하구 잔차류 연구논문 번역(한국어 원본)외해와 강 사이의 경계에 위치한 하구는 일반적으로 “외해와 강이 자유롭게 연결되어 육지에서 유입되는 담수가 해수를 희석하는 반 폐쇄성 연안지역(Pritchard, 1967)”으로 정의된다. 대한민국의 대부분의 대하천 하구는 강과 외해가 하구둑에 의해서 단절되어 있기 때문에 Pritchard의 정의에 부합되는 하구는 한강하구가 유일하다. 인위적으로 단절되지 않은 가장 큰 규모의 하구이지만, 남북한의 경계지점에 위치한 지리적 요인으로 접근의 제약성 때문에 지속적이고 종합적인 연구가 수행되지 못하였다. 특히, 물질이동과 관련된 하구의 해수순환의 이해를 위해서 반드시 이해되어야 하는 잔차류 또는 잔차순환과 관련된 연구가 매우 부족한 상황이다.
조석이 강한 하구에서 나타나는 물질이동은 강한 조류 때문에 다량의 플럭스의 이동이 발생하지만, 실질적인 물질의 순 교환은 잔차류에 의해서 결정된다. 그러므로 물질순환과 관련된 해수순환을 이해하기 위해서는 잔차류 연구는 필수적이다. 잔차류를 야기하는 순압(barotropic; BT)과 경압(baroclinic; BC) 요소는 여러 외력(조석, 바람, 그리고 담수 등)과 외력들의 상호작용에 의해서 시공간적 변화를 보인다(e.g. Stacey et al., 2001; MacCready, 1999; McCarthy, 1993; Wang and Elliott, 1978; Kjerfve, 1986). 그러므로 잔차류의 시공간적 변화를 연구하기 위해서는 잔차류를 구성하는 순압과 경압의 시공간적 특성을 발생시키는 외력을 파악해야 한다.
잔차류 구성 요소 중에서 BT를 발생시키는 외력에는 조석과 조류(Ianniello, 1977; McCarthy, 1993; Li and O’Donnell, 1997), 바람에 의한 해수면 상승(Valle-Levinson, 1995), 담수 유입(Miranda et al., 2005), 상류 방향의 Stokes drift(Garel and Ferreira, 2013) 그리고 지형적인 영향(Scully et al., 2009) 등이 존재한다. 특히, 최근에는 조석과 담수의 상호작용에 의해서 하구의 상류와 하류 지점의 수위차이가 발생하며(Buschman et al., 2009), 조석과 지형적 영향에 의해서 잔차류의 크기 및 방향이 다르게 반응한다(Li and O’Donnell, 2005; Winant, 2008). 이러한 BT에 의한 잔차류는 일부 하구에서 BC 잔차류를 초과하여 나타나기도 한다(Li and O’Donnell, 2005). BT 잔차류의 크기는 대소조기에 따라서 증감이 다르게 발생하며, 일반적으로 대조기에 크게 나타난다(e.g. Stacey et al., 2010; Waterhouse and Valle-Levinson, 2010).
Density-induced flow (baroclinic current)은 하구와 외해의 밀도 차이에 의한 horizontal buoyancy gradient에 의해서 생성되며, 밀도 분포는 주로 담수의 볼륨과 tidal current의 크기에 의해서 주로 조절된다(Bowden, 1967; Pritchard, 1956). 이러한 차이에 의한 exchange flow는 시간에 따라 일정하지 않고, 대소조기 변동에 따라서 조절된다(e.g. Haas, 1977; Geyer and Cannon, 1982; Nunes and Lennon, 1987; Griffin and LeBlond, 1990). exchange flow는 vertical mixing의 증감에 따라서 대소조기 변동을 보이며, 수직 혼합이 감소하는 소조기에 상대적으로 강한 net flow의 결과를 보인다(e.g. Geyer et al., 2000; Stacey, 2001). 일반적으로 BC induced current의 대소조기에 따른 크기 변화는 순압과는 반대로 나타난다(Li et al., 1998).
앞서 제시한 하구에서 발생하는 다양한 BT 및 BC의 복잡한 상호작용 때문에 Δη⁄h_0 ≪1의 가정, eddy viscosity 및 horizontal density gradient를 상수값으로 하는 선형 가정을 통한 잔차 수직 구조와 관련된 초기 해석해(e.g. Hansen and Rattray, 1965)의 결과는 관측자료와 차이점을 보일 수 있다. 이러한 한계에도 불구하고 초기 해석해는 종종 재도입되고 실제 관측된 잔차 수직 유속 profile의 형태와 비슷한 결과를 보여준다(MacCready and Geyer, 2010). 이러한 원인은 overall dynamical balance가 초기 해석해에서 제시된 주축방향의 압력과 마찰과 같은 force balance에 의해서 주요하게 나타나기 때문이다(e.g. Giddings et al., 2014). 비선형의 영향(e.g. Scully et al., 2009), unsteadiness의 중요성(e.g. Geyer et al., 2000) 및 지형적 복잡성(Li and O’Donnell, 1997)이 하구 잔차류에 영향을 분명히 미치고 있지만, 초기 해석해에서 제시된 주요한 원인에 의한 잔차류 파악이 시도조차 되지 않은 한강하구 지역에서는 우선 주요 원인에 의한 잔차류 영향을 파악하는 것이 우선이다.
여러 외력 및 외력들의 상호작용에 때문에 발생하는 BT 및 BC-induced current의 시간적 변동성은 잔차류의 시간적 변동성으로 나타난다. 특히, 하구에서 보이는 전형적인 2층 잔차순환 수직 구조의 크기 및 방향의 변화가 야기될 수 있다. 잔차류에 대한 시간적 변동성을 제시한 연구(e.g. Banas et al., 2004; MacCready, 1999; Ralston et al., 2008)가 진행되었고, 최근에는 조석이 강한 천해 환경에서의 잔차류 특성(Giddings, et al., 2014)도 제시되었다. 그러나 tidally dominated and shallow estuary한 한강하구에서의 잔차류에 대한 연구는 앞서 제시한 지리적 요인 등에 의해서 충분하게 수행되지 못하였다. 특히, 잔차류를 BT 및 BC로 구분하여 각각의 기여도 평가 및 시간 변동성에 대한 연구는 많이 부족한 상황이다.
본 연구의 목적은 tidally dominated and shallow Han River Estuary의 유속, 수위 그리고 염분의 inter and intra tidal variation을 제시하고, 이러한 특징에 의해서 발생하는 barotropic and baroclinic-induced residual current의 시간적 변화에 따른 잔차류를 정량화하는 것이다. 이를 위해서 기존 해석해와 더불어 시간 변화를 고려한 수정된 해석해 (Depth averaged and tidally varying & Depth and tidally varying)를 적용하였고, 이를 분석하여 BT와 BC의 잔차류에 대한 기여도를 제시하였다. |
하구 잔차류 연구논문 번역(영어 번역본)An estuary located on the border between the open sea and a river is generally defined as a “partly enclosed coastal body of brackish water with one or more rivers or streams flowing into it, and with a free connection to the open sea (Pritchard, 1967).” As most of large river estuaries in Korea are cut by estuary banks, the Han River estuary is the only one which coincides with Pritchard’s definition. Although it is the largest estuary which is not cut artificially, no continual and integrated study has been found on it due to the limitations in access for geological factors of the location on the border between South and North Korea. Especially, there are very few studies on residual current or residual circulation which must be understood to comprehend seawater circulation in estuaries related to mass transfer.
Mass transfer which occurs at estuaries with strong tide have the transfer of a large amount of flux due to a strong tidal current but the net exchange of actual mass is determined by residual current. Therefore, to understand seawater circulation related to mass circulation, a study on residual current is crucial. Barotropic (BT) and baroclinic (BC) factors which bring about residual current have temporal and spatial variation by many external forces (tide, wind and fresh water, etc.) and interaction between such external forces (e.g. Stacey et al., 2001; MacCready, 1999; McCarthy, 1993; Wang and Elliott, 1978; Kjerfve, 1986). Therefore, a study on temporal and spatial variation of residual current requires understanding the external forces which generate the temporal and spatial characteristics of BT and BC which compose residual current.
Among the components of residual current, the external forces which generate BT include tide and tidal current (Ianniello, 1977; McCarthy, 1993; Li and O’Donnell, 1997), sea level increase by wind (Valle-Levinson, 1995), inflow of fresh water (Miranda et al., 2005), Stokes drift in the direction of upstream (Garel and Ferreira, 2013) and topographical influence (Scully et al., 2009). Recently, interaction between tide and freshwater causes the difference in the level of the upstream and lower stream of estuary (Buschman et al., 2009) and the size and direction of residual current have different reactions due to tide and topographical influence (Li and O’Donnell, 2005; Winant, 2008). Sometimes, the BT residual current exceeds the BC residual current in some estuaries (Li and O’Donnell, 2005). The size of the BT residual current varies during spring and neap tide and in general, becomes high during spring tide (e.g. Stacey et al., 2010; Waterhouse and Valle-Levinson, 2010).
Density-induced flow (baroclinic current) is generated by horizontal buoyancy gradient due to the density difference between estuaries and the open sea and density distribution is controlled mainly by the volume of fresh water and the size of tidal current (Bowden, 1967; Pritchard, 1956). The exchange flow due to this difference does not regular over time but is controlled by spring-neap tidal variation (e.g. Haas, 1977; Geyer and Cannon, 1982; Nunes and Lennon, 1987; Griffin and LeBlond, 1990). Exchange flow shows spring-neap tidal variation depending upon variation in vertical mixing and relatively strong net flow during neap tide where vertical mixing decreases (e.g. Geyer et al., 2000; Stacey, 2001). In general, size variation of BC induced current for spring-neap tide is the opposite of net pressure (Li et al., 1998).
Because of the abovementioned complicated interaction between various BT and BC generated in estuaries, the result of the initial solution (e.g. Hansen and Rattray, 1965) related to residual vertical structure through the assumption of Δη⁄h_0 ≪1 and a linear assumption with constant values of eddy viscosity and horizontal density gradient may be different from the observation data. Notwithstanding this limitation, the initial solution is often reintroduced and shows the similar result to the behavior of residual vertical flow rate profile which is actually observed (MacCready and Geyer, 2010). This is because overall dynamical balance appears significantly by force balance such as pressure and friction in the direction of principal axis suggested in the initial solution (e.g. Giddings et al., 2014). Although it is certain that the effect of nonlinearity (e.g. Scully et al., 2009), the importance of unsteadiness (e.g. Geyer et al., 2000) and topographical complexity (Li and O’Donnell, 1997) have an effect on the residual current in estuaries, in the Han River estuary body for which the understanding of residual current by main causes suggested in the initial solution has never been tried, the understanding of the effect of residual current by main causes come first.
Temporal variation of BT- and BC-induced current which is generated by many external forces and interaction among them appears as temporal variation of residual current. Especially, variation in the size and direction of typical two layer residual circulation vertical structure appearing in estuaries could be brought about. Studies which suggested temporal variation for residual current (e.g. Banas et al., 2004; MacCready, 1999; Ralston et al., 2008) were carried out, and recently, the characteristics of residual current in tidally-dominated shallow environment has also been suggested (Giddings, et al., 2014). The residual current in a tidally dominated and shallow Han River estuary has not been fully studied due to the abovementioned geographical factors. Moreover, studies on contributions and temporal variation of BT- and BC-induced residual current are much fewer.
The purpose of this study is to suggest inter and intra tidal variation in flow rate, sea level and salinity at a tidally dominated and shallow Han River Estuary and quantify residual current for temporal variation of barotropic and baroclinic-induced residual current generated by such characteristics. For this, a modified solution considering temporal variation (Depth averaged and tidally varying & Depth and tidally varying), along with the existing solution, was adopted and analyzed to suggest BT and BC contributions to residual current. |
