Study on the heat transfer in the ice chelf cavity based on LES model

Abstract

남극 빙붕(Ice Shelf)은 상류 빙하의 흐름을 효과적으로 제어하고 있으나, 지구 온난화로 따뜻해진 대기와 해수의 영향으로 안정도가 크게 약화되고 있어 빙상 붕괴 및 해수면의 급격한 상승을 초래할 가능성이 대두되고 있다. 따라서 다양한 방법을 활용하여 빙붕의 안정도를 지속적으로 관측하고 변화를 예측하는 것이 매우 중요한 현안이므로 빙붕 안정도에 직접적으로 영향을 미치는 빙붕하부 용융 기작과 이와 관련된 물리 현상을 규명하는 것이 무엇보다 중요하다. 이러한 빙붕 하부 용융은 빙붕과 밀접한 혼합경계층 내 온도 및 유동 변화로부터 기인하기 때문에 급격한 혼합 경계층의 변화가 발생할 당시를 면밀하게 관찰해야 한다. 빙부 하부 지반선 주변에서 발생하는 용융은 과냉각 및 저밀도의 상태로 상승하면서 빙붕하부 물기둥(water plume)을 형성하게 되고 이러한 물기둥은 빙붕 하부 혼합 경계층에 큰 변화를 준다. 이 연구에서는 물기둥이 발생하는 빙붕 하부의 혼합 경계층 현상을 이해하기 위해 큰에디모사 (Large Eddy Simulation) 모델을 활용하여 빙붕 주변 해양 및 경계층을 모사하였고, 용융과 관련한 열전달 특성 및 유동적 특성을 분석하였다. 모사 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 2017/2018년도 여름철, 남극 장보고과학기지 주변 테라노바 만 해양에서 수행된 24개의 CTD (Conductivity, Temperature, Depth) 관측과 23개의 LADCP (Lowered Acoustic Doppler Current Profiler) 관측 자료에서 도출된 속도 및 온도, 염도와의 비교검증을 하였다. 모사된 유동의 속도는 실제 관측과 비교하였을 때, 속도의 크기 및 기울기, 최대 속도의 깊이 등 다양한 측면에서 잘 일치하였다. 또한 온도와 염도에 대한 비교에서는 상부 경계층의 깊이가 과모의되는 경향성을 보였고 이로 인해 온도 및 염도의 크기가 다소 차이를 보였다. 하지만 과냉각 상태의 물기둥 온도 및 염도 특성은 대체로 일치하였으며 그 변화 추이 또한 매우 잘 일치한 것을 확인하여, 수치모델을 통한 모사가 실제 해양 특성을 잘 반영하고 있다고 판단하였다. 빙붕 하부로부터 200 m 부근까지의 유동 난류의 난류에너지 분포를 관찰하였을 때, 관성 아구간(Inertial subrange, k-5/3)의 난류 운동과 소산영역(Dissipation range, k-3)의 난류가 잘 모사되고 있음을 관찰할 수 있었다. 운동량속과 열속의 연직 분포 및 유동 와류의 크기, 강도에 대한 통계적 분석을 수행하여 빙붕 하부 주변에 강한 유동 와류와 함께 큰 열속이 분포하는 것을 관찰하였다.