태풍통과시 3차원 원시모델을 이용한 녹산만 담수역의 시공간 변화특성

Temporal and Spatial Variation in the Freshwater Region in Noksan Bay with the Passage of Typhoons Using the POM

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  • ABSTRACT

    Temporal and spatial variation in the freshwater region, created by river runoff, of a small bay, caused by the passage of typhoons was examined using a three-dimensional primitive equation model (the Princeton Ocean Model, POM). Numerical experiments were implemented focusing on temporal evolution in the freshwater region in association with typhoon tracks. The model domain covered most of the estuary around the Nakdong River, including Noksan Bay, where river water is periodically released from upstream (Noksan dam). The model showed that the extension of the freshwater region outside of the bay depended strongly on the tracks of typhoons, specifically the associated wind directions and inner flow fields that are accompanied by new clockwise eddies. The model also showed that entrainment from typhoon passage frequently creates salt wedges in the estuary, indicating that organisms in the bay are biologically and chemically influenced with variation in the freshwater region.

  • KEYWORD

    Typhoon , Freshwater , River runoff , Clockwise eddy , POM

  • 서 론

    매년 하계에는 북태평양에서 약 25개 정도의 태풍이 발생하는데(Fig. 1) 이 중 약 2.4개 정도가 한반도 주변을 통과하며(Hong and Sohn, 2004), 이로 인해 한반도 주변 연안내만의 해수성질이 시공간적으로 크게 변동한다. Lee and Niiler (2003)은 태풍 Rusa 통과시 나루도 앞바다 수심 약 25m인 해역에서 연직적으로 거의 균일한 수온혼합역이 형성되는 것을 보고하였다. 이는 태풍통과시 표층에서의 강한 난류 혼합과 용승현상 등에 의해 발생한 것과 관련될 것이다(Hong, 2008). 진해만에서 3D 원시방정식모델을 이용하여 태풍통과시 만내 해수유동을 조사한 Hong (1998)의 수치실험결과는 이러한 가능성을 뒷받침한다.

    한편, 낙동강 하구역 근해는 해수·담수의 혼합역이 형성되어 물리, 생물, 화학적으로 그 변동성이 매우 크다(Sin et al., 2005; Shin et al., 2007). 특히 근년에 들어 하구역에 각종 댐 건설로 방출담수량이 인위적으로 조절됨에 따라 기존 하구역의 물리적 해수변동을 야기하고, 이 해역의 생태계에 또 다른 변동요인이 되고 있다. 더구나 태풍통과시 급격히 증가된 강수를 댐에서 일시적으로 방류함으로써 저염분 확산과 관련하여 비록 일시적이나마 생태계에 큰 변동을 초래할 수도 있을 것이다.

    한반도 주변 하구역에서 담수 변동과 관련하여, 예를 들면, 담수확산에 미치는 조석효과(Park, 1988), 하천공사와의 관계(Han et al., 1993), 댐에서의 방수량(Kim et al., 1996) 또는 바람과의 관계(Lee et al., 1995) 등에 대한 연구들이 있었으나, 태풍통과시 댐에서 방출된 담수가 하구역에서 어떻게 시공간적으로 변동하는지에 대한 연구는 거의 없다.

    본 연구에서는 3D원시방정식모델(Princeton Ocean Model, POM)을 이용하여 태풍통과시 낙동강 하구역(Fig. 2) 내만 및 외양 연안역을 중심으로 상류에서 방출된 담수의 시공간적 변동을 조사하였다.

    재료 및 방법

      >  수치모델

    본 연구에 사용된 모델은 Blumberg and Mellor (1987)가 개발한 POM이며, 북태평양에서의 태풍영향을 조사한 Hong and Yoon (2003)과 기본적으로 같다. 다만, 본 연구목적에 맞게 모델태풍, 연직 레벨수 또는 해저지형 등은 변형하여 사용하였다. 그 다른 부분을 간략히 정리하면, 연직 레벨 수는 6개의 시그마 층, x, y 방향 격자간격은 각각 80 m이며, 모델영역(128°50′~128°57.5′E, 35°0′~35°07′N)은 해역 중앙부에 위치한 반폐쇄적 녹산내만(Fig. 2, 녹산과 하신사이 북부내만)을 중심으로 낙동강 하구 서측해역 대다수를 포함한다. 특히 녹산내만 북부에 설치된 댐에서는 낙동강 상류 담수를 주기적으로 방류하므로 태풍 내습시 이 내만을 통해 방출되는 담수역의 시공간변화를 조사하기에 적절한 해역이라 볼 수 있다. 한편, 녹산만 남쪽경계 외측에는 가덕도, 진우도, 장자도 등이 동서방향으로 위치하고 있어 태풍 내습시 동서방향의 경계층으로 작용하게 되므로 외양으로부터 남북방향으로의 운동량 전달효과를 상대적으로 감소시키고, 동서방향으로는 일정 부분 흐름을 강화시키는 역할을 할 것으로 예상된다.

    모델영역의 해저수심은 1-5 m범위로서 극히 천해이며, 개방경계는 서쪽, 동쪽 및 남쪽으로 설정하였다(Fig. 2의 점선내역). 다만, 최근 부산신항 건설과 관련하여 가덕도 동서해역을 잇는 해협(Fig. 2의 서측 개방경계 상단부분)이 거의 폐쇄된 상태이나 본 연구에서는 편의상 개방경계로 설정하였다. 이 점에 대해서는 나중 고찰에서 논의한다. 모델 외력개방경계조건으로는 KORDI(1996)에서 발간된 ‘한반도 주변 조석 조화상수자료집’을 참고하여 제공하였다. 본 모델해역은 M2 분조가 전체의 60% 이상을 차지하고(KORDI, 1996), 또 태풍통과시의 정성적 해수변동에 주목하므로 편의상 M2분조만 고려하였다. 모델결과는 수치적 안정성을 고려하여 10주기 조석 계산 후 얻어진 결과를 사용하였다. 열염경계조건에서, 담수확산과 관련한 염분변동에 주목하여, 수온은 25℃로 일정한 값을 유지시켜 열변화 효과는 무시하였다. 염분은 전 해역에 대해 일정한 초기조건(26 psu) 하에서, 녹산내만 북부 경계를 통해 방출된 담수에 의해 변동하는 염분변화의 시공간변동을 조사하였다. 담수방출은 녹산댐 관리본수 댐 담수방출량을 참고하여 북쪽경계에서 1,640 m3/s의 담수가 방출되도록 설정하였다. 평상시(담수방출이 없을 경우)와 비교하기 위해 11조석주기(즉, 준정 상해 이후 1주기) 경과 후 북쪽경계에서 담수를 방출하고 그 결과를 비교하였다.

    태풍모델에 있어, 기압분포는 종래에 흔히 사용되어 온 Fujita(1952)식을, 바람에 대해서는 Miyazaki et al. (1961)에 의해 주어진다(상세한 것은 Hong and Yoon, 2003 참조).

    또 담수확산역 변동에 미치는 태풍 경로 의존성을 조사하기위해, 하계 한반도 주변해역에 내습하는 태풍 경로를 좌측(서해진행형), 중심부(녹산내만역) 및 우측(동해진입형) 등으로 구분(Fig. 3)하여 case study를 행하였다. 이들 태풍은 편의상 큐슈 서방역(124°40′51″E,35°05′12″N)을 발생역으로 가정하였으며, 이동속도는 일정(약 3.7 m/sec)하게 유지도록 하였다. 또 중심기압은 태풍이 모델영역에 가장 근접했을 때 최저기압(970 hpa)이 되도록 설정하였으며, 모델 계산시간은 60시간 수행하였다.

    결 과

      >  관측결과와 비교

    Fig. 4는 녹산내만 2개 지점(Fig. 2)에서 M2분조에 대한 관측 및 모델 조류타원을 나타낸다. 전반적으로 계산결과(우도)가 지점 A, B에서 공히 약 1-2 cm/sec 정도로 관측(좌도)에 비해 다소 강한 경향을 보이나 북동-남서 방향이 강한 경향은 대체로 잘 대응한다.

    Fig. 5Fig. 6에 St.A와 St.B에서 RCM-9을 이용해 얻은 유속시계열(위) 및 수치실험결과(아래)를 각각 나타내었다. 자료 간격은 수치계산(5분)과 관측결과(1시간)가 각각 상이하나 전반적으로 크기나 유향에서 조류타원 결과(Fig. 4)와 같이 좋은 대응을 보였다. 즉 유향은 남서-북동류, 유속은 약 2-4 cm/s 정도였다. 다만, 조류타원결과(Fig. 4)를 포함하여 만 안쪽 지점 A에서의 흐름이 지점 B보다 상대적으로 약했다. 이것은 수심이 얕은(약 0.5 m 이내) 만 안쪽에서 해저마찰이 상대적으로 크게 작용한 결과로 해석된다.

      >  조석반응

    Fig. 7은 담수방출이 조류에 미치는 효과의 한 예를 보여준다. 댐에서 담수가 방출되면 낙조시에는 평상시(Fig. 7a 위)보다 조류를 녹산만내 및 외측까지 강화시키고(Fig. 7b 위), 창조시에는 반대로 평상시(Fig. 7a아래)보다 더욱 약화(Fig. 7b 아래)시키는 경향을 보였다. 즉 댐에서 담수가 방출(일종의 관성류)됨에 따라 녹산내만은 물론 만 외측의 조류세기에 직접적인 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다.

    만내의 해면 변위의 변동양상(Fig. 8)은 유동 변화(Fig.7)와 잘 대응한다. 즉 평상시(Fig. 8 좌도)보다 담수방출에 따라 낙조시(Fig. 8b, 우상도) 및 창조시(Fig. 8b, 우하도) 의 해수면 변화가 공히 증가하는 경향을 보였다. 특히 만 안쪽에서 이러한 경향이 보다 뚜렷하게 나타났다.

    담수역의 확산범위는 저염분역의 시공간변동을 살펴봄으로 써 파악할 수 있다. Fig. 9는 담수역 확산을 보여준다. 고조후 5시간 뒤(낙조시) 담수방출 1시간 후부터 2시간 간격으로 제시된 염분분포로 볼 때, 방출후 약 5시간 뒤에는 내만 외측경계까지 담수역이 확장되고 있음을 알 수 있다. 담수역의 시공간변화를 보다 상세히 살펴보기 위해 x-t 다이어그램(Fig. 10) 상에서 보면, 대략 20 psu 등염선을 기준할 때, 북쪽경계에서 녹산내만 외측까지 확산하는데 약 5시간 소요됨을 알 수 있다. 내만의 길이가 약 4.5 km인 점을 감안할 때 담수역의 확장속도는 약 0.25 m/sec이다. 또 15 psu 등염선의 시간변동을 주목해 볼때, 조석운동에 따라 약 12시간 주기로 내만외측 및 내측(남북방향)으로 소장하면서 진동(Fig. 10, 화살표 방향참조)하는 것을 알 수 있다.

      >  태풍에 대한 담수역 및 해수유동 반응

    태풍통과시 해수 반응 및 담수역 시공간변동 조사와 관련하여 담수방출은 태풍 근접 통과 시기를 고려, 고조후 4시간 뒤(계산시간 152시간)에 편의상 5시간 동안 방류하여 조사하였다.

    태풍통과시 조사해역에서의 바람 방향은 해수유동변화에 직접적으로 영향을 미친다. Fig. 11는 태풍이 조사해역의 좌측(Fig. 11a) 및 우측(Fig. 11b)을 가장 근접 통과할 때(Fig. 3, 태풍경로 참조)의 바람분포를 보여준다. 협역의 조사해역이므로 전 해역이 거의 동일한 바람 방향 및 세기를 형성하며, 좌측통과 태풍의 경우는 남동풍, 우측통과 태풍의 경우는 북동풍이 우세하여 태풍 위치에 따른 풍향의 차이를 잘 보여준다. 다만, 조사해역의 중심을 통과하는 태풍의 경우는 태풍 중심의 통과와 함께 북동풍에서 남서풍으로 급격이 바뀌어 다소 복잡한 양상을 보였다(여기서는 그림생략).

    Fig. 12는 조사해역의 좌측으로 태풍이 통과시(Fig. 3), 담수 방출 1시간 뒤부터 2시간 간격으로 제시된 염분분포를 나타낸다. 평상시(Fig. 9)는 담수방출 후 약 5시간 경과한 뒤에 만내외측까지 확장되었던 담수역이 내만에 한정되고 있음을 알 수 있다. 이는 동일 시간 흐름분포(Fig. 13)에서 알 수 있듯이, 태풍이 조사해역에 접근하면서 발달된 남동풍계열(Fig. 11a)의 바람이 해안에 평행한 강한 서향류를 발생시켜 만

    외측으로 확장하려는 담수역을 만내로 억제시킨 결과로 이해할 수 있다. 그 결과 만 외측경계역 근처에서는 담수방출로 인한 남향 관성류와 태풍으로 발달된 만 안쪽으로 진입하는 북향류가 서로 상쇄되어 매우 약한 흐름장이 형성되고, 만 안쪽에는 시계방향의 와류가 형성되는 것이 흥미롭다. 이 와류는 태풍통과 후에는 소멸된다 (그림생략).

    한편, Fig. 14에서 보여주는 우측통과 태풍 시도 좌측통과의 경우(Fig. 12)처럼, 담수역은 만내에 한정됨을 볼 수 있다. 다만, 북동계열의 바람(Fig. 11b) 영향으로 왼쪽통과 태풍에 비해 다소 만내 외측으로 확장된 경향을 보였다. 이는 북동계열의 바람이 이번에는 해안선에 평행한 동향류를 발달시키고 이 흐름의 영향이 좌측통과 태풍 때와 유사한 영향을 미쳤기 때문이다. 전반적으로 약한 와류를 형성하는 것도 바람 영향에 기인한 것으로 해석된다. 태풍이 조사해역 중앙부를 통과한 경우 (여기서는 그림 생략함)는 조사해역 통과 전에는 북동풍, 통과 후에는 남서풍 계열의 바람을 가장 근접해 영향을 받게 되므로 담수역의 변동도 매우 복잡하게 변동하였다. 즉 담수방출 후 약 10시간만에 만외측경계를 벗어나 해안선을 따라 서쪽으로 광범위하게 확산하나 태풍 통과후에는 방향을 바꾸어 외측연안을 따라 동쪽으로 확산하였다.

    Fig. 16은 태풍의 좌측통과(Fig. 16a), 우측통과(Fig. 16b) 및 중앙통과(Fig. 16c)의 경우에 대한 담수역 확장을 나타내는 x-t 다이어그램이다. 평상시(Fig. 10) 담수역 확장속도(약 0.25 m/sec)보다 좌측통과시(약 0.08 m/sec) 약 3배 가까이 느리고, 태풍통과 전(연직선)에는 만내에 한정되다 통과 이후(약 175시간)에 비로소 만 외측으로 확산되고 있음을 알 수 있다. 그러나 태풍경로가 우측인 경우(Fig. 16b)에는 확장속도도 약 2배(0.16 m/sec) 빠르고 태풍 통과 후에는 곧 만 외측으로 확장되고 있음을 알 수 있다. 중앙부를 통과한 경우(Fig. 16c)도 태풍통과 전까지 다른 태풍의 경우처럼 확장속도가 비교적 느리다(0.18 m/sec). 한편, 태풍 통과 후 만내에서 담수역의 소장과 관련해 진동하는 현상은 평상시(Fig. 10)와 유사한 경향을 보였다. 다만, 평상시의 경우는 진동주기가 조석주기(약12시간)에 해당되나 태풍 통과 후의 경우는 대체로 관성주기(34.5N-약 21시간)로 진동하였다.

    Fig. 17은 태풍통과시 각 태풍경로 별 만내의 연직방향의 염분분포를 나타낸 것이다. 만내외측으로의 담수확장역이 가장 협소했던 좌측통과태풍(Fig. 17a)의 경우는 상하층이 거의 균질한 염분구조를 보인데 반해, 만 외측으로 보다 확장된 우측 통과태풍(Fig. 17b) 및 중앙부통과태풍(Fig. 17c)의 경우 공히만 안쪽으로 염수쐐기(salt wedge) 형태가 발달한 경향을 보여주었다. 이러한 결과는 태풍통과시 태풍경로에 관련된 담수방출역의 소장에 따라 염수쐐기 침입으로 인한 만내 해수연직분포가 크게 변동할 수 있음을 시사한다.

    고 찰

    본 연구에서는 수치실험을 바탕으로 태풍통과시 녹산만내 상류에서 방출된 담수역의 소장변화를 조사하였다. 모델유속결과는 만내 2개 지점(Fig. 2)에서 안데라 RCM유속계를 이용해 연속관측해 얻은 유속자료를 조화분해한 결과(M2)와 검증하여 비교적 좋은 대응결과를 얻었다. 그러나 태풍통과시의 경우는 관측자료가 없어 사실상 이론적 고찰에 머물렀다. 그러나 태풍의 경로에 의존, 담수역 소장과 관련된 만내 형성된 와류(Fig. 13, Fig. 15) 및 염분연직구조변화(Fig. 17)는 그 발생 개연성이 충분히 예상된다. 더구나 본 연구에서 얻어진 만내의 유동특성 등은 한반도 다른 연안내만에서도 공통적으로 발생 할 가능성이 크고, 만내의 해수변화에 영향을 줘 생태계 변동에도 크게 영향을 미칠 수 있을 것으로 예상되어, 추후 관측을 통해 검증할 필요성이 요구된다.

    또 최근 부산신항건설과 관련하여 가덕도 동서해역을 잇는 해협(Fig. 2의 서측 개방경계 상단부분)이 거의 폐쇄된 상태이나 본 연구에서는 편의상 개방경계로 설정하였다. 이를 폐쇄경계로 처리할 경우, Fig. 13에서 예상할 수 있듯이, 가덕도 동편과 서편을 잇던 해협을 통해 진해·마산 쪽으로 분산 유출되었던 해수(서향류)들이 태풍이 북상하면서 반시계 방향의 바람영향으로 가덕도 동편 연안을 따라 형성되는 빠른 남향 연안제트류를 더욱 강화시켜 외해 흐름장을 크게 변화시킬 것이다. 그러나 이러한 외해의 흐름 변화와는 달리 녹산만에서 방류된 담수역의 확산역은 본 연구결과와 크게 다르지 않을 것으로 사료된다.

    본 연구에서는 편의상, 열적변동이나 기본류(대마난류 등) 및 대기해양간 열교환, 강수 등을 무시한 매우 간단한 조건에서 실험을 수행하였다. 특히 조석은 M2만 고려하여 각 분조별(예를 들면, S2, O1, K1 등) 상호영향은 무시하였다. 이러한 조건들은 실험결과에 일정부분 영향을 미칠 수 있을 것이다. 기본류(대마난류 등)를 무시함으로써 해수유동에, 강수제외는 염분농도에, 대기해양 열교환 및 일정수온 조건 등은 경압성 해류생성에 어떤 영향을 미칠 수 있을 것이다. 그러나 이러한 것들은 본 실험결과에 정량적으로 어떤 영향은 줄지라도 정성적인 결과 자체를 크게 바꾸지는 않을 것이다. 이런 모델의 약점은 추후 연구를 통해 보완해야 할 것이다.

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  • [Fig. 1.] A number of typhoons generated in the North Pacific during 1970-2010.
    A number of typhoons generated in the North Pacific during 1970-2010.
  • [Fig. 2.] Map of the western Nakdong River region. The model domain is depicted by a rectangle, and dotted lines represent the open boundaries. Black circles show the observed stations for validating the model results in the case without typhoons. The locations are 35°06′48″N-128°53′53″E for St. A and 35°05′44″N-128°53′37″E for St. B.
    Map of the western Nakdong River region. The model domain is depicted by a rectangle, and dotted lines represent the open boundaries. Black circles show the observed stations for validating the model results in the case without typhoons. The locations are 35°06′48″N-128°53′53″E for St. A and 35°05′44″N-128°53′37″E for St. B.
  • [Fig. 3.] Tracks of the model typhoons. The dots are 6 hours apart, numerals in the left and right hand sides of the tracks represent hours and atmospheric pressures, respectively.
    Tracks of the model typhoons. The dots are 6 hours apart, numerals in the left and right hand sides of the tracks represent hours and atmospheric pressures, respectively.
  • [Fig. 4.] Tidal ellipses of the observation (left) and the model (right) at St. A (upper) and B (lower).
    Tidal ellipses of the observation (left) and the model (right) at St. A (upper) and B (lower).
  • [Fig. 5.] Comparison of tidal currents in the observation (upper) and the model (lower) at St. A. For convenience, time intervals are given in 1 hour and 5 minutes for the observation and the model, respectively.
    Comparison of tidal currents in the observation (upper) and the model (lower) at St. A. For convenience, time intervals are given in 1 hour and 5 minutes for the observation and the model, respectively.
  • [Fig. 6.] Same as Fig. 5 except for St. B.
    Same as Fig. 5 except for St. B.
  • [Fig. 7.] Velocities (a) at M2 tide only, (b) in M2 tide with river discharge. Upper ones show flow fields 5 hours after high tides, and lower ones at 3 hours after low tides.
    Velocities (a) at M2 tide only, (b) in M2 tide with river discharge. Upper ones show flow fields 5 hours after high tides, and lower ones at 3 hours after low tides.
  • [Fig. 8.] Same as Fig. 7 except for elevations.
    Same as Fig. 7 except for elevations.
  • [Fig. 9.] Low salinity distributions from 5 hours after high tides with river discharge. Time evolution is given in every 2 hour. Note an initial condition of salinity with 25 psu.
    Low salinity distributions from 5 hours after high tides with river discharge. Time evolution is given in every 2 hour. Note an initial condition of salinity with 25 psu.
  • [Fig. 10.] x-t diagram of freshwater region. Note that freshwater regions are oscillated in the south-north direction of the bay.
    x-t diagram of freshwater region. Note that freshwater regions are oscillated in the south-north direction of the bay.
  • [Fig. 11.] Wind vectors with the passage of typhoons towards (a) the left hand side and (b) right hand side.
    Wind vectors with the passage of typhoons towards (a) the left hand side and (b) right hand side.
  • [Fig. 12.] Same as Fig. 9 except for the passage of the left hand side typhoon.
    Same as Fig. 9 except for the passage of the left hand side typhoon.
  • [Fig. 13.] Same as Fig. 12 except for the velocities.
    Same as Fig. 12 except for the velocities.
  • [Fig. 14.] Same as Fig. 12 except for the passage of the right hand side typhoon.
    Same as Fig. 12 except for the passage of the right hand side typhoon.
  • [Fig. 16.] Same as Fig. 10 except for typhoons with passages of (a) LHS, (b) RHS and (c) the central area in the model domain.
    Same as Fig. 10 except for typhoons with passages of (a) LHS, (b) RHS and (c) the central area in the model domain.
  • [Fig. 17.] Vertical structures of salinity in the levels with passage of (a) LHS, (b) RHS, and (c) the central-passage-type typhoons.
    Vertical structures of salinity in the levels with passage of (a) LHS, (b) RHS, and (c) the central-passage-type typhoons.