Exchange flows and residence time in Gwangyang and Jinju Bays with contrasting topography

Abstract

Gwangyang and Jinju Bays, which are located in south coast of Korea, have different topographies. Gwangyang Bay is deep but Jinju Bay is shallow. The volume of Gwangyang Bay is 3.7 times that of Jinju Bay. Gwangyang Bay is connected to the open sea through the wide and deep Yeosu Channel. Jinju Bay is relatively isolated from the open sea due to narrow and shallow Changseon and Daebang Channels blocked by small islands. Two bays are interconnected by a narrow and deep Noryang Channel. Long-term current observations were taken in the narrow Noryang Channel during large discharge and small discharge periods. The residual mean flow in the channel over the observation period showed a baroclinic two-layer flow as in an estuary during the large discharge period, whereas barotropic flow was present during the small discharge period. During the large discharge period, the upper layer of water flowed continuously westward, whereas the lower layer flowed eastward. Hydrographic data observed along the channel showed that Gwangyang Bay water was relatively saline and denser during the large discharge period. This spatial difference in water density might be the result of a large inflow of discharge into Jinju Bay and relatively strong mixing between the water in Gwangyang Bay and the open sea. The salinity in the more isolated Jinju Bay was lower. Simple analytical model calculations showed that horizontal density difference during the large discharge period could drive the surface current flow westward, whereas that of the dense water of the lower layer in Gwangyang Bay flow eastward through the Noryang Channel. The two–layer flow in the Noryang Channel was simulated using the 3D numerical model. Sensitivity experiments to examine the contribution of the river discharges, wind, heat flux and tide on the formation of the two-layer flow were conducted. Model results suggest that the effect of the river discharge is dominant in the formation of the two-layer flow. The effects of wind and heat are relatively weak. The tide induces the vertical mixing, which causes the mean flow more complicated spatially. Residence time is an important parameter for evaluating the physical and biochemical characteristics of estuaries and bays. The residence times of two neighboring Gwangyang Bay and Jinju Bay, were calculated for winter and summer using a three-dimensional model. Gwangyang Bay with much industrial development, has a relatively large volume and is deep, whereas Jinju Bay which is primarily used for aquaculture, is shallow. River discharge in the two bays is high in summer and low in winter, in part due to the influence of the East Asian Monsoon. Temperature and salinity in both bays are vertically homogeneous during winter but stratified in summer. The mean residence time in Gwangyang Bay is more than 20 days in winter due to its large volume, but less than 5 days in summer due to increased gravitational circulation driven by large volumes of river discharge and a horizontal density gradient. However, the mean residence time of Jinju Bay is less than 5 days in both seasons due to its small volume and shallow depth. These results reveal that Gwangyang Bay is vulnerable to industrial pollution during winter, but that it may efficiently remove pollutants in summer. The shallower Jinju Bay is likely to remain free from the anthropogenic eutrophication caused by nutrient inputs from aquaculture due to its short residence time year-round.

한반도 남해안에 위치한 광양만과 진주만은 각각 전형적으로 수심이 깊고 얕은 만이다. 광양만의 전체 부피는 진주만보다 약 3.7배 크다. 광양만은 수심이 깊고 폭이 넓은 여수 수로를 통해 외해와 연결되고, 진주만은 폭이 좁고 수심이 얕은 창선 수로와 대방 수로를 통해 외해와 연결되어 있어서, 상대적으로 고립되어 있다. 이 두 만은 폭이 좁고 수심이 상대적으로 깊은 노량 수로를 통해 연결되어 있다. 두 만의 강 방류량은 동아시아 몬순으로 인해 여름에 많고, 겨울에 적다. 강 방류량이 많은 시기와 적은 시기 동안 폭이 좁은 노량수로에서 장기간 유속 관측이 이루어졌다. 관측 기간 동안 수로의 평균 잔차류는 강 방류량이 많은 기간 동안 경압성 2층 흐름을 보였으나, 강 방류량이 적은 기간에는 순압성 흐름이 존재했다. 강 방류량이 많은 기간 동안 표층의 물은 서쪽으로 계속 흘렀고, 저층은 동쪽으로 흘러 갔다. 수로를 따라 관측된 수온과 염분을 살펴보면, 광양만은 강 방류량이 많은 기간 동안 상대적으로 염분과 밀도가 높았다. 많은 양의 강 방류량이 진주만으로 유입되는 반면, 광양만은 외해와 비교적 강한 혼합으로 인해 두 만의 밀도 차이가 나타난 것으로 해석된다. 상대적으로 고립된 진주만의 염분은 더 낮았다. 간단한 해석 모델 계산에 따르면, 강 방류량이 많은 기간 동안 수평적인 밀도 경사가 표층에서 서쪽으로 향하는 흐름을 일으키는 반면, 광양만 저층의 고밀도 수괴는 노량수로를 통해 동쪽으로 흘렀다. 3차원 수치 모델을 사용하여 노량수로에서 관측된 경압성 2층 흐름을 정량적으로 평가했다. 강 방류량, 바람, 열속 그리고 조석을 조절하여 각 실험별로 모델을 수행하였다. 강 방류량의 효과는 노량 수로의 경압성 2층 흐름에 가장 큰 영향을 미치며 바람과 열의 영향은 미미하였다. 조석의 효과는 수직 혼합을 강하게 만들어 노량수로에서 흐름을 복잡하게 만들었다. 체류 시간은 하구나 만의 특성을 물리적, 생화학적 특성을 결정짓는데 중요한 역할을 한다. 3차원 수치 모델을 이용하여 상반된 지형을 갖는 광양만과 진주만의 체류 시간을 계산하였다. 광양만은 많은 산업 단지가 발달해 있고, 상대적으로 수심이 깊고, 부피가 크다. 반면, 진주만은 수심이 얕고, 양식 산업이 발달해 있다. 두 만의 수온과 염분은 겨울에 수직 혼합으로 수직적으로 일정하고, 여름에는 성층으로 인해 수직적으로 큰 차이를 보인다. 광양만의 평균 체류 시간은 큰 부피로 인해 겨울에 20일 이상이었고, 여름에는 많은 강 방류량과 수평적인 밀도 경사로 인해 중력 순환이 강해지면서 5일 이하로 계산되었다. 진주만의 체류 시간은 겨울과 여름 모두 5일 미만으로 짧았고, 이는 적은 부피와 얕은 수심 때문이다. 이러한 결과는 겨울철 광양만은 체류 시간이 길어 산업 단지로부터 유입되는 오염 물질에 취약하고, 상대적으로 진주만은 수심이 얕아 계절에 상관없이 양식으로 인한 인위적인 부영양화로부터 위험이 적다는 것을 보여준다.