Article

The Sea Journal of the Korean Society of Oceanography. 31 May 2024. 77-100
https://doi.org/10.7850/jkso.2024.29.2.077

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 자료 및 방법

  •   2.1 3차원 해양순환모델 ROMS 개요

  •   2.2 진해·마산만 3차원 순환모델 구성

  •   2.3 관측자료

  •   2.4 민감도 실험

  • 3. 해류와 염분의 계절변화

  •   3.1 수치모델 결과와 관측자료의 비교·검증

  •   3.2 2017년 마산만의 염분 연직구조 분석

  •   3.3 2017년 마산만의 유속 분석

  •   3.4 계절별 진해·마산만 해수순환 특성

  • 4. 민감도 실험을 통한 해수순환 구조 분석

  •   4.1 수송량

  •   4.2 계절별 순환과 외력

  • 5. 결 론

1. 서 론

진해만은 경상남도 창원시 남쪽에 위치한 만으로 한국 남해안의 대표적인 반폐쇄성 해역이다. 진해만의 동쪽에는 낙동강이 있고, 남쪽으로는 가덕수도 및 대한해협, 서쪽으로는 견내량수도가 위치하여 강으로부터 유입되는 담수와 각 해역으로부터 유입되는 해수의 영향을 받고 있다. 마산만은 진해만 북동쪽에 위치한 하구역(estuary)으로, 외해로부터 유입되는 해수와 강과 하천으로부터 유출되는 담수가 혼합되는 반폐쇄성 해역이다(Fig. 1). 마산만은 외해와의 해수교환이 제한되어 있으며, 산업단지 조성으로 인해 해양 오염이 심각하여, 정부는 해양환경 및 생태계 보전을 위해 마산만을 특별 관리해역으로 지정하였다. 이러한 수질악화로 인해 진해·마산만은 오염, 적조, 빈산소수괴 발생 해역으로 알려져 있다(Choo, 2021). 빈산소수괴는 부영양화 및 연직 밀도 차이에 의해 발생하는데, 주로 담수 유입이 증가하고 밀도성층이 강화되는 여름철에 나타난다. 마산만과 같은 하구의 표층에서는 바다 쪽으로 나가는 흐름이 우세하고, 바닥에서는 강 쪽으로 들어오는 흐름이 우세하다(Officer, 1976). 또한 하구의 입구에서는 표층에서 유출되는 흐름을 대체하기 위해 저층에서는 밀도가 높은 해수가 하구 안으로 유입된다(Geyer and MacCready, 2014).

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Fig. 1.

Model domain and bathymetry in Jinhae and Masan Bays. Blue lines represent isobaths in meter. Contour interval is 10 m. Black dots mark the locations of freshwater discharge points from creeks and rivers.

진해·마산만을 대상으로 수행한 과거 연구 내용들을 정리한 Lee et al.(2020)과 Choo(2021)에 따르면, 적조, 수질, 퇴적물, 해수유동, 저서동물과 어장환경에 관한 연구가 많이 이루어져 왔다. 진해만에서는 겨울철에 표층과 저층 사이의 연직혼합이 강하고, 여름철은 강한 성층화 때문에 연직혼합이 약하다고 알려져 있다(Kang, 1991). 진해만의 흐름은 주로 지형, 바람 및 하천 유출수에 의해 지배되는데, 특히 표층 해류는 바람 및 하천 유출수에 강하게 지배된다(Kim, 1994). 진해·마산만의 수평유속은 표층에서 가장 크고 바닥에 가까이 갈수록 감소하며, 북풍 계열의 바람은 표층해수를 외해로 이동시키고 저층으로 외해수가 유입되는데 기여하고, 남풍계열의 바람은 표층해수를 마산만 내에 축적시킨다(Jung, 1996a; 1996b). 이러한 주장을 한 이전 연구들의 경우, 풍속과 담수 방류량이 시간에 따라 변화하지 않고 일정하였으며, 해수의 밀도가 일정하며, 개방경계인 대한해협에서 수온, 염분, 밀도, 해수면 변화가 적절히 주어지지 않았고, 한 달 정도로 매우 짧은 기간 동안 이상적인 상황에서 해양 수치모델 실험들이 수행되었다.

Yoon et al.(2006)은 진해만 해역의 조류에 관한 3차원 해수유동장 수치모형실험을 수행하여 각 수도를 통과하는 수송량을 3개의 층으로 나누어 계산하여, 7월의 대조기와 소조기 동안 조류의 공간적 분포는 유사하지만, 소조기에 유속이 많이 감소하고 수심이 깊은 주요 수로를 제외하고 유속 크기가 미약함을 밝혔다. Kim et al.(2016)은 진해만의 전체적인 순환 특성은 가덕수도를 통하여 해수가 유입되며, 유입된 해수는 부도수도를 통해 마산만 방향으로 유입되고 다른 하나는 중앙수도를 통해 진해만 서부해역으로 유입된다고 주장하였다. 이 연구들은 담수 방류량과 대기 입력장이 시간에 따라 변화하도록 고려하였고, 개방경계의 수온과 염분이 시간적으로 정현함수로 변화하도록 하였으나, 여전히 한 달 정도로 매우 짧은 기간 동안 수행된 수치모델의 결과를 분석하여 결과를 제시하였다. 이와 같이 진해·마산만의 수질 개선을 위해 해수유동에 대한 연구가 많이 진행되었으나 대부분 연구 기간이 창조와 낙조시 또는 대조기, 소조기 등으로 한 달 이내 단기간에 대해 분석하였다. 진해·마산만 해수순환을 일으키고, 순환을 계절적으로 변화시키는 외력인 바람과 하천 담수 유출의 영향을 한 달 이상 장기간 살펴본 이전 연구는 찾아보기 어렵다. 또한 진해·마산만의 계절 평균 해류의 공간적 분포를 제시하고 분석한 내용은 이전 연구들에서 제시되지 않았다.

이 연구에서는 3차원 해양순환모델을 이용해 2016년부터 2018년까지의 진해·마산만 해수순환을 시공간적으로 모의하여 3년 평균 여름철과 겨울철에 대한 해수순환의 변화를 살펴보았다. 아울러 조류, 바람 및 담수 유입에 대한 민감도 실험을 통해 각 요인이 해수순환에 주는 영향력 및 각 실험에서 얻은 압력경도력, 전향력, 바람 마찰력 간의 균형을 비교하여 해수순환에 영향을 주는 주요 힘들을 파악하고자 하였다. 2장에서는 이 연구에서 사용한 3차원 수치모델의 개요와 수치모델을 검증하기 위해 사용한 관측자료에 대해 서술하였으며, 3장에서는 관측자료와 수치모델 간의 비교·검증 및 진해·마산만의 계절별 해수순환 특성을 분석하였다. 4장에서는 민감도 실험을 통해 해수순환에 영향을 주는 요인에 대해 토의하였으며, 5장에서는 연구 결과를 요약하였다.

2. 자료 및 방법

2.1 3차원 해양순환모델 ROMS 개요

진해·마산만의 해수순환을 모의하기 위해 사용한 수치모델은 Regional Ocean Modeling System (ROMS; Song and Haidvogel, 1994)이다. ROMS는 연직방향으로 정수압 근사를 사용하고 있으며, 자유수면 원시 방정식(Free surface primitive equations)을 수치적으로 풀어서 해수면 높이를 계산한다. 수평격자는 직교곡선좌표계(Orthogonal-Curvilinear coordinates)를 이용하여 각 격자(grid cell)의 중심에 밀도, 수심, 수온, 염분을 계산하고 각 격자의 동서쪽 테두리에서 u, 남북쪽 테두리에서 v를 계산하는 Arakawa-C 격자체계를 사용함으로써 계산의 안정성과 경제성을 높였다(Arakawa and Lamb, 1997). 연직격자는 해저지형을 따라서 신축되는 격자체계(Stretched terrain-following coordinate; s-coordinate)를 사용하고 있다. S-coordinate는 수심에 따라 연직격자를 나누는 체계(z-coordinate)의 해표면 경계층 구현의 장점과 해저지형을 따라서 연직격자를 나누는 체계(σ-coordinate)의 바닥 경계층 구현의 장점만을 살린 좌표계로 수온약층이나 바닥 경계층에서 현상 파악이 용이하며, 지형에 민감하게 반응하는 압력경도력의 오차를 줄일 수 있게 개발되었다(Shchepetkin and McWilliams, 2005). 계산 시간을 효율적으로 분배하기 위해 순압모드와 경압모드를 분리하여 계산하는 시간 분할법(Split-explicit time-stepping scheme)을 사용한다. 이 연구에서 연직혼합 기법(Vertical mixing scheme)으로 Generic Length Scale (GLS; Umlauf and Burchard, 2003; Warner et al., 2005) 기법 중 k-kl 모델을 사용하여 수직 난류 점성 계수와 확산 계수를 결정하였다. 대기와 해양 사이의 열수지는 bulk parameterization 방법을 사용하여 계산하였다(Fairall et al., 1996).

2.2 진해·마산만 3차원 순환모델 구성

수치모델 영역은 진해·마산만을 포함한 영역으로 34.8°N~35.2°N, 128.3°E~129.1°E이다(Fig. 1). 이 연구에서 3차원 순환을 2016년부터 2018년까지 모의하였다. 수치모델의 수평격자의 크기는 약 300 m로 180×240개의 격자로 구성되었으며, 연직적으로는 20개 층으로 나누었다. 개방 경계와 모델 영역 내의 수온, 염분, 해류를 포함하는 초기 조건은 ROMS를 이용하여 구성된 대한해협 1 km 모델의 일평균 자료를 사용하였고(Lee et al., 2023), 수심 자료는 국립해양조사원(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency; KHOA)의 수심 자료를 모델 영역에 맞게 내삽하였다. 진해·마산만 모델 영역 내의 최대 수심은 109 m이다. 바람에 의한 응력과 대기와의 열 교환을 계산하기 위해 유럽 중기 기상 예보 센터(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts; ECMWF)의 ERA5(단파 복사, 바람, 대기압력, 상대습도, 대기온도)의 3시간 간격 자료를 사용하였다. 조석은 고해상도 지역 조석 모델로 개발한 NAO99jb의 16개 분조(M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1, J1, OO1, M1, 2N2, MU2, T2, NU2, L2)를 포함하였으며, 주요 4대 분조(M2, S2, K1, O1)의 진폭 및 위상값은 Table 1에 나타내었다. 담수 유입량은 국가수자원관리 종합정보시스템(WAter resources Management Information System; WAMIS)에서 제공하는 낙동강 방류량을 비롯하여 창원시청에서 제공받은 덕동과 진해 하수처리장의 방류량과 진해·마산만 내 16개 소하천의 방류량이 유입되도록 하였다. 낙동강과 하수처리장의 방류량은 일별(m3/sec)로 반영하였으나, 다만 하수처리장의 2018년 방류량은 월별(m3/day)로 제공받아 2018년도만 월평균 방류량을 적용하였다. 작은 하천의 방류량은 실측자료가 존재하지 않아 월별 방류량 추정 공식인 Kajiyama 공식으로 계산 후에 적용하였다. Kajiyama 공식은 1920년대에 만들어져 강수량과 유역면적, 유출특성계수, 월별보정계수에 의해 유출량이 계산되는 방식으로 식 (1)과 같이 나타낸다(Kajiyama, 1928).

(1)
C=R2+(138.6f+10.2)2-138.6f+EQ=C×A×103/MS

여기서 Q는 월별 방류량, C는 수심, R은 월별 강수량, f는 유출특성계수, E는 월별보정계수, A는 유역면적, MS는 월의 환산 초를 의미한다. 그러나 기존의 공식은 홍수기를 포함하는 3, 7, 8, 11, 12월에 대한 월별보정계수를 제시하지 않아 유역의 유출량을 자세히 예측하기에는 어려움이 있다(Seo et al., 2018). 이에 최근 기상 및 수문자료를 활용하여 개선된 월별보정계수를 이용하여 소하천 방류량을 적용하였다. 수치모델에 영역 안에서 유입되는 방류량 중 낙동강 방류량을 Fig. 2에 나타내었다.

Table 1.

Amplitude (A) and phase (G) of major tidal constituents used for model open boundary input

Boundary Grid M2 S2 K1 O1
A (cm) G
(°)
A (cm) G
(°)
A (cm) G
(°)
A (cm) G
(°)
Southern boundary Start 57.8 344.9 27.3 13.3 8.8 33.2 6.0 4.4
End 47.5 348.0 22.3 16.3 5.9 58.9 4.2 46.7
Eastern boundary Start 39.6 334.6 18.1 4.2 4.9 359.9 3.5 350.1
End 47.5 348.0 22.3 16.3 5.9 58.9 4.2 46.7

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Fig. 2.

Daily discharge of Nakdong River from 2016 to 2018.

2.3 관측자료

관측자료와 수치모델 결과의 차이를 정량적으로 알아보기 위하여 조위관측소 및 해양부이에서 2016년부터 2018년까지 관측한 해수면 높이 및 표층 수온, 염분 자료를 시간평균 또는 일평균한 뒤, 평균 편향(bias) 및 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error; RMSE)를 계산하였다. 여기서 편향의 값이 양수이면 수치모델의 해수면 높이와 표층 수온, 염분이 관측자료보다 높은 것이고, 편향의 값이 음수이면 관측자료가 수치모델 결과보다 더 높은 것이다. 해수면 높이 자료는 국립해양조사원의 마산(MS), 진해(JH), 부산신항(BSN), 가덕도(GD) 조위관측소 자료를 사용하였으며, 수온과 염분은 국립해양조사원의 마산항(MSH), 부산신항(BSNH), 감천항(GCH) 부이와 기상청(Korea Meteorological Administration; KMA)의 잠도(JD), 다대포(DDP) 부이 및 한국가스공사(KOrea GAS corporation; KOGAS)의 고성용정(GSYJ), 고성장좌(GSJJ), 통영황리(TYHR), 통영안정(TYAJ), 통영지도(TYJD) 부이에서 관측한 자료이다. 여기서 한국가스공사 부이의 2016년 자료는 1년 전체가 아닌 9월 29일부터 자료가 존재하며, 고성장좌(GSJJ) 부이는 11월 22일부터 존재하여 3~4개월의 일평균 자료를 사용하였고, 통영안정(TYAJ) 부이는 유일하게 수심 5 m, 10 m, 15 m의 관측자료를 제공하고 있어 수심별로 수온과 염분을 비교하였다(Fig. 3(a)).

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Fig. 3.

(a) Observation stations and (b) location map of WJHN, WJHE, JHE and MS transects for the analysis of the transport in Jinhae and Masan Bay. Magenta triangles represent KHOA’s tidal stations. Blue, red, and green dots indicate ocean observation buoys maintained by KHOA, KMA, and KOGAS, respectively. Yellow dots indicate (d) ADCP mooring locations. White lines in (c) are CTD observation lines.

2017년 6월과 10월에 마산만에서 수온 염분 수심 측정기(Conductivity-Temperature-Depth profiler; CTD)와 해저 바닥에 계류한 음향도플러 다층 유속계(Acoustic Doppler Current Profiler; ADCP)로 관측한 염분과 해류 자료를 수치모델이 수치모의한 결과와 비교하여 마산만 하구의 물성구조를 파악하였다. CTD의 경우, 6월 28일과 10월 12일의 창조와 낙조 시에 마산만 입구(P01)에서부터 마산만 안쪽(P18)까지 수심별로 관측한 염분을 수치모델 결과와 연직구조를 비교하였다(Fig. 3(c)). CTD로 관측한 정점의 수심은 연안과 가까운 P18에서 약 2.5 m이며 P01에서는 약 22.5 m이다. ADCP를 6월 11일부터 7월 10일까지와 9월 18일부터 10월 15일까지 두 차례에 걸쳐 마산만의 MS1과 MS2 정점 해저면에 계류하여 해류를 관측하였다(Fig. 3(d)). 다만 MS1에서 9~10월에 관측한 자료가 온전치 못해 분석에서 제외하였다. 여기에 국립해양조사원의 마산항 부이(MS3)에서 관측한 해류 자료를 추가하여 수치모델이 모의한 해류 자료와 비교하였다. 해류 자료(uv성분)를 조화분해(harmonic analysis)하여 조류와 잔차류(residual current)를 분리하고, 잔차류에 대해 40시간 저주파 통과 필터(low-pass filter)를 적용하여 조류가 제거된 잔차류 시계열을 구하였다. 관측 해류 자료로부터 구한 주요 4대 분조 조류는 총 해류의 83~88%를 차지하였다. 관측 해류로부터 잔차류를 계산한 후, 저주파 통과 필터를 통과시켜 조류 성분을 제거하는 과정을 통해 M2, S2, K1 분조 성분은 97~99% 제거되었다. O1 분조 성분은 관측자료에 포함되어있는 크기가 작았고, 조화분해와 저주파 통과 필터를 이용하여 제거되는 비율이 75~95%이었다. 이러한 과정을 통해서 조류 성분을 모두 제거하는 데는 한계가 있었다.

2.4 민감도 실험

조석, 바람, 담수 유입이 계절별로 다르게 나타나는 진해·마산만에서 이러한 요인들이 각각 해수 순환에 어떻게 영향을 주는지를 파악하기 위해 수치모델을 이용하여 각 요인에 대한 해수 순환의 민감도 실험을 수행하였다. 2016년부터 2018년까지 총 3년 동안의 평균 해류와 유사한 해류 분포를 가지며, 바람과 담수 유입의 영향이 우세했던 2017년에 대하여 1년 동안 민감도 실험을 수행하였다. 민감도 실험은 해수 운동에 작용하는 외력으로 조석(Tide), 바람(Wind), 담수 유입(River discharge) 세 가지 요소를 모두 고려한 EXP-TWR, 조석과 담수 유입을 고려한 EXP-TR, 조석과 바람을 고려한 EXP-TW, 바람과 담수 유입을 고려한 EXP-WR로 총 4가지 실험을 수행하였다. 다만, 실험 기간에만 담수 유입을 제거한 EXP-TW에는 이전에 방류되었던 강물의 영향이 초기장에 반영되어 있어 해역에 남아있는 한계가 있다.

각 수치모델 실험별로 겨울철과 여름철에 해당하는 2월과 7월에 관한 결과만을 이 논문에서 제시한다. 진해만 중앙 동서방향(WJHE), 진해만 서부와 동부를 나누는 남북방향(WJHN), 진해만 동부 중앙 동서방향(JHE), 그리고 마산만 입구 동서방향(MS) 단면을 통한 해수의 유출량과 유입량을 계산하여 각 요소들이 수송량에 미치는 영향력을 분석하였다(Fig. 3(b)). WJHN의 서쪽은 진해만 서부해역이며, 동쪽은 진해만 동부해역이다.

모든 외력이 다 고려된 EXP-TWR의 수송량을 기준으로 각 실험들의 수송량 증감률을 계산한 뒤, 증가 또는 감소한 수송량을 백분율로 나타내어 각 요소의 영향력을 살펴보았다. 즉, 바람의 영향력은 EXP-TR에서, 조석의 영향력은 EXP-WR에서, 담수 유입의 영향력은 EXP-TW에서 계산된 수송량과 EXP-TWR의 수송량을 비교하여 계산한다. 즉, 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

(2)
각요소의영=Transport(EXP.TWR)-Transport(EXP.n)Transport(EXP.TWR)×100(%)

여기서 nTR,WR,또는TW 이다.

3. 해류와 염분의 계절변화

3.1 수치모델 결과와 관측자료의 비교·검증

2016년부터 2018년까지 13개 관측지점에서 관측한 자료와 수치모델이 재현한 해수면 높이, 수온, 염분 시계열을 비교하고 오차를 계산하였다(Table 2). 13개 지점 중에서 대표로 마산만 안쪽에 위치한 마산 조위관측소와 마산항 부이에서 관측한 해수면 높이, 수온, 염분의 2017년 시계열을 비교하고(Fig. 4), 또한 부이 중에서 유일하게 수심별로 수온과 염분이 관측한 통영안정 부이를 선택하여 수온과 염분의 변화를 살펴보았다(Fig. 5). 한 시간 간격 해수면 높이 시계열을 살펴보면, 수치모델이 조석과 계절에 따른 해수면의 변동성을 잘 재현하고 있으며, 관측자료와의 RMSE가 0.25 m이었다. 수온의 편향은 모든 관측지점을 평균하였을 때 -0.94℃, RMSE는 1.47℃이었다. 염분의 편향은 모든 관측점을 평균하였을 때 1.22이었고, RMSE는 2.70이었다. 다만 부이 별로 염분 RMSE가 다소 큰 차이를 보였는데, 마산항(MSH)의 관측 염분 시계열에서 염분값이 연중 급격하게 큰 폭으로 변동한다(Fig. 4(d)). 이 염분 관측자료에 큰 관측오차가 포함되어있을 것으로 추정된다. 통영안정(TYAJ) 부이의 관측 염분 시계열은 모든 수심에서 비교적 안정적인 변화를 보인다(Figs. 5(b), 5(d), and 5(f)).

Table 2.

Average bias and RMSE in SSH, temperature and salinity between observation and numerical model from 2016 to 2018

StationRMSE
KHOA
SSH (m)
MS 0.25
JH 0.26
BSN 0.25
GD 0.26
Avg.0.25
biasRMSE
KHOA
Temperature (°C)
MSH -1.00 1.51
BSNH -0.87 1.55
GCH 0.24 1.33
KMA
Temperature (°C)
JD -1.18 1.61
DDP -0.57 0.94
KOGAS
Temperature (°C)
GSYJ -1.42 1.78
GSJJ -1.50 1.80
TYHR -1.30 1.65
TYAJ 5 m -1.25 1.61
10 m -0.85 1.20
15 m -0.49 1.38
TYJD -1.09 1.25
Temperature Average-0.941.47
KHOA Salinity MSH 3.50 5.50
BSNH 4.46 6.35
GCH 3.44 4.96
KOGAS Salinity GSYJ 0.26 1.68
GSJJ 0.09 2.04
TYHR 0.17 1.13
TYAJ 5 m 0.22 1.34
10 m 0.07 1.21
15 m -0.02 1.89
TYJD -0.02 0.87
Salinity Average1.222.70

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Fig. 4.

Time series of hourly sea level in (a) January and (b) December at MS tide station, (c) daily mean temperature and (d) salinity at MSH buoy in 2017. The blue and red lines represent observation and numerical model data, respectively.

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Fig. 5.

Time series of daily mean temperature at depths of (a) 5 m, (c) 10 m, (e) 15 m and salinity at depths of (b) 5 m, (d) 10 m, (f) 15 m at TYAJ buoy in 2017. The blue and red lines represent observation and numerical model data, respectively.

3.2 2017년 마산만의 염분 연직구조 분석

2017년 6월 창조 시에 CTD 관측 염분과 수치모델이 모의한 염분 연직구조를 비교해보면, 관측 염분의 분포를 살펴보면 하천과 강으로부터의 담수 유입으로 인해 표층에서는 약 32.8 이하의 염분을 갖는 해수가 바다 쪽으로 유출되고, 저층에서는 고염분의 해수가 육지 쪽으로 유입된다(Fig. 6(a)). 또한 P12부터 P18 사이에서 해표면부터 수심 약 4 m까지 염분 32.4 이하의 저염분 수괴들이 분포한다. 수치모델에서는 표층의 저염분 해수가 만 입구(P01)까지 분포하는 모습이었으며, 저층의 염분은 관측 염분보다 약 0.4 정도 낮았다(Fig. 6(b)). 주로 해표면 가까이 표층에서 염분성층이 형성되었으며, 해수면 아래 5 m 보다 깊은 수심에서는 해수가 표층과 달리 연직적으로 더 혼합된 모습을 보였다. 10월의 경우, 관측 염분의 연직 분포는 해표면부터 수심 10 m까지 상대적으로 혼합이 잘 되어 있고 염분이 31.1~31.4이었으며, 저층에서는 표층보다 염분이 높았으나 만 안쪽에 있는 수중 언덕(sill)에 막혀 고염분의 해수가 육지 쪽으로 유입되지 못하는 모습이었다(Fig. 6(c)). 수치모델이 모의한 염분은 담수가 유입되는 상류 지점 표층에서 평균 30으로 관측 염분보다 낮았으며, 저층에서는 관측자료와 수치모델 모두에서 표층보다 높은 염분을 가진 해수가 만 안쪽까지 유입되는 모습이 나타났지만, 수치모델의 염분이 관측 염분보다 낮았다(Fig. 6(d)).

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Fig. 6.

Vertical distribution of salinity and current at Masan Bay from the (a, c) observation and (b, d) numerical model during the flood tide in June and October 2017.

3.3 2017년 마산만의 유속 분석

마산만의 순환 특성을 파악하기 위해 마산만 MS1과 MS2 정점에 설치한 ADCP와 MS3 정점에 설치되어있는 KHOA 해양부이의 해류 자료를 수치모델이 모의한 해류와 비교하였다. ADCP는 관측한 전체 자료 중에서 중앙 수심에 위치한 관측 잔차류와 수치모델의 잔차류를 비교하였으며(Table 3), 해양부이는 해표면 아래 약 3.5 m에서 해류를 관측하도록 설계되어 있으나, 조석에 의한 해수면 변동의 영향으로 해류계의 위치가 조위에 따라 변화하므로 수치모델에서는 평균 해수면 아래 1 m와 4 m에서의 해류 자료를 비교하였다.

Table 3.

Mean bottom depth, current data at HAB (Height Above Bottom) and mean current at each station of the ADCP observation and model in June and September 2017

Time Station Mean bottom depth (m) Current data depth
HAB (m)
ADCP mean current
speed (cm/s)
Model mean current
speed (cm/s)
June MS1 8.8 5.6 0.08 0.09
MS2 12.5 8.1 0.06 0.05
September MS2 15.7 11.1 0.08 0.07

6월의 일평균 해류 시계열을 살펴보았을 때, 마산만 북부 MS1에서 ADCP를 이용하여 관측한 해류는 6월 13일부터 17일까지는 주로 북쪽으로 흐르다가 18일부터 남서쪽 또는 동쪽으로 흘렀다(Fig. 7(a)). 수치모델이 모의한 해류는 6월 13일부터 16일까지는 ADCP가 관측한 해류보다 더 서쪽으로 치우쳐 북서쪽 흐름이 우세하였고, 17일부터 남서쪽 또는 동쪽으로 흘렀다. ADCP로 관측한 해류의 평균유속은 0.08 cm/s, 평균유향은 북쪽이었고, 수치모델이 모의한 해류의 평균유속은 0.09 cm/s, 평균유향은 북서쪽으로 모두 마산만 내부로 유입되는 흐름을 나타냈다. 마산만 중부 MS2에서 해류의 유속은 마산만 북부 MS1에서보다 더 강했으나, ADCP 관측과 수치모델의 해류 모두 북서쪽 흐름과 남동쪽 흐름이 번갈아 나타났다(Fig. 7(b)). ADCP의 평균유속은 0.06 cm/s이었고 수치모델의 평균유속은 0.05 cm/s이었으며, 평균유향은 둘 다 북서쪽이어서 마산만 안쪽으로 유입되는 흐름을 보였다. 진해만 동북부에 위치한 MS3에서 해류는 MS2에서와 마찬가지로 부이와 수치모델의 1 m 해류 모두 북서쪽으로 흐르는 해류와 남동쪽으로 흐르는 해류가 번갈아 나타났다(Fig. 7(c)). 하지만 평균유향은 남동쪽으로 유출되는 흐름이 나타나 MS2의 평균해류와 반대 방향이었다. 부이 관측해류의 평균유속은 0.20 cm/s이었고 수치모델이 모의한 해류의 평균유속은 0.24 cm/s이었다. 수치모델이 모의한 해류의 유향이 부이 관측해류의 유향보다 약간 더 남쪽 방향으로 치우친 모습이다. 수치모델이 모의한 해수면 아래 4 m 해류는 1 m 해류보다 유속이 작지만, 북서쪽으로의 흐름이 우세하였다(Fig. 7(d)). 평균유속은 0.21 cm/s이었으며 평균유향은 북서쪽 방향으로 중층에서는 해수가 유입됨을 알 수 있다.

9월의 해류를 비교해보면, MS2에서 ADCP가 관측한 해류와 수치모델이 모의한 일평균 해류가 주로 남동쪽과 북서쪽 방향으로 흐르는 모습이나 서로 일치하지 않는 경우가 많았다(Fig. 8(a)). 관측기간 동안 ADCP 관측 해류의 평균유속은 0.08 cm/s이고 수치모델이 모의한 해류의 평균유속은 0.07 cm/s이며, 평균유향은 둘 다 남쪽으로 유출되는 흐름이다. MS3에서 부이 관측 해류는 남쪽으로 유출되는 흐름이 강하게 나타났다. 반면에 수치모델이 모의한 해류는 부이 관측 해류보다 더 강한 모습으로 북서쪽으로 흐르다 남쪽으로 흐름이 바뀌었다(Fig. 8(b)). 부이 관측 해류의 평균유속은 0.05 cm/s로 서쪽으로 흐르는 모습이었으나, 수치모델이 모의한 해류의 평균유속은 0.32 cm/s로 부이 관측 해류보다 약 6배 크게 나타났으며 남서쪽으로 유출되는 흐름을 보였다. 수치모델이 모의한 평균 해수면 아래 4 m 수심의 해류는 남동쪽과 남서쪽으로 유출되는 흐름이 번갈아 나타나는 모습이다(Fig. 8(c)). 평균유속은 0.26 cm/s로 평균 해수면 아래 1 m 수심의 평균유속보다 약간 감소하였으며, 평균유향은 남동쪽으로 흘렀다.

마산만 하구는 수심이 얕고 해저지형이 복잡하여 해류가 좁은 지역에서 급격하게 변화한다. 이러한 지형 변화를 모두 반영하여 해양 수치모델을 구축하는 것은 한계가 있다. 또한 조류가 우세한 지역에서 수집한 해류자료에는 관측 오차가 포함되어 있으며, 조류를 제거하고자 할 때 방법에 따라 결과에 차이가 난다. 이러한 모델의 한계와 관측자료의 특성 때문에 수치모델의 해류와 관측자료가 다소 큰 차이를 보이는 것으로 판단된다.

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Fig. 7.

Time series of daily mean currents (left panel) and mean current vector (right panel) from observation data and numerical model in June 2017. Orange and green arrows represent observation and model current vectors, respectively.

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Fig. 8.

Time series of daily mean currents (left panel) and mean current vector (right panel) from observation data and numerical model in September 2017. Orange and green arrows represent observation and model current vectors, respectively.

3.4 계절별 진해·마산만 해수순환 특성

수치모델이 재현한 2016년부터 2018년까지 해류의 분포가 계절에 따라 어떻게 변화하는지를 알아보기 위하여 겨울을 대표하는 2월과 여름을 대표하는 7월의 평균을 구하고, 해수면 아래 1 m와 15 m에서 염분과 해류 분포를 살펴보았다(Fig. 9). 겨울과 여름 모두 가덕수도를 통해서 표층에서는 진해·마산만의 표층해수가 외해로 유출되고 저층에서는 대한해협의 해수가 유입되는 대류성 염하구 순환(estuarine circulation)이 일어났다. 가덕수도에서 여름철 표층과 저층의 유속이 각각 0.16 m/s와 0.07 m/s로 겨울철의 표층 유속 0.06 m/s과 저층 유속 0.03 m/s보다 약 2배 더 강하여, 여름철에 대류성 염하구 순환이 더 강함을 알 수 있다.

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Fig. 9.

Horizontal distribution of simulated three-year average salinity and current at depths of (a, c) 1 m and (b, d) 15 m in February and July.

2월에는 상대적으로 강한 북서풍이 불었으며, 평균 풍속은 3.2 m/s였다. 진해만의 표층(1 m)에서는 북서풍의 영향을 받아서 해류가 남동쪽으로 흐르고, 저층에서는 진해만 입구와 가덕도 남동쪽의 해류가 내만을 향해서 북서쪽으로 흘렀다. 강한 연직혼합으로 인해 표층과 저층의 염분이 거의 비슷한 분포를 보였고, 담수가 방류되는 지점인 낙동강 하구와 마산만 부근에서 매우 낮은 염분이 나타났다.

7월의 경우 평균 1.7 m/s의 남서풍이 불었고, 표층의 해류가 가덕수도를 통해 내만에서 외해로 강하게 유출되었고, 저층의 해류는 표층과 반대로 외해에서 내만으로 유입되었다. 담수 방류량의 증가로 낙동강과 마산만 안쪽에서는 염분이 27~28로 매우 낮은 값을 보였으며, 전반적으로 표층에 평균 염분이 31 이하인 저염분 해수가 넓게 분포하였다. 저층에서는 표층보다 염분이 높았으며, 이러한 표층과 저층 간의 염분 차이로 인해 성층화가 뚜렷이 나타났다. 이 연구에서 3차원 수치모델로 계산한 7월 평균 해류의 분포는 Bae et al.(1997)이 1980년 9월의 수온과 염분 관측자료를 이용하여 3차원 진단모델로 계산한 표층과 저층 해류 분포와 매우 유사한 구조이다.

4. 민감도 실험을 통한 해수순환 구조 분석

4.1 수송량

민감도 실험을 수행하여 각 물리적 요인이 진해·마산만의 주요 단면을 통과하는 수송량 변화에 기여하는 정도를 계절별로 계산하였다(Table 4). 바람은 2월에 진해만 동부 JHE 단면 표층을 통과하여 남쪽으로 유출되는 수송량(3.81×103m3s-1)과 저층을 통과하여 북쪽으로 유입되는 수송량(3.82×103m3s-1)을 각각 14%와 14% 변화시킨다. 즉, 2월에 진해만 동부 JHE 단면에서 바람의 영향이 없어지면(EXP-TR), 표층을 통과하여 남쪽으로 유출되는 수송량과 저층을 통과하여 북쪽으로 유입되는 수송량이 EXP-TWR에서보다 14% 감소한다. 조석은 유출과 유입 수송량을 각각 9%와 10% 증가시키며, 강물에 의한 담수 방출은 이 수송량을 5% 증가시킨다. 이 때 각 요인이 수송량 변화에 미치는 영향을 식 (3)을 이용하여 계산하였다. 세 가지 요인의 영향력 합계가 100%에 미치지 못하는 이유는 두 가지 요인의 조합만으로도 하구의 대류성 순환이 만들어지고, 세 번째 외력이 추가되면 이는 이미 형성된 순환 내에 수송량을 제한된 범위에서 조절하기 때문이다. 마산만 입구에 위치한 MS 단면의 표층을 통해서 남쪽으로 유출되는 수송량(0.21×103m3s-1)과 저층을 통해서 유입되는 수송량(0.21×103m3s-1)을 바람이 각각 34%와 33% 변화시킨다. 또한 강으로부터의 담수 유출은 표층과 저층의 수송량을 각각 33%와 32% 증가시킨다. 조석은 MS 단면의 수송량에 크게 영향을 미치지 않는다. 진해만 동부 JHE와 MS 단면을 통과하는 남북방향 겨울철 순환에서 바람의 영향이 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. WJHN 단면 표층을 통과하여 동쪽으로 유출되는 수송량과 저층을 통과하여 서쪽으로 유입되는 수송량을 바람이 각각 24%와 23% 증가시킨다. 조석은 표층 유출을 22% 증가시키지만, 저층의 유입을 39% 감소시킨다. WJHE 단면을 통과하여 표층에서 남쪽으로 흐르는 수송량과 저층에서 북쪽으로 흐르는 수송량에도 바람이 각각 22%와 19%를 기여한다. 조석도 표층과 저층의 수송량에 각각 20%와 48%를 기여한다. 진해만 서부해역의 겨울철 순환은 바람과 조류에 의한 영향을 크게 받는 것을 알 수 있다.

Table 4.

Volume transport and its increase or decrease rate (%) relative to that in TWR experiment by each forcing through the transects in Jinhae Bay in February and July 2017. Outflow and inflow transport water toward the estuary mouth in the upper layer and inland in the lower layer, respectively, for the JHE, MS, and WJHN transects. For the WJHE transect, southward and northward flows develop in the upper and lower layers, respectively

Transect Month Flow Direction Transport (103m3s-1) in each Experiment
EXP-TWR EXP-WR
(Tide)
EXP-TR
(Wind)
EXP-TW
(River Discharge)
JHE February Outflow 3.805 3.458 (9) 3.259 (14) 3.601 (5)
Inflow 3.819 3.454 (10) 3.272 (14) 3.619 (5)
July Outflow 3.219 1.274 (60) 3.189 (1) 3.544 (-10)
Inflow 3.209 1.262 (61) 3.179 (1) 3.548 (-11)
MS February Outflow 0.209 0.214 (-3) 0.138 (34) 0.140 (33)
Inflow 0.211 0.213 (-1) 0.140 (33) 0.143 (32)
July Outflow 0.116 0.090 (23) 0.118 (-2) 0.101 (13)
Inflow 0.107 0.081 (25) 0.109 (-2) 0.102 (5)
WJHN February Outflow 1.653 1.291 (22) 1.264 (24) 1.713 (-4)
Inflow 1.690 2.344 (-39) 1.301 (23) 1.740 (-3)
July Outflow 2.445 1.583 (35) 1.815 (26) 2.750 (-12)
Inflow 2.131 1.341 (37) 1.495 (30) 2.465 (-16)
WJHE February Southward 4.732 3.783 (20) 3.694 (22) 4.473 (5)
Northward 5.308 2.772 (48) 4.277 (19) 5.108 (4)
July Southward 3.032 1.673 (45) 3.047 (0) 3.061 (-1)
Northward 3.370 1.746 (48) 3.438 (-2) 3.375 (0)

7월에 JHE 단면을 통과해 표층에서 남쪽으로의 유출량(3.22×103m3s-1)과 저층에서 북쪽으로의 유입량(3.21×103m3s-1)에 영향을 미치는 조석의 영향력은 각각 60%와 61%로 매우 컸다. 즉, 조석의 전파와 조류에 의한 혼합이 없는 EXP-WR에서는 EXP-TWR에서보다 수송량이 60~61% 감소한다. 강으로부터의 담수 유출은 표층과 저층의 수송량을 각각 10%와 11% 감소시킨다. MS 단면의 표층을 통해서 남쪽으로 유출되는 수송량과 저층을 통해서 유입되는 수송량은 조석이 각각 23%와 25% 기여한다. 강에서의 담수 유출은 표층과 저층의 수송량을 각각 13%와 5% 증가시킨다. 여름철에 JHE와 MS 단면을 통과하는 남북방향 순환에서 조석과 강물의 담수 방류가 큰 기여를 하고 있다. WJHN 단면 표층을 통과하여 동쪽으로 유출되는 수송량과 저층을 통과하여 서쪽으로 유입되는 수송량에 조석이 각각 35%와 37% 기여하며, 바람은 수송량을 각각 26%와 30% 증가시킨다. WJHE 단면을 통과하여 표층에서 남쪽으로 흐르는 수송량과 저층에서 북쪽으로 흐르는 수송량에 조석이 각각 45%와 48%를 기여한다. 여름철 진해만 서부해역의 해수순환은 조류의 효과가 중요하게 작용한다.

수치모델이 계산한 JHE 단면을 통과하는 진해만 동부해역의 남북방향 대류성 순환 수송량이 WJHN 단면을 통과하여 진해만 서부해역으로 해수를 공급하는 동서방향 대류성 순환 수송량보다 겨울철에는 약 2.3배, 여름철에는 약 1.4배 크다. 아울러 JHE 단면을 통과하는 남북방향 대류성 순환은 겨울에 여름보다 약 1.2배 더 강하게 일어난다. 그러나 WJHN 단면을 통과하는 동서방향 대류성 순환은 여름에 겨울보다 약 1.5배 더 빠르게 일어난다.

4.2 계절별 순환과 외력

계절별로 순환이 변화되는 역학적 원인을 알아보기 위하여 진해·마산만의 주 수도인 JHE 단면과 WJHN 단면, 그리고 진해만 서부해역의 겨울철 순환을 설명하기 위해 WJHE 단면에서 해류에 작용하는 주요 힘들의 크기를 비교하였다.

(3a)
ut+uux+vuy+wuz=-gηx-gρzηρxdz'+fv+zKuz+Fx
(3b)
vt+uvx+vvy+wvz=-gηy-gρzηρydz'-fu+zKvz+Fy

위 식의 좌변은 가속도항이며, 우변의 첫 번째와 두 번째 항은 각각 순압성과 경압성 압력경도력(pressure gradient)이다. 이 두 항을 합하여 -1ρpx-1ρpy로 간단히 나타내기도 한다. 우변의 네 번째 항은 연직 마찰력항이다. η(x,y)는 해수면 높이고, 𝜌는 해수의 밀도, f는 코리올리 상수, K는 연직 소용돌이 점성계수(turbulent eddy viscosity)이며, FxFy는 동쪽 방향 그리고 북쪽 방향 수평 마찰항(lateral viscosity term)이다.

각 단면에서 해류에 작용하는 주요 힘은 이류항, 압력경도력, 전향력, 마찰력이다(Figs. 10 and 12). 전향력의 크기와 방향으로부터 단면에서 해류(u, v)의 크기와 방향을 알 수 있다. 그리고 조석, 바람, 담수 방류가 진해만 내부와 대한해협의 해수 교환에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 각 수치모델 실험 결과에서 수송량 증감률이 높았던 실험을 대상으로 해수면 높이와 수직 밀도 구조를 살펴보았다(Figs. 11 and 13; Table 5). 조석파가 진해·마산만 내부로 들어오면 조류가 강해지고, 이 조류 속도의 구배가 해수를 연직 및 수평방향으로 혼합하여 표층과 저층의 밀도 차이를 줄이며, 경압성 압력경도력의 크기를 변화시킨다. 바람은 진해·마산만에서 계절적으로 방향이 변화한다. 바람이 해표면에 전단응력을 가해서 표층 해류를 만들어 내고, 이 표층 해류가 만 내부의 표층 해수를 이동시켜 해수면 높이 경사를 만들어 순압적인 압력경도력을 변화시킨다. 만 내부의 하천으로부터 담수 유입은 해수면 높이를 변화시켜 순압적 압력경도력의 변화를 일으키고, 수층을 성층화시키며, 만 안쪽과 만 입구 사이의 해수 밀도 차이를 만들어서 경압적 압력경도력을 변화시킨다.

Table 5.

The list of experiments to analyze sea surface height (m) and density distribution at the transects of Jinhae Bay in February and July 2017

Month Transect
JHE WJHN WJHE
February TR, WR TR, WR TR, WR
July TW, WR TR, WR -

4.2.1 겨울철(2월) 해수순환

2월 진해만 동부에 위치한 JHE 단면 표층에서는 남쪽과 남동쪽으로 흐르는 해류가 외해 쪽으로 해수를 유출시키고, 저층 서쪽(128.66°E)에서는 북서쪽으로, 저층 동쪽(128.72°E)에서는 북동쪽으로 해류가 흘러서 해수가 내만 쪽으로 유입된다(Figs. 9(a), 9(b), 10(b), and 10(e)). 이러한 복잡한 해류 구조는 JHE 단면을 따라 급격하게 변화하는 해저면 경사(Fig. 10(a)) 및 JHE 단면 중앙과 북쪽에 위치한 섬들과 관련이 있다(Figs. 1 and 3(b)). JHE 단면을 가로질러 남쪽과 북쪽 방향으로 해류가 번갈아 가면서 흐르기 때문에(Fig. 10(b)), 동서방향 전향력과 압력경도력(-1ρpx)도 서쪽과 동쪽 방향으로 번갈아 가며 작용한다(Fig. 10(a)). 염하구에서 단면을 가로지르는 방향으로는 압력경도력과 전향력이 주로 균형을 이룬다(Scully et al., 2009). 마찰력은 표층에서는 강한 북서풍에 의해 동쪽으로 작용하고, 중층에서는 남동쪽 또는 남쪽으로 작용하며, 저층으로 내려갈수록 크기가 감소한다(Fig. 10(c)). 해표면부터 그 아래 3 m까지는 바람 마찰에 의하여 큰 영향을 받음을 알 수 있다.

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Fig. 10.

Pressure gradient, Coriolis, and frictional forces estimated from TWR experiment and along (a-f) JHE, (g-l) WJHN, (m-o) WJHE transects in February 2017. Contour intervals of force are 2×10-6ms-2, respectively.

JHE 단면을 따라서 동서방향으로 흐르는 해류(u)의 경우, JHE 단면 동쪽에서는 해류가 전 층에서 동쪽으로 흐르고, JHE 단면 서쪽 저층에서는 서쪽으로 흐르는 구조를 보인다(Fig. 10(e)). 마산만으로 방류되는 담수의 영향으로 마산만의 해수면 높이가 높아서 JHE 단면에서 남북방향 압력경도력(-1ρpu)은 전체적으로 남쪽으로 작용하지만, 단면 중앙에 위치한 섬의 영향으로 128.7°E 부근에서는 북쪽으로 작용한다(Fig. 10(d)). 수로 방향(along-channel direction)인 남북방향 압력경도력이 다른 힘들에 비해서 상대적으로 매우 크며, 이 남쪽 방향 압력경도력은 수로를 가로지르는 방향(cross-channel direction) 순환의 영향을 크게 받는 이류항(uvx+wvz) 및 연직 마찰력항과 균형을 이룬다(Scully et al., 2009). 일반적으로 길고 좁은 하구에서 수로 방향 압력경도력과 바닥 마찰력이 균형을 이루어 대류성 염하구 순환의 크기가 결정되는 것으로 알려져 있다. 그러나 진해만 동부에 위치한 JHE 단면은 비록 수로를 가로지르는 방향의 해류의 크기가 수로 방향의 조류와 해류에 비교하여 작지만, 이 수로를 가로지르는 방향 순환이 이류항을 통해서 수로 방향 대류성 염하구 순환에 큰 영향을 준다(Lerczak and Geyer, 2004; Scully et al., 2009; Li and Li, 2012).

진해만 중앙을 남북으로 가로지르는 WJHN 단면에서 해수의 운동에 작용하는 주요 힘들의 크기와 방향을 살펴보았다(Figs. 10(g)~10(l)). WJHN 단면의 표층 해류는 남동쪽으로 흘러서 해수가 진해만 동부로 유출되고, 저층의 해류는 북서쪽으로 흘러서 해수가 진해만 서부로 유입된다(Figs. 9(a), 9(b), 10(h), and 10(k)). 2017년 2월에 북서풍이 평균 3.4 m/s로 불어서 표층 해수를 남서쪽으로 이동시켜 진해만 남서부 해역의 해수면이 높아진다(Fig. 11(d)). 이러한 해수면 기울기가 북쪽 방향 경압성 압력경도를 만든다. 단면의 저층에서는 남쪽에 염분이 낮은 해수가 모여있고, 북쪽 해수의 염분이 높아서 남쪽 방향으로 경압성 압력경도력이 작용한다(Figs. 10(j) and 11(d)). 단면의 부분마다 압력경도력, 전향력, 마찰력이 주된 균형을 이루고 있다. 예를 들어, 35.04~35.05°N의 표층에서는 북서풍에 의한 마찰력이 남동쪽으로 작용하고, 전향력은 남동쪽으로, 순압성 압력경도력이 북쪽으로 작용하여 균형을 이루고 있다. 남쪽으로 작용하는 바람 마찰력은 에크만 수송을 서쪽으로 만들어서 동쪽 방향 표층 해수 유출을 줄인다. 35.04~35.05°N의 저층에서는 북서쪽으로 작용하는 전향력과 남동쪽으로 작용하는 마찰력, 그리고 남서쪽으로 작용하는 경압성 압력경도력이 균형을 이룬다.

진해만 중앙을 동서로 횡단하는 WJHE 단면에서는 진해만 중앙부(128.52~128.67°E)의 표층에서 해류가 남쪽으로 흐른다(Figs. 9(a) and 10(n)). 이 표층 해류는 동쪽으로 작용하는 순압성 압력경도력과 마찰력이 서쪽으로 작용하는 전향력과 균형을 이루며 흐른다(Fig. 11(g)). 또한 북서풍에 의한 동쪽 방향 마찰력이 해표면부터 그 아래 3 m 수심까지 남쪽으로 흐르는 흐름에 기여하고 있다(Fig. 10(o)). 저층에서는 북쪽으로 흐르는 해류가 지배적이다. 이 저층 해류는 서쪽으로 작용하는 경압성 압력경도력이 동쪽으로 작용하는 전향력과 마찰력의 합력과 균형을 이루고 있다. 진해만 서부해역 안쪽에서 방류되는 담수를 조류가 연직방향으로 혼합시켜, 서쪽에 있는 해수의 밀도가 낮고 동쪽 해수의 밀도가 상대적으로 높아지며 저층에 서쪽 방향 경압성 압력경도력이 만들어진다(Fig. 11(g)). 진해만 서부에서는 저층과 서쪽 가장자리에서 북쪽으로 이동한 해수가 진해만 북서부의 수심이 얕은 해역(128.47~128.60°E, 35.04~35.09°N)에 모여서 다시 상층으로 올라오고, 이 해수들이 다시 표층에서 남쪽으로 흐른다(Figs. 9(a) and 9(b)).

조석과 바람이 해수면 높이, 밀도분포와 해류에 미치는 영향을 알아보기 위해 단면별로 해수면 높이와 밀도 수직구조를 살펴보았다(Fig. 11). JHE 단면에서는 EXP-TWR의 밀도가 서쪽에서 동쪽으로 갈수록 높아지며, 해수면은 서쪽이 높고 동쪽이 낮다(Fig. 11(a)). 바람에 의한 외력이 없는 EXP-TR의 경우, 바람에 의해서 유출되던 진해만 내의 해수가 바람 외력이 사라지면서 외해로 유출되지 않아 해수면 높이가 EXP-TWR보다 더 높았으며, 표층에서 동서방향 밀도구배가 약해진다(Fig. 11(b)). 강한 북서풍에 의한 마찰력과 표층 혼합이 있는 경우 저층에서 북쪽으로 흐르는 수송량(또는 유속)이 14% 증가하고, 표층에서 남쪽으로 흐르는 수송량도 같은 양만큼 증가한다(Table 3). 그 결과로 저층을 통해서 높은 밀도의 해수가 더 많이 들어오고 진해만 동쪽이 전체적으로 밀도가 높아진다. 조석 효과가 없는 EXP-WR에서는 진해만이 쐐기형 하구(salt wedge estuary)가 되어서 전체적으로 밀도가 높아지고, 상층의 동서방향 밀도구배가 약해진다(Fig. 11(c)).

WJHN 단면에서 EXP-TWR은 북쪽의 밀도가 남쪽의 밀도보다 더 크고, 해수면은 남쪽이 더 높고 북쪽이 낮다. 바람에 의한 외력이 없는 EXP-TR은 전체적으로 밀도구배가 약해지며, 진해만 내의 해수가 외해로 유출되지 않아서 만 내부의 해수면이 낮아지지 않고, 염분이 낮은 상태로 유지된다. 조류에 의한 혼합이 없는 EXP-WR은 진해만이 쐐기형 하구 형태를 보이게 되고, 저층 밀도가 커지고 남북방향 밀도구배가 강해진다(Figs. 11(d)~11(f)).

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Fig. 11.

Sea surface height and vertical distribution of density from TWR, TR, WR and TW experiments along (a-c) JHE, (d-f) WJHN, and (g-i) WJHE transects in February 2017. Contour interval of density is 0.2 kg/m3.

WJHE 단면에서는 EXP-TWR은 JHE 단면과 유사하게 밀도가 진해만 서쪽 표층에서 낮고, 동쪽 저층에서 높았으며, 겨울철 조건에 따라 연직혼합이 상대적으로 잘 이루어진 모습이었다. 해수면은 서쪽이 높고 동쪽이 낮다. 바람에 의한 표층 혼합이 없는 EXP-TR은 EXP-TWR보다 표층에서 연직 방향 밀도구배가 상대적으로 증가하고, 바람 응력이 없어서 표층 해수가 만 밖으로 나가지 못해 해수면 높이 또한 증가한다. 조류에 의한 혼합이 없는 EXP-WR은 저층으로 더 많은 외해의 고염분 해수가 들어와서 저층의 밀도가 증가하며 연직 방향 혼합이 줄어들고, 저층에서 밀도 구배가 줄어들면서 남북방향 순환의 세기도 줄어든다(Figs. 11(g)~11(i)).

4.2.2 여름철(7월) 해수순환

7월 진해만 동부에 위치한 JHE 단면에서는 양쪽 가장자리를 따라 남쪽으로 흐르는 해류가 있고, 단면의 한가운데 표층부터 저층까지 전 층에서 남쪽으로 흐르는 해류가 있다(Fig. 12(b)). 이 세 개의 남쪽으로 흐르는 해류 사이에 북쪽으로 흐르는 두 개의 강한 해류가 전 층에 걸쳐 나타난다. 128.66°E에서 북쪽으로 흐르는 해류의 중심이 해수면 아래 3~5 m에서 가장 강한 것이 특징이다. 동서방향 압력경도력(-1ρpx)은 2월과 마찬가지로 동쪽과 서쪽 방향으로 작용하는 모습이 번갈아 가며 나타난다(Fig. 12(a)). 동쪽 방향 마찰력은 해표면과 바닥 경계층에 국한되어 작용한다(Fig. 12(c)). 단면과 나란한 방향으로의 해류는 표층과 동쪽 가장자리에서 동쪽으로 흐르고, 서쪽 가장자리의 저층에서 서쪽으로 흐른다(Fig. 12(e)). 마산만에서 담수가 방류되고 바람이 북쪽으로 불어서 북쪽의 해수면 높이가 남쪽보다 더 높기 때문에 남북방향 압력경도력(-1ρpy)은 2월과 같이 여러 개의 섬이 위치한 128.7°E 부근에서만 북쪽으로 작용하고, 그 외의 영역에서는 모두 남쪽으로 작용한다. 북쪽 방향 마찰력은 동쪽 방향 마찰력처럼 해표면과 바닥 경계층에 국한하여 북쪽으로 작용하는 모습이다.

진해만 서부와 동부를 연결하는 WJHN 단면을 통과하는 해류는 해수면부터 약 5 m 수심까지 강하게 동쪽으로 흘러서 해수를 외해 쪽으로 유출시키며, 저층에서는 서쪽으로 흘러서 외해의 해수를 진해만 서부로 유입시킨다(Fig. 12(k)). WJHN 단면과 나란한 방향으로의 해류는 크기가 상대적으로 작고, 북쪽 가장자리(35.06°N)에서 남쪽으로 흐르고, 중앙과 남쪽 영역은 표층부터 수심 15 m까지 북쪽으로 흐른다(Fig. 12(h)). 동쪽 방향 압력경도력(-1ρpx)은 단면의 양쪽 옆면에서 서쪽으로 작용하고, 단면의 중앙에서는 동쪽으로 작용한다. 마찰력은 해표면과 저층에서 동쪽으로 작용한다. WJHN 단면을 가로지르는 남북방향의 힘들을 살펴보면, 표층에서는 북쪽으로 작용하는 순압성 압력경도력(-1ρpy)과 바람 마찰력이 남쪽으로 작용하는 전향력과 균형을 이루었다. 북쪽 방향 바람 응력은 에크만 수송을 통해 동쪽 방향 표층 해수의 유출을 돕는다. 저층 35.05°N 남쪽에서는 남쪽으로 작용하는 경압성 압력경도력이 북쪽으로 작용하는 전향력과 균형을 이룬다(Figs. 12(j)-12(l)). 단면의 중앙 저층에서 남북방향 경압성 압력경도력(밀도 구배)의 규모가 겨울보다 크기 때문에, 더 넓은 영역에서 외해의 해수가 유입된다(Figs. 10(k), 11(d), 12(k), and 13(d)).

조석, 바람, 담수 유입이 진해만 여름철 해수면 높이, 밀도분포와 해류에 미치는 영향을 알아보기 위해 단면별로 해수면 높이와 밀도 수직구조를 살펴보았다(Fig. 13). EXP-TWR에서 JHE 단면을 따라 해표면부터 수심 약 3 m까지 밀도가 22 이하인 해수가 존재하며, 그 아래에는 상대적으로 밀도가 높은 해수가 외해에서 들어온다(Fig. 13(a)). 담수 유입의 효과가 없는 EXP-TW는 표층의 밀도가 증가한다(Fig. 13(b)). 조류에 의한 연직혼합이 없는 EXP-WR에서는 진해만이 쐐기형 하구가 되어서 EXP-TWR에서보다 표층과 저층 간의 밀도 차이가 크게 강화된다(Fig. 13(c)). 조류에 의한 혼합은 저층에서 북쪽으로 흐르는 해류의 수송량과 표층에서 남쪽으로 흐르는 해류의 수송량을 약 60% 증가시키는 역할을 한다(Table 3). 즉, 조류는 여름철에 진해만 동부 수층의 연직혼합과 하구의 대류성 순환을 크게 촉진한다.

WJHN 단면을 따라 EXP-TWR의 밀도분포를 살펴보면, 해수면부터 그 아래 5 m까지 밀도가 급격하게 증가한다(Fig. 13(d)). WJHN 단면의 남쪽과 북쪽 가장자리에서 바닥 수심이 얕아지면서 조석 혼합의 효과로 등밀도선이 기울어진다. 바람에 의한 표층 혼합이 없는 EXP-TR에서는 표층의 밀도성층이 강화되고, 표층과 저층의 밀도 차이가 증가한다(Fig. 13(e)). 조석에 의한 혼합이 없는 EXP-WR에서는 저층의 밀도가 증가하여 표층과 저층의 염분 차이가 강화된다(Fig. 13(f)).

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Fig. 12.

Pressure gradient, Coriolis, and frictional forces estimated from TWR experiment and along (a-f) JHE and (g-l) WJHN transects in July 2017. Contour intervals of force are 2×10-6ms-2, respectively.

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Fig. 13.

Sea surface height and vertical distribution of density from TWR, TR, WR and TW experiments along (a-c) JHE, (d-f) WJHN transects in July 2017. Contour interval of density is 0.2 kg/m3.

4.2.3 지형과 해류

조석파가 전파하면서 조류와 지형이 상호작용하여 조석 잔차류(tidal residual current)를 만든다(Robinson, 1983; Jung et al., 2013). 이 조석 잔차류는 전향력항, 연직 마찰항, 수평 비선형 이류항의 균형으로 발생한다(Chen and Beardsley, 1995). 또한 조석파의 전파는 성층화되고 수심이 얕은 연안의 바닥 혼합층에서 조석 전선(tidal front)을 만들고, 이 전선을 따라 잔차류를 형성하는 것으로 알려져 있다(Lee and Beardsley, 1999). 진해·마산만 해역은 작은 섬들과 돌출된 해안선이 많고 해저지형이 급격히 변화하는 곳으로 해류와 조류가 지형과 상호작용하여 여러 곳에서 작은 규모로 소용돌이 형태의 순환을 형성한다. 실제로 해수면 아래 5 m에서 해류의 분포를 살펴보면(Fig. 14), JHE 단면의 남쪽과 북쪽에 위치한 섬을 중심으로 시계 방향과 반시계 방향으로 순환하는 소용돌이 모양의 조석 잔차류가 형성된다. 이러한 조석 잔차류에 의해 형성된 해류의 수평분포는 여름과 겨울에 모두 일관된 형태로 나타난다. Kim(1994)의 3차원 수치모델, Choi et al.(2016)의 여름철 3차원 수치모델, Choo(2021)의 대·소조기 2차원 수치모델 결과에서도 JHE 단면 근처 섬들 주변에서 조석 잔차류가 소용돌이 모양의 순환을 형성하였고, 마산만 쪽으로 북서향 하는 흐름을 보여주었다.

EXP-TWR에서 2월과 7월에 JHE 단면(Figs. 10(a), 10(b), 10(j), and 10(k))과 WJHN 단면(Figs. 12(a), 12(b), 12(j), and 12(k))을 따라서 매우 작은 공간 규모를 갖고 압력경도력, 전향력, 해류의 방향이 변화하는 것을 볼 수 있다. 이러한 구조는 계절에 상관없이 나타나서, 해류의 공간적인 분포가 해저지형의 영향을 받는 것을 알 수 있다. 조석의 전파는 조류에 의한 연직 혼합을 통해서 진해·마산만의 해류 분포와 수송량에 영향을 줄 뿐만 아니라, 조석과 해저지형의 상호작용을 통해 조석 잔차류를 만들어 진해·마산만의 순환에 중요한 역할을 하고 있다.

2월에 해수면 아래 5 m에서 해류의 속도범위는 JHE 단면의 북쪽인 마산만에서 0.1~11 cm/s, JHE 단면의 남쪽에서 가덕수도까지는 0.02~17 cm/s이었으며, 7월에는 북쪽에서 0.06~10 cm/s, 남쪽에서 0.2~17 cm/s의 범위를 가졌으며, 북쪽 해역보다는 남쪽 해역의 해류 속도가 컸다(Fig. 14). 아울러 JHE 단면의 북쪽에서 해류 속도는 바람 마찰력이 강한 2월에 7월보다 더 컸다. 이러한 특성은 Kim(1994)이 조석 잔차류의 수평 및 연직 유속은 만 입구에서 크며, 바람의 영향은 내만에서 더 강하다고 주장한 것과 유사하다.

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Fig. 14.

Horizontal distribution of simulated currents and salinity at a depth of 5 m in (a) February and (b) July 2017. Red vector on the upper left is the monthly mean wind vector.

5. 결 론

3차원 해양순환모델을 이용하여 2016년부터 2018년까지 진해만의 해수순환을 재현하였고, 관측자료와 비교·검증 및 민감도 실험을 통해 해수순환을 일으키는 주요인에 대해 계절별로 나누어 분석하였다. 진해·마산만의 해수순환은 바람과 담수 유입의 영향을 크게 받는다고 알려져 왔다. 이 연구에서 진해·마산만을 크게 진해만 서부해역과 진해만 동부해역 및 마산만으로 구분하여 해수순환을 분석하였고, 수치모델 실험을 통해서 조석, 바람과 담수 유입이 각 영역의 해수순환과 해수교환량(수송량)에 미치는 영향을 정량적으로 구하였다.

가덕수도를 통해서 저층에서 대한해협의 해수가 들어오고 표층을 통해서 진해·마산만의 표층 해수가 유출되는 전형적인 대류성 염하구 순환이 수치모델에서 모의되었다. 대한해협에서 유입된 해수의 흐름은 진해만에서 크게 동부해역과 서부해역으로 나누어진다. 진해만 동부해역에서 대한해협과 마산만 사이의 해수를 교환시키는 남북방향 수송량은 진해만 서부해역과 대한해협 사이의 해수를 교환시키는 동서방향 순환 수송량보다 더 크다. 겨울에는 바람 마찰과 조류에 의한 혼합이 해수교환량의 크기에 가장 큰 영향을 준다. 여름철 순환에서는 조류에 의한 혼합이 해수교환량에 가장 크게 기여한다.

진해만 서부해역은 여름철과 겨울철에 바람의 방향이 달라서 해수순환 특성이 서로 다르게 나타났다. 특히 겨울철에 진해만 서부해역의 표층에서는 해류가 남쪽으로 흐르고, 저층에서는 북쪽으로 흘러 남북방향 순환이 활발하다. 강한 북서풍이 해표면 전단응력을 가하고, 또한 해수면 경사(순압성 압력경도력)를 만들어 표층 해류를 남쪽으로 흐르게 하였다. 바람과 조류는 연직혼합을 강화시키고, 저층의 동서방향 밀도 차(경압성 압력경도력)를 증가시켰다. 바람이 남서쪽에서 부는 여름철에는 진해만 서부해역의 남북방향 순환의 세기가 상대적으로 약화된다. 그러나 바람의 전단응력이 표층 해수를 동쪽으로 이동시키고, 진해만 서부해역의 남동쪽 해수면을 상승시켜 지형류 균형에 의해 동쪽 방향 표층 흐름을 더욱 강화시킨다. 이러한 과정을 통해서 여름철에는 표층에서 동쪽으로 해수가 유출되고, 저층에서는 가덕수도에서 서쪽으로 유입하여 동서방향 순환이 크게 강화된다. 이때 조류에 의한 연직 혼합이 저층의 동서방향 밀도 차이(경압성 압력경도력)를 만드는 것과 염하구 순환의 세기에 가장 큰 역할을 한다.

진해만 동부 해역과 마산만에서는 표층에서는 외해로 유출되고, 저층에서는 만 안쪽으로 유입되는 전형적인 염하구 순환이 발생한다. 여름철의 염하구 순환의 세기가 겨울철보다 더 크다. 이러한 해수순환은 겨울철에는 바람과 담수 유입, 여름철에는 조류에 의한 혼합의 영향을 크게 받는다. 지형적인 영향에 의해 겨울철과 여름철 모두 작은 규모로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 순환하는 소용돌이 형태의 해류(조석 잔차류)가 나타난다.

이 연구에서 수치모델 실험을 이용하여 제시한 진해·마산만 순환의 계절변화는 오염물질의 확산, 진해만 서북부 해역의 여름철 무산소층 형성 기작 파악, 적조 생물의 유입과 유출을 이해하는 데 도움이 될 것이다. 또한, 진해·마산만의 3차원 해수순환과 해양 생지화학적 물질 순환, 그리고 점차 해양 생태계를 실시간으로 예측하는 시스템을 구성하는 데 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.

Acknowledgements

이 연구는 해양수산부 재원으로 해양수산과학기술진흥원의 지원을 받아 시행된 “해양 미세플라스틱에 의한 환경 위해성 연구”의 일부입니다. 또한 이 논문은 기상청 국립기상과학원(현업 해양예측시스템 개발, KMA2018-00420)의 지원을 받았습니다.

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