Effects of mesoscale circulation on internal wave enhancements in the southwestern East Sea

Abstract

내부파는 바람과 조석에 의해 주로 생성되어, 생성 해역에서부터 다른 해역으로 전파하고 시간이 지나면 점차 소멸한다. 내부파는 소멸 과정에서 난류 혼합을 증폭시키며 해수 혼합에 필요한 에너지의 상당 부분을 설명하고, 또 에너지를 재분배하는 데 중요한 역할을 한다. 내부파의 쇄파로 인한 난류 혼합은 열을 비롯한 다른 물질들의 수직 혼합에 영향을 미치며, 궁극적으로 열염순환, 해양 생태계, 나아가 기후 시스템에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 두 종류의 장주기 내부파로는 관성 주파수에 가까운 주파수를 가진 준관성주기 내부파와 조석 기원의 내부파인 내부 조석이 있다. 이들의 상호작용, 또는 배경 흐름장(해류 또는 소용돌이)과의 상호작용은 준관성주기와 조석주기보다 짧은 주기의 내부파 혹은 단주기 내부파를 생성한다. 그러나 이들이 해양 혼합과 에너지와 물질 순환에 중요한 역할을 함에도 불구하고 준관성주기 내부파와 내부 조석파로부터 단주기 내부파가 생성되는 과정에 대한 관측은 많이 보고되지 않았다. 이 논문에서는 동해 남서부 해역에서 장기간 연속적으로 얻어진 계류 자료를 이용하여 단주기 내부파의 증폭 원인을 규명하고, 준관성주기 내부파와 반일주기 내부 조석파의 비계절 변동에 대해 고찰하였다. 동해 남서부 해역에서 관측된 단주기 내부파(2–10 시간 주기)의 증폭 원인으로 준관성주기 내부파, 반일주기 내부 조석, 중규모 흐름장, 그리고 이들의 상호작용에 대해 토의하였다. 준관성주기 내부파는 해양 표층에서 국지적인 바람 외력에 의해 생성되며, 중규모 흐름장의 변형률에 비례하여 에너지가 증폭될 수 있음을 보였다. 또한 준관성주기 내부파는 중규모 배경장의 변형률이 상대 와도보다 크게 증가할 때, 중규모 배경정과 비선형 상호 작용하여 에너지가 증폭할 수 있음을 보였다. 반일주기 내부 조석은 관측 위치와 멀리 떨어진 대한해협 북단에서 생성되어 관측 위치로 전파해 오는데, 내부조석의 전파 방향(굴절)은 중규모 흐름장에 좌우된다. 관측된 다섯 번의 단주기 내부파의 증폭은 1) 증폭된 준관성주기 내부파, 2) 증폭된 반일주기 내부조석파, 또는 3) 이들 내부파 간의 상호작용에 의해 일어남을 알 수 있었다. 본 연구에서 동해 남서부 해역에서의 내부파 증폭으로부터, 동한 난류의 사행 혹은 울릉 난수성 소용돌이와 같은 중규모 흐름장의 상대와도와 변형률이 준관성주기부터 부력주파수까지 이르는 내부파 증폭에 영향을 준다는 것을 밝혀냈다. 동일 해역에서 2000년부터 2020년까지 21년 간 얻어진 유속자료로부터 400 m 에서의 준관성주기 운동에너지의 계절내(3–100일 시간 규모) 변동, 경년 변동, 십년 규모 변동을 살펴보았다. 계절내 변동하는 준관성주기 운동에너지는 95% 신뢰수준에서 음의 와도, 중규모 배경장의 양의 변형률, 양의 Okubo-Weiss 조건일 때 그렇지 않은 조건에 비해 약 12배 운동에너지가 유의하게 증가하였다. 또한, 준관성주기 에너지 증폭은 대부분 2010년대에 나타났는데, 2000년부터 2020년까지 400 m에서 부력 주파수의 증가를 고려할 때 2010년대의 준관성주기 에너지가 2000년대에 비해 약 19 % 감소해야 하는 것과는 상반된다. 이는 2000년대와 2010년대의 동해 남서부 해역의 중규모 배경장에서 기인한 것으로, 실제로 관측 해역 인근에서 2014년부터 2016년까지 2년 이상 지속된 울릉 난수성 소용돌이는 음의 와도를 제공하여 준관성주기 운동에너지가 증폭할 수 있도록 하였다. 동일 해역에서 2000년부터 2020년까지 21년 간 관측된 반일주기 내부조석 에너지를 살펴본 결과, 대한해협 북단에서 반일주기 내부조석이 생성 조건을 만족할 때 관측 해역 400 m에서의 반일주기 내부조석 에너지가 95% 신뢰수준에서 유의하게 증가하였다. 반일주기 내부조석 에너지는 14, 28, 56일 주기에서 변동성이 크게 나타나는데, 14일과 28일 주기는 대조-소조 변동 주기와 일치하며, 56일 주기는 중규모 배경장의 변동 주기와 관련이 있다. 생성된 내부조석은 61 %의 확률로 동쪽 굴절을 하며 31 % 확률로 서쪽 굴절하였는데, 이는 대한해협에서 생성된 반일주기 내부 조석파가 중규모 배경장과 상호작용하여 굴절 방향이 달라지는 것을 의미한다. 이 논문에서는 내부파의 증폭 원인을 규명하고, 준관성주기 내부파, 반일주기 내부 조석파와 중규모 배경장의 상호작용을 계절내 규모뿐만 아니라 경년 및 십년 규모 변동을 장기간 수집된 연속 시계열 자료로부터 규명하였다. 이 논문을 통해 밝힌 연구 결과는 중규모 배경장에 의해 증폭된 내부파에서 기인한 혼합이 해양 내 에너지를 재분배하고 자오면 순환이나 해양 내 물질 혼합에 미치는 영향을 계절내 규모, 경년 및 십년 규모 변동으로 살펴보는 연구에 기여할 것으로 기대된다.

Oceanic internal wave frequency range from inertial frequency to buoyancy frequency are ubiquitous in the stratified rotating ocean. They are mainly generated by wind, tide and current, propagate away from generation site, and ultimately dissipate. The internal wave-driven mixing affects vertical transport of water, heat, and consequently contribute maintain the thermohaline circulation, marine ecosystem, and climate system. Near-inertial internal waves and internal tides are two types of low-frequency internal waves. Their interactions, interaction with mesoscale flow field, and resulting internal waves at higher frequencies beyond the near-inertial and tidal frequencies (continuum frequency waves) have rarely been reported despite its importance on ocean mixing and circulation of energy and materials. This dissertation investigates enhancements of continuum frequency waves (CFWs) observed in the southwestern East Sea and discuss causes for the enhanced CFWs in relation to near-inertial waves (NIWs), semidiurnal internal tides (SDITs), mesoscale flow fields, and their interactions (Chapter 2). The NIWs were amplified due to local surface wind forcing, significantly interacting with mesoscale strain via wave capture process. The SDITs were generated in a remote place and propagated into the observational site, largely depending on the mesoscale fields. The observational results suggest that the episodes of CFWs are results of enhanced NIWs or SDITs, or their wave-wave interaction, rather than locally generated lee-waves. In Chapter 2, it is highlighted that the significant impact of mesoscale circulation on the variability of internal waves from near-inertial to buoyancy frequencies through multiple pathways. The NIWs of typhoon origin under varying mesoscale circulation, especially Ulleung Warm Eddy (UWE), are investigated using damped slab model in Chapter 3. Without local passage of typhoon, the wind stress was favorable to generate NIWs since they lasted nearly local inertial period with clockwise rotation during Events 1–3. The extension and shrinking of UWE also played an important role in the NIW amplification by including or excluding the mooring site within the UWE. The wind-induced NIWs was trapped and effectively enhanced in the region of anticyclonic eddy (negative relative vorticity) due to the lowered effective Coriolis frequency. Intraseasonal (3–100 days) variations of near-inertial kinetic energy at 400m is analyzed using the 21-year-long time-series data from 2000 to 2020. In Chapter 4, considering the impact of mesoscale flows on NIWs, the rate of wind work, relative vorticity, total strain, Okubo-Weiss parameter are composited. Composite analysis reveals that the negative relative vorticity and positive Okubo-Weiss parameter (dominant total strain) imposed by mesoscale flow fields, rather than surface wind forcing, play a decisive role in enhancing NIW kinetic energy at 400 m to a degree of statistically significant level as providing favorable condition. This chapter reveals the NIWs below the surfaced mixed layer are under the statistically significant influence of the mesoscale flow fields varying on intraseasonal, interannual, and decadal as well as seasonal time scale. Statistical results on intraseasonal variations of semidiurnal kinetic energy at 400 m is presented in Chapter 5. The variations of semidiurnal kinetic energies are dominant at periods around 14, 28, and 56 days related to fortnight, sidereal month, and mesoscale circulations. When the characteristic slope matches the bottom slope at the northern slope of the Korea Strait, the intraseasonal variations of semidiurnal kinetic energies are higher than those of another period with 95 % significance. The generated SDIT propagates poleward interacting with mesoscale circulation. This study highlights that the significant impact of mesoscale circulation on the variability of NIWs, SDITs, and CFWs in intraseasonal, interannual, and decadal time scale.