한강 하구의 조석 체계 연구번역(한국어 원본)
하구는 하천의 담수와 외해의 해수가 만나서 혼합이 발생되는 전이지역으로 해양물리학적, 퇴적학적 그리고 생지화학적 변화가 시공간적으로 매우 복잡하고 독특하게 나타난다. 이러한 시공간적인 변화는 하구의 물리적 외력인 조석, 파랑 및 하천 유량 등의 복합적인 상호작용에 의해서 발생한다 (McLusky and Elliott, 2004). 여러 외력에 의한 하구의 다양한 변화를 이해하기 위해서는 하구지역의 물리적 기작에 대한 연구가 필수적이다. 서해 연안 특히, 경기만 한강하구 지역의 가장 큰 외력 조건인 조석의 연구는 물리적 해양환경 변화에 따른 퇴적학적 그리고 생지화학적 변화를 파악하기 위해 수행되어야 할 가장 기본적인 과정이다.
외해와 비교되는 하구지역의 특징은 수심과 비교하여 조차의 크기를 무시할 수 없으며, 상대적으로 바닥 마찰의 영향이 강하게 작용하는 것이다 (e.g., Pugh, 1987; Parker, 1991). 이러한 특징 때문에 일정한 사인 (sine)형태를 보이는 외해 조석은 하구로 진입하면서 고조와 저조의 크기 또는 고조와 저조의 시간차이를 보이는 조석 곡선의 변형이 발생한다 (LeBlond, 1978). 조석∙조류의 변형과 비대칭성은 배조와 복합조로 정의된 천해 분조로 표현할 수 있다 (Gallo and Vinzon, 2005). 천해 분조는 하구 조석 연구의 중요한 요소이고, 지형적 효과, 바닥 마찰 등 여러 비선형 원인에 의해서 발생한다 (Parker, 1991). 한강하구와 같이 다수의 수로로 구성된 지역은 공간적으로 다른 비선형 원인으로 인하여 천해분조의 공간적 분포가 상이할 것이다.
천해분조는 결합되는 분조에 따라서 배조 (overtides) 그리고 복합조 (compound tides)로 정의된다 (Le Provost, 1991). 배조는 생성을 야기한 기본적인 주파수의 항상 정확한 배수의 주파수와 위상이 고정된 (phase-locked) 파속을 갖는다. 대신에 배조는 기본 조석파의 영구적인 조석변형의 증가를 가져온다 (Pugh, 1987). 천문조 등에 의한 단순한 사인 곡선은 지속시간의 차이가 없는 반면에 조석변형은 저조의 하강시간에 비해 고조 증가시간의 차이와 같은 비대칭을 야기한다. 동일한 기본 분조의 중첩에 의해서 발생하는 배조와 더불어 천해역에서 두 개의 다른 기본 분조의 중첩에 의해서 발생하는 분조를 복합조라고 한다. 다양한 기본 천문조의 결합에 의해서 배조 또는 복합조가 생성되며, 경기만, 한강하구와 같은 반일주가 강한 지역에서는 주로 M_4 (M_2+M_2), 〖MS〗_4 (M_2+S_2) 그리고 M_sf (M_2-S_2)가 생성된다 (Pugh, 1987).
대칭 형태의 외해 조석은 하구로 진입하면서 다양한 비선형 효과에 발생된 배조와 복합조에 의해서 변형된 조석 곡선으로 나타난다. 비선형 효과에 의한 조석 곡선의 비대칭은 하구와 외해 조석의 큰 차이라고 말할 수 있다 (Dronkers, 1986; Pugh, 1987; Dyer 1997). 조석비선형은 전통적으로 왜곡 정도를 크기를 파악하기 위해서 진폭성분의 비 (H_(M_2 )/H_(M_4 ))와 비선형의 방향을 제시하기 위해서 성분의 상대적인 위상차이 (2φ_(M_2 )-φ_(M_4 ))를 사용하여 정량화되었다 (Friedrich and Aubrey, 1988). 이러한 전통적인 방법론은 분조의 결합에 의한 반응을 봐야 하고, 다른 분조들이 수반된 비선형이 존재하는 지역과의 비교에 어려움이 있다 (Song et al., 2011). 이에 새로운 방법으로 Nidzieko (2010)의 방법이 제시되었고, Song et al.(2011)은 이를 개선하였다.
경기만 한강하구에서 담수는 한강, 임진강 그리고 예성강에서 유입되며 강화도 동쪽의 염하수로와 서쪽의 석모, 교동수로를 통해서 경기만으로 유출된다 (Fig. 1). 육상에서 유입되는 계절적 변화를 보이는 담수량과 외해에서 전파되는 조석은 위 수로를 통해서 만나고 시공간적으로 복잡한 잔차 순환을 보여준다 (Park et al., 2002). 염하 및 석모수로는 조차가 크고, 수심이 낮기 때문에 독특한 전파특성을 보이고, 상류방향으로 상이하게 변할 가능성이 높다 (Yoon and Woo, 2011). 다양한 외력이 존재하고 수로 별 특징이 강한 경기만의 조석체계 (tidal regime)를 이해하기 위해서 기존 방법 이외에 추가로 다양한 방법을 시도해 보았다.
본 연구의 목적은 다양한 외력이 복합적으로 작용하고 수로 별 특징이 강한 경기만 한강하구의 천문조, 배조 및 복합조가 포함된 조석 전파 특성을 제시하는 것이다. 또한, 조석 형태수 (tidal form number)와 더불어 본문에 제시 할 천해 및 장주기 조석 형태수를 이용하여 한강하구의 조석체계를 구역별로 분류하였다.
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한강 하구의 조석 체계 연구번역(영어 번역본)
Estuaries are transition zones where fresh water of rivers and saltwater meets and mixes together. Their physical, sedimentary, and biogeochemical changes occur very intricately and uniquely both temporally and spatially. Such temporal and spatial variations are affected by complex interactions of various physical external forces of rivers, which include tides, waves, and stream flows (McLusky and Elliott, 2004). It is essential to investigate physical mechanisms of estuaries for understanding the diverse changes of estuaries caused by different external forces. Studying tides, the largest external force, of western coasts, especially the Hangang river Estuary of Gyeonggi Bay, is the most fundamental process which must be carried out in order to understand the biogeochemical changes cause by changes in physical maritime environments.
The most distinctive characteristics of estuaries compared to the open sea are that the magnitude of the tidal range cannot be ignored in relation to the depth of water and that the tides are strongly influenced by the floor friction (e.g., Pugh, 1987; Parker, 1991). Because of such characteristics, the ebbs and flows of tides that display regular sine waves in the open sea begin to show variations in the tidal curve, with the sizes and the times of high tides and low tides, as they enter the estuaries (LeBlond, 1978). The variations of tides and currents and their asymmetries can be expressed as shallow water tides which are defined by overtides and compound tides (Gallo and Vinzon, 2005). Shallow water tides are a very important factor in studying tides in estuaries and they are created by various nonlinear causes such as geographical effects and floor frictions (Parker, 1991). Regions that consist of a large number of waterways, like the Hangang river estuary, will have different spatial distribution of shallow water tides because of non-linear causes that are spatially different.
Shallow water tides are classified as overtides and compound tides depending on the tidal constituents that are mixed (Le Provost, 1991). Overtides always possess frequencies that are exact multiples of the basic frequency which cause their occurrences and phase-locked wave packets. Instead, overtides bring increases in permanent tidal variations of basic tidal waves (Pugh, 1987). Whereas simple sine curves created by astronomical tides do not have differences in durations, tidal deformations cause asymmetries like a difference between the fall time of low tides and the rise time of high tides. Along with overtides created by overlaps of identical basic tidal constituents, tidal constituents created by overlaps of two different basic tidal constituents in shallow waters are called compound tides. While, overtides and compound tides are created by mixtures of various basic astronomical tides, M_4 (M_2+M_2), 〖MS〗_4 (M_2+S_2) and M_sf (M_2-S_2) are primarily created in regions like Gyeonggi Bay and Hangang river estuary which predominantly have semidiurnal tidal cycles (Pugh, 1987).
Open sea tides, which have symmetrical shape, display tidal curves that are deformed due to overtides and compound tides created by various non-linear effects as they enter estuaries. Asymmetrical tidal curves created by the non-linear effects can be said to be the big difference between the tides in estuaries and the open sea (Dronkers, 1986; Pugh, 1987; Dyer 1997). The non-linearity of tides has been traditionally quantified by using the ratio of amplitudes (H_(M_2 )/H_(M_4 )) in order to understand the magnitudes of deformation and the relative phase differences ( ) in order to present the direction of the non-linearity (Friedrich and Aubrey, 1988). Such traditional methodology present the following challenges; 1) the response due to combination of tidal constituents must be examined, and 2) it is difficult to make comparisons with other regions where non-linearity, accompanied by different tidal constituents, exist. Thus, a new methodology was proposed by Nidzieko (2010) and Song et al. (2011) made further improvements. In Hangang river estuary, freshwaters flow in from Hangang river, Imjingang river and Yeseonggang river, and exit to Gyeonggi Bay through Yeomha channel on the east side of Ganghawdo Island and Seokmo and Kyodong channels on the west side of Ganghwado Island (Fig. 1). Freshwater, which flow in from the ground and shows seasonal changes, and tides that are propagated from the open sea meet through the aforementioned channels and display residual cycles that are very complex both temporally and spatially (Park et al., 2002). Yeomha and Seokmo channels display distinctive propagation characteristics because they have big tidal ranges and their water depth is shallow, and more variations are expected as they move upstream (Yoon and Woo, 2011). Various methodologies were explored in addition to previous methodologies in order to understand the tidal regime of Gyeonggi Bay, where various external forces exist and characteristics of different channels are distinctive.
The purpose of this study is to present the characteristics of tidal propagation in Hangang river estuary of Gyeonggi Bay where astronomical tides, overtides and compound tides are included, and in which the characteristics of each channels are distinctive. In addition, this study has made regional classifications of tidal regimes by using the tidal form numbers, along with the shallow-sea and tidal form numbers, which are to be presented in this article.
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