Observation of Kuroshio meander and its propagation in the East China Sea from June 2020 to June 2023 = 동중국해 해역에서 쿠로시오 사행과 전파특성 관측 연구:2020년 6월–2023년 6월

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Kuroshio meander, which flows along the continental slope in the East China Sea (ECS), exhibits dynamic variations that influence the distribution of heat, salt, and nutrients between the open ocean and the continental shelf. The Kuroshio meander contributes to significant cross-shelf exchange, impacting marine ecosystems and regional circulation. Understanding these meanders is crucial for understanding how western boundary currents contribute to local environmental variability. This study provides direct observations of the Kuroshio meander using 75 kHz Acoustic Doppler Current Profilers (ADCPs) deployed both along and across the Kuroshio path in the ECS from June 2020 to June 2023. For the first time, the mean structure of the Kuroshio velocity profiles for its onshore and offshore sides and their variations are analyzed using three years of continuous velocity observations. Observations along and across the Kuroshio path are essential for assessing variations such as strengthening/weakening or onshore/offshore shifts. This study utilizes observations at two locations—onshore and offshore sites—across the Kuroshio path, in each of two latitudinal bands, to examine the relationship between current variability at upstream and downstream locations in the ECS.
Velocity profiles observed in the ECS using ADCPs reveal variability at periods longer than 40 days, driven by monsoon winds and mesoscale eddies. The observation region is characterized by distinct seasonal monsoonal winds, with northerly winds prevailing in fall and winter. These winds are associated with a decrease in Kuroshio surface-layer velocity and an onshore-ward shift of the Kuroshio velocity core. In addition, mesoscale eddies propagating from east of Taiwan also modulate the Kuroshio velocity and induce horizontal displacement of its axis. These eddies, identified from 40–160 day band-pass filtered sea level anomalies (SLA), propagate along the Kuroshio path and influence the upstream and downstream sites. Eddy signals from the Northwestern Pacific can also intrude into the ECS through the Kerama Gap. These eddy-driven flows across the Kuroshio path alter isotherm structures near the continental slope, leading to temperature anomalies and, via thermal wind balance, to velocity changes on the onshore side of the Kuroshio, particularly in the mid-depth layers. The ADCP-observed velocity profiles exhibit a strong intraseasonal variability ranging from 8 to 32 days. Within this frequency band, current velocities exhibit a strong relationship when the upstream precedes the downstream by 6 days. This lagged co-variability is most pronounced between May and August, with a variation increase in along-path speeds of approximately 24% at 250 m depth at onshore sites and an increase in cross-path speeds of approximately 22% at 200–300 m depth at offshore sites. The observed co-variability is associated with intraseasonal variability of the sea level anomaly from the satellite altimetry, showing northeastward propagation of the Kuroshio meanders. Over the 3-year observation period, the meanders from observed velocity profiles had a wavelength of approximately 240 km and propagated northeastward along the Kuroshio path at approximately 15.7 km/day.

국문 초록 (Abstract)

쿠로시오 해류는 대양의 열, 염분, 영양염 등을 동중국해와 인근 해역으로 수송한다. 쿠로시오 사행은 대륙붕과 대륙사면을 가로지르는 물질 교환을 유도하여 지역 해양 생태계 및 순환에 영향을 미친다. 동중국해 쿠로시오의 시공간 변동을 살펴보기 위해 이 연구에서는 2020년 6월부터 2023년 6월까지 쿠로시오 경로 인근에 75 kHz ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)를 설치하고, 관측된 유속 프로파일을 이용하여 쿠로시오 사행 특성을 분석하였다. 쿠로시오 경로를 가로지르는 방향과 쿠로시오 경로를 따라 배치된 총 4개의 ADCP에서 3년간 연속 관측된 유속 자료를 기반으로, 평균 해류 방향으로 좌표계를 회전시킨 유속을 분석하였다. 관측유속 자료는 40일 이상의 장주기 변동을 보였으며, 선형회귀분석을 통해 이는 계절풍과 관련이 있고, 또한 중규모 소용돌이에 의해 유발되는 것을 위성관측 자료를 통해 확인하였다. 관측 해역은 가을과 겨울에 북풍, 북동풍이 우세하는 등 계절풍의 영향이 뚜렷하고, 계절 변동 규모에서 북풍 계열 바람 응력과 표층에서 북동향의 쿠로시오 유속 감소, 쿠로시오 축의 연안방향으로 이동이 유의한 상관관계를 보였다. 또한, 위성고도계를 통해 관측된 40–160일 주기 대역의 해수면고도 편차를 통해 대만 동쪽에서 전파되는 중규모 소용돌이는 동중국해로 유입되어, 쿠로시오 경로를 따라 하류역으로 전파되며 쿠로시오 유속 및 축 위치의 수평 변동을 유발하였다. 북서태평양으로부터의 중규모 소용돌이 신호는 케라마 갭을 통해서도 동중국해로 유입되며, 이로 인한 흐름은 대륙사면 인근에서 등수온선을 깊게 만들고, 온도 아노말리를 형성하여 온도풍 균형를 통해 대륙사면 근처 중층에서 대륙사면의 유속 변화를 유발한다. 또한 ADCP로부터 관측된 유속은 8–32일의 주기를 갖는 강한 계절내 변동을 나타내며, 해당 주기대역에서 상류역이 하류역보다 약 6일 선행할 때 가장 강한 공분산이 나타났다. 이 공분산은 5월부터 8월 사이에 전체 기간 평균에 비해 높게 나타났으며, 이는 위성으로 관측한 쿠로시오 유속이 연 평균 유속에 비해 강하게 발달한 시기와 유사하다. 해수면고도 편차를 상류역과 하류역의 공분산에 선형회귀분석한 결과, 쿠로시오 경로를 따라 음과 양의 해수면고도 편차가 위치하여 쿠로시오 사행을 나타냈고, 이러한 공간분포는 약 15.7 Km/day의 속도로 북동쪽으로 쿠로시오 경로를 따라 하류역으로 전파한다. 이 연구는 장기간 동안 여러 정점에서 동시 관측한 유속 프로파일을 통해 쿠로시오 사행을 직접 관측하였으며, 이는 기존 연구에서 관측 기간이나 정점의 한계로 인해 파악되지 않았던 쿠로시오 변동 특성을 새롭게 제시하였다. 특히, 쿠로시오 유속의 변화가 축의 수평 이동과 밀접하게 연관되어 있으며, 이에 따라 쿠로시오 축의 내륙 측과 외해 측에서 유속 변동 양상이 다르게 나타남을 확인하였다. 또한, 케라마 갭을 통해 중규모 소용돌이에 의해 유도된 흐름이 동중국해로 유입되는 현상은 위성 기반 연구에서 보고된 바 있으나, 본 연구는 이 흐름이 쿠로시오 축의 외해 측이 아닌 내륙 측에서 중층 유속의 변화를 유발할 수 있음을 처음으로 관측을 통해 제시하였다. 아울러, 계절내 변동 스케일에서 나타나는 쿠로시오 사행은 쿠로시오 유속이 강해지는 계절에 주로 발달하며, 수심 200–300 m에서 가장 뚜렷한 유속 변동이 나타났고, 북위 26도 이북 해역에서만 발생하는 경향이 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Figures vi
• List of Tables xiv
• 1. Introduction １
• 1.1. Study Background １
• 1.2. Kuroshio variability in the East China Sea ３
• 1.3. Purpose of Research ７
• 2. Data and methods ８
• 2.1. Observation data ８
• 2.2. Reanalysis data １２
• 2.3. Method １３
• 3. Results １６
• 3.1. Mean structure of the Kuroshio １６
• 3.2. Low-frequency (>40-day) variability ４７
• 3.2.1 Horizontal displacement of the Kuroshio ４８
• 3.2.2 Vertical expansion and contraction of the Kuroshio ６８
• 3.3. Intraseasonal variability ８０
• 3.2.1. Kuroshio meander from ADCP observation ８９
• 3.3.2. Kuroshio meander from HYCOM １０５
• 4. Summary and Discussion １２２
• Bibliography １２６
• Abstract in Korean １３６