I. 제목
우리나라 주변해역 해류도 개선 연구(I)
II. 연구의 목적
이 연구는 국립해양조사원 해수유동정보 서비스 향상 연구로 3차원 동해 해류(모식)도 제작을 위한 인공위성 고도계 자료와 표층수온 자료를 이용한 자료동화 수치모델을 수립하고, 우리나라 주변해역 해류도를 제작하는데 그 목적이 있다. 이를 통해 실수요자(해운업계, 해군 등) 요구에 부합하는 동해해류정보 정확도와 서비스 질을 향상시키고자 한다.
III. 연구내용
가. 3차원 동해 해류(모식)도 제작을 위한 3차원 수치모델 개선
o 동해 3차원 수치모델에 기상 재분석장(ECMWF) 또는 고해상도 기상모델(WRF) 결과값(기온, 기압, 상대습도, 바람, 단파복사)을 사용하여 2004년부터 2008년까지(5년) 수치모델을 수행.
o 개방경계 입력자료(수온, 염분, 해류, 해수면 높이)는 자료동화된 북서태평양 해양순환모델에서 추출하여 사용.
o 수행한 수치모델 수온·염분 결과를 이용가능한 정선 연직수온염분(CTD)자료와 ARGO float 자료와 비교하여 수온·염분의 수평·수직 분포를 검증.
o 수행한 수치모델 표층해류 결과를 인공위성 고도계 자료를 이용하여 생산한 표층해류와 비교하여 그 정확성을 검증.
o 동해 내부 해류가 자체적인 불안정성(instability)에 의해 변화하면서 동해 표층 해류의 연간 변화(inter-annual variation)를 일으킬 수 있는지를 조사.
o 바람과 대한해협 수송량의 연간 변동성이 동해 표층 해류의 연간 변화를 일으키는 기여도를 조사.
나. 3차원 동해 순환 모델에 표층수온과 연직수온 분포 자료를 동시에 동화하는 기법을 개발한다.
o 수치모델의 수평 격자 크기는 평균적으로 약 3 km 이내로 하고, 연직적으로 41층 이상을 갖는 3차원 해양순환모델을 사용.
o 해양 자료동화 방법은 3차원변분동화,앙상블 칼만필터 기법을 사용.
o 수치모델은 이용 가능한 정선 연직수온염분(CTD)자료, ARGO float 자료, 인공위성 관측 표층 수온자료를 1년 동화.
o 연직수온 분포 자료를 동화하였을 때 개선되는 해양요소들을 정리하여 제시.
o 자료동화 수치모델에서 산출된 표층해류를 인공위성 고도계 자료를 이용하여 생산한 표층해류와 비교·제시.
o 자료동화된 수치모델 결과로부터 평균역학지형 (Mean Dynamic Topography) 정보를 생산하고 자료동화하지 않은 수치모델 결과의 평균역학지형과 비교·제시.
다. 우리나라 주변 표층해류 모식도 개선
o 자문회의와 전문가 토론회 결과를 바탕으로 기 제작된 북서태평양 표층해류 모식도를 개선했다. 북서태평양 표층해류 전문가 토론회(3인)를 1회 개최.
o 기존 황해 해류 모식도를 분석하여 황해 해류 모식도를 제안.
o 전문가 토론회 결과를 바탕으로 동해 표층해류 모식도를 확정했다. 전문가 서면 자문을 받음.
o 국립해양조사원에서 발행한 항로지(동해안, 남해안, 서해안) 내용 중 해류부분에 대한 기술을 기존 해류(모식)도 제작 연구성과를 반영하여 수정.
o 중등과학교과서를 위한 동해, 황해, 북서태평양 해류 모식도를 제안.
o 우리나라 주변(북서태평양, 동해) 해류 모식도 제작 과정 및 해류 설명에 대해 국문과 영문 원고를 작성함.
o 주변국(일본, 중국) 국가기관에서 생산한 해류 모식도를 수집하고 분석·제시함.
IV. 사업결과
이 연구에서는 3차원 수치 모델을 이용하여 동한난류의 연간변동성을 만드는 원인을 분석하였다. 대기입력장과 개방경계자료를 평균계절변화 성분만 넣어서 모델을 수행(ITV, internal variability)하였다. 그리고 2004년부터 20008년까지 대기입력장을 대기모델로부터 구하여 변화하도록 하여 모델을 수행 (ATM)하고 개방경계조건을 매달 변화하도록 주어 모델을 수행(OBC)하였다. 관측자료와 모델 결과 사이의 Root Mean Square Difference(RMSD)를 계산하였다. SST의 RMSD는 OBC, ITV, Control, ATM이 1.75, 1.80, 1.91, 2.02℃ 로 관측자료와 유사하며, SSH는 OBC, Control, ITV, ATM이 0.0942, 0.1014, 0.1075, 0.1082 m로 관측자료와 유사하다. 하지만 모델과 인공위성 자료의 RMSD는 4개의 모델에서 큰 차이를 나타내지 않는다. 동해 자체 변동성(Internal Variability)이 큰 영향을 주기 때문에 나머지 모델에서도 큰 변화가 나타나지 않았다고 판단되며, 대기입력장이 매해 변화하여 들어가면 동해에 연간변동성이 커지며 관측자료와 멀어진다. 개방경계자료가 매해 변화하여 들어가면 동해에 연간변동성이 작아지게 하며, 모델이 재현한 수온과 해수면 높이, 해류가 관측 자료와 가까워진다.
Mean Sea Surface Height(Mean SSH)는 관측과 4개의 모델에서 모두 야마토 분지에서 높은 해표면 높이를 갖는다. SSH에서 평균 계절 변화를 제거한뒤 계산한 공간적인 RMS는 관측값에 비해 4개의 모델이 큰 변동을 갖는다. 인공위성 자료는 6주 smoothing을 한 자료이고, 모델은 1일 간격의 자료로 계산하였기 때문으로 사료 된다. 일본 연안 쪽은 ITV가 인공위성 자료와 유사하고, 동해의 서쪽은 Control 모델이 유사하다. OBC는 ITV의 변동성을 낮아지게 하고, ATM은 ITV의 변동성을 높아지게 한다. 각 모델의 연간변동성을 알아보기 위해 100 m 수심에서 10℃ 등은 선의 위치를 살펴보았다. ITV 모델에서도 동한표층순환의 연간변동성이 크게 나타나며, SSH RMS 분석 결과와 마찬가지로 OBC의 연간변동은 동해 내부 순환의 연간 변동성을 작게 만들어 주며, 대기의 연간변동성은 동해 내부 순환의 연간 변동성을 크게 만들어 준다. ITV모델의 Horizontal Viscosity를 1, 5, 20 m²/s로 주어 수행 하였다. 수평 점성계수가 20 ㎡/s일 때 동해 북쪽의 변동성을 작아지게 하며, 관측치와 가장 유사한 결과를 나타낸다.
나. 3차원 동해 순환 모델에 표층수온과 연직수온 분포 자료를 동시에 동화하는 기법을 개발.
표층 수온과 연직 수온, 염분 자료를 동화하기 위하여 순차적 자료동화 기법 중의 하나인 앙상블 칼만 필터를 사용하였다. 표층 수온 자료는 수평 간격 25 km로 구성 된 NOAA NCDC AVHRR AMSR OI 자료를 사용하였으며 KODC, JODC, GTSPP 연직 수온, 염분 자료을 사용하였다. 수평 격자 간격이 3 km로 작은 해양 순환 모델에 25 km 수평 격자로 평활화(smoothing)된 표층 수온 자료를 동화함으로써 자료 동화된 모델의 표층 수온 분포가 더 부드럽게 변화하였다. 자료동화 전에 많고 강한 에디가 자료동화 함으로써 줄어들었으며 수직수온분포도 관측자료와 매우 유사하게 분포하였다. 앙상블 멤버의 결과들이 서로 가까워져서 앙상블 발산(ensemble divergence)하는 것을 방지하기 위하여 각 멤버들의 점성계수, 경계조건, 그리고 대기 외력장을 무작위로 변화하는 모델에러를 갖는 multi-model ensemble를 적용하였다. 1년의 자료동화 수행에도 자료동화가 잘 수행되는 것을 살펴볼 수 있었다. 자료 동화를 하는 데 16개의 멤버를 사용하여 동해의 해수면 높이, 수온, 염분, 해류를 계산하고 각 변수간의 공분산을 계산하는 과정에서 수퍼 컴퓨터의 빠른 계산 기능, 많은 중앙처리장치 (CPU) 수 그리고 큰 메모리가 필요하였다.
다양한 동해 해류도들을 하나로 통일하기 위하여 해류도 제작의 기본적인 틀과 방법을 제안하였다. 과학 연구 논문에서 제시한 주요 해류도의 도법을 통일하였으며 동해의 난류와 한류들의 수치화된 정량적인 위치 정보를 추출하였다. 대한 해협에서 대마난류의 분지 양상, 대마난류의 일본연안분지 및 외해분지, 동한난류의 연안거리 및 북상한계, 쓰가루해협, 소야해협을 통한 대마난류의 유출 양상 과 환류, 리만한류 및 북한한류의 분포 양상 등 해류도 제작을 위한 분석 항목들을 선정하였다. 해양 현장관측을 기반으로 형성된 해양학자들의 과학적 전문지식과 연구결과들을 활용하여 동해 해류도 초안을 제작한 후 이를 바탕으로 국내 학회 회원들을 대상으로 동해 해류도 초안에 대한 의견을 묻는 설문조사를 실시하였다. 또한 2013년 춘계 해양학회 특별세션을 기획하여 토론회를 통해 학회의 의견을 수집하였으며 해양학자들과의 수차례에 걸친 논의를 통하여 일련의 동해 해류도를 제작하고 수정하는 과정을 반복하였다. 최종적으로 해류도에 대한 학계 해류 전문가들의 평가와 의견을 모았으며 이를 최종해류도 제작을 위하여 해류도를 수정하는데 활용하였다. 향후 교과서 해류도 제작과정에서의 오류를 방지하기 위하여 완성된 동해 해류도 결과를 디지털화하여 위·경도 좌표 정보를 제시하였다. 본 연구는 황해와 북서태평양을 포함한 우리나라 주변해의 종합적인 해류도를 완성하기 위한 첫 걸음이며 향후 중등학교 교과서 해류도 완성을 위한 해양학자들의 관심을 촉진하는 계기가 될 것으로 기대된다.
V. 결론 및 제언
우리나라 주변 해류도를 제작하기 위하여 관측자료에 근거한 과학적 자료를 수집하여 동해의 해류 모식도를 제작하였다. 또한 수치모델을 통하여 동해의 3차원적인 순환의 변화를 일으키는 물리적 원인들을 찾는 연구를 수행하였다. 이러한 연구는 동해의 해류를 역학적으로 이해하고 해류도를 제작하는 데 큰 도움이 되는 자료를 제공하고 있다. 동해의 중층과 심층의 순환에 관한 관측자료가 표층 관측자료보다 상대적으로 작아서 관측자료만으로는 전체적 해류도를 만드는 데 한계가 있다. 이러한 이유로 3차원 해양순환모델에 해양 관측자료를 동화 (assimilation)하는 연구가 수행되어야한다. 특별히 잘 개선된 해양순환모델에 과거 관측자료를 동화하여 만들어낸 재분석 자료(reanalysis data)는 동해의 표층, 중층 및 심층 순환을 이해하는 데 큰 도움이 될 것이다. 북서태평양의 경우는 외국의 다양한 관측자료와 연구논문들을 조사하여 북서태평양 해류 모식도 초안을 개선하였다. 황해의 해류는 아직 관측자료가 많지 않지만 과거의 연구들과 최근까지의 관측자료들을 조사하여 황해 해류 모식도 초안을 계절별로 작성하였다. 황해의 해류도 작성을 위해서는 해류관측과 황해 순환에 대한 역학적 연구가 정부주도로 지원되어 수행되어야할 것으로 사료된다.