1.서 론

최근 지구온난화로 인하여 폭염이나 한파 등 이상기후가 발생되어 대기와 해양간의 상호 순환에 불균형을 이루면서 해양생태계 및 수산 생물에 영향을 주고 있다. 이상기후 발 생 시 해양에서는 여름철 고수온이나 겨울철 저수온을 발생 시켜 양식생물에 대량 폐사를 유발하고, 수산업의 피해를 초래한다(Han et al., 2011; Lee et al., 2013; Choi et al., 2014). Bates et al.(2008)은 기후변화로 인한 고수온현상은 수중 생태 계의 생물 서식 범위를 좁게 하고, 생물 다양성에 영향을 미 치는 등 담수환경에 여러 가지 영향을 미친다고 보고하였 다. 폭염으로 인해 상승되는 기온은 해양 생물들이 성장할 수 있는 환경조건에 영향을 미치고 고수온 현상을 일으켜 수생물의 수확량을 급감시킨다. 또한 강한 성층 형성으로 물이 섞이지 않아 부유물질 농도를 높여 녹조현상이 빈번하 게 발생하는 등 해양생태계를 더욱 악화시킨다. Kim(2014)은 현재 지구온난화로 인해 전 세계 평균 기온이 상승하고 있 는 가운데 2071년~ 2100년의 동해 평균 표층 수온이 1971년 ~ 2000년에 비해 평균 4.1℃ 상승 할 것이라 전망하였다. 실 제로 2016년 우리나라 연평균 기온은 평년보다 1.1℃ 높은 13.6℃ 를 기록해 1973년 기상 관측 이래 최고치를 기록하였 고, 해역의 경우 표층 수온은 1968년부터 2016년까지 1.0℃ 이상 올라 표층수온의 상승 폭을 가중화시켰다. 2016년 이상 기후보고서에 따르면, 한반도 주변 해역 내에 8월 10일경부 터 8월 하순까지 이례적인 폭염으로 인해 지속적으로 매우 높은 고수온 현상이 지속되었으며, 일부 연안 및 내만에서는 평년에 비하여 7 ~ 8℃ 높은 고수온 경향이 나타나 양식 생 물의 대량폐사를 초래하였다고 보고하였다. 일반적으로 어 패류들은 그들의 환경에 맞는 최적의 수온을 가지고 있는 데, 그 수온 범위를 벗어나면 폐사하거나 어체의 생리 활동 에 악영향을 미친다. 실제로 남동해권역인 통영시와 거제시 의 해상가두리양식장에서 사육중인 조피볼락이 대량폐사 했던 원인도 수온 25℃ 이상이면서 20일 이상 지속되어 고 수온으로 인해 생리대사 및 저항력이 약화로 인한 폐사로 조사되었다(Choi et al., 2009; Lee et al., 2013). 또한 2016년 8 월 남해 중부 연안에서는 이상 고수온 현상으로 인해 멸치 와 수조기 자어의 출현량이 산란 적정수온을 넘은 수온으로 급감되었다고 분석 하였다(You et al., 2017). 이상 고수온으로 인한 해양생물의 피해는 해마다 증가되고 있으며, 특히 기 상 관측 이래 최고치를 기록했던 2016년 8월 폭염 기간 동안 이상 고수온으로 인해 양식생물 약 6,083만 마리, 약 536억원 의 재산피해가 발생했다(Abnormal climate report in 2016, 2017). 2016년 8월 한 달 동안 전국 내륙에서는 평균 28℃ 이 상의 지속적인 폭염이 이어졌지만 고온에 따른 수온 상승의 변동 양상은 해역별로 차이가 있었다. 국립수산과학원에서 제공했던 2016년 8월 고수온 주의에 관한 속보 정보를 보면 동해연안 4건(8/5, 8/9, 8/19, 8/23), 남해연안 1건(8/9), 서해연 안 1건(8/12)으로 각 해역마다 고온에 대한 수온의 반응이 상 이하게 나타났다. 우리나라 해역별로 환경적·지형적 특성으 로 인해 폭염에 대한 수온 반응이 다르게 나타나는 것은 당 연한 해석일 수 있다. 그러나 각기 다른 해역 환경에서 생장 하고 있는 해양생물들은 기온변화에 대한 수온 변동으로 성 장에 악영향을 미칠 수 있고, 기후변화로 인한 수온상승으 로 수익을 창출하는 수산업에도 경제적 손실을 입힐 수 있 기 때문에 이상 고수온 시기를 살피는 것은 상당히 중요하 다. 본 연구에서는 2016년 8월 서해, 남해, 동해의 해역별로 폭염에 따른 기온에 대한 수온의 반응을 파악하고 그들의 상관성을 알아보고자 한다. 이를 위해 우리나라 인근 해역 에 있는 8개 부이자료와 근처 AWS 자료를 이용하여 2016년 폭염이었던 8월 한 달간의 수온과 기온의 변동성을 알아보 고, FIR 필터를 통해 수온과 기온의 주기성을 파악하여 기온 변화에 따른 수온의 반응시기를 알아보고자 한다. 이러한 연구는 향후 폭염으로 인한 이상 해황 발생시, 해역마다의 상이하게 다른 고수온의 반응에 대한 지연시간(time lag)을 파악함으로써 양식 생물의 대량폐사 최소화에 기여할 것으 로 사료된다.

2.자료 및 방법

폭염에 따른 수온의 변화를 조사하기 위해 2016년 8월 1 일 00시부터 8월 31일 23시까지 1시간 간격의 수온과 기온 자료 (총 744시간)를 분석하였다. 수온의 자료는 국립수산과 학원에서 운용하고 있는 실시간 수온 관측 시스템(Real-time Information System for Aquaculture Environment, RISA)를 이용하 여 총 8개 부이(동해 2개소, 남해 2개소, 서해 4개소) 자료를 분석하였다. 기온 자료는 기상청에서 운용하고 있는 자동기 상관측장비(Automatic Weather System, AWS)를 통해 실시간 수온관측 부이의 인근 관측소를 선정하여 8개 지점 기온 자 료를 분석하였다. Table 1은 RISA와 AWS 자료 지점 정보이 다. RISA의 경우, 남해지역의 남해강진과 여수신월, 서해지 역의 보령효자도, 서산지곡, 목포, 진도회동, 동해지역의 삼 척과 강릉 부이자료를 사용하였다. AWS 지점의 경우, 수온 관측지점에서 가장 인접한 AWS 위치를 찾아 수온-기온 비 교 분석 하였다. 남해지역은 삼천포와 돌산, 서해지역은 대 천항, 대산, 압해도, 수유, 동해지역은 삼척과 강문 자료를 사용하였다. 각 지점별로의 code는 국립수산과학원과 기상 청에서 부여한 명칭으로 쓰여졌다. Fig. 1은 지도상의 관측지 점들을 지점별로 표시하였으며, ○표시는 RISA 부이 지점이 고, ☆표시는 AWS 지점이다. RISA 부이는 해양환경 특성상 통신망 불량, 수온센서 고장, 기상재해 등의 파손으로 인해 각 지점별로 8월 한 달 동안 10시간 내외의 자료값이 결측 되어있다. 그러나 이는 연속적인 수온값의 결측이 아니기 때문에 시간에 따른 수온변화의 주기성을 파악하기에는 적 합하다고 판단된다. 결측 구간의 자료는 내삽법(interpolation) 을 이용하여 보완(filling) 하였다. 결측 구간까지 보완된 기온 과 수온 자료는 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response, FIR) 필터를 통해 주기성을 파악하였다. FIR 필터는 시간영 역에서 파악하기 어려운 자료의 특성들을 주파수영역으로 변환하여 쉽게 해석할 수 있다는 장점을 활용하여 저역 통 과 필터(Low Pass Filter, LPF)를 통해 낮은 주파수 영역을 통 과시키고 높은 주파수 영역을 차단하였다. 기온에 미치는 일변화의 영향과 수온에 미치는 조석 차에 대한 주기 성분 을 제거하기 위해 25시간의 LPF 하였으며, 이를 통해 8월 한 달간의 기온과 수온의 적절한 주기성을 찾았다. 고수온에 대한 기준은 2017년 6월 해양수산부에서 발표한 28℃ 로 정 하였으나, 해역마다 지형적·환경적인 요인이나 바다의 비열 차로 인해 오차 범위(± 2℃)를 두고 분석하였다. 또한 각 해 역별로 기온 변화에 따른 수온의 반응을 파악하기 위해 상 호상관분석(cross correlation analysis)를 하여 해역별로 상이한 지연시간(time lag)를 알아보았다.

3.분석 결과

3.1.2016년 8월 폭염 원인 및 수온 영향

2016년 7월 후반부터 시작된 고온 현상은 8월 후반까지 이어졌다. 일본 동쪽에서 남북방향으로 크게 발달한 북태평 양고기압의 영향으로 기압계 흐름이 정체된 가운데 중국 대 륙에 위치한 고기압으로부터 가열된 공기가 우리나라 상공 으로 지속적으로 유입되어 강한 일사로 인한 지면 가열이 더해지면서 기온이 큰 폭으로 올라 폭염이 지속되었다. 전 국적으로 8월 평균기온이 26.7℃ 이상을 기록하였으며, 특히 내륙을 중심으로 ℃ 35 내외의 폭염과 열대야가 이어져 평년 대비 1.6℃ 높게 나타났다(Fig. 2 (a)). 기온이 상승함에 따라 수온도 급격히 올라가 2016년 8월 한반도 인근 해역의 평균 수온이 28℃ 이상을 기록하는 등 기온 상승에 따른 고수온 현상을 보였다(Fig. 2 (b)). 이에 따라 우리나라 주변해역의 8 월 수온이 평년에 비해 대부분 해역에서 2 ~ 4℃ 높은 경향 을 보였다. Table 2는 실제 RISA와 AWS에서 관측된 수온 (Surface Sea Temperature, SST)과 기온(Air Temperature, AT) 자 료의 기본적인 통계정보이다. 2016년 8월 1일부터 31일까지 744개의 자료를 이용하여 8개 지점의 AT 자료를 분석해 본 결과, 동해는 25℃ 정도의 평균기온을 보였고 남해와 서해 는 대부분 27℃ 가 넘는 평균 기온을 보였다. 최대 기온값은 관측지점 전역에서 30℃ 이상의 고온을 나타냈다. SST의 경 우, 동해를 제외하고 평균수온이 24℃ 이상이었으며, 최대 수온은 남해지역인 eng5c에서 30.9℃ 이 관측되었다. 동해는 수온 편차가 10℃ 이상 차이가 났으나 남해와 서해는 대부 분 5℃ 안팎이었다. AT와 SST의 표준편차는 평균값에서 흩 어져 있지 않고 평균 근처에 모여 있음을 수치(< 3.1, < 2.0) 로 보여주었다. 2016년 8월 AT과 SST 간의 상관분석에서는 남해와 서해가 0.5 ~ 0.7 사이의 다소 높은 상관 값을 보였고, 동해는 음(-)의 상관 값을 보여 AT와 SST 간의 상관성이 없 음을 나타냈다(Fig. 3).

3.2.2016년 8월 기온과 수온의 변동 및 상관성 분석

Fig. 4은 8월 한달 간 8개 지점에서 시간변화에 따른 AT와 SST 실제 관측 자료를 나타낸다. 8개 AWS 지점의 AT 경우, 8월 1일부터 대략 25℃ 이상의 기온이 지속되다가 26일 이 후 급격히 떨어졌고 SST의 경우는 각 해역별로 차이는 있었 으나 동해를 제외하고는 26일 이후 수온은 완만하게 낮아지 는 경향을 보였다. 관측자료에서 보는바와 같이, AT와 SST 는 일교차와 조류 및 일변화로 인해 자료의 주기성과 변동 성을 파악할 수 없어 기온에 따른 수온의 반응을 해석하기 어렵다. 본 연구에서는 AT과 SST의 변동성을 파악하고 적절 한 주기성을 알아보고자 FIR filter를 이용하여 Low Pass Flter 로 25시간 이상의 일교차와 조석 영향의 주기 성분을 제거함 으로써 AT와 SST의 단조로운 주기성을 찾아 냈다. Fig. 5은 원시자료를 이용하여 FIR filter를 통해 얻어진 AT와 SST 자 료 값이다. 일교차와 조석 영향을 제거한 후의 AT와 SST 자 료들은 시간에 따른 주기성이 뚜렷하게 나타났다. km001-786 의 경우, 8월 12일 5시 AT는 30℃ 이상 SST는 28℃ 이상의 고온을 보였고 8월 16일 5시를 기점으로 AT는 28℃ 이하로 하강 혹은 유지를 한 반면, SST는 28 이상의 지속적인 높 은 수온을 나타냈다. 폭염이 끝난 8월 26일부터 AT가 급격히 떨어졌으며 SST 역시 8월 27일 9시부터 28℃ 이하의 수온값 을 보였다. eng5c-907는 AT가 8월 8일 12시 28.7℃ 의 최고기 온을 나타낸 이후 8월 9일 5시부터 8월 27일 13시까지 28℃ 이상의 고수온이 유지하였다. 서해의 경우, br001-657 지점 역시 폭염이 지속되었던 기간 중 8월 11일 15시부터 8월 17 일 20시까지 고수온 양상을 보였으나, br001-657 지점을 제외 한 3 지점에서는 28℃ 이상의 SST가 나타나지 않았다. 그러 나 8월 한 달간 25℃ 이상의 수온을 지속적으로 유지시켰다.

관측지점이 비슷한 위치인 sj086-606과 br001-657이 AT나 SST의 주기성이 비슷하게 나타났으나, SST의 최고값을 보인 시기는 sj086-606이 2 ~ 3일 정도 빨리 나타났다. 동해 지점인 emp67-789과 fjh5a-772 역시 AT와 SST가 유사한 패턴의 주기 성을 보였으며 30℃ 이상 지속적인 AT가 나타나진 않았지만 평균 27 ~ 28℃ 의 고온을 보였다. 이 두 지점도 8월 26일 이 후 AT가 급격히 하강하였으나 SST 수온변화 폭은 fjh5a-772 이 1℃ 미만인 것에 비해 emp67-789이 3 ~ 4℃ 정도의 차이 를 보였다.

3.3.폭염에 따른 수온 상승 반응 시간 고찰

상호상관 분석은 서로 다른 두 개의 자료 사이에서 주기 성을 찾기 위한 방법으로써 자료간의 상관성을 정량적으로 나타낼 수 있다. 또한 상호상관은 두 자료 사이의 지연시간 (time lag)을 결정할 수 있어 시간흐름에 따른 AT의 변화가 SST에 미치는 지연시간을 파악할 수 있다. 본 연구에서는 기온변화에 따른 수온 반응에 대한 적절한 시간지연을 찾고 자 상호상관분석(cross correlation analysis)을 하였다. 분석의 전처리 단계인 FIR 필터를 거친 후, 재생산된 AT과 SST의 8 월 자료를 이용하여 상호상관 분석을 실시하였다. Fig. 6는 AT의 변화에 따른 SST 반응 시간에 대한 상호상관 그래프 이고, Table 3은 AT와SST간의 시간지연에 따른 상관계수 표 이다. 남해의 경우, 두 지점(km001-786, eng5c-907) 상관계수 가 0.72와 0.80으로 높은 상관성을 보였고, 기온변화에 따라 수온에 미치는 시간이 대략 이틀(약 50시간) 정도로 분석되 었으며, Fig. 6에서 보는바 같이 시간지연에 따른 상관계수 그래프의 상관성이 두 지점 모두 유사한 형태를 나타냈다. 동해(bgna3-524, bsc87-876)는 음(-)의 상관값을 보여 상관성이 거의 없음을 나타났으며 그래프에서의 보이는 상호상관성 도 불규칙하였다. 4개 지점(sj086-606, br001-657, emp67-789, fjh5a-772)을 분석한 서해의 경우는 0.55에서 0.68 사이의 비 교적 높은 상관성을 가졌으며 emp67-789 지점을 제외한 나 머지 세 지점에서 AT변화에 따른 SST의 지연시간이 약 12시 간 정도로 계산되어졌다. emp67-789와 fjh5a-772은 위치가 근 접해 있으면서도 지연시간이 3배 정도 차이가 났다.

4.결론 및 고찰

본 연구에서는 2016년 8월 전례 없는 폭염에 대하여 해역 별로 기온변화에 따른 수온의 반응을 살펴보고 기온과 수온 의 상호상관분석을 통해 지연시간을 분석하였다. 한반도상의 서해, 남해, 동해는 지형적인 특성과 해양환경적인 영향이 다 르기 때문에 기온상승에 따른 수온의 반응이 해역마다 차이 를 보이며 지연시간이 나타났다. 남해 2 (km001-786, eng5c-907) 지점은 유사한 AT와 SST의 통계값을 보였고 28℃ 이상의 고수온 시기도 유사하게 나타났으며 시간에 따른 AT와 SST 의 그래프의 주기성도 비슷한 결과를 보였다. 분석된 8개의 지점 중 남해 2 지점이 AT-SST의 상호상관계수가 0.72 ~ 0.80 으로 가장 높은 상관성을 보였으며 지연 시간은 약 50시간으 로 나타났다. 서해 4 (sj086-606, br001-657, emp67-789, fjh5a-772) 지점에서의 평균 기온이나 평균수온이 2℃ 정도 차이가 났 고, 지점별로 최고·최저의 기온과 수온 값도 약간의 차이를 보였다. 서로 인접한 관측 지점 끼리 유사한 형태의 기온과 수온의 시계열적 변화를 해석할 수 있었으며 다만 SST의 최 고값을 보인 시기는 sj086-606이 br001-657 지점에 비해 2 ~ 3 일 정도 빨리 나타났다. 상호상관분석에서는 상관계수가 4 지점에서 0.55 ~ 0.68 사이의 상관성을 보였으나, 지연시간은 emp67-789 지점을 제외한 3 지점에서 약 12시간으로 계산되 어졌다. 서해 3 (sj086-606, br001-657, fjh5a-772) 지점에서 설치 된 수온 센서 수심은 약 5 m이고, 계류방식이 양식장 거치식 으로 설치되어 있는 반면, emp67-789 지점은 수온 센서 수심 이 약 8 m이고, 계류방식이 접안시설 거치식으로 설치 되어 있어 기온변화에 대한 수온 반응의 지연시간이 다른 3 지점 에 비해 2 ~ 3배인 약 50시간 정도로 지연되었다고 추측된다. 추후 emp67-789 지점과 유사하게 설치된 부이의 수온자료를 찾아 비교해 보고 지형적·해양환경적인 특성 분석에 대하여 추가 연구 할 예정이다.

또한 서해연안은 수심이 얕고, 폐쇄성 내만에 따른 해수 유 통이 원활하지 않아 남해연안보다 기온의 변화에 따른 수온 이 더 빠른 반응을 보인다고 분석되어진다. 동해 2 (bgna3-524, bsc87-876) 지점에서는 동해연안의 깊은 수심의 차가운 SST 가 폭염으로 인한 높은 AT 반응에 큰 변화를 보이지 않았으 며 8월 한 달간 고수온이 보였던 기간은 없었다. 동해는 전 처리 과정으로 필터를 하였음에도 불구하고 서해나 남해에 비해 수온의 변화 폭이 컸고 서해나 남해에 비해 평균 수온 이 낮게 관측되었다. 또한, 동해 연안은 8월 연안용승에 따 른 냉수대 출현 등 바람 패턴과 관련되어 수온이 변화하는 영향이 큰 것으로 판단된다.

결론적으로 남해 연안은 폭염이 발생한 후 약 2일 후에 수온의 급상승이 예상되는 반면, 서해 연안은 12시간 내외의 빠른 시간에 수온이 반응하는 경향을 나타내어 폭염 발생에 따라 신속한 수온 정보 제공이 매우 중요한 것으로 판단된 다.

본 연구를 통해 각 해역별로의 기온에 대한 수온의 반응 을 해석할 수 있었으며, 해역별로 상이한 지연시간을 분석 할 수 있었다. 향후 공간분포인 격자 자료를 이용하여 해역 별로의 면적에 대한 시간 지연 분석에 관한 연구와 추후 더 많은 해역지점들을 조사하여 폭염이 발생 한 후 수온의 급 격한 상승 시기를 파악함으로써 양식생물들의 피해를 최소 화하는데 기여해야 할 것이다. 또한 이러한 해역지점간의 자료들을 통해 장기간 자료를 도출함으로써 현업에서 폭염 에 따른 수온상승에 대한 신속한 대응 체계가 마련될 수 있 을 것이라고 기대한다.