Interannual Variability of Sea Level and Decadal Change of Meridional Overturning Circulation in the East Sea

Abstract

동해 해수면의 경년 및 자오면 순환의 십여 년 변동성을 위성 고도계, 조위, 및 재분석장 자료를 이용하여 분석하였다. 지구 온난화에 의한 해수면 상승의 가속에 의해 동해에 인접한 국가들에게 해수면의 경년 변동은 많은 관심의 대상이 되고 있다. 여름(8월)의 동해는 해수면이 최대치를 나타내고, 많은 태풍에 의해 영향을 받는다. 겨울(11월 및 12월)의 동해는 바람 응력과 해수면의 표준편차가 최대치를 나타낸다. 다른 한편으로, 동해와 같은 반폐쇄성 주변해에서의 자오면 순환은 열, 염, 및 용존 물질의 분포에 필수적인 역할을 하지만, 동해에서 이에 대한 연구는 지금까지 거의 없었다. 따라서, 이 연구의 목적은 해수면의 경년 변동과 함께 동해 자오면 순환을 외부 대기와 내부 해양의 작용을 통해 이해하는 것이다. 26년간(1993년-2018년)의 조위 관측소로부터 구한 월평균 해수면 자료는 여름(8월)에 동해 해수면이 연중 최고치를 보여준다. 26년간(1993년-2018년) 위성자료로부터 구한 여름(8월) 동해의 해수면 상승률은 연평균 해수면 상승률보다 높다. 여름 해수면의 경년 변동은 쿠로시오 확장역과 대만 사이의 대기압 경도력에 의한 에크만 수송의 강약에 의해 좌우된다. 동해 남쪽에서 대기압 경도력이 커질 때, 북북동 방향의 에크만 수송도 커져 동해의 해수면을 높이고, 그 대기압 경도력이 작아지면 에크만 수송도 줄어들어 동해의 해수면을 낮추게 된다. 따라서, 여름의 동해 해수면은 쿠로시오 확장역과 대만 사이의 대기압 차이를 가지고 예측할 수 있다. 동해에서 26년간(1993년-2018년)의 재분석장을 이용해 구한 바람 응력은 겨울철(11월과 12월)에 연중 최고치를 가지고, 겨울철 해수면은 위성자료에서 2016년에는 최대치, 2017년에는 최소치를 나타냈다. 겨울철 동해 해수면은 겨울철 몬순에 의한 에크만 수송에 의한 수평적 해수의 수렴과 발산에 의해 설명된다. 해수면이 높은 해에는 오호츠크해 남단에 강한 북서풍이 불어서 남서쪽으로 흐르는 강한 에크만 수송을 야기하고, 이것이 동해에서 태평양과 오호츠크해로 빠져나오는 해수 수송을 방해하게 된다. 이에 따라, 동해의 해수면이 높아진다. 반대로, 해수면이 낮은 해에는 동해 남부해역에 강한 북서풍이 불고, 이로 인해 남서쪽으로 흐르는 강한 에크만 수송을 야기하고, 이것이 태평양 및 동중국해에서 동해로 유입되는 해수 수송을 방해하게 된다. 따라서, 동해로의 해수 유입이 감소하여 해수면이 낮아진다. 이러한 바람에 의한 에크만 수송의 변화는 대기압 경도에 의해 좌우되기 때문에, 겨울철 동해 해수면은 쏘야해협과 대만 동쪽의 대기압 경도 차이를 이용해서 예측할 수 있다. 20년(1993년-2012년)간 재분석장 자료를 이용해서, 동해 자오면 순환의 강도와 구조를 살펴보고, 이중 순환에서 단일 순환으로 바뀌는 중요한 변화를 찾아냈다. 이 자오면 순환의 변화는 1990년대 후반에서 2000년대로 가면서 중층에서 남향류를 북향류로 바꾸고, 심층에서 북향류를 남향류로 바꾸었다. 동해 자오면 순환이 1990년대 후반에 동해 북서쪽의 차가운 해표면 수온에 의해 얕은 대류(침강)에 의해 이중순환의 형태를 나타내던 것이, 2000년대에 이보다 좀 더 북쪽에서 높은 해표면 염분에 의해 깊은 대류에 의해 단일순환의 형태로 바뀌었다. 이러한 얕은 대류와 깊은 대류는 대기의 부력속(열속과 담수속), 대기의 운동량속에 의한 에크만 수송, 및 해양의 표층 북향류와 서향류 재순환에 의해 좌우된다. 이 연구는 동해 해수면의 경년 변동은 에크만 수송에 의해, 그리고, 동해 자오면 순환의 십여 년 변화는 대기와 해양의 작용에 의해 많은 부분이 설명된다는 것을 보여주었다. 이번에 규명된 현상과 더불어, 작은 대양으로 불리우는 동해에서 해수면의 경년 및 자오면 순환의 십여 년 변화가 기후변화에 따른 대양의 반응을 이해하는데 있어서 많은 단초(실마리)를 제시할 수 있기 때문에, 앞으로도 지속저인 연구가 필요하다.

The interannual variability of sea level and decadal change of meridional overturning circulation (MOC) were investigated using satellite altimetry, tide-gauge, and reanalysis data in the East Sea (ES; also referred to as Sea of Japan). There has been growing concern about interannual fluctuations of sea levels to countries around the ES due to the accelerating sea level rise by global warming. Monthly mean sea level is at its maximum and many typhoons pass the ES in summer (August). Meanwhile, the wind stress and the interannual variability of sea level are the highest in winter (November and December). The MOC plays a vital role in distributing heat, freshwater, and dissolved matter in semienclosed deep marginal seas such as the ES. However, few studies on the ES MOC have been done until now. The objective of this study is to understand the ES MOC with external atmospheric and internal oceanic processes along with interannual sea level variations. Monthly mean sea levels from tide-gauge observation had annual maxima in the summer (August). The rising rate of the summer (August) ES sea level from satellite altimetry data was larger than that of annual sea level for 26 years (1993-2018) in the ES. The interannual variation of sea levels was dominated by the Ekman transport in the south of the ES which was caused by the atmospheric pressure gradient between Kuroshio Extension (KE) and around Taiwan. The sea level in the ES was higher when the north-northeastward Ekman transport and the atmospheric pressure gradient were strong in the south of the ES, and it was lower when they were weak. The summer sea level in the ES could be estimated using summer ES sea level index which was the difference of atmospheric pressure anomalies between KE and around Taiwan. The monthly mean wind stress from reanalysis data in the ES had its maximum in December and sea level anomaly from satellite altimetry data in the winter (November and December) had its maximum in 2016 and minimum in 2017 for 26 years (1993-2018). The sea level in the ES could be explained by horizontal water convergence and divergence due to monsoonal wind-induced Ekman transport in the winter. In high sea level years, there were decreased outflow volume transport in the northeast ES and increased inflow volume transport in the southern ES due to increased south-westward Ekman transport linked to enhanced south-eastward wind stress in the southern Okhotsk Sea. In low sea level years, there were increased outflow volume transport in the northeast ES and decreased inflow volume transport in the southern ES due to increased south-westward Ekman transport linked to enhanced south-eastward wind stress in the southern ES. The winter sea level in the ES also could be estimated using winter ES sea level index which was the difference of atmospheric pressure anomalies between the Soya Strait and east of Taiwan because Ekman transport was changed by atmospheric pressure gradient. There were significant decadal changes in the strength and structure of the ES MOC for 20 years (1993–2012) from two counter-rotating overturning cells in late 1990s to one full-depth anti-cyclonic overturning cell in 2000s in HYCOM reanalysis data. These ES MOC changes made northward shift of southward volume transport in the intermediate layer and southward shift of northward volume transport in the deep abyssal layer from the late 1990s to the 2000s. Two overturning cells were made by shallow convection (subduction) in the northwest ES due to colder sea surface temperature in the late 1990s and one overturning cell was made by deep convection in the farther northwest ES with saltier SSS in the 2000s. The atmospheric buoyancy (heat and freshwater) flux and Ekman transport by atmospheric momentum flux made these shallow and deep convections in the northwest ES along with northward surface flow in the southern ES and westward ocean recirculation in the northern ES. This study revealed that the interannual variability of sea level and the decadal change of MOC were largely controlled by Ekman transport and atmospheric and oceanic processes in the ES, respectively. Further investigations on the relation between the interannual variability of the ES sea level and the decadal change of the ES MOC are necessary for better understanding of the circulation change in the ES, which might suggest implication for ocean response to climate change as a miniature ocean.