1. 서 론

한국의 동해, 서해 및 남해안은 지형적인 특성에 따라 서 로 다른 해양환경특성이 나타난다. 동해는 동한난류와 북한 한류가 교차하며(Kim and Kim, 1983), 그로 인해 어장형성에 유리한 것이 특징이다. 서해안은 평균수심이 약 44 m로 얕으 나, 조차는 가장 큰 곳이 9 m 이상으로 크기 때문에 뻘 조간 대가 발달되어 있다. 뻘 조간대는 육상의 유기물 공급으로 인해 해양생물의 서식처로 쓰이기도 한다. 한편 반폐쇄성 내만들이 형성되어 있는 남해안은 육지로부터 유기물이 공 급되어 내만의 생물생산도 활발하다(Hue et al., 2000). 또한 생물체들이 서식하기 좋은 환경이기 때문에 연안을 중심으 로 양식이 활발하게 이루어지고 있다. 이와 같이 서로 다른 해역 특성으로 인하여 해양생물은 다양하게 분포하지만 먹 이섭취와 성장 및 대사율은 수온, 염분 등의 해양 환경에 따 라 다양한 반응을 보인다(Bayne et al., 1985).

한편 우리나라의 표층수온은 1900년대 중반 이후부터 꾸 준히 상승하였다(Min and Kim, 2006;Seong et al., 2010;Kim et al., 2011). 1990년대 중반이후 근해의 주요어장에서는 뚜렷한 고수온 현상이 나타났다(Suh et al., 2003). 해양생태계는 수온 의 변화에 직접적인 영향을 받을 수 있다(Zhang et al., 2000). 특히 양식이 발달한 남해안은 양식 생물이 고수온에 의해 대량폐사하기도 한다(Na et al., 1991;Choi et al., 2009;Kim et al., 2009). 수온의 상승은 한류성 어종과 난류성 어종을 북상 하여 어장의 변화를 일으킨다(Oh et al., 2011). 또한 해면고도 상승률과 표층수온 상승률의 시간에 따른 변화 패턴이 일정 하여 표층수온의 상승은 해면고도 증가에 기여한다(Oh et al., 2012). 표층수온 상승에 따른 해면고도를 증가는 연안역 침 수 등의 해양 재해를 불러올 수 있다. 이와 같이 수온의 상 승은 해양 생태계에 많은 영향을 주기 때문에 수온을 변화 시키는 환경요인을 파악하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

수온의 장기적인 변화(10년 이상)에 대한 연구에 대해 Min and Kim(2006), Lee et al.(2007), Seong et al.(2010)이 수행하였 다. 이들은 장기적인 수온 분포는 기상인자, 해류 등의 영향 을 받는다고 하였다. 그러나 한국 연안역에서 나타나는 조 석과 같은 반일주조 주기의 단기적 영향에 대한 수온의 변 화를 분석한 연구는 미비한 실정이다. 또한 공간적으로도 일부 지역에 한정되어 있어 한국 연안에서 수온의 변화 양 상을 파악하는 데에 어려움이 있다.

따라서 본 연구에서는 한국 동해, 서해 및 남해안을 대상 으로 하계 수온변화를 일으키는 해양환경 요소를 파악하고 스펙트럼 분석을 통해 그 상관성에 대해 연구하였다.

2. 자료 및 방법

2.1 해양환경 자료

본 연구에서는 국립해양조사원에서 제공하는 2016년 8월 수온, 기온, 그리고 조위 시계열자료를 이용하였다. 관측 자료 정점은 조위관측소가 위치한 동해의 3개 정점(묵호, 포항, 울 산), 서해의 4개 정점(인천, 평택, 군산, 목포), 남해의 6개 정 점(완도, 고흥, 여수, 통영, 마산, 부산)으로 선정하였다(Fig. 1). 각 정점에서 수집된 자료들의 시간 간격은 30분 간격으로 처 리하였으며, 수집 자료 중 결측 된 부분이 있으나 그 기간이 2시간 내외로 짧기 때문에 선형 내삽을 통하여 수행하였다.

본 연구와 같이 관측자료의 주기성을 이용하는 스펙트럼 분석에서 태풍 및 냉수대 발생과 같은 이벤트 현상은 연구 결과에 오차를 가져올 수 있다. 일반적으로 하계 한국 연안 에서는 빈번한 태풍의 내입과 냉수대 발생 등의 영향으로 해황 이 복잡하여 그 특성에 따라 수온 변화가 크게 나타난다. 그러 나 2016년 8월의 경우 한반도 주변에서 태풍과 같은 해양성 재해가 발생하지 않았다. 또한 일시적으로 급격한 수온변화 를 일으키는 냉수대 출현 및 저수온 현상이 나타나지 않았 다. 따라서 본 연구에서는 2016년 8월 관측자료를 수집 이용 하였다.

2.2 상관성 분석

현장관측을 통하여 얻은 시계열 자료로는 주기성을 찾기 가 어렵다. 그러나 시계열 자료를 시간 영역이 아닌 주파수 영역에서 분석한다면 수온의 주기와 변화 요인을 쉽게 파악 할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 수온 변화를 일으 키는 환경 요인을 파악하기 위하여 FFT(Fast Fourier Transform) 을 이용한 power spectrum과 coherence 추정 방법을 사용하였 다. Fourier 변환을 통해 나타난 주파수 영역은 시간상 시계 열이 가진 주기와 크기에 대한 spectrum 분석을 용이하게 해 준다(Vinay and John, 1999).

우선 어떤 시각의 관측치 X_n와 시간간격 τ ( = n Δ t ) 만큼 떨 어진 관측치 X_n+τ 사이의 관계가 어느 정도 있는지를 알기 위하여 자기상관함수(Auto-correlation Function)를 계산한다(Cho et al., 2005).

여기서 R_X(τ)는 우함수이고, τ = 0에서 최대치를 갖는다. 자기상관함수를 Fourier 변환하여 주파수영역으로 나타낸 것 을 power spectrum 밀도함수 S_X(f)라 한다.

여기서 M은 최대 자료 수, Δt는 자료샘플링 간격, f = 1/T, T 는 주기이다.

Coherence 함수(Emery and Thomson, 1998)는 주파수 영역 에서 두 변수간의 상관계수를 나타내는 함수로, Fourier 변환 에 의해서 구할 수 있으며 다음 식(3)과 같다.

여기서 S_X (f), S_Y (f)는 x와 y지점에 대한 power spectrum 밀도이며, S_XY (f)는 cross spectrum밀도이다. Cross spectrum 밀도는 시간영역의 두 변수 x, y의 상호상관함수를 Fourier 변환하여 주파수영역으로 변환한 것이며, 계산방법은 power spectrum 밀도와 동일하다.

3. 결과 및 고찰

3.1 수온, 기온 및 조위의 주기성

Fig. 2는 동해, 서해 및 남해안 관측정점에서의 power spectrum 결과를 나타낸 것이다. 조위의 power spectrum 결과 를 보면, 동해북쪽의 묵호와 포항 에서는 일주기와 반일주 기에서의 에너지밀도 peak 값의 차이가 작은 반면에 동해의 울산, 남해와 서해 모든 관측정점에서는 일주기보다 반일주 기에서 에너지밀도 가 약 10² 배 더 높은 peak를 보인다. 이 는 남해와 서해는 반일주조가 우세한 해역임을 나타낸다. 기온은 동해, 서해 그리고 남해안 모두 하루를 주기로 상승 과 하강을 반복하기 때문에 일주기인 약 24 hr 주기에서 peak 를 보였다.

수온의 power spectrum 결과를 보면, 동해에서 수온은 주기 성을 가지고 변화하지 않기 때문에 유의한 peak가 나타나지 지 않았다. 동해는 서해와 남해안에 비해 연안의 수심이 급 격히 깊어지고 조차가 작기 때문에 나타나는 결과로 보인 다. 그러나 서해안의 4개 정점(목포, 군산, 평택, 인천)과 남 해안의 4개 정점(완도, 고흥, 통영, 마산)에서는 반일주기에 서 뚜렷한 peak가 나타난다. 수온이 기온 변화에 의한 일주 기 변동 외에 반일주기에서 뚜렷한 peak를 보였다는 것은 반 일주기로 변화하는 조류의 영향을 받았기 때문인 것으로 판 단된다. 한편 여수의 수온은 상대적으로 약한 peak가 나타났 고, 부산에서는 뚜렷한 peak가 없으므로 동해와 마찬가지로 주기성이 없는 것으로 보인다.

한국 연안에서 수온의 단기적인 변화는 동해안과 남해의 부산을 제외하고 기온의 영향 외에 전반적으로 조석의 영향 을 크게 받는 것으로 나타났다.

3.2 수온과 조위의 상관성

수온에 대한 조석의 영향을 파악하기 위하여 수온과 조위와 의 상관성을 나타내는 coherence 분석결과를 Fig. 3에 나타내었 다. 동해안의 3개 정점(울산, 포항, 묵호)에서 일주기 및 반일주 기의 coherence 값은 0.60 이하로 수온은 조석과의 상관성이 낮 게 나타났다. 동해 연안은 북상하는 동한난류의 영향을 받고 (Kim and Kim, 1983), 대양과 유사하게 해류가 순환하기 때문에 조석의 영향이 작은 것으로 판단된다(Ichiye, 1984). 반면에 서해 에서는 수온과 조위가 반일주기에서 높은 상관성을 보인다. 서 해안 4개 정점(목포, 군산, 평택, 인천)에서 반일주기에서 수온 과 조위의 coherence 값은 각각 0.94, 0.78, 0.85 그리고 0.89로 동해의 반일주기의 coherence 값에 비해 높다. 그리고 남해안의 3개 정점(완도, 고흥, 통영) 또한 반일주기에서 수온과 조위의 coherence 값이 각각 0.96, 0.84 그리고 0.96 으로 수온과 조위의 높은 상관성이 높다. 특히 완도와 통영에서는 반일주기인 약 12hr 주기에서 상관성이 최대 0.96 이상으로 연구해역 중 가장 높게 나타났다. 한편 여수와 마산에서는 수온과 조위의 반일주 기 coherence가 각각 0.72와 0.78로 비교적 낮았다.

여수는 북쪽으로부터 4,897 km² 면적의 섬진강 담수가 광양 만을 거쳐 여수로 유입되는 특성이 있다(Lee, 2002). 그리고 마 산은 2008년 기준 약 756,000 ton의 담수가 매일 유입된다고 보 고되었다(MLTMA, 2009). 이러한 육상기원의 담수는 조석 주기 의 영향을 받지 않는 곳에서 해양으로 유입되며 해수에 비해 비열이 낮아 수온 변동 폭과 주기가 달라 연안역의 수온변동 주기에 영향을 줄 수 있다. 또한 마산의 경우 수온과 바람의 상 관성 분석결과에서는 일주기에서 0.84로 높게 나타났다(Fig. 4). 즉, 마산의 수온은 하루를 주기로 남북으로 부는 바람의 영향이 조석의 영향보다 큰 것으로 판단된다. 연구기간동안 마산의 수 온은 남풍이 불 때 상승하고 바람이 약해질 때 하강하는 패턴 을 보였다(Fig. 5). 부산의 수온은 동해와 마찬가지로 조위와 관련이 미약할 것으로 보인다. Miita and Ogawa(1984)는 대한 해협 서수도를 통과하여 동해로 흐르는 쓰시마난류의 수송량이 1.7 ~ 1.8 × 10⁶ m³/sec로 높다고 하였다.

서해와 남해는 조위가 상승하면 수온이 낮아지고, 반대로 조 위가 하강하면 수온이 높아지는 패턴을 보인다. 이는 수심이 얕 아 수온이 쉽게 높아지는 연안역으로 수온이 낮은 외해수가 유 입되기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 7의 여수의 수온 시계열 에서 수온 변동 없이 일정히 유지되는 기간이 빈번하여 조위와 수온의 상관성이 남해 타 해역에 비해 비교적 낮게 나타난 것 으로 보인다. 특히 마산의 수온은 조석보다 바람의 영향이 크 며, 담수 또한 마산의 수온 변화에 기여할 것이라 판단된다. 그 리고 부산의 수온은 대한해협을 통과하는 쓰시마난류의 영향을 받는 것으로 사료된다.

Table 1은 조위자료를 이용하여 각 정점에서의 비조화상수를 나타낸 것이다. 서해와 남해에서 수온이 조석의 영향을 받는 것 은 동해에 비해 조차가 매우 크기 때문인 것으로 보인다. 동해 의 평균조차는 모두 30 cm를 넘지 않았지만, 서해와 남해의 평 균조차는 수온과 조위의 상관성이 거의 없는 부산을 제외하고 100 cm 이상으로 나타났다.

3.3 수온의 변동 특성

서해와 남해의 수온과 수온의 단기적 변화에 영향을 주는 조 석을 비교하기 위하여 수온과 조위의 시계열 그래프를 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. 수온과 조위는 1일 2회의 상승과 하강을 반복하는 패턴을 보인다. 조위가 상승(하강)할 때 수온이 하강 (상승)한다. 이와 같은 조석 변화에 따른 수온의 변동은 가막만 과 거금수로에서의 수온 변화 연구결과와 일치한다(Lee et al., 1995;Choo et al., 1997). 또한 Choi et al.(2002)는 조석의 M₂ 분 조와 수온의 주기 성분을 분석한 결과, 여름철에는 낙조 시 수 온이 상승한다고 하였다. 따라서 서해와 남해의 수온은 창조 시 상대적으로 수온이 낮은 외해수가 유입되어 하강하고 낙조 시 빠져나가면서 상승하는 것으로 판단된다.

2016년 8월 서해에서 수온변화를 보면 1일부터 25일까지 수 온이 상승하다가 26일부터 급격히 하강한다. 동해의 수온변화는 8월 16일 전후로 최고수온을 기록하며 26일까지 높은 수온을 유 지한 후 하강하는 경향성을 보인다. 2016년 8월 기온은 서해의 경우 약 8월 26일까지 서서히 상승하고 26일 이후에 급하강한다 (Fig. 8a). 또한 남해의 경우에는 약 8월 15일 최고 기온을 기록 하고 26일 이후 기온이 급하강 한다(Fig. 8b). 2016년 8월 25일부 터 31일까지 전국이 흐리고 3일 이상 비가 내려 26일부터 기온 과 수온이 급감하였으며, 일주기 이상의 수온과 기온의 변화 패 턴이 유사하게 나타난 결과로 보아 일주기 이상의 수온변화는 조석효과보다는 기온의 영향을 받는 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 한국 연안에서 어떤 환경요인이 수온의 단기적 인 변화에 영향을 크게 주는지 알아보기 위하여 수온, 기온 및 조위자료를 이용하여 power spectrum 및 coherence 분석을 실시하였다.

동해안의 수온은 기온이나 조석보다는 동해안을 따라 흐 르는 해류의 영향을 크게 받는 것으로 판단된다. 반면에 평 균조차가 100 cm 이상인 서해와 남해 5개 정점(완도, 고흥, 여수, 통영, 마산)의 power spectrum 분석 결과에서는 수온과 조위가 동일한 주기에서 peak를 보였다.

Coherence 분석 결과, 서해안과 남해안의 3개 정점(완도, 고흥, 통영)에서 수온과 조위의 상관성이 높게 나타났다. 그 중 완도와 통영은 반일주기인 약 12 hr 주기에서 최대 0.96으 로 가장 높은 상관성을 보였다. 여수의 수온은 조석 외에도 섬진강 담수의 영향을 받는 것으로 보인다. 마산에서는 남 북방향의 바람과 수온의 상관성이 일주기에서 0.84로 높았 으며, 조석과 담수 또한 수온의 단기적인 변화에 영향을 주 는 것으로 판단된다. 남해의 정점 중 조차가 가장 작은 부산 에서의 수온은 대한해협을 통과하는 쓰시마난류의 영향을 받는 것으로 사료된다.

서해와 남해의 조차가 큰 해역에서 하계 수온은 창조 시 수온이 하강하고 낙조 시 수온이 상승하는 패턴이 나타났 다. 이는 창조 시 연안에 비해 상대적으로 수온이 낮은 외해 수가 강한 조류에 의해 유입되고 낙조 시 유출되기 때문인 것으로 판단된다.