1. 서 론

제주도 주변해역의 수심은 약 80 ~ 130 m로 서쪽으로는 황해 내부를 향해 뻗어 있는 리플형(ripple type) 지형을, 남동쪽으로 갈수록 깊어지는 대륙붕 형태를 나타내며 제주해협에서 남동방향으로 100 m이상의 깊은 골이 형성되어 있다(Fig. 1). 이 해역은 복잡한 지형과 지리적 위치로 다양한 수괴 및 해류시스템이 존재하며, 주요 흐름은 동중국해의 쿠로시오로부터 분지한 고온･고염의 대마난류수가 제주도 남부해역을 가로질러 대한해협으로 연결되는 해류시스템이다. 제주도 남부해역 대마난류수의 일부는 제주도 서부해역을 통해 황해로 유입되면서 황해난류수(Yuan and Su 1984; Bing-xian 1994)를 형성하고 다른 일부는 제주도를 우회하여 제주해협을 통과하는 제주해류(Lie et al. 2000)를 이루는 것으로 알려져 있다. 또한 제주도 북서부해역은 겨울철에 한반도 남서해안을 따라 남하하는 차가운 연안수로 인해 동서방향으로 강한 열･염전선이 형성되는 해역이기도 하다. 이들 해류와 더불어 동중국해로부터 유입되는 조석파는 제주도를 중심으로 남동에서 북서방향으로 진행하면서 제주도 주변해역의 조류분포를 결정하고 지형 및 해류와의 상호작용을 통해 이 해역의 물리적인 특성에 영향을 미친다.

Fig. 1.

Model domain and bathymetry. Tide and currents verification points are shown by red and violet symbols “×, +”, respectively. Surface temperature data collected at buoy stations, as indicted by yellow symbols “×”, are also used for model validation

제주도 주변해역의 해류 및 조류 특성에 대한 연구는 주로 해류계 측정을 통해서 이루어져 왔는데, 김과 노 (1997)은 Interocean Model Type 135 해류계를 사용해 제주해협내에서 수 일 동안의 해류관측을 통해 5 ~ 30 cm/s 북동방향의 향류가 있음을 제시하였다. 강 (2003)은 트롤어선 방지용 초음파 유속계(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)를 10개월간 제주해협에 계류하여 기상변화에 의한 해류의 계절변동성을 조사하였으며, 최근 Jeong et al. (2008)과 유 (2010)은 국립해양조사원에서 관측한 해저계류(ADCP)와 표층계류(Recording Current Meter Model 9, RCM-9) 유속계 자료를 사용하여 남･서해와 제주도 연안의 조류 특성을 조사하였다. 위에 언급한 것처럼 제주도 주변해역의 해류 및 조류패턴에 대한 여러 선행연구가 있었지만, 이들 연구들은 대부분 관측자료에 기반하고 있기 때문에 시･공간적인 해류 및 조류의 패턴을 확인하는데 한계를 가진다.

관측 자료의 시･공간적인 문제를 보완하기 위해 수치모델이 활용되며, 해양수치모델을 사용하여 연안역의 해수유동을 파악하기 위한 연구는 지속적으로 증가하고 있다(Yang and Yang 2011; Bae and Kim 2012; Lee et al. 2014). 김 등 (2000)은 2차원 해수순압모델(Princeton Ocean Model, POM) 모델을 사용하여 남해안에서 조석과 조류 분포를 파악하였고, Bae and Kim (2012)은 남해의 해수유동을 재현하기 위해 3차원 해수유동모델을 적용하여 조류와 취송류, 밀도류 및 잔차류의 계절적 특성을 파악하였다. 최근에는 EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code)모형을 사용하여 복잡한 지형의 서해 연안에 대한 조석 및 조류를 상세하게 재현하려는 시도가 있었다(Lee et al. 2014). 한반도 남서해안은 복잡한 해안선과 넓은 간석지로 다양한 간척사업이 진행되었으며, 이러한 이유로 남서해안의 해수유동에 대한 수치모델 연구는 상대적으로 많이 수행되었다. 이에 반해 제주도 주변해역은 다양한 수괴와 해류가 존재하는 해역임에도 수치모델을 활용한 연구는 아직 미미한 실정이다.

제주도 주변해역의 해수유동 특성을 정확히 파악하는 것은 유해생물의 이동 및 확산을 예측하고, 해양오염사고를 방제하는데 있어서 매우 중요하다. 윤 등 (2018)은 제주도 연안이 전국평균보다 높은 해양오염 사고발생율을 보이고 외부오염의 유입으로부터 취약한 위치에 있다고 보고했다. 또한 제주도 해역에서 발생하는 해양사고는 우리나라 전체의 9 ~ 12%를 차지하는데(조 등 2014), 선박사고로 인한 인명사고 뿐만 아니라 실종과 같은 해양사고가 매년 발생하고 있다. 특히, 최근 낚시와 같은 해양레저 인구의 급격한 증가로 각종 해양사고가 해마다 증가하고 있는 실정이다. 제주도 주변해역은 모든 경계가 개방되어 있어 인접해역과 해수교환이 활발하고, 바람 등에 의한 기상요인과 조류에 의한 해수유동의 시･공간적인 변화가 크게 나타난다. 따라서 제주도 주변해역의 해수유동을 정확하게 재현하기 위해서는 조석에 의한 조류 뿐만 아니라 지속적인 해류의 영향이 고려되어야 한다. 본 연구에서는 유해생물 및 해양오염물질의 유입에 대한 선제적 대응체계의 기반을 마련하기 위한 첫 단계로 고해상도 해양수치모델을 적용하여 제주도 주변해역의 계절별 해류 및 조류분포를 재현하여 시･공간적인 해수유동 특징을 분석하였다. 또한, 제주연안을 따라 흐르는 조류의 특성을 파악하기 위해 라그랑지안 입자추적실험을 수행하여 왕복성 조류변화에 따른 입자의 궤적을 분석하였다.

2. 자료 및 모델구성

자료

모델로 재현된 조석의 검증을 위해 국립해양조사원의 조위관측자료를 사용하였다(http://www.khoa.go.kr/oceangrid/koo
fs/kor/observation/obs_real.do). 조위관측 자료는 2017년 1월과 7월 한달 동안의 자료를 사용하였고, 제주도 북부연안과 남부연안에 위치한 제주와 서귀포 조위관측소에서 관측된 조위 변화를 모델결과와 비교하였다. 수온변화를 검증하기 위해 기상청 해양 기상부이인 마라도와 서귀포 부이(Fig. 1)에서 관측된 표층 수온자료를 조위관측 기간과 같은 기간동안 사용했으며(https://data.kma.go.kr/data/sea/selectBuoyRltmList.do?pgmNo=52), 공간적인 수온패턴을 확인하기 위해 0.05°의 수평해상도를 갖는 위성관측자료인 OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis, https://podaac.jpl.nasa.gov/dataset/UKMO-L4HRfnd-GLOB-OSTIA)의 월평균 자료를 사용하였다.

제주도 연안의 조류패턴을 분석하기 위해 국립해양조사원에서 2008년 4월 6일부터 7월 9일까지 제주도 연안을 따라 관측한 RCM-9 유속계 자료를 사용했으며, 20일 이상 관측된 자료에 대해서 분석하였다. 검증에 사용된 RCM-9 자료의 관측 위치는 Fig. 1에 제시하였다. 제주도 연근해의 조석 및 조류 특성을 분석하기 위해 MATLAB의 T-tide package를 사용하여 유속계 관측 및 모델결과의 조화분해를 수행하였다(Pawlowicz et al. 2002; Jeong et al. 2008; Wang et al. 2009; 유 2010).

모델구성

제주도 주변해역의 해수유동을 파악하기 위해 3차원 해양순환모델인 ROMS (Regional Ocean Modeling System)를 사용하였다(Shchepetkin and McWilliams 2005; Haidvogel et al. 2008). ROMS는 정역학 평형과 부시네스크(Boussinesq) 근사가 적용된 원시방정식(Primitive Equation)을 사용하며 각 격자의 좌우에서 동서방향 유속, 상하에서 남북방향 유속, 중심에서 수온, 염분, 밀도, 수심을 계산하는 Arakawa C 격자 체계를 사용한다(Arakawa and Lamb 1977). 수직격자체계는 S-좌표계(stretched terrain-following coordinate)를 사용한다. S-좌표계는 수온약층이나 바닥경계층에서의 현상을 파악하는데 적절하며, 지형에 민감하게 반응하는 압력구배항의 계산오차를 줄이도록 개발되었다(Shchepetkin and McWilliams 2005).

수치모델 영역은 제주도를 중심으로 네 방향 모두 개방된 해역으로 구성하였다. 수평해상도는 약 460 m의 고해상도로 설정하였으며, 수직적으로는 16개의 층을 갖는다. 모델에 사용된 수심자료는 30초 간격의 GEBCO (General Bathymetric Chart of the Ocean, https://www.gebco.net/)자료를 모델격자에 맞게 내삽(interpolation)해 사용하였다. 모델 초기장 및 개방경계장은 4차원 변분자료동화(4DVAR)가 적용된 황･동중국해 자동화 모델결과를 사용했다(Lee et al. 2018). 모델에서 조석을 고려하기 위해 모든 개방경계조건으로 Oregon global tide model version 7 (TPXO7)의 조석자료를 제주모델의 격자에 맞게 내삽하여 적용하였다. TPXO7은 인공위성 관측자료를 활용한 전 지구 조석모델 결과이며(Egbert and Erofeeva 2002), 여기서는 8개 분조(M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1 및 Q1)를 사용하였다. 대기 외력장은 0.25도의 수평해상도와 6시간 간격의 시간해상도를 갖는 NCEP (National Center for Environmental Prediction) FNL (Final Analysis, https://rda.ucar.edu/datasets
/ds083.2/) 자료의 바람, 기온, 압력, 습도, 강수, 장파 및 단파복사 등을 사용하였다. 모델계산은 2017년 1월과 7월 각각 1개월에 대해 수행하여 겨울과 여름철 제주도 주변해역의 해수유동 변화를 재현하였다. 해양모델은 1월에 수직적으로 잘 혼합된 구조를 7월에 강한 성층화의 특징을 잘 모의하기 때문에 겨울과 여름철 제주도 주변의 해수유동을 확인하는데 사용되었다.

3. 결 과

모델 검증

구축된 해양모델이 실제 해양변화를 잘 모의하는지 확인하기위해 위성 및 현장 관측자료와 비교하였다(Fig. 2). 위성 관측된 2017년 1월 평균 표층 수온 분포를 보면, 제주도 북서쪽으로 12°C 이하의 차가운 해수가 위치하고 남동쪽으로는 18°C 이상의 따뜻한 수괴가 분포하여 제주도 남서해역에서 제주해협으로 강한 수온경사를 형성하는 특징을 보인다. 이는 따뜻한 대마난류수가 제주도 서부해역을 우회하여 제주해협으로 연결되는 제주난류수의 영향이며 제주도 주변해역의 전형적인 겨울철 수온분포를 나타낸다. 7월의 경우는 여름철 표층가열로 인해 25 ~ 28°C의 고온수가 해역전반에 걸쳐 분포하기 때문에 겨울철에 비해 남쪽과 북쪽해역의 수온경사도가 크지 않다. 해양모델로 재현된 표층 수온은 위성관측에서 나타난 계절별 수온의 공간분포와 비교적 잘 일치한다. 관측과 모델 사이의 차이는 여름철 모델의 북쪽 경계부근인 추자도 인근해역과 제주 연안을 따라서 크게 나타나며, 이들 해역은 조석에 의한 수직혼합이 활발한 해역이다. 예를 들어, 위성관측 수온은 제주연안과 외해 사이에 수온 차가 거의 없는 균일한 분포를 보이는 반면 모델 수온분포는 북쪽 경계와 제주연안을 따라 외해와는 구분되는 저온수가 존재한다. 제주 연안에서 나타나는 차가운 수온 분포는 특히 제주도 북동과 남서 연안에서 그 차이가 뚜렷하며, 이러한 차이는 뒤에서 논의될 제주연안을 따르는 강한 조류에 의한 수직혼합에 의해 나타난 결과이다. Park et al. (2017)은 한국연안에서 계절별 수온, 염분 관측을 통해 제주연안의 여름철 표층수온이 외해와 비교해서 1 ~ 4°C가량 낮게 나타남을 보였으나, OSTIA 표층 수온자료는 연안에서 나타나는 이러한 상세한 변화를 거의 모의하지 못한다(Baek and Moon 2019).

Fig. 2.

Comparison of satellite-based monthly sea surface temperature (a, b) with those from the model result (c, d) in January and July 2017. The satellite data is obtained from Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis

시간변화에 따른 표층 수온변화를 확인하기 위해 마라도와 서귀포 해양 기상부이의 표층 수온자료와 모델결과를 비교하였다(Fig. 3). 1월초 마라도와 서귀포 부이의 표층 수온은 대마난류수의 영향으로 17 ~ 19°C범위를 나타나며, 1월말까지 지속적으로 하강하는 경향을 보인다. 7월의 수온변화는 1월과 비교해 일 변동성이 뚜렷한 특징을 나타내며, 여름철 표층가열로 인해 7월초에 두 지점에서 약 24°C로 관측되던 표층 수온이 7월말에는 30°C까지 빠르게 상승한다. 모델결과는 부이에서 관측된 수온의 계절별 수온 변화와 그 경향성을 잘 모의한다. 예를 들어, 7월 마라도 부이의 경우 수온상승의 경향과 일변동성이 관측과 잘 일치하며, RMSE는 0.5°C, 상관관계는 0.9이상을 보인다.

Fig. 3.

Comparison of modeled surface temperature (blue) with observations (black) at two ocean buoys, (a, b) Marado and (c, d) Seogwipo, from periods of January (left) and July (right panels) 2017. The ocean buoys are shown in Fig. 1 with yellow symbols “×”

Fig. 4는 1월과 7월 제주와 서귀포 조위관측소 자료와 조위관측소와 가장 가까운 모델격자의 해수면 변화를 비교한 그림이다. 제주와 서귀포에서의 해수면 변화는 소조기에 ±50 cm에서 대조기에 ±150 cm까지 진동하며 위상변화가 거의 동시에 나타난다. 계절적인 조석특성을 파악하기 위해 제주와 서귀포 조위관측소 자료를 조화분해하여 반일주조(M2, S2)의 진폭과 위상을 Table 1에 나타냈다. 일주조는 1월과 7월 진폭차이가 미미하지만 반일주조의 경우는 약 4 ~ 6 cm정도의 진폭차이가 나타난다. Kang et al. (2002)는 two-layer 모델 실험을 통해 이러한 진폭차이가 계절적인 성층화에 영향을 받아 조석특성이 변하기 때문이라고 제시했다. 모델로 재현된 해수면 변화는 대조기와 소조기시 창조 및 낙조의 위상 변화를 잘 모의하며, 관측에서 나타난 겨울과 여름철 반일주조의 진폭 차이를 비교적 잘 나타낸다. 2008년 4 ~ 7월 국립해양조사원에서 관측한 제주도 주변 해역의 RCM-9 유속계 자료와 7월 모델의 유속결과를 조화분해하여 반일주조와 일주조 성분의 조류타원도를 Fig. 5에 나타냈다. 관측결과 4개 분조 모두 해안선과 평행한 조류가 나타나며 특히 제주도 남서와 북동해역에서 강한 왕복성 조류가 분포한다. 조류의 세기는 반일주조 성분인 M2에서 가장 강하며 그 다음으로 S2와 일주조 성분인 K1 및 O1순이다. M2분조는 제주도 남서와 북동 해안에서 70 cm/s 이상의 매우 큰 진폭을 보이고, S2분조는 최대 34 cm/s, K1은 22 cm/s, O1은 최대 14 cm/s로 주요 조류성분 모두 제주도 남서 및 북동연안에서 강한 조류특징을 나타낸다. 관측과 모델의 정량적인 비교를 위해 17개 지점의 해류관측과 관측지점과 가장 가까운 모델격자의 해류변화를 조화분해하여 M2와 S2 분조의 조화상수를 나타냈다(Table 2). 모델결과는 관측에서 나타나는 반일주조의 세기, 방향 및 위상을 잘 모의하며 여름보다 겨울철 유속의 진폭이 증가하는 특징을 보인다. 일주조 성분인 K1과 O1 분조의 경우 몇몇 정점에서 모델과 관측 간의 차이를 보이는데, 이는 모델이 가지는 해상도 문제와 분석된 유속계의 관측기간이 짧거나 관측시기가 다르기 때문에 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Comparison of modeled sea surface height (blue) with observations (black) at two tide gauges, (a, b) Jeju and (c, d) Seogwipo, from periods of January (left) and July (right panels) 2017. The locations tide gauges are shown in Fig. 1 with red symbols “×”

Fig. 5.

Comparison of modeled tidal ellipse of four principal constituents (blue) with RCM-9 measurements (red): (a) M2, (b) S2, (c) K1, and (d) O1. Locations of RCM-9 measurements are shown in Fig. 1 with violet symbols “+”

제주도 주변 해역의 조석 분포

주요 4대 분조(M2, S2, K1, O1) 진폭의 합은 수준기준면(Datum Level, DL)을 설정하는데 사용되는 중요한 요소로써 수심측량 및 해도작성에 사용되는 약최저저조면은 평균해면에 4대 분조의 합을 뺀 값으로 정의된다. 제주도 주변해역의 조석분포 특성을 파악하기 위해 모델로 재현된 주요 4대 분조 진폭의 평균분포를 확인하였다(Fig. 6). M2 분조는 제주도 동쪽 해역에서 70 cm 이상의 큰 진폭이 나타나며 수심이 얕아지는 서쪽으로 갈수록 진폭이 감소하는 양상을 보인다. S2 분조는 20 ~ 35 cm, K1은 19 ~ 25 cm, 그리고 O1은 10 ~ 14 cm 범위의 진폭이 제주도 주변해역에서 분포하며 모든 분조가 동에서 서쪽 해역으로 갈수록 진폭이 약해지는 분포를 나타낸다. 반일주조인 M2와 S2 분조는 여름과 비교해서 겨울철에 진폭이 증가하는 경향을 보이며(Table 1), 제주도 주변해역 대부분에서 유사한 특징을 나타났다. 이러한 계절적인 진폭차이는 앞서 언급한 여름철 성층화로 인해 유속전단, 마찰 소산 및 순압성 에너지 플럭스와 같은 조석특성이 변하는 것과 밀접한 관련이 있을 것으로 보인다(Kang et al. 2002). 주요 4대 분조의 합은 제주도 주변에서 130 ~ 150 cm범위를 보이는데 이는 정 (2008)과 유 (2010)의 결과와 일치한다. 유 (2010)에 의하면, 제주도 주변에서 주요 4대 분조의 합은 북쪽으로 진행해 갈수록 Kelvin wave set-up의 영향으로 전라도 부근에서 진폭이 약 330 cm까지 나타난다고 보고했다.

Fig. 6.

Modeled spatial distributions of tidal amplitude (contour lines) and tidal current ellipse of four principal constituents: (a) M2, (b) S2, (c) K1, and (d) O1

제주도 주변해역의 조석특성을 분류하기 위해 일주조와 반일주조의 진폭비인 조석형태수(Tide Form Number)를 계산하였다. 조석형태수는 다음과 같이 정의된다(Foreman 1977; Pugh 2004).

H는 각 분조의 진폭을 나타내며, Tide Form Number는 값에 따라 다음의 4가지 형태로 분류된다. 조석형태수가 0 ~ 0.25이면 반일주조형 조석, 0.25 ~ 1.5이면 반일주조가 우세한 혼합형 조석, 1.5 ~ 3.0이면 일주조가 우세한 혼합형 조석, 그리고 3.0보다 크면 일주조형 조석으로 구분된다. 모델로 재현된 조석형태수의 평균 분포(Fig. 7)를 보면, 제주도 주변해역은 0.3보다는 크고 0.45보다는 작은 값으로 반일주조가 우세한 혼합형 조석특성을 나타낸다. 모델로 재현된 조석형태수는 겨울과 여름철 약간의 차이를 보이지만 제주도 주변의 조석특성을 바꾸기에는 미미하다. 기존 관측 자료분석 결과에 의하면, 제주도 주변에서의 반일주조 우세 혼합형 조석특성은 한반도 서해안으로 진행하면서 조석형태수가 0.25보다 작은 반일주조가 우세한 환경이 나타난다(유 2010). 이는 외해에서 수심이 얕은 연안으로 조석파가 진행할 때 상대적으로 진폭이 큰 반일주조가 일주조에 비해 더욱 커지기 때문에 수심이 얕은 서해 연안의 경우 반일주조가 우세한 환경이 나타난다.

Fig. 7.

Spatial distribution of the tide form number, which is expressed as the ratio of diurnal to semi-diurnal amplitudes, calculated from the model simulation

제주도 주변 해역의 해류 및 조류 특성

제주도 주변해역은 대마난류수와 그 분지가 제주도를 우회하여 제주해협으로 향하는 제주난류수, 서해에서 남해로 연결되는 남해연안수 등 다양한 해류가 존재하는 해역이다. 왕복성 조류와는 달리 지속적인 방향성을 가지는 해류는 물질수송 뿐만 아니라 조류 특성을 변화시킬 수 있다. 따라서 제주도 주변해역의 조류 특성을 분석하기 전에 모델로 재현된 평균 해류분포에 대한 파악이 필요하다. 제주도 주변해역의 항류(Mean Current)를 파악하기 위해 모델로 재현된 1월과 7월의 전 수심에 대한 평균해류 분포를 Fig. 8에 나타냈다. 1월의 평균 해류는 제주도 남동해역에서부터 유입되어 북동방향의 대만해협을 향하는 대마난류가 뚜렷하며 제주도 서부해역에서는 대마난류에서 분지하여 제주도를 시계방향으로 돌아 제주해협으로 흐르는 제주난류가 잘 나타난다. 제주난류수는 제주도 북서해역에서 약 20 cm/s로 흐르고 제주해협을 빠르게 통과해 동중국해 북동부로 빠져나간다. 제주도 주변해역의 7월 해류분포는 1월과 분포와 유사하지만 그 세기가 강화되어 계절변동이 뚜렷하게 나타난다. 예를 들어, 대마난류는 제주도 북동해역에서 약 30 cm/s로 나타나지만 7월에 50 cm/s로 크게 증가했고 제주난류수도 제주도 북서해역에서 7월에 20 cm/s 이상으로 1월과 비교해서 빠르게 나타났다. Takikawa et al. (2005)는 대한해협을 왕복하는 여객선에 부착된 ADCP 관측자료를 사용하여 대마난류의 계절 변동성을 확인하였고 1월에 대마난류의 세기가 가장 약하고 봄과 여름철 대마난류의 세기가 강해진다고 보고했다.

Fig. 8.

Modeled mean depth-averaged currents for (a) January and (b) July 2017. The color indicates the magnitude of current speed

주요 4대 분조의 조류패턴을 확인하기 위해 수치모델의 유속자료를 사용하여 각 분조의 1월과 7월 평균 조류타원을 격자별로 나타냈다(Fig. 6). 그림에서 조류의 회전성을 파악하기 위해 각 분조의 회전 방향을 함께 나타냈다(파란색: 시계방향, 붉은색: 반시계방향). M2 분조의 조류타원은 10 ~ 70 cm/s의 진폭범위를 보이고, 제주해협을 제외하면 시계방향의 회전성을 나타낸다. 공간적으로 남동에서 북서로 전파되는 조류의 특징이 잘 나타나며 남서와 북동연안에서 최대 진폭 값을 갖는다. S2 분조는 5~30 cm/s의 진폭범위를 보이며 조류타원의 회전성이나 조류의 전파 특징이 M2와 유사하다. K1 분조의 조류타원은 시계방향의 회전성이 지배적으로 나타나고 진폭은 1~15 cm/s의 범위를 보인다. 조류는 남쪽에서 유입되어 북서로 전파되며 남서와 북동연안에서 진폭이 최대로 나타난다. O1 분조의 조류타원은 10 cm/s이하의 작은 진폭을 보이고 K1과 유사한 조류특징이 나타난다. 조석과 마찬가지로 조류에서도 겨울과 여름철의 진폭은 차이를 보인다. M2, S2 분조는 겨울철 장축의 진폭이 증가한 반면 K1과 O1 분조는 겨울과 여름의 진폭 변화가 거의 나타나지 않았다(Table 2).

모델결과를 통해서 나타난 조류의 회전특성은 제주도 주변해역에서 전반적으로 시계방향의 회전성이 지배적이지만 제주도 북부의 제주해협에서는 반일주조(M2, S2)의 반시계방향의 흐름이 뚜렷하게 나타난다. 이러한 분포는 관측자료를 사용하여 우리나라 서남해역에서 조류타원도의 회전성을 확인한 선행연구들과 유사한 결과이다(강 2000; 유 2010). 유 (2010)은 제주 북부(제주해협)에서 나타나는 조류의 반시계방향 회전특성이 동쪽으로 흐르는 강한 제주난류와의 상호작용과 관련이 있음을 제시했다. 일주조인 K1과 O1 분조의 경우도 제주도 북부 및 남서부 연안에서 반시계방향의 회전이 나타나지만 전반적으로 시계방향의 흐름이 지배한다. 이는 연안 가까이에서 나타나는 조류의 반시계 방향 회전이 수심과 해안선 등에 영향을 받은 것으로 판단된다. Pugh (1987)는 대륙붕 내에서 조류의 회전은 수심과 연안 파의 반사에 주로 영향을 받고 해안선 부근에서는 해안의 경사와 만의 모양이 중요한 역할을 한다고 보고했다.

해수 유동에 있어서 조류가 전체 에너지에 얼마나 기여하는지 확인하기 위해서 평균 운동에너지(Mean Kinetic Energy)에 대한 조류에너지의 비율을 Fig. 9에 나타냈다. 조류에너지의 기여율은 다음과 같이 정의된다(Teague et al. 2001).

Fig. 9.

Spatial distributions of the ratio of tidal current energy to mean kinetic energy for (a) January and (b) July calculated from the model simulation

u₀와 v₀는 동서방향, 남북방향의 유속 값을 연직평균한 값을 나타내며, 위 막대는 시간평균을 의미한다. u_p와 v_p는 조화분해된 조화상수를 모두 이용하여 나타낸 추정값이다. 위의 식을 사용하여 제주도 주변해역에서 해수유동에너지에 대한 조류에너지의 비율을 공간적으로 확인하였다.

에너지의 분포는 수심이 깊은 제주도 남동해역에서 수심이 얕은 황해내부로 갈수록 조류에너지의 비율이 90% 이상으로 해수유동에 있어서 조류에너지가 지배적인 특징을 보인다. 또한 제주도 북서 연안과 남동 연안에는 조류에너지가 50% 이하로 낮게 나타나는 해역이 존재한다. 이러한 조류에너지의 공간분포는 평균 해류 및 조류의 분포양상과 동일하다(Figs. 6 and 8). 수심이 상대적으로 얕은 황해방면은 조류의 진폭이 크고 해류의 세기는 상대적으로 약하기 때문에 조류에너지가 강하게 나타난다. 반면에 수심이 깊은 제주도 동부해역은 조류의 진폭이 작고 대한해협을 향해 흐르는 강한 대마난류의 영향으로 조류에너지의 기여율이 크게 감소(< 30%)한다. 계절별 조류에너지 기여율의 공간분포는 매우 유사하지만 여름철 제주도 남동해역을 흐르는 대마난류의 세기가 강해지기 때문에 제주도 동부해역에서 1월보다 7월의 조류에너지 비율이 낮게 나타나는 특징을 나타낸다. 수직적인 조류에너지의 차이는 겨울보다는 경압성이 강해지는 여름에 강해지는 경향을 보이지만 이러한 경압성이 공간적인 조류에너지 분포에 크게 영향을 주지는 않는다.

제주연안 조류와 라그랑지안 궤적

일반적으로 오일러잔차류(Eulerian residual current)는 연안해역에서 물질의 수송을 설명하는데 폭넓게 사용된다. 오일러잔차류는 여러 조석주기동안 고정된 한 지점에서의 평균속도로 간단하게 정의될 수 있다. Fig. 8에 나타낸 것처럼 제주 연안역에서의 평균류는 대마난류와 제주난류의 영향으로 제주도 남서에서 북동방향으로 해안선을 따르는 흐름이 지배적이다. 오일러 관점에서 보면 제주 연안역에서의 물질은 남서에서 북동방향으로 해안선을 따라 흐르는 평균류와 함께 수송되어야 한다. 하지만 제주도 주변해역에서 발생했던 실제 해양사고로 인한 결과들을 보면 평균류와는 다른 궤적을 나타내는 경우가 많으며, 심지어 평균류의 방향과는 반대로 이동하는 궤적을 보이는 경우도 종종 일어난다. 한 가지 사례는 2018년 제주 북동지역의 세화에서 발생한 사건으로 7월 25일 세화포구에서 사라진 실종자가 일주일 후 제주도 남서해역의 가파도에서 발견된 사례이다. 이는 오일러잔차인 평균류와 물질의 이동궤적, 즉 라그랑지안 궤적 사이의 차이에서 비롯된다. 물질의 이동은 고정된 한 지점에서의 평균속도 뿐만 아니라 Stokes drift에 의해서도 영향을 받기 때문에 왕복성 조류가 있는 상황에서 물질의 이동 궤적이 반드시 평균류를 따를 필요는 없다. 여기서는 제주연안에서 평균류와 입자이동과의 차이를 확인하기 위해 사건이 발생한 시기를 대상으로 3차원 입자추적모델 실험을 수행했다.

Fig. 10은 모델로 재현된 제주도 연안에 대한 낙조류와 창조류 분포를 나타낸 그림이다. 동중국해로부터 유입되는 조석파는 제주도를 통과하면서 제주도 남동해역에서 제주남부 연안과 동부연안으로 분리되어 서쪽으로 전파되고 제주도 북서부 해역에서 다시 합류하여 진행한다(Fig. 10b). 이로 인해 창조 시기에는 제주도 남해안을 따라 서쪽으로 흐르는 조류와 제주도 동부연안을 따라 북쪽으로 흐른 후 제주도 북부해안을 따라 서쪽으로 흐르는 조류가 나타나며, 낙조 시기에는 이와는 반대되는 조류 흐름을 보인다(Fig. 10a).

라그랑지안 관점에서 물질의 이동을 확인하기 위해 사고시점인 2018년 7월 26일 00시 세화포구에서 총 48개의 입자를 투하하여 입자의 궤적을 확인하였다. 입자투하지점은 Fig. 10에서 ‘X’로 표시했다. 그림에서 색상은 입자투하 후 경과시간을 나타내며 실선은 각 입자의 24시간 동안 이동 궤적을 나타낸다. 입자가 투하된 후 7월 28일 04시까지의 궤적을 보면 대부분의 입자들이 제주도 북동해역의 강한 조류에 영향을 받아 해안선과 평행한 방향으로 왕복 운동하면서 서서히 평균류에 영향을 받아 제주도 북동방향의 외해로 빠져나가는 궤적을 나타낸다. 하지만, 북동향의 평균류에도 불구하고 일부 입자들은 제주도 연안을 따라 시계방향으로 남하한 후 제주도 남부연안을 따라 서쪽으로 이동하는 궤적을 보인다. 예를 들어, 7월 31일 가파도까지 이동한 입자의 궤적을 추적해보면 세화포구에서 투하된 입자들은 제주도 북동연안을 따라 남하하는 낙조류의 영향을 받아 빠르게 제주도 남동연안으로 이동하는 궤적을 나타낸다(Fig. 10a). 이러한 궤적은 해안선을 따라 흐르는 조류의 세기와 방향이 지역별로 다르기 때문에 낙조류를 따라 한번 남하한 입자들이 창조류 시기에 원래 위치로 돌아가지 못하고 지속적으로 낙조류의 영향을 받기 때문인 것으로 보인다. 낙조류를 따라 남하하여 제주도 남동연안으로 이동한 입자들은 제주남부 연안을 따라 서쪽으로 이동해 가파도와 마라도를 통과하는 궤적을 보인다(Fig. 10b). 제주도 남동연안은 동중국해에서 유입되는 조석파가 제주 동부와 남부연안 양쪽으로 분리되는 지역으로 조류의 세기가 상대적으로 약하며, 창조시기에 동부연안을 따라서는 북향하고 남부연안을 따라서는 서향하는 조류분포를 나타낸다. 제주 남동연안까지 남하한 입자들은 제주 남부연안을 따르는 서향의 창조류를 따라 이동한 것으로 판단된다. 모델결과에 의하면 입자 투하 후 약 5일 후인 7월 31일에 가파도 해역을 통과하는 궤적을 나타내는데, 실제 실종자는 12시간 정도 후인 8월 1일 오전에 발견되었다. 이러한 결과는 조류가 강한 제주도 연안의 경우 조류에 의한 물질의 이동이 해류방향과는 다른 궤적을 보일 수 있음을 나타낸다. 이들 결과는 또한 고해상도 모델의 장점을 잘 보여준다고 할 수 있다. 입력장으로 사용되는 동중국해 저해상도(~ 8 km) 모델의 경우는 제주연안에서 외해로 급격하게 변환되는 수심변화를 정확하게 표현하지 못하기 때문에 얕은 수심 및 복잡한 해안선을 따라 흐르는 연안류를 정확하게 모의하지 못한다. 따라서 제주도 연안에서 선박사고 및 기름유출과 같은 오염물질이 이동과 확산은 연안을 따르는 강한 조류변화에 크게 영향을 받을 것으로 판단되며, 보다 정확한 이동예측과 선제적인 대응을 위해서는 고해상도 해양모델의 구축이 필수적이라 할 수 있다.

Fig. 10.

Modeled spatial distributions of (a) flood and (b) ebb tidal currents on 04:00 28 and 00:00 31 July 2018. The particles were released from Sehwa harbor marked with symbol “×”. The colored line represents 24 hours trajectories and age (time since launch) of particles

4. 결 론

이 연구에서는 제주도 주변해역 해수유동의 시･공간적인 특성을 파악하기 위해 3차원 고해상도 해양수치모델을 사용하여 계절별 해류 및 조류분포를 분석하였다. 수치모델로 재현된 제주도 주변해역의 조석특성은 수심이 상대적으로 깊은 제주도 남동해역에서 황해내부를 향해 북서방향으로 전파되며 반일주조에서 여름보다 겨울철 진폭이 커지는 특징을 보인다. 조석형태수는 0.3 ~ 0.45값을 보이며 반일주조가 우세한 혼합형 조석 특성을 나타낸다. 월 평균 해류분포는 제주도 남동해역에서 대한해협으로 향하는 대마난류와 대마난류에서 분지해 제주도를 시계방향으로 돌아 제주해협으로 흐르는 제주난류가 뚜렷하게 나타난다. 이들 해류의 분포는 여름철에 더 강하게 나타나며, 특히 제주해협과 제주도 남동해역에서 대한해협으로 이어지는 해역에서 뚜렷한 계절성을 보인다.

해류분포와 달리 제주도 주변해역의 조류분포는 공간적으로 남동에서 북서로 전파되는 특징을 보이며, 제주도 남서와 북동연안에서 최대 진폭 값을 갖는다. 전반적으로 시계방향의 회전성이 지배적이지만 제주도 북부의 제주해협에서는 반시계방향의 조류패턴이 나타나는 특징을 나타낸다. 제주도 주변해역에서 해수유동에 대한 조류의 기여도를 확인한 결과 조류에너지는 제주도 남동해역에서 수심이 얕은 황해내부로 갈수록 커지는 특징을 보이며, 조류가 분리되는 제주도 남동 및 북서연안을 제외하면 제주도 연안을 따라 조류에너지 비율이 90% 이상을 차지한다. 이는 제주도를 통과하는 대마난류의 영향에도 불구하고 제주도 연근해는 조류의 영향이 지배임을 알 수 있다. 제주도 남동해역을 흐르는 대마난류의 세기가 강해지기 때문에 제주도 동부해역의 전 수심에서 여름철 조류에너지 비율이 낮게 나타나는 결과를 나타낸다. 수치모델로 재현된 공간적인 조류분포는 제주도 연근해의 조류 에너지를 산정하는데 유용한 정보를 제공할 수 있으며, 향후 조류발전과 같은 재생에너지 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

추가적인 입자추적실험 결과는 제주연안의 경우 입자의 이동 궤적이 해안선을 따라 흐르는 조류변화에 크게 영향을 받고 있음을 보여주는데, 이는 선박사고 및 기름유출과 같은 오염물질의 이동･확산을 예측하기 위해서는 정확한 조류예측이 필수적임을 나타낸다. 조류와 함께 외해에서 유입되는 파랑은 연안류에 영향을 줄 수 있다. 이 연구에서는 고려되지 않았지만, 제주 연안류에 있어 파랑에 의한 영향과 그로 인한 물질 이동에 대한 분석은 향후 연구에서 조사될 필요가 있다.