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병현 장
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1 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

2 理學碩士學位請求論文 An estimation of vertical heat diffusion coefficient in the surface area near the Okinawa Island 2010 年 8 月仁荷大學校大學院海洋學科權寧沿

3 理學碩士學位請求論文 An estimation of vertical heat diffusion coefficient in the surface area near the Okinawa Island 2010 年 8 月指導敎授論文碩士學位論文提出仁荷大學校大學院海洋學科權寧沿

4 論文權寧沿碩士學位論文認定年 8 月主審副審委員

5 (ƙ) 2008년 9월 5일 ~7일까지 XBT SST(Sea Surface Temperature). ~ (ƙ) 1.0*10-4 ~5.0*10-4 m 2 /s,. (ƙ) 10-4 m 2 /s. - i -

6 Abstract Vertical heat diffusion coefficient(ƙ) near the sea surface around the Okinawa Island is estimated. In this study, seawater temperature data observed by KORDI (Korea Ocean Research and Development Institute) using the XBT(expendable bathythermograph) probe from 5 to 7 september, 2008, and long-term mean of insolation data obtained by Naha weather station, Japan Meteorological Agency from 1999 to 2008 were used. SST(Sea Surface Temperature) and diurnal cycle of solar radiation are relatively well correlated. When vertical heat diffusion coefficient(ƙ) is 1.0*10-4 ~5.0*10-4 m 2 /s near the sea surface of study area, time variation of total heat content, outflux of heat and influx of heat are nearly balanced to each other. Therefore, vertical heat diffusion coefficient(ƙ) is estimated at about 10-4 m 2 /s in the surface area near the Okinawa Island. - ii -

7 ⅰ Abstract ⅱ List of Tables ⅳ List of Figures ⅴ Ⅰ. 1 Ⅱ. 4 Ⅱ-1. 4 Ⅱ-2. 8 Ⅲ. 10 Ⅲ-1. SST 10 Ⅲ Ⅲ-3 21 Ⅳ. 23 Ⅴ iii -

8 List of Tables Table 1. Description of XBT; application, Maximum depth, ship speed and vertical resolution 5 Table 2. The type of XBT, for each station observation time and location 7 - iv -

9 List of Figures Fig. 1 Study area. Dotted lines denote boundaries between Yellow Sea, East China Sea and North Pacific. 3 Fig. 2 Station map of observation by KORDI. (a) 21 station observed from september 5 to 7 in 2008, (b) Detailed positions of 15 station observed around Okinawa. 6 Fig. 3 Vertical temperature profile of each station. (a) vertical temperature profile to 100m, (b) vertical temperature profile to 20m. 11 Fig. 4 Vertical temperature profile from surface to depth 2.5m. 12 Fig. 5 Temperature difference of seawater surface and depth 2.5m. Black line is temperature difference of raw data. Red line is moving averaged data. 13 Fig. 6 Time series of influx of heat and sea surface temperature(sst) 14 Fig. 7 Time series of influx of heat and heat content. 17 Fig. 8 Time variation of heat content and vertical temperature gradient ) v -

10 Fig. 9 Comparison between estimated and observed for various. 19 Fig. 10 Climatological seasonal mean spatial distributions of the net heat flux. Contour interval is vi -

11 Ⅰ. (Ryukyu Islands), 1,434km2, 108km, 3 26km. (East China Sea) (Pacific Ocean) (Fig. 1), (Sea Surface Temperature; SST), (Park et al, 2008). 시간동안에는상층에많은열이 trap되어급격히증가하고, 밤시간동안에는 surface cooling이일어나점차감소한다. 하루동안의해수면온도변화에관한기존연구사례를보면, L. Stramma and P. Cornillon(1986) 는일반적인해양에서 24시간동안약 0.5 의변화가일어남을밝혔다. Chelle L. Gentemann et al(2003) 은해수면온도변화는풍속과일사량에의해결정되고, 1.2m/s의풍속과 320W/m 2 에의일사량조건에서 1.5 의변화를보인다고했다. Toshiaki Shinoda(2005) 는 low wind speed condition에서해수면온도변화가보통은 1 정도이나, 3 를초과할때도있음을밝혔다. 과거해양에서의열류 (heat flux) 에관한시 공간적연구가많이진행되었다. 공간적으로는전지구적인열평형에관한연구 (KE Trenberth, A Solomon, 1994; Ohlmann, J.C and D.Siegel, 2000) 와태평양지역 (D Yuan, 2003; T.Shindoda, 2005) 과동아시아지역 (Ishii, T, and Kondo, 1987; Sakurai, M et al, 1989; Kim et al, 1994; Hirose, N et al, 1999; Kim and R. Kimura, 1999) 등의지역적인연구가이루어졌다. 시간적으로 - 1 -

12 는연주기 (JS Ellis,1978, JS Godfrey, RJ Hu, A Schiller, 2007) 의연구 와계절주기 (JR Moisan and PP Niiler, 1998, R Castro, MF Lavin, P Ripa, 1994) 등으로진행되었으며, 모델이나위성자료를이용한연구도진행되었다. 열교환에관계된수직열확산계수 (ƙ) 는해수면을통한열류의연속이라가정하여해수표면에서의연직수온경사와대기-해양간의열류를측정하여구할수있다 (Supic et al, 1997). Grbec and Morovic (1997) 는아드리해 (Adriatic Sea) 에서혼합이일어나는상층 10~20m의열확산계수는약 임을보였다. Hartmut Peters and Mirko Orlic(2005) 는수심 10~60m까지의열확산계수 (ƙ) 의범위가 로수심 10m에서부터점차감소하여수심약 40m에서최소임을밝혔다. 위의연구들은혼합층 (mixed layer) 에서의열확산계수 (ƙ) 를추정하였고, 혼합층상부에존재하는표막층 (Sea-surface Skin Layer,SSL) 에관한연구는거의이루어지지않았다. 따라서본연구에서는수온자료와기상자료를이용하여관측기간동안의시간에따른저열량의변화율 과열유입율 을계산하여열유출율 에관계된표층에서의수직열확산계수 (vertical heat diffusion coefficient;ƙ) 를추정하고자하였다

13 Fig. 1. Study area. Dotted lines denote boundaries between Yellow Sea, East China Sea and North Pacific

14 Ⅱ. Ⅱ-1. 본연구에사용된자료는 2008년 9월 5일부터 7일까지한국해양연구원 (Korea Ocean Research and Development Institute, KORDI) 에서 XBT (expendable bathythermograph) 를이용하여동중국해 (East China Sea) 해역에서정점별 1회관측한수온자료와일본기상청 (Japan Meteorological Agency, JMA) 의나하 (Naha) 관측소에서 1999년부터 2008년까지매시간관측한 10년평균된일사량자료를이용하였다. 관측에사용한 XBT는 1회성의소모용수심수온계로연직수온과음속을측정하는장치이다. 관측장비의정확도는 ±0.1 로, 선박이나항공기등에서이동중에도사용가능하다는장점을가지고있다. 실제관측에사용된 XBT는네종류로, 각각의특징은 Table. 1에나타냈다. Fig. 2의 (a) 는제주서남부에서부터오키나와주변해역까지관측한수온자료에대한 21개의정점의위치를나타냈고, Fig. 2의 (b) 는본연구에서사용한지역적으로가까운 15 나타냈다. 15개의각정점에서사용한장비의종류와관측점의좌표, 관측일자, 이동속도를 Table. 2에나타냈다. 관측당시의해황상태는 low wind condition이다. 나하기상관측소는오키나와현남서부북위 , 동경 에위치해있다. 나하기상관측소는 1891년부터기상관측을시작하였고, 일사량의관측은 1961년부터관측하였다. 일사량은운량의영향을많이받기때문에본연구에서는좀더정확한결과를얻고자 1999년부터 2008년까지 10년동안의평균된일사량자료를사용하였다

15 Table. 1 Description of type of XBT used and their application. Maximum depth, ship speed and vertical resolution are given. Type T-5 Application Deep ocean scientific & military application Maximum Rated ship Vertical depth speed resolution 1850 m 6 knot 65 cm T-6 Oceanographic application 460 m 15 knot 65 cm T-7 T-10 Increased depth for improved sonar prediction in ASW Commercial fisheries application 760 m 15 knot 65 cm 200 m 10 knot 65 cm - 5 -

16 (b) (a) Fig. 2 Station map of observation by KORDI. (a) 21 stations observed from september 5 to 7 in 2008, (b) Detailed positions of 15 stations observed around Okinawa

17 Table. 2 Type of XBT, observation time and location for each station. N St.1 St.2 St.3 St.4 St.5 St.6 St.7 St.8 St.9 St.10 St.11 St.12 St.13 St.14 St.15 XBT Probe Release Speed Model (Dep.) T-7 (760) T-6 (460) T-5 (1830) T-5 (1830) T-6 (460) T-5 (1830) T-5 (1830) T-5 (1830) T-5 (1830) T-5 (1830) T-5 (1830) T-5 (1830) T-10 (300) T-7 (760) T-7 (760) Date Time (local) 9/06 07:07 9/06 09:55 9/06 12:27 9/06 14:48 9/06 16:55 9/06 19:02 9/06 21:11 9/06 22:24 9/06 23:27 9/07 00:44 9/07 04:09 9/07 06:52 9/07 10:37 9/07 13:29 9/07 16:04 Location (Lat./Long.) N E N E N E N E N E N E N E N E N E N E N E N E N E N E N E (kt) 정지 정지 정지 정지 4.4 정지 정지

18 Ⅱ-2. 해양에들어오는열에너지는해수면을통한태양복사에너지와대양 저에서공급되는지열로분류할수있다. 그러나대양저를통해해양으로 전달되는열에너지는 1/20W/ m2정도로, 200W/ m2인표층에서평균적으로 받아들이는열에너지와비교하면아주작은양이다. 따라서거의모든경우 에있어해양에들어오는열에너지는전부해수면을통해들어오는것으로 가정할수있다 (Knauss,J.A, 1978). 표층해양에서의수직열확산계수 (ƙ) 를구하기위해수심 2.5m 층의 수온자료와일사량자료를이용하였다. 해수면에서수심 2.5m 층까지의저 열량은해수면과공기와의접촉면을통한열교환에의해서만결정되고수 심 2.5m 이하의해양과의열의교환은없다고가정하였다. 그리고수평방 향의이류 (advection) 또한없다고가정하였다. 표층해양에입사되는태양 복사에너지는해수면과공기와의접촉면을통과하는열의이동량과같다. 시간에따른저열량의변화는해수면을통해유입되는열과빠져나가는열 의차와같으므로식 (1) 과같이표현할수있다. (1) 여기서 는시간에따른저열량의변화율, F in 은해수면을통한열유입율, F out 은해수면을통한열방출율을나타낸다. 표층에서수심 2.5m층까지의저열량은열분포식에의해수심에따라온도를적분하여나타내면 (2) 이된다. 여기서 ρ 는해수의밀도 (density of seawater), Cp 는정압비열 (specific heat at constant pressure) 을나타낸다. 밀도와정압비열은각각 - 8 -

19 1025 kg / m3, 3850J/ kg 이고, 저열량 (Q) 의단위는 이다. 열은분자과정을통해운반되고, 분자들은유체속에서연속적으로 운동하며서로상호작용한다. 따라서표층에서유출되는열량은 (3) 이된다. 여기서 ƙ, 는수심에따른온도변화율 이다. 각각의단위는, / 이다. 는수심 0m 의수온과바로아 래층인 0.6m 의수온을이용하여구하였다. 은일본기상청의나하 (Naha) 기상관측소에서 1999 년부터 2008 년까지매시간관측한 10 년평 균된일사량값을이용하였다. 수온관측자료로부터식 (2) 에의해 을구하고일본기상청자료 를이용하여 울구한후식 (1) 로부터 를구한다. 여기서구한 과관측된 를식 (3) 에대입하여열확산계수 (ƙ) 를유추할수있다

20 Ⅲ. Ⅲ-1. SST 오키나와주변해역의수심은 1000m 이상이고, 수심약 40m 내외의혼합층 (mixed layer) 을가진다. 한국해양연구원에서 2008년 9월 5일부터 7일까지 XBT를이용하여관측한수온자료를수심 100m층까지의연직수온분포를 Fig.3의 (a) 에나타냈다. 표층에서의수온분포가일정하지않고, 일부는서로반대로나타났다. 이는해수면온도의변화가태양복사의변화에기인한것으로, 해수면온도변화를확인하기위해수심 20m까지의연직수온분포를시간에따라확대하여나타내면 Fig.3의 (b) 와같다. 현지시간 (local time) 상으로일출이후부터일몰동안의연직수온분포를빨간색실선으로나타냈고, 일몰이후부터일출까지의연직수온분포를파란색실선으로나타냈다. 태양으로부터해수면에열이유입되는낮시간에는해수면온도가높게나타나고, 열의유입이없는밤시간에는해수면의온도가낮게나타난다 (Paulson, C.A., and J.J. Simpson, 1977). 지역적으로가까운오키나와주변해역의 15개정점에대한수심 2.5m층까지의연직수온분포를보면, 낮시간동안의해수면온도는 로수심 2.5m층보다높게나타나고, 밤시간동안의해수면온도는 로수심 2.5m층의수온보다낮게나타난다 (Fig. 4). 9 월 6일부터 7일까지의해수면온도의변화는 로 1.0 의변화를보였다. Fig. 5는관측기간동안시간에따른표층 0m와수심 2.5m의수온차이를나타냈다. 빨간색실선은원자료 (raw data) 를이동평균 (moving average) 하여나타낸것으로, 표층과수심 2.5m의수온차이는 9시에서 15 시사이에 (+) 값을보이고, 그외는 (-) 값으로나타났다. 또한, 해수면온

21 (a) (b) Fig. 3 Vertical temperature profile at each station. (a) From surface to 100m, (b) From surface to 20m

22 Fig. 4 Vertical temperature profile from surface to depth 2.5m

23 Fig. 5 Temperature difference between surface and depth 2.5m. Black line denotes temperature differences obtained from raw data. Red line denotes those obtained form moving-averaged data

24 Fig.6 Time series of influx of heat and sea surface temperature(sst)

25 도변화는일사량과약간의시간차를두고유사한패턴을보인다 (Fig. 6). 따라서, 해수면온도 (SST) 변화는태양복사의일주기와높은관련 이있음을확인하였다

26 Ⅲ-2. (ƙ) 열유입율 은나하기상관측소에서 1999년부터 2008년까지 10 년동안 9월 6일부터 7일까지의매시간평균된일사량을이용하여 Fig 7에실선으로나타냈고저열량 (Q) 은식 (2) 로부터수심에따른온도적분하여점선으로나타냈다. 열유입율 은일출이후인 7시부터서서히증가하여남중시간인정오에최대를보이고, 이후점차감소하여일몰이후에최소가된다. 저열량 (Q) 은 15시전후를제외하고일사량과약간의시간차 (time lag) 를두고열유입율 의패턴과유사하게나타났다. 해수면으로입사되는열량이비교적많은 15시전후에저열량 (Q) 이낮게나타난이유는실제관측한해수면온도가매우낮게측정되었기때문이다. 이전관측과의해수면온도차이는 해수면온도가낮게측정된정확한원인은정확히알수없지만기계적인오차이기보다는그당시의기상상태의급격한변화나지역적영향등의외부환경요인에의한것이라추측된다. Fig. 8은식 (1) 과 (2) 에서구한시간에따른저열량의변화율 과수심에따른온도변화율 을나타냈다. 시간에따른저열량의변화율 은일사량이많은 12시에서 17시까지 (+) 로나타났고, 그외는 (-) 로나타났다. 수심에따른온도변화율 는대체적으로 (-) 로나타났고, 낮시간보다는밤시간의온도변화율이더크게나타났다. Fig. 9는식 (4) 에의해유추한수직열확산계수 (ƙ) 을이용하여저열량의변화율 과열유출율 의합을관측치로부터얻은계산된열유입율 과비교하였다. 열확산계수 (ƙ) 의값은,,, 를사용하였다. 시간에따른저열량 과열유출율 의합이매우낮게나타난 13시에서 15시사

27 Fig. 7 Time series of influx of heat and heat content

28 Fig. 8 Time variation of heat content and vertical temperature gradient )

29 Fig. 9 Comparison between estimated and observed for various

30 이를제외하고, 일출부터일몰동안. (ƙ)

31 Ⅲ-3. 위에서구한열확산계수 (ƙ) 값이 일때, 해수면을통한열유출율 은약 60~170. Fig. 10 net heat flux. 0, +100, (N. Hirose et al, 1999). 120, 60~

32 Fig. 10 Climatological seasonal mean spatial distributions of the net heat flux. Contour interval is

33 Ⅳ. 가을철오키나와주변해역에서의표층해양에서의수직열확산계수 (ƙ) 를알아보기위해한국해양연구원에서관측한수온자료와일본기상청의나하기상관측소에서관측한기상자료를이용하였다. 표층해양에서유출되는열량과관계된열확산계수 (ƙ) 를구하기위해수온자료는전체자료중 2008년 9월 6일 07시부터 7일 16시까지지역적으로가까운오키나와주변해역의 15개정점에대한수온자료를이용하였고, 기상자료는 1999년부터 2008년까지의매시간관측한 10년평균된일사량자료를이용하였다. 2008년 9월 6일부터 7일까지의연구기간동안하루최대해수면온도의일변화는약 1.0 정도로나타났다. 낮시간동안의해수면온도는수심 2.5m층보다높게나타났고, 밤시간동안에는낮게나타나해수면온도 (SST) 변화는태양복사의일주기 (diurnal cycle of solar radiation) 와관련이있음을확인하였다. 그리고시간에따른저열량의변화율, 해수면을통한열유입율 과열유출율 을이용하여수직열확산계수 (ƙ) 를구하였다. 이지역에서의수직열확산계수 (ƙ) 값이 1.0*10-4 ~5.0*10-4,.. (order) (advection). N. Hirose et al(1999) (Yellow Sea) (East China Sea),

34 ~170, XBT XBT (Kizu S and Hanawa K, 2002)

35 Ⅴ. 김영섭, Ryuji, Kimura, 동해의열평형에관한연구. 한국기상학 회지 35, No. 4. Castro, R., Lavin, M.F., Ripa, P, 1994: Seasonal heat balance in the Gulf of California. Geophys. Res. vol.99, no.c2, Grbec, B., and M. Morovic, 1997: Seasonal thermohaline fluctuations in the middle Adriatic Sea. II Nuovo Cimento, C20, Gentemann, C. L., C. J. Donlon, A. Stuart-Menteth, and F. J. Wentz, 2003: Diurnal signals in satellite sea surface temperature measurements. Geophys. Res. Lett., Hartmut, P., and Mirko O., 2005: Turbulent mixing in the springtime central Adriatic Sea. GEOFIZIKA, 22, Hirose, N., H.-C. Lee, and J.-H. Yoon, 1999: Surface heat flux in the East China Sea and the Yellow Sea, J. Phys. Oceanogr., 29, Ishii, T., and Kondo, 1987: Seasonal variation of the heat balance of the East China Sea (in Japaness). Tenki, 34, Kim, Y.S., Kim, M. K., and T. Shim, 1994: Seasonal variation of the heat budget and wind stress over the seas around the Korean peninsula. J.Korean Soc.Ocenogr.,29,

36 Kizu S., Hanawa K., 2002: Start-up transient of XBT measurement. Deep-Sea Research I, 49, Knauss,J.A., 1978 :Introduction to Physical Oceanography. Estados Unidos de América : Prenticehall. 309p. Moisan, J.R., and Niiler, P.P, 1997: The Seasonal Heat Budget of the North Pacific: Net Heat Flux and Heat Storage Rates( ). J.Phys.Oceanogr., 28, Ohlmann, J.C., and D.Siegel, 2000: Ocean Radiant Heating. Part 2 : Parameterizing Solar radiation transmission through the upper ocean. J.Phys.Oceanogr., 30, Park, K. A., F. Sakaida, and H. Kawamura, 2008: Oceanic Skin-Bulk Temperature Difference through the Comparison of Satellite Observed Sea Surface Temperature and Insitu Measurements. J. of the Korean Soc. of Remoe Sensing., 24, Paulson, C. A., and J. J. Simpson, 1977: Irradiance measurements in the upper ocean. J. Phys. Oceanogr.,7, Sakurai, M., A. Maeda, and T. Yamashiro, 1989 : Sea surface heat exchange and water budget in the Yellow Sea and East China Sea. Kaiyo Mon., 21, Shinoda, T., 2005: Impact of the diurnal cycle of solar radiation on intraseasonal SST variability in the western equatorial Pacific. J. Climate, 18:

37 Stramma, L., Cornillon, P., Weller, R. A., Price, J. F., and Briscoe, M. G., 1986: Large diurnal sea surface temperature variability: Satellite and in situ measurements. J. Phys. Oceanogr., 16: Supic, N., Orlic, M. and D. Degobbis (1997): Small-scale spatial variability of surface heat flux over the northern Adriatic. Period. Biol., 99, Trenberth, K. E. and A. Solomon, 1994: The global heat balance: Heat transport in the atmosphere and ocean. Climate Dyn, 10: Yuan, D. Rienecker, M.M, 2003: Inverse estimation of sea surface heat flux over the equatorial Pacific Ocean: Seasonal cycle, J. Geophys. Res., VOL. 108, 3247, 13 PP

38 감사의글 2년동안부족한저에게많은가르침을주시고학문을하는사람으로서의본보기가되어주셨던승영호교수님께먼저깊은감사를드립니다. 바쁜연구활동중에도제가석사과정을마칠수있도록많은도움을주신한국해양연구원의강석구박사님과논문이나오기까지세심한지도를해주신박용철교수님, 이관홍교수님께감사드립니다. 그리고해양학에관심을가질수있게해주신오재경교수님, 최중기교수님, 홍재상교수님, 한경남교수님, 우승범교수님께도감사드립니다. 대학원생활동안짧은시간이지만함께지내며많은도움을주었던진용이형, 유리에게도고마운마음을전합니다. 2년동안희로애락을함께한호준이, 혁만이, 종래, 성용이, 성태그리고힘들고어려울때언제나저에게용기를북돋아주고함께고민해주었던만조, 상우, 종근이, 형진이, 기웅이, 윤식이, 순철이, 민우에게고마운마음을전합니다. 또한학부 4년, 대학원 2년의생활을함께했던모든선배님과 99학번동기들그리고후배님들께감사의마음을전합니다. 항상무한한사랑으로뒷바라지해주시고학문의길을갈수있도록믿고아껴주신어머니, 뒤에서묵묵히응원해준큰형, 작은형, 형수, 누나, 매형그리고우리조카들에게이논문을바칩니다. 마지막으로항상제곁을지켜주고격려와응원을아끼지않은사랑하는소희에게고마운마음을전합니다.

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