1. 소 개
2. 모델 및 분석방법
2.1 MOM (Modular Ocean Model)
2.2 민감도 실험
2.3 자료
3. 결 과
3.1 혼합층 모수화 방안에 따른 민감도
3.2 수직 격자체계에 따른 민감도
3.3 조석 모의에 따른 민감도
4. 요약 및 제언
1. 소 개
해양은 지구의 기후 시스템에 있어 필수적인 조절자로서 기능한다(Bryan et al., 1982; Manabe and Stouffer, 2007). 이 역할은 해양이 대기 중의 이산화탄소를 흡수하고 저장하여, 온실기체의 농도를 조절함으로써 지구 온난화를 완화하는 과정에서 분명히 드러난다. 해양이 담당하는 이 중요한 자연 과정은 지구의 기온 상승을 늦추는데 중대한 역할을 담당한다. 해양은 또한 태양으로부터 받은 열을 전 지구적으로 재분배하는 핵심 매개체로서 작동한다. 이는 해류, 특히 대양의 자오면 순환을 통해 이루어지며, 열을 극지방에서 열대 지역으로, 또 반대로 이동시킴으로써 지구의 기온을 조절하고 극단적인 기후 조건을 완화한다.
이와 함께 해양의 생물학적 과정은 지구 생명의 유지에 필수적인 요소이다. 광합성을 수행하는 해양 식물 플랑크톤은 산소를 생성하고 대기 중의 이산화탄소를 흡수하는 과정에서 지구 탄소 순환에 중요한 역할을 한다. 이러한 생물학적 펌프는 해양과 대기 간의 탄소 교환을 조절하는 주요한 기능을 담당한다. 해양의 물리적 속성, 즉 해수 온도와 염분 농도는 해양의 밀도와 순환을 결정하며, 이는 전 세계의 기후 패턴과 직접적으로 연결되어 있다.
기후 변화가 진행됨에 따라 해양의 역할은 더욱 중요해지고 있다. 해수 온도의 상승과 극지방 빙하의 융해는 해수면 상승을 초래하여 해안 지역의 침수 위험을 증가시키고 생태계 및 인간 사회에 광범위한 영향을 끼치게 된다. 이러한 다차원적인 상호작용을 통해 해양은 지구 기후 시스템 내에서 다양한 역할을 수행하며, 해양의 보호와 보존은 기후 변화에 대응하기 위한 전략에서 중요한 고려 대상이다. 따라서, 지구 기후의 안정화와 생명 유지를 위해서는 해양의 역할을 깊이 이해하고 보존하는 것이 긴급하고 필수적인 과제이다.
이러한 이해를 가능하게 하는 주요 도구 중 하나가 전지구 해양순환모델(Ocean General Circulation Models)이다. 이 모델들은 해양이 지구 기후에 미치는 영향을 모사하는 데 필수적으로, 해양이 태양으로부터 받은 열을 어떻게 저장하고, 전 세계로 재분배하는지에 대한 메커니즘을 포괄적으로 모사한다. 해양순환모델은 ‘기후 조절자’ 역할을 하는 해양의 기능을 정밀하게 분석하는데 이용할 수 있으며, 대기 및 지면 모델과 함께 지구 시스템 모델의 일부로 기후 변화의 원인과 결과를 파악하는데 중요한 역할을 담당한다.
그러나 현재 해양순환모델의 성능은 많은 한계가 있으며, 이 모델의 예측 성능을 높이는 것은 해양-대기 상호작용, 중규모 에디 변동성의 불확실성, 복잡한 물리-생지화학 작용 등으로 인해 여전히 도전적인 과제이다. 이 연구에서는 전지구 해양의 복잡한 역학 시스템을 구현하는 데 강력한 플랫폼으로 자리잡은 MOM6 (Modular Ocean Model Version 6)을 활용하여, 특히 수직격자체계와 행성 경계층 모수화 방안, 그리고 조석의 고려 여부에 따른 모델의 성능을 평가하고 최적화하는 데 집중하였다. 이러한 요소들은 해류와 혼합 과정을 통한 전체 에너지 균형 형성에 결정적인 역할을 하며, 이 연구에서는 이러한 요소들이 모델의 성능에 미치는 영향을 이해하기 위한 민감도 수치실험을 수행하였다. 이를 통해 전지구 해양순환 예측모델의 성능을 향상시키기 위한 최적의 환경을 구축하는 데 기여할 것이다.
본 논문은 이러한 연구 목적을 바탕으로 다음과 같이 구성되었다. 2장에서는 MOM6 모델의 전반적인 특징과 민감도 실험에 대한 개요를 제공한다. 3장에서는 혼합층 모수화, 조석 모의, 수직격자체계에 따른 민감도 실험 결과를 비교 분석한다. 4장에서는 민감도 실험 결과를 종합하여 결론을 도출하고, 실험 결과에 대한 함의를 논의한다.
2. 모델 및 분석방법
2.1 MOM (Modular Ocean Model)
Modular Ocean Model (MOM)은 해양의 원시 방정식을 기반으로 하는 수치 모델로, 이상적이고 현실적인 해양 순환 시뮬레이션에 사용된다. 1990년대 초반 미국 GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)에서 Ronald Pacanowski, Keith Dixon, Anthony Rosati 등에 의해 MOM1 (Modular Ocean Model Version 1)이 세상에 소개되었다(Griffies, 2012).
1990년대 초반, 해양 모델 코드를 공개하는 것은 드문 일이었다. 대부분의 개발자들은 외부 사용자 지원에 대한 부담과 충분한 피드백을 받지 못할 것이라는 우려로 코드 공유에 소극적이었다. 또한, 공개된 코드라 하더라도 실행에 필요한 파일이나 스크립트, 문서화된 메뉴얼의 부족으로 인해 사용하기 어려운 경우가 많았다. MOM1은 방대한 문서화 과정과 함께, 다양한 실행 스크립트 및 테스트 사례를 제공함으로써 이러한 문제를 해결하였다(Griffies, 2012).
MOM 모델을 투명하게 공개하고, 이를 성공적으로 활용함으로써 기후 과학, 해양 예측 및 해양 상태 진단 분야에서 그 가치를 입증했다. 또한, MOM 커뮤니티를 지원하기 위한 노력은 광범위한 협력과 과학적 성과를 낳았으며, 이는 다른 해양 및 기후 모델에도 영향을 미쳐 커뮤니티 기반 모델링 도구의 새로운 패러다임을 확립하는 데 기여했다(Griffies, 2012).
MOM1(1991)부터 MOM5(2012)까지, 각 버전은 수평·수직 격자 체계, 물리모수화 방안, 전산 인프라, 테스트 사례, 사용자 매뉴얼 등 다양한 측면에서 상당한 발전을 이루었다. 그러나 MOM5의 출시와 함께, MOM 시리즈의 다음 단계로의 진보를 위한 근본적인 변화의 필요성이 대두되었다. 특히, 수직 격자 시스템의 한계로 인해 중규모 에디, overflow, 해양-빙하 상호작용 등 해양 기후 연구에서 중요한 문제들을 다루는 데 있어 한계가 드러났다. 이에 대한 하나의 해결책으로 등밀도면 수직 격자 시스템의 도입이 제안되었으며, 이는 기존의 등수심 수직 격자 시스템 방식에서 벗어나는 혁신적인 전환을 의미한다(Griffies, 2012).
이러한 도전에 직면하여 GFDL은 MOM6 프로젝트를 2012년에 시작했다. MOM6는 General Ocean Layer Dynamics (GOLD)로부터 파생된 코드를 기반으로 ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) 방식을 적용한 일반화된 수직격자체계와 일반화된 물리과정 그리고 통합 진단 패키지에 대한 요구에 따라 개발되었다. 특히, ALE를 적용함으로 등수심(z), 등밀도(ρ), 지형중심(σ), 그리고 하이브리드 수직 격자를 포함한 다양한 수직 좌표계의 적용이 가능하다는 것이 특징적이다. 또한, 고해상도 모델에 적합한 Arakawa C 격자, 향상된 지형 처리 알고리즘, 개선된 순압 성분 시간 분할 기법과 압력 경도력 계산 기법, 등밀도면 혼합 및 중규모/아중규모 에디 혼합 모수화 방안, 강화된 진단 패키지, 다양한 테스트 사례 제공 및 모델 구동과 설정을 위한 상세한 메뉴얼 등이 포함되었다(Adcroft et al., 2019). 이러한 기능들은 MOM6를 이용한 보다 정밀하고 신뢰성 높은 기후 모델링을 실현할 것으로 기대된다.
2.2 민감도 실험
본 연구에서는 GFDL MOM6에 기반한 해양 순환 모델을 수립하고 혼합층 모수화, 조석 모의, 수직격자체계에 따른 민감도 실험을 수행하여 해양 기후 모의 성능을 향상시키고자 하였다. 본 연구에서 수립하는 해양 모델은 주로 해양 기후 모의를 대상으로 하기 때문에 모델의 수평 해상도는 비교적 저해상도인 1/2°를 갖는다. 본 연구에서 수직격자는 Z*와 (Z* + ρ) 하이브리드 수직격자체계를 각각 적용하여 수직격자에 대한 해양 기후 모의 성능의 민감도를 분석하고자 하였다. 등밀도면 수직격자체계를 포함한 하이브리드 수직격자체계는 MOM6의 중요한 특징 중의 하나이다. 특히, 표층의 혼합층 내에서 Z* 격자를 갖고 그보다 깊은 수심에서 등밀도면 격자를 갖는 (Z* + ρ) 하이브리드 수직격자체계는 혼합층 과정과 등밀도면 혼합 과정을 표현하는데 이상적인 격자체계가 될 것으로 기대된다. 수직격자체계에 따른 민감도 실험을 통해 각 수직격자체계에 대한 특성을 비교 분석할 것이다.
또한, 혼합층 모수화 방안에 따른 해양 기후 모의 성능의 민감도를 파악하기 위하여 KPP (K-Profile Parameterization)와 ePBL (energetics based planetary boundary layer)을 각각 적용한 실험을 수행하였다. 해양순환 모델에서 난류 플럭스를 모수화하기 위한 다양한 방법이 제안되어왔다. 그 중에서도 KPP는 Boussinesq 가정 하에서 난류 방정식을 계산함으로 해양 내부와 해양 행성 경계층(Planetary Boundary Layer)에서 발생하는 수직 혼합 과정을 모수화한다. Reynolds 응력을 추정하기 위하여 에디 확산계수를 적용하며, 에디 확산계수의 추정은 수온, 염분, 유속과 같은 변수들의 1차 수직 기울기에 크게 의존한다(Large et al., 1994). 그러나 이러한 접근법은 일반적으로 난류 혼합으로 인한 수직 이동에 따른 물의 잠재 에너지 변화를 고려하지 않는다. 난류 플럭스를 모수화하기 위한 다른 방법으로 ePBL 방식이 최근 제안되었다(Reichl and Hallberg, 2018). 난류 혼합으로 인한 잠재 에너지 변화를 현실적으로 모수화함으로 경계층의 시뮬레이션 정확도를 향상시키고 성긴 시공간 격자의 영향을 최소화한다. 또한 전단력에 의한 혼합을 모수화하는 Jackson et al.(2008) 방식이 ePBL 방식과 결합하여 사용되는데, 전향력이 작은 적도 지역에서 전단력에 의한 혼합을 보다 현실적으로 모의하는 것으로 평가된다(Reichl and Hallberg, 2018).
해양 순환에서 조석의 역할은 광범위하며, 지구의 기후 시스템, 해양 생태계 및 해양-대기 간의 상호 작용에서 조석의 역할은 매우 중요하다. 저해상도 해양 모델에서도 조석 처방이 모델의 성능에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 조석을 처방함으로써, 해류 및 혼합 과정의 모의 성능을 향상시키고, 해양 순환과 중규모 에디 사이의 상호작용을 더 현실적으로 재현할 수 있다(Huang, 1999; Wang et al., 2017). 또한 조석은 대한해협에서 해류 및 역학 과정에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났으며(Jiang et al., 2023), 한반도 주변해역의 해양 순환 및 기후 모의 성능을 향상시키기 위해서 해양 모델에 조석을 포함하는 것이 중요할 것으로 판단하였다. 따라서, 본 연구에서는 조석 모의에 따른 해양 기후 모의 성능을 비교 분석하였다.
실험의 강제력으로 사용된 해면경계조건은 1988년부터 2007년까지의 최근 20년 동안의 자료를 기후학적으로 평균한 CORE (Coordinated Ocean Reference Experiment) 자료로부터 평년의 기후 자료를 입력 받아 Bulk Formula를 적용하여 운동속과 열속을 계산하여 처방하였다(Griffies et al., 2004). Table 1에 각 실험들의 조건들을 나타내었다. 강물 자료는 Dai and Trenberth Global River Flow and Continental Discharge Dataset의 1950년부터 1999년까지 자료로부터 기후 평균하여 적용하였다(Dai and Trenberth, 2002; Dai et al., 2009; Dai, 2017). EXP01과 EXP02, EXP02와 EXP03 그리고 EXP03과 EXP04를 비교 분석함으로 각각 혼합층 모수화 방안, 조석 모의, 그리고 수직 격자체계에 따른 민감도를 분석할 것이다. 모든 실험들의 전체 적분기간은 30년이며 마지막 25년의 결과를 비교 분석하였다.
Table 1.
Configurations of sensitivity experiments
| KPP | ePBL |
(Z*+ρ) Hybrid Vertical Grid (75 layers) |
Z* Vertical Grid (75 layers) | Tide | |
| EXP01 | O | - | O | - | - |
| EXP02 | - | O | O | - | - |
| EXP03 | - | O | O | - | O |
| EXP04 | - | O | - | O | O |
2.3 자료
각 실험들의 해양 기후 모의 성능을 평가하기 위한 분석 변수는 기후평균 수온, 염분, 수평 해류와 혼합층의 깊이이다. 기후평균 수온과 염분은 미국 NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)에서 제공하는 WOA18 (World Ocean Atlas)자료를 이용하여 각 실험들과 비교 분석했다. 혼합층 깊이는 WOA 자료로부터 표층과의 온도차가 0.2°C를 넘는 수심으로 정의하였다(Boyer Montégut et al., 2004). 또한 표층 유속자료로는 인공위성 고도계 데이터인 AVISO (Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data) 자료를 사용하였고, 수평 격자는 0.25°×0.25°이다.
3. 결 과
각 실험의 해양 기후 모의 성능을 평가하기 위하여 각 실험과 WOA(관측)의 표층 수온과 염분을 비교하여 Fig. 1에 나타내었다. 모든 실험에서 공통적으로 대표적인 서안경계류인 쿠로시오와 멕시코 만류가 이안하는 해역에서 극 방향으로 고온 편향이 그리고 적도 방향으로 저온 편향이 크게 나타났다. 이는 저해상도 모델들이 갖는 전형적인 문제점으로 서안경계류가 지나치게 극 방향으로 치우치기 때문으로 알려져 있다. 우리 나라 주변 해역 중 동해에서 고온 편향이 크게 나타났으며, 쿠로시오의 영향을 받는 동한난류가 극 방향으로의 치우침과 대마난류수의 수송량에 영향을 받는 것으로 보인다. 또한 EXP01 실험에서 적도 동태평양에서부터 적도를 따라 고온의 편향이 나타났다.
표층 염분은 모든 실험의 대부분의 해역에서 고염 편향을 나타내고 있다. 특히 멕시코 만류의 북쪽, 동태평양, 남극해 주변부와 아마존강 주변해역을 제외한 남미 대륙 주변부에서 고염 편향이 크게 나타났다. 반면에 북대서양 동쪽과 아마존강 주변해역에서는 저염 편향이 크게 나타났다. 이 장에서는 각 실험을 수행함에 따라 이러한 편향들이 어느 정도 개선되는지 분석할 것이다.
3.1 혼합층 모수화 방안에 따른 민감도
EXP01과 EXP02 실험은 수직격자체계와 조석처방 등은 모두 같은 조건에서 각각 KPP 혼합층 방안과 ePBL 혼합층 방안을 적용한 것이며, 두 실험의 비교는 혼합층 모수화 방안에 대한 민감도를 보여준다(Fig. 1). 두 실험의 가장 큰 차이는 동태평양 적도 해역에서 관찰된다. EXP01 실험에서 관찰되었던 동태평양 적도 해역의 고온 편향이 EXP02 실험에서 크게 완화된 것을 확인할 수 있다. 흥미로운 것은 조석처방이나 수직격자체계 등 다른 조건의 실험(EXP03, EXP04)에서도 EXP01에서 관찰되었던 동태평양 적도 해역의 고온 편향이 크게 완화되었다는 것이다. 이를 통해 동태평양 적도 해역의 고온 편향은 해양의 혼합층 모수화 방안에 크게 좌우되며 ePBL 혼합층 방안이 적도 태평양의 모의 성능을 크게 향상시키는 것으로 판단할 수 있다. ePBL 혼합층 방안의 적용에 의한 적도 태평양의 모의 성능 향상은 혼합층의 두께와 수온 및 염분의 수직 단면도에서도 확인할 수 있다. Fig. 2와 Fig. 3은 각각 적도를 따라 표층에서 수심 500 m까지 수온과 염분의 단면도와 25°S와 25°N 사이 혼합층의 깊이를 나타낸 것이다.
적도의 수직 수온분포(Fig. 2)에서 KPP를 적용한 EXP01의 경우 다른 실험들에 비해 혼합층을 과대 모의하고 있다. 반면에 ePBL 혼합층 방안을 적용한 실험(EXP02, 03, 04)에서 이러한 혼합층의 과대 모의가 크게 완화된 것을 확인할 수 있다. EXP01에서 혼합층의 과대 모의는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 수온 약층을 깊게 하고 그에 따라 수온 약층의 상층에서 고온 편향을 유발한다. 그리고 이러한 수온 약층의 깊이는 적도 켈빈파와 로스비파의 속도를 조절하는데 중요한 역할을 한다. 또한, 적도 켈빈파와 로스비파는 엘니뇨와 라니냐의 발달에 기여하며, 엘니뇨-남방진동(ENSO)의 주기에 중요한 역할을 한다(Pedlosky, 1987; Wang et al., 2017). 이 연구에서는 결합 기후모델을 이용하여 ENSO를 직접 모의하지는 않지만, ePBL 혼합층 방안이 적도 태평양의 혼합층 및 수온 약층에 대한 모의 성능을 개선함으로 엘니뇨 모의 성능을 향상시키는데 기여할 것으로 기대한다.
한편, 혼합층 모수화 방안에 따른 해양순환 모의 성능의 변화가 적도 이외의 해역에서는 두드러지지 않는다. 예를 들어, 쿠로시오가 크게 영향을 미치는 북서태평양, 멕시코 만류가 흐르는 북대서양 그리고 남극해 주변해역에서 EXP01과 EXP02실험 간의 표층 수온이나 염분의 변화가 크지 않았다. 또한 ePBL 혼합층 방안에 의한 염분 모의 성능의 변화도 크게 관찰되지 않았다. 적도 태평양의 염분 분포에서는 오히려 EXP02, 03실험에서 수온 약층의 상층에서 양의 편향이 나타났다. EXP04의 경우 오히려 편향이 줄어든 것으로 보이는데 이는 후에 설명할 Z* 수직격자의 과도한 혼합에 의한 것이라고 판단된다.
3.2 수직 격자체계에 따른 민감도
해양순환모델에서 수직격자체계를 수치모델화하는 방법은 그동안 과도한 혼합을 유발하여 열교환 및 수괴 모의 과정에서 현실과 맞지 않는 오류를 유발하며, 전통적인 오일러 수직좌표계 모델에서 모델 편향의 주요 원인으로 지적되어 왔다(Winton et al., 1998; Griffies et al., 2000; Legg et al., 2006). 그 해결책으로 Z* 수직좌표계와 등밀도 수직좌표계를 결합한 하이브리드 수직좌표계가 제안되었으며, 실제 해양순환모델에서 과도한 혼합의 문제를 해결하고, 열교환 및 수괴의 모의 성능을 향상시키는 것으로 나타났다(Chassignet et al., 2003; Megann et al., 2010; Megann, 2018).
본 연구의 EXP03 실험은 Adcroft et al.(2019)의 1/2° 해상도의 구성과 수직격자의 층수 등에서 유사하지만, 본 연구에서는 조석을 직접 처방하였으며, EXP04 실험과 비교하여 수직격자체계에 따른 한반도 중심의 북서태평양 영역에서 모델의 성능을 평가하였다(Fig. 4).
북서태평양에서 하이브리드 격자체계(EXP03)와 Z* 격자체계(EXP04) 모델의 두드러진 차이는 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째는 쿠로시오가 일본 해안을 떠나 태평양 내부로 흘러가는 이안점에서 큰 차이가 있었다(Fig. 5). 사실 본 연구의 수치모델은 서안경계류를 현실에 가깝게 모의하기에는 수평해상도가 1/2°로 충분하지 않다. 따라서 모든 실험(Figs. 5(b), 5(c) and 5(d))에서 관측 (Fig. 5(a))에서보다 북쪽에서 이안하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 Z* 격자체계(Fig. 5(e))에서는 다른 실험들에 비해서 쿠로시오가 북쪽으로 크게 북상하여 쓰가루 해협을 지나쳐 태평양 내부로 흘러가는 것을 확인할 수 있다. Z* 격자체계를 적용한 EXP04 실험에서는 쿠로시오의 수송량(Fig. 6(b)) 또한 관측에 비해 크게 증가한 것으로 나타났다. 쿠로시오의 이안점이 크게 북상하고 쿠로시오의 수송량이 증가함에 따라 일본 동북 해역에서 고온, 고염의 편향이 더 강화되었다. 이러한 Z* 수직격자체계에 의한 모델의 편향은 기존의 연구와도 일치하는 측면이 있다(Winton et al., 1998; Griffies et al., 2000; Legg et al., 2006). 다시 말해, 하이브리드 수직격자체계를 적용함에 따라 수치모델의 오류로 인한 과도한 혼합이 억제되고 모델의 편향이 완화된 것으로 판단된다. 한편, 쿠로시오의 변화는 대한해협 수송량에도 크게 영향을 미친다. 장기적인 시간규모에서 대한해협의 수송량은 아열대 순환과 아한대 순환 사이의 남북 해수면 차이에 의해 유도되는 것으로 알려져 있다(Minato and Kimura, 1980; Ohshima, 1994; Lyu and Kim, 2003). 실제로 EXP04 실험에서 쿠로시오의 이안점이 크게 북상함에 따라 대한해협의 수송량이 EXP03에 비해 크게 감소한 것을 알 수 있다(Fig. 6(a)). 또한 과도한 대한해협 수송량의 저평가는 동해의 수온과 염분을 크게 낮춰 EXP04 실험에서 저온, 저염의 편향을 유발하였다(Fig. 4).
Fig. 6.
Climatological monthly mean volume transports of the Tsushima Warm Current through the Korea Strait (a) and the Kuroshio across 137°E (from 24-34°N) from each experiment. Horizontal dashed lines denote the annual mean volume transport of the same color by month, as well as black dashed and solid lines represent the annual mean volume transport from observation-based estimations (Na et al., 2009; Guo et al., 2013; Shin et al., 2022).
수직격자체계에 따른 두번째 차이는 북태평양 중층수(NPIW; North Pacific Intermediate Water)와 동해 중층수(ESIW; East Sea Intermediate Water)의 모의 성능이다. NPIW와 ESIW는 각각 염분최소층을 갖는 북태평양과 동해의 중층 수괴이다. 북태평양 중층수는 모든 실험들에게 염분을 다소 과대모의하기는 하지만 두께 및 밀도층의 두께를 현실적으로 모의하고 있다. 다만, EXP04 실험에서 NPIW의 염분최소층의 두께를 다소 과대모의하는 것을 확인할 수 있다(Fig. 7(j)). 이러한 염분최소층 두께와 염분의 과대모의는 Z* 격자체계에 의한 과도한 혼합 과정에 의한 것으로 판단할 수 있다. 반면에, 모델의 수평해상도가 낮아 모든 실험에서 ESIW의 염분을 과대모의하거나, 과도하게 깊게 모의하고 있다(Fig. 8).
3.3 조석 모의에 따른 민감도
조석은 전지구 해양 순환에 중요한 영향을 미치는 요소 중의 하나이다. 특히, 조석 혼합은 물질 및 열 분포, 그리고 영양염 혼합에 영향을 미쳐 전지구 해양 순환과 중층 및 심층 수괴 형성에 기여한다(Munk and Wunsch, 1998; Egbert and Ray, 2000). 기존 연구에 따르면, 조석 혼합을 해양 모델에 통합하면 온도, 염분, 그리고 해류 예측의 정확성을 높일 수 있는 것으로 알려져 있다(Jayne and St. Laurent, 2001; Wunsch and Ferrari, 2004). 특히, 조석 신호가 강한 연안역에서 조석에 의한 영향이 클 것으로 예상할 수 있다. 그러나 본 연구에서 수립한 전지구 해양순환모델은 수평해상도가 1/2°인 저해상도 모델로서 조석을 현실에 가깝게 모의하기에는 한계가 있다. 실제로 본문에는 나타내지 않았지만, 모델에서 모의된 조석의 조차가 실제보다 작고 위상 또한 관측 결과와 일치하지 않는 것을 확인하였다.
그럼에도 불구하고 본 연구에서는 조석을 처방함에 따라 황해에서 일부 재현 성능의 차이가 나타났다. 조석을 처방하지 않은 EXP01과 EXP02 실험의 평균 해류에서는 황해의 순환이 전반적으로 매우 약하게 모의되었다. 반면에, 조석을 처방함에 따라 EXP03과 EXP04실험에서는 한반도 서해안을 따라 북향하는 해류가, 그리고 황해 서쪽에서 중국 연안을 따라 북향하다가 양자강 주변에서 남동향하는 해류가 나타난다(Fig. 5). EXP03과 EXP04에 나타난 황해의 해류 분포는 Lee and Beardsley(1999)가 수치모델과 관측자료 분석을 통해 제시한 조석 잔차류와 매우 유사하다. Lee and Beardsley(1999)는 또한 조석 잔차류에 의해 황해의 물성구조의 재현성이 개선되었다고 보고한 바 있다. EXP03에서 한반도 서해안에서 음의 수온 편향이 개선되고 제주도 주변해역에서 양의 수온 편향이 약한 음의 편향으로 바뀐 것이 조석 처방에 따라 유도된 평균 해류의 영향으로 보인다(Fig. 4).
염분 분포는 EXP01과 EXP02 실험에서 양자강 주변부에서 강한 음의 편향이 그리고 동쪽에서는 강한 양의 편향이 나타났다. 반면에, EXP03 실험에서는 EXP01과 EXP02 실험에서 나타났던 황해 동쪽에서의 강한 양의 편향이 크게 완화되었으며 양자강 주변부의 음의 편향이 오히려 양의 편향으로 바뀌었으며, 양자강 북쪽 해역에서부터 잔차류의 방향을 따라 남동방향으로 강한 음의 편향이 나타났다.
조석을 처방함에 따라 EXP01과 EXP02실험에서 나타났던 동해에서 고온, 고염 편향이 EXP03 실험에서 일부 개선되었다(Fig. 4). 동해에서 고온, 고염 편향은 대한해협을 통한 대마난류의 수송량에 의해 조절된 것으로 판단하였다. 실제로 조석을 처방하지 않은 EXP02에서보다 조석을 처방한 EXP03에서 대한해협을 통한 수송량이 크게 감소한 것을 확인하였다(Fig. 6(a)). 조석 처방에 따른 대한해협 수송량의 감소에 대해 Jiang et al.(2023)은 수치모델과 관측 자료 분석을 통해 조석에 따른 해면고도의 변화가 수평 압력 경도력을 약화시키기 때문이라고 밝힌 바 있다. 결과적으로 조석 처방에 따라 대한해협 수송량이 감소하면서 고온, 고염인 대마난류수의 동해로의 유입이 감소하고 동해 전체적으로 수온과 염분이 감소함에 따라 EXP01과 EXP02에 나타났던 고온, 고염의 편향이 EXP03에서 크게 완화된 것으로 보인다. 다만, 대한해협 수송량의 연평균은 관측값에 기반한 기존의 추정치(2.50-2.64 Sv; Na et al., 2009; Shin et al., 2022) 에 비해 EXP01과 EXP02 실험에서 과대 모의, EXP03에서는 과소 모의하고 있다. 또한, EXP04 실험에서는 대한해협 수송량이 EXP03 실험보다 더 감소하였으며, 동해에서 오히려 저온, 저염 편향이 나타났다.
조석을 처방한 EXP03 실험에서 EXP01과 EXP02실험에서 보다 쿠로시오의 수송량이 다소 감소한 것이 흥미롭다(Fig. 6(b)). 다만, 이러한 변화에도 불구하고 쿠로시오 확장역에 나타나는 수온과 염분의 편향은 크게 개선하지 못한 것으로 나타났으며(Fig. 4), 이는 쿠로시오 확장역에서의 이러한 편향이 쿠로시오의 축의 위치와 밀접하게 관련되어 있기 때문으로 판단된다.
4. 요약 및 제언
이 연구에서는 저해상도 전지구 해양순환모델의 성능을 개선하기 위한 민감도 실험을 수행하고 그 결과들을 비교 분석하여, 모델의 표층 수온과 염분 모의 성능을 평가하였다. 특히 혼합층 모수화 방안과 조석 처방, 그리고 수직격자체계에 대한 모델 성능의 민감도에 중점을 두었다. 연구 결과는 적도 태평양 지역에서 ePBL 혼합층 방안이 혼합층의 과대 모의와 고온 편향을 크게 완화시키는 데 효과적임을 보여주었으며, 조석 처방이 연안 지역의 해류 및 해양 구조의 재현에 일부 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 수직 격자체계에 따른 민감도 분석을 통해 하이브리드 격자체계가 모델 편향을 감소시키는 데 중요한 역할을 한다는 것이 확인되었다.
이 연구의 목적은 저해상도 전지구 해양순환모델의 성능을 평가하고 개선하기 위한 구체적인 방안을 모색하는 데 있다. 이를 위해 우리는 여러 가지 실험적 접근을 통해 모델의 정확성을 높이고자 하였다. 우선, 적도 태평양 지역에서 관찰된 혼합층의 과대 모의와 고온 편향 문제를 해결하기 위해 ePBL 혼합층 방안을 적용하였으며, 이 방안이 모델 성능을 개선하는 데 어떤 영향을 미치는지 분석하였다. 실험 결과, ePBL 방안을 적용한 모델에서는 적도 태평양의 고온 편향이 크게 완화되는 것으로 나타났으며, 이는 해당 방안이 해양순환의 모의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있음을 시사한다.
또한, 조석을 처방한 실험에서는 황해의 평균 해류를 기존에 알려진 조석 잔차류와 유사하게 모의되었으며, 대한해협의 수송량이 낮아졌다. 이러한 조석 처방에 따른 황해의 평균 해류와 대한해협의 수송량의 변화는 황해와 동해의 수온 편향을 완화하는 등 해양 모델의 현실성을 높이는 데 기여하였다. 다만, 염분 편향을 완화하지는 못하고 있어 향후 이에 대한 추가적인 연구가 필요해 보인다. 본 연구의 전지구 해양순환 모델의 해상도가 낮아 조석을 현실에 가깝게 모의하지는 못했지만, 조석에 의한 혼합 효과가 모델의 성능을 개선하는데 일부 기여한 것으로 보인다.
하이브리드 격자체계의 적용 또한 중요한 실험적 접근 중 하나였다. 이 격자체계는 Z* 격자체계와 등밀도면 격자체계를 결합한 것으로, 모델에서 과도한 혼합을 줄이고 수온 및 염분의 수직 구조를 보다 정확하게 모의할 수 있도록 설계되었다. 하이브리드 격자체계를 적용한 결과, 쿠로시오의 재현성과 북태평양 중층수의 모의 성능이 개선되었으며, 결과적으로 한반도 주변 해역에서 해양순환의 재현성을 개선하는 것으로 나타났다. 이는 향후 모델 개발에 있어서 격자체계의 최적화가 중요함을 시사한다.
이러한 결과들을 바탕으로, 해양 모델의 정확성을 높이기 위해 다음과 같은 제언을 할 수 있다. 첫째, ePBL 혼합층 방안과 같은 혼합층 모수화 기법을 추가적으로 개발하고 적용함으로, 모델의 고온 편향 문제를 지속적으로 해결해야 한다. 이러한 해양의 혼합층 모의 성능의 개선은 해양순환 모형뿐만 아니라 지구시스템 모형 등을 적용한 기후모의 성능을 개선하는데도 크게 기여할 것으로 기대한다. 실제로 적도 태평양의 해양 혼합층의 두께는 해양의 켈빈파와 로스비파의 속도를 좌우하기 때문에 엘니뇨 모의 성능을 개선하는데 중요한 요소로 알려져 있다. 둘째, 해양 모델의 염분 편향을 보정하기 위한 지속적인 노력이 요구된다. 이를 위해서 담수속 처방을 위한 강물과 강수의 보다 정확한 자료 확보 그리고 해양-해빙 상호 작용에 대한 추가적인 연구가 필요할 것이다. 셋째, 해당 해역의 조석 효과를 잘 재현할 수 있는 적정한 모수화 방안이나, 최적화된 기법 연구를 수행함으로써 해양순환의 재현성을 향상시킬 필요가 있다. 넷째, 황해와 같은 대륙붕을 포함한 연안 해역 등, 모델의 성능이 낮은 해역에 대한 추가적인 개선이 필요하다. 이를 위해 수직격자 체계, 수평해상도 그리고 조석 혼합에 대한 보다 체계적인 민감도 실험 및 분석이 요구된다. 다섯째, 장기적인 관측 데이터와의 비교 분석을 통해 모델의 성능을 지속적으로 검증하고 필요한 조정을 수행하는 것이 중요하다. 이러한 접근을 통해 해양순환모델의 신뢰성과 정확성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전지구적인 탄소순환과 기후를 예측하기 위한 지구시스템모형의 개발 및 개선에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
