1.서 론
동해 남부해역 냉수대에 관한 연구는 1970년대부터 바람 에 의한 용승(upwelling), 북한 한류수 변동, 동한난류 이안 등의 발생 기작 및 기원과 연계하여 많은 연구가 진행되었 다(Seung, 1974; Kim and Kim, 1983; Lee, 1983; Lee and Na, 1985). 냉수대 발생 기작에 대한 통합된 결론은 해안선과 평 행하게 부는 강한 남서풍과 해저지형 변화로 인한 동한난류 의 이안에 의해 동해 남부 연안을 따라 용승이 전반적으로 발생하는 것이며, 냉수의 기원은 대마난류 중층수가 표층수 와 혼합되거나 간혹 10℃ 이하의 강한 냉수는 북한한류가 기원인 것으로 알려졌다(Lee and Na, 1985; Yang et al., 1994; Lee et al., 1998).
냉수대는 동해 남부해역(울기~감포~구룡포)에서 수온이 계절적으로 상승하는 시기인 5~9월에 1~3일 동안 표층수온 이 5~10℃ 가량 급격히 하강하는 형태로 연안 용승 등에 의 해 발생한다. 해당 해역은 다양한 수산자원의 생육장, 산란 장 등의 역할과 더불어 어류 및 멍게 양식도 활발하여 동해 연안 중 가장 생산성이 높은 어장이라 할 수 있다. 경상북도 의 양식생산은 2015년 기준 4,547톤(333억 원)이었으며, 그 중 어류가 2,527톤(290억 원)으로 생산량의 56 %, 생산액에서 는 87 %를 차지하였다. 특히 경상북도에서 생산되는 가자미 류와 방어류는 전국 생산량의 52 %와 10 %를 각각 차지하였 다. 이처럼 경상북도의 양식(축양 포함)생산은 천해 가두리 양식이 상당부분 차지하고 있으나, 각종 원인으로 인한 어 류 폐사가 경상북도 수산업 전체에 막대한 피해를 일으키고 있다. 그 예로 2007년 어류양식 생산량은 약 5,000톤이었으 나, 점점 감소하여 2015년에는 생산량이 거의 절반으로 감소 하였다. 이는 바이러스성 질병, 적조, 기상 이변(태풍), 수질 환경 급변 등에 의한 낮은 성장, 상품성 감소, 대량 폐사 등 이 원인으로 추측되나 각 원인에 대한 명확한 평가는 이루 어지지 않은 실정이다.
동해 남부해역에 위치한 포항시 구룡포는 비교적 수심이 깊고 해류 흐름이 원활하여 남해 연안양식장에 비해 적조나 빈산소에 의한 폐사발생은 적은 반면 태풍이나 냉수대와 같 은 환경급변에 의한 피해가 잦을 가능성이 크다. 최근 연안 냉수에 의한 어류 폐사가 비교적 빈발하게 나타나고 있다. 경상북도 해양수산과에 의하면 2013년과 2015년 7월에 감 포~구룡포 그리고 영덕 축산해역까지 돔류와 방어 등의 폐 사가 대대적으로 발생하여, 어민들의 재산피해가 컸다고 보 고하였다(2013년 7월 냉수 피해액 약 65억 원, 경북도민일보 2013년 7월 11일자).
본 연구는 연안 냉수가 빈발하는 구룡포 인근해역의 해양 및 기상자료를 이용하여 냉수 발생 시 해황을 파악하고, 그 중에서 어류 폐사 등의 어장피해를 입히는 냉수의 발생 특 징을 구분하였다. 여기서 제시된 결과로 냉수발생지수를 산 정하고 향후 예측에 활용하고자 한다.
2.자료 및 방법
경상북도 구룡포 해역에서 하계 표층수온 변동을 파악하 기 위해, 2007년 8월부터 약 3개월간 경상북도 포항시 구룡 포 인근의 멍게양식장에 수온센서(Hobo TidbiT v2 logger, ONSET, USA)를 4개 수심(표층, 10m, 20m, 30m)에 설치하였 다(Fig. 1). 자료 저장형 수온센서는 계류할 로프에 해당 수심 에 각각 장착하였고, 계류 로프의 위쪽은 표층 부이에 연결 하였으며, 아래 쪽 끝은 멍게양식장의 앵커(anchor)에 고정하 였다. 구룡포, 영덕 그리고 기장 연안의 수온은 국립수산과 학원이 운영하는 실시간어장정보시스템의 구룡포 하정관측 소(35.9607°N, 129.5497°E)와 영덕관측소(36.5737°N, 129.437°E), 기장관측소(35.187°N, 129.227°E)에서 3년(2013~2015)간 관측 한 자료를 이용하였다(https://www.nifs.go.kr/risa/subpage). 구룡 포 하정관측소는 2014년 8월부터 표층수온만 제공하고 있으 며, 영덕관측소와 기장관측소는 2008년 11월부터 3개 수심 (표·중·저층)의 수온자료를 30분 간격으로 제공하고 있다.
연구해역의 기상자료는 기상자료포털(https://data.kma.go.kr) 에서 제공하는 지상관측소 중 포항의 일별 또는 시간별 자료 를 이용하였다. 최대풍속은 하루 동안의 매 10분 평균값 중 가장 큰 수치를 의미하며, 그 때의 풍향(16방위)을 최대풍속 풍향이라 하고 수치로 제시하였다. 연구해역의 조위관측은 국립해양조사원의 해양자료포털(https://www.khoa.go.kr/koofs)에 서 제공하는 울산지역의 30분 간격 자료를 이용하였다.
3.결과 및 고찰
3.1.하계 구룡포 해역 수온 변동
경상북도 구룡포 해역의 하계 수온 변동을 파악하기 위하 여 2007년과 2015~2016년 자료를 분석하였다. 구룡포 멍게양 식장의 2007년 8~11월의 표층수온은 조사 초기(8월 18~28일) 와 일부 기간을 제외하면 9월 초 약 25℃ 에서 11월 말 약 15℃ 까지 지속적으로 감소하였으며, 10 m와 20 m, 30 m 수심에서 도 표층과 유사하게 9월에서 11월로 갈수록 서서히 하강하 는 경향이었다(Fig. 2). 표층에서 30 m까지 수심이 깊어질수 록 수온이 낮아지는 일반적인 경향을 나타내었으며, 조사기 간 표층과 10 m, 20 m, 30 m 수층 사이의 수온차이 평균은 각 각 0.81℃ , 1.99℃ , 3.87℃ 이었다. 조사기간 중 8월 하순과 9월 20~22일경에는 표층수온이 급격히 하강하여 30 m 수층과 유 사하게 낮은 수온 분포를 보인 반면, 9월 5~7일과 9월 16~18 일, 10월 17~19일경에는 저층수온이 급격히 상승하여 표층수 온과 유사한 수준에 도달하는 경향을 보였다. 그 외에도 약 한 강도의 표층 수온의 하강과 저층 수온의 상승이 짧은 기 간(1~2일 내)에 나타나는 경우도 있었다.
일반적으로 표층 수온이 급격히 낮아져 표층에 냉수대가 발생하는 것은 동해 남부해역에 남풍이 강할 때, 에크만 (Ekman) 수송에 의해 표층수가 외해로 빠져나가고 그 자리 에 저온의 저층수가 용승함으로 나타나는 것으로 알려져 있 다(Lee et al., 1998; Kim et al., 2010). 반대로 저층수온이 표층 수와 비슷한 수준의 고수온을 보이는 것은 북풍이 강할 때 발생하는 것으로 외해의 따뜻한 물이 연안으로 이동하여 저 층으로 침강한 결과라고 알려져 있다(Lee et al., 2007; Kim et al., 2016). Lee et al.(2007)는 2006년 8월 태풍‘우쿵’의 영향으 로 북풍이 5일간 지속되어 우렁쉥이가 매달려 있던 수심 10~20 m의 수온이 10℃ 이상 급상승하여 폐사가 발생한 것 을 보고한 바 있다.
2007년 구룡포 멍게양식장의 수층별 수온과 같이 도시한 풍 향벡터에서 표층수온의 급하강과 저층수온의 급상승은 남(서)풍 그리고 북(동)풍과 각각 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 표층에 냉수대가 발생한 8월 하순에 포항기상대에서 관측된 일 최대풍 속과 일 최대풍속 풍향은 각각 4~11.2 m/s, 남풍계열(160~200°)이 었으며, 이 같은 바람이 약 10일(8월 12~22일)동안 우세하였다. 본 연구에서 구룡포 수온을 8월 17일부터 측정하였으나, 수온 하강은 그 이전부터 발생하였을 것을 추측할 수 있다. 실제 포 항에서 관측된 표층수온은 8월 14일부터 급격히 하강하였고 이 것이 약 일주일간 유지되었다. 2007년 9월 20~22일에 발생한 표 층수온 하강 시에는 최대풍속 6.1~7.5 m/s의 남풍(160~180°)이 약 3일(9월 19~21일)동안 지속하였다. 한편, 이와 반대로 저층수 온 상승이 있었던 9월 5~7일 동안은 최대풍속이 3.6~6.2 m/s의 북풍(340~20°)이 우세하였고, 9월 16~18일에는 4.1~8.1 m/s로 북 동풍(20~50°)이 우세하였다.
국립수산과학원에서 2014년 8월부터 구룡포 어장에 설치 한 실시간어장정보시스템 자료 중 2015~2016년 하계의 표층 수온을 바람벡터와 함께 Fig. 3에 나타내었다. 2015년의 경 우, 7월 초 약 20℃ 를 일정하게 유지하다가 7월 13~15일에는 표층수가 10.4℃ 까지 급격히 하강하였으며, 당시 12~14일 사 이 포항의 최대풍속은 4.6~8.2 m/s였으며, 풍향은 남~남서풍 (160~230°)이 3일간 지속되었다. 이후 7월 15~22일에는 북~북 동(360~70°)계열 바람이 우세하여, 표층수온은 7월 24일에 약 21℃ 로 회복되었으나 7월 23일~8월 5일 사이에 남~남서풍 (160~230°)으로 바람 방향이 바뀌면서 약 17.6℃ 까지 재하강하 는 경향을 보였다. 이후 8월5~19일 동안은 북동~동풍(50~90°) 이 우세하였으며, 8월 8일부터 급격한 상승을 보여 8월 10일 최대 25℃ 까지 상승하였다. 한편, 2016년은 뚜렷한 상승과 하강이 없고, 7월 25~8월 2일 사이 약간 하강하는 이벤트를 제외하면, 복사열에 의해 지속적으로 수온이 상승하는 경향 이었다. 실제 7월 24~30일에는 남서풍(230-250°)이 우세하였 으며, 나머지 기간에는 북~동풍(360~50~90°)이 지배적이었다. 이처럼 하계 7~8월 사이 구룡포 해역에서 남~남서풍이 우세한 시기에는 표층수온이 내려가고, 북~북동풍이 우세한 시기에는 저층수온이 상승하는 경향으로, 짧은 시기의 표층수온의 하강 과 상승은 바람 방향에 좌우됨을 알 수 있었다.
3.2.냉수발생지수와 양식장 피해 발생
어류 등을 양식하는 해상가두리는 태생적으로 해양환경 에 그대로 노출되어 있으므로 태풍, 적조 등을 비롯한 기상 및 해양환경의 급변은 어장 생산량에 막대한 영향을 미치 고, 이 점이 동해 남부 연안의 양식에 가장 큰 약점이라 할 수 있다. 구룡포 인근 해상가두리방식으로 양식하는 주 어 종은 돔류와 방어 등이다. 돔류의 적정양성수온은 20~28℃ 로 이 수온이 유지되는 기간이 길수록 양성에 유리한 해역이라 할 수 있다. 특히 돔류는 저수온에 약하므로, 10~12℃ 이하에 서는 식욕이 줄고 거의 월동하는 수준이며, 만일 수온이 심 하게 변동하면 더 높은 온도에서도 죽는다(Yoo, 2000). 방어 도 축양에 적합한 수온은 18~27℃ 이며, 14℃ 이하에서는 성 장이 중지되고 체중이 감소하며, 10℃ 이하에서는 먹이를 먹 지 않고 오래 지속되면 폐사하게 된다(Yoo, 2000). 따라서 경 북 구룡포 연안에 냉수대가 발생하였을 때, 양식어류들이 생존할 수 있는 수온 범위에서 발생한다면 큰 피해가 없다. 반면 수온이 어류 생존에 위협이 되는 10℃ 이하로 내려가 면 양식어류에 스트레스를 주어 폐사에까지 이르게 된다. 더욱이 냉수대가 발생하거나 소멸될 때 일상적으로 겪는 수 온의 급격한 변동은 또한 양식어류에게 치명적인 스트레스 로 작용하게 되므로, 단기간의 수온 급하강과 급상승도 폐 사발생을 유발한다.
본 연구에서 관측된 구룡포 표층수온 변화 중 2007년의 8 월 중순과 2015년 7월 중순에 표층수온이 10±2℃ 내외까지 하강하였다. 2007년의 경우에는 실제 자료가 남아있지 않으 나, 관련 공무원들에 의하면 당시에도 냉수 및 적조로 인한 폐사가 장기간 발생하였다고 한다(Personal communication과 대구시민일보 2007년 8월 19일자). 한편, 2015년 7월 중순에 는 포항시 일대 양식어류(해상가두리) 폐사가 발생하여, 국 립수산과학원이 포항시와 합동조사를 실시하였다. 그 결과 구룡포에서 양성 중이던 참돔 약 39만 미가 폐사한 것은 질 병보다는 냉수대 발생이 원인인 것으로 보고한 바가 있다.
경상북도 해양수산과에 의하면, 2013년 7월에 영덕군 축 산, 포항시 구룡포 그리고 경주시 감포에서 어류 폐사가 각 각 7월 3일, 8~9일, 10일 순차적으로 발생하였다. 포항시 구 룡포에서 가두리 면허 총 25건 중에서 8건의 피해를 입어 약 20억 원 상당의 돔 120만 미가 폐사하였으며, 영덕군 축산에 서도 5천만 원 상당의 돔 약 3천 미가 폐사하고, 경주시 감 포에서는 방어 2천 미가 폐사하여 약 2천만 원의 피해를 입 었다. 2013년의 경우 구룡포 해역 수온변동 자료는 없으나, 당시 바람과 저기압의 영향으로 동해안 전반에 냉수대가 발 생하였으므로(Choi, 2015) 실시간어장정보시스템 중 영덕과 기장에서 관측한 수온자료를 살펴보았다(Fig. 4). 영덕의 경 우 최저 5℃ 까지 하강하였으며, 기장은 약 15℃ 까지 하강하 였으므로, 구룡포 일대에도 약 10℃ 내외로 냉수대가 발생하 였을 것으로 추측할 수 있다. 2015년 7월에 발생한 냉수대 발 생 시 영덕-구룡포-기장 3해역의 수온이 뚜렷하게 구분되듯 이, 정도의 차이는 있지만, 2013년에도 구룡포는 영덕과 기장 의 중간정도의 수온 분포를 나타내었을 것으로 판단된다.
이처럼 구룡포 해역에서 냉수대에 의한 어류 폐사가 하 계(주로 7월)에 빈발하며, 이는 구룡포 표층수온이 약 10℃ 내외로 하강할 때이다. 2007년과 2015년 그리고 추정에 의한 2013년의 표층수온이 10℃ 로 하강할 시기에 포항기상대의 바람 강도와 방향에서 특징적인 점은, 최대풍속이 5m/s 이상 인 날이 최소 이틀 이상 유지되면서 최대풍속의 풍향이 남~ 남서풍(160~230°)이었다는 것이다.
이처럼 포항시의 일별 최대풍속과 최대풍속 풍향을 바탕 으로 냉수발생지수(Cold Water Index)를 만들기 위해 다음과 같은 가정을 하였다: i) 최대풍속이 5m/s 이상일 경우에 냉수 가 발생하므로 가중치(1.5)를 줌, ii) 최대풍속 풍향에 대해서 는 16방위를 1~10으로 분류하여, 남~남서풍(200~230°)계열은 “10” 그리고 북~북동풍(360~050°)계열은 “1”의 범주로 구분 함, iii) 앞에서 구한 최대풍속과 최대풍속 풍향 상대치를 곱 하여 수치화하고 이를 냉수발생지수로 명명하고 다음과 같 이 계산함.
이때, A는 1 또는 1.5, f(최대풍속 풍향)은 1~10의 수치를 갖게 되며, 이는 일별로 계산된다. 그 결과, 냉수발생지수의 2일 평균값(CWI2d)이 100 이상일 경우에 냉수대 발생으로 인 한 어류 양식피해가 발생한 것으로 나타났다(Fig. 5). 앞서 어 류 폐사가 발생하였던, 2007년 8월 13일 CWI2d는 113이었으 며, 2015년 7월 13일은 105였으며, 2013년 7월 2일 100이었다. 따라서 CWI2d가 100 이상일 경우는 냉수대 발생으로 인해, 어류의 폐사가 발생할 가능성이 높은 반면, 100 미만일 때에 는 비록 냉수대가 발생하더라도 폐사로 인한 어장 피해 발 생가능성은 낮다고 할 수 있다. 한편, 냉수발생지수의 4일 평균(CWI4d)은 표층수온 변동을 잘 설명하였다(Fig. 6). 2007 년, 2015, 2016년의 7~9월 표층수온과 냉수발생지수의 4일 평 균(CWI4d)을 함께 표현하였을 때, 높은 음의 상관성을 나타 내었다(R2=0.5). 즉, 어류 폐사가 될 정도의 냉수대가 강하게 발달하진 않지만, 바람에 의한 표층수온 변동을 냉수발생 지수로 예측이 가능하다는 것이다. 따라서 본 연구에서 설 정한 냉수발생지수는 비록 짧은 기간이지만 냉수대가 빈발 하는 7~8월에 구룡포 해역의 표층수온 변동을 잘 묘사하는 것으로 나타났으며, 어류 폐사가 발생가능한 정도의 냉수대 에 대한 재현도 비교적 잘 표현하는 것으로 판단되므로, 추 후 장기자료를 토대로 정확도를 높이게 되면, 구룡포 해역 의 어류 피해에 대한 예측에도 적극 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
3.3.저층수온 변동과 조석
2007년 10월의 경우 표층수온은 19~23℃ 로 큰 변화가 없는 반면, 수층 30 m 수온은 7~23℃ 사이로 변하며, 일 변동 폭 (5~13℃ )이 매우 컸으며 평균적으로 하루에 약 8.8℃ 변동하였 다(Fig. 2). 가장 일변화가 큰 날은 10월 20일(9.8~22.1℃ )과 10월 29일(7.0~20.0℃ )이었다. 저층수온이 이처럼 하루 동안에 크게 변 동한다는 것은 비록 표층은 큰 변화가 크지 않으나 10 m, 20 m 수심의 수온변화에 다른 요인이 작용할 가능성이 있다. 이 수심 은 양식장의 가두리가 위치하는 수심(5~15 m)의 수온변동을 파 악하는데 중요하다. 저층수온의 변동을 자세히 살펴보면, 하루 에 2번씩 크게 변동하는 것으로 보아 조석주기와 유사하다는 것을 유추할 수 있다. 따라서 표층수온 변동에 대해 조화분석과 스펙트럼분석을 한 결과, 조위와 매우 유사한 경향을 파악할 수 있었다(Fig. 7). 여기서 반일주조의 M2주기에서 가장 높은 강도 (peak)를 보였으며, 그 다음으로 일주조인 K1주기에 높은 강도 를 나타내었다. 수온변동에 대한 일련의 스펙트럼도 조석주기 와 절대 값만 다르고 거의 유사한 패턴으로 나타났다(Fig. 7).
이처럼 조석에 따른 저층수의 변동이 큰 것은, 북한한류 가 그 시기에 구룡포까지 남하하였거나 동해중층수의 영향 이라 할 수 있다. 북한한류의 남하 한계는 연별 계절별 다르 지만, 일반적으로 하계에 더 강해져 8~9월에 최대 수송량을 보이며, 그 세기가 강할 경우에는 감포 부근까지 남하하는 것으로 알려져 있다(Kim and Kim, 1983; Yun, 1993; Kim and Min, 2008). 18년 동안(1973~1990년)의 관측에 의하면 감포가 위치하는 국가해양조사 정선 209 라인까지는 총 104회 중 40 회 이상 나타나는 것으로 알려졌다(Yun, 1993). 일반적으로 북한한류수를 구분하는 수온과 염분의 범위는 각각 1~5℃, 34.05 이하이나(Kim and Min, 2008), 연안을 따라 나타나는 북 한한류수의 수온과 염분은 각각 1.9~9.4℃ , 33.78~34.42 범주 로 제시되었다(Jeong et al., 2013). 2007년 10월 구룡포의 30 m 층의 최소 수온은 6.2℃ 이며, 20 m와 10 m 수층의 최소 수온 도 각각 7.2℃ 와 7.7℃ 이었다. 또한 2007년 8~10월의 국가해 양조사에서 다른 해보다 동해연안을 따라 저수온(10℃ 이하) 인 수층이 남북방향으로 길게 확장한 것을 파악할 수 있었 다(http://kodc.nifs.go.kr). 따라서 북한한류수가 연안에서 일반 적으로 나타나는 수심(50~100 m)보다 얕지만, 2007년 구룡포 양식장에 북한한류수의 영향이 있었던 것으로 추측할 수 있 다. 저층수와 더불어 수심 10~20 m 수층도 이와 같이 변동을 하면, 하루에 두 번씩 마치 냉탕과 온탕을 오가는 것과 같은 스트레스를 어류가 겪게 되므로 이것이 폐사로 이어질 수 있다.
따라서 이러한 조석의 강도와 북한한류수의 남하정도 등 에 따라 중층에서 추계에도 냉수가 발생하는 것을 알 수 있 다. 그러나 이에 대한 연구결과는 아직 미비한 것으로 추후 구룡포 해역에 대한 수층별 장기 관측자료를 이용하여 파악 할 필요가 있다.
4.결 론
경상북도 구룡포 해역에서 하계 표층수온의 급하강과 저 층수온의 급상승은 포항의 일 최대풍속 및 최대풍속 풍향과 밀접한 상관이 있는 것을 확인하였다. 조사기간 중 일 최대 풍속이 4 m/s 이상이면서 남~남서풍이 우세할 시기에는 표층 수온이 급하강하여 냉수대를 유발하고, 바람 방향이 북~북 동풍이면 저층수온이 급상승하는 것으로 나타났다. 표층수 온이 10℃ 이하로 하강하는 강한 냉수대 발생 시에는 어류 폐사를 유발하게 되며, 이는 주로 최대풍속이 5 m/s 이상인 남~남서풍이 최소 이틀 이상 유지될 때 발생하였다. 이를 바 탕으로 냉수발생지수(Cold Water Index)를 정의하고 계산한 결과, CWI2d가 100 이상일 때 어류 폐사가 발생하는 것을 확 인하였고 더불어 CWI4d는 하계 구룡포 표층수온과 높은 음 의 상관성을 보였다(R2=0.5). 이는 장기자료를 활용하여 CWI 의 정확도를 더욱 높인다면 바람자료만으로 어류 폐사에 대 한 예측이 가능하다는 것을 의미한다. 2007년 10월의 30 m 수온이 하루에 2번 변동하는 것은 조석과 더불어 북한한류수 의 영향인 것으로 파악되며, 만일 그 같은 변동이 어류 가두 리가 위치하는 수심까지 영향을 미친다면 이에 의한 폐사도 발생할 수 있으므로 정밀한 조사가 필요할 것으로 파악된다.
