1. 서 론
동해는 세계적으로도 중규모 에디가 많이 생성되는 해역 중 하나인데(Ichiye and Takano, 1988; Sun et al., 2019), 에디는 주로 동한난류 및 아한대전선이 사행하는 과정에서 생성된다고 알려져 있다. 자연적으로 에디 중심의 온도가 주변보다 높으면 난수성 에디로, 낮으면 냉수성 에디로 불리는데, 전자의 평균 직경과 수명은 각각 100~150 km 와 3~4개월로 알려져 있고. 후자는 전자보다 약 10% 정도 작고 수명도 2-3개월 가량으로 짧은 것으로 알려 있다(Shin et al., 2005; Mitchell et al., 2005; Lee and Niiler, 2010). Lee and Niiler, 2010는 동해 전체에서 생성되는 에디의 10% 가량은 1년 이상 존속하며, 대부분이 난수성 에디임을 보여 주었다.
중규모 에디는 아표층의 물리적, 화학적, 생물학적 특성에 대하여 큰 변동성을 유발하며 특히 해양의 일차생산과 밀접한 관련이 있다(Maúre et al., 2017). 난수성 에디의 중심부에서는 표층에서 저층으로 향하는 침강이 발생하기 때문에 식물성 플랑크톤의 번식에 필요한 영양염이 부족할 수 있으며, 냉수성 에디에서는 반대 기작이 발생한다. 그러므로 에디는 어장 형성에도 영향을 미쳐(Sugimoto and Tameishi, 1992), 에디의 특성에 대한 연구는 학술적인 측면이나 사회ㆍ경제적인 측면에서 매우 중요하다.
Lie et al.(1995)과 Shin et al.(2005)은 울릉도 주변 해역에서 장기간 존속된 난수성 에디에 대하여 보고한 바 있다. Lie et al.(1995)는 표층부표와 위성자료 정선관측자료를 이용하여 울릉분지에서 발견된 난수성 에디(WE92)가 지형의 영향으로 다른 곳으로 이동하지 않고 울릉분지 내에서 머문다고 제시하였다. 이 연구는 울릉분지 난수성 에디의 구조에 대해 최초로 보고하였으며 동한난류가 에디의 생성에 중요한 역할을 한다고 제시하였으나 에디가 어떻게 장기간 지속되었는지에 대해서는 구체적으로 설명하지 않았다. Shin et al.(2005)은 Lie et al.(1995)에서 보고된 울릉분지의 난수성 에디를 2년여에 걸쳐 위성자료와 정선관측자료를 이용하여 추적하고 분석하여, 에디 내의 균질한 고온 고염수는 겨울철 연직 혼합에 의해 생성된다고 제시하였다. 이 연구에서는 이전 연구와는 달리 난수성 에디가 동한난류나 북한한류와의 상호작용을 통해 울릉분지 외부로 이동할 수 있음을 보여 주었다. 또한 에디가 장기간 유지되기 위해서는 동한난류를 통해 열염 및 에너지 공급이 필요하다고 제시하였다. 하지만 시공간적 한계 때문에 정선관측자료만을 통해서는 장기간 지속되는 난수성 에디에 대한 분석을 수행하기 어려운 문제점이 있다.
1992년 이후 해면 고도 자료나 재분석 자료 등 동해 에디 연구에 필요한 다양한 자료가 축적되었다. 이와 같은 자료를 통해 장기간으로 연속적인 동해 순환 구조를 파악하는 것이 가능해졌다. 그러므로 본 연구에서는 1993년부터 2017년까지 약 25년간의 해면고도 위성자료 및 수치모델 자료를 활용하여, 장기간 지속된 난수성 에디를 선정하고 이들의 특성을 살펴보고자 한다. 이전 연구에서는 난수성 에디와 동한난류가 밀접하게 관련되어 있다고 제안하였기 때문에 난수성 에디와 동한난류간 상관성을 찾으려고 시도하였으나, 두 사례에서 동한난류의 강도와 난수성 에디 간 직접적인 관계성을 찾을 수는 없었다. 본 연구에서는 1년 이상 장기 지속된 두 개의 난수성 에디를 비교하면서 이들의 생성과 재강화, 소멸 과정을 기술하였다.
본 논문의 순서는 다음과 같다. 2장에서 연구에 사용한 자료 및 분석 방법에 대하여 기술하고, 3장은 재분석 자료에 모의된 동해에서 생성된 주요 난수성 에디의 생성 및 특성에 대하여 서술하였다. 4장에서는 3장에서 언급한 주요 결과들을 분석하였고 요약하였다.
2. 자료 및 방법
본 연구에서는 해면고도 위성자료와 수치모델 자료를 사용하였다. 해면고도 위성자료는 AVISO SSALTO/DUACS Delayed-Time Level-4 sea surface height (https://icdc.cen.uni-hamburg.de/fileadmin/user_upload/icdc_Dokumente/AVISO/hdbk_duacs.pdf) (이하 AVISO)로, 수평 해상도가 1/4°인 일자료이다. 이는 다수의 위성에서 수집한 관측자료를 기반으로 생성되었는데, 1993년 1월부터 2002년 2월까지는 Topex/Poseidon, 2002년 2월부터 2008년 10월까지는 Jason-1, 2008년 10월부터 2016년 6월까지는 OSTM/Jason-2, 2016년 6월부터 현재까지는 Jason-3 자료를 수집한 것이다. 해면 고도 이상(Sea Level Anomaly)자료는 1993-2013년 간 위성 자료를 바탕으로 하여 산출되었다.
모델 자료는 SST 위성자료 및 ARGO, XBT 등 해양관측자료가 동화되어 있는 Global Ocean Forecasting System (GOFS) 3.0의 HYCOM + NCODA Global Reanalysis & Analysis data (GLBu0.08) (이하 HYCOM) (Cummings, 2005; Cummings and Smedstad, 2013)이다. 모델의 공간해상도는 1/12°이고, 연직으로는 40개의 병합층으로 구성되어 있지만, Levitus 표준 수심으로 변환된 자료가 제공된다(https://www.hycom.org/dataserver/gofs-3pt0/reanalysis). 이 모델이 대한해협과 동해 순환특성을 잘 재현한다고 이미 보고하였기 때문에 이 모형 결과에 대한 검증은 따로 진행하지는 않았다(서 등, 2013; 홍 등, 2016).
장기간 지속된 난수성 에디를 특정하기 위해 다음과 같은 과정을 거쳤다. 첫째, 난수성 에디는 고기압성 순환을 일으키기 때문에 Fig. 1에 나타낸 것처럼 AVISO 및 HYCOM 결과에서 독립된 양의 해면 고도 이상(Sea Level Anomaly; SLA)이 1년 이상 계속 나타나는 경우를 찾아내었다. 둘째, 난수성 에디의 중심에서는 주변보다 수온이 높기 때문에 수온 연직 구조는 남북 방향 및 동서 방향 단면에서 모두 U자 또는 V자 형태가 나타나는지 확인하였다. 에디의 중심은 HYCOM 자료 상에서 양의 해면 고도 이상이 최대값이 나타나는 점으로 정의하였다. Lie et al.(1995)와 Shin et al.(2005) 등의 연구 결과를 기초로 9°C 등온선이나 34.15 psu 등염분선을 기준으로 수온이나 염분의 연직구조를 파악하였다. 셋째, HYCOM 해면 고도 이상의 최대값이 나오는 점을 중심으로 하여, 수심 100 m에서 고기압성 순환이 나타나는 경우를 장기간 지속된 난수성 에디로 정의하였다. 100 m는 수온의 계절변화 영향을 받지 않는 수온약층에 해당되는 수심으로, 해당 수심에서의 수온 분포는 표층의 해면고도 분포와 유사한 것으로도 알려져 있다(Tanioka, 1968; Moriyasu, 1972; Mitchell et al., 2005).
1993년부터 2017년 까지 자료를 분석하여 2003년과 2014년 겨울에 생성되어 위 세가지 조건을 모두 만족하며 장기간 지속된 난수성 에디 2개를 선정할 수 있었다. 이 에디를 생성 연도를 기준으로 WE03와 WE14라고 명명하고, 에디의 물리적 특성과 에디의 지속 기간을 분석하였다. HYCOM에서 모의된 두 에디들은 국립수산과학원 한국해양자료센터 정선해양관측자료(KODC data)의 106번 관측라인에서도 렌즈 구조의 등온선 구조로 실존함을 확인할 수 있었다. 모형의 계산이 시작된 1992년도는 분석에서 제외하였기 때문에, 반면에 많은 선행연구에서 언급된 WE92는 본 연구 대상에서 제외하였다.
3. 결 과
3.1 WE03의 발달과 소멸
2003년 여름철 이후 대한해협 서수도를 통과한 동한난류가 40°N 부근까지 북상 후 사행하였다. 2003년 11월부터 울릉도 북서쪽 해상에서 고온고염인 난수성 에디 WE03이 점차 발달하였다(Fig. 2). 2003년 11월, 에디는 38.1°N 및 130.6°E 부근 해상에 위치하였으며 에디의 중심부에는 평균 수온 18.3°C, 염분은 33.7-33.8 psu 가량의 균질한 수괴가 형성되었다. 에디의 지름은 약 150 km 이었으며 80 m까지 연직 혼합이 발생하였다. WE03의 표층 유속은 평균적으로 20~40 cm/s이었는데, 최대 유속은 42 cm/s로 에디 중심의 동쪽에서 나타났다. 수심 100 m의 유속은 평균적으로 10~20 cm/s인데, 표층과 마찬가지로 에디의 동쪽(23.5 cm/s)에서 최대 유속이 나타났다. 해당 시기의 동한난류의 유속은 40~60 cm/s로, 주축은 표층에서 20 m 사이에 존재하였으며 최대 유속은 68 cm/s였다(Fig. 2).
2003년 12월에는 에디 내부 수심 100 m까지 15°C의 균질한 수괴가 분포한다. 12월 염분 수평 분포도에서는 에디 중심의 염분이 주변보다 낮으나, 고염분수는 Shin et al.(2005)에 보고된 것처럼 이보다 깊은 150 m 층을 중심으로 나타나고, 이 아래에는 염분최소층이 나타난다(Fig. 3). 유속 분포도 에디 중심부를 기준으로 고기압성 에디의 특성을 잘 보여준다. 2003년 12월 연직 혼합으로 형성된 수괴는 2004년 3월까지 지속되었으며, 2004년 1월에 다시 한번 연직 혼합이 일어나면서 최대 규모로 발달하였다. 이 시기에는 평균 수온 13.3°C, 34.05 psu 가량의 동질한 수괴가 연직 120 m까지 나타났으며, 에디의 직경은 200 km 가량 되었다. 또한 표층에서의 에디 유속은 전반적으로 25~30 cm/s이었고, 최대 유속(44.6 cm/s)은 에디 남서쪽에서 나타났다. 수심 100 m에서의 에디의 유속은 15-25 cm/s, 최대 유속은 34 cm/s로 표층과 마찬가지로 에디의 남서쪽에서 나타났다(Fig. 4, Fig. 5).
WE03 중심부에 있는 균질한 수괴는 2004년 4월까지 지속되었으며 이후 표층부터 성층화가 진행되었으며 수평수직 규모가 줄어들었다가 2004년 겨울철 재혼합이 발생하면서 강화되었다. 2004년 4월부터 두번째 연직 혼합이 시작되는 2004년 11월 전까지 표층의 수온구조는 점차 성층화 된 구조가 나타났다. 수심 50 m 이하에서는 난수성 에디 특유의 수온 구배가 나타났다(Fig. 5).
2004년 겨울, WE03은 연직 혼합이 다시 발생하여, 2005년 1월 WE03의 직경은 150 km 가량까지 커졌다. 수심 130 m 부근까지 수온 13.2~13.5°C, 34.2 psu 가량의 동질한 수괴가 발달하였다. 당시 표층의 에디 유속은 30~40 cm/s 가량으로 나타났으며 에디의 동쪽 및 북서쪽(54.1 cm/s)의 유속이 강하였다. 수심 100 m에서 유속은 30 cm/s 내외였는데, 표층과 마찬가지로 에디의 동쪽 및 북서쪽에서 유속이 가장 컸다(39.9 cm/s). 이는 에디의 서쪽에서 강한 북향류 및 동향류가 작용한 결과이다. WE03의 두 번째 연직 혼합은 2005년 3월까지 지속되었으며 9.5°C, 34.2 psu 가량의 수괴가 150 m 수심까지 존재하였다(Fig. 5).
WE03은 2005년 4월부터 약해지다가 2005년 7월 소멸하였다. 이는 2005년 7월 남북 방향 수온 구조에서 렌즈 모양의 등온선 구조가 사라진 것을 통해 확인할 수 있다. 2004년에 비해 2005년의 WE03의 세력이 상당히 수축된 것을 확인 할 수 있다. 또한 2005년의 경우에는 울릉분지 내부에 간헐적으로 난수성 에디 또는 고기압성 순환이 발생하였다(Fig. 4).
해면 고도 이상으로 정의한 WE03의 중심은 주로 울릉도 북쪽 해역의 한국대지에 위치하고 있어(Fig. 6), 울릉분지를 벗어나서도 난수성 에디가 장기간 지속될 수 있음을 보여준다.
3.2 WE14의 발달과 소멸
2014년 9월부터 동한난류가 40°N까지 북상하였고 2014년 10월 경, 난수성 에디(WE14)로 점차 발달하였다(Fig. 7). 2014년 11월부터 38.4°N, 131.1°E 부근에 위치한 난수성 에디의 표층부터 혼합되기 시작하였고, 2014년 12월에는 표층에서 수심 100 m까지 15°C 가량의 수괴가 형성되었다(Fig. 8). WE14가 형성될 당시에 WE03과 마찬가지로 에디의 중심을 기점으로 상반되는 유속의 분포가 나타나는 등 전형적인 난수성 에디의 특성을 보인다.
2015년 1월 난수성 에디는 최대 규모로 발달하였다. 동서방향으로는 200 km, 남북방향으로는 150 km 내외의 크기로 수심 150 m까지 12~13°C, 34.15 psu 가량의 동질한 수괴가 나타났다. 이 시기 표층에서의 에디 유속은 평균적으로 20~40 cm/s 이었다. 최대 유속은 56.1 cm/s로 에디의 동남쪽에서 나타났다. 수심 100 m에서도 표층과 유사한 유속 분포를 보였다. 전반적으로 유속은 20~30 cm/s이었는데, 에디의 남쪽에서 최대 유속(41.1 cm/s)이 나타났다.
이러한 연직 구조은 2015년 3월까지 지속되다가 봄철을 지나면서 표층부터 점차 성층화가 진행되면서 약해지기 시작하였다. 2015년 겨울 혼합이 다시 발생하면서 WE14는 다시 강화되었고(Fig. 8), 14.5°C, 33.8 psu 가량의 동질한 수괴가 수심 80 m까지 나타났다. 이 시기 표층에서의 에디 유속은 전반적으로 20~40 cm/s이었는데, 최대 유속(57.2 cm/s)은 에디의 북쪽에 존재하였다. 수심 100 m에서도 표층과 유사한 유속 분포를 보였다. 전반적으로 유속은 20~30 cm/s이었고, 에디의 북쪽에서 최대 유속(35.7 cm/s)이 나타났다. 균질한 수층 구조는 2006년 3월까지 유지되었고 이후 표층부터 성층이 이루어지기 시작하였다.
2016년 4월 이후 WE14는 급격하게 수축하였으며, 2016년 8월 남-북 방향의 등온선 분포를 고려하였을 때 WE14는 소멸되었다고 할 수 있다(Fig. 9). 100 m 층 유속과 수온 염분 분포에서도 2016년 4월 이후 난수성 에디가 약해짐을 알 수 있다(Fig. 10). 2016년 9월에는 울릉분지 내에서 다시 난수성 에디가 형성되는데 8월에 일단 소멸되었다고 판단되기 때문에 이는 새로운 에디라고 할 수 있다. 해수면 고도 이상으로 정의한 WE14의 중심은 주로 울릉도를 중심으로 이동하는데 WE03처럼 특별한 규칙성을 보이지는 않는다(Fig. 11).
4. 토의 및 결론
수치모델인 HYCOM 자료를 기반으로 하여 동해에서 장기간 지속된 난수성 에디의 특성을 기술하였다. 동한난류가 40˚N 부근까지 북상 후 사행하면서 상대적으로 수심이 얕은 한국대지 인근 해역에 난수성 에디가 생성되었다. 겨울철 난수성 에디의 중심부에서는 연직 혼합이 발생하여 동질한 물성을 지닌 수괴가 상층 150 m가량 발달하였다.
HYCOM 자료에서 모의한 난수성 에디의 구조 및 특성은 선행연구에서 보고된 난수성 에디의 결과에 부합하였다. 선행연구에 따르면 울릉 난수성 에디(UWE)의 직경은 150~200 km, 최대 200 m까지 연직혼합이 발생하는 것으로 알려져 있으며 평균 유속은 24 cm/s, 최대 유속은 60 cm/s 이상으로 알려져 있다(Chang et al., 2004; Shin et al., 2005; Lie et al., 1995). HYCOM 자료에서 모의된 두 난수성 에디의 유속을 고려하였을 때 선행연구 결과에 부합한다. 연직혼합이 발생하던 시기의 WE03 및 WE14의 유속은 100 m 수심에서 20~40 cm/s으로 나타났다. WE03은 WE14에 비해 유속이 좀 더 강한데 이는 동한난류의 영향력이 반영된 결과로 사료된다.
두 난수성 에디 모두 겨울철 연직혼합이 발생한 시기에 그 세력이 가장 강하였으며, 연직혼합이 끝난 직후 표층부터 성층화가 발생하였고 약화되었다. 또한 WE14가 존재하였던 시기에는 간헐적으로 동한난류의 공급이 약해지거나 중단(201501, 201509)되기도 하였다.
겨울철에 생성된 난수성 에디는 봄철에 성층이 되면서 세력이 줄어든다. 만약 이러한 시기에 고온고염의 해류가 난수성 에디가 위치한 해역까지 도달하게 되면 에디의 특성이 유지되는데 기여할 수 있을 것이고, 이전 연구에서는 장기간 지속된 난수성 에디가 동한난류와 밀접하게 관련된다고 제시하여 두 시기의 대한해협 서수도를 통과하는 수송량을 비교하였다(Fig. 12). 이 그림에는 WE03과 관련해서는 2003년 7월부터 붉은색으로, WE14와 관련해서는 2003년 7월부터 녹색으로 2년간 서수도 수송량을 나타내었다. 검은색 선은 HYCOM의 평균 수송량이고 파란색은 WE03의 지속기간 동안 관측된 값(Fukudome et al., 2010)이다.
에디가 생성되는 2003년과 2014년에 가을 수송량은 HYCOM의 평균 수송량과 큰 차이가 없다. 서수도를 통과하는 온도 수송도 두 시기에 평균과 유의한 차이가 나타나지 않았다. 즉 동한난류가 강해야 에디가 생성된다는 것을 의미하지는 않는다. 에디가 생성된 두 시기에 동한난류가 평년보다 고위도까지 북상하였다. 그러나 동한난류가 북상한 모든 해에 장기간 지속된 난수성 에디가 생긴 것은 아니기 때문에 동한난류의 북상은 충분조건이 아닌 필요조건으로 판단된다.
이전 연구는 생성된 에디가 지속되기 위해서는 동한난류가 계속 열과 염을 공급해야 한다고 제시되었다. WE03 에디가 생성된 이듬해인 2004년의 수송량은 평년보다 크게 나타났다. 그러나 2004년 여름철(Fig. 4)에 한국 동해안을 따라서 열이 직접 공급된다는 흔적을 찾기는 어렵다. 2004년 10월의 온도와 유속분포는 대마난류의 주축과 상호작용을 하면서 난수성 에디의 동쪽에서 더운물이 공급되는 것을 보여 준다(Fig. 4). 만약 자료가 부분적으로만 존재하였다면 다른 에디나 대마난류와 상호작용을 하면서 생기는 온수 띠 등을 동한난류의 직접적인 영향이라고도 결론을 내릴 수 있을 것이다. 3차원 재분석 자료를 활용하여 전체적인 구조를 파악함으로, 기존에 제시된 결과가 부족한 자료 때문이라는 것을 파악할 수 있었다.
난수성 에디가 강화되는 2005년 1월에는 대마난류와 난수성 에디 사이에 새로운 난수성 에디가 하나 생겼고, 이 새로 생긴 에디와 울릉도 부근에 위치한 난수성 에디 그리고 대마난류가 상호작용을 하면서 2005년 봄철과 여름철을 지나면서 난수성 에디가 소멸되어 갔다. 난수성 에디가 다른 에디나 해류와 상호작용을 하면서 움직이기 때문에, 이동경로에 울릉도 주변에서 움직였다는 것을 제외하고는 특별한 규칙성을 보이지는 않았다.
WE14가 생성된 이듬해인 2015년에는 수송량이 평년에 비해 다소 약해 2004년에 비해서는 매우 작았다. 이런 경향은 온도 수송에도 나타난다. 다시 말하면 동한난류의 수송량이 크지 않아도 에디가 유지될 수 있다는 의미이다. 물론 열과 염이 동한난류를 통해 공급되겠지만 그 절대량의 변화가 에디의 생성이나 유지를 지배하는 요인은 아니라는 의미가 된다. WE14도 WE03과 같이 주변에 생기는 에디들과 상호작용을 하였다. 2015년 5월 WE14와 대마난류 사이에 조그만 난수성 에디가 생겼고 이 에디와 상호작용을 하면서 7월 경에는 WE14가 커졌다. 강화된 시계방향 순환에 의해 에디 동쪽에서 냉수가 유입되면서 9월에는 난수성에디가 대마난류로부터 분리되었다. 2016년 6월에는 WE14동쪽에서부터 쓰시마난류 상호작용을 시작하는 것을 볼 수 있다. 어떤 고정적인 지역에서 상호작용을 시작하는 것이 아니라 당시 에디의 위치와 해류의 위치에 따라 어떻게 상호작용이 진행될지 결정된다. 에디 간의 상호작용을 통해 에디가 합쳐지는 과정(Chang and Park, 2015)에 대한 자세한 기술은 이 연구의 범위를 벗어나지만, 에디의 생성과 소멸을 정량적으로 이해하기 위해서 앞으로 수행해야 할 연구주제이다. 상호작용 연구를 통해서는 에디가 물질교환에 어떤 역할을 하는지도 파악할 수 있을 것이다.
난수성 에디가 형성된 한국대지의 중심층에는 지형에 의한 시계방향 흐름이 존재하는 것으로 알려져 있다(Park et al., 2004). 이 중심층의 순환이 표층의 난수성 에디 형성에 기여할 개연성은 있으나 이 연구에서는 파악하지 못하였다. 비록 대마난류 혹은 동한 난류가 난수성 에디에 직접 열과 염을 공급하지는 않더라도, 난수성 에디의 열과 염은 대한해협을 통해서 공급된다. 본 연구에서 분석한 수치 모델 결과를 활용한다면 이 경로를 구체적으로 밝힐 수 있을 것으로 생각된다.
