institute of Fisheries Science). Black rectangle indicates the region of interest for the Ulleung Warm Eddy.

2.2 위성 고도계 연안 자료 보정

CMEMS에서 제공하는 0.25° 간격의 해수면 고도 편차(Sea Level Anomaly, SLA) 자료는 해안선 근처 약 50km 이내에서는 오차가 크기 때문에 연안의 조위 관측 자료를 사용하여 보정하였다. 보정 방법은 Saraceno et al.(2008)의 보정 개념을 한국의 동해안과 일본 연안에 적용한 Lee(2010)와 Choi et al.(2012), Kim(2019)의 방법을 사용하였다. 보정에는 속초, 묵호, 후포, 포항, 울산 및 부산의 7개 국립해양조사원 조위관측소에서 측정한 조위 관측 자료를 사용하였다(Fig. 2).

보정 과정은 1시간 간격의 조위자료를 일평균한 후 일평균 해수면 고도 편차를 계산하였다. 기압에 의한 해수면 변동은 기상청에서 제공하는 해면기압 자료를 사용하여 보정해 주었다. 또한 조위관측소(Fig. 2에서 붉은색 삼각형 격자점(▲))의 자료에서 선형 경향성을 제거하였으며, 같은 격자의 위성 고도계 자료의 경향성을 합산하였다. 또한 조석의 단주기 성분을 제거해 주기 위하여 각 자료를 31일 이동평균 하였다. 조위 관측소 사이의 위성 자료의 연안 격자점(연안 1번째 격자점으로 Fig. 2에서 청색 사각형 격자점 (□))들은 인근의 조위 관측소 자료를 사용하여 일차원 내삽하여 계산하였다. 연안의 1번째 격자점 자료들과 4∼6번째 격자점(Fig. 2에서 청색 원형 격자점 (●)) 자료들을 사용하여 2차원 내삽하여 연안 2∼3번째 격자점(Fig. 2에서 청색 원형 격자점 (○))에서의 SLA를 계산하였다(Lee, 2010; Kim, 2019).

Fig. 2.

Grid points for the correction of the CMEMS data (▲: tidal station, □ and ○: grid points to be calibrated).

조위관측소 6개의 모든 지점에서 보정 전과 보정 후의 해수면 고도 편차 값은 다르지만 변화 경향은 유사하게 나타난다. 조위관측소 6개 지점에서 보정전과 보정후의 차이는 4.4∼5.7cm(평균 5.0cm) 이었다.

보정된 해수면 고도 편차에 CMEMS의 평균역학지형(Mean Dynamic Topography, MDT)을 더해주어 ADT를 계산하였고, 이것을 해수면 고도(Sea Surface Height, SSH)로 사용하였다. 보정된 SLA 및 SSH를 사용하여 지형류 유속을 계산하여 분석에 사용하였다.

식 (1)에서 h에 SLA 또는 SSH를 사용하여 각각에 해당하는 지형류 유속을 계산하였다.

Fig. 3은 2006년 11월 8일의 보정전과 보정후의 SLA의 등고선 곡선을 나타낸다. 보정된 SLA에서 한국 연안을 따라 북상하는 동한난류가 뚜렷하게 나타나며, 외양 쪽은 거의 변동이 없다. 연구해역에서의 보정 전 평균 유속은 17.8±0.72 cm/s, 보정 후에는 17.3±0.72 cm/s 로 평균 유속의 변화가 거의 없다.

Fig. 3.

Distributions of sea level anomaly (SLA). (A) Before and (B) after the correction.

3. 결 과

3.1 울릉 난수성 소용돌이의 정의

본 연구에서는 울릉도 및 독도 주변해역에서 동한난류의 사행으로부터 형성된 난수성 소용돌이를 연구대상으로 하는 것이 목적이다. 따라서 울릉 난수성 소용돌이의 형성 범위를 사행하는 동한난류의 흐름과 울릉분지의 해저 지형을 고려하여 한국 연안부터 동쪽으로는 오키제도 부근까지, 남북 방향으로는 대한해협 북쪽부터 동한만 남쪽까지로 정의하였다(Fig. 4, Park et al., 2013). 즉, 울릉 난수성 소용돌이는 35°N∼39°N, 129°E∼133°E의 범위(Fig. 1과 Fig. 4에서 검정색 선의 상자) 내에서 동한난류의 첫 번째 사행으로부터 형성된 소용돌이로 정의하였고, 이 범위 내에서 울릉 난수성 소용돌이의 물리적인 특성(동한난류와의 관계, 구조 변화, 수명, 생성 및 소멸 시기, 크기)을 분석하였다.

연구 대상인 울릉 난수성 소용돌이는 시계방향으로 회전하면서 중심이 위의 정의 범위 내에 존재해야 하며, 소용돌이의 중심이 위의 범위를 벗어나면 울릉 분지 기원의 소용돌이로 명명하였다. 반면 울릉 난수성 소용돌이 정의 범위의 외부에서 생성되어 들어오는 소용돌이는 연구 대상에서 제외하였다.

Fig. 4.

The ocean current map and study area of the East Sea. Black rectangle indicates the region of interest for the Ulleung Warm Eddy (modified from Park et al., 2013).

3.2 인공위성 고도계 자료를 사용한 울릉 난수성 소용돌이의 탐지

인공위성 고도계 자료(SLA, SSH)를 사용하여 소용돌이를 탐색하는 방법에는 크게 세 가지가 있다. 첫 번째 Okubo-Weiss 방법(O-W 방법)은 유속장으로부터 구한 물리적 매개변수에 의한 탐색으로 가장 오랫동안 널리 사용된 방법이다(Isern-Fontanet et al., 2003; Morrow et al., 2004; Chelton et al., 2007). 이 방법은 매개변수 “W”를 아래와 같이 정의하고, 이것을 사용하여 소용돌이를 찾는 방법이다.

식 (2)에서 $S_{sh}=\frac{\partial v}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial y}$(shearing deformation), $S_{st}=\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}$(stretching deformation), $\zeta =\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y}$(vorticity) 이다. 즉 와도로 정의되는 소용돌이의 회전성의 크기를 나타내는 척도이다. 소용돌이 내에서 매개변수 W는 음의 값이 나오며, 본 연구에서는 $\frac{1}{4}°\times \frac{{\displaystyle 1}}{{\displaystyle 4}}°$ 인공위성 고도계 자료(SLA, SSH)를 사용하여 –W가 -0.2σ(σ는 표준편차) 이하인 영역을 소용돌이로 정의하였다. 여기에서 사용하는 표준편차는 소용돌이 연구영역(Fig. 1, Fig. 4에서 35°N∼39°N, 129°E∼133°E의 범위)에서의 공간편차를 나타내며, 약 10^-10 ~ 10^-11의 범위를 나타낸다.

두 번째는 흐름의 기하학적인 형태를 통해서 소용돌이를 파악하는 방법으로 Winding Angle 방법(W-A 방법)이다 (Sadarjoen and Post, 2000). W-A 방법은 현재 가장 많이 사용되고 있는 방법 중의 하나로 유속장으로부터 유선(streamline)을 계산하거나 위성 고도계 자료(SLA 또는 SSH)의 폐곡선을 사용한다. 본 연구에서는 $\frac{1}{4}°\times \frac{{\displaystyle 1}}{{\displaystyle 4}}°$ 위성자료(SLA, SSH)의 등치선을 사용하여 폐곡선을 소용돌이로 정의하였다.

세 번째는 고도계 자료의 유속장으로부터 회전하는 유속분포를 찾아내는 방법(V-G 알고리즘)이다(Nencioli et al., 2010).

이 방법은 유속벡터의 기하학적인 형태에 의해 소용돌이를 정의하는데 본 연구에서는 $\frac{1}{32}°\times \frac{{\displaystyle 1}}{{\displaystyle 32}}°$로 보간한 고도계 자료(SLA, SSH)를 사용하였다(Lee, 2013). 즉, 소용돌이의 중심(속도가 최소)을 기준으로 양쪽으로 속도가 증가하며 방향이 서로 반대인 벡터, 소용돌이 중심 주변의 유속들 회전방향이 같은 벡터, 그리고 난수성 소용돌이는 시계방향으로 회전하는 특징을 가지고 있는 경우이다.

본 연구에서는 보다 상세히 소용돌이를 탐색하기 위해서 위의 세 가지 방법을 모두 적용하였다(Fig. 5). Fig. 5A에서 점(∙)이 있는 곳은 0.5°×0.5°범위 내에서 유속이 최소인 부분(소용돌이의 중심부분이 될 수 있는 곳), 그중에서도 울릉 난수성 소용돌이의 정의 범위내에 있는 것을 찾는다. 다음으로 V-G 알고리즘을 사용하여 최저 유속 지점을 중심으로 동-서, 남-북 양 방향의 유속이 서로 반대 방향인 것을 찾아서 적색원(∙)으로 표기하였다(Fig. 5B). 또한 Okubo-Weiss의 정의에 따라 소용돌이 영역을 나타내는 매개변수 W 값이 –0.2σ 이하인 영역만을 찾아서 V-G 방법에서 생긴 오류를 제거하였다(Fig. 5C). 마지막으로 그중에서도 상대와도가 음수인 영역(시계방향의 회전을 의미)만을 울릉 난수성 소용돌이로 선정하였다(Fig. 5D).

Fig. 5.

Search process of the Ulleung Warm Eddy (UWE) using the sea level anomaly (black curve) data in in July 4th, 2011. (A) The black dots indicate the minimum flow velocity. (B) The red dots indicate that the V-G algorithm is satisfied. (C) The blue areas indicate the area where the Okubo-Weiss parameter (W) is less than -0.2σ. (D) Red points and the blue areas indicate the only areas where the relative vorticity is negative (warm eddies).

3.3 소용돌이 탐색 및 추적 조건

본 연구에서 울릉 난수성 소용돌이 탐색 및 추적에는 SLA 및 SSH 자료를 모두 사용하였지만(Isern-Fontanet et al., 2002, 2004, 2006; Chaigneau, 2005, 2008, 2009; Chelton et al., 2007, 2011; Lee and Niiler, 2010b; Matsuoka et al., 2016), SLA 자료와 SSH 자료에서 동시에 같은 소용돌이로 인식되지 않을 경우에는 SLA 자료를 사용하여 추적하였다.

울릉 난수성 소용돌이의 이동 속도가 0.14cm/s(Lee and Niiler, 2010b), 또는 0.80cm/s(An et al., 1994)로 나타나서, 10일 동안 약 1~7km 이동하는 속도를 감안하였고, CMEMS 자료 합성에 사용된 인공위성 고도계의 최소 측정 주기인 9.9일에 가까운 10일을 울릉 난수성 소용돌이의 추적 및 탐색의 기본 간격으로 채택하였다. 다만, 일부 소용돌이의 생성과 소멸 기간에서는 상세한 분석을 위하여 1일 간격의 자료를 사용하기도 하였다.

울릉 난수성 소용돌이의 정의 범위 내에서 외부로 이동한 경우는 계속 추적하였지만, 반대로 외부에서 형성되어 내부로 들어오는 소용돌이는 연구 대상에서 제외하였다. 소용돌이 지속시간이 30일 이하인 경우와 크기(직경)가 50km 보다 작을 경우도 제외하였다. 이것은 CMEMS 자료의 격자가 0.25°×0.25°(22.5∼27.5km 격자)이고, 동해에서 경압모드의 로스비 변형반경이 약 25km이므로 그것의 2배에 해당하는 50km 이상의 큰 중규모 소용돌이만을 연구 대상으로 선정하였기 때문이다. 또한 CMEMS 자료는 약 10일 간격의 위성 자료를 사용한 복합위성 자료이므로 적어도 30일 이상 지속된 울릉 난수성 소용돌이만을 연구대상으로 선정하였다. 그 이유는 인공위성의 측정주기(9.9일, 17일, 35일) 및 4주 이상의 소용돌이만을 탐색한 Chelton et al.(2011)의 연구 결과도 참조하여 30일 미만 단기간 존속하는 소용돌이의 판별에 따른 오차를 줄이기 위함이다.

소용돌이가 사라진 후 20일 이상 다시 나타나지 않을 경우와 크기(직경)가 50km 이하로 작아진 후 다시 성장하지 않은 경우에는 울릉 난수성 소용돌이가 소멸되었다고 판단하였다. 반대로 위성 고도계 자료(SLA)에서 소용돌이가 소멸된 후 20일 이내 같은 장소(약 40km 이내)에서 다시 나타나는 경우가 25년 동안 3번 나타나는데, 이 경우에는 소용돌이가 소멸되지 않고 같은 소용돌이가 지속된 것으로 간주하였다(Chaigneau et al., 2009). 또한 두 개의 울릉 난수성 소용돌이가 합쳐진 후에는 작아진 것이 소멸한 것으로 간주하였다.

3.4 울릉 난수성 소용돌이의 발생 시기, 빈도 및 수명

앞에서 분석한 소용돌이의 탐색 및 추적 기법을 사용하여 울릉도·독도 주변의 연구해역에서 울릉 난수성 소용돌이의 발생 시기, 빈도 및 수명에 대한 통계를 정량적으로 산출하였다. 1993년부터 2017년까지 25년 동안 62개의 울릉 난수성 소용돌이가 생성되어서, 매년 2~3개(연평균 2.5개)의 소용돌이가 발생하는 양상이다. 연도별로는 1998년에 5개로 가장 많았고, 2011년에 4개로 두 번째로 많이 생성되었다. 1996년, 2001년, 2017년에는 1개만 생성되었다(Fig. 6).

Fig. 6.

The number of generations of the UWEs at each year from 1993 to 2017.

울릉 난수성 소용돌이의 생성 시기를 계절별로 분석하면, 1993년부터 25년 동안 봄(3~5월), 가을(9~11월), 겨울철(11~2월)에 각각 17개씩으로 같았고, 여름(6~8월)에 11개로 가장 적게 생성되었다(Fig. 7A).

울릉도·독도 주변 해역에서 소용돌이가 소멸되는 시기는 여름에 19개로 가장 많았다(Fig. 7B). 특히 8월에 9개로 가장 많았다. 8월은 울릉 난수성 소용돌이가 적게 생성(2개)되고, 소멸은 많은 시기라고 볼 수 있다. 다음으로 겨울과 가을에 각각 16개, 15개씩 소멸되고, 봄에 12개로 가장 적게 소멸되었다. 즉, 울릉 난수성 소용돌이의 생성과 소멸은 계절에 따른 차이가 적다고 사료된다.

Fig. 7.

The number of monthly (A) generations and (B) extinctions of the UWEs.

울릉 난수성 소용돌이의 평균 수명은 259일(약 8.6개월)이지만, 최소 30일부터 최대 4년 이하로 다양한 분포를 나타낸다(Fig. 8). 소용돌이의 수명은 크게 3개의 그룹으로 분류할 수 있다. 30일부터 100일 이내의 단기 수명 그룹이 20개, 100일부터 약 1년 이내의 중기 수명 그룹이 27개, 약 1년(350일)부터 4년 이내의 장기 수명 그룹 15개로 분류된다. 단기 수명 그룹 20개중에서는 50∼100일 이내의 수명이 11개로 가장 많았고, 장기 수명 그룹 중에서는 1∼2년의 수명이 11개로 가장 많았다.

Fig. 8.

The lifespan of the UWEs.

3.5 동한난류와 울릉 난수성 소용돌이와의 관계에 따른 분류

일본 동쪽의 쿠로시오 해역과 오야시오 해역의 중간해역에서는 난수성 소용돌이가 쿠로시오해류의 사행으로부터 분리되어 형성된 후 주로 서쪽으로 이동하는 것으로 알려져 있다(Tomosada, 1986; Shin et al., 1992; Yasuda et al., 1992). 난수성 소용돌이는 이동하는 과정에서 쿠로시오 해류와는 분리되어 있는 경우도 많지만 다시 쿠로시오 해류와 접속하기도 한다. 동해 울릉도 주변 해역에서의 동한난류와 울릉 난수성 소용돌이의 상호작용 관계는 일본 동쪽의 넓은 북서태평양 쿠로시오 해역에서의 쿠로시오 해류와 난수성 소용돌이와의 상호작용 관계와는 다를 것으로 사료된다.

Katoh(1994)는 선박 관측 자료(수온 및 유속 자료)를 이용하여 울릉 난수성 소용돌이와 동한난류의 관계를 5가지 유형으로 분류하였고, 그중에서 동한난류가 울릉 난수성 소용돌이를 감싸고 있는 형태가 3개였다. Lee and Niiler(2010a)는 대마난류(Tsushima Warm Current, TWC)의 유입량과 와도에 따라 동한난류와 울릉 난수성 소용돌이의 관계를 3가지 유형으로 분류하였다.

본 연구에서는 1993년부터 2017년까지 총 300개의 위성 고도계 월평균 자료를 사용하여 동한난류와 울릉 난수성 소용돌이의 위치 관계를 분석하여 4개의 형태로 분류하였다(Fig. 9). 첫 번째(Type I)는 동한난류가 울릉분지 주변에서 크게 사행하면서 소용돌이 삼면(동쪽과 서쪽 그리고 북쪽)을 감싸고 있는 양상으로 전체의 약 59.7%(179개)로 가장 많이 나타나며(Fig. 9A), Lee and Niiler(2010a)의 “울릉 난수성 소용돌이 패턴”과 유사하다. 두 번째(Type II)는 울릉 난수성 소용돌이의 일부분이 동한난류와 붙어있는 상태로 동한난류의 주류가 소용돌이의 북쪽 부분을 감싸면서 작게 사행하는 형태이다(Fig. 9B). 이 형태는 전체의 약 21.3%(64개)를 차지하며, Lee and Niiler(2010a)의 “관성경계류 패턴”과 유사하다. 동한난류가 울릉 난수성 소용돌이를 둘러싸거나 붙어있는 형태인 첫 번째(Type I)와 두 번째(Type II)를 하나로 합치면 약 81%가 된다. 이와 같이 서로 붙어있는 상태에서 소용돌이는 동한난류로부터 운동에너지 및 고온·고염의 해수를 공급 받는 것으로 사료된다. 또한 동한난류가 사행하면서 울릉 난수성 소용돌이 1개만 포함하고 있는 경우도 있지만, 2개 또는 3개씩 붙어 있으면서 복잡한 형태를 나타내는 경우도 많다.

세 번째(Type III)는 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류의 북쪽에 위치하면서 고온·고염의 동한난류 해수 일부(warm streamer)를 공급받고 있는 형태이다. 이 형태는 주로 봄철에 AVHRR (Advanced very-high-resolution radiometer)의 표층 수온(SST)에서 반지(ring) 모양으로 나타나며, 전체의 12%(36개)를 차지한다(Fig. 9C). 이 과정에서도 울릉 난수성 소용돌이는 동한난류로 부터 고온·고염의 해수 및 운동에너지를 공급받는 것으로 사료된다.

마지막으로는 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류(또는 대마난류) 보다 북쪽에 위치하면서 독립적으로 존재하는 양상(Type IV)으로 전체의 7%(21개)를 차지한다(Fig. 9D). Type III와 Type IV에서는 동한난류의 북상이 약하거나 뚜렷하지 않고 울릉 난수성 소용돌이의 남쪽에 대마난류 외해지류(Offshore Branch of TWC) 또는 대마난류 일본연안지류(Nearshore Branch of TWC)가 나타나는 경우도 있다.

Fig. 9.

Four types of the UWE pattern according to distributions of the East Korean Warm Current (EKWC). (A) Type Ⅰ (enclosed pattern by the EKWC), (B) Type Ⅱ (coupled pattern by the EKWC), (C) Type Ⅲ (warm streamer pattern) and (D) Type Ⅳ (independent pattern). The black and white arrows represent the mainstream of the EKWC (or the Tshshima Warm Current) and the UWE, respectively. The current vector shows the velocity field computed from the SSH during 1993-2017.

3.6 울릉 난수성 소용돌이의 수직 구조의 계절변화

울릉 난수성 소용돌이의 수직 구조의 계절변화 과정을 CTD 자료의 수온과 염분의 해수특성 변화 및 수직 구조 변화를 통해서 분석하였다. 울릉 난수성 소용돌이는 동한난류의 사행으로부터 형성되고(Arruda et al., 2004), 형성 직후에는 소용돌이 내부 대부분의 해수가 대마난류수의 고온, 고염분수로 구성된다(Fig. 10). Fig. 10은 2007년 1월 하순에 형성된 울릉 난수성 소용돌이를 6월부터 10월까지 2달 간격으로 관측된 수온과 염분의 수직 단면도이다. 수온 단면도에서 표층부터 수온약층 하부 사이에 두꺼운 균질층이 없는 성층구조가 발달되어 있으며, 염분 단면도에서는 수심 50∼150m 사이에 34.5psu 이상의 고염분수가 존재하며, 이는 소용돌이가 형성된 해(年)의 내부 구조 특징이다(Fig. 10A, B와 C, D). 가을철에는 대기로부터의 냉각과 바람의 작용으로 표층부터 혼합이 시작되어 10월 이후에는 표층 20∼30m 이내에 혼합층이 형성된다 (Fig. 10E와 F).

Fig. 10.

Seasonal changes of the UWE’s temperature (upper pannel) and salinity (lower pannel) vertical structure formed in January 2007.

울릉 난수성 소용돌이가 수명이 긴 경우에는 월동(越冬)을 한다(Shin et al., 1995; 2005). Fig. 11은 2015년 2월, 4월, 8월, 10월 울릉 난수성 소용돌이의 수온과 염분 수직단면도이며, 2015년 2월(Fig. 11A와 B)의 경우 수직 혼합이 활발한 소용돌이의 월동 상태를 잘 보여주고 있다. 해당 울릉 난수성 소용돌이는 2014년 7월 초순에 형성된 것으로 SLA 및 SSH 자료에서 판별되었고, 겨울철(12∼2월)에 월동하는 과정에서 대기로부터의 냉각과 강한 바람의 작용으로 표층부터 수심 약 200∼300m 사이에 혼합층(울릉도 주변 해역에서는 약 10℃, 34.2psu의 균질층)이 형성된다(Fig. 11A와 B). 3월 하순이나 4월부터는 동한난류 또는 대마난류로부터 공급되는 고온·고염의 해수가 소용돌이의 가장자리로 들어온다(Fig. 11C와 D). 이후 봄부터 여름까지 대기로부터의 가열에 의해 표층부터 수심 약 100m 사이에 성층구조(계절수온약층 구조)가 만들어지고, 고염분의 해수는 소용돌이의 중심 쪽으로 이동한다(Fig. 11E와 F). 또한 겨울에 형성된 약 10℃, 34.2psu의(볼록렌즈 모양의) 균질층이 없어지지 않고 수심 50∼200m 사이에 남아있는 구조가 만들어지며, 이런 구조 때문에 intrathemocline eddy라고 불려 지기도 한다. 10월 이후에는 표층에서 여름에 형성된 고온·저염의 해수가 혼합되어 새로운 혼합층이 만들어지기 시작하여 겨울로 갈수록 점점 깊어진다(Fig. 11G와 H).

Fig. 11.

Seasonal changes of the UWE’s temperature (upper pannel) and salinity (lower pannel) vertical structure in 2015.

3.7 울릉 난수성 소용돌이의 크기

3.7.1 크기 계산 방법 및 크기 비교

소용돌이의 크기를 산정하는 방법에는 여러 가지가 있다. 인공위성 고도계 자료 및 인공위성 추적 표층부이(ARGOS 부이)를 사용하거나 선박 관측에 의한 CTD 자료를 사용한다. 수온과 염분 자료를 사용한 An et al.(1994)은 울릉 난수성 소용돌이의 크기로 약 132km, 인공위성 고도계 자료를 사용한 Lee and Niiler(2010b)는 97×63km로 제시하였다. 본 연구에서는 인공위성 고도계 자료 및 CTD 자료를 사용하여 울릉 난수성 소용돌이의 크기를 산정하여 서로 비교하였다. 울릉 난수성 소용돌이는 동한난류와 접해 있는 경우(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)가 많기 때문에 동한난류와 분리해서 크기를 산정하기 어렵다. 따라서 소용돌이의 크기를 산정하는 경우에는 인공위성 고도계 자료(SSH)를 사용하였다.

SSH를 사용하여 소용돌이의 크기를 산정하는 방법에는 앞에서 설명한 바와 같이 Okubo-Weiss (O-W) 방법, Winding Angle (W-A) 방법 그리고 Vector Geometry (V-G) 방법이 있다. O-W 방법에서는 식 (2)의 매개변수 W=0 (Isern-Fontanet et al., 2004) 또는 W=0.2σ(Isern-Fontanet et al., 2006) 가 되는 곳을 소용돌이의 경계로 추정하여 크기를 산출하는데, 울릉 난수성 소용돌이 연구영역에서는 둘 다 거의 같은 수치를 나타낸다. 따라서 W=0이 되는 곳을 소용돌이의 경계로 하여 크기를 산출하였다. 또한 W-A 방법에서는 SSH 폐곡선 중 가장 바깥쪽에 위치한 등고선을 소용돌이의 경계로 하고(Chaigneau et al., 2009), V-G 방법에서는 동서남북 네 방향으로 판단 할 경우 네 방향 중에서 중심으로부터 가장 가깝게 최대속도가 나타나는 등고선을 소용돌이의 경계로 하여 크기를 산출하였다(Nencioli et al., 2010).

CTD 관측 자료에서는 수온 수직단면도에서 수온약층의 등온선이 소용돌이 양쪽 가장자리의 표층부근에서 꺾이는 부분을 경계로 산정하거나, 수심 200m에서의 가장 바깥쪽 등온선을 울릉 난수성 소용돌이의 경계로 하는 방법도 있다(An et al., 1994; Shin et al., 2005). 또는 수심 100m에서의 10℃ 등온선을 경계로 산정하기도 하는데, 수심 100m에서 10℃ 등온선은 소용돌이의 유속이 가장 빠른 위치와도 대략 일치한다.

Fig. 12는 2013년 2월 26일의 SSH(적색곡선) 등고선으로, 한국 연안에서 해안선과 거의 평행한 등고선은 동한난류, 37°N 부근에서 동심원 모양의 폐곡선이 울릉 난수성 소용돌이를 나타낸다. 옅은 파란색 영역은 O-W 방법으로 정의한 소용돌이의 범위를, 소용돌이의 중심을 지나는 국립수산과학원 104 라인(푸른 실선)에서의 화살표는 SSH를 사용하여 계산한 지형류의 표층 유속 분포이다. 이 자료들을 바탕으로 소용돌이의 동서방향 크기를 산정하여 104 라인의 수온단면과 비교하였다(Fig. 13).

Fig. 12.

SSH contour (red) representing the EKWC and the UWE in February 26th, 2013. The concentric circular closed curve of the SSH contour indicates the UWE, the black arrows along the line 104 through the center of the UWE in the vicinity of 37 ° N are the geostrophic velocity vectors. The light blue region shows the area with the Okubo-Weiss parameter W <0 (eddy range).

SSH 자료를 바탕으로 O-W 방법에서 W값의 크기가 0보다 작은 값의 범위를 Fig. 13A에서 푸른색 세로선으로 나타내고 수온 수직단면도(Fig. 13B)에 연결하였다. O-W 방법으로 정한 동서방향의 크기(Fig. 13A에서 O-W로 표기)는 119km 이었다. 소용돌이의 가장 외곽쪽 SSH 폐곡선(W-A 방법)의 고도(59㎝)를 Fig. 13A에 적색 파선으로 나타내고, 그것보다 큰 범위를 적색 세로선으로 나타내어 수온 수직단면도(Fig. 13B)에 연결하였다. 소용돌이의 외곽 SSH 폐곡선으로 산출한 소용돌이의 크기(W-A로 표기)는 113km 이었다. 또한 소용돌이의 가장자리에서 V-G 방법과 유사하게 남북방향 표층 지형류 유속이 최대가 되는 지점(녹색선)을 소용돌이의 경계로 정의하고(Fig. 13A와 13B에서 녹색 세로선), 이 방법으로 정한 소용돌이의 동서방향 크기는 133km(Fig. 13A에서 Velocity로 표기) 이다.

CTD 자료의 수온단면도에서는 소용돌이의 수온약층 등온선이 표층부근에서 꺾이는 범위(Fig. 13C와 13D에서 검은색의 세로방향 실선) 사이를 소용돌이의 동서방향 크기로 산출할 경우에는 210km(Fig. 13C에서 CTD로 표기)가 된다. 단, 수온단면도에서 소용돌이의 서쪽 경계가 육지 때문에 명확하지 않은 경우에는 해안선을 서쪽 경계로 가정하였다. 수온단면도에서는 울릉 난수성 소용돌이와 동한난류 또는 울릉 난수성 소용돌이와 냉수성 소용돌이와의 경계가 명확하지 않기 때문에 이 방법은 울릉 난수성 소용돌이의 크기를 과장하여 산출할 수도 있다. 수심 100m에서 소용돌이를 중심으로 10℃ 등온선의 폐곡선 사이 동서방향 거리를 소용돌이의 크기(Fig. 13C에서 100m 10℃)로 산정할 때는 136km(Fig. 13C와 13D)이다. 또한 수심 200m에서 소용돌이를 중심으로 가장 바깥쪽 등온선의 폐곡선 사이의 동서방향 거리를 소용돌이의 크기(Fig. 13C에서 200m T로 표기)로 산정할 때는 171km가 된다.

Fig. 13.

Comparison of the size of the UWE calculated from SSH (A) and temperature vertical section (B and D) at line 104 in February 2013. (A and B) The blue line shows the Okubo-Weiss method (O-W), the red solid line shows the Winding Angle method (W-A), and the green solid line shows the geostrophic velocity method of Vector Geometry algorithm (velocity). (C and D) Methods to estimate the UWE size by using the isotherm of the thermocline (CTD), 10℃ isotherm at 100m depth (100m 10℃) and outermost isotherm at 200m depth (200m T) in water temperature vertical section are shown.

3.7.2 울릉 난수성 소용돌이의 크기

위 방법들을 사용하여 울릉 난수성 소용돌이의 유형별로 크기를 산정하였다. 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류와 연결되어 있는 형태(Type Ⅰ 또는 Type Ⅱ)에서 10개의 소용돌이를 선정하고(Type Ⅰ+Ⅱ), 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류와 일부 연결되어 있거나 분리되어 있는 Type Ⅲ와 Type Ⅳ 형태에서도 각각 10개씩 선정하여 방법에 따른 동서방향의 크기를 평균하여 비교하였다(Table 1). 울릉 난수성 소용돌이의 크기는 산정하는 방법에 따라 약간씩의 차이는 있지만, 전체 울릉 난수성 소용돌이의 81%를 차지하는 Type Ⅰ+Ⅱ의 형태에서는 최대 유속 지점을 소용돌이의 경계로 산정하는 방법(V-G 방법과 유사하며, Fig. 13A에서 Velocity 표기)으로 정한 동서방향의 크기(113km)가 수온 수직단면도의 수심 100m와 200m에서 각각 10℃ 및 외곽 등온선으로 산정한 폐곡선의 크기(각각 114km, 138km)와 가장 유사하다. 등온선의 수직단면 구조에서 수온약층 등온선이 표층부근에서 꺾이는 지점을 소용돌이의 경계로 산정한 크기가 198km로 가장 큰 크기를 나타낸다. W-A 방법에서 SSH 폐곡선의 크기로 산정한 소용돌이의 동서방향 크기는 83km로 다른 방법에 비해 가장 작게 나타났다.

Table 1. The average size of the UWEs calculated from altimetric data (SSH) and vertical section of water temperature by type

전체 울릉 난수성 소용돌이의 약 12%를 차지한 Type Ⅲ에서는 O-W 방법으로 산정한 동서방향 크기가 92km, SSH의 외곽 폐곡선으로 정한 크기는 103km, 최대 유속을 경계로 정한 크기가 103km를 나타낸다. 그중에서도 최대 유속 및 외곽 폐곡선을 경계로 정한 103km가 수온단면도의 수심 100m와 200m에서 각각 10℃ 및 외곽 등온선으로 산정한 동서방향 크기(99∼119km)와 가장 유사하다. 울릉 난수성 소용돌이의 약 7%를 차지한 Type Ⅳ 형태에서는 SSH의 폐곡선으로 정한 동서방향 크기(120km)가 수온단면도의 수심 100m와 200m에서 각각 10℃ 및 외곽 등온선을 기준으로 산정한 크기(119∼149km)와 비슷하다. O-W 방법으로 산정한 크기는 101km로 가장 작게 나타났다. 울릉 난수성 소용돌이의 모든 유형에서 등온선의 수직단면 구조에서 수온약층의 구조로 산정한 동서방향 크기(176∼203km)가 가장 크게 나타난다.

울릉 난수성 소용돌이의 크기는 유형별로 약간씩 차이는 있지만, 전체 울릉 난수성 소용돌이의 약 93%를 차지하는 TypeⅠ+Ⅱ+Ⅲ의 형태에서는 최대 유속을 소용돌이의 경계로 산정한 동서방향의 크기가 CTD 자료의 수온단면에서 수심 100m와 200m에서 각각 10℃ 및 외곽 등온선으로 산정한 크기와 가장 유사하다(Table 1). 다음으로는 울릉 난수성 소용돌이의 많은 양을 차지하는 TypeⅠ에서 O-W 방법으로 산정한 소용돌이의 동서방향 크기가 CTD 자료의 수심 100m와 200m에서 각각 10℃ 및 외곽 등온선으로 산정한 크기와 유사하다. 따라서 최대 유속을 소용돌이의 경계로 산정하는 V-G 방법과 O-W 방법(W=0이 되는 곳을 소용돌이의 경계)을 사용하여 25년 동안의 전체 울릉 난수성 소용돌이에 대하여 동서방향과 남북방향의 거리를 정량적으로 산출하였다.

1993년부터 2017년까지 약 25년 동안 울릉 난수성 소용돌이의 동서, 남북방향의 평균 크기는 최대 유속 방법(V-G 방법)으로 산출하면 각각 97km, 109km이며, 발생 빈도수는 동서, 남북방향 모두 90∼100km의 크기를 갖는 소용돌이가 가장 많다(Fig. 14). O-W 방법으로 산출한 평균 크기는 각각 89km, 94km이며, 발생 빈도수는 동서, 남북방향 모두 80∼90km의 크기를 갖는 소용돌이가 가장 많다(Fig. 15). 또한 소용돌이의 크기는 일정하지 않고 시간에 따라 계속 변화한다. 한 예로, 2014년 7월에 형성된 울릉 난수성 소용돌이를 약 3년간 추적하였으며, 이때 소용돌이의 동서방향과 남북방향의 크기(직경)가 50∼200km 사이에서 끊임없이 변화하였다(Fig. 16).

Fig. 14.

The average size of the UWEs calculated by maximum velocity method in (A) the east-west direction and (B) the north-south direction.

Fig. 15.

The average size of the UWEs calculated by O-W method in (A) the east-west direction and (B) the north-south direction.

Fig. 16.

Size changes in the east-west direction and the north-south direction of the UWE generated in July 2014.

4. 결론 및 토의

울릉 난수성 소용돌이를 동한난류와의 위치에 따라 3가지 유형으로 단순화하여 모식도로 나타내었다(Fig. 17). 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류와 연결되어 있는 Type Ⅰ과 Ⅱ를 합쳐서 제 1유형(coupled pattern)으로 단순화한 양상은 전체의 81%를 차지한다(Fig. 17A). 제 2유형(warm streamer pattern)은 고온·고염의 동한난류 해수가 warm streamer 형태로 소용돌이와 연결되어 있는 양상으로 전체의 약 12%를 차지한다(Fig. 17B). 제 3유형(independent pattern)은 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류와 분리되어 있는 양상으로 전체의 7%를 차지한다(Fig. 17C). 울릉 난수성 소용돌이는 동한난류와 접속되어 있는 제 1유형과 2유형의 상태에서 동한난류로부터 고온·고염의 해수 및 운동에너지를 공급받는 것으로 사료된다. 다만 각각의 유형들이 울릉도 주변 해역에서 단독으로 나타나기 보다는 2∼3개의 소용돌이가 함께 나타나는 경우가 많다. 즉, 제 1유형으로 2개의 소용돌이가 동시에 나타나거나, 제 1유형과 2유형의 소용돌이가 동시에(Fig. 18A), 또는 제 1유형과 3유형이 동시에(Fig. 18B) 나타나는 경우도 많다. 여러 유형의 소용돌이가 공존하는 것은 동한난류의 복잡한 사행과 다양한 형태의 소용돌이들이 생성과 병합 및 이동을 반복하면서 복잡하게 혼재하기 때문으로 보이며, 상세한 것은 추후의 연구가 필요할 것이다.

울릉 난수성 소용돌이 수직구조의 발달과정을 요약하여 모식도로 나타내었다(Fig. 19). 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류로부터 형성된 해(봄~가을철)의 수온과 염분의 수직구조를 각각 Fig. 19A에 나타내었다. 소용돌이의 수명이 길어서 월동을 하는 경우에는 겨울철의 표층 혼합층(균질층) 특성이 수심 약 250m까지 깊게 나타나는 수온·염분 구조(Fig. 19B)로 변화하고, 봄철에 대마난류로부터 고온·고염의 해수가 공급되는 구조(Fig. 19C)가 소용돌이의 가장자리에 형성된다. 여름철에는 소용돌이의 약 100m 이내 상층에는 성층구조, 하층에는 겨울철에 만들어진 균질층이 존재하는 구조(Fig. 19D)로, 그리고 가을철에는 표층 혼합층이 나타나는 구조(Fig. 19E)로 바뀐다. 울릉 난수성 소용돌이의 수명이 1년 이상으로 긴 경우에는 2번 이상 월동을 하는 경우도 있고(Shin et al., 2005), 그 경우에는 수온과 염분 내부 구조의 계절변화가 반복(Fig. 19E→19B)된다.

Fig. 17.

Schematics of three UWE patterns according to distributions of the EKWC. (A) Coupled pattern, (B) warm streamer pattern, (C) independent pattern. The black arrows indicate the mainstream of the EKWC and Tshshima Warm Current, and the red arrow represents the UWE.

Fig. 18.

Ulleung Warm Eddy patters. (A) Coupled (W1) and Warm Streamer (W2) patterns in May 21th, 2010, and (B) Coupled (W3) and Independent (W4) patterns in July 25th, 2011.

Fig. 19.

Schematic illustration of seasonal change of the UWE’s temperature (T) and salinity (S) vertical structure.

1993년부터 2017년까지 25년 동안 62개의 울릉 난수성 소용돌이가 생성되어서 평균적으로 매년 약 2.5개의 소용돌이가 발생하였다. 계절별로는 봄, 가을, 겨울철에 17개씩으로 많이 생성되고, 여름철에 11개로 가장 적게 생성되었다. 반면 울릉 난수성 소용돌이의 소멸은 여름철에 19개로 가장 많았고, 봄철에 12개로 가장 적었다.

울릉 난수성 소용돌이의 평균 수명은 259일(약 8.6개월)이지만, 최소 30일부터 최대 4년 이내로 다양한 분포를 나타낸다. 100일 이내의 단기 수명 그룹(20개) 중에서는 50∼100일 이내의 수명이 가장 많았고(11개), 약 1년 이상 장기 수명 그룹(15개) 중에서는 1∼2년의 수명이 가장 많았다(11개). 본 연구에서 나타난 울릉 난수성 소용돌이의 수명(259일)은 Lee and Niiler(2010b)의 171일(약 5.7개월) 보다 88일 길다. 이러한 차이는 소용돌이 탐지 방법의 차이, 소용돌이의 크기, 생성, 소멸 및 이동에 대한 추적 조건 및 탐지 영역의 차이에 크게 기인한다고 사료된다.

전체 울릉 난수성 소용돌이의 약 93%를 차지하는 제 1유형과 2유형에서 최대 유속을 소용돌이의 경계(V-G 방법)로 산정한 동서방향의 크기가 CTD 자료의 수온단면에서 수심 100m와 200m에서 각각 10℃ 및 외곽 등온선으로 산정한 크기와 가장 유사하다. 특히 제 1유형(전체의 81%)에서는 인공위성 고도계 자료(SSH)를 최대 유속을 소용돌이의 경계로 산정한 동서방향의 크기(113km)가 CTD 자료 수온 단면도의 수심 100m와 200m에서 등온선으로 산정한 폐곡선의 크기(각각 114km, 139km)와 가장 비슷하다. 최대 유속을 소용돌이의 경계로 산정한 크기가 CTD 수온 자료를 사용한 경우보다 약 1~25km 작게 산정된다. 울릉 난수성 소용돌이의 크기는 일정하지 않고 계속 변하지만, 1993년부터 2017년까지 약 25년 동안 울릉 난수성 소용돌이의 평균 크기는 동서방향으로 약 97km, 남북방향으로 약 109km이다.