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ISSN : 1225-6692(Print)
ISSN : 2287-4518(Online)
Journal of the Korean earth science society Vol.39 No.5 pp.436-457
DOI : https://doi.org/10.5467/JKESS.2018.39.5.436

The Validation of MOHID Regional Ocean Circulation Model around the East Asian Seas in 2016

Jae-Ho Lee1, Byeong-Jun Lim1, Do-Youn Kim2, Sang-Hoon Park2, You-Soon Chang1*
1Department of Earth Science Education, Kongju National University, 56 Kongju-Daehak-Ro, Kongju, Chungnam 32588, Republic of Korea
2Ara Consulting & Technology, 30 Songdomirae-Ro, Yeonsu-Gu, Incheon 21990, Republic of Korea
Corresponding author: yschang@kongju.ac.kr Tel: +82-41-850-8292
March 10, 2018 May 31, 2018 October 1, 2018

Abstract


In this study, we apply a three-dimensional circulation model, MOHID (MOdelo HIDrodinâmico), and reproduce oceanic variation around the East Asian seas including Korea in 2016. Simulation results are verified by using objective analysis fields (EN4, ARMOR3D, AVISO, and SIO products) and in-situ observation data (serial oceanographic and buoy data). Verification results show that general characteristics of the water temperature, sea level anomaly, surface velocity, and mixed layer depths simulated by MOHID are similar with those of the objective analysis fields in the East Asian seas. Especially, when buoy data in the coastal areas are compared, correlation coefficients of sea surface temperature and sea level anomaly are both over 0.8 and normalized standard deviations are between 0.85 and 1.15, respectively. However, it is analyzed that additional improvement would be necessary in the representation of thermocline structure in the East Sea and strong stratification phenomena in the Yellow and South Sea in summer.



2016년 동아시아 해역의 MOHID 지역 해양 순환 모델 검증

이 재호1, 임 병준1, 김 도연2, 박 상훈2, 장 유순1*
1공주대학교 지구과학교육과, 32588, 충청남도 공주시 공주대학로 56
2(주)아라종합기술, 21990, 인천광역시 연수구 송도미래로 30

초록


본 연구에서는 3차원 순환 모델인 MOHID (MOdelo HIDrodinâmico) 모델을 적용하여 한반도를 포함한 동아시 아 해역의 2016년 해황 변동을 재현하였다. 재현 결과는 객관 분석장(EN4, ARMOR3D, AVISO, SIO 자료)과 현장 관 측 자료(정선 해양 자료, 부이 자료)를 사용하여 검증하였다. 검증 결과 MOHID로 재현된 수온, 해면 고도 편차, 표층 유속 및 혼합 층 깊이 등의 전반적인 해황 구조가 동아시아 해역의 객관 분석 자료들과 유사하게 나타났다. 특히 연안 의 부이 자료와 비교하였을 때, 표층 수온 및 해면 고도 편차의 상관 계수는 모두 0.8 이상이며, 표준화된 표준편차는 0.85-1.15의 값을 보였다. 그러나 여름철 동해의 수온 약층의 구조 및 황해와 남해의 강한 성층 현상 재현에 관한 추가 적인 개선이 필요할 것으로 분석되었다.



    Korea Coast Guard
    KCG-01-2017-05

    서 론

    동아시아 해역은 동중국해(East China Sea), 남해 (South Sea), 황해(Yellow Sea), 보하이해(Bohai Sea), 동해(East Sea), 북부 필리핀해(Northern Philippine Sea) 등 다양한 부속해를 포함한다. 동중국해, 남해, 황해는 주로 수심이 매우 얕은 대륙붕으로 이루어져 해양/대기 상호작용에 매우 민감하며 수온, 염분, 해 류 등의 계절 변동이 뚜렷하게 나타난다. 특히 강한 조석과 양자강 유출수 및 한국/중국 연안수의 영향을 크게 받으며, 조석 전선(Tidal Front), 연안 용승 전선 (Coastal Upwelling Fronts) 및 쿠로시오 전선 (Kuroshio Front) 등 다양한 전선들도 존재한다 (Beardsly et al., 1985; Lie and Cho, 1994;Su, 1998;Isobe, 2008;Belkin et al., 2009;Chen, 2009;Matsuno et al., 2009). 작은 대양(Miniature Ocean)으 로 알려진 동해는 한반도, 일본 그리고 러시아로 둘 러싸인 반폐쇄성 해역이며, 대한 해협(Korea Strait), 소야 해협(Soya Strait), 쓰가루 해협(Tsugaru Strait), 타타르 해협(Tatar Strait)을 통한 해수의 유입 유출이 있으며, 아한대 해수와 아열대 해수의 상호 작용, 극 전선(Polar Front), 중규모 소용돌이(meso-scale eddy) 등 그 순환 구조가 역학적으로 매우 복잡하게 이루 어져 있다(Kim et al., 2008;Chang et al., 2016). 서 태평양 일부인 필리핀 해 및 일본 남부 해역의 해황 변화는 주로 쿠로시오 해류의 이동과 확장에 큰 영 향을 받는다.

    이처럼 한반도를 포함한 동아시아 해역은 매우 다 양한 해양 물리 현상들이 복합적으로 상호 작용하는 곳으로 이 해역의 자세한 해양 구조를 정확하게 이 해하고 재현하는 것은 매우 중요하다. 그러나 대부분 의 해양 관측 자료는 위에서 언급한 다양한 스케일 의 해양 물리 현상을 충분히 설명하기에 시/공간적 해상도가 매우 낮으며, 특히 황해를 포함한 동중국해 의 경우는 얕은 수심과 활발한 어업 활동 등으로 인 해 Argo 등 실시간 관측 자료가 매우 부족한 실정이 다. 그러므로 동아시아 해역을 대상으로 한 대부분의 연구는 수치 모델에 의존하고 있으며 다양한 모델이 지속적으로 개발되어 운영되고 있다(Kim et al., 2013). 그러나 수치 모델을 구성하는 기본 방정식들 의 가정과 근사로 인하여 실제 해양 현상을 완벽하 게 표현하지 못하고 해양 현상의 비선형성과 관계된 초기장에 대한 민감한 의존성을 가지기 때문에 해양 상태의 정확한 재현 및 예측에는 근본적인 한계를 가지고 있다(Chang, 2015). 그러므로, 지속적으로 다 양한 모델을 구축하고 이에 대한 객관적이고 종합적 인 검증이 요구되는 실정이다.

    본 연구에서는 동아시아 해역에 대해 고해상도 3 차원 모델인 MOHID (MOdelo HIDrodinâmico) 모델 을 적용하여 2016년 해황 변동을 재현하였다. 연구 해역에서 수집할 수 있는 수온, 염분, 유속, 해면 고 도 및 혼합층 두께 변화 등 모든 가용한 관측 자료 를 이용하여 종합적 검증 체계를 구축하여 그 결과 를 제시하였다.

    모델 개요

    본 연구에서 사용된 MOHID 모델은 1985년 포르 투갈 리스본 대학 소속의 IST (Instituto Superior Ténico)의 MARETEC (Marine and Environmental Technology Research Center)에서 최초로 개발되었다. 조석, 해일과 관련된 연안 및 하구역에서의 물리적 변화의 연구에 주로 사용되어 왔으며, 수온과 염분 변화, 난류, 연안 침식과 퇴적, 기상 및 파랑 조건 고 려, 수질 및 생태, 유류 확산 등도 쉽게 재현할 수 있는 60개 이상의 모듈로 구성되어 있으며, 아격자 (nesting) 기법을 적용하여 보다 정밀하게 관심 지역 의 해황을 재현할 수 있는 모델이다.

    수평적으로 직교(cartesian) 또는 직교곡선(orthogonal curvilinear) 격자체계를 사용하며, 수직적으로 시그마 좌표계와 Z-Level 좌표계를 개별 또는 혼합 사용할 수 있는 일반화연직좌표(General Vertical Coordinate, 이하 GVC) 시스템의 적용이 모두 가능하며, 본 연구 에서는 직교 좌표와 GVC 시스템을 적용하였다. 공 간적으로 유한체적법(finite volume technique, Martins et al., 1999, 2000)을 사용하며, 시간적으로는 반 암 시적 ADI (Alternate Direction Implicit) 알고리즘을 사용하여 계산상의 안정성 제약을 최소화 한다.

    MOHID 모델은 이동 경계 처리가 가능하고, 조간 대가 넓게 분포한 우리나라의 지형에 필수적인 조간 대 처리가 가능한 모델이며, 공간적으로 격자검사체 적(cell control volume)을 이용하여 방정식을 차분하 는 유한체적법을 사용한다(Chippada et al., 1998). 또 한, 3차원 비압축성 유체에 대한 방정식을 계산하며, 정수압가정은 부시네스크 근사(Boussinesq approximation) 와 레이놀즈(Reynolds) 근사를 가정하며, 직교 좌표 계에서 모델의 x, y 방향의 운동 방정식, 연속 방정 식, 정수압 방정식은 각각 다음과 같이 정의된다.

    연속 방정식: : x u + y v + z w = 0 정수압 방정식: : z p + g ρ = 0

    운동 방정식:

    t u = x ( u u ) y ( u v ) z ( u w ) + f v 1 ρ 0 x p + x ( υ H + υ ) x u ) + y ( ( υ H + υ ) y u ) + z ( ( υ t + υ ) z u )

    t v = x ( v u ) y ( v v ) + z ( v w ) - f u 1 ρ 0 y p + x ( ( υ H + υ ) x v ) + y ( ( υ H + υ ) y v ) + z ( ( υ t + υ ) z v )

    여기서 u, v, w는 각각 x, y, z 방향으로의 속도 벡 터 성분이며, f는 코리올리 파라미터, υH, υt는 수평 및 수직 방향에서의 난류 점성(turbulence viscosity) 을 나타내며, υ는 분자 동점성(molecular kinematic viscosity), p는 압력, g는 중력 가속도, ρ0는 기준 밀도 상수, ρ는 해수 상태 방정식(UNESCO, 1981) 을 사용하여 계산된 밀도를 나타낸다.

    난류 모델은 기본적으로 k-ε 모델과 Meller- Yamada 2차 오더(order) 난류 마감모델(turbulent close model)이 포함되어 있으며, 수평 난류(turbulence) 모델은 상수(constant), Smagorinsky(1963), 유속과 수 심의 비를 적용할 수 있고, 수직 난류모델은 수직상 수(constant), Nihoul(1984), Leendertse and Liu (1978), Backhaus and Hainbucher(1987), Pacanowski and Philander(1981), GOTM (Burchard et al., 1999) 을 적용할 수 있다.

    운동량과 물질의 이동항은 전방 차분법, 중앙 차분 법, 총변동량제거기법(Total Variation Diminishing, 이 하 TVD) 이 적용 가능하며, 이류(advection)항은 명 시적 방안(explicit scheme), 반 암시적 방안(semiimplicit scheme), 암시적 방안(implicit scheme) 등을 사용하여 계산이 가능하다. 경계 조건으로 해수면을 가로지르는 이류 열속(advective flux)은 없으며, 운동 량의 확산은 다음의 quadratic friction law 를 사용하 여 계산된 바람 응력(wind stress) 항을 고려한다.

    υ z ν H s = τ w = C w ρ a W | W |

    여기서 ν H S 는 표면 마찰층 내 수평 방향의 유속 벡터를 나타내고, CW는 바람 응력 계수(wind drag coefficient)로 풍속의 함수(Large and Pond, 1981)이 며, ρa는 대기 밀도, W 는 해면상 10 m 지역에서의 풍속 벡터이다. 풍속 자료로는 기상청 지역대기예측 모델의 결과를 사용하였다. 또한 표층 열속 계산을 위해 추가적으로 기상청 모델의 기압, 기온, 단파복 사, 장파복사, 습도 등의 실시간 분석 자료를 입력 자료로 사용하였다.

    해저면에서도 가로지르는 이류의 흐름은 없으며, 운동량의 확산은 quadratic law 를 이용한 non-slip 방법으로 계산된 해저 마찰을 고려한다.

    υ z ν H b = C B ν H b | ν H b | , C B = ( κ log ( z + z 0 b z 0 b ) )

    여기서 ν H b 는 바닥 마찰층 내 수평 방향의 유속 벡터를 나타내고, CB는 바닥 응력 계수(bottom drag coefficient)이며, κ는 von Karman 상수, z 0 b 는 조도 계수(bottom roughness length)이다. 또한, 육지를 가 로지르는 흐름은 없으며, 개방 경계에서 조위, 유속 등을 부여할 수 있다(Kim et al., 2012).

    본 연구에서는 동아시아 해역을 대상으로 서로 다 른 해상도를 가지는 두 해역에 대해 모델을 구성하 였다. 첫 번째는 동아시아 해역(117.5 °E-143.5 °E, 23 °N-47 °N, 이하 Level 1)으로 수평 해상도는 9 km, 연직으로는 19개층으로 구성하였으며, 두 번째는 한 반도 연근해 주변 해역(122.5 °E-132.5 °E, 30.75 °N- 40.25 °N, 이하 Level 2)에 대해 수평 해상도는 3 km, 연직으로 19개층으로 구성하였다(Fig. 1).

    초기 자료는 HYCOM (Hybrid Coordinate Ocean Model, Bleck, 2002;Chassignet et al., 2007) 자료를 이용하여 Level 1 영역에 대해 2015년 12월 28일부 터 3일간 spin-up을 실시하였으며, 동쪽 및 남쪽의 개방 경계도 HYCOM 자료를 동일하게 적용하였다. 본 연구에서는 시공간적으로 변화하며 물리적으로 안 정한 HYCOM 결과를 이용하여 측면(해면 고도, 수 온, 염분, 유속) 및 표면(열속, 바람, 기온) 경계 조건 을 처리하였기 때문에 장기 spin-up 과정이 필요 없 이 빠르게 초기 안정성이 확보되었으며, spin-up 기 간에 따라 모델 결과에서 큰 차이가 없는 것으로 확 인하였다.

    Level 2는 Level 1의 결과 자료를 한 방향 아격자 (one-way nesting) 기법으로 처방하여 구동하였다. 2016년 1월 1일부터 12월 31일까지 1년 동안의 모델 수행 결과를 Level 1 영역에 대해 수평 분포도와 혼 합층 깊이 검증을 실시하였으며, 고해상도의 Level 2 영역은 한반도 근해 정선 관측 자료와 부이 관측 자 료를 이용하여 연직 분포도 검증 및 시계열 Taylor diagram 검증을 실시하였다(Taylor, 2001). 더욱 자세 한 자료 및 분석 방법은 다음 절에 기술하였다.

    검증 자료 및 분석 방법

    수평 분포도 검증

    Level 1 모델의 수평 분포도 검증을 위한 수온 관 측 자료로는 준 실시간으로 생산되어 제공되는 Argo 기반의 전지구 객관 분석장 자료인 EN4 (Ensemble version 4, http://hadobs.metoffice.com/en4/downloaden4- 2-1.html/)와 ARMOR3D 자료를 사용하였다. EN4는 유럽 Met Office에서 제공하는 자료로 1999 년 이후부터 Argo 자료를 포함시켜 매해 월평균 수 온, 염분 자료를 제공한다. 공간 해상도는 1° ×1°이며, 연직 해상도는 42층(5-5350 m)으로 이루어져 있다 (Good et al., 2013). ARMOR3D는 CMEMS (Copernicus Marine Environment Monitoring Service, http://marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-toproducts/) 에서 2014년 1월 1일부터 일주일 간격으로 제공하는 수온 자료이다. 공간 해상도는 0.25° × 0.25°이며, 연직 해상도는 33층(0-5500 m)으로 이루 어져 있다(Guinehut et al., 2004, 2012; Mulet et al., 2012). 해면 고도와 표층 유속은 인공위성 고도계 기 반의 객관 분석 자료인 AVISO (Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data, https://www.aviso.altimetry.fr/)의 0.25 o ×0.25 o 공간 해 상도의 1일 간격의 해면 고도 편차(Sea Level Anomaly, 이하 SLA)와 표층 유속 자료를 이용하여 검증하였다.

    정량적인 분석을 위해 MOHID 순환 모델 결과와 3종류의 객관 분석장(EN4, ARMOR3D, AVISO) 자 료에 대해 2016년 자료만을 대상으로 시간 해상도는 월평균으로 공간 해상도는 0.25° ×0.25°로 재격자화 (regriding)하였다. 본 연구에서 사용된 모델은 최소 9 km 이하의 고해상도 모델이기 때문에 기본적으로 고 해상도의 검증 자료가 필요하다. 현재까지 주로 많이 사용되고 있는 고해상도 자료로는 HYCOM, MYOCEAN (Parnet et al., 2013), SODA (Carton and Giese, 2008) 등이 있으나, 이러한 자료들은 모두 기본 수치 모델을 기반으로 관측 자료를 동화한 재분석 자료들 이다. 재분석 자료를 생산하기 위해서는 관측 자료 수집, 품질 관리, 수치 모델링 및 자료 동화라는 일 련의 과정이 필요하며 단계별로 발생하는 다양한 요 인의 오차 때문에 그 검증 과정이 매우 복잡하다 (Chang, 2015). 그러므로 고해상도 자료 동화 결과를 이용한 모델 검증은 우선적으로 다양한 자료 동화 모델의 상호 비교가 이루어 진 후에 후속 연구로 진 행될 수 있으리라 판단되며, 본 연구에서는 관측 자 료를 기반으로 한 객관 분석 자료만을 이용하여 모 델 검증을 실시하였다.

    또한 모델과 수온의 객관 분석 자료는 수층별로 자료가 존재하기 때문에 다양한 표준 수심에서의 모 델 검증이 가능하다. 그러나 아표층 결과는 다음절에 언급될 연직 단면도 검증 부분에서 보완이 될 것이 라 판단하여, 연구 논문의 분량을 고려해서 본 연구 에서는 표층 결과만 수평 분포도로 제시하였다. 또한 AVISO로 도출된 유속 자료는 표층만 존재하기 때문 에 유속 및 해면 고도 결과의 효율적 비교를 위해 수온의 검증 범위를 표층으로 국한시켰다. 그러나 향 후 다양한 수심에서의 검증 결과를 종합적으로 비교 할 필요가 있다고 판단된다.

    연직 단면도 검증

    연직 단면도 검증은 한반도 주변 해역(동해, 황해, 남해)에서는 국립수산과학원 한국해양자료센터(National Institute of Fisheries Science/Korea Oceanographic Data Center, 이하 NIFS/KODC, http://www.nifs.go.kr/ kodc/index.kodc)에서 제공하는 정선 관측 자료를 사 용하였다. 동해, 황해, 남해의 중심에 위치하며 주요 해류가 통과하는 지점 중에 가용 관측 자료가 가장 많은 동해 104 Line, 황해 308 Line, 남해 205 Line 을 대표적으로 선정하여 검증 결과를 제시하였다 (Fig. 1). 일반적으로 NIFS/KODC 관측은 2, 4, 6, 8, 10, 12월의 격월 단위로 수행되어 자료가 제공된다. 동해의 104 Line은 12개 정점, 최대 깊이는 500 m 이고, 황해의 308 Line은 10개 정점, 최대 깊이는 75 m이며 2016년 2월과 8월의 관측 자료를 사용하였다. 남해의 205 Line은 6개 정점, 최대 깊이는 80 m 이 며 2016년 3월과 8월의 관측 자료를 사용하였다. MOHID 모델 자료는 한반도 주변 해역의 고해상도 결과를 제공하고 있는 한반도 주변 해역(122.75 °E- 132.75 °E, 30.75 °N-40.25 °N)의 수평 3 km 아격자 (nested grid)자료인 Level 2 결과를 이용하였다. 정량 적인 검증을 위해 각 관측이 시행된 동일한 시간에 대해 공간적으로 가장 일치되는 격자점(best matchup point)의 모델 자료를 추출하여 검증을 실시하였다.

    혼합층 깊이 검증

    해양/대기 상호작용이 직접 일어나며 해양 상층부 의 난류 경계층에 해당하는 혼합층의 특성을 규정짓 는 가장 중요한 요소는 혼합층 깊이(Mixed Layer Depth, 이하 MLD)이다. 본 연구에서는 이러한 혼합 층 깊이 검증을 위해 미국 스크립스 해양 연구소 (Scripps Institution of Oceanography, 이하 SIO, http://mixedlayer.ucsd.edu/)에서 제공하는 Argo 기반 의 월평균 기후 평균 자료(http://mixedlayer.ucsd.edu, Holte et al., 2017)를 이용하였다. SIO에서 제공하는 MLD는 2000년 1월부터 2017년 2월까지 1,385,000 개 이상의 Argo 자료를 수집하여 품질 관리(Quality Control, 이하 QC)를 수행 후 10 m 층의 기준 수온 과 0.2 °C 차이가 발생하는 깊이(이하 T02)와 10 m 층의 기준 밀도와 0.03 kg m−3 차이가 나는 깊이(이 하 D003)를 혼합한 새롭게 정의된 MLD (Holte and Talley, 2009)를 계산한 결과이다. 공간 해상도는 객 관 분석 과정을 거쳐 1° ×1° 격자로 전지구 해역을 대 상으로 매월 제공되며, 한반도 주변 해역에서 수심이 매우 낮은 황해의 자료는 제공하지 않는다. SIO 자 료는 수평 분포도 검증에서 설명된 바와 동일하게 2016년 자료를 대상으로 동아시아 해역(117.5 °E- 143.5 °E, 23 °N-47 °N)에 대해 0.25°로 재구성하여 검증 자료로 사용하였다.

    MOHID 순환 모델의 혼합층 깊이는 T02 및 D003 으로 정의된 혼합층 깊이로 각각 분리하여 계산하였으 며, 본 연구에서는 2월과 8월의 결과만을 제시하였다.

    정점 시계열 검증

    정점 시계열 검증은 기상청 국가기후데이터센터 (Korea Meteorological Administration/National Climate Data Service System, 이하 KMA/NCDSS, http:// sts.kma.go.kr/jsp/home/contents/main/main.do)에서 제 공하는 해양기상부이의 표층 수온 자료(Sea Surface Temperature, 이하 SST)와 국립해양조사원(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency, 이하 KHOA, http://www.khoa.go.kr/koofs/)에서 제공하는 SST 및 조위 자료(Tide gauge)를 이용하였다. 기상청 에서 운영하는 표층 해양기상부이는 황해 7지점(덕적 도, 인천, 외연도, 부안, 칠발도, 신안, 추자도), 남해 5지점(거제도, 통영, 거문도, 서귀포, 마라도), 동해 5 지점(동해, 울릉도, 울진, 포항, 울산)으로 전 해역에 골고루 분포되어 있으며, 모든 지점에 대해 2016년 1월 1일 00시부터 2016년 12월 31일 23시까지 매시 간 자료를 수집하였다. 국립해양조사원에서 제공하는 표층 수온, 조위 자료 또한 2016년 1월 1일 00시부 터 2016년 12월 31일 23시까지 매 시간 간격의 자 료를 사용하였으며, 총 46개 지점 중 수온, 조위를 모두 관측하는 24개 지점(가덕도, 거문도, 거제도, 고 흥(발포), 군산, 모슬포, 목포, 묵호, 부산, 삼천포, 서 귀포, 성산포, 안산, 어청도, 여수, 완도, 울릉도, 울산, 제주도, 진도, 추자도, 통영, 후포, 흑산도)만을 사용 하여 검증에 이용하였다(Fig. 1). 수집된 두 현장 관 측 자료는 기본적인 품질 관리를 모두 거쳤으며(Lim and Chang, 2016), 한 시간 간격으로 선형 내삽을 적 용하여 모델 자료와 비교하였다. 정량적인 비교를 위 해 관측과 모델 사이의 변동비(Normalized Standard Deviation) 및 상관 계수(Correlation coefficient)를 같 이 표현하여 종합적으로 고찰할 수 있는 Taylor diagram을 제시하여 모델 성능을 정량적으로 평가하 였다.

    수평 분포도 검증 결과 분석

    수온

    Level 1 영역인 동아시아 전체 해역의 2016년 2월 과 8월 평균 표층 수온 자료 분포를 분석한 결과는 Figs. 2, 3과 같다. 관측 기반의 객관 분석 자료와 비 교해 볼 때, MOHID 모델 결과는 2월과 8월 모두 공간적 상관계수가 0.89 이상의 매우 유사한 해수면 평균 온도 분포를 모의하고 있는 것으로 확인되었다 (Figs. 2, 3). 그러나 ARMOR3D와의 편차를 살펴보 면 2월에는 0.72 °C의 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error, 이하 RMSE)를 가지며, 황해에서는 전 체적으로 높게, 그 이외의 해역에서는 낮게 모의하는 것으로 확인되었다(Fig. 2d). EN4 자료의 공간 해상 도는 1° 간격으로 모델 및 ARMOR3D 분석장 보다 낮은 해상도로 인하여 수온 분포는 위도에 평행하는 비교적 단순한 형태로 나타났으며(Fig. 2c), 특히 한 반도 주변 해역의 연안에서는 신뢰하기 힘든 분포를 보인다. 모델과 ARMOR3D에서 모의하는 겨울철 황 해 난류수의 확장과 관련하여 황해 중앙을 따라 높 은 표층 수온이 형성되는 형태를 전혀 모의하지 못 하며, 이로 인하여 한국 및 중국 연안에서는 음의 편 차가, 중앙에서는 양의 편차가 나타나는 것으로 판단 된다. 평균 RMSE는 1.53 °C로 ARMOR3D 비교 결 과보다 상대적으로 큰 오차가 나타났으며(Fig. 2e), 이는 EN4 자료의 공간 해상도에 따른 영향으로 평 가된다. Table 1은 월별 RMSE를 계산하여 나타낸 결과이다.

    8월 수온 공간 분포에서는 모델 결과가 ARMOR3D 에 비해 북서 태평양 영역에서 낮게 모의하였고 그 외 해역에서는 높게 모의하였으며, RMSE는 평균 0.64 °C로 계산되었다(Fig. 3d, Table 1). EN4 자료와 비교하였을 때, 편차의 공간 분포는 ARMOR3D 비교 결과와 일치하였으며, RMSE는 1.38 °C로 ARMOR3D 보다 높게 나타났다(Fig. 3e, Table 1).

    해면 고도 편차

    모델에서 계산된 해면 고도 편차와 AVISO에서 제 공하는 해면 고도 편차 자료는 평균 해수면 기준을 통일하기 위해 모두 2016년 평균값을 기준으로 고도 편차 값(Sea Level Anomaly, 이하 SLA)을 산출하여 비교하였다. Fig. 4와 Fig. 5는 동아시아 전체 해역 (Level 1)의 2016년 2월과 8월 평균 SLA 및 편차 분포이다. 2월의 결과에서 AVISO 자료와 비교하였을 때, 일본 남쪽 일부 해역을 제외하고 전체적으로 낮 게 모의하였다. 특히 일본 남쪽 쿠로시오 해류 사행 및 확장 부근에서는 −0.5 m까지 오차가 나타났으며, RMSE는 0.11 m로 계산되었다(Fig. 4c, Table 1).

    8월 SLA 공간 분포에서는 2월과는 반대로 MOHID 모델이 AVISO 자료에 비해 일본 남쪽 해역을 제외 하고 전체적으로 높게 모의하였으며, 일본 남쪽 및 북서 태평양 해역에서는 −0.5-0.5 m 정도 차이가 크 게 나타났다. RMSE는 0.14 m로 나타났으며(Fig. 5c, Table 1), 2월과 8월의 결과를 보면 공통적으로 쿠로 시오 해류 사행 및 확장 부근에서 MOHID 모델이 객관 분석장보다 해면 고도 편차가 작게 나타났다.

    표층 유속

    모델에서 계산된 표층 유속은 AVISO에서 제공하 는 해면 고도로부터 계산된 표층 유속 자료와 비교 하였다. Level 1 영역인 동아시아 전체 해역의 2016 년 2월과 8월 평균 표층 유속 분포를 분석한 결과는 Fig. 6과 Fig. 7과 같다. 2월의 AVISO 위성 자료와 비교해 볼 때, MOHID 모델은 동해 울릉도 부근의 난수성 소용돌이를 비교적 약하게 모의 하고 있으며, 북한 원산만 근처 냉수성 소용돌이는 강하게 모의하 고 있다(Fig. 6a, 6b). 황해를 보면 한국 서안안과 양 자강 하구에서는 MOHID 모델의 경우 강한 조석 효 과로 인해 표층 흐름이 강하게 나타났으며(An, 1977; Choi, 1980; Lee and Kim, 2007), 조석 및 대기압 효과를 보정한 AVISO 자료의 경우 상대적으로 표층 유속이 약하게 나타났다. 중국 연안을 따르는 흐름은 위성 자료에 비해 약하게 모의하였으며, 주요한 원인 으로는 양자강의 유출량을 실시간 입력 자료가 아닌 평균 값인 상수로 사용한 것과 관련된다고 판단된다.

    위성 자료와 모델 결과 모두 일본 남해 및 북서 태평양 해역에서 쿠로시오 해류의 사행 및 재순환류 그리고 다양한 소용돌이들은 비교적 잘 모의하고 있 으나, MOHID 모델의 유속이 상대적으로 약하게 나 타났다. 동아시아 해역 전체에 대한 동향류와 북향류 의 평균 RMSE는 0.14-0.15 m s−1 , 유속 절대값의 RMSE는 약 0.13 m s−1 정도로 계산되었다(Fig. 6c, 6d, Table 1).

    8월 표층 유속 분포에서 동해를 보면, MOHID 모 델은 동한 난류 및 일본 연안을 따라 흐르는 제 1 분지류를 잘 모사하고 있지만, 위성 자료와 비교하였 을 때 동한 난류에서는 약하게, 일본 연안을 따라 흐 르는 해류는 강하게 모의하는 것을 볼 수 있다(Fig. 7a, Fig. 7b). 황해에서는 2월과 동일하게 조석 효과 가 MOHID 모델의 월평균 자료에서는 강하게 남아 있으며, 중국 연안을 따르는 흐름은 위성 자료에 비 해 약하게 모의하였다. 북서 태평양에서는 쿠로시오 해류의 사행 및 재순환류 그리고 다양한 중규모 소 용돌이들의 공간 분포를 비교적 잘 모의하고 있으며, 두 자료 공통적으로 2월보다 8월에 더 강한 흐름을 보임을 확인할 수 있다. 동아시아 해역 전체에 대한 동향류와 북향류의 평균 RMSE는 0.16-0.17 m s−1 , 유 속 절대값의 RMSE는 0.16 m s−1 정도로 2월 보다 높 게 나타났다(Fig. 7c, 7d, Table 1).

    연직 단면도 검증 결과 분석

    동해

    Level 2 영역인 한반도 주변 해역의 MOHID 자료 에 대한 동해의 수온 연직 단면도 분포 결과는 Fig. 8과 Fig. 9와 같다. KODC에서 제공하는 동해 관측 라인 중 하나인 104 Line의 2월 22일-23일까지의 수 온 관측 자료와 비교할 때, MOHID 모델의 연직 구 조는 전체적으로 유사하나, 동해 중부 해역의 난수역 은 관측 자료에서는 130.8 °E 부근, MOHID 모델에서 는 130.3 °E 부근에 나타나 공간적으로 다소 차이를 보였다. 이에 따라 모델에서 계산된 수온은 130.6 °E- 131.1 °E의 수온 약층 부근 250 m에서 −5 °C 이하, 131.9 °E-132.1 °E의 0-150 m에서 −2 °C 정도 낮게 모 의되었으며, RMSE는 1.50 °C로 나타났다(Fig. 8, Table 2). Table 2는 각 해역의 연직 단면도에 대한 2월(3월)과 8월 RMSE의 결과를 나타낸 것이다.

    8월 9일-11일 까지의 수온 관측 자료와 비교하면, 모델 결과는 129.4 °E-130.0 °E, 132.0 °E-132.3 °E의 0- 150 m에서 5 °C 이상으로 높게, 131.0 °E-131.4 °E의 125 m에서 −4 °C 이하로 낮게 나타났으며, RMSE는 3.45 °C로 2월 보다 높게 나타났다(Fig. 9, Tabel 2). 이는 2월 결과와 동일하게 본 연구에서 적용한 MOHID 모델이 동해 중부 해역에서 수온 약층의 연 직 분포를 정확하게 모사하는데 다소 미흡한 것으로 평가된다.

    황해

    KODC에서 제공하는 황해 관측 라인 중 하나인 308 Line의 2월 20일, 22일의 수온 관측 자료와 비 교할 때, MOHID 모델은 전체적으로 연직 혼합 과 정을 잘 모사하나, 126.2 °E 부근의 연안역에서는 1.8 °C 이상으로 MOHID 모델 결과가 높게 계산되었 으며, RMSE는 0.33 °C로 계산되었다(Fig. 10, Table 2).

    8월 5-6일의 KODC 수온 관측 자료와 비교할 때, 연안역을 제외하고 모든 정점에서 MOHID 모델이 KODC 관측 자료 보다 10 m 상층에서는 -2 °C정도 낮게, 하층에서는 7 °C 이상으로 매우 높게 모의하였 다(Fig. 11). RMSE는 11.12 °C로 2월 보다 높게 나타 났으며, 이와 같은 결과는 여름철 황해의 강한 성층 현상을 모델에서 효율적으로 재현하고 있지 못하는 것을 의미한다(Table 2).

    남해

    남해 관측 라인 중 하나인 205 Line의 3월 4일의 KODC 수온 관측 자료와 비교해 볼 때, MOHID 모 델의 연직 구조는 전체적으로 유사하게 나타났다 (Fig. 12). MOHID 모델의 수온은 127.6 °E 부근의 20-50 m 및 128.0 °E 부근의 30-70 m에서 1 °C 이상 으로 높게 나타났으며, 128.0 °E 부근의 0-30 m, 128.1 °E 부근의 0-70 m에서는 −1.5 °C 이하로 낮게 모 의하였다. RMSE는 1.35 °C로 나타났다(Table 2).

    8월 14일의 KODC 수온 관측 자료와 비교할 때, MOHID 모델은 128.15 °E 부근의 상층을 제외하고 모든 정점의 0-80 m에서 6 °C 이상으로 높게 나타났 으며, RMSE 또한 5.47 °C로 3월 보다 높게 나타나, 황해에서 모의한 결과와 유사하게 성층 현상에 대한 재현성이 미흡한 것으로 나타났다(Fig. 13, Table 2).

    혼합층 깊이 검증 결과 분석

    동아시아 전체 해역(Level 1)의 MOHID 모델에 대 한 2016년 2월과 8월 평균 혼합층 깊이 분포를 분석 한 결과는 Fig. 14와 Fig. 15와 같다. Fig. 14는 MOHID 순환 모델에서 모의된 2월 평균 혼합층 깊 이 및 편차 분포도이다. Fig. 14a10 m 층의 기준 수온과 0.2 °C 차이 깊이(T02)로 정의된 모델에서의 혼합층 깊이 분포도이며, Fig. 14b는 기준 밀도와 0.03 kg m−3 차이 깊이(D003)로 정의된 모델에서의 혼합층 깊이 분포도, Fig. 14c는 SIO에서 제공하는 Argo 관측 자료 기반의 혼합층 깊이 분포도 이다. Fig. 14d는 수온 차로 정의된 모델의 혼합층 깊이와 SIO의 혼합층 깊이의 편차이며, Fig. 14e는 밀도 차 로 정의된 모델의 혼합층 깊이와 SIO의 혼합층 깊이 의 편차 분포도이다.

    모델의 혼합층 깊이 분포를 보면(Fig. 14a, Fig. 14b), 겨울철 러시아 연안 및 일본 남해 쿠로시오 해 류 사행 지점에서 혼합층 깊이가 최대 250 m 이상 깊게 발달 한 것을 볼 수 있다. 전체적으로 수온 차 로 정의된 모델의 혼합층 깊이(T02)보다 밀도 차로 정의된 모델의 혼합층 깊이(D003)가 낮게 모의하는 것을 알 수 있다. Argo 자료를 기반으로 한 SIO의 혼합층 깊이는(Fig. 14c), 동해 연안 및 황해에 자료 가 없어 비교가 불가능 하지만, 일본 남해 쿠로시오 해류 확장 부근에서 모델과 동일하게 최대 200 m 이 상 깊게 혼합층이 발달 한 것을 볼 수 있다. 모델과 SIO 간의 편차를 살펴 보면(Fig. 14d, Fig. 14e), 동 해에서 수온(T02) 및 밀도(D003) 차로 정의된 모델 의 혼합층 깊이는 SIO의 혼합층 깊이 보다 전체적으 로 깊게 나타났으며, 북서 태평양에서는 SIO보다 일 부 쿠로시오 사행 해역을 제외하고 전체적으로 낮게 모사하는 것을 확인 할 수 있었다.

    Fig. 15는 MOHID 순환 모델에서 모의된 8월 평 균 혼합층 깊이 및 편차 분포도이다. 모델에서 모의 한 8월 평균 혼합층 깊이를 보면(Fig. 15a, Fig. 15b), 황해 및 남해 그리고 북서 태평양에서 혼합층 깊이 가 최대 50 m 이상 발달 하는 것을 볼 수 있다. 이 는 Fig. 11에서 제시된 바와 같이 본 모델이 황해에 서 조석에 의한 강한 연직 혼합 효과를 크게 모의하 여 하절기 황해에서 일어나는 강한 성층에 따른 매 우 얇은 계절 혼합층 깊이를 재현하지 못한 것으로 판단된다. 동해 및 북서 태평양에서의 SIO의 혼합층 깊이간의 차이를 보면(Fig. 15d, Fig. 15e), 동해에서 는 모델과 SIO간의 큰 차이가 없으며, 북서 태평양 에서 수온 차로 정의된 모델의 혼합층 깊이(T02)는 SIO의 혼합층 깊이 보다 전체적으로 깊게 나타났으 며, 밀도 차로 정의된 모델의 혼합층 깊이(D003)는 상대적으로 큰 차이가 없었다. RMSE는 2월 보다 8 월에 낮게 나타났으며, 수온 차로 정의된 혼합층 깊 이(T02) 보다 밀도 차로 정의된 모델의 혼합층 깊이 (D003)의 RMSE가 상대적으로 낮게 나타났다(Table 1).

    정점 시계열 검증 결과 분석

    Level 2 영역인 한반도 주변 해역의 MOHID 자료 에 대한 정점 별 표층 수온 및 해수면 고도 편차의 비교 결과는 Fig. 16과 같이 Taylor diagram 을 사용 하여 제시하였다. Taylor diagram은 관측 자료와의 표준 편차 비율(normalized standard deviation)과 서 로간의 상관 계수의 통계 값을 구하여 여러 지점에 서의 모델과 관측 값의 유사성을 정량적으로 비교하 는데 매우 유용한 도구이다. 표준 편차의 비가 1에 가까울수록 모델과 관측 자료간의 변동폭의 차이가 적다는 것을 의미하며, 상관계수가 높을수록 두 자료 간 변동형태가 유사하다는 것을 의미한다.

    Fig. 16a는 기상청에서 제공하는 17개의 지점과 국 립해양조사원에서 제공하는 24개의 지점에서 각각 관측한 연안 표층 수온 자료와 같은 시각과 위치에 서 추출된 MOHID 순환 모델의 표층 수온 자료간의 Taylor diagram 도식 결과이다. 검증 결과 모든 정점 에서 모델과 두 관측 자료(KMA 자료, KHOA 자료) 간의 상관계수가 0.9 이상으로 높게 나타났으며, 표 준 편차의 비는 0.85-1.15 사이의 값으로 나타나 모 델의 연안 표층 수온과 두 관측 자료(KMA 자료, KHOA 자료)가 매우 유사하게 나타남을 확인 할 수 있었다. 모든 검증 지점에서의 자료간 상관 계수 및 표준 편차 비율은 Table 3에 정리하여 나타내었다.

    Fig. 16b는 해수면 고도 편차에 대해 모델과 KHOA에서 제공하는 24개의 지점간의 Taylor diagram 이다. 상관계수는 24개의 지점에서 0.8 이상으로 높 게 나타났으며, 표준 편차의 비는 0.85-1.1 사이의 값 으로 나타나 연안 표층 수온과 마찬가지로 모델 자 료가 KHOA 관측 자료와 매우 유사하게 나타나면서 해수면 고도에 대한 모의를 잘 하고 있음을 확인 할 수 있었다(Table 3). 이는 전반적으로 모델에서 모사 된 연안 표층 수온 및 해면 고도의 변동폭은 관측 자료와 큰 차이가 없으며, 그 변동 경향도 비교적 일 치한다고 해석할 수 있다.

    요약 및 토의

    본 연구에서는 동아시아 해역을 대상으로 구축된 MOHID 지역 순환 모델 결과를 검증하였다. 수온, 해면 고도 편차, 표층 유속의 수평 분포를 확인하였 으며, 국립수산과학원에서 제공하는 104, 205, 308 정선 라인의 연직 수온 분포를 비교하였다. 또한, 혼 합층 깊이 및 Taylor Diagram 검증을 실시하여 모델 성능을 검증하였다.

    ARMOR3D자료와 모델의 수온을 비교한 결과 RMSE는 2월에 0.72 °C, 8월에는 0.64 °C로 나타나 비 교적 잘 일치하였다. EN4 자료와의 비교 검증에서는 RMSE가 2월에는 1.53 °C, 8월에는 1.38 °C로 ARMOR3D 에 비해 비교적 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었 다. 또한 두 자료와 황해에서 다소 차이가 나는 것을 확인할 수 있는데, 이는 비교 대상으로 선정한 ARMOR3D와 EN4가 Argo 관측 자료 기반의 분석 장이나, Argo의 공간 해상도, 품질 관리 기법, 객관 분석 알고리즘 등의 차이로 다양한 오차 요인이 발 생하기 때문인 것으로 판단된다. 특히 황해를 포함한 한반도 주변 해역은 관측 자료가 매우 부족하므로 정확한 분석장이라고 판단하기에는 무리가 있다. 그 러므로 객관 분석장과의 비교 결과가 정확한 모델의 성능을 대표할 수는 없음을 유의해야 할 것이다.

    또한 모델에서 계산된 해면 고도 편차는 AVISO와 의 비교 검증 결과, RMSE가 2월에는 0.11 m, 8월에 는 0.14 m로 나타났다. 표층 유속은 쿠로시오 해류의 사행 및 재순환류, 다양한 중규모 소용돌이를 잘 모 의하는 것으로 확인되어 본 연구에서 사용된 MOHID 모델은 향후 동아시아 해역의 해황 변동을 모의하는 데 적절한 모델이라고 판단되었다. 그러나 8월의 연 직 수온 분포를 보면 황해와 남해에서 현장 관측 자 료에 나타나는 강한 성층 효과가 모델에서는 잘 모 의되지 않는 것으로 나타났다. 혼합층 깊이는 비교 자료의 해상도 문제 때문에 많은 영역을 비교하지는 못했지만 전체적인 공간 분포는 유사하게 나타났으며, T02보다 D003기준을 사용하였을 때 좀 더 SIO 결과 와 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Taylor Diagram에서 표층 수온 및 해면 고도 편차를 비교 분석한 결과, 모델의 결과가 실제 자료와 상당 히 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 모델에서 연직 구조를 제대로 모의하지 못하 여 아표층 자료의 신뢰는 낮지만 표층 자료의 경우, 현장 관측 자료의 변동 양상을 매우 잘 반영하는 것 으로 평가된다.

    본 모델의 개방 경계 및 초기 자료는 모두 HYCOM 재분석 자료를 사용하였다. 지역 해양 모델 의 성능을 개선하기 위한 방법 중 가장 중요한 부분 은 나은 초기 및 경계 자료를 찾는 것이다. 특히 HYCOM 자료와 함께 전지구 재분석 자료로 활용도 가 높은 MYOCEAN 자료는 전 해역에 대해 관측 자료와 비교 검증 결과 유사하게 나타났다고 보고된 바 있다(Parnet et al., 2013). 이에 본 연구에서는 추 가적으로 MYOCEAN 자료를 초기 및 경계 자료로 한 MOHID 모델 결과를 HYCOM 자료를 초기 및 경계 자료로 한 MOHID 모델 결과와 동일한 기간에 대해 수행하여 그 결과를 추가로 비교하였다. MYOCEAN, HYCOM 자료를 경계자료로 사용한 모 의 결과와 ARMOR3D 자료를 이용하여 2월과 8월의 표층 수온 공간 분포 및 편차 분포도를 Fig. 17과 Fig. 18에 제시하였다. ARMOR3D 자료와 HYCOM, MYOCEAN 자료를 경계조건으로 부여한 표층 수온 을 비교한 결과, RMSE는 2월에 각각 0.72 °C (HYCOM 경계), 1.11 °C (MYOCEAN 경계), 8월에 각각 0.64 °C (HYCOM 경계), 0.71 °C (MYOCEAN 경계)로 나타나 MYOCEAN 자료 보다 HYCOM 자 료를 경계 조건으로 사용하였을 때, 수온의 수평 분 포를 상대적으로 잘 모의하였다. 따라서, 향후 우리 나라를 포함한 동아시아 해역의 해황을 보다 정확하 게 모의할 수 있도록 MOHID 모델의 수직 해상도 조정, 혼합 계수의 보정, 실시간 하천수 유량 입력 자료 및 다양한 모수화 기법 적용 등 모델 자체 성 능 개선 연구가 요구된다. 본 연구를 통해 검증된 MOHID 모델은 향후 이러한 개선 과정을 거쳐 동아 시아 해역의 해황 변동을 정확히 재현하고 예측할 수 있는 모델로 발전될 가능성을 확인하였다.

    사 사

    본 연구는 해양경찰청 재난안전기술개발사업단 [KCG-01-2017-05]과 충청씨그랜트 센터의 지원으로 수행되었습니다. 논문을 세밀히 검토해 주시고 좋은 의견을 주신 심사위원님들께 감사를 드립니다.

    Figure

    JKESS-39-436_F1.gif

    Model area (Level 1) with nested subdomain (Level 2) and verification data information.

    JKESS-39-436_F2.gif

    Spatial distribution of monthly mean SST and their differences in February 2016 ((a) MOHID_HYCOM, (b) ARMOR3D, (c) EN4, (d) MOHID-ARMOR3D, (e) MOHID-EN4).

    JKESS-39-436_F3.gif

    The same as Fig. 2 except for August.

    JKESS-39-436_F4.gif

    Spatial distribution of monthly mean SLA in February 2016 ((a) MOHID_HYCOM, (b) AVISO, (c) MOHID-AVISO).

    JKESS-39-436_F5.gif

    The same as Fig. 4 except for August.

    JKESS-39-436_F6.gif

    Spatial distribution of monthly mean surface current in February 2016 ((a) MOHID_HYCOM, (b) AVISO, (c) MOHIDAVISO (vector bias), (d) MOHID-AVISO (scalar bias)).

    JKESS-39-436_F7.gif

    The same as Fig. 6 except for August.

    JKESS-39-436_F8.gif

    Vertical distribution of the temperature along the KODC 104 line in February 22-23 ((top) observation, (middle) MOHID_HYCOM, (bottom) MOHID-KODC).

    JKESS-39-436_F9.gif

    The same as Fig. 8 except for August 9-11.

    JKESS-39-436_F10.gif

    Vertical distribution of the temperature along the KODC 308 line in February 20, 22 ((top) observation, (middle) MOHID_HYCOM, (bottom) MOHID-KODC).

    JKESS-39-436_F11.gif

    The same as Fig. 10 except for August 5-6.

    JKESS-39-436_F12.gif

    Vertical distribution of the temperature along the KODC 205 line in May 4 ((top) observation, (middle) MOHID_HYCOM, (bottom) MOHID-KODC).

    JKESS-39-436_F13.gif

    The same as Fig. 12 except for August 14.

    JKESS-39-436_F14.gif

    Spatial distribution of monthly mean MLD in February 2016 ((a) MOHID_HYCOM_T02, (b) MOHID_HYCOM_D003, (c) SIO, (d) (a)-(c), (e) (b)-(c)).

    JKESS-39-436_F15.gif

    The same as Fig. 14 except for August.

    JKESS-39-436_F16.gif

    Taylor diagram of the (a) SST and (b) SLA in 2016. The red (blue) dots represent comparison results between MOHID and observations provided by KHOA (KMA).

    JKESS-39-436_F17.gif

    Spatial distribution of monthly mean SST in February 2016 ((a) MOHID_HYCOM, (b) MOHID_MYOCEAN, (c) ARMOR3D, (d) MOHID_HYCOM-ARMOR3D, (e) MOHID_MYOCEAN-ARMOR3D).

    JKESS-39-436_F18.gif

    The same as Fig. 17 except for August.

    Table

    Monthly RMSE results of horizontal distribution of temperature, sea level anomaly (SLA), current and mixed layer depth (MLD). RMSE is calculated using MOHID results and objective analysis products

    RMSE results of vertical temperature distribution with KODC serial oceanographic observation data for summer (August) and winter (February (March))

    RMSE results of sea surface temperature with KHOA tidal stations and KMA buoy stations and of sea level anomaly with KHOA tidal stations

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