1. 서 론
동해는 북서태평양에 위치한 평균 수심 약 1,700 m의 반 폐쇄성 해역으로, 비교적 수심이 얕고 폭이 좁은 해협들(대한 해협, 쓰가루 해협, 소야 해협, 타타르 해협)을 통해 외부와 연결되어 있다(Fig. 1) (박 등, 2013). 해저 지형은 최대 수심이 2,000 m이상으로 깊은 3개의 분지들(울릉 분지, 야마토 분지, 일본 분지)과 수심이 300 m이하로 얕은 야마토 융기부로 구성된다. 고온고염의 해수를 수송하는 쿠로시오 해류의 지류인 대마난류는 대한해협을 통해 동해로 유입 후 쓰가루 해협과 쏘야 해협을 통해 북태평양으로 유출하며, 일부는 동해 내부에서 재순환한다(Chang et al., 2016). 대한해협을 통해 동해로 유입된 대마난류수는 한반도 동해안을 따라 북상하는 동한난류(East Korea Warm Current, EKWC), 일본 연안을 따라 흐르는 일본 연안 분지류, 동한난류와 일본 연안 분지 사이에서 사행하는 외해 분지류의 3개로 나뉘어 수송된다(Chang et al., 2016). 동해 북부의 러시아 연안과 북한 연안을 따라 남하하는 리만한류와 북한한류는 저온저염수를 남쪽으로 수송하며, 한반도 동해안을 따라 북상한 동한난류는 37-38°N 부근에서 이안하여 동쪽으로 우회하며 39°N 부근에서 아극전선(subpolar front)을 형성하고, 종종 울릉도 부근에서 사행하면서 울릉 난수성 소용돌이(Ulleung Warm Eddy, UWE)를 형성한다(Chang et al., 2016).
동해는 전 세계적으로도 중규모 소용돌이가 활발한 연해 중의 하나로 알려져 왔으며(Isoda, 1994; Morimoto et al., 2000), 특히 아극전선 남부에서는 소용돌이 운동 에너지(Eddy Kinetic Energy, EKE)가 400-800 cm2/s2으로 북부에 비해 매우 높아(Lee and Niiler, 2005), 중규모 변동성의 큰 공간적 차이를 보이는데, 이러한 차이는 중규모 소용돌이 및 해류의 사행으로부터 기인하는 것으로 알려져 있다(Ichiye and Takano, 1988). 중규모 소용돌이는 평균 해류의 순환 및 수괴 분포에 영향을 미칠 뿐만 아니라(Toba et al., 1984; Morimoto et al., 2000; Mitchell et al., 2005), 내부파와 수중 음전달 환경, 나아가 생태계에도 시사하는 바가 크다(김 등, 2012; Park and Watts, 2005; Nam and Park, 2008; Lim et al., 2012). 동해 남부에서 중규모 소용돌이는 동한난류 및 연안 분지류의 경로와 강도를 변화시키며(Mitchell et al., 2005; Lee and Niiler, 2010), 동해 중층수의 특성과 분포(Kim et al., 2004; Nam et al., 2016)에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 반일주기 내부조석파(semidiurnal internal tides)의 굴절(Park and Watts, 2006; Nam and Park, 2008), 근관성주기 내부파(near-inertial waves)의 에너지 분포와 전달(Park and Watts, 2005; Byun et al., 2010), 수중 음파 전달(김 등, 2012)에도 지대한 영향을 미치기 때문에 그 동안 다양한 연구가 진행되어 왔다. 난수성 소용돌이의 가장자리에서 일차생산력이 높게 나타나거나(Lim et al., 2012), 중규모 소용돌이와 해상풍의 상호작용으로 높은 일차생산력이 나타나는 과정에 대한 연구(Hong et al., 2013)는 중규모 소용돌이가 생태계에 미치는 영향에 대해서도 시사하는 바가 크다.
이처럼 다양한 측면에서 중요하게 고려되고 있는 동해 중규모 소용돌이의 특성은 그 동안 현장 관측 자료, 표층 뜰개 자료, 인공위성 원격탐사 자료를 사용하여 주로 동해 남부에서 발견된 개별 소용돌이들 위주로 조사 되었으며, 그 결과는 생성 위치, 분석 자료, 분석 방법 등에 따라 일관되거나 다소 차이가 있다. 1992-1995년에 수집된 현장 관측 자료를 분석하여 최대 반경이 75-85 km, 최대 수심 영향 범위가 310 m에 이르고, 울릉분지 내에서 한반도 연안을 따라 0.8 cm/s의 속도로 북서진하다가 아극전선 부근에 이르러 북동진 및 동진하는 특성을 보이는 UWE가 조사된 바 있는데(Shin et al., 2005), Morimoto et al. (2000)에서도 동해 전역의 인공위성 고도계 해표면 고도 편차 자료를 분석하여 울릉분지 북부 소용돌이의 북진 특성이 확인되었다. 그러나 한반도 북동부 외해에 위치한 소용돌이는 3-5개월 동안 지속되며 특정 방향으로 거의 이동하지 않는 특성을 보였으며(Morimoto et al., 2000), 울릉분지 남부에 위치하는 소용돌이는 1.8 cm/s의 속도로 동진하는 특성을 보였고(Morimoto et al., 2000), 표층 뜰개 자료를 분석한 연구에서는 0.14 cm/s의 속도로 남서진하는 UWE의 특성이 제시되기도 하였다(Lee and Niiler, 2010). 독도 남쪽에 위치하는 독 냉수성 소용돌이(Dok Cold Eddy, DCE)의 규모(평균 반경: 60 km)와 이동 특성(1-6개월 동안 남서진하다 6-8 cm/s의 속도로 서진하며 동한난류에 흡수)은 1999-2001년에 울릉분지에서 수집된 해저면 압력과 음전달시간 시계열 관측 자료를 분석하여 파악된 바 있는데(Michell et al., 2005), Lee and Niiler(2010)에서는 인공위성 고도계 자료를 분석하여 총 99일의 수명을 가지며, 특정 방향으로 거의 이동하지 않는 DCE의 평균 특성을 제시하였다. 또, 야마토 분지에서는 1985-1992년 사이의 선박 관측 자료에 기반하여, 오키 섬과 노토 반도 사이에서 생성된 난수성 소용돌이들이 평균적으로 동진하면서 서로 충돌과 분리를 반복하고, 특히 노토 반도 부근에서 생성된 난수성 소용돌이들은 약 1년에 걸쳐 0.5-2.0 cm/s의 속도로 동진하는 특성이 조사된 바 있다(Isoda, 1994). 인공위성 고도계 자료의 분석을 통해 Morimoto et al.(2000)는 야마토 분지 소용돌이가 약 9개월 지속되며, 1 cm/s의 속도로 남서진하는 특성을 발견하였다.
그럼에도 불구하고 기존의 동해 중규모 소용돌이 연구는 동해 내 일부 해역만을 그 대상으로 하거나, 주로 현장 관측에 기반한 단기간의 개별 소용돌이 사례 위주로 진행되어 온 분명한 한계를 가진다. 본 연구에서는 1993년부터 2017년까지 약 25년에 걸친 장기간의 인공위성 고도계 자료와 2015-2017년 기간 중 총 4회의 승선조사를 통해 수집한 현장 관측 자료를 분석하여, 동해 전역에서 식별 가능한 모든 중규모 소용돌이들의 장기간 통계적 특성을 규명하고자 하였다. 다음 장에서는 연구에 사용된 자료와 중규모 소용돌이의 탐지, 추적, 분류 방법, 그리고 소용돌이 특성의 정량화 방법을 설명한다. 3장에서는 인공위성 고도계 자료 기반으로 탐지‧추적 및 정의된 동일 UWE 그룹 4개 사례의 소용돌이들에 대해 현장 관측 자료로부터 비교·검증하며, 정량화 된 전체 평균 및 그룹별 평균 특성을 결과로서 제시한다. 제시된 동해 중규모 소용돌이의 통계적 특성은 대양에서 발견되는 중규모 소용돌이 특성과의 비교 및 동해 내 그룹별로 상이한 중규모 소용돌이의 특성을 중심으로 4장에서 토의하며, 마지막으로 5장에서는 내용을 요약하고 향후 연구 방향을 제시한다.
Fig. 1.
Schematics on near-surface circulation superimposed with bottom topography in the East Sea (Park et al., 2013). Here, rectangles, triangles, pentagrams and circles denote CTD stations for cruises conducted in Jun. 2015, Nov. 2015, Apr. 2016 and May 2017, respectively. The red and blue arrows represent the schematic paths of the warm and cold currents. The abbreviations are JB: Japan Basin, SPF: Subpolar Front, YR: Yamato Rise, YB: Yamato Basin, UB: Ulleung Basing (UB), UI: Ulleung Island (UI), and DI: Dok Island.
2. 자료 및 방법
2.1 자료
본 연구에서는 Copernicus Marine and Environment Monitoring Service (CMEMS)에서 제공하는 1993년부터 2017년 6월까지의 격자화 된 절대 역학 고도(Absolute Dynamic Topography, ADT) 해수면 자료 및 해수면 고도 편차(Sea Level Anomaly, SLA) 자료를 사용하였다. 사용된 ADT 및 SLA 격자 자료는 가용한 인공위성 궤도 자료(Topex-Poseidon, Jason-1, Jason-2, Jason-3, Sentinel-3A, ERS-1, ERS-2, Envisat, Geosat, Cryosat, SARAL/AltiKA, HY-2A)를 합성한 것이며, ADT는 1993년부터 2012년 기간의 20년 평균으로 계산한 평균 역학 고도(Mean Dynamic Topography, MDT)를 SLA에 더한 자료이다. 준실시간으로 처리되는 자료와 달리 궤도 오차 보정, 전리층 보정, 대기압 및 조석 보정이 완료된 6개월 지연 시간 자료를 사용하였으며, 자료의 시간 간격은 1일, 공간 격자 크기는 데카르트 좌표 상에서 1/4° 이다.
본 연구에서 사용한 SBE-9 plus 전기전도도‧수온‧수심(Conductivity Temperature Depth, CTD) 자료는 동해 남서부 울릉분지 해역에서 4회(2015년 6월, 2015년 11월, 2016년 4월, 2017년 5월)의 승선 조사 현장 관측을 통해 해당 기간의 UWE 중심 부근(관측선과 중심 위치가 약 50 km 떨어졌던 2015년 6월을 제외하면 모두 중심으로부터 10 km 이내로 근접한 단면을 가로지르는 현장 관측이 수행됨)을 가로지르는 동서 단면에서 수집되었다(Fig. 1). 관측 정점은 10-25 km 간격이었고, 관측선 전체를 가로지르는데 걸린 시간은 2-3일, 정점 간 시간 간격은 2-4시간이었다. 수집한 CTD 자료의 최대 수심은 400-2,100 m 범위로서 UWE 영향 수심 전체 구조를 파악 가능하도록 하였다. 고품질의 CTD 자료를 수집하기 위해 승선 조사 현장 관측 시 CTD의 하강 및 상승 속도는 1 m/s 미만으로 유지하였으며, 자료 후처리 과정에서 비정상적인 값, 수온‧전기전도도 재정렬, 열지연 효과를 다음 절에서 기술한 방법으로 보정하였다. 또, 가용위치에너지 계산을 위해 WOA2001 1°×1°간격 월 평균 자료를 사용하였다.
2.2 방법
본 연구에서는 인공위성 고도계 자료 기반 중규모 소용돌이 탐지 방법들 중에서 탐지된 소용돌이의 지속 기간, 반경, 전파 속도가 현장 관측 결과에 근접하는 것으로 알려진(Souza et al., 2011) 해표면 고도 기반 탐지 방법(SSH based method) (Chelton et al., 2011)을 일차적으로 적용하여 동해 중규모 소용돌이를 탐지하였고(최소 진폭: 1 cm, 최소 포함 격자: 9개), 여기에 해당 위도에서 중규모 구조가 성장할 수 있는 최대의 물리적 규모인 라인스 규모(Rhines scale, Lβ) 기준을 고려하여 해당 위도에서 물리적으로 타당한 중규모 소용돌이만을 추출하였다(Rhines, 1975). 소용돌이 경계 내부에 두 개 이상의 중심이 존재하는 경우에는 Faghmous et al.(2015)에서 제시된 방법으로 이전 단계의 해표면 고도 등고선을 다시 검토하여 분리하였다. 라인스 규모가 경압 로스비 변형 반경보다 커지는 약 30°N 이북에서는 중규모 구조가 해당 위도의 경압 로스비 반경과 라인스 규모 사이의 규모로 정의된다(Eden et al., 2007).
| $$L_\beta=\sqrt{\left(\frac{\left|u'\right|}{2_{\beta_0}}\right)},\;u'=u-\overline u,\;\;\beta_0=\frac{2\omega cos\theta}{R_{earth}}$$ | (1) |
단, 여기서 u는 해당 격자에서의 지형류 유속, 는 지형류 유속의 시간 평균, β0는 위도에 따른 로스비 매개변수, ω는 지구의 자전 각속도(7.27 x 10-5 s-1), Rearth는 지구 반경(6,378 km), θ는 각 격자의 위도를 의미한다. 각 소용돌이 후보군 주변으로 라인스 규모에 기반한 한정된 탐지 영역을 설정하여 물리적인 중규모 이상의 구조가 탐지되는 것을 방지함으로써 타당하지 않은 소용돌이를 제외하고 기존의 방법에 비해 2배 이상 빠르게 소용돌이를 탐지할 수 있었다.
개별 자료로부터 탐지된 소용돌이를 시간적으로 연결하는 추적 기법은 기존 방법(Chelton et al., 2011)과 유사하게 다음 4가지 조건들을 고려하여 적용하였다. 첫째, 동해 중규모 소용돌이의 변동 시간 규모가 짧은 특성을 감안하여 기존의 1주일 간격 대신 1일 간격 자료를 사용하였다. 둘째, 대양의 빠른 서향 전파 중규모 소용돌이를 고려하여 반경 150 km의 추적 거리를 적용한 기존 연구와 달리, 본 연구에서는 1차 경압 로스비파에 의한 전파와 함께 해류에 의한 이류 가능성을 동시에 고려하여 반경 43 km미만의 비교적 짧은 추적 거리를 고려하였다. 이 추적 거리는 본 연구의 결과로서 파악된 동해 소용돌이의 평균 반경보다 짧다. 만약 1-2일 동안 추적 영역 내에서 소용돌이 중심이 탐지되지 않았더라도, 다시 3일째에 중심이 탐지되는 경우에는 해당 소용돌이가 소멸하지 않고 지속되는 것으로 간주하였으며, 만약 3일 후에도 여전히 이전 소용돌이 중심으로부터 추적 영역 내에 중심이 탐지되지 않는 경우 해당 소용돌이는 소멸한 것으로 간주하였다. 사용된 개별 인공위성 고도계들의 측정 주기(10-35일)와 그 합성 방법을 고려하여 탐지되는 소용돌이의 최소 수명은 28-30일로 권장하고 있다(Faghmous et al., 2015). 권장 최소 수명인 28일을 적용하였을 경우에 정의되는 소용돌이의 개수는 본 연구 결과보다 약 20% 증가하며, 통계적 특성 차이는 10% 미만 감소한다. 그러나 더 오래 지속되며, 더 분명한 소용돌이를 탐지 및 추적하고, 그 특성을 산출하기 위해 본 연구에서는 인공위성 고도계 궤도의 최대 시간 간격인 35일을 적용하였다.
개별 소용돌이들의 정량적 특성을 통계적으로 분석하기 위해 회전 방향, 소용돌이 생성 위치, 활동 영역, 이동 특성에 따라 탐지 및 추적된 소용돌이를 여러 그룹으로 분류하였다. 생성 위치에 따른 일차적 그룹 분류 후 활동 영역에서 뚜렷하게 구분되는 분포가 나타나는 경우에는 서로 다른 그룹으로 분류했다. 마지막으로 동일 그룹 내에서 뚜렷하게 서로 다른 방향으로 이동하는 경우 다른 그룹으로 분류하였다. 최소 10개 미만의 소용돌이가 속한 경우는 별도의 그룹으로 정의하지 않았으며, 이미 정의된 그룹 내에서도 2개 미만의 소용돌이가 전체 이동 방향과 반대 방향으로 이동하는 경우에는 해당 소용돌이를 그룹에서 제외하였다.
본 연구에서 사용된 현장관측 CTD 자료는 후처리를 통해 비정상적인 값을 제거하고, 수온 및 전기전도도의 재정렬과 열지연 효과의 보정(Kim et al., 2000)을 통해 자료의 품질을 개선하였다. 비정상적인 값 제거 과정(Wild edit)에서는 각 수직 프로파일에서 1,000개의 연속 자료 구간 내에 포함된 표준 편차의 2배를 벗어나는 자료를 제거 후 다시 표준 편차를 계산하여 그 20배 이상 벗어나는 자료를 다시 제거하였고, 이러한 과정을 총 3회 반복하였다. 수온과 전기전도도의 재정렬 과정(Align CTD)에서는 지연 상관관계를 이용하여 각 프로파일마다 최적 보정 시간(최소: -0.01 s, 최대: 0.07 s)을 산출하여 적용하였다. 열지연 효과 보정(Cell Thermal Mass)을 위해 Morison et al.(1994) 방법을 사용하여 각 프로파일마다 최적 보정 계수(열편차 진폭 α: 0.01-0.06, 열편차 시간 상수 τ: 1.0-11.0)를 산출하여 적용하였다. 인공위성 해표면 고도 및 소용돌이 탐지 결과를 검증하기 위해 관측된 전기전도도와 현장 수온, 압력 자료로부터 역학 고도 및 지형류를 계산하였고, 이때 무류면은 400-500 m에 해당하는 수심으로 설정하였다.
탐지, 추적, 분류된 소용돌이들의 물리적 특성은 지속기간, 진폭, 반경, 단위 면적당 강도, 타원율, 운동에너지, 가용위치에너지로 정량화하였다. 지속기간(L, 일)은 생성일로부터 소멸일까지의 시간을 일단위로 나타낸 것이고, 진폭(H, m)은 중심과 경계에서의 ADT 차이로 정의한다(Chaigneau et al., 2008). 반경(R, km)은 소용돌이 경계 내에 포함된 격자수로부터 구한 면적(A, km2)을 원으로 가정하였을 때의 반경으로 정의하였다. 단위 면적 당 강도(Eddy Intensity, EI, cm2/s2/km2)는 전체 운동에너지(Eddy Kinetic Energy, EKE, TJ=1012J)를 소용돌이 부피와 면적으로 나눈 운동에너지 밀도를 의미하며, 소용돌이 내부 평균 EKE를 소용돌이 면적으로 나누어 산출한다(, 단, h는 소용돌이의 최대 하부 경계 수심, V=hA는 소용돌이의 부피를 의미한다). 소용돌이 최대 하부 경계 수심(h)은 승선 조사 현장 관측 자료의 수심을 고려하여 400 m로 하였다. 타원율(e)은 소용돌이 영역 내에서 중심을 통과하는 최대 거리를 장축(a)으로, 장축에 수직인 방향 거리를 단축(b)으로하는 타원으로부터 계산하였다. 타원율이 0에 가까울수록 소용돌이의 형태가 더 원에 가까움을 의미한다. 소용돌이의 EKE (TJ)는 다음과 같이 정의된다.
| $$EKE(J)=\int_A\;\int_0^h\frac12\rho_0\;\sqrt{u'^2+v'^2}dz\;dA,\;u'=-\frac gf\frac{dSLA}{dy},\;\;v'=\frac gf\frac{dSLA}{dx}$$ | (2) |
단, 여기서 g는 중력 가속도(9.8 m s-2), f는 해당 위도에서의 코리올리 매개변수(8.3-10.6 x 10-5 s-1), dx, dy는 각각 경도 및 위도 격자 크기(20-23 km, 28 km)를 의미한다. 가용위치에너지(Available Potential Energy, APE, TJ)는 현장관측 밀도 수직 단면 프로파일 자료로부터 아래 식 (3)을 이용하여 산출(Kang and Fringer, 2010)하였다.
| $$APE(J)=\int_A\;\overline{\int_0^h\frac{g^2\rho'^2}{2\rho_0N^2}dz}\;dA$$ | (3) |
단, ρ0와 ρref는 배경 밀도 상수(=1023.6 kg m-3, 1기압, 수온 25°C, 실용염분 35 psu에서의 밀도)와 기준 밀도(reference density)를 나타내고, ρ′=ρ-ρref이다. 여기서 ρ는 각 격자 및 수심별 밀도를 의미하며, overbar는 관측선 단면 영역의 공간 평균을 의미한다. 기준 밀도는 선박 관측 위치에서의 WOA2001 월 평균 밀도로 하였고, EKE와 APE 산출 시 수직 적분 간격은 1 dbar 간격으로 하였다. 현장 관측된 UWE 사례들의 산출된 H와 APE (Table 1) 선형 회귀 분석 결과(R2=0.97) (식 (4))로부터 인공위성 고도계 자료로 탐지된 모든 동해 중규모 소용돌이에 대해 APE를 추정하였다.
| $$APE(J)=1.68\times10^{14}\times H(cm)$$ | (4) |
Table 1. Amplitude H (cm) and APE (TJ) of anticyclonic eddies observed at Ulleung Basin in Jun. 2015, Nov. 2015, Apr. 2016, and May 2017
| Jun. 2015 | Nov. 2015 | Apr. 2016 | May 2017 | |
| APE (TJ) | 1887 | 2770 | 1995 | 496 |
| Amplitude, H (cm) | 12.4 | 15.6 | 10.9 | 5.0 |
3. 결 과
3.1 탐지추적 방법 검증
인공위성 고도계 자료 기반 소용돌이 탐지‧추적 결과, 울릉 분지 내에서 2014년 10월에 발생하여 2017년 6월까지 2년 이상 지속된 UWE가 정의되었고, 그 지속기간 동안 UWE 단면 연직 수온 및 지형류 구조 상에서 나타난 소용돌이 중심 및 경계 위치를 인공위성 기반 탐지 결과와 비교할 수 있었다(Fig. 2). 4개 사례의 UWE 관측 시기 모두 중층에 약 100-150 m의 두께를 가지는 렌즈 형태의 10-12°C 수온 균질층이 관측되었다. 10-12°C 수온 균질층의 하부는 180-260 m깊이에 위치해 있는데, 2015년 11월 최대 수심에 이르렀으며, 점점 얕아져 2017년 5월에는 최소 수심에 위치한다. 수온 균질층 상부에는 50-70 m 두께의 수온약층이 분포하는데, UWE의 가장자리에서 두께가 두꺼워지는 렌즈 형태를 보인다. 특히 2015년 11월에는 표층 수온약층의 수심이 100 m로 깊어졌으며, 수온 균질층이 나타나는 상부 깊이도 150 m로 깊어졌다. 수온 균질층 하부에는 다시 수온약층이 나타나는데, 2015년 11월은 8°C/100 m로 다른 기간들에 비해 수온의 수직 구배가 더 크게 나타났다. 지형류 단면은 소용돌이 중심(굵은 검은 실선) 위치를 중심으로 반시계 방향의 흐름을 잘 나타내고 있다. 지형류 유속이 가장 강하게 나타나는 수심은 100-150 m이며, 대체로 0.3-0.4 m/s의 분포를 보이나 2015년 11월의 경우 130.75°E, 수심 100-150 m 부근에서 남쪽으로 최대 1.1 m/s에 이른다. 0.1 m/s 이상의 강한 지형류 유속이 유지되는 최대 수심은 2015년 6월과 2016년 4월에 300 m, 2015년 11월에 350 m, 2017년 5월에는 250 m에 이르렀다.
Fig. 2.
(a-d) ADT in cm derieved from Satellite Altimetry (SA, red) and CTD measurements (blue) along the in-situ observational lines, and cross-sectional structures of (e-h) water temperature (white contours, and the white thick lines denotes bottom of thermostad in each period) and APE in J m-3 (color), and (i-l) geostrophic current in m s-1 across the observation lines for (a, e, i) Jun. 2015, (b, f, j) Nov. 2015, (c, g, k) Apr. 2016, and (d, h, l) May 2017. Here, the eddy centers and eddy boundaries at the observational lines are denoted by the solid and dashed vertical lines, respectively. The CTD stations are marked in (e-l) with red vertical lines. Contour intervals in (e-h) and (i-l) are 1 °C and 0.1 m/s, respectively.
선박 CTD 현장 관측 결과와 인공위성 고도계 자료 기반 소용돌이 탐지 결과를 비교했을 때, 중심 위치와 경계 위치는 각각 10 km와 20 km이내로, 해수면 변동 폭은 평균 3 cm이내로 서로 일관된 특성을 보였다. 2015년 11월 관측 결과 외에는, 소용돌이 중심 위치는 지형류가 사라지는 위치(유속이 ‘0’인 위치) 및 수온 균질층의 수심이 가장 깊은 위치와 10 km 이내로 일치한다. 관측 정점을 따라 인공위성 고도계 ADT 값과 CTD 관측 결과로부터 계산된 역학 고도 분포를 비교한 결과, 해수면 차이는 연안에 가장 가까운 정점을 제외하면 최대 5.9 cm, 평균 2 cm로 소용돌이에 의한 역학 고도 차(~20 cm)에 비해 작아 소용돌이의 중심 위치와 경계 및 진폭 등의 주요 특성을 탐지하기에 적절한 것으로 판단하였다. UWE 서쪽129.75 °E 부근에서 북진하는 50-100 m 수심의 동한난류 주축은 소용돌이 내부와 구분되는 결과를 보인다(Fig. 2).
3.2 평균 통계적 특성
인공위성 ADT 로부터 정의된 동해 전체 영역 중규모 소용돌이의 물리적 특성을 전체 기간에 걸쳐 평균하고 회전방향에 따라 구분한 결과, 60개 더 많은 사례가 탐지된 난수성 소용돌이 그룹의 경우가 냉수성 소용돌이 그룹의 경우에 비해 L, H, EI, APE이 더 길거나, 높거나, 강하거나, 크게 나타났다(Table 2). 단, 회전방향에 따른 R, e 차이는 유의하지 않은 것으로 나타났다(Table 2). 동해 중규모 소용돌이의 평균 이동 방향은 그 회전 방향에 무관하게 북동진 이동이 우세한 경향을 보인다(Fig. 3). 이러한 경향은 대체로 표층 해류 양상과 잘 일치한다(Fig. 1). 평균 이동 거리는 약 80 km 정도로 난수성 소용돌이가 냉수성 소용돌이에 비해 더 멀리 이동하는 경향이 있다. 가장 멀리 이동한 경우 생성 위치로부터 난수성 소용돌이는 최대 520 km, 냉수성 소용돌이의 경우 최대 340 km까지 이동하였으나, 약 78%에 해당하는 소용돌이들의 이동 거리는 100 km 미만이었다.
Table 2. Mean life time (L, day), amplitude (H, cm), radius (R, km), intensity (EI, cm2/s2/km2), ellipticity (e), APE (TJ), EKE (TJ), propagation direction (d) and distance (D, km) of total, anticyclonic eddies and cyclonic eddies identified from 1993 to 2017 (Numbers inside brackets denote the number of identified eddies)
Fig. 3.
(a, b) Rose diagrams and (c, d) all lifetime trajectories of (a, c) anticyclonic and (b, d) cyclonic eddies. The length of each fan radius in rose diagrams means the number of eddies propagating to corresponding direction. In (a) and (b), the ratio of eddies propagating to each quadrant is shown in percentage. In (c) and (d), the origin corresponds to the location of eddy formation.
3.3 그룹별 통계적 특성
동해 중규모 소용돌이를 그룹에 따라 분류한 결과, 난수성 소용돌이 16개, 냉수성 소용돌이 11개(총 27개)의 그룹으로 파악되었다(Fig. 4). 각각의 그룹명은 소용돌이 생성 위치에 기반하며, 분류된 각 그룹별 소용돌이의 평균 특성을 정량화 하였다(Table 3, Table 4). 그룹별 L분포는 냉수성 소용돌이 그룹의 경우 전체 평균에 비해 낮게 나타났으며(Table 2), 난수성 소용돌이 그룹의 경우 동해 남서부 및 아극전선 남부에 위치한 그룹에서 특히 평균보다 길게 나타났다. 그룹별 R분포는 35-45 km로 회전방향 및 그룹에 따른 차이가 10 km미만으로 작아서 EI 차이는 대부분 EKE 차이에 의해 나타나고(Table 3, Table 4), EI가 클수록 대체로 L도 길어지는 경향을 보인다. 냉수성 소용돌이 그룹 중 평균값보다 큰 H, EI, APE, EKE를 보이는 그룹은 1, 5, 6, 7번 그룹으로서, 이들 그룹의 생성 위치는 모두 39 °N 에 위치한 아극전선 남부이다. 난수성 소용돌이 그룹 중 평균값보다 큰 H, EI, APE, EKE를 보이는 그룹은 1, 2, 3, 4, 5, 9번 그룹이다. 이 그룹들의 생성 위치는 아극전선 주변 및 동해 남서부이다. 반면, 7, 8, 13 번 난수성 소용돌이 그룹의 경우 H, EI, APE, EKE가 평균값보다 큼에도 불구하고 L은 평균값의 2/3-3/4 수준이다. 이 그룹들의 생성 위치는 동해 동부 및 쓰가루 해협 주변이다. e가 작아 원에 가까운 형태를 보이는 그룹 중 2, 3, 4 번 난수성 소용돌이 그룹의 경우 평균값에 비해 더 강한 APE, EKE와 긴 L을 나타내는데 반해, 11, 13, 15 번 난수성 소용돌이 그룹의 경우 APE, EKE가 약하고, L도 평균값에 비해 매우 짧다.
Fig. 4.
Areas (red and blue shaded) and movements (arrows) of (a) 16 anticyclonic and (b) 11 cyclonic eddy groups, defined based on (c) trajectories and (d) activation locations of 1,008 eddies in total. Numbers labeled in each area are the same as in Tables 3 and 4. In (a) and (b), locations of individual eddy formation and areas of corresponding eddy groups are shown with dots and shades. The vector arrows in (a) and (b) denote mean direction and distance of eddy movement over the lifetime. In (a)-(d), the anticyclonic and cyclonic eddies are shown in red and blue, respectively.
Table 3. Same as Table 2 but for each anticyclonic group
Table 4. Same as Table 3 but for each cyclonic group
그룹별 평균 이동 방향은 대체로 소용돌이가 생성된 위치의 표층 해류 방향을 따른다(Fig. 4, Table 3, Table 4). 동해 남서부에 위치한 소용돌이 그룹은 북동진 혹은 북진 경향이 나타나며, 야마토 분지 및 일본 연안의 소용돌이 그룹은 대체로 북동진 및 동진 특성이 나타난다. 아극전선 부근의 소용돌이 그룹 또한 북동진 및 동진 특성을 보이는데, 야마토 융기부 남쪽에 위치한 9 번 난수성 소용돌이 그룹과 6 번 냉수성 소용돌이 그룹의 경우 주변과 구분되는 남서진 및 남동진 경향이 나타난다. 북한 한류가 남하하는 북한 연안에 위치한 12 번 난수성 소용돌이 그룹과 10 번 냉수성 소용돌이 그룹의 경우 남진 경향을 보인다. 원산만 부근에 위치한 3, 11 번 난수성 소용돌이 그룹과 3, 4 번 냉수성 소용돌이 그룹은 평균 이동 거리가 15 km 미만으로 다른 그룹들에 비해 생성 장소로부터의 이동거리가 매우 짧았으며, 특정 방향으로의 이동 경향이 뚜렷하지 않았다. 쓰가루 해협 근처에 위치한 소용돌이 그룹은 북진 및 북동진 특성이 뚜렷하고, 이동 거리도 50 km 이상으로 긴데, 그보다 더 북부, 홋카이도 부근의 14, 15 번 난수성 소용돌이 그룹의 경우 여전히 북진 경향성을 보이나 그 평균 이동거리가 감소했다. 가장 북부에 위치한 16 번 난수성 소용돌이 그룹의 경우 약한 남서진 경향을 보인다.
4. 토 의
기존 연구에 비해 보다 장기간의 자료로부터 추출한 동해 전역의 중규모 소용돌이 특성은 기존 연구 결과와 대체로 일관되나 일부 뚜렷한 차이를 보이기도 한다. 본 연구 결과로 제시된 0.9 cm/s의 속도로 북동진하는 UWE의 평균 이동 특성은, 0.8 cm/s의 속도로 북서진 및 북동진하는 UWE 특성을 제시한 Shin et al.(2005) 결과와 일관성을 가진다. 그러나 Lee and Niiler(2010)에서는 남동향으로 0.14 cm/s의 속도로 이동하는 UWE의 이동 특성을 제시하여 본 연구의 결과와 분명한 차이를 보인다. 본 연구에서 탐지된 UWE 그룹들은 대부분 130-131°E구간 내에 분포하고, 131-132°E 구간에서 생성되거나 혹은 다른 구간에서 생성된 후 이 구간으로 이동하는 UWE는 매우 제한적으로 나타났다(Lee and Niiler(2010) 연구에 사용된 자료의 수집 기간 중 탐지된 총 22개의 UWE 중 6개만 이 구간에 분포). 그러나 Lee and Niiler(2010)에서는 총 38개 소용돌이 중 15개의 소용돌이가 131-132°E 구간에서 탐지되어, 그 평균 이동 특성의 차이를 유발한 것으로 사료된다. 본 연구에서 탐지된 131-132°E 구간의 6개 UWE 소용돌이 그룹은 Lee and Niiler(2010)에서보다 다소 빠른 0.5 cm/s의 속도로 이동했지만 동일하게 남동진하는 특성을 보여 탐지된 UWE의 분포에 따른 평균 이동 특성의 차이를 설명한다. 유사하게 본 연구 결과로 제시된 DCE의 평균 이동 특성도 Mitchell et al.(2005) 연구 결과와 상이하지만, Mitchell et al.(2005) 연구에 사용된 자료가 수집된 기간(1999년 6월-2000년 1월) 동안 탐지 및 추적된 DCE는 일관된 특성을 보여서 1999년 6월부터 11월까지는 남서진, 11월 24일부터 12월 26일까지 서진하였음을 알 수 있다. 보다 장기간의 자료를 분석한 본 연구에서는 DCE가 1999년 6월 이전에 북동진하는 특성도 파악할 수 있었으며, 전체적으로는 DCE 그룹에 속한 총 75개의 소용돌이들 중에서 30개는 생애 전반부에 남서진하다가 생애 후반부에 다시 북동진하였고, L이 평균보다 길게 지속되었던 소용돌이들 중 8개는 생애 주기 동안 남서-북동진 이동을 여러 차례 반복하는 경우도 있었음을 알 수 있었다. 또, Morimoto et al.(2000)의 연구에서 조사된 야마토 분지 소용돌이의 남서진 이동 특성은 같은 영역에서 동진하는 특성을 언급한 기존 연구(Isoda, 1994)와 차이를 보이는데, 본 연구의 분류 결과, 야마토 분지 북부에 위치한 Southern Yamato Rise 난수성 소용돌이 그룹은 특정 방향의 이동이 뚜렷하지 않은 특성을 보였다. 노토 반도 부근의 6 번 난수성 소용돌이 그룹의 경우 평균적으로 1.4±0.8 cm/s의 이동 속도로 북동진하는 것으로 나타나 0.5-2.0 cm/s의 평균 이동 속도를 제시한 Isoda(1994)의 사례 연구와도 일관된 특성을 가진다.
본 연구에서 인공위성 고도계 자료로부터 정의된 동해 중규모 소용돌이의 분포는 39°N 부근의 아극전선 남부와 134°E 보다 서부에 집중되어 있다. 일본 분지 내부와 동해 북부의 러시아 연안에는 중규모 소용돌이가 거의 분포하지 않는데, 이것은 인공위성 고도계 격자에서 정의 될 수 있는 최소 크기 및 지속기간(최소 1/4°, 지속기간 35일) 이상을 가지는 소용돌이가 적게 분포하기 때문이라 볼 수 있다. 일본 분지 내에서 실제 관측된 순압 난수성 소용돌이는 평균 30-35 km의 R을 보이며(Takematsu et al., 1999), 이는 분류된 소용돌이 그룹들 중 평균 R이 가장 작은 그룹(Eastern Yamato Basin Coastal Cold Eddies, 평균 R 35 km)보다 작은 크기이다. 일본 분지와 일본 분지 북서쪽 대륙사면에 분포하는 중규모 소용돌이의 R은 15-25 km로 아극전선이나 동한난류 주변에 비해 작다고 연구된 바 있으며(Prants et al., 2015), 이처럼 중규모 소용돌이의 크기가 충분히 크지 않을 경우(R 5 km 이상, 25 km 미만) 인공위성 고도계 자료 상에서 아예 관측되지 않을 가능성이 크다. 또, 상층에서부터 냉수가 우세하게 분포하는 동해 북부 해역에서는 중규모 소용돌이로 인한 해표면 고도 차이가 작아 인공위성 고도계로 잘 탐지되기 어려운 특성도 있다. 본 연구에서는 인공위성 고도계로 탐지 가능한 규모의 중규모 소용돌이들의 특성만 분석함에 따라 전체 평균값이 실제 동해의 모든 중규모 소용돌이 평균값 보다 다소 크게 추정되었거나, 일본 분지와 같이 아예 소용돌이 변동이 활발하게 나타나지 않을 수 있다. 본 연구 결과가 일본 분지와 같은 동해 북부 해역에서 중규모 소용돌이 변동이 활발하지 않음을 의미하는 것은 아니며, 이미 분석된 동해 북부 해역의 중규모 소용돌이에 대한 평균 L, H, R, EI, EKE, APE도 더 짧거나 작고, 약하거나 낮을 수 있음을 향후 고려할 필요가 있다.
중규모 소용돌이 그룹들 중 H, EI, EKE, APE가 전체 평균 값에 비해 큰 수치를 보이는 그룹들이 위치한 39°N 아극전선 남부, 남서부 및 아극전선 인근 해역은 평균 해류도 및 25년 평균 지형류 자료에서 20 cm/s 이상의 비교적 강한 평균 해류가 나타나는 해역과 대체로 일치한다. 강한 해류 주변의 중규모 소용돌이가 더 크거나 강하거나 높은 H, EI, APE, EKE, 그리고 더 긴 L을 보이는 원인은 평균 해류로부터의 직접적인 에너지 공급을 받을 수 있는 순압 변환이 활발하기 때문으로 사료된다. 평균 해류의 공간적인 변동성이 큰 해역에서는 순압 불안정에 의해 평균 운동 에너지(Mean Kinetic Energy, MKE)로부터 EKE로 에너지 전환이 발생한다(Lorenz, 1955; Böning and Budich 1992). 멕시코 만류(Kang and Curchister, 2015), 타이완 남부(Zu et al., 2013), 벵골만 서부(Chen et al., 2012) 등 강한 해류가 흐르는 해역에서 중규모 소용돌이의 생성 및 지속에 필요한 에너지 전환이 활발히 일어나는 특성이 잘 발견되고 있다. 쓰가루 해협 부근에 위치한 13 번 난수성 소용돌이 그룹의 경우 크거나 강하거나 높은 H, EI, APE, EKE를 보이는 반면, L은 짧다. 높은 APE, EKE에도 불구하고 L이 짧은 원인은 소용돌이와 주변 지형의 상호작용에 의한 결과로 보여지는데, 해당 그룹은 주로 분지 내에서 생성되어 수심이 얕은 곳으로 이동하며 급격한 수심의 변화를 겪고, 이로 인한 잠재 와도의 변화는 소용돌이의 평균 수명을 단축시키는데 기여할 것으로 사료된다. 벵골만의 중규모 소용돌이 연구에서도 연안에서 생성된 소용돌이가 지형의 영향으로 발달하지 못하고 짧은 수명을 가지는 특성이 제시된 바 있다(Chen et al., 2012).
평균적으로 H는 8 cm, R은 90 km, L은 200일 이상인 대양의 중규모 소용돌이(Chelton et al., 2011)에 비해 동해의 중규모 소용돌이는 그 절반 수준으로 H, R, L이 작거나 짧다(Table 2). 반면 EI는 O(10-3) cm2/s2/km2의 크기를 가지는 대양(Chaigneau et al., 2008)에서보다 약 10배 더 강하다. 대양에 비해 그 전체 면적은 작고, 폭이 좁고 수심이 얕은 해협들을 통해서만 외부와 연결되어 있는 반폐쇄성 동해에서는 EKE와 APE가 대양과 거의 유사하나 R이 대양에 비해 월등히 작아 EI가 강하게 나타나는 것으로 해석된다. 남중국해에서도 대양에 비해 작은 R을 가지는 중규모 소용돌이의 EI가 더 강하게 나타남이 보고되었다(Chen et al., 2011). 동해 중규모 소용돌이의 생성 원인 중 하나로 꼽을 수 있는 해류의 사행 파장은 지형에 의해 결정되며(Lee et al., 2010), 지형에 의해 제한되는 사행류의 규모 때문에 10 km 미만의 차이를 보이는, 대체로 비슷한 중규모 소용돌이 R 분포가 나타난다고 볼 수 있다. 동해의 경우 대양과 구별되는 복잡한 분지 해저 지형을 가지므로, 상대적으로 작은 R 및 강한 EI를 보이는 것으로 사료된다.
대양에서 중규모 소용돌이는 경압 로스비파 전파 특성을 따라 평균적으로 서향 이동하는 특성을 보이며, β효과에 의해 북반구에서 시계방향으로 회전하는 난수성 소용돌이는 적도방향으로, 반시계방향으로 회전하는 냉수성 소용돌이는 극 방향으로 전파 경로가 굽게 되는 특성을 보이는 것으로 알려져 있으나(Chelton et al., 2011), 동해 중규모 소용돌이의 이동 특성은 대체로 해당 그룹이 생성된 해역의 해류를 따르고(Fig. 4), 평균 이동 방향 또한 북동향 빈도가 가장 많다(Fig. 3). 본 연구에서와 유사하게 남중국해에서도 소용돌이의 이동은 반대 방향으로 흐르는 해류에 의해 서향 전파하는 소용돌이의 전파 속도가 느려지거나, 해류를 따라 동진하는 사례가 발견되었으며(Nan et al., 2011), 서향 전파하는 소용돌이가 서진하는 해류의 영향으로 경압 로스비파의 전파속도보다 더 빨리 전파하는 경우도 보고되었다(Chen et al., 2012). 본 연구 결과와 기존 연구 결과는 공통적으로 UWE가 북서진하다가 아극전선 부근에서 북동진 및 동진하고(Shin et al., 2005), 야마토 분지 소용돌이가 동진하는 특성을 보인다(Isoda, 1994; 1996). 소용돌이 평균 이동 속도는 0.1-1.0 cm/s로서 동해 평균 해류에 비해 느리나, 동해 중규모 소용돌이의 이동은 자유 경압 로스비파 전파 특성 보다는 해류를 따라 이동하는 경향이 더 크다. 40°N 부근의 3 번 난수성, 4 번 냉수성 소용돌이 그룹은 특정 방향으로의 이동 특성이 뚜렷하지 않는 것으로 나타났다.
5. 요약 및 향후 연구
장기간(1993-2017년의 25년 기간) 수집된 인공위성 고도계 자료를 이용하여 동해 전역의 중규모 소용돌이를 탐지, 추적 및 그룹별로 분류하고, 그 통계적 특성을 규명하였다. 기존의 인공위성 고도계 측정 해표면 고도 기반 탐지 방법에 라인즈 규모(Rhines scale)를 고려하여 해당 위도에서 물리적으로 존재 가능한 총 1,008개의 중규모 소용돌이를 탐지했으며, 3일의 지속성을 적용하여 이를 추적하고, 생성, 회전 방향, 활동 영역, 이동 방향에 따라 27개의 그룹으로 분류하였다. 인공위성 고도계 측정 해표면 고도에 기반한 본 연구에서는 2015-2017년 기간 동안 총 4회의 승선조사를 통해 울릉 난수성 소용돌이(Ulleung Warm Eddy, UWE)를 가로지르는 동서 단면에서 수집된 현장관측 자료와 비교·분석하여, 중심 오차, 경계 오차, 진폭 오차를 각각 2-10 km, 10-20 km, 0.6-5.9 cm로 추정하였다. 동해 중규모 소용돌이의 평균 지속기간(L)은 95일, 진폭(H)은 3.5 cm, 반경(R)은 39 km, 단위 면적당 강도(EI)는 0.023 cm2/s2/km2, 운동에너지(EKE)는 23 TJ, 가용위치에너지(APE)는 588 TJ로서 대양에 비해 전반적으로 짧은 L, 작은 H, R, 낮은 EKE, 강한 EI, 높은 APE를 보였다. 또, 대양에서와 같은 서향 전파 특성이 뚜렷하지 않고 대체로 해류를 따라 이동하는 특성을 보였다. 아극전선을 기준으로 동해 남부에 위치한 소용돌이 그룹은 북부에 위치한 그것에 비해 EKE, APE, H가 더 높거나 크고, EI가 더 강하게 나타났으며, 더 오래 지속(긴 L)되고, 평균 해류 방향으로 더 멀리 이동하는 특성을 보였다. 동해 북부 해역에 위치한 상대적으로 작은 중규모 소용돌이 그룹의 경우 인공위성 고도계 자료의 측정 문제로 인해 잘 탐지되기 어려운 특성이 있는데, 이로 인해 본 연구에서 전체 평균으로 제시한 수치는 다소 과대추정 되었을 가능성이 있다. 본 연구를 통해 기존에 비교적 잘 알려진 UWE와 독 냉수성 소용돌이(Dok Cold Eddy, DCE) 그룹의 새로운 특성 외에도 Yamato Rise Warm Eddy, Hokkaido Warm Eddy 그룹과 같은 새로운 소용돌이의 정의와 특성을 새로 규명하였고, 그룹별로 상이한 특성을 제시할 수 있었다. 본 연구에서 규명된 통계적 평균 특성이 어떠한 역학적 과정을 통해 나타나게 된 것인지 밝히기 위해서는 향후 구체적인 사례 분석과 함께 순압 변환, 경압 변환, 바람 응력 등의 에너지 전환과 그 수지 분석이 함께 이루어질 필요가 있다.
