GAIA 지구시스템 모델 개발 및 대양 관측

한국해양과학기술원에서는 국내 6개 대학 연구팀의 참여 하에 ‘통합기후예측시스템을 위한 기후예측시뮬레이터 개발 및 대양관측’ 사업을 수행하고 있다. 동 사업의 목표는 고해상도 지구시스템모형 개발 및 이를 활용한 기후예측 결과 제시다. 지금까지 저해상도 대기-해양-해빙 접합 기후모형은 개발하고 적분 중에 있으며, 적분 결과의 기후과학적 분석을 통하여 모형 성능을 검증하고 모형을 개선하는 작업을 병행하고 있다. 추가 기후 요소 모형은 단계적으로 접합예정이며 현재 탄소순환 모듈(해양생지화학, 지면-대기 탄소순환)을 접합하는 과정에 있다. 모형의 개선을 위하여 고해상도 모형에 적합한 해양과 대기 경계층의 물리과정(구름, 해양혼합층 및 수온약층 혼합과정 등)의 모수화방안을 개발 중 또는 개발 완료 후 모형에 활용하고 있다. 기후예측시스템에 필요한 해양자료동화시스템의 개발하였고 이를 활용하여 기후재분석자료를 생산 중이다. 본 발표에서는 KIOST의 기후예측 시뮬레이터 개발 사업의 진행 현황을 소개하고, 동 사업에서 수행중인 북서태평양에서의 관측 결과의 발표와 함께 기후예측모델링에서 해양 관측 자료의 중요성을 제시하고자 한다.2

Vertical ocean mixing in the Jeju Strait of Korea

Hydrographic survey were carried out in the Jeju Strait in the northern East China Sea, where the Cheju Warm Current (CWC) flows eastward carrying warm and saline water, in June and November 2015 to study small scale hydrographic structureand vertical mixing. The data collected show the seasonal variation in distribution of three major water masses, the CWS water, surface coastal water and deep cold water, both in vertically and in laterally. It is observed that colder and fresher water intrusions in the upper pycnocline depth in the frontal zone lead to the generation of turbulent patches indicating an active mixing process. The subsurface Chlorophyll-a maximum layer (SCML) appears in all observation sections. The turbulent energy dissipation rates and corresponding vertical eddy diffusivities are relatively higher in the thermocline/pycnocline in many places and they match with the SCML. This means that mixing within the thermocline/pycnocline is a key physical process to drive vertical nutrient flux into the SCML from the lower layer.1

Surface currents in the Northwestern Pacific Ocean observed by surface drifting buoys: A case study

Twenty six surface drifting buoys were deployed in the area 5~7°N on 165°E in June of 2014 as the MOF/Korea-NOAA JPA project and the Global Drifters Program. The drifter trajectories for one year reveal the general features of the surface circulation in the northwestern Pacific Ocean, e.g., the North Equatorial Current (NEC), the separation of the NEC into the Kuroshio and Mindanao Current (MC), the retroflection of the MC, the Kuroshio intrusion into the South and East China Seas etc. The NEC separation location was around 13°N in March and April of 2015. The fastest drifter velocity appeared in the North Equatorial Countercurrent with its estimated value of about 2 kn in June and July of 2015. Consecutive small circular structures indicating inertial motion and mesoscale eddies were observed mainly in the northern part of the NEC and the western Philippine Sea, respectively.2

Surface currents observed by surface drifters in the tropical western Pacific Ocean in the El Ni&ntilde o year

Twenty six and twenty three surface drifting buoys were deployed in the area 2~7°N on 165°E in June of 2014 and August of 2015, respectively, as the MOF/Korea-NOAA JPA project and the Global Drifters Program. The trajectories of drifters deployed in 2014 reveal the general features of the surface circulation in the northwestern Pacific Ocean, e.g., the North Equatorial Current (NEC), the separation of the NEC into the Kuroshio and Mindanao Current (MC), the retroflection of the MC, the Kuroshio intrusion into the South and East China Seas etc. Consecutive small circular structures indicating inertial motion and mesoscale eddies were observed mainly in the northern part of the NEC and the western Philippine Sea. The NEC separation location appeared around 13°N in March and April of 2015. The North Equatorial Countercurrent was stronger with its speed up to about 2 kn in the period from June to September of 2015.deployed in 2014 reveal the general features of the surface circulation in the northwestern Pacific Ocean, e.g., the North Equatorial Current (NEC), the separation of the NEC into the Kuroshio and Mindanao Current (MC), the retroflection of the MC, the Kuroshio intrusion into the South and East China Seas etc. Consecutive small circular structures indicating inertial motion and mesoscale eddies were observed mainly in the northern part of the NEC and the western Philippine Sea. The NEC separation location appeared around 13°N in March and April of 2015. The North Equatorial Countercurrent was stronger with its speed up to about 2 kn in the period from June to September of 2015.1

Observed vertical fine-structure and mixing in the western equatorial Pacific Ocean

Hydrographic observation including high vertical resolution velocity using 6oo kHz Lowering Acoustic Doppler Current Profilers and turbulence using a Microstructure profiler (MSP) along a TRION line at 156E was conducted in June 2011. Small-vertical-scale features in the vertical shear(SVSs) appear in the thermocline depth but less clear than previous observations reported in Richards et al(2012). Turbulent kinetic energy dissipation rate, ε estimated from MSP data reveal patches of high ε in the thermocline suggesting mixing associated with SVSs. It is indicated that enhanced thermocline mixing is also related to the meridional interleaving structure of water masses. Four-day time series data at 0.5N,156E reveal that the flow field varies strongly with semi diurnal frequency. An about 30 m thick vertical band of high energy dissipation rate appears in the depth range associated with strong vertical velocity shear in the thermocline throughout the time of the measurements.1

동해 우산해곡에서의 심층 유동 특성

울릉도 북쪽에 위치해있고 울릉분지와 일본분지를 연결하는 우산해곡 2개 정점 에서 수심별(K1: 250m, 860m, 2370m, K2:450m, 1050m, 2050m)로 2006년 9월부터 2007년 9월까지 관측된 해류계 자료로부터 유속특성을 분석하였다. 연간 평균흐름은 두 정점 모두 심층이 중층보다 강한 심층강화 특성과 함께 등고선에 평행한 방향의 흐름 특성을 보였다. 층간 유속 상관성 분석결과 영구 수온약층보다 깊은 수심에서 전층 사이에 높은 상관성을 나타냈다. 3차례 난류성 소용돌이에 의한 영향으로 판단되는 유속 및 수온변화가 관측되었으며 소용돌이의 영향이 수심 2000m 이상의 해저면 가까이 까지도 있음을 암시하였다. 주기성 분석결과 관성 또는 조석 주기 변동 외에 수십일 주기의변동성이 나타났다.점 모두 심층이 중층보다 강한 심층강화 특성과 함께 등고선에 평행한 방향의 흐름 특성을 보였다. 층간 유속 상관성 분석결과 영구 수온약층보다 깊은 수심에서 전층 사이에 높은 상관성을 나타냈다. 3차례 난류성 소용돌이에 의한 영향으로 판단되는 유속 및 수온변화가 관측되었으며 소용돌이의 영향이 수심 2000m 이상의 해저면 가까이 까지도 있음을 암시하였다. 주기성 분석결과 관성 또는 조석 주기 변동 외에 수십일 주기의변동성이 나타났다.2

Characteristics of the flow in the Usan Trough in the East Sea

동해 울릉도 북부의 우산해곡 사면역 2개 정점 K1, K2에서 2006년 9월부터 2007년 9월까지 시계열 해류 자료를 획득하였다. 자료 분석 결과 정점 K1과 K2 모두 심층에서 해저면 유속강화가 관측되었으며, 이 심층 유속장은 20일 주기의 변동성이 강하여 조사해역의 심층 흐름은 지형의 영향을 받은 topographic Rossby wave 현상에 지배되었을 가능성이 크다. 정점 K1의 상층에서 2007년 2월 이후부터 관측된 강한 흐름은 인공위성 관측 해수면온도 자료와 유속 자료상 변화를 비교한 결과 관측 해역에 소용돌이의 통과에 의한 것으로 보이며, 이 기간 동안에 중층과 심층에서의 유속장은 상층 유속장과 상관성이 낮아 소용돌이가 심층의 유동까지 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 각 정점 유향의 수직구조는 정점 K1 상층을 제외하고 수심이 깊어질수록 유향이 시계방향으로 회전하는 것으로 나타났다. 이러한 유속장의 수직구조 특성은 심층 유동이 정확하게 등심선을 따르지 않고 하향의 수직 유속 성분이 있음을 의미한다. 한편, 우산해곡을 통해 일본분지에서 울릉분지로의 심층 해수 유입의 직접적인 증거는 관측되지 않았다. One year long time-series current data were obtained at two stations (K1 and K2) located in the Usan Trough in the area north of Ulleungdo in the East Sea from September 2006. The observed data reveal enhanced seafloor flows in both stations with variabilities of about 20 days which is possibly governed by the topographic Rossby wave. After February 2007, strong flow in the upper layer in St. K1 appears throughout the mooring period and this is due to the passage of the warm eddy comparing with satellite sea surface temperature data. During this period, no significant correlation between the current in the upper layer and those in two deep layers is shown indicating the eddy does not affect flows in the deep ocean. It is also observed that the flow direction rotates clockwise with depth in both stations except for the upper of the K1. This implies that the deep flow does not parallel to the isobaths exactly and it has a downwelling velocity component. The possibility of the flow from the Japan Basin to the Ulleung Basin across the Usan Trough is not evidenced from the data.22Nkc

Surface currents in the Northwestern Pacific Ocean observed by drifting bouys: A case study

Twenty six surface drifting buoys were deployed in the area 5~7°N on 165°E in June of 2014 as the MOF/Korea-NOAA JPA project and the Global Drifters Program. The drifter trajectories for one year reveal the general features of the surface circulation in the northwestern Pacific Ocean, e.g., the North Equatorial Current (NEC), the separation of the NEC into the Kuroshio and Mindanao Current (MC), the retroflection of the MC, the Kuroshio intrusion into the South and East China Seas etc. The NEC separation location was around 13°N in March and April of 2015. The fastest drifter velocity appeared in the North Equatorial Countercurrent with its estimated value of about 2 kn in June and July of 2015. Consecutive small circular structures indicating inertial motion and mesoscale eddies were observed mainly in the northern part of the NEC and the western Philippine Sea, respectively.1

Characteristics and Origin of North Pacific Tropical Intermediate Water in the Western Pacific

열대 서태평양은 북적도해류가 필리핀연안에서 쿠로시오와 민다나오해류로 분지되는 해역이며, 민다나오 해류의 일부는 인도네시아 통과류의 근원이 된다. 따라서 태평양규모의 해양순환과 지구규모의 열염순환을 파악하기 위해서는 열대 서태평양 이해가 필요하다. 열대 서태평양은 북태평양 고위도에서 형성된 북태평양 중층수와 남태평양 고위도에서 형성된 남극중층수가 만나서 혼합되는 해역으로 수괴의 교차로라고 불린다. 한국해양과학기술원은 2017년 11월 20일부터 12월 2일까지 남서 필리핀해에서 연구선‘이사부’호를 활용하여 CTD 관측을 수행하였다. 북태평양중층수와 남극중층수는 각각 북태평양과 남태평양에서 염분최소층을 보이는 특징을 가지고 있다. 관측해역에서는 두 개의 중층수가 각각 다른 밀도 범위를 갖고 있어 두 개의 염분최소층이 나타났다. 상층의 염분최소층은 북태평양중층수이며 하층의 염분최소층은 남극중층수이다. 두 염분최소층을 구별하는 염분최대층은 염분 차이가 적어 뚜렷하지는 않았다. 각 염분최소층 아래에는 용존산소 최소층이 나타나는데 이 두 개의 용존산소최소층 사이에는 뚜럿한 용존산소최대층이 나타났다. 용존산소최대층의 존재는 두 중층수 사이에 좀 더 신선한 수괴가 존재하는 것을 의미한다. 열대 서태평양에 존재하는 중층수의 기원과 순환을 살펴보기 위해 Argo 자료를 분석하여 논의하였다.2

필리핀해에서 수온약층 하부 소용돌이에 의한 중층수 이동

열대서태평양은 우리나라 바다에 열과 염을 공급하는 쿠로시오의 근원 해역이며 전 지구 해양순환의 열쇠인 인도네시아통과류가 형성되는 중요한 해역이다. 이 해역 서안경계류인 쿠로시오, 민다나오해류, 뉴기니연안류가 북적도해류, 북적도반류, 남적도해류와 더불어 서태평양의 적도해류시스템을 이루고 있다. 한편 표층의 서안경계류 아래는 반대방향으로 흐르는 잠류(루손잠류, 민다나오잠류, 뉴기니연안잠류)가 존재하는 것이 보고되고 있다. 이러한 서안경계류와 수온약층 하부의 잠류는 북반구와 남반구 바다에서 형성된 물이 섞이도록 하여 이 해역을 수괴의 교차로라고 부르기도 한다. 따라서 이 해역의 다양한 수괴의 특성과 이동, 혼합하는 과정은 아직 충분이 설명되지 못한 부분이 많다. 본 연구는 필리핀해에 나타나는 중층수의 특성과 기원을 밝히기 위해, 2017년 11월에 관측한 자료와 코페르니쿠스 해양환경 모니터링 서비스(https://marine.copernicus.eu)에서 제공하는 1/12도 전구해양재분석모델 자료를 분석한 결과이다. 관측을 통하여 이 해역에서 기존에 알려진 북태평양중층수와 남극중층수의 염분과 용존산소 값보다 높은 중층수를 발견하였다. 이 새롭게 발견된 중층수의 근원을 밝히기 위해 argo 자료를 분석한 결과 수계 특성이 뉴기니 남동부해역 남태평양열대수 하부의 특성과 일치하는 것을 확인하였다. 같은 시기의 재분석자료는 새롭게 발견된 중층수가 나타나는 수심에서 뉴기니연안잠류가 북서쪽으로 흘러 적도를 통과한 후 소용돌이를 형성하며 북쪽으로 이동하는 것을 보여주고 있었다. 이상의 결과는 새롭게 발견된 중층수는 남태평양열대수의 하층부 해수가 뉴기니연안잠류에 의해 적도를 넘어 북상한 후 수온약층 하부의 소용돌이에 의해 관측해역인 남서부 필리핀해로 이동한 것임을 암시한다.2