1.서 론

한국 남해안은 육지의 연장으로 이루어진 많은 만과 섬들 로 이루어져 복잡하지만 해저면의 경우 제주해협과 대한해 협은 각각 최대수심 120 m, 228 m로 나타나고 수심은 100 m 내외로 평탄하며, 남쪽 및 남동방향으로 점차 깊어지는 해 역이다. 하계 남해안 표면에서 최고수온은 28~29℃ 정도이 며, 동계 최저 수온기에도 외해는 13℃ 이하로 내려가지 않 는다. 조석간만의 차는 한국 남해안의 동쪽에 위치한 부산 에서 1.4 m 정도이고 서쪽으로 갈수록 커져서 통영 2.9 m, 삼 천포 3.4 m, 여수 3.7 m 그리고 완도와 목포는 3.9 m이다. 조 류의 세기 및 방향은 해역에 따라 차이를 보이지만 일반적 으로 창조시 서향, 낙조시 동향하는 흐름이 나타난다. 남해 안 근해는 생물체들이 서식하기 좋은 환경으로서 멸치와 갈 치의 어획량이 많으며 그 외에도 전갱이, 꽁치, 돔, 가자미 등이 많이 어획된다. 또한 굴 양식이 성행하고 있으며 피조 개, 홍합, 백합, 고막, 키조개 및 새조개 등이 생산된다(Kim et al., 2000).

우리나라의 수산양식은 1970년대 초부터 비교적 풍파의 영향이 적은 남해안 내만을 중심으로 집중적이고 고밀도로 이루어지고 있다. 이러한 양식생물의 대량폐사는 해양환경 의 급격한 변화에 생물이 적응하지 못하거나, 유기물이나 독성물질 등에 의한 오염에 의하여 발생하는 것으로 알려져 있다(Boesch and Rosenberg, 1981; Hartley, 1982; Suh et al., 1999).

양식생물의 수온변동에 의한 피해사례로 동계의 경우는 저수온 현상이 장기간 지속되어 남해안 연안의 양식장에서 돔류를 중심으로 집단 폐사를 하는 현상이 발생하였고 (MIFAFF, 2008), 하계의 경우는 고수온에 의하여 우렁쉥이가 영일만과 통영해역에서(Na et al., 1991; Hong et al., 2000), 피 조개가 진해만에서(Chun et al., 1991), 참가리비가 동해안에 서 폐사하였다(Park et al., 2001). 또한 가막만의 양식 굴의 대 량폐사는 고수온에 의해 빈번하게 발생(NIFS, 2009)하는 것 으로 알려져 있다.

1968년부터 2008년까지 41년간 한국 연근해의 표층 수온은 동해, 남해 및 서해의 경우 각각 1.39℃, 1.27℃ 및 1.23℃ 가 상 승하였고, 상승률은 각각의 해역에서 0.034 ℃/year, 0.031 ℃/year 및 0.030 ℃/year로 나타났다(Seong et al., 2010). 한국 연안의 표층 수온은 1970년대에 꾸준히 증가하였으며 1980년대 후 반에 급격히 상승한 이후 최근까지 높은 수온이 유지되었다 (Min and Kim, 2006). 이러한 수온 상승은 해양생물의 군집조 성과 생태계 기능을 변화시켜 생물 다양성 보전과 어업에 피해를 미치고 있으며(Gang et al., 2012), 지구 온난화에 따른 해양수온 상승은 열대외래 생물종 유입이 심각하게 진행되 고 있음이 확인 되고 있다(Ju and Kim, 2012).

이처럼 수온 변화는 양식생물의 생존과 관련이 있기 때문 에 수온의 변화는 인간 생활에 직·간접적으로 큰 영향을 미 치고 있다. 하지만 넓은 해역을 대상으로 연속수온관측을 실시하기에 관측장비관리, 인력 등의 다양한 문제가 있다. 따라서 몇 개의 대표정점만을 대상으로 관측을 실시 할 수 밖에 없는 실정이며, 매년 이루어지고 있는 정선 및 연안정 지관측 조사 또한 연속적인 수온의 특성을 파악하기에는 한 계가 있다. 또한 표층 수온의 분포는 현재 위성자료를 이용 하여 파악이 가능하지만 구름에 의한 masking 현상에 의해 부분적으로 확인이 되지 않는 문제점이 있다. 이러한 문제 점을 보완하기 위해 유동 및 수온의 시공간 분포를 파악할 수 있는 수치실험을 이용하여 계산한다. 연안에 위치하는 특정 만 또는 하구역을 대상으로 수치실험을 통해 체류시 간, 성층의 변화 등을 파악한 다양한 선행연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 보다 넓은 한국 남해 중부 연안해역을 대상으로 유동 및 수온의 시공간적인 분포 특성을 파악하고 자 한다.

2.자료 및 방법

2.1.수온자료

수치모델에 사용한 초기 수온자료는 모델영역에 포함되 는 해양환경측정망의 2015년 하계의 자료(Fig. 1, ●)와 국립 수산과학원 정선자료의 2015년 하계의 관측자료(Fig. 1, ▲) 를 이용하였다. 해양환경측정망의 경우 표·저층의 자료가 존 재하여 중층의 값은 중앙값을 계산하고, 국립수산과학원의 수온정선자료는 조사정점마다 수심이 다르기 때문에 σ-layer 를 고려한 각각 층별 수온으로 환산하여 수치계산에 이용하 였다. 관측자료로부터 도시한 하계 수온분포를 보면 표층의 내만과 외양에서 19~21℃ 범위로 나타난다. 여수와 남해 남 쪽해역과 거제도 남쪽 및 동쪽해역은 15~17℃ 로 상대적으로 낮게 나타난다(Fig. 2). 수심이 비교적 얕게 나타나는 연안은 표층과 저층 간 수온차이가 3℃ 이내인 반면, 외양은 최대 6℃ 이상 차이를 보인다.

수치계산에 이용한 실시간 수온은 국립수산과학원 실시 간 어장환경정보 자동관측시스템(여수 신월, 여수 자봉, 남 해 강진, 남해 미조, 통영 사량, 통영 풍화, 통영 학림, 통영 비산, 거제 가배, 거제 일운)의 2015년 6 8월 자료를 30분 간격으로 각 계산격자에 입력하였다(Fig. 1, ■). 또한 수온계 산에 있어서 열속(heat flux)는 고려하지 않았다.

2.2.해수유동 모델

해수유동 수치실험에 사용된 모델은 POM(Princeton Ocean Model)을 사용하였다(Blumberg and Mellor, 1987). POM은 외양 뿐만 아니라 하구, 대륙붕 등 연안역에 주로 적용되어 왔다 (Ezer et al., 2002).

수심자료는 국립해양조사원의 전자 해도를 interpolation 및 smoothing 하여 각 격자의 수심으로 사용하였다. 해수유동 수 치실험 영역은 x, y 방향으로 각각 132×109.6 km로 설정하였 다. 계산격자는 정방격자 800 m로 총 165×137개로 하였다. 연 직 방향의 σ-layer 개수는 총 3개의 층으로 표층에서 저층까 지 동일한 간격으로 설정하였다. 계산의 시간간격은 CFL 조 건(Δ t = d x / 2 g h)을 고려하여 external time step은 2초, internal time step은 15초로 총 90일 계산하여 시·공간적 유동 및 수온분포를 파악하였다.

본 연구해역의 조류는 개방경계에서 국립해양조사원 검 조소의 4대 분조(M₂, S₂, K₁ 및 O₁)와 NOAA에서 제공하는 외 양역의 진폭과 위상 값을 이용하여 계산하였다. 또한 조류 모델의 결과를 검증하기 위해 국립해양조사원에서 조사한 자료를 이용하였다. 검증에 사용된 자료는 남해 남측해역의 관측 자료(2012년 6월 17일~7월 16일, Fig. 1 C1)와 거제도 남 측해역의 관측 자료(2005년 9월 6일~9월 29, Fig. 1 C2)이다. 검증 방법은 관측된 자료와 모델결과의 유동을 조류타원도 를 이용하여 비교하였다(Fig. 1, ★C1 & C2).

바람은 표층 해수흐름에 직접적인 영향을 미친다. 남해에 서 바람은 시시각각 변하기 때문에 실시간 바람에 의한 취 송류 재현에 까다로움이 있다. 따라서 기상청에서 제공하는 국내기후자료 중 해양기후도의 하계평균바람자료 남풍 8 m/s를 전 해역에 일괄 적용하였다.

남해에 유입되는 해류는 제주도 남동해역에서 대한해협 을 거쳐 동해로 북상하는 쓰시마 난류가 있다. 대마도 서수 도로 유입되는 유량을 측정하기 위해 ADCP 저층계류를 이 용한 유동관측(Teague et al., 2002), 여객선에 ADCP를 부착하 여 유속을 관측(Takikawa et al., 2005)하는 등 다양한 연구가 있었다. 하계의 쓰시마 난류 유량은 3.0 Sv(1 Sv = 10⁶ m³sec^-1) 으로 알려져 있다(Teague, 2002). 쓰시마난류는 대마도를 중 심으로 서수도와 동수도 두 개의 입구를 통해 동해로 유입 된다. 그 중 모델의 동쪽 개방경계는 대마도와 부산을 잇는 대마도의 서수도에 해당한다. 대한해협 서수도의 해수수송 량은 관측계절마다 변동이 있어 하계에 최대, 동계에 최소 로 나타난다(Isobe et al., 1994). 또한 같은 계절이라도 관측 날짜에 따라 그 유량이 변동한다(Byun and Kaneko, 1999). 3년 간(1987~1989) 대마도 서수도에서 관측된 하계 평균 해수수 송량은 약 1.8 Sv으로 산정하였다. 모델의 동쪽 개방경계가 대마도 서수도 전체를 포함하지 않으며 선행연구의 관측정 점 및 정선에서의 수로 폭에 큰 차이가 난다. 따라서 동쪽 개방경계가 가지는 단면적이 대마도 서수도 단면적의 83 % 임을 고려하여 남쪽 개방경계에 1.5 Sv가 유입되고, 동쪽 개 방경계에서 유출되도록 모델에 입력하여 계산하였다.

2.3.해수교환량 산정

만내의 해수나 물질이 어느 정도 시간에 갱신 또는 유출 되는 가에 대한 문제는 환경문제 등에 관련하여서 필요하 다. 기존의 연구들은 해수유동 및 입자추적모델을 이용하여 체류시간 및 해수교환율을 수행한 연구가 대부분이다. 그러 나 본 연구에서는 유속 자료를 이용하여 연안과 외양의 해 수교환량을 직접적으로 추정하는 방법을 사용하였다.

조류는 왕복성 흐름이므로 만약 해수 입자가 한 조석주기 후 원래의 위치에 되돌아오면 해수교환이 발생하지 않는다. 그러나 실제해역에서는 지형 변화에 따른 조류의 비선형성 에 의하여 조석 잔차류가 발생하며 이에 따라 해수의 순 이 동 즉 해수교환이 발생한다. 반폐쇄성 내만의 형태를 가진 해역을 대상으로 모델결과를 이용하여 해수교환량을 계산 하였다. 조류에 의한 해수교환량 R_t는 다음과 같다.(1)

여기서 α는 조류가 개방경계를 가로질러 계산영역내의 수괴가 1조석 주기 동안에 외양의 수괴와 교환하는 비율 (0 < α < 1), U_t는 개방경계 단면의 평균 조류진폭, h는 개 방경계의 평균 수심, L 은 개방경계의 길이를 나타내고 있다 (식1).

3.결과 및 고찰

3.1.해수유동

수치실험에 의한 대조기 최강 창 낙조시의 조류, 조석잔 차류, 취송류, 밀도류, 잔차류를 Fig. 3에 나타내었다.

조류는 창조시 연안을 따라 서향하는 흐름, 낙조시 연안을 따라 동향하는 흐름이 강하게 나타났다. 이러한 분포는 일반 적인 남해에서의 조류와 유사하게 나타났다(KHOA, 1982). 유 속의 분포는 연안역과 외양역에서 각각 최대 55 cm/s, 32 cm/s 로 나타났다. 대조기와 소조기의 경향을 모두 포함한 태음 반월주조(327.67 hr) 기간의 평균류는 전반적으로 4 cm/s 이하 의 약한 흐름을 보이며, 많은 섬이 분포하는 연안역의 육지 와 육지 사이 수로에서 외양에 비해 크다.

하계 남풍계열 바람의 영향에 의한 취송류는 전 해역에 서 북동향하는 흐름을 보이며 외양에 비해 연안역의 흐름이 크게 나타났다.

수온 · 염분, 해류의 영향을 포함하는 밀도류는 서쪽과 남 쪽경계에서 유입되어 동향 및 동북향하여 동쪽 경계로 유출 되는 흐름을 보인다. 또한 50 m보다 더 깊은 수심을 가지는 외양에서 15.1 cm/s의 평균 유속이 나타났다. 자료 및 방법에 서 설명한 바와 같이 모델 동쪽 개방경계 단면적에 따른 대 략적인 유량을 산정하여 계산하였다. 따라서 그림에 나타난 밀도류의 결과가 연구해역에 실제로 나타나는 흐름이라고 볼 수는 없으나 전반적인 흐름은 파악할 수 있다.

조석잔차류, 취송류 및 밀도류의 효과를 모두 고려한 잔 차류는 밀도류의 흐름과 가장 유사하게 나타났고 연안역의 섬과 섬 사이 수로에서 빠른 흐름이 나타났다.

해수유동과 수온과의 관계는 명확하게 파악 할 수는 없 다. 그러나 본 연구에서 조위 변동에 따른 수온의 변화는 고 조시 낮고 저조시 높으며, 수온의 변동 주기는 반일주조의 조석주기와 거의 일치한다(Choo et al., 1997)는 결과와 유사하 게 나타났다. 또한 해수유동의 시계열에 따른 수온 분포는 정조시에 최대 및 최소값이 나타난다(Nakajima and Hayakawa, 1982)는 결과와도 잘 일치하였다. 한편 가막만에서 층별 수 온과 조석, 기온과의 상관분석을 계산한 결과, 저층으로 갈 수록 조석과의 상관계수가 커지는 결과를 보였다(Kim et al., 2012). 따라서 수온 분포를 수치실험을 통해 계산함에 앞서 해수유동의 재현이 중요하다.

3.2.조류 검증

조류모델의 결과를 검증하기 위해 국립해양조사원에서 조사된 자료와 모델결과의 유동을 조류타원도를 이용하여 비교하였다(Fig. 4).

남해 남측해역인 C1에서 관측된 자료의 M₂, S₂, K₁, O₁분 조 장축은 각각 15.64, 5.71, 11.61, 6.49 cm/s, 단축은 2.23, 0.11, 2.14, 0.59 cm/s, 위상은 동-서, 서북서-동남동, 북동-남서, 동북동-서남서 방향이다. 모델결과 조류타원도의 M₂, S₂, K₁, O₁분조 장축은 각각 13.03(83.3 %), 4.69(82.2 %), 7.75(66.9 %), 4.83(74.5 %) cm/s, 단축은 3.12, 1.07, 0.48, 0.11 cm/s, 위상은 서 북서-동남동, 동-서, 남서-북동, 동북동-서남서 방향이다. 거 제 남측해역인 C2에서 관측된 자료의 M₂, S₂, K₁, O₁분조 장 축은 각각 20.63, 11.71, 9.66, 10.72 cm/s, 단축은 5.46, 3.61, 2.92, 3.39 cm/s, 위상은 동-서, 동-서, 동-서, 동-서 방향이다. 모델결과 조류타원도의 M₂, S₂, K₁, O₁분조 장축은 각각 17.22(83.5 %), 8.43(72.2 %), 7.75(80.2 %), 9.29(86.7 %) cm/s, 단축 은 4.91, 2.08, 1.22, 1.16 cm/s, 위상은 서북서-동남동, 동-서, 동 -서, 동-서 방향이다. 관측된 자료에 비해 모델결과의 장축 크기는 다소 차이를 보이지만 위상은 대부분 일치한 결과가 나타나 본 연구에서 수행한 수치실험의 재현성은 대체로 양 호한 것으로 판단된다.

일반적으로 수치모델의 보정 및 검증을 하기 위하여 모델 결과가 관측자료와 잘 일치하도록 반복 계산을 수행한다 (Kang et al., 2011). 또한 조류 검증은 각 분조별 관측치와 계 산치는 약간의 차이가 나타내며 전반적으로 진폭의 크기와 주축의 방향의 경향성을 토대로 조류분포의 재현성을 말한 다(Park et al., 2011; Choi et al., 2016).

3.3.수온 분포 및 해수교환량

조석, 바람, 쓰시마난류, 수온 염분 효과를 고려한 해수유 동 모델을 통해 2015년 하계 6월 1일 부터 8월 30일 까지 90 일간 남해의 시공간적 수온의 분포를 파악하였다(Fig. 5). 표 층의 수평 수온분포는 연안의 경우 광양만과 사천만은 모델 계산 초기(6월 1일)에 19~20℃, 고성 연안은 18~19℃ 로 주변 해역에 비해 높게 나타났으며, 시간이 경과함에 따라 상승 하여 90일째(8월 30일)에는 22~27℃ 로 상승하였다. 외양의 경우 전체적으로 계산 초기에 19~20℃ 로 나타났으며 시간 흐름에 따라 약 2~3℃ 감소 후 30일(6월 30일) 이후 점차 증 가하는 경향을 보인다. 중층과 저층의 수평 수온분포는 연 안에서 표층의 수온 분포와 거의 유사하였으나, 외양의 경 우 개방 경계역에서 15~17℃ 로 표층에 비해 낮은 분포를 보인다.

모델 초기부터 90일까지(6월 1일 ~ 8월 30일) 연안해역의 수온의 변화를 보면 여수-가막만은 18~20℃ 에서 19~22℃ 로 1~2℃ 상승하였고, 남해북쪽 연안은 19~21℃ 에서 26~28℃ 로 8℃ 상승하였다. 고흥 남쪽 자란-사량해역은 18~20℃ 에 서 20~23℃ 로 2~3℃ 상승하였고, 거제-한산만 해역은 18~20℃ 에서 22~26℃ 로 4~6 상승하였다.

2015년 8월 수온 관측자료(해양환경측정망, 정선관측자료) 와 모델 90일 구동 후(8월 30일)의 수온분포를 비교해 보면 광양만과 남해 북쪽해역 그리고 마산만에서 모델 결과가 2~3℃ 높게 나타났으며, 고흥 주변해역은 5~6℃ 낮게 나타난 다. 이는 모델에 입력된 국립수산과학원 실시간 어장정보 자 동관측시스템의 실시간 수온 값에 의한 결과로 볼 수 있다.

한편 남해북쪽 해역은 육지로 둘러싸인 반폐쇄형 내만으 로 수치실험의 수온 결과 최대 28℃ 가 나타났다. 해양환경측 정망의 관측된 수온자료는 28.4 , 국립수산과학원 실시간어 장정보의 관측된 수온자료는 최대 28.9℃ 로 수치실험과 유 사한 수온분포를 보인다.

연구해역에서의 양식장 어업권은 통영(1326 ha)에서 가장 컸으며, 고성(974 ha), 거제(930 ha), 여수(897 ha), 남해(207 ha), 창원(105 ha) 및 사천(11 ha) 순으로 나타난다(NIFS, 2009). 수 치실험 결과에서도 보듯이 남해군의 강진만과 사천만 해역 은 통영, 고성, 거제 및 여수 해역에 비해 수온이 상대적으 로 높다.

양식 굴의 적정 수온은 15~25℃ 로 알려져 있으나 26℃ 이상의 고수온이 장기 유지되면 생리적으로 쇠약과 더불어 타 요인들에 의해 폐사된다(MIFAFF, 2012). 굴, 피조개 등 패 류양식생물은 고수온에 의해 성장저하, 에너지 불균형, 질병 발생, 스트레스 증가 등 대량폐사에 이르기도 한다. 이와 같 이 고수온에 의해 양식생물의 생산성이 낮아지기 때문에 강 진만과 사천만 해역은 타 해역에 비해 양식어업이 활발하지 않고 양식면적이 비교적 좁은 것으로 사료된다.

모델 결과를 이용하여 반폐쇄성 내만의 형태를 가지는 해 역의 해수교환량을 계산한 결과 광양만 10,331 m³/sec, 여수- 가막만 16,935 m³/sec, 그리고 거제-한산만은 13,454 m³/sec로 나타났다. 광양만, 진주만, 사천만, 강진만 및 마산만과 같이 수온이 높게 나타나는 해역은 지형적인 원인에 의해 해수순 환이 통영, 거제 및 여수해역에 비해 원활하지 못하여 고수 온이 나타났다고 사료되며 이러한 고수온은 양식생물의 성 장에 피해를 입히기 때문에 양식장으로 좋지 못한 해역으로 볼 수 있다.

4.결 론

한국 남해연안의 수온의 시공간적 분포특성을 파악하기 위해 해수유동모델을 이용하여 수치실험을 하였다. 연구해 역의 조류는 동-서방향이 우세하며 동향하는 해류의 영향에 의해 잔차류는 동향하는 흐름이 우세하다.

하계 90일간 시간의 흐름에 따라 전 해역에서 수온이 상 승하였으며, 양식업이 활발히 이루어지는 해역 중 반폐쇄성 내만의 형태를 가지는 해역이 개방된 해역에 비해 시간에 따른 수온상승이 더 크게 나타난다.

연안해역에서 장기적인 물질분포에 영향을 주는 유동을 계산하기 위해서는 선형성분인 조석효과를 비롯해 비선형 성분인 수온, 염분 및 바람에 의한 효과를 고려하여야 한다 (Cho et al., 2005). 본 연구에서 수행한 수치실험은 남해의 조 류, 바람, 쓰시마난류, 염분 및 수온을 고려하였다. 바람의 경우 해상부이의 실시간 바람 자료가 부족 하여 하계 평균 바람을 일괄 적용한 점과 해류 입력에 있어서 모델 동쪽 개 방경계가 대마도 서수도 전체를 포함하지 않아 단면적에 대 한 대략적인 유입량을 산정하는 부분에 있어서는 부족한 점 이 있다. 좀 더 정확한 유동 및 수온 분포를 파악하기 위해 서는 유속, 수온과 염분 등 다양한 해양인자에 대한 장기적 인 관측이 함께 수행되어야 할 것이다. 향후 연구 해역을 점 차 확장하고 실시간 바람 자료, 운량, 강수량 등 해양환경에 영향을 줄 수 있는 기상환경을 추가적으로 고려해 나간다면 보다 더 현장과 유사한 시·공간적인 수온 분포 파악이 가능 할 것으로 판단된다.

서론에서 언급한 바와 같이 수온변동에 의한 양식생물의 피해 사례는 매년 발생하고 있으며, 지구 온난화로 인한 해 양수온 상승으로 우리나라의 어장 지도가 바뀌고 있다. 이 처럼 수온의 변화는 수산생산량과 직결되어 인간의 생활에 직접적인 영향을 미치기 때문에 수온에 민감한 해양환경/생 태계 현상의 포괄적인 연구로 확장해 나아갈 필요가 있다.