1서 론
유해적조(HAB; harmful algal bloom)가 발생하면 연안어장 의 어 패류를 폐사시키는 등 해양생물과 환경에 악영향을 미친다. 특히, Cochlodinium polykrikoides 적조는 와편모조류로 1982년부터 최근에 이르기까지 우리나라 연안에 분포하는 양식어장에 많은 피해를 입혔다. 이처럼 우리나라 적조발생 원인종은 대체로 편모조류이며, 발생기간이 장기화 및 고밀 도화되어 수산피해도 매년 증가해 왔다(Park and Choi, 1998). 2008 2011까지 국내의 현저한 피해는 없었지만, 2012년 7월 27일부터 통영시 미륵도 서남측 해역과 전남 봇돌바다 북부 해역에서 발생한 것을 시작으로 10월 24일까지 3달가량 확 산되어 우리나라 연안 양식업에 큰 피해를 입혔다(NFRDI, 1995-2013).
C. polykrikoides 적조에 의한 피해는 전 세계적으로도 계속 해서 이슈가 되고 있다(Garate et al. 2000; Whyte et al. 2000; Zhou et al. 2007; Gobler et al. 2008; Kudela et al. 2008; Anton et al. 2008). 세계 연안 국가들은 연안환경과 수산생물 그리고 인간의 건강을 적조현상과 패독 현상으로부터 지키기 위해 다양한 조사와 연구를 실시하고 있으며(Crawford et al., 1997; Yang et al., 1997), 특히 일본에서 막대한 수산피해를 일으키 는 적조의 발생 기구 구명과 방제기술 개발을 위해 활발한 연구가 진행되고 있다(Yanagi et al., 1995). 또한, 국내에서도 1980년대 이후부터 적조생물의 발생 및 증식에 미치는 생물 학적 과정의 연구와 황토살포 등에 의한 적조방제대책 연구 (Na et al., 1998; Choi et al., 1998; Kim, 2000; Han et al., 2001; Kwon and Cho, 2002)가 활발히 진행되어 왔다.
따라서 편모조에 의한 유해적조가 한국 연안에 발생하기 시작했을 때, 적조 확산 예방을 위한 신속한 대처가 필요하 다. 이를 위해서 적조 확산 모델을 개발하여 유해적조 이동 경로의 예측의 기초자료로 활용이 된다면, 적조 방제사업의 효율적이고 합리적인 관리체계가 구축되어 유해적조에 의 한 피해를 최소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
연안 어장과 해양환경에 악영향을 미치는 유해 적조를 발 생시키는 생물의 특성 중 하나는 유영능력이 없거나 미약하 므로 해수유동에 의해 수동적으로 확산된다. 따라서 주변해 역의 해수유동은 수동적으로 부유 이동하는 유해 적조 생물 의 이동 속도 및 방향성을 결정하는 요인이 된다. 유해적조 의 거동을 파악하기 위해 유해적조생물을 직접적으로 수송 하는 해수유동이 먼저 파악되어야 한다.
연구해역인 한국 남해안의 해수흐름을 파악하기 위해서 는 해수유동에 영향을 주는 조석, 바람, 해류 그리고 밀도분 포에 의한 유동을 모두 고려하여야 한다(Fig. 1). 남해역의 해 수유동에 가장 큰 영향을 미치는 조석에 의한 유동분포와 표층의 흐름에 밀접한 영향을 미치는 바람에 의한 취송류의 분포, 또한 층별 유동에 영향을 주는 밀도류의 분포를 파악 하고, 이들의 영향을 모두 포함한 3차원 해수유동의 분포를 파악해야 적조 생물의 수송과정을 파악할 수 있다.
본 연구에서는 한국 남해안에서 물리적인 환경요인을 고 려한 적조 생물을 직접적으로 수송하는 해수유동을 파악하 기 위해 해수 유동 모델을 구축하였다. 또한 실제 적조생물 에 의해 큰 피해를 입는 해역이 다양하게 발생하기 때문에 피해가 큰 해역을 대상으로 blooming이 크게 발생할 경우 주 변해역으로 어떻게 이동·확산되는지 알아보고자 입자 추적 자 모델을 이용하여 시간 변화에 따른 적조의 공간적인 분 포를 파악하였다.
2자료 및 방법
2.1수온·염분, 바람 및 쓰시마난류
수온 염분은 국립수산과학원의 국가해양환경측정망자료 (NFRDI, 2002-2008a)와 정선해양관측자료(NFRDI, 2002-2008b) 를 이용하여 7년간(2002 2008) 8월 자료를 평균하여 사용 하였다.
연구해역으로 선정한 고흥~부산의 넓은 면적에 대하여 바 람장을 파악하기 위해서는 해역별 풍향 및 풍속의 관측자료 가 필요하다. 하지만 우리나라의 해상 및 육상 관측소는 연 구해역을 커버하기에 부족함이 있다. 공간해상도가 떨어지긴 하나 넓은 연구해역을 포괄할 수 있는 평균 바람장을 적용 하기 위해 NOAA NCEP 바람자료로 7년간(2002~2008) 8월의 평균 풍향 및 풍속(4.6 m/s, 남풍)을 이용하였다.
또한 한국 남해안의 해류에 큰 영향을 미치는 쓰시마 난 류의 유량을 적용하였다. Teague et al.(2003)에 의하면 대한해 협을 지나는 하계 쓰시마 난류의 유량은 3.0 Sv (Sv=106 m3 sec-1) 로 제시되어 있다. 본 연구에서 연구해역의 동측 해역은 수 심이 비교적 얕은 해역을 포함하고 있다. 또한 쓰시마 난류 의 주 흐름은 대마도 동수도를 따라 강하게 흐른다(Fig. 1, upper). 이러한 점을 고려하여 하계 쓰시마난류 3.0 Sv 의 약 30 %인 0.9 Sv을 연구해역의 남측 경계에 유입(경도 128.2°~ 129.0°)되고 동쪽경계(위도 34.3°~35.0°)로 유출되도록 임의로 적용하였다.
2.2해수 유동 모델
연구해역의 수심자료는 한국해양조사원의 해도 K229 를 사용하였다(Fig. 1). 수치해도상의 수심자료를 보간하여 모델 격자의 수심으로 사용하였다.
연구해역의 해수유동은 3차원 해양순환모델 POM (Princeton Ocean Model)을 이용하였다(Blumberg and Mellor, 1987). 해 수유동 수치실험 영역 크기는 가로(동-서)방향 150 km, 세 로(남-북)방향 90 km, 격자는 가로·세로 600 m 의 정방격자 로 모델 영역내의 주요 지형과 수심을 잘 반영할 수 있도록 하였다. 연직 방향의 σ-layer 개수는 총 6개로 표층에서 저 층까지 동일한 간격으로 한다. 계산의 시간간격은 CFL 조 건 을 고려하여 external time step은 2초, internal time step은 15초로 총 30일을 계산하여 최종 15일의 유동결과를 이용하였다.
남해의 조류를 재현하기 위해 운동방정식과 정수압방정 식이 사용되었으며, 외곽경계에서 해면변위를 매 time step 마다 변화를 주어 조류를 재현하였다. 조류계산시 개방경계 의 조화상수는 한국해양조사원 검조소의 4대분조(M2, S2, K1 및 O1)(KORDI, 1996)를 이용하였다.
바람성분은 x,y방향의 풍속(m/s) 성분을 넣어 해면에서 wind stress (Bae, 2011) 로 작용하도록 하고, 취송류 계산시에 는 조류에서 사용된 외곽해면변위와 수온염분의 분포에 의 한 부분은 고려되지 않았다.
또한 한국 남해안에서 밀도류를 재현하기 위해 운동방정 식과 정수압방정식, 열염 확산방정식을 사용한다(Bae, 2011). 초기 외곽경계의 해면변위는 없는 것으로 계산하고, 수온과 염분(연안정지자료와 정선관측자료)을 초기분포로 입력하였 으며, 남쪽의 외곽경계에서 쓰시마난류가 유입(Teague et al., 2003)되는 것으로 하여 계산한다. 밀도류 계산시 조류와 취 송류의 강제력인 조화상수에 의한 외곽 해면 변위의 변화와 표면 장력에 의한 wind stress는 주지 않았다.
2.3입자 추적자 모델
적조생물의 공간적인 분포는 유해적조생물군을 입자로 보 고 일정한 부피를 가진 입자들이 서로 독립적으로 움직인다는 가정 하에 시간에 따라 이동한 위치를 구하는 Lagrangian 방법 에 의한 입자추적방법을 이용하였다.
물질 확산에 관한 문제는 일반적으로 확산방정식을 수치 적으로 풀이하여 근사 값을 구하는 방법 외에 입자의 움직 임이 임의행보(random walk)한다는 가정 하에 수립된 Monte Carlo 방법이 있다. 이러한 입자추적방법은 현상을 손쉽게 재현할 수 있다는 장점이 있고, 결과의 분석이 용이하기에 유해 적조생물의 추적에 이용하였다(식1).
여기서, U : 그 time step에 계산된 유속, R : 임의행보 (random walk), γ : uniform random number(평균=0, 표준편차=1) 이다.
국립수산과학원의 7년간(2002~2008) 하계 7월과 8월의 C. polykrikoides 적조속보자료를 이용하여 적조발생 후 영향이 있는 해역 중 내만과 근해역을 14개 해역으로 구분하였다. 또한 한국 남해안에서 유해적조생물의 발생일수가 최대빈 도로 나타난 3개 해역(Case1: 가막만 in Fig. 2, Case2 : 남 해 미조 ⑥ in Fig. 2, Case3 : 통영 미륵도 남부 ⑩ in Fig. 2)을 적조생물의 발생시킬 위치로 선정하였다.
적조생물 발생 후 확산 경향성을 파악하기 위해 선정된 3 개 해역에서 각각 2500개의 입자를 발생하도록 설정하였다. 발생된 입자에 생물·화학적 인자는 모델에 반영되지 않아 적조생물의 성장과 사멸은 고려하지 않았고, 왕복성 흐름을 가지는 조류, 해수의 밀도 차에 의해 발생하는 밀도류, 그리 고 바람에 의해 발생하는 취송류 영향을 받아 시간의 흐름 에 따라 확산된다. 또한 확산된 입자를 counting 하기 위하여 발생된 총 입자에 대해 시간에 따른 14개로 나눈 구역(Fig. 2)별 잔류량을 파악하였다.
현재 한국 연안해역에서 적조주의보는 어업피해 발생이 가 능할 경우 발령하도록 되어있다. 특히 C. polykrikoides 적조는 농도가 300 cell/ml3 이상이며, 직경 4~10 km 수역에 거처 발생 할 경우 적조주의보를 발령하고 있다. 본 연구에서 수행한 수 치실험 결과를 적조예보에 적용시키기 위하여 다음과 같은 방법을 이용하였다. 연구해역을 정방 10 km 간격으로 분할(가 로15×세로9)하였고, 격자 1개의 입자가 포함되면 그 격자에서 C. polykrikoides 의 농도가 15 cell/ml3 로 가정하였다. 따라서 적조생물 20개체 이상의 입자가 1개의 격자 내에 존재할 경우 적조주의보 발령 가능한 범위로 설정하였다.
3결 과
3.1조류
대조기 최강 창·낙조시의 조류를 Fig. 3에 나타내었다. 창 조시 서향하는 흐름이 우세하고 낙조시 동향하는 흐름을 보 인다. 여수주변해역에서 41 cm/s 로 가장 강한 유속이 나타나 고, 남해-거제도 해역에서 30 cm/s 의 흐름을 보인다.
3.2모델 검증
한국해양연구소에서 조사한 Fig. 1 에 표시된 거제도 남동 쪽에 위치한 St. 1 해역의 층별 조류관측자료 과 모델결과의 유동을 조류타원도를 이용하여 비교하였다(Fig. 4). 조류타원 도는 M2분조의 장축 35.48 cm/s, 단축 1.72 cm/s, 남서-북동 방 향이고, S2분조의 장축 10.03 cm/s, 단축 2.48 cm/s, 남서-북동 방향, K1분조의 장축 26.51 cm/s, 단축 1.64 cm/s, 남서-북동 방 향이고, O1분조의 장축 17.24 cm/s, 단축 1.32 cm/s, 남서-북동 방향이다. 모델결과의 조류타원도는 M2분조의 장축 23.87 cm/s 관측치의 67.2 %, 단축 1.59 cm/s, 남서-북동 방향이고, S2 분조의 장축 13.06 cm/s, 단축 1.27 cm/s, 남서-북동 방향, K1분 조의 장축 8.26 cm/s, 단축 5.02 cm/s, 남서-북동 방향이고, O1 분조의 장축 9.47 cm/s, 단축 1.61 cm/s, 남서-북동 방향이다.
3.3잔차류
Fig. 5 에 도시한 조석잔차류, 취송류 및 밀도류의 효과를 모두 고려한 잔차류를 Fig. 6에 나타내었다.
표층의 흐름은 연안에서 3.1~9.3 cm/s 의 유속을 가지며 내 만으로 유입되는 북향류가 나타나고, 외양에서 수심 80 m이 상 되는 해역에서 주로 북동향하는 흐름이 나타난다. 중층 의 흐름은 표층과 유사한 유향을 나타내지만 연안에서 내만 으로 유입되는 흐름이 표층에 비해 현저히 약해지고 만 입 구에서 유입과 유출이 혼재하여 나타났다. 저층의 흐름을 보면 연안의 만 입구에서는 북향하여 유입되는 흐름보다 남 향하여 유출되는 흐름이 나타나고, 외양에서는 표층에 비해 약하지만 12.0 cm/s 이상의 북동향 하는 흐름이 나타난다.
3.4적조생물 이동 확산
1)Case별 적조생물의 시·공간적 분포
가막만 남부해역(④ in Fig. 2)에서 적조가 발생한 경우 (Case 1) 적조생물은 대부분 인접한 해역에 잔류하였고, 발생 지점으로부터 서쪽에 위치한 나로도 주변해역(① in Fig. 2) 과 여자만(② in Fig. 2)으로 주로 이동 확산하였다. 미조연안 (⑥ in Fig. 2)에서 적조가 발생한 경우(Case 2) 발생해역의 북 동쪽으로 입자들이 주로 이동하는 것으로 나타났다. 미륵도 주변해역(⑩ in Fig. 2)에서 입자가 발생한 경우(Case 3) 욕지 도주변해역(⑨ in Fig. 2)과 자란만-사량도 주변해역(⑧ in Fig. 2)으로 가장 많은 입자가 확산되었다. 또한 통영과 거제도 (⑩ in Fig. 2) 사이의 수도를 통해 거제도 북부 진해만(⑭ in Fig. 2)까지 유입한다.
적조 발생 지점에 따라 Fig. 2. 에서 설정한 14개의 각 해 역에서의 시간에 따른 적조생물의 잔류량을 파악하고자 한 다. 따라서 적조발생해역에서 시간에 따라 총 발생된 양 중 각 해역별로 몇 %의 입자가 잔류하는지를 산정하였다(Table 1). 또한 시간에 따른 적조생물의 확산과 해역별 잔류량의 증감 여부를 파악하기 위해 적조발생 후 5일 간격으로 각 해역별 잔류량을 Fig. 7에 나타내었다.
가막만(④ in Fig. 2)에서 적조가 발생한 경우(Case 1) 발생 지를 제외하고 나로도주변해역(① in Fig. 2)에서 가장 높은 잔류량을 나타내었다. 적조 발생으로부터 15일 경과 후 나루 도 주변해역에 15.8 %의 잔류량이 나타나서 초기발생지인 가막만보다 더 높은 잔류량을 보이고 있다. 발생지인 가막 만 주변해역(① ,② and ③ in Fig. 2)에서의 잔류량은 전반적 으로 시간의 흐름에 따라 증가하는 경향을 보였으나 금오도 주변해역(⑤ in Fig. 2)에서 점점 감소하였다. 가막만 주변해 역에서 대체로 잔류량이 증가하는 이유는 많은 섬들과 내만 의 형태를 이루는 지형적인 특징 때문에 나타나는 결과로 보인다.
미조연안(⑥ in Fig. 2)에서 적조가 발생한 경우(Case 2)를 보면 발생지를 제외하고 자란만-사량도 주변해역(⑧ in Fig. 2)과 욕지도 주변해역(⑨ in Fig. 2)에서 가장 높은 잔류량을 나타내었다. 연구해역의 서쪽에 위치한 나로도주변해역, 여 자만, 가막만(① ,② and ④ in Fig. 2) 해역에서 적조생물의 공 간적분포는 시간에 따라 각 해역별 잔류량이 증가하는 경향 을 보였고 남해도와 욕지도 사이에 위치한 해역에서는 반대 로 잔류량이 감소하는 경향이 나타났다.
미륵도 주변해역(⑩ in Fig. 2)에서 입자가 발생한 경우 (Case 3)에는 발생지를 제외하고 초기발생 6일 경과 후 거제 도 남쪽연안 해역(⑫ in Fig. 2)에서 가장 높은 잔류량을 나타 내었으나, 7일 경과 이후로 크게 감소하는 경향을 나타내어 15일 경과 후에는 잔류량이 7 %로 2배 이상 감소하는 경향 을 보였다. 욕지도 주변해역(⑨ in Fig. 2)은 잔류량이 10 13 %로 평균을 유지하였으나 자란만-사량도 주변해역(⑧ in Fig. 2)은 8 11 %로 감소하는 경향성이 나타났다.
Case2 와 3의 경우 모두 욕지도 주변해역(⑨ in Fig. 2)과 자란만-사량도 주변해역(⑧ in Fig. 2)에서 잔류량이 높게 나 타났다. 적조 발생지 중 가장 동쪽에 위치한 Case 3의 경우 적조생물이 연구 해역의 남동쪽에서 북동향하여 쓰시마 난 류의 영향을 가장 많이 받아 거제도 남쪽(⑫ in Fig. 2)에서 비교적 높은 잔류량을 나타냈다.
따라서 Case 1, 2 및 3에 의하면 적조생물이 시간에 따른 유입량이 유출량보다 많은 해역은 적조생물의 잔류시간이 증가하여 그 만큼 적조생물에 의한 장기적인 피해가 커질 것으로 예상한다. 특히 여수와 고흥 주변 해역(①,② and ④ in Fig. 2)에서 시간에 따라 잔류량이 증가하였다.
2)적조주의보 발령 가능 범위
입자추적법을 이용한 수치실험의 결과를 이용하여 적조 주의보 발령 가능한 범위를 파악하였다(Fig. 8).
가막만에서 유해적조가 발생한 경우(Case 1)에는 시간에 따라 적조주의보(C. polykrikoides 적조는 농도가 300 cell/ml3 이상, 직경 4~10 km 수역에 거처 발생) 발령 가능한 범위가 점차 확장되었다. 15일 경과 후 적조주의보는 서쪽인 나로도 주변해역 및 여자만 동쪽해역(발생지로부터 25 km)까지, 그 리고 적조가 동쪽으로 남해 미조연안과 욕지도 서측해역(발 생지로부터 53 km)까지 확장하였다(Fig. 8, left). 미조연안에 서 적조가 발생한 경우(Case 2)에는 Case 1에 비해 공간적인 확장범위가 크게 나타났다(Fig 8. center). 10일 후의 적조주의 보는 돌산도까지(발생지로부터 29 km) 확장하였고, 15일 후 에는 나로도 동측해역까지(발생지로부터 54 km) 이동하였다. 적조주의보는 동쪽으로 자란만, 사량도, 욕지도, 미륵도까지 확장하였다. 특히, 적조발생 5일 후에는 적조주의보가 남쪽 으로 이동하면서 외양에 강하게 흐르는 쓰시마난류를 타고 거제도 남동부 해역까지(발생지로부터 73 km) 확장하였다. 미륵도 연안에서 적조가 발생한 경우(Case 3)는 적조주의보 가 서쪽해역인 남해 미조 남부 연안까지(발생지로부터 52 km) 확장하였으며, Case 2와 유사하게 적조 발생 5일 후에는 남쪽해역으로 이동하면서 외해의 해류 영향을 받아 북동향 하여 확장하였다(Fig. 8, right).
4고 찰
수치실험의 결과를 이용한 적조주의보 발령 가능 범위는 가막만과 미조 주변해역에서 적조가 발생한 Case 1 과 2 경 우, 적조주위보는 서쪽방향보다 동쪽방향으로의 확장속도가 빨리 나타났다. 미륵도 주변해역에서 적조가 발생한 Case 3 의 경우, Case1 과 2보다 동쪽해역에 위치하고 있지만 적조 주위보의 확장속도가 작게 나타났다. Case 3은 초기 발생 위 치가 연구해역에서 동쪽해역에 위치하며, 입자 발생 후 잔 차류에 의해 동쪽 개방경계면으로 유출되는 입자가 다수 존 재한다. 현재 한국 남해안에서 발생한 C. polykrikoides이 확장 되어, 동해안까지 이동하여 확장되고 있다(NFRDI, 1995-2013). 따라서 수치실험을 수행한 계산영역을 현재보다 동쪽방향 으로 넓게 설정한다면 적조주의보 발령 가능 범위가 Case 2 보다 더 확장되어 나타날 것이다. 이에 대한 연구는 앞으로 수행되어야 할 과제이다.
현장에서의 C. polykrikoides 의 분포는 본 연구에서 계산된 결과와는 차이가 있다. 모델에서 수행한 적조의 이동은 육 지에 가까운 내만까지 C. polykrikoides 주의보가 발령 되고, 적조발생해역을 중심으로 점점 확산되는 경향을 나타낸다. 그러나 C. polykrikoides 종은 저염분보다 고염분인 환경에서 성장이 활발하게 나타나며(Lee et al., 2001; Kim et al., 2001), 육지와 떨어진 고염분인 해역에서 발생하여 고염분 해역을 따라 확산되는 경향을 나타낸다(NFRDI, 1999). 본 연구에서 는 내만에서 측정된 국립수산과학원의 환경측정망자료를 사용함으로써 염분농도의 분포는 현실과 유사하게 반영하 였으나 육상 기원에 의한 담수의 유입을 고려하지 않았다. 또한 모델에서 염분 농도에 따라 증식 및 사멸한다는 조건 이 반영되지 않았기 때문에 연구결과와 현장의 환경은 다르 게 분포하는 것으로 판단된다.
또한 한국 남해안에서는 C. polykrikoides 와는 달리 저염분 의 해역을 선호하는 Gymnodinium catenatum 등과 같은 적조 생물도 출현한다(Kim et al., 1996; Kim and Shin, 1997; Lee et al., 2001). 이와 같이 유해적조생물은 종 마다 선호하는 해양 환경 조건이 다르기 때문에 적조 생물의 증식과 소멸을 고 려하기 위해서는 적조 발생과 관련된 수질환경 및 해양환경 특성과 적조 생물의 생활사가 파악되어야 한다.
향후, C. polykrikoides 의 발생 원인인 수온·염분, 영양염 등의 수질 조건 및 증식·소멸 조건을 고려한 적조생물의 생 활사 등 생물학적 인자들이 모델에 반영하여 현장에 근접한 적조 수치모델을 구축하고자 한다.
