Numerical study on evolution of the Yellow Sea Warm Current and its contribution to nitrate flux

Abstract

The Yellow Sea (YS) is a shallow, semi-enclosed marginal sea surrounded by China and the Korean Peninsula. A deep trough is located in the central YS. The northwesterly wind drives the Yellow Sea Warm Current (YSWC) flows into the YS along the deep trough and two southward coastal currents occurs along the Chinese and Korean coasts in winter. Previous observations have shown that the path of the YSWC has shifted to the west from the deep trough one or two days after northerly wind bursts. However, exact evolution process of the YSWC remains unclear. Model results in this study suggested that the YSWC occurs along the deep trough one day after the wind burst. It shifts to the west of the trough two days later, which phenomenon is generally referred to as the westward shift of the YSWC. Previous studies have proposed a possibility that the westward shift can be driven by continental shelf waves (CSWs). Idealized models were performed to figure out the relationship between CSWs and the westward shift, and generation mechanism of the CSWs driving the shift. The westward shift appeared from the north to south with the propagation of sea surface height at a speed of 3 m/s that was consistent with the phase speed of the first mode CSW. CSWs driving the westward shift were generated on the northern slope primarily by scattering of barotropic Kelvin waves that developed due to northerly wind and propagated poleward into the YS along the eastern boundary off Korea. The YSWC plays an important role in the ecosystem of the YS, because it provides an external water mass in winter. A physical-biogeochemical coupled model and several sensitivity experiments were performed to reveal the role of the YSWC in nitrate (NO3) budget of the YS and quantify contributions of external sources and biological process to NO3 in the YS. Multiple sensitivity experiments revealed quantitative contribution of NO3 from the Changjiang River, Kuroshio Current (KC), run-off in the YS, and Taiwan Warm Current (TWC). 51 percent of total NO3 in the YS was estimated from the Changjiang River and 25 percent from the KC and rivers in the YS, respectively. The TWC contributed 8 percent. Change by nitrification process due to the biological activity was estimated less than 1 percent of the total NO3 in the YS. The estimation of NO3 flux into the YS suggested that 20 percent of total mass NO3 in the YS was supplied by the YSWC during winter. Relative NO3 contributions of the Changjiang River, KC, and TWC through the YSWC to the total inflow to the YS were 64, 29, and 10 percent, respectively.

황해는 한반도와 중국 사이에 존재하는 반폐쇄성 해역이며 해역 중앙에는 수심 90 m 이상의 깊은 골이 존재한다. 겨울철 황해에 나타나는 주요 해류는, 북서계절풍으로 인해 중국 및 한국 연안에는 남향하는 흐름이 존재하며 깊은 골에는 바람의 반대 방향으로 북향하는 황해 난류가 나타난다. 관측을 통해 황해 난류의 경로는 황해 내부 깊은 골의 서쪽으로 치우쳐져 있고 바람이 분 뒤 하루나 이틀 뒤 강해진다고 보고되었으나, 형성과정에 대해선 자세히 보고된 바가 없다. 본 연구의 모델 수행 결과, 겨울철 황해에는 평균적으로 시계방향의 순환이 발생하였으며, 시간지연 상관관계 분석 결과, 황해 난류는 바람이 분 하루 뒤 깊은 골에 출현하였으며 이틀 뒤 골의 서쪽으로 편향되는 것으로 나타났다. 선행연구는 황해 난류의 서쪽 편향 현상이 대륙붕파에 의해 발생 할 수 있다고 주장하고 있다. 지형을 간소화한 모델을 통해 황해 난류의 서쪽 편향 현상과 편향 현상의 주 요인인 대륙붕파의 역할 및 형성 기작에 대해 연구하였다. 본 연구 결과, 황해 난류의 서쪽 편향 현상은 대륙붕파의 전파와 함께 발생하였으며 편향 현상의 전파 속도는 2.99 m/s 로 대륙붕파의 1번 모드 전파 속도와 일치하였다. 대륙붕파는 바람에 의해 경사가 있는 지역에서 발생할 수 있지만, 편향 현상을 주도하는 대륙붕파는 겨울철 북풍으로 인해 발생하는 캘빈 파가 황해의 북쪽 사면에서 산란 되면서 발생하는 것으로 나타났다. 황해 난류는 외부의 수괴를 황해 내부로 유입시키기 때문에 황해 생태계에도 중요한 역할을 한다. 물리-생지화학 접합 모델을 통해 황해 난류로 인한 질산염 유입량을 연구하였으며, 외부 유입원 및 질화 작용을 통한 생물학적인 공급량을 정량화 하였다. 관측 자료를 통해 황해 주변에 질산염 농도가 높은 수괴를 살펴본 결과, 황해 내부의 황해저층냉수와 쿠로시오 해류가 기원인 대한해협 중층수의 질산염 농도가 높았다. 민감도 실험을 통해 양자강, 쿠로시오 해류, 대만 난류, 황해 내부 강들의 효과, 그리고 질화 작용의 기여도를 각각 산정하였다. 황해 질산염의 51%가 양자강 기원이었으며, 쿠로시오 해류 그리고 황해 내부 강들이 전체 질산염의 약 25%씩 차지하고 있었고 대만난류로부터 기인한 질산염은 전체의 5% 정도로 적은 양이 유입되는 것을 알 수 있었다. 질화 작용을 통한 유입은 1% 아래로 낮게 나타났으며, 이는 황해에 존재하는 질산염은 생물학적인 공급보다 해류들로 인해 외부로부터 유입되는 것임을 의미한다. 각 기원의 공간적인 기여도를 살펴본 결과, 양자강 기원 질산염은 황해 중앙부 및 서쪽에서 기여도가 높게 나타났으며, 쿠로시오 해류 기원 질산염은 황해 중앙부에 존재하는 질산염에 부차적인 기여를 하는 것으로 나타났다. 황해 내부 강물에 의한 질산염 유입은 황해 동쪽 연안과 산둥반도 주변 연안에 국한되어 영향을 주었다. 황해 난류로 인해 유입되는 질산염 양은 0.137 Tg N 로 겨울철 황해 내부 평균 질산염 질량의 약 20% 정도가 황해 난류로 인해 유입되는 것으로 나타났다. 황해 난류로 인해 유입되는 질산염 중 양자강, 쿠로시오 해류, 대만난류 기원을 정량화한 결과, 각각 64%, 29%, 그리고 10%를 차지하고 있음을 알 수 있었다.