1. 태풍-해양 상호작용 연구

2005년 8월, 미국 플로리다 주 내소군 동쪽 약 280km에서 발생한 허리케인 카트리나(Katrina)는 플로리다를 가로질러 남서쪽으로 움직인 후 멕시코만으로 빠져 나갔고 하루만에 1등급에서 5등급의 강한 허리케인으로 급격하게 발달하여 미국 남동부를 강타하였다. 이로 인해 수많은 사상자와 이재민이 발생 하였으며 미국역사상 최대의 재해피해로 기록이 되었다. 많은 학자들은 카트리나가 짧은 시간 안에 급격하게 강해진 원인에 대해 연구를 시작하였으며 그 원인을 해양에서 찾아내었다. 멕시코 만류(Gulf stream)가 그것이다(Oey et al., 2007).
최근에 Wu et al.(2008)는 위성자료와 해양모델을 사용하여 태풍 나리(Nari)와 쿠로시오 해류 사이의 상호작용을 조사하여, 태풍 나리의 강도가 혼합층이 깊고 고온인 쿠로시오 해류 위를 지나면서 몇 시간 만에 급격히 강화되었음을 보였으며 Lin et al.(2005, 2008)은 북서태평양에서 해양열용량이 큰 와류(eddy) 위를 지나간 태풍이 카테고리 5의 슈퍼태풍으로 발달할 가능성이 크다는 것을 보였다. Emanuel(1999)은 태풍에 의한 표층냉각이 2.5℃ 초과되면 태풍의 전체 에너지 공급이 일시에 차단되어 태풍은 더 이상 발달할 수 없음을 보고하였다.
이처럼 태풍과 해양은 서로 밀접한 관련이 있으며 특히 태풍강도 예측에 있어 해양의 중요성이 크게 부각되고 있다.

1) 태풍과 양자강 저염수의 상호작용 연구

양자강은 전 세계에서 세 번째로 많은 담수를 방출하는 강으로 방출된 담수는 여름철 동중국해에 넓게 분포한다. 여름철 양자강 주변의 평균 염분 분포를 보면 동경 128도 부근 까지 30 psu 이하의 저염수가 넓게 확장되어 있음을 알 수 있으며(Fig. 1) 저염수가 확장된 지역에는 수심 약 15 m에서 30 m사이에 큰 염분기울기에 의해 강한 성층이 존재한다.
강한 성층은 바닥으로 향하는 운동량의 전달을 방해해 수직혼합을 유발시키는 해류의 수직시어가 상층에만 국한되게 만든다. 따라서 양자강 저염수에 의해 발생한 상층의 강한 성층 해양에서는 작은 크기의 해수면 냉각만 일어나게 된다.
그러나 성층이 강한 해양에서는 상층의 약한 마찰로 인해 해류가 발산에 유리한 방향으로 흐르기 때문에 강한 용승이 나타나게 된다. 따라서 혼합이 얕은 수심으로 제한되었던 강한성층의 해양에서도 강한 용승에 의해 해수면 냉각이 가속되어 큰 크기의 해수면 냉각이 발생할 수 있다. 이와 같은 강한 성층의 두 가지 상반되는 효과는 태풍의 이동속도와 밀접한 관련이 있다. 태풍의 이동속도에 따른 해수면 냉각 효과 변화를 조사해본 결과, 전반적으로 저염수 혼합깊이 제한 효과에 의한 해수면 냉각 저해효과가 지배적임을 확인 할 수 있었다. 또한 해양안정도에 따른 해수면 냉각 효과는 해양안정도가 클수록 해수면 냉각이 저해되는 정도가 커짐을 알 수 있었으며 마지막으로 살펴본 바닥 깊이에 따른 효과는 바닥깊이가 얕아지면 저염수의 효과가 줄어듦을 확인 할 수 있었다.



Fig. 1. 연구지역 기후학적 표층염분 분포도 (색깔). 점선은 등 30psu 선으로 검정색은 7월 평균, 파랑색은 8월 평균을 나타냄. 흰 실선은 1951년부터 2008년 까지 30psu이하의 저염수 위를 지나간 태풍의 진로도를 나타냄. 좌측하단 그림은 빨간색 실선을 따라 구한 수직적 염분분포임.


Fig. 2. 성층이 해수면냉각과정에 미치는 두 가지 상반된 효과. a) 수직혼합 깊이 제한 효과, b) 용승강화 효과.

2) 태풍 통과 후 해양반응에 관한 수치실험

지금까지 태풍 시기의 해양 반응에 대한 대부분의 선행연구는 태풍 통과 후 보다는 태풍의 통과 시기에 초점이 맞추어져 있다. 이것은 태풍에 의한 해양의 반응이 태풍의 통과 시기에 가장 강하게 발생하고 태풍 강도 역시 이 시기에 가장 큰 영향을 많이 받기 때문이다. 그러나 태풍이 통과한 후에도 해양은 관성운동에 의해 용승과 표층냉각이 오랫동안 지속되는 것으로 알려져 있다.


Fig. 3. 태풍 에위니아(2006)와 빌리스(2006)의 경로 및 관측지점 위치

전반적으로 태풍경로를 따라 냉각현상이 발생하였고 이 해양반응은 태풍이 가진 강풍에서 비롯되어 해수의 난류혼합과 용승을 유발한다. 먼저, 태풍의 강한 바람응력은 해수의 연직시어를 발생시키고 이 교란에 의해 혼합층 내에서 혼합작용을 일으키게 된다. 그리고 반시계방향의 바람응력은 표층 해수의 발산을 일으키고 이에 따라 수온약층수의 용승을 유도한다.


Fig. 4. TMI/TRMM 위성에서 관측한 태풍 통과 전/후의 해수 표층 온도

Table.1. 태풍 빌리스(2006)와 말로(2010)의 강도 변화

태풍 빌리스가 TY급으로 성장하지 못한 원인은 여러 가지요인이 복합적으로 작용했을 것이나 태풍 에위니아의 위력으로 표층 및 내부 해양의 해수온도를 냉각시켰으며 이 해수상태가 다음 태풍이 통과할 때까지 지속되었기 때문이라 사료된다. 이에 따라 태풍 빌리스가 통과하면서 태풍의 에너지원을 원활하게 공급 받지 못했을 가능성을 배제할 수 없었을 것이다. 이것은 선행 태풍이 발생시킨 냉각 자취의 형성 및 지속이 다음 태풍의 강도변화에 영향을 줄 수 있다는 점에서 그 중요성이 매우 크다.

3) 북서태평양 전향 태풍의 해양-대기 상호작용 연구

북서 태평양에서 발생한 전체 태풍 중 절반 정도가 전향하였으며, 한국에 접근한 태풍 중에서는 약 80%가 전향한 태풍이었다. 따라서 태풍의 전향 위치를 정확하게 예측하는 것은 한반도에 영향을 미치는 태풍의 이동 경로를 예측하는데 매우 중요하다. 이전 연구의 전향하는 태풍 분류 기준을 분석한 결과, 이상 경로의 태풍을 분류하거나 일부 전향 경로의 태풍을 분류하지 못하는 경우가 존재하였다. 본 연구에서 사용한 전향 태풍의 분류 기준은 이전 연구의 기준에 비해 전향 태풍을 많이 분류하고 그 중에 이상 경로는 적게 포함하는 상당히 좋은 결과를 보여주었다.
Table.2. 다양한 기준에 의해 분류된 전향 태풍의 통계치




Fig. 5. 전향한 태풍과 직진한 태풍에 의한 해수 표층 냉각 분포

태풍이 전향하는 시기에는 태풍의 이동 속도가 매우 느린 것으로 알려져 있다. 태풍의 이동 속도가 느리다는 것은 태풍의 강도에 큰 영향을 미칠 수 있다. 태풍은 이동하면서 수직적으로 온도 구배가 큰 해역을 지날 때 강한 바람에 의해 해수를 수직적으로 혼합시키고 용승 현상을 발생시켜 표층 수온을 하강시킨다. 태풍의 이동 속도가 느리면 그만큼 해수의 수직 혼합과 용승이 더 활발히 진행되어 표층 냉각이 더욱 강해진다. 따라서 태풍이 느리게 움직이는 전향 시기에 해양의 상층 열적 구조에 따라 태풍의 강도 변화는 매우 민감하게 반응할 수 있다.



2. 기후변화에 따른 태풍과 폭풍해일 강도변화 및 해수면 상승

IPCC 기후 모델인 MPI_echam5 모델의 예측결과를 이용하여 CSEOF분석을 통해 온난화 환경에서 한반도 연안의 해양, 대기 변수들의 변화값을 구하였다. 그 결과 한반도에 상륙하는 길목인 동중국해에서 해수면온도가 100년 뒤에는 온난화로 인하여 평균 3.9℃ 상승하는 것으로 나타났다. 이 결과를 이용한 미래 온난화 환경에서 태풍과 해일의 수치실험 결과 상승된 해수면온도는 태풍의 강도를 강화시키고 이로 인해 폭풍해일의 해일고를 상승시키는 것으로 나타났다. 그러나 해수면온도 외에 다른 대기요소에 대해서도 온난화 환경에서의 값으로 수정하여 모델을 수행한 결과 태풍의 강도는 해수면온도만을 고려했을 때보다 약하게 모의되었으며 해일도 크게 상승하지 못하였다. 해수면온도 변동만 고려해 주었을 때는 하층의 온도만 상승하게 되지만 해양?대기 변수의 변동을 모두 고려해 주었을 때 상층 대기 온도 역시 상승하게 되며 그 크기는 하층의 증가보다 크게 된다. 특히 200 hPa의 증가율은 하층보다 약 2℃정도 높은 것을 알 수 있었으며 이는 온난화로 인한 해수면온도 증가만을 고려하였을 때보다 태풍의 강도를 약화시키는 원인이 된다.
WRF 모델을 통한 태풍의 강도 변화 실험을 하면서 태풍의 강도 변화에 원인이 되는 변수를 찾기 위해 Control 실험에 CSEOF를 통해 얻은 각각의 변수들의 온난화 경향을 추가하여 6개의 실험을 하였다. 온난화로 인한 해수면온도 변동을 고려해주게 되면 태풍의 강도는 강해지게 되는 경향을 보였으나 기온 변동을 같이 고려해주면 Control실험과 큰 차이를 보이지 않았으며 다른 변수 역시 태풍의 강도에 그리 큰 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다.
태풍 MAEMI의 경우 해수면온도 변동만을 고려해준 실험에서 대부분의 지역에서 40~60 cm 정도의 해일고 증가를 가져왔지만, 해양?대기 변동을 고려한 실험에서는 대부분의 지역에서 10~20 cm 정도로 해일고가 크게 증가 하진 못하였다(Fig. 6).



Fig. 6. 태풍 매미 내습 시 각 관측 위치별 Control실험과 실험1(상단), 실험2(하단) 사이의 해일고 차이.

태풍 RUSA의 경우에도 온난화로 인한 해수면온도 변동만을 고려해준 실험에서 20~60 cm 정도의 해일고 증가를 가져왔지만, 해양?대기 변동을 모두 고려한 실험에서는 대부분의 지역에서 10~30 cm 정도로 해일고 증가가 비교적 작았다.
이상의 결과로부터 2002년 태풍 RUSA(0215)와 2003년 태풍 MAEMI(0314)가 온난화 환경에서 다시 한반도로 상륙할 경우, 태풍의 경로장의 해수면온도 상승으로 인해 태풍이 강화되어 우리나라 연안에서 해일의 강도가 크게 상승 될 것으로 예상된다. 그러나 한반도 근해의 높아진 수온만큼 상층의 공기도 가열되어 태풍의 강도는 해수면온도 만을 고려하였을 때보다는 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다.
최근 전 지구적인 이상기상 현상들이 발생하면서 지구온난화가 사회적인 문제로 대두되고 있다. 지구온난화로 인한 기상 현상의 변동은 한반도에 큰 피해를 주게 되는 태풍에 있어서도 예외는 아니다. 위 실험은 IPCC 4차 기후 보고 평가서의 A1B시나리오에 기초하여 진행한 결과 100년 뒤 과거 2003년 태풍 MAEMI(0314), 2002년 태풍 RUSA(0215)와 같은 강도와 진로를 가지고 발생한다면, 강화된 태풍으로 인하여 우리나라 연안의 폭풍해일에 의한 해일고 역시 증가할 것으로 예상된다. 여기에 해수면 상승까지 감안한다면 온난화로 인한 태풍 내습 시 해일고는 위 실험 수치보다 더 증가할 것으로 예상된다.



3. 수치모델을 이용한 해양기상 예측 연구

1) 태풍-해양 접합모델을 이용한 연구

해양은 태풍 통과시기에 강한 바람에 의한 혼합작용과 저기압에 의한 용승작용 등으로 표층뿐 아니라 깊은 수심까지 영향을 받는다. 이러한 태풍에 의한 해양의 변화는 결국 태풍 자신의 강도에 영향을 미친다. 본 연구에서는 태풍-해양 접합모델(GFDL-POM coupled model)을 이용하여 태풍 통과 시 나타나는 중요한 해양요소들의 변화와 이에 따른 태풍의 반응을 조사하였다.


Fig. 7. 각 수치 실험 진행 시간별 태풍 바람장.

실험은 2007년 7월 30일에 발생한 5호 태풍 Usagi와 같은 해 9월 13일에 발생한 12호 태풍 Nari에 대해 적용하였다. 모델의 초기조건은 자료동화 과정을 거친 실시간 미해군 NCODA 자료를 사용하였다. 본 연구에서는 태풍강도에 직접적인 영향을 주는 해양의 혼합층 깊이(Mixed Layer Depth, MLD) 깊이와 해수면 온도(Sea-Surface Temperature, SST)를 변화시켜 이에 따른 태풍의 반응을 조사하였다. 실험은 (i) SST는 고정하고 혼합층의 깊이를 실제보다 깊게 만든 경우(M1), (ii) 혼합층의 깊이를 실제보다 얕게 만든 경우(M2), (iii) 혼합층의 깊이는 고정하고 SST를 실제보다 높게 만든 경우(T1), (iv) SST를 실제보다 낮게 만든 경우(T2)로 구분하여 진행하였다. 또한 태풍에 의한 해양의 반응을 역학적으로 설명하는 무차원 수(Nondimensional Storm Speed, Burger Number, Mach Number)를 모든 실험에 대해 구하여 분석 하였다.


Fig. 8. 각 수치 실험의 태풍 중심 기압 변화.

실험 결과 해수면 온도가 높아질수록, 해양혼합층이 깊어질수록 태풍의 강도는 강해짐을 볼 수 있었으며 혼합층 보다 해수면 온도에 더 민감하게 반응함을 살펴 볼 수 있었다.
이러한 연구결과는 태풍 통과시기에 다양한 해양환경에 반응하는 태풍강도 변화 연구뿐만 아니라 각각의 환경요소에 의해서 정해지는 무차원수와 초기 태풍 통과 시기의 환경요소를 분석하여 태풍강도 예측 및 예보에 활용 할 수 있을 것이라 기대된다.

2) 파랑예측모델 소개

WAVEWATCHIII는 NOAA/NCEP에서 개발된 3세대 파랑 모델이다. 기존의 WAM 모델을 대신해서 현업용으로 이용되고 있으며, 미국 Delft대학에서 Tolman에 의해 처음 개발되었고, NASA로 발전되어져 왔다. 성분파 상호간의 비선형 에너지 전달항을 명시적으로 계산하며 시?공간적으로 변화하는 해상풍 및 해류, 조류의 효과와 에너지 소산, 해저면과의 상호작용에 의한 분산 작용까지 고려한다.


Fig. 9. 전 세계 해양에서 발생하는 파랑 예측

현재 홈페이지에는 전 세계를 포함한 동아시아 영역, 한반도 근해의 세 지역에서 파랑이 예측되고 있다. 해상도는 각각 1.0°×1.25°, 0.1°×0.1°, 0.4°×0.4°로서 파랑의 생성과 예측을 위한 초기 조건으로 사용되는 해상풍은 BRAMS 기상모델의 바람장이 3시간 간격으로 내삽하여 입력장으로 들어간다. 그리고 ETOPO-5의 해저수심 자료가 입력되게 된다. 그래서 파랑모델에 의해 유의파고, 파장, 파주기, 파향 등의 자료가 생성된다.

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