주요내용
Dynamics of a Tidal Current System in a Marginal Sea: A Case Study of the Yellow Sea, China
주변해의 조류(潮流) 체계 동역학: 중국 황해 사례 연구
첸 장(Qian Zhang)¹, 민 수(Min Su)², 펑 야오(Peng Yao)¹ ², 융핑 천(Yongping Chen)¹ ², 마르셀 J. F. 스타이브(Marcel J. F. Stive)³, 정 B. 왕(Zheng B. Wang)³ ⁴
¹ 河海大學 水文水資源與水利工程國家重點實驗室，中國 南京
² 河海大學 港口海岸與近海工程學院，中國 南京
³ 代爾夫特理工大學 土木工程與地球科學院 水利工程系，荷蘭 代爾夫特
⁴ 三角洲研究所（Deltares），荷蘭 代爾夫特
Abstract
Tidal currents belong to the main driving forces shaping the bathymetry of marginal seas. A globally unique radial sand ridge field exists in the South Yellow Sea off the central Jiangsu coast, China. Its formation is related to the distinctive “radial tidal current” pattern at that location. A generally accepted hypothesis is that the “radial tidal current” is a consequence of the interference between the northern amphidromic tidal wave system and the southern incoming tidal wave. In this study, a schematized numerical tidal model was designed to investigate the tidal current system and the factors of influence in the South Yellow Sea. Concepts of the tidal current amphidromic point (CAP) and the tidal current inclination angle are utilized to analyze the inherent structure of the tidal current system. By conducting a series of numerical experiments, it is found that the Poincaré modes are necessary for the existence of “radial tidal current,” and the e-folding decay length should be smaller than the basin length. In the Yellow Sea, cross-basin phase differences due to lateral depth differences as well as open boundary conditions favor the emergence of the “radial tidal current.” Further analyses indicate that the CAP system (i.e., the co-inclination lines, the CAPs, and the tidal ellipticity) deepens the understanding on the dynamic structure of a tidal current system, and therefore, it deserves more attention in future studies.
조류는 주변해의 해저지형을 형성하는 주요한 구동력 중 하나이다. 중국 강소(江蘇) 연안 중앙부에서 떨어진 남황해에는 세계적으로 유일한 방사형 사구군이 존재한다. 그 형성은 이 지역의 특이한 ‘방사형 조류(潮流)’ 패턴과 관련이 있다. 일반적으로 받아들여지는 가설은, ‘방사형 조류’가 북쪽의 조석 진동파계와 남쪽에서 유입되는 조석파가 간섭한 결과라는 것이다. 본 연구에서는 남황해의 조류 체계와 그 영향 요인을 규명하기 위해 도식화된 수치 조석 모델을 설계했다. 조류 진동점(CAP)과 조류 경사각 개념을 이용해 조류 체계의 내재적 구조를 분석했다. 일련의 수치 실험을 수행한 결과, ‘방사형 조류’의 존재에는 푸앵카레(Poincaré) 모드가 필요하며, e-folding 감쇠 길이는 분지의 길이보다 작아야 한다는 사실이 밝혀졌다. 황해에서는 횡방향 수심 차이로 인한 분지 횡단 위상차와 개방 경계 조건이 ‘방사형 조류’의 출현을 촉진한다. 추가 분석은 CAP 체계(즉, 공동경사선, CAP, 조류 타원율)가 조류 체계의 동적 구조에 대한 이해를 심화시키며, 따라서 향후 연구에서 더 주목받아야 함을 보여준다.
REGIONAL SETTING
The geometry of the Chinese Marginal Seas, i.e., the Bohai Sea, Yellow Sea, and East China Sea (hereafter referred to as BYECS) is complicated by the presence of several bays, peninsulas, estuaries, and other natural geophysical settings (Figure 1a). For clarity, the region is divided into four parts: the Bohai Sea, North Yellow Sea, South Yellow Sea, and East China Sea. In this study, the boundaries between each two adjacent seas are represented by several arbitrary lines, respectively, connecting the Shandong Peninsula, the Liaodong Peninsula, and the Korean Peninsula (green dotted lines in Figure 1a).
중국 주변해, 즉 발해(渤海), 황해, 동중국해(이하 BYECS로 지칭)의 지형은 여러 만, 반도, 하구 및 기타 자연 지형적 조건들로 인해 복잡하다(그림 1a). 이해를 돕기 위해 이 지역은 발해, 북황해, 남황해, 동중국해의 네 부분으로 구분된다. 본 연구에서는 산동(山東) 반도, 요동(遼東) 반도, 한반도를 연결하는 몇 개의 임의의 선(그림 1a의 초록 점선)으로 인접한 두 해역 사이의 경계를 나타냈다.
The underwater topography of the BYECS shows significant variations as well. The water depth changes from ∼2,000 m in the south (Okinawa Trough) to <50 m in the north, with a step-like characteristic in the longitudinal direction. In the South Yellow Sea, a north–south trough is situated in the center with a depth of 60–80 m (Figure 1a). Separating by the trough, the water depth is slowly decreasing with a gentle slope toward the Chinese coast, but more rapidly decreasing toward the Korean Peninsula (Figure 1b).
BYECS의 수중 지형 또한 뚜렷한 차이를 보인다. 남쪽의 오키나와 해구에서는 수심이 약 2,000 m에 이르지만, 북쪽에서는 50 m 미만으로 줄어들며 종방향으로 계단식 특징을 보인다. 남황해의 중심에는 깊이 60~80 m의 남북 방향 해구가 위치한다(그림 1a). 이 해구를 경계로 하여, 중국 연안 쪽은 완만한 경사를 이루며 서서히 얕아지고, 한반도 쪽은 더 급격하게 수심이 줄어든다(그림 1b).
The Yellow Sea is dominated by a semi-diurnal tide, with the M2 tide being the predominant tidal constituent (Choi, 1980; Fang, 1986; Lee and Beardsley, 1999). The “radial sand ridges” are located on the inner-shelf of the South-Western Yellow Sea with a mean tidal range of 4–6 m (Ren et al., 1986) and can be thus classified as a macro-tidal area (Davies, 1964). The largest observed tidal range can be up to 9.28 m in the Huangshayang tidal channel (Wang et al., 2012). The average spring tidal current can be as strong as 2 m/s in the “radial sand ridges.”
황해는 반일주조에 지배되며, 주요 조석 성분은 M2이다(Choi, 1980; Fang, 1986; Lee and Beardsley, 1999). ‘방사형 사구’는 황해 남서부의 내륙붕에 위치하며 평균 조차는 4~6 m로, 대조차 지역(macro-tidal area)에 해당한다(Ren et al., 1986; Davies, 1964). 황사양(黃沙洋) 조도(潮道)에서는 최대 9.28 m의 조차가 관측되었다(Wang et al., 2012). ‘방사형 사구’에서는 평균 춘조류가 최대 2 m/s에 이를 수 있다.
Figure 2a shows the co-tidal elevation chart of the M2 tide. There are two amphidromic points in the Yellow Sea. One is located under the Liaodong Peninsula in the North Yellow Sea; another is located under the Shandong Peninsula in the South Yellow Sea. Off the central Jiangsu coast, several arc-shaped co-phase lines (e.g., 100, 120° co-phase lines) denote the interference between the anti-clockwise amphidromic system in the South Yellow Sea and the tidal wave from the East China Sea. The arc-shaped tidal wave is hypothesized to be the main reason for the occurrence of the “radial tidal current” in previous studies (e.g., Zhang et al., 1999).
그림 2a는 M2 조석의 공조석고도도를 보여준다. 황해에는 두 개의 진동점(amphidromic points)이 있다. 하나는 북황해 요동(遼東) 반도 아래에, 또 다른 하나는 남황해 산동(山東) 반도 아래에 위치한다. 강소(江蘇) 연안 중앙부에서는 여러 개의 호(弧) 모양 공위선(예: 100°, 120° 공위선)이 나타나며, 이는 남황해에서 반시계 방향으로 회전하는 진동계와 동중국해에서 들어오는 조석파가 간섭한 결과이다. 이러한 호 모양 조석파는 ‘방사형 조류’ 발생의 주요 원인으로 가정되어 왔다(Zhang et al., 1999).
The tidal current pattern in the “radial sand ridges” can be artificially divided into two categories by taking the Huangshayang Channel as boundary, shown in Figure 2b (denoted by the two Roman numbers). In the northern part (region I), the major axis of the tidal current ellipses spreads radially in a fan shape with an angle of ∼90° and smaller ellipticities (the ratio of semi-minor axis over the semi-major axis). In the southern part (region II), the main direction of the tidal current ellipses is SE-NW with larger ellipticities.
‘방사형 사구’의 조류 패턴은 황사양(黃沙洋) 조도를 경계로 인위적으로 두 범주로 나눌 수 있다(그림 2b의 로마 숫자 표시). 북부 지역(I)에서는 조류 타원장의 장축이 부채꼴로 방사형으로 퍼지며 각도는 약 90°이고, 타원율(단축/장축 비율)은 작다. 남부 지역(II)에서는 조류 타원장의 주된 방향이 남동–북서(SE–NW)이며 타원율은 더 크다.
그림/표
FIGURE 1 | Geometry and bathymetry of the Bohai Sea, Yellow Sea, and East China Sea (BYECS) and schematized model configurations. (a) Overall geometry and bathymetry of the BYECS; the green dotted lines show the boundaries between the adjacent seas in this study; the green dashed lines show the schematized geometry of the BYECS used in the model; (b) water depth of a typical trans-section in the South Yellow Sea; (c) experimental configurations of the schematized model on the basin geometries; (d) experimental configurations of the schematized model on the bathymetries of the South Yellow Sea [shoreline schematizations are based on (a)].
그림 1 | 발해(渤海), 황해, 동중국해(BYECS)의 지형과 수심 및 도식화된 모델 설정. (a) BYECS의 전체 지형과 수심; 초록 점선은 본 연구에서 인접한 해역 사이의 경계를 나타냄; 초록 파선은 모델에 사용된 BYECS의 도식화된 지형을 나타냄; (b) 남황해에서 전형적인 횡단면의 수심; (c) 분지 지형에 관한 도식화된 모델의 실험 설정; (d) 남황해 수심에 관한 도식화된 모델의 실험 설정 [해안선 도식화는 (a)를 기반으로 함].
FIGURE 2 | Co-tidal chart (a) and the tidal current ellipse field (b) of the BYECS (after Su et al., 2013). Note that the phases (in degree) of the co-tidal chart refers to the coordinated universal time (UTC).
그림 2 | BYECS의 공조석도(a)와 조류 타원장(b) (Su et al., 2013에서 인용). 공조석도의 위상(도 단위)은 협정 세계시(UTC)를 기준으로 함에 유의.
TABLE 1 | Case description based on the schematized Bohai Sea, Yellow Sea, and East China Sea (BYECS) model.
표 1 | 도식화된 발해, 황해, 동중국해(BYECS) 모델을 기반으로 한 사례 설명.
FIGURE 3 | Simulation results of M2 tide in the schematized model. (a) Co-tidal elevation chart. Co-phase lines are in degree. (b) Co-tidal current chart. Co-current-phase lines are in degree. The background contour map denotes the tidal ellipticity. (c) Tidal ellipse field, with enlarged area in the radial sand ridges. The co-inclination contour lines are marked in red color. The inclination is with respect to the west–east direction and in the range of 0–180°. Note that there exists several sets of multiple (thick) lines, which is because of a numerical limitation (i.e., 0° and 180° are of the same angles).
그림 3 | 도식화된 모델에서 M2 조석의 시뮬레이션 결과. (a) 공조석고도도. 공위선은 도 단위로 표시됨. (b) 공조석류도. 공류위선은 도 단위로 표시됨. 배경 등고선 지도는 조류 타원율을 나타냄. (c) 조류 타원장, 방사형 사구 지역을 확대 표시함. 공동경사 등고선은 붉은색으로 표시됨. 경사각은 동–서 방향을 기준으로 하며 0–180° 범위에 있음. 수치적 제한(즉, 0°와 180°가 동일한 각도로 취급됨)으로 인해 여러 겹의 굵은 선들이 존재함에 유의.
FIGURE 4 | Co-tidal current charts of four cases on basin geometry. Co-current-phase lines are in degree with the interval of 20°. (a) Case G1; (b) Case G2; (c) Case G3; (d) Case G4.
그림 4 | 분지 지형에 따른 네 가지 사례의 공조석류도. 공류위선은 20° 간격의 도 단위로 표시됨. (a) 사례 G1; (b) 사례 G2; (c) 사례 G3; (d) 사례 G4.
FIGURE 5 | Tidal ellipse fields of four cases on basin geometry. (a) Case G1; (b) Case G2; (c) Case G3; (d) Case G4. The co-inclination contour lines are marked in red color. The inclination is with respect to the west–east direction and in the range of 0–180°.
그림 5 | 분지 지형에 따른 네 가지 사례의 조류 타원장. (a) 사례 G1; (b) 사례 G2; (c) 사례 G3; (d) 사례 G4. 공동경사 등고선은 붉은색으로 표시됨. 경사각은 동–서 방향을 기준으로 하며 0–180° 범위에 있음.
FIGURE 6 | Co-tidal current charts of four cases on underwater topography. Co-current-phase lines are in degrees with the interval of 20°. (a) Case B1; (b) Case B2; (c) Case B3; (d) Case B4. The white square inside each figure denotes the position of CAP4 in the reference run.
그림 6 | 수중 지형에 따른 네 가지 사례의 공조석류도. 공류위선은 20° 간격의 도 단위로 표시됨. (a) 사례 B1; (b) 사례 B2; (c) 사례 B3; (d) 사례 B4. 각 그림 속 흰색 사각형은 기준 실행(reference run)에서 CAP4의 위치를 나타냄.
FIGURE 7 | Tidal ellipse fields of four cases on underwater topography. (a) Case B1; (b) Case B2; (c) Case B3; (d) Case B4. The co-inclination contour lines are marked in red color. The inclination is with respect to the west–east direction and in the range of 0–180°.
그림 7 | 수중 지형에 따른 네 가지 사례의 조류 타원장. (a) 사례 B1; (b) 사례 B2; (c) 사례 B3; (d) 사례 B4. 공동경사 등고선은 붉은색으로 표시됨. 경사각은 동–서 방향을 기준으로 하며 0–180° 범위에 있음.
FIGURE 8 | Simulation results of the idealized model (standard run). (a) Co-tidal elevation chart. Co-phase lines are in degrees with the interval of 20°. (b) Co-tidal current chart. Co-current-phase lines are in degrees with the interval of 20°. (c) Tidal ellipse field. The co-inclination lines are marked in red color. The inclination is with respect to the west–east direction and in the range of 0–180°.
그림 8 | 이상화된 모델(표준 실행)의 시뮬레이션 결과. (a) 공조석고도도. 공위선은 20° 간격의 도 단위로 표시됨. (b) 공조석류도. 공류위선은 20° 간격의 도 단위로 표시됨. (c) 조류 타원장. 공동경사선은 붉은색으로 표시됨. 경사각은 동–서 방향을 기준으로 하며 0–180° 범위에 있음.
TABLE 2 | Case description in a rectangular semi-enclosed basin.
표 2 | 직사각형 반폐쇄 분지에서의 사례 설명.
FIGURE 9 | Configurations of experimental group A (a) cross-basin phase differences along open boundary and (b) experimental group B cross-basin seafloor slopes.
그림 9 | 실험 그룹 A의 설정 (a) 개방 경계에 따른 분지 횡단 위상차, (b) 실험 그룹 B의 설정 분지 횡단 해저 경사.
FIGURE 10 | X- and Y-positions of elevation amphidromic points (EAPs, a) and current amphidromic points (CAPs b, c) on different phase differences along the open boundary. The shadowed area denotes the occurrence of the “radial tidal current.” The definition method of the “radial tidal current” refers to the Illustration of a Tidal Current System section and the Tidal Current System of the Reference Case section. The Roman numbers in (c) denote the examples in Figure 11.
그림 10 | 서로 다른 개방 경계 위상차에 따른 고도 진동점(EAP, a)과 조류 진동점(CAP, b, c)의 X, Y 위치. 음영 부분은 ‘방사형 조류’의 발생 영역을 나타냄. ‘방사형 조류’의 정의 방법은 조류 체계 설명 절과 기준 사례의 조류 체계 절을 따름. (c)의 로마 숫자는 그림 11의 예시를 나타냄.
FIGURE 11 | Tidal ellipse fields of four simulations. Different Roman numbers denote different simulations (see that in Figure 13c as well): I ϕ = 150°; II ϕ = 270°; III ϕ = −150°; IV ϕ = −270°. ϕ is the phase differences along the open boundary. The co-inclination lines are marked in red color. The inclination is with respect to the west–east direction and in the range of 0–180°.
그림 11 | 네 가지 시뮬레이션의 조류 타원장. 서로 다른 로마 숫자는 서로 다른 시뮬레이션을 나타냄(그림 13c에서도 동일): I ϕ = 150°; II ϕ = 270°; III ϕ = −150°; IV ϕ = −270°. ϕ는 개방 경계에서의 위상차를 의미함. 공동경사선은 붉은색으로 표시됨. 경사각은 동–서 방향을 기준으로 하며 0–180° 범위에 있음.
FIGURE 12 | X- and Y-positions of EAPs (a) and CAPs (b, c) under different cross-basin bottom slopes. The shadowed area denotes the occurrence of the “radial tidal current.” The shadowed area denotes the occurrence of the “radial tidal current.” The definition method of the “radial tidal current” refers to the Illustration of a Tidal Current System section and the Tidal Current System of the Reference Case section.
그림 12 | 서로 다른 분지 횡단 해저 경사에서의 EAP(a)와 CAP(b, c)의 X, Y 위치. 음영 부분은 ‘방사형 조류’의 발생 영역을 나타냄. ‘방사형 조류’의 정의 방법은 조류 체계 설명 절과 기준 사례의 조류 체계 절을 따름.
FIGURE 13 | Tidal current system at 6,000 years BP. (a) Co-tidal current chart. Co-current-phase lines are in degree. The background contour map denotes the tidal ellipticity. (b) Tidal ellipse field (enlarged in the South Yellow Sea). The co-inclination contour lines are marked in red color. The inclination is with respect to the west–east direction and in the range of 0–180°.
그림 13 | 6,000년 전(BP)의 조류 체계. (a) 공조석류도. 공류위선은 도 단위로 표시됨. 배경 등고선 지도는 조류 타원율을 나타냄. (b) 조류 타원장(남황해 확대). 공동경사선은 붉은색으로 표시됨. 경사각은 동–서 방향을 기준으로 하며 0–180° 범위에 있음.