1. 서 론

제주도 서부해역은 황해와 동중국해 및 남해를 연결하는 길목으로 다양한 수괴가 분포하면서 복잡한 물성 구조를 나타낸다. 이 해역을 통과하는 해수는 제주 해협과 황해로 유입되어 제주도를 포함한 남해안과 서해 연안의 해양 생태계 및 해양환경 변화에 큰 영향을 미치기 때문에 제주도 서부해역의 수괴 분포와 그와 관련된 물리적 특성 변화를 파악하는 것은 한반도 주변해역의 해양 환경 변화를 진단하고 예측하는데 있어 중요하다(Pang et al. 1992; Yang et al. 1999; Park et al. 2017).

제주도 서부해역은 대마난류수의 일부가 제주도를 우회하여 제주 해협으로 향하는 제주난류수의 영향을 연중 받으며, 수괴분포는 계절적으로 뚜렷한 변화를 나타낸다(Lie 1986; Kim et al. 1991; Lie et al. 2000; Suk et al. 2000). 겨울철 염분 34 psu 이상의 고염인 제주난류수는 강한 계절풍의 영향으로 북서쪽으로 확장되어 제주도 북서부해역 전역에 걸쳐 넓게 분포하는 반면 여름철에는 겨울에 비해 남동 방향으로 축소되며 표층 저염수의 유입으로 인해 저층에만 분포하는 특징을 보인다(Kondo 1985; Lie et al. 2001). 또한 제주난류수의 후퇴와 동시에 황해로부터 남하하는 저온·저염의 해수가 저층에서 열·염전선을 형성한다. 냉수의 기원수인 황해저층냉수는 겨울철 강한 수직 혼합을 통해 수직적으로 혼합된 차가운 수괴가 여름철 강한 성층화로 인해 수온 약층 아래에 차가운 수온을 유지하는 수괴이며, 여름철 황해 중앙으로부터 남하하여 제주도 남서부해역까지 확장하는 것으로 보고되었다(Hur et al. 1999; Zhang et al. 2008; Moon et al. 2009a; Park et al. 2011). 특히 황해냉수는 전년도 기온과 표층 수온에 따라 매년 남하하는 해역의 범위가 달라지는 경년 변동을 나타내며(Zhang et al. 2008; Yang et al. 2014), 최근 관측자료를 활용한 연구에서 황해냉수로부터 기원한 저온·저염수가 봄철에 이미 제주도 서부해역까지 남하하며 열·염전선이 형성되는 것을 확인하였다(김 2020). 여름철 제주도 서부해역은 제주난류수와 황해냉수 이외에 양자강 희석수의 영향을 받아 표층 염분이 급격히 낮아지며, 그 강도는 바람의 세기, 방향, 양자강의 유출량에 따라 매년 다른 이동 경로를 나타낸다(Moon et al. 2009b, 2012, 2019; Hong et al. 2016).

물성이 다른 수괴가 만나서 혼합이 발생하는 해역은 열·염전선이 형성되며, 동시에 수온역전 현상을 동반하는 경우가 빈번하게 발생한다(Nagata 1967; Kim and Cho 1982; Kang 1983). 겨울철 황해남부해역은 쿠로시오 기원의 난류수와 황해 연안수가 만나 혀모양의 뚜렷한 열·염전선을 강하게 형성하기 때문에 수온역전 현상이 빈번히 관측되는 해역이다(Lie et al. 2015). Lie et al. (2019)는 겨울철 흑산도 해역의 열·염전선에서 남쪽의 밀도가 높은 난류수가 황해의 차가운 연안수 아래로 유입되면서 대역전 현상이 발생하며 봄철까지 지속될 수 있다고 보고하였다. 최근 해양모델링과 관측자료분석 결과는 겨울철 강한 북서계절풍에 의해 황해 및 제주난류수의 일부가 간헐적으로 황해 골을 따라 북향하면서 수온대역전이 발생함을 보였다(Pang et al. 2017; Lie et al. 2019). 반면에 제주도 서부해역은 겨울철 제주난류수의 북상으로 인해 뚜렷한 열·염전선과 수온역전 현상이 관측되지 않지만 봄철 제주도 서부해역에는 강한 열·염전선이 형성되어 수온역전이 발생하는데 좋은 조건이 형성된다. 그럼에도 불구하고 봄철 제주도 서부해역에서의 열·염전선 형성과 그와 관련된 수온역전 현상에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 최근에 김 (2020)은 2015년 4월 제주도 서부해역에서의 XBT 관측자료를 분석하여 고온의 제주난류수가 남하하는 황해냉수의 아래로 침투하면서 수온역전이 발생한다고 분석한 바 있지만 1회의 관측결과를 통해 봄철 제주도 서부해역의 열·염전선 특징과 수온역전 현상을 이해하기엔 여전히 부족하다. 특히, 황해냉수의 남하는 경년 변동성을 갖기 때문에 전선역의 형성과 수온역전의 발생이 매년 다른 특징을 보일 수 있어 지속적인 연구가 필요하다(Yang et al. 2014).

본 연구에서는 봄철 제주도 서부해역의 수괴 및 열·염전선의 분포와 그와 관련된 수온역전의 발생 특징을 파악하기 위해 2017년부터 2021년까지 총 5년에 걸쳐 제주도 서부해역에 대한 상세 현장 관측을 수행하였다. 봄철 제주도 서부해역의 수괴 분포와 열·염전선의 구조를 정량적으로 분석하기 위해 혼합비율 분석을 수행했으며, 열·염전선과 수온역전의 경년 변화와 그 원인을 분석하였다.

2. 자료 및 방법

조사 해역은 제주도 서부 해역으로, 제주도에서 서쪽으로 대략 80 km 이내에서 총 21개의 정점에서 CTD (SBE 911 plus) 관측을 수행하였다. 열·염전선과 수온역전 현상의 상세구조를 파악하기 위해 관측정점의 간격은 동서로 약 12 km, 남북으로 7 km로 조밀하게 지정했으며, 관측 해역은 위도 33.2–33.7°N와 경도 124.6–126.2°E 범위에 대해서 수행되었다. 해양조사 관측은 제주대학교 실습선인 제라호를 이용하여, 2017년부터 2021년까지 5년간 봄철에 수행되었다. 관측 일자는 2017년 5월 29일–30일, 2018년 5월 10일–11일, 2019년 5월 2일–3일, 2020년 6월 1일–2일, 2021년 5월 13일–14일로 늦봄 시기에 이루어졌다. 다른 해와는 다르게 2020년의 경우는 실습선의 일정 문제로 12개의 정점에서만 관측이 진행되었다(Fig. 1).

Fig. 1.

Station of CTD measurement and bathymetry (m) in the western region of Jeju Island. Black dotted rectangle indicates station in 2020. The yellow line and orange line indicate the WE line and NS line, respectively

제주도 서부해역에서 발생하는 수온역전 현상과 수괴분포의 특징을 파악하기 위해 수온역전이 일어나는 층내에서의 수온 차(ΔT)가 0.1°C 이상이고, 그 역전층의 두께(ΔD)가 10 m 이상인 경우를 수온역전층의 기준으로 분석을 진행하였고(김 2020), 정량적인 수괴분포를 파악하기 위해 혼합비율(mixing ratio) 분석을 적용하였다. 혼합비율 분석은 각각의 수괴가 독립적으로 분포하는 것이 아니라 수평 및 수직방향으로 수괴사이에서 주로 혼합이 이루어진다고 가정하며, 수온과 염분이 동시에 하나의 해수특성으로 반영된다(Miller 1950). Pang and Oh (2000)는 이러한 혼합비율 분석을 사용하여 황·동중국해에서 제주난류수 및 황해냉수의 계절변화를 파악하는데 적용하였다. 혼합비율을 통한 수괴분석을 하기 위해서는 해수 특성이 뚜렷한 근원 수괴(source water mass)의 대표값을 설정해야 한다. 이를 위해 봄철 제주도 서부해역에서 관측된 5년간의 자료를 T-S도에 나타냈다(Fig. 2a). T-S도상에서 제주도 서부해역은 고온·고염의 제주난류수(Jeju Warm Water), 저온저염의 황해냉수(Yellow Sea Cold Water, YSCW), 그리고 고온·저염의 양자강희석수(Changjiang Diluted Water, CDW)로 크게 3개의 수괴로 구분된다. 혼합비율 계산을 위해 4개의 근원수괴가 필요하며, T-S도에 나타낸 바와 같이 봄철에는 성층화로 인해 제주난류수의 표층수와 저층수의 수괴 특성이 구분될 수 있기 때문에 제주난류수를 표층수(Jeju Surface Water, JSW)와 저층수(Jeju Deep Water, JDW)로 분리하여 4개의 근원수괴를 정의하였다. 혼합비율을 구하기 위해서는 이들 4개의 수괴를 대표하는 특성값을 정해야 하는데, 이 때의 대표값은 각각의 수괴특성을 최대한 포함할 수 있는 극한값들로 선정해야 한다. 따라서 근원수괴의 대표값은 T-S도 상에서 관측값을 최대로 둘러싸는 점들로 지정하였고(Fig. 2a), Table 1에 4개의 근원수괴를 나타내는 대표값을 제시하였다. 혼합비율은 T-S도 상의 임의의 해수에서 각 수괴에 대한 거리를 계산함으로써 얻어진다. 임의의 해수 P가 4개의 수괴의 혼합으로 이루어진다고 가정하고, 각 수괴 대표값의 지점을 A, B, C, D라고 하였을 때(Fig. 2b), 각 혼합비율을 f_a, f_b, f_c, f_d라 한다. 직선 AB와 직선 DC를 m:n으로 나누고 직선 AD와 직선 BC를 k:l로 나누면 점 P에서 l(nf_a + mf_b) + k(mf_c + nf_d) = 1이고, f_a, f_b, f_c, f_d는 각각 l·n, l·m, k·m, k·n이 된다(여기서 m + n = 1이고, k + 1 = 1). 계산식에 대한 더 자세한 설명은 Pang and Hyun (1998)에 제시되었다.

Fig. 2.

(a) T-S diagram of all CTD data during 2017–2021 and four source water masses. (b) Diagram representing how to determine mixing ratios of four water masses under the circumstances of (a). Their representative name and values are listed in Table 1

수괴분포의 경년 변화와 황해의 계절적 순환과의 관계를 파악하기 위해 국립수산과학원의 해양 정선관측자료와 ECMWF (European Centre for MediumRange Weather Forecasts)의 바람자료를 분석하였다. 해양정선 관측자료의 경우 격월로 수행되며 본 연구결과와의 비교를 위해서 2017년부터 2021년까지 4월에 관측된 수심 50 m에서의 수온과 염분 자료를 이용하였다. 바람자료는 ECMWF의 ERA5 월평균 재분석장 자료를 사용하였으며, 2017년부터 2021년의 5월 10 m에서의 바람 자료를 사용하여 분석하였다(Hersbach et al. 2019).

3. 결과 및 토의

수온과 염분의 수평 및 수직 분포

연구 해역의 물성 구조를 파악하기 위하여 수온과 염분의 수평 및 수직 분포를 분석하였다(Figs. 3, 4, 5). 2017년부터 2021년까지 표층(수심 10 m)에서의 수온 분포는 14℃–18℃사이의 범위로 연구해역이 수평적으로 거의 균일한 분포를 보이는데, 이는 봄철 표층 가열로 인해 표층의 수온이 전반적으로 상승했기 때문이다. 표층에서의 염분은 2017년과 2020년에 32.5 psu이하의 저염분수가 연구해역에 나타나는 특징을 보이며, 그 외 관측결과에서는 34 psu 이상의 염분이 지배적으로 나타난다. 중국 양자강 하류 대통(Datong)에서의 유량 관측 자료에 의하면, 2017년과 2020년의 경우 4월의 양자강 유출량이 최근 20년간 4월 평균 유출량보다 약 20–25% 정도 많았으며 이로 인해 관측 시기인 6월초에 저염분수의 영향을 받은 것으로 판단된다. 반면 2018년, 2019년, 2021년의 경우 양자강 유출량이 적었고 관측시기가 상대적으로 빨라 제주도 서부해역까지 양자강 희석수의 영향이 적었던 것으로 보인다(Fig. 3).

Fig. 3.

Horizontal distributions of temperature (left) and salinity (right) at 10 m depth from (a) 2017 to (e) 2021

Fig. 4에 제시된 수심 50 m에서의 수온과 염분 분포는 표층과는 다르게 남서-북동 방향의 뚜렷한 열·염전선이 나타난다. 2018년을 제외한 모든 관측 해에서 2°C이상의 수온 차와 0.5 psu이상의 염분 차를 보이는 강한 열·염전선이 관측 정점의 북서해역에서 관측되었다. 2018년의 경우 수온 차이가 1℃정도로 약한 수온 전선이 연구 해역의 북쪽 가장자리에 국한되어 나타나며 염분 차이 또한 0.5 psu 이하로 강한 전선은 관측되지 않았다. 5년간 열·염전선의 형태는 비교적 저온·저염의 해수가 관측 정점의 북서쪽에 분포하고 따뜻하고 고염인 해수가 남동쪽에 분포하는 경계에서 형성되며, 매년 열·염전선의 형성 위치에서 차이를 보인다. 수평분포에서 나타난 것처럼 수온과 염분의 수직 분포에서도 연구 해역의 북서쪽에서 비교적 저온·저염의 특성을 가진 해수가 분포하고 남동쪽에서 고온·고염의 특성을 가진 해수가 분포한다(Fig. 5). 열·염전선이 강하게 나타난 2017년, 2019년, 2020년에는 연구해역 북서쪽에 분포하는12℃의 저온수와 남동쪽에 분포하는 14℃이상의 고온수가 만나는 경계 부근에서 수온역전 현상이 발생한다. 특히 2017년은 냉수가 제주도를 우회하며 지나가는 제주난류수의 영향을 받아 동쪽으로 빨려 들어가는 듯한 형태가 나타나며 강하고 두꺼운 수온역전이 수심 30–50 m 깊이에서 넓은 정점에 걸쳐서 발생하였다. 2019년은 북서쪽의 수심 30–60 m 사이에서 냉수가 난류수 아래로 관입하면서 저층에서 수온역전 현상이 발생하는 특징을 보인다. 2020년의 경우 12–13℃의 냉수가 중층에서 남동쪽으로 폭넓게 분포하며 저층에서 수온역전 현상이 발생했는데, 이는 다른 해와 비교해서 저온수가 더 남동쪽으로 확장된 것으로 보인다. 반면 2018년과 2021년의 경우는 14℃이상의 난류수가 다른 해와 비교해서 북서해역으로 확장하는 분포를 나타내며, 표층으로부터 30 m 이내에 수심에서 저온·저염수가 난류수로 관입되면서 비교적 얕은 수온역전이 발생한다(Fig. 5a and c).

Fig. 4.

Same as Fig. 3, but at 50 m depth

Fig. 5.

Vertical sections of (a, b) temperature and (c, d) salinity at lines NS and WE from 2017 to 2021. The lines are marked in Fig. 1. Red boxes indicate the locations where the temperature inversion occurred

염분의 수직 분포는 33.5 psu이하의 저염수와 34.0 psu이상의 고염수가 수온의 수직 분포에서 보인 냉수와 난류수의 남서-북동으로 대칭적인 구조와 유사한 형태로 나타난다. 연구해역의 북서쪽 저염수가 존재하고 남동쪽에 고염수가 분포함으로써 염분전선이 형성되는 해역에 주로 수온역전 현상이 발생한다. 수온과 염분 분포를 통해 확인한 봄철 제주도 서부해역의 물성구조는 남동해역의 고온·고염수와 북서해역의 저온·저염수가 만나서 열·염전선을 형성하는 특징을 보이고, 이 전선역에서 저온수가 주로 중·저층을 통해 난류수로 관입하면서 수온역전 현상이 발생한다. 이러한 난류수와 저온수의 확장분포에 따라 열·염전선역의 위치가 해마다 다르게 나타나는 특징을 보인다.

수온역전의 특징

전선역에서 주로 발생하는 수온역전 현상의 특징을 분석하기 위해 수온역전의 세기와 두께에 대한 수평 분포를 Fig. 6에 나타내었다. 수온역전의 세기는 수온역전층이 시작되는 수심의 수온과 끝나는 수심의 수온 차로 계산되고(ΔT, °C), 두께는 수온역전층의 시작 수심과 끝나는 수심의 차이(ΔD, m)로 계산된다. 5년간의 봄철 관측결과는 수온역전 현상이 발생하는 위치와 강도가 연도별로 다른 특징을 보여준다.

Fig. 6.

Horizontal distributions of intensity (right) and thickness of temperature inversion (left panels) occurred in the western seas of Jeju Island from (a) 2017 to (e) 2021

2017년과 2020년 조사에서는 조사정점의 약 50% 정도에서 수온역전 현상이 발생해 가장 넓은 범위를 차지하였다. 일부 정점에서 수온역전층의 두께는 20–30 m로 나타났고 그 강도는 1.5°C–1.7℃ 범위로 두껍고 강하게 발생한 특징을 보였다(Fig. 6a and d). 다른 해의 경우에는 조사정점의 9–23% 정도에서만 수온역전 현상이 나타나 국지적인 분포 형태를 나타낸다. 특히 13°C의 수온이 정점의 극히 일부분에 존재하였던 2018년의 경우 두께가 15 m 이하, 세기가 0.7°C 이하로 나타나 관측기간 중 수온역전이 가장 약하고 얕게 발생하였다(Fig. 6b). 2019년도의 경우 북서부 해역에 국지적으로 수온역전 현상이 발생했지만, 역전층의 두께가 30 m이상이고 강도가 1.5°C정도로 강한 수온역전 현상이 발생했음을 확인할 수 있다(Fig. 6c). 이는 조사해역의 북서쪽 가장자리 정점에서 11°C의 차가운 해수가 존재하면서 수온역전의 강도가 강하게 발생한 것으로 보인다(Fig. 4c). 2018년과 2021년의 경우는 앞서 언급한 것처럼 전선역에서 발생하는 전형적인 수온역전이 아니라 상층의 난류수에서 일시적으로 역전현상이 나타났기 때문에 전반적으로 역전층의 두께가 10 m이하로 얕은 특징이 나타난다.

수온역전 현상이 발생한 해역은 수온 및 염분의 수평분포에서 볼 수 있었던 열·염전선의 형성 위치와 전반적으로 유사한 위치에서 발생하는데, 이러한 분포는 열·염전선과 수온역전 현상이 밀접한 관련이 있다는 선행 연구들의 내용을 뒷받침한다(Nagata 1967; Kim and Cho 1982; Kang 1983; Lie et al. 2015, 2019). 특히 차가운 해수가 난류수로 관입되는 정도에 따라 수온역전의 발생 위치와 강도 및 두께에 직접적인 영향을 주기 때문에 전선역에서의 수괴분포는 수온역전 발생의 중요한 요인이 된다.

혼합 비율 분석

앞서 언급한 바와 같이 전선역에서의 수괴분포는 수온역전 발생에 중요한 역할을 한다. 여기서는 열·염전선을 형성하는 수괴들의 보다 정량적인 분석을 위해 혼합비율 분석을 수행하였다(Figs. 7, 8, 9, 10, 11). 수괴들 각각의 혼합비율을 계산하기 위해 제주난류수를 JSW와 JDW로 분리하였지만, 연구해역에서 난류수 전체가 차지하는 분포범위를 파악하기 위해 JSW와 JDW의 비율을 합쳐서 공간분포에 제시하였다. Fig. 7에 표층(10 m)의 각 수괴들의 혼합비율을 수평분포로 나타냈다. 5년간의 관측기간 동안 표층에는 주로 50% 이상의 제주난류수(JSW+JDW)가 연구해역 전반에 폭넓게 분포하지만, 2017년과 2020년의 경우는 연구해역의 서부에서 양자강희석수의 비율이 높게 나타난다. 특히 2020년의 경우 양자강희석수의 비율이 80%를 차지하면서 양자강으로부터 유출된 저염분수가 봄철에 이미 제주도 서부해역에 영향을 주었음을 보여준다.

Fig. 7.

Horizontal distributions of mixing ratio (%) of source water masses at 10 m depth from (a) 2017(a) to (e) 2021

수심 50 m에서는 양자강희석수의 비율이 급격하게 감소하는 반면에 황해냉수(YSCW)의 분포비율은 증가하는 특징을 나타낸다(Fig. 8). 황해냉수의 비율은 2017년과 2020년에 조사정점의 북서해역에서 50% 이상 차지하며, 이는 수심 50 m 수온의 수평분포에서 나타난 수온전선의 분포양상과 일치한다(Fig. 4). 혼합비율의 수직분포에서도 북서해역의 황해냉수가 수심 약 30 m 이상의 저층에서 남동해역으로 확장되는 분포가 뚜렷하게 나타난다(Fig. 9). 2020년의 경우 황해냉수가 남동쪽으로 가장 확장되어 대부분의 관측정점에서 60% 이상의 비율을 차지한다. 2019년은 황해냉수가 조사정점의 북서해역에 국한되어 높은 비율을 보이며, 수직으로는 30–60 m층에서 70% 이상의 비율로 나타난다. 이와는 다르게 2018년도는 모든 조사정점에서 황해냉수의 비율이 30% 이하로 5년의 관측기간 중에서 가장 낮은 비율을 나타내며, 2021년의 경우도 조사정점의 남동해역에서 황해냉수의 비율이 10%에 불과하다. 반면 제주난류수는 이러한 황해냉수의 분포구조와 대조적인 분포를 보이면서 매년 연구해역의 남동해역에서 높은 비율을 차지한다. 이는 황해냉수가 남동해역으로 확장하거나 북서해역으로 축소될 때, 제주난류수는 이와는 반대로 남동해역으로 축소되거나 북서해역으로 확장되는 것을 나타낸다. 두 수괴의 비율은 각 관측 연도의 수온 및 염분 50 m 수평 분포에 나타난 열·염전선과 유사한 위치에서 경계를 이루며, 수온역전현상 또한 이들 수괴의 경계에서 높은 비율의 황해냉수가 제주난류수로 관입되는 과정에서 발생한다.

Fig. 8.

Same as Fig. 7, but at 50 m depth

Fig. 9.

Vertical sections of mixing ratio of (a, c) YSCW and (b, d) JSW+JDW at lines NS and WE from 2017 to 2021. Red boxes indicate the locations where the temperature inversion occurred

경년별 수괴비율의 변화를 파악하기 위해 연도별 각각의 수괴가 차지하는 비율을 Fig. 10에 제시하였다. 수괴비율의 수평분포에 제시된 것처럼 양자강희석수는 봄철 연구해역에 큰 영향을 미치지 않지만, 2017년과 2020년의 경우 양자강으로부터 저염분수가 북서해역 표층으로 유입되어 상대적으로 높은 수괴비율이 나타난다. 2017년과 2020년도의 저층에서는 황해냉수가 연구해역으로 확장하면서 제주난류수와 열·염전선을 강하게 형성한다는 것을 확인할 수 있다(Figs. 8, 9). 그 결과 연구해역에서 YSCW가 차지하는 비율은 상대적으로 높고, YSCW와 JDW+JCW가 만나는 전선역에서 수온역전 현상이 다른 해보다 비교적으로 강하고 두껍게 형성되는 특징을 나타낸다. 이와는 대조적으로 2018년도의 경우는 황해냉수가 연구해역을 차지하는 비율이 관측기간 내에서 최소(~18%)를 나타내며, 제주난류저층수(JDW)의 영향은 최고비율을 차지한다. 이 시기 황해냉수가 남쪽으로 확장되지 못하면서 제주난류수가 연구해역에서 높은 비율을 차지하고, 그 결과 연구해역 내에서 열·염전선이 강하게 형성되지 못해 저층에서 발생하는 수온역전 현상이 일어나지 않는다. 2019년의 경우 연구해역 내에서 제주난류저층수가 차지하는 비율은 높게 나타나지만(~48%), 조사정점의 북서해역에 황해냉수가 국지적으로 분포하면서 25–30%정도의 비율을 차지하며 2018년과 2021년의 황해냉수의 비율보다 높다(Fig. 8, 9). 전체 관측기간 동안 평균된 각각의 수괴들의 비율(Fig. 11a)은 제주난류수(JSW+JDW)가 64%, 황해냉수가 24%, 양자강희석수가 12%로 봄철(5월) 제주도 서부해역은 전반적으로 고온·고염의 제주난류수의 영향을 지배적으로 받고 있으며, 황해로부터 저층의 냉수대가 확장되는 정도에 따라 연구해역 내에서 제주난류수가 차지하는 범위가 달라진다. 황해냉수의 확장으로 제주난류저층수와 만나는 경계에서 강한 열·염전선이 형성되고, 그로 인해 수온역전 현상이 발생하는 강도와 두께가 강화된다. 관측기간 동안 평균한 수온역전층 내에서의 수괴 비율에서 제주난류저층수의 비율은 연구해역 전체 평균비율과 비교해서 비슷한데 반해 황해냉수의 비율은 평균보다 증가한다(Fig. 11b). 이는 제주도 서부해역에서 발생하는 봄철 수온역전 현상이 제주도를 우회하여 흐르는 제주난류수의 중층으로로 황해냉수가 관입되면서 발생하고 있음을 뒷받침하는 결과이다.

Fig. 10.

Mixing ratio (%) of four source water masses in the western seas of Jeju Island from (a) 2017 to (e) 2021

Fig. 11.

Mixing ratio (%) of four source water masses averaged for 5 years (a) at all station and (b) at temperature inversion layer

수괴분포의 경년 변화

연도별 황해냉수와 제주난류수의 공간적인 분포비율을 시각화하기 위해 황해냉수 비율의 50% 경계선과 제주난류수 비율의 50% 경계선을 Fig. 12a와 b에 각각 제시하였다. 두 수괴의 경계선이 놓인 위치는 앞서 언급한 것처럼 황해냉수가 남동방향으로 확장할 경우 제주난류수는 제주도 서부연안 가까이 후퇴하는 경년 변동을 나타낸다. 황해냉수의 확장이 가장 뚜렷했던 2020년의 각각의 경계선은 제주도 서부연안에 가장 가까이 위치하고, 다음으로 2017년, 2019년, 2021년 순으로 연구해역의 북서해역으로 이동한다. 2018년도는 연구해역 내에 황해냉수의 확장이 나타나지 않아 두 수괴의 경계는 나타나지 않는다. 봄철 제주도 서부해역에 나타나는 수괴비율의 경년 변화는 황해 중앙 골을 따라 난류수와 냉수대가 확장과 축소를 반복하는 황해 해수순환의 계절변화와 밀접한 관련이 있다. 겨울철에 고온·고염의 해수가 황해남부입구까지 확장되고, 여름철에는 확장됐던 난류수가 제주도 남동해역으로 후퇴함과 동시에 황해저층을 따라 냉수대가 제주도 남서해역까지 확장하는 계절변화를 나타낸다(Kondo 1985; Lie et al. 2001). 봄철은 겨울철 확장했던 고온·고염수가 후퇴하고 황해냉수가 남하하는 전환기로 연도별 해수들의 확장 및 후퇴 정도에 따라 본 연구에서 제시된 제주도 서부해역에서 차지하는 수괴분포 비율이 다르게 나타날 수 있다.

Fig. 12.

50% mixing lines of (a) cold water (YSCW) and (b) warm water (JDW+JSW) at 50 m depth from 2017 to 2021

봄철 황해의 전반적인 해수분포 변화를 확인하기 위해 국립수산과학원의 해양정선 관측자료를 분석하였다. 정선관측자료는 관측정점의 간격이 넓어 연구해역인 제주도 서부해역에서의 상세 수괴분포 변화를 확인하기에 어려움이 있지만, 연도별 수괴의 확장 및 축소와 그에 따른 열·염분전선의 구조에 대한 전반적인 변화양상은 파악할 수 있다. 수심 50 m의 수온 및 염분 수평 분포의 가장 두드러진 차이는 2018년과 2021년의 수온과 염분 분포에서 모두 나타나는데, 다른 해와는 달리 이 두 해에는 고온·고염의 해수가 황해 골을 따라 여전히 황해로 유입되는 분포특징을 보인다(Fig. 13). 예를 들어 2018년의 경우 12°C이상, 34 psu이상의 해수가 흑산도 해역까지 확장되었고, 2021년의 경우도 제주도 북서해역까지 확장된 특징을 보인 반면 다른 해의 경우는 전반적으로 고온·고염의 해수가 제주도를 향해 남동방향으로 후퇴하는 동시에 황해로부터 저온·저염의 해수가 확장하는 패턴을 나타낸다. 이러한 분포는 제주도 서부해역의 수온, 염분 및 수괴혼합비율의 수평분포 결과와 잘 일치하는 결과이다.

Fig. 13.

Horizontal distributions of (a) temperaure and (b) salinity at 50 m depth in April from 2017 to 2021. Data is obtained from the Ocean Observation Data of Korea Oceanographic Data Center

황해 해수의 계절적인 변동은 계절풍의 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Chu et al. 2005; Moon et al. 2009a). 봄(5월)의 경우 여름철 계절풍으로 전환되는 시기로 남풍계열의 바람이 황해 전역에 걸쳐 나타난다(Fig. 14). 연구기간 동안에 황해의 바람분포는 지난 10년간(2012–2021년)의 평균적인 5월 분포패턴과 유사한 남풍계열의 바람이 지배적이었지만, 그 세기는 해마다 다른 특징을 나타낸다. 특히, 2018년과 2021년 5월 바람의 세기는 평균 바람세기보다 약하게 나타났으며, 이 두 해는 황해 냉수대의 남하가 가장 약했던 해이기도 하다. 선행연구에 의하면 여름철 남풍은 황해북부의 해수면을 증가시키고 그로 인한 압력경도에 의해 황해저층을 따라 남향류를 야기한다(Jacobs et al. 2000). 또한 최근 모델링 연구는 남풍의 세기와 냉수대의 남하사이에 강한 상관관계가 있음을 보이기도 했다(Yang et al. 2014). 따라서 본 연구에서 관측된 황해냉수의 확장과 그에 따른 열·염전선의 경년 변화는 봄철 황해의 바람세기와 밀접한 관련이 있음을 나타낸다.

Fig. 14.

Horizontal distributions of wind speed (color contour) and wind vector in May from (a) 2017 to (e) 2021. (f) Averaged wind speed and vector for 2012–2021 is also presented. Data is derived from ERA5

4. 결 론

봄철 제주도 서부 해역의 상세 물성 구조 및 수괴 분포와 수온역전 현상과의 관계를 파악하기 위해 본 연구에서는 2017년부터 2021년까지 총 5년간 CTD관측을 수행했다. 봄철 제주도 서부해역은 저온·저염의 해수가 연구정점 북서해역의 중·저층에 분포하고 남동쪽에는 고온·고염의 해수가 분포하는 대칭적인 분포 특징이 나타난다. 두 수괴가 만나는 경계를 따라 열·염전선이 남서에서 북동방향으로 형성되고 강한 전선역에서 주로 수온역전 현상을 동반하는 특징을 보인다. 수온역전 현상은 열·염전선이 강하게 형성되는 시기인 2017년과 2020년에 북서해역의 냉수가 난류수의 중층으로 관입하면서 30–50 m 수심에서 두껍고 강하게 발생한다. 혼합비율 분석을 통해 나타난 5년간 연구해역의 수괴분포는 제주난류수가 64%, 황해냉수가 24%, 양자강희석수가 12%로 나타났다. 이는 봄철(5월) 제주도 서부해역이 고온·고염의 제주난류수의 영향을 지배적으로 받고 있으며, 황해로부터 저층의 냉수대가 확장되는 정도에 따라 연구해역 내에서 제주난류수가 차지하는 범위가 달라짐을 나타낸다. 2017년과 2020년의 경우 표층에서 양자강희석수의 비율이 상대적으로 높게 나타났고, 저층을 통해 저온·저염의 해수가 연구해역으로 확장되면서 황해냉수의 비율이 약 40%까지 증가했다. 황해냉수의 확장으로 저층에서 제주난류와 만나는 경계에서 강한 열·염전선이 형성되고, 그로 인해 수온역전 현상이 발생하는 강도와 두께가 강화된다. 반면 2018년의 경우 황해냉수의 비율이 20%이하로 연구기간 중 가장 낮았으며 연구해역의 대부분을 제주난류수가 지배하는 특징을 보였다. 그 결과 열·염전선역에서 주로 발생하는 수온역전 현상은 나타나지 않았다. 연구기간 동안 모든 정점에서 평균한 수괴 비율에서는 제주난류수의 비율이 높고 황해냉수의 비율이 상대적으로 낮지만, 수온역전층 내에서 황해냉수의 비율이 증가하는 특징을 나타낸다. 이는 황해냉수의 확장으로 제주도 서부해역에서 제주난류수의 중층으로 관입되면서 수온역전 현상이 발생하는 결과를 뒷받침한다.

봄철 제주도 서부해역에 나타나는 수괴비율의 특징은 계절풍의 경년 변화로 인한 황해저층냉수 남하의 차이와 관련된다. 연구기간 동안에 봄철 황해의 바람분포는 남풍계열의 바람이 지배적이지만, 그 세기는 해마다 다른 특징을 나타낸다. 특히, 2018년과 2021년 5월의 경우 바람의 세기가 지난 10년간 평균 바람세기보다 약했으며, 이 두 해는 황해냉수의 남하가 가장 약했던 시기와 일치한다. 따라서 제주도 서부해역에서 나타나는 수괴분포와 열·염전선의 경년 변화는 계절풍이 전환되는 시기인 봄철 황해의 바람순환에 따른 황해냉수의 확장과 밀접한 관련이 있음을 보여준다.