울릉도 난수성 소용돌이의 3차원 기울기 구조 정량화 및 위상 분석을 위한 지수 개발 = An Indicator for Quantifying the 3-D Tilting Structure and Analyzing the Phase of the Ulleung Warm Eddy

국문 초록 (Abstract)

중규모 소용돌이는 열 및 운동 에너지의 저장체로서 지역적인 에너지 전달에 크게 기여하므로, 장기성을 지닌 울릉도 난수성 소용돌이의 생애주기를 분석하는 것은 중요하다. 기존 연구에서는 소용돌이의 생애주기를 이해하기 위해 에너지 시스템을 정량적으로 해석할 수 있는 방정식을 도입해 왔으나, 에너지 폐쇄 문제(energy-balance closure problem)라는 제약이 있었다. 이에 따라 중규모 소용돌이의 3차원 기울기 구조를 활용한 정성적 분석이 시도되어 왔지만, 물리 변수-3차원 기울기 구조 간 관계를 정량화하려는 연구는 아직 수행되지 않았다.
이에 본 연구에서는 중규모 소용돌이의 동역학적 특성(에너지의 수렴‧발산)과 기하학적 구조(3차원 기울기 구조)를 정량화한 새로운 지수를 제안하였다. 연구 대상은 울릉도 난수성 소용돌이이며, 분석을 위해 중규모 소용돌이의 시‧공간 규모를 고려한 울릉 분지 지역의 일 단위, 25 km 해상도의 3차원 수온‧염분장을 딥러닝 기반 조건부 계산 모델(Conditional Computation Model, CCM)을 이용하여 구축하였다. 조건부 계산 모델의 성능은 울릉 분지 전 수심에서 최대 1.62℃와 0.07psu의 평균제곱근편차를 보였다. 관측된 울릉도 난수성 소용돌이의 성장–쇠퇴–월동–소멸 과정은 기존 연구에서 보고된 생애주기와 잘 일치하였다. 제안한 지수를 적용한 결과, 기울어짐이 안정화되는 시기에 성장 단계가 나타났으며, 반대로 불안정화되는 시기에는 에너지 재분배 양상에 따라 성장 또는 쇠퇴 단계가 구분되었다. 에너지 재분배 과정에서 작용한 기작을 설명하기 위해 경압 불안정성(BCI), 순압 불안정성(BTI), 에디 운동 에너지(EKE), 섭동 잠재 에너지(PEP) 간의 에너지 균형을 분석하였다. 이를 통해 경압화 시기 이후에는 강체 편향 이동이, 순압화 시기에는 비선형 안정화가 나타남을 확인하였다. 특히, 에너지 증폭기에는 에너지 균형 분석만으로는 도출할 수 없었던 에디-에디 상호작용으로 인한 소멸 단계를 새로운 지수가 포착함으로써 그 유효성이 검증되었다. 본 연구의 의의는 중규모 에디의 생애주기를 정량적으로 분석할 수 있는 새로운 지수를 제시한 데 있다. 더 나아가, 서로 다른 시스템에서 정립된 수학적‧물리적 법칙이 해양에서도 적용 가능함을 입증하여 그 보편성을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Ulleung Warm Eddy(UWE) is a long-lived mesoscale eddy. So, understandingits life cycle is essential for identifying ocean–atmosphere energy transfer and forrevealing the mechanisms that determine mesoscale eddy longevity. However,detecting phase transitions throughout its life cycle remains challenging due tonon-equilibrium state of energy balance, and no previous studies havequantitatively analyzed its three-dimensional structures. Therefore, this studyproposes a new index that quantifies both the dynamical characteristics andgeometric structure of mesoscale eddies. The physical variables used to computethe index were derived from a Conditional Computation Model(CCM), trained toestimate temperature and salinity at depths of 10–500 m using seasurface physicalparameters. The CCM independent test result showed root-mean-squareerrors(RMSE) of up to 1.62 °C and 0.07 psu across the entire depth range of the Ulleung Basin(UB). Using CCM outputs, the three-dimensional structure of the UWEduring 2014.11–2016.06 was investigated, and observed phases were consistentwith previously studies. Finally, applying the proposed index to these physicalvariables and three-dimensional structures revealed that growth phase occurredduring periods of stabilized tilting. In contrast, destabilized tilting corresponded toeither growth or decay phase depending on the direction of energy transfer.
Throughout this study, the generalization capability of the CCM under diverseoceanic conditions was verified. Furthermore, we identified the mechanisms actingduring UWE life cycle, including westward-drift induced by interactions betweensolid-body and a nonuniform background flow, nonlinear stabilization responsiblefor eddy solidification and longevity, and energy amplification associated with

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 자료 및 방법 4
• 2.1. 자료 4
• 2.1.1. 해수면 자료 6
• 2.1.2. 해수면 아래 자료 8
• 2.2. 방법 10
• 2.2.1. 해수면 아래 자료의 산출 12
• 2.2.2. 3차원 구조 조사 14
• 2.2.3. Wobbling Ratio 기반의 울릉도 난수성 소용돌이 위상 분석 16
• 2.2.4. 실험 구성 19
• 3. 결과 21
• 3.1. 조건부 계산 모델의 성능 21
• 3.2. 울릉도 난수성 소용돌이의 3차원 형태와 기울기 구조 변화 24
• 3.3. 위상 분석에서의 Wobbling Ratio와 에너지양 비교 27
• 4. 토의 29
• 4.1. 조건부 계산 모델의 일반화 문제 개선 29
• 4.2. 울릉도 난수성 소용돌이의 생애주기에서의 물리적 기작 규명 31
• 4.2.1. 강체와 비균질한 배경류 상호작용에 의한 서쪽 편향 이동 32
• 4.2.2. 비선형 안정화에 의한 강체화 및 장기화 35
• 4.2.3. 소용돌이-소용돌이 상호작용에 의한 에너지 증폭 37
• 5. 요약 및 결론 39
• 참고문헌 40
• Abstract (in English) 45