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Jung and Jeong: Spatial Distribution and Time Variation of M2 Tide and M4 Tide in the Western Coast of Korea

Abstract

In the coastal region of Korea, historical tide harmonic constants were collected. Long-term tides and short-term tides observed by the KHOA were analyzed by a tide harmonic analysis method. Based on the harmonic constants, tidal characteristics such as tide asymmetry in Korean coastal waters were investigated. The harmonic constants obtained from the long-term tide data in the western coast have been used to show the relation between tide variation and reclamation project. M2 amplitudes in the western coast have been decreased and M2 phases were faster. M4 amplitudes also were reduced and M4 phases were faster in overall. In Mokpo and Kunsan tidal nonlinearity is relatively conspicuous. Overall, non-linearity of tidal currents is higher in the tidal channels flowing fast. The tidal non-linearity has increased by the development projects including large reclamation. The flood dominant characteristic in the northern and central part of Korean western coastal waters and the ebb dominant characteristic in the southern part have been intensified. The construction of Saemangeum sea dike has significantly changed the tidal characteristic in Korean western coastal waters.

Abstract

우리나라 연안해역에서 기왕에 발표된 조위와 조류 조화상수를 수집하여 정리하고, 국립해양조사원에서 관측한 서해안 검조소의 장기 조위자료와 경기만과 남서해안의 단기 조위자료를 조화분석하였다. 이 자료를 토대로 우리나라 연안해역에서 조석과 조류의 분포특성 특히 비선형성을 조사하였으며, 장기 조위자료를 조화분석한 결과를 토대로 M2 분조와 M4 분조의 시간변화와 개발사업과의 관련성에 대해서 연구하였다. M2 분조의 진폭은 서해안 전역에서 과거에 비해서 전반적으로 감소하고 있었으며, 위상은 빨라지고 있었다. M2 분조의 비선형 상호작용에 의해 발생되는 비선형 분조인 M4 분조도 M2 분조와 마찬가지로 전반적으로 진폭은 감소하고, 위상은 빨라지고 있었다. 조석의 비선형성은 서해남부해역에서 크게 나타났으며, 군산해역에서도 비교적 뚜렷하게 나타났다. 조류 비선형성은 조석과 마찬가지로 지역적으로는 서해남부해역에서 크게 나타났으며, 전반적으로 유속이 빠른 서해와 남해의 대부분 조석수로에서도 비교적 크게 나타났다. 서해에서 전반적으로 조석 비선형성이 해안개발사업의 효과로 증가하고 있었으며, 서해 중부와 북부의 창조우세특성과 남부의 낙조우세특성은 각각 심화되고 있었다. 특히 새만금방조제 건설은 서해중부와 남부의 조석체계를 다른 사업들에 비해서 크게 변화시켰다.

1. 서 론

우리나라 연안해역은 지역적으로 다른 지형적 특성을 가지고 있으며, 이에 따라 조석특성도 해역에 따라 다르게 나타난다. 서해안은 수심이 얕고, 조차가 크고, 넓은 조간대가 분포하고 있다. 그러나 얕은 수심으로 인하여 간척사업이 용이하다는 이유로 그 동안 대규모 간척이 곳곳에서 진행되어 왔으며, 서해로 유입되고 있는 대부분 하천에는 하구 둑이 건설되어 왔다(Sunwoo, 1996). 이로 인하여 서해안의 조석특성도 변화되고 있다(Koo, 1997; Choi and Kang, 1990). 남해안은 많은 섬들로 이루어져있으며, 서해안과 같이 연근해에는 조간대가 분포하고 있으나 외해로 나가면 수심이 깊다. 동해안은 해안선이 단순하고 수심이 깊으며, 조차가 매우 적다. 해안이 간척 등으로 매립되거나 기후변화로 해수면이 상승하게 되면 조석특성이 변화하게 된다. 일반적으로 해안선이 단순화되고, 수심이 깊어지면 조석의 위상이 빨라지고, 진폭은 감소하게 된다. 그러나 지역에 따라 해안개발과 해수면상승이 조석특성에 미치는 영향이 다르게 나타날 수 있다. 해안에서 조석현상의 의한 해수면 변화를 정확하게 예측하거나 평가하는 것은 해안저지대의 침수가능성을 정확하게 예측하고, 이에 대한 방재대책을 수립하는 데 있어서 매우 중요하다. 그러나 개별 사업으로 인한 국지적인 조석특성의 변화에 대해서는 그 동안 연구가 다수 진행된 바 있으나 우리나라 연안해역의 전반적인 조석특성의 변화에 대해서 연구한 경우는 거의 없다. 또한, 비선형 조석은 오염물질의 이동 특성에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 조석의 비대칭성으로 인해 창조기간이 짧아서 창조류가 강한 지역에서는 육상으로부터 유입된 오염물질이 외해로 배출되기 어려워 수질오염이 쉽게 발생한다. 한편 낙조기간이 짧아서 낙조류가 강한 해역에서는 육상으로부터 유입된 연안해역의 오염물질이 원해역으로 쉽게 배출되어 수질오염을 잘 발생하지 않는다(Moore et al., 2009). 따라서 환경적인 관점에서 조석 비선형성의 변화는 매우 중요하다. 그러나 우리나라 연안해역에서 조석과 조류의 비선형성 분포특성과 시간변동에 대해서는 일부 지역을 제외하고는 거의 연구되지 않은 실정이다. Yoo(2010)는 서해안에서 관측한 단기 및 장기 조위자료를 조화분석하여 비선형 분조의 공간분포를 제시하고, 특히 남서해역에서 크게 나타난다고 보고 하였다. 목포 인근해역에서 조석 비선형성의 증가에 대해서는 그동안 많은 연구가 있었으며, 하구 둑 건설과 간척사업이 주요 요인으로 알려져 있다(Kang, 1999; Kang, 1996; Kang, 1995). 최근에 인천과 부산의 장기 조석자료를 분석한 결과(Ko et al., 2010)에 의하면, 인천지역에서 1990년대 중반 이전에는 낙조우세형 조석을 보였으나 1990년 중반 이후에는 점차적으로 창조우세로 변화하고 있음이 보고된 바 있다. 이와 같이 연안개발과 지구온난화로 인하여 우리나라 연안해역에서 조석 특성이 변화하고 있다.
본 연구에서는 우리나라 연안에서 조석특성의 공간분포를 파악하고, 서해안에서 시간변화를 조사하였다. 우리나라 연안해역에서 기왕에 관측된 조위 조화상수를 정리한 자료집(KORDI, 1996)과 환경영향평가보고서에서 조석 및 조류 조화상수를 수집하였으며, 경기만과 남서해안의 단기조위자료와 서해 검조소의 장기조위자료를 조화분석하였다. 이 결과들을 활용하여 대표 분조인 M2 분조와 대표적인 비선형 분조인 M4분조의 공간분포와 시간변화에 대해서 조사하였다. 또한 국립해양조사원 홈페이지(www.khoa.go.kr)에서 제공하고 있는 조류 조화상수를 활용하여, 조류 비선형성의 공간적인 분포를 조사하였다. 특히 조석 비선형성과 비대칭성에 대해서 집중적으로 검토하였으며, 서해안에서 조석의 시간적 변화와 그 원인에 대해서 자세히 고찰하였다.

2. 조위자료의 조화분석 및 조화상수의 정리

2.1 관측 조위자료의 조화분석

서해안에 위치한 13개 검조소(Fig. 1의 Long term)에서 조화상수를 얻기 위하여 국립해양조사원(KHOA)이 관측한 매시간 관측조위를 1년 단위로 나눠서 정리하고, 조화분석 프로그램(Easton, 1977)을 사용하여 조화분석하였다. 조위자료는 국립해양조사원 홈페이지에서 제공되는 월별 자료를 다운받아서 매년 자료로 변환한 후에 이를 조화분석하였다. 결측자료가 존재하는 지점에서는 분석 연도의 월단위로 가장 긴 기간을 선택하여 조화분석하였다. 또한 국립해양조사원이 외해에서 2007년부터 2008년까지 1개월 이상 단기관측한 서해(17개 정점, Fig. 1의 Short term)의 매시간 조위자료를 조화분석하였다. 단기 관측자료의 조화분석에서 관측된 자료는 조화분석과정에서 비조석성분에 의한 교란을 최소화하기 위해서 Doodson X0 filter(Godin, 1972)를 사용하여 비조석성분을 우선 제거한 후에 조화분석을 실시하였다. 20개 정점에서 관측된 단기 조위자료에 대해서 분석하였으나, 3개 정점에서 분석결과가 기존의 연구결과와 상이하고 자료상태가 불량하여, 이를 제외한 17개 정점의 조화분석 결과만을 공간분포의 분석에 사용하였다. 검조소 자료는 서해연안에서 주요 분조의 조화상수와 조석 비선형성의 공간분포와 시간변화를 검토하는 데 활용하였으며, 단기 관측자료의 조화상수는 외해에서 조화상수의 공간분포를 검토하는 데 활용하였다.
Fig. 1.

Observed stations for tide by KHOA.

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2.2 기존 조화상수의 수집 및 정리

우리나라 연안해역에서 조석특성의 공간분포와 주요 지점의 시간변화를 파악하기 위해서 서해안 검조소와 단기 관측자료의 조화분석 결과에 추가하여 기왕의 관측 조화상수를 수집하여 분석하였다. 최종적으로 수집된 자료는 한반도 주변해역 조화상수 자료집(KORDI, 1996), 국립해양조사원의 단기 조위관측자료(2007년과 2008년)를 조화분석하여 얻은 조화상수, 서해 검조소 조위자료를 분석하여 얻은 조화상수가 조석특성을 분석하는 데 활용되었다. 이 외에도 충청남도 각 해안에서 관측된 조석과 조류의 조화상수가 환경영향평가서들로부터 추가 수집되었다. 최종적으로 Fig. 2의 157개 정점에서 조화상수 자료가 사용되었다. 조석 비선형성 분포를 분석하기 위해서 M4 분조와 MS4 분조의 조화상수를 사용하였으며, 조석형태수를 구하기 위해서 주요 4개 분조(M2, S2, K1, O1) 분조의 조화상수를 사용하였다. 조류의 비선형성을 분석하기 위해서는 M2 분조와 M4 분조의 조류타원의 장축길이를 국립해양조사원 홈페이지와 환경영향평가보고서 등에서 수집하였다. 조석 조화상수의 경년변화를 조사하기 위해서 서해 13개 검조소 조위자료를 조화분석하고, 비교적 장기 관측자료가 있어서 뚜렷한 경향성을 보이는 인천항, 평택항, 안흥항, 보령항, 군산외항, 목포항, 대흑산도항의 조화상수를 활용하였다. 수집된 자료를 토대로 조석 비선형성의 공간분포와 서해안에서 M2 분조와 M4 분조 그리고 비선형성의 시간변화가 자세히 검토되었다.
Fig. 2.

Stations for tide distribution survey.

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3. 비선형 조석과 조류의 공간분포

3.1 조석 비선형성의 공간분포

M2 분조의 비선형 상호작용에 의해서 발생되는 분조인 M4 분조 진폭의 공간분포(Fig. 3), M2 분조와 S2 분조의 비선형 상호작용에 의해서 발생되는 MS4 분조의 진폭의 공간분포(Fig. 4)를 살펴보면 다음과 같다. 두 분조 모두 서해남부의 연안해역에서 진폭이 크게 나타났으며, 금강하구해역에서도 서해남부해역보다는 작지만 진폭이 크게 나타났다. 이외에도 아산만해역, 천수만해역, 인천해역에서 크게 나타났으나 그 크기는 작았다. 반일 조석이 우세한 지역에서 조석 비선형성을 평가하는 지표로 M4 분조와 M2 분조의 진폭비가 널리 사용되고 있으며, 우리나라 연안해역에서 공간분포는 Fig. 5와 같다. 그림에서와 같이 전반적으로 서해남부해역에서 다른 해역에 비해서 큰 값을 보이고 있다. 인천해역, 아산만해역, 천수만해역에서는 비선형 조석의 진폭은 비교적 크게 나타났으나 진폭비는 M2 분조의 진폭이 다른 지역에 비해서 상대적으로 커서 작게 나타났다. 종합하면, 우리나라 연안해역에서 조석 비선형성은 군산해역과 목포해역에서만 뚜렷하게 나타난다. 특히 목포부근에서는 외해에서 연안으로 접근할수록 비선형성이 점점 증가하는 모습을 보였다. 서해남부해역에 대한 조석모델링 결과(Jung, 2011)에 의하면, 비선형성의 증가는 목포인근해역에 넓게 분포하는 조간대와 관련되어 있는 것으로 파악되고 있다. 이외에도 목포해역보다는 작지만 군산해역에서도 비선형성이 비교적 높게 나타나고 있다. 국립해양조사원 조화분석결과에 의하면, 우리나라 연안에서 M4 분조와 M2 분조의 진폭비는 목포항 0.16, 인천항 0.03, 군산외항 0.06, 대흑산도항 0.03, 거문도항 0.01, 제주항 0.04, 여수항 0.02, 충무항 0.02, 가덕도항 0.03, 부산항 0.03이다. 0.05보다 크게 나타나는 곳은 목포항과 군산외항 뿐이며, 나머지 항에서는 모두 0.05 미만으로 비선형성이 크지 않았다. 이에 따라 본 연구에서는 비선형성이 비교적 크게 나타나는 서해안에서 조석 조화상수의 M2 분조와 M4 분조의 시간변화에 대해서 집중적으로 검토하였다.
Fig. 3.

Spatial distribution of M4 amplitude.

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Fig. 4.

Spatial distribution of MS4 amplitude.

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Fig. 5.

Spatial distribution of A(M4)/A(M2).

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비선형 조석에 의하여 특정지점에서 조석의 창조시간과 낙조시간의 길이가 달라진다. 창조기간이 낙조기간에 비해서 짧아서 창조류의 유속 크기가 낙조류의 유속 크기에 비해서 큰 경우를 창조우세라 하고, 이와 반대로 낙조시간이 짧아서 낙조류의 크기가 커지는 경우를 낙조우세라 한다(Walton, 2002). 우리나라 서해안과 같이 M2 분조가 우세한 지역에서는 M2 분조와 M4 분조의 상대적인 위상차를 가지고 구분할 수 있다. M2 분조와 M4 분조만이 존재하는 지역에서 시간별 조위 η(t)는 다음과 같이 정의할 수 있다(Pugh, 1987).
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여기서 A(M2)는 M2분조의 진폭, A(M4)는 M4분조의 진폭, ω는 M2분조의 각속도, Δg은 M2분조와 M4분조의 위상차 2g(M2)−g(M4)이다
위상차에 따른 조위변화는 위상차가 0이거나 180도이면, 저조와 고조 부근의 조위변화 패턴에는 차이가 있으나 창조시간과 낙조시간이 서로 대칭되는 모습을 보여 비선형성이 나타나지 않는다(Fig. 6). 그러나 90도가 되면 창조시간은 짧고 낙조시간은 길게 나타나 창조류의 크기가 낙조류에 비해서 크게 나타나는 창조우세현상이 나타나고, 270도가 되면 창조시간이 낙조시간에 비해서 길어 창조류의 크기가 낙조류의 크기보다 작은 낙조우세현상이 발생한다(Speer and Aubrey, 1985). 우리나라 연안에서 조석 조화상수를 가지고 위상차의 분포(Fig. 7)를 조사해 보면, 인천해역에서는 창조우세(위상차가 180도 보다 작은 경우)와 낙조우세(위상차가 180도 보다 큰 경우)가 나타나는 지점이 혼재된 모습을 보이고 있으며, 서해중부지역에서는 창조우세가 발생하고, 서해남부해역에서는 낙조우세현상이 나타난다. 남해서부해역과 제주도에서는 창조우세현상을 보였고, 남해동부에서는 낙조우세현상을 보였다. 이는 수질관점에서 보면, 서해남부와 남해동부해역은 낙조우세로 낙조류가 창조류보다 강하여 해안으로 유입된 오염수가 외해로 잘 배출되어 유리하며, 나머지 해역은 불리하다고 할 수 있다. 이는 우리나라 연안해역에서 남해서부해역과 제주해역이 청정해역으로 분류되는 것과 무관하지 않을 것이다.
Fig. 6.

Comparison of sea level change due to phase difference (A(M2) = 100 cm, A(M4) = 20 cm).

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Fig. 7.

Spatial distribution of phase difference.

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3.2 조류 비선형성의 공간분포

조류 관측자료 조화분석결과(국립해양조사원 홈페이지 제공)를 토대로 조류의 비선형성(M4 분조류 조류타원의 장축길이 V(M4)와 M2 분조류 조류타원의 장축길이 V(M2)의 비를 살펴보면, 전반적으로 조석의 비선형성 분포와 유사한 패턴을 보이고 있다(Fig. 8). 조석은 비선형성이 목포해역인근에서만 크게 나타났으나, 인천해역, 아산만해역, 천수만해역, 군산해역, 남해서부해역, 남해동부해역 등에서도 비교적 크게 나타나고 있다. 조류 비선형성이 나타나는 지역을 자세히 살펴보면, 조류속도가 강한 조석수로가 위치하고 있다. 조석에서는 주로 육지에 인접한 지점에서 나타났으나 조류는 해안에서는 작고, 육지경계로부터 떨어진 유속이 비교적 강한 조석수로에서 조류의 비선형성이 크게 나타났다. 이는 조석수로에서 조류의 속도가 커서 비선형 상호작용 또한 활발하였기 때문으로 볼 수 있다.
Fig. 8.

Spatial distribution of V(M4)/V(M2).

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3.3 조석형태수의 분포

반일주조가 지배적인 경우에는 1일 2회조의 크기가 동일하게 발생하나 일주조가 커지게 되면, 1일 2회 발생하는 조석의 진폭이 다르게 되며 이를 일조부등이라고 한다. 일주조와 반일주조의 상대적인 중요성 즉 일조부등의 정도를 평가는 지표로 반일주조와 일주조의 진폭 비율을 사용하며, [A(K1)+A(O1)]/[A(M2)+A(S2)]를 조석형태수(form factor)라고 한다(Lee, 1983). 조석형태수가 0.25보다 작으면 반일주조형, 0.25에서 1.5까지는 반일주조가 우세한 혼합형 조석, 1.5에서 3.0까지는 일주조가 우세한 혼합형 조석, 3.0보다 큰 경우에는 일주조형라고 한다. 우리나라 연안해역에서 분포(Fig. 9)를 보면, 서해남부해역을 제외한 서해안과 남해 중부와 동부해역에서는 반일주조형 조석, 서해남부해역과 제주도 인근해역, 울산해역, 동해중부해역에서는 반일주조가 우세한 혼합형 조석, M2 분조의 무조점이 인근에 위하고 있어서 진폭이 작은 포항인근에서 일주조가 우세한 조석형태를 보이고 있다. 조석과 조류의 비선형성 분포와 비교해 보면, 반일주조가 우세한 혼합형 조석형태를 보이는 지역에서 비선형 조석이 크게 나타나고 있다. 이로부터 혼합형 조석의 생성과 조석 비선형성 생성은 서로 밀접한 관계가 있다는 것을 유추할 수 있다. 그러나 서해남부해역에서는 비선형성이 크게 나타나고 있으나 제주도 인근해역에서는 비선형성이 거의 나타나지 않는 이유에 대해서는 추가적인 검토가 필요하다. Jung(2011)의 서해남부해역에 대한 조석모델링 결과로부터 추론해 보면, 서해남부해역에는 수심이 얕고 넓은 간사지가 분포하여 비선형 조석이 발생하였으나 제주도 인근은 수심이 깊고 간사지가 거의 발달하지 않아서 비선형 조석이 생성하지 못 한 것으로 추론할 수 있다.
Fig. 9.

Spatial distribution of tide form factor.

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3.4 조석과 조류의 비선형성 발생요인에 대한 분석

서해안 지형자료(Fig. 10에서 Fig. 12, 네이버지도)를 살펴보면, 조차가 큰 북부지역(Fig. 10)은 수심이 얕고 조차가 커서 간사지가 넓게 분포되어 있으나 인근에 섬이 거의 없어서 해안선이 비교적 단조로운 모습을 보이고 있다. 수도권에 인접한 지역으로 추가적인 용지 확보와 신규항만 건설 등으로 수심이 얕은 간사지가 대부분 간척사업으로 매립된 모습을 보였으며, 한강을 제외한 유입되는 하천의 입구(하구)가 방조제로 막혀 있다. 중부해안(Fig. 11)은 해안선이 비교적 단조로우며 하구역에 위치한 간사지의 대부분이 간척사업으로 사라졌으나, 군산해역에 아직도 간사지가 비교적 폭 넓게 분포하고 있다. 남부해역(Fig. 12)은 섬이 많은 복잡한 해안선을 가지고 있으며, 많은 간사지가 매립으로 사라진 목포해역을 제외하고는 섬 주변에 아직도 폭넓게 간사지가 분포하고 있다. 이상과 같은 지형자료를 비선형 조석의 분포와 비교해 보면, 간사지가 아직도 폭넓게 분포하고 있는 목포해역과 군산해역에서 비선형성이 크게 나타나고 있다. 해역에 간사지가 존재하면, 조석 비선형성이 크다는 것은 목포해역에 대한 Kang et al.(2005)과 서해남부해역에 대한 Jung(2011)의 조석 수치모델링 결과에서 입증된 바 있다.
Fig. 10.

Location map of reclamation projects in the northern coast of West Sea, South Korea.

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Fig. 11.

Location map of reclamation projects in the middle coast of West Sea, South Korea.

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Fig. 12.

Location map of reclamation projects in the southern coast of West Sea, South Korea.

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4. 조석 조화상수의 시간변화

Fig. 1에 표기된 13개 검조소에서 관측된 매년 조위자료를 조화분석하고, 대표적인 조석분조인 M2 분조와 대표적인 비선형조석인 M4 분조의 시간변화를 비교적 장기간 관측자료가 있는 7개 지점에 대해서 검토하였다. Table 1은 Yun(1999)을 참고로 하여 재작성된 서해안 간척현황이다.
Table 1.

Summary of reclamation projects in Korea.

Name Site Date of closure Length of dike(km)
Incheon Port A under construction
Shiwha Dike B 1994. 1 12.7
Hwaong Dike C 2003. 3 9.8
Pyeongtaek-Dangjin D under construction
Asan Dike E 1973. 2 2.6
Sapkyo Dike F 1978. 3 3.4
Sukmoon Dike G 1991.11 10.6
Daeho Dike H 1983. 1 7.8
Seosan Dike I 1984. 2 A (6.5)
B (1.2)
Boryeong Dike J 1997.11 1.1
Keum Estuary K 1988. 2 1.1
Saemankeum Dike L 2006. 4 33.9
Youngsan Estuary M 1981. 2 4.4
Youngam Dike N 1991. 4 2.2
Keumho Dike O 1993. 3 2.1
Fig. 13.

Yearly variations of M2 amplitude.

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Fig. 14.

Yearly variations of M2 phase.

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M2 분조의 진폭과 위상(Fig. 1314)에 대해서 살펴보면, 북부해안(인천항과 평택당진항)에서 진폭은 2000년 이전까지는 전반적으로 증가하는 경향을 보여 인천항에서는 1999년부터 2002년까지 약 7 cm가 커졌으며, 그 이후는 전반적으로 감소하면서 연변동량이 약 4 cm로 커지고 있었고, 평택에서는 1993년부터 2007년까지 약 5 cm가 증가하였고 최근에는 연변동량이 최대 10 cm에 달하였다. 위상은 인천과 평택에서 모두 전반적으로 빨라지고 있었으나 2009년 이후로 느려지는 경향을 보였다. 위상은 인천에서 최근 10년간 6분 정도 빨라졌으며, 평택에서는 최대 12분이 빨라졌다. 2009년까지 지속적으로 위상이 빨라진 것은 인천신공항조성을 위한 영종도인근 간척지매립사업과 시화방조제 건설로 인한 영향을 조석모델링으로 평가한 Koo(1998)의 연구결과와 동일한 패턴으로 지속적인 간척사업으로 인한 것으로 판단된다. 최근의 급격한 진폭변화는 기상이변으로 인한 가능성이 있으나 결측자료가 많아서 연간 관측자료가 아닌 일부 기간의 관측자료가 조화분석에 활용되었기 때문일 가능성도 있다. 일반적으로 방조제 등을 건설하여 바다를 매립하면, 그 주변에서는 진폭은 증가하고 위상은 빨라진다(Choi and Kang, 1990; KORDI, 2003). 중부에 위치한 안흥에서는 진폭은 2001년 전후로 급격한 변동성은 있지만 전반적으로 크기가 크게 변화되지 않았으며, 위상은 북부지역과 마찬가지로 1982년에서 2007년까지 8분정도 빨라졌으나 최근에는 오히려 5분 정도가 느려졌다. 위상의 경향성이 변화하는 시점이 새만금방조제 준공시점과 대체로 일치하나 인천과 평택에서도 비슷한 경향성으로 보이는 것으로 보아 북부지방의 개발로 인한 영향 또는 지구온난화 등으로 인한 가능성이 더 높을 것으로 판단된다. 보령에서는 진폭이 보령방조제가 준공된 1997년까지는 거의 변화하지 않다가 준공된 이후에 약 4 cm가 감소하였고, 그 이후에는 연변동량이 최대 10 cm로 크게 나타나다가 2008년 이후로는 일정한 값을 보이고 있다. 위상은 지속적으로 감소하는 경향을 보였으며, 특히 보령방조제 준공 후에 그 경향성이 뚜렷하게 나타나 최근 25년간 약 5분 정도 빨라졌다. 1997년에 준공된 보령방조제로 인하여 그 변화 폭이 크지는 않지만 진폭은 감소하고, 위상이 빨라졌으며, 2006년에 준공한 새만금방조제로 인한 영향은 뚜렷하게 나타나지 않았다. 군산외항에서는 진폭이 금강하구언 준공된 1988년부터 1997년까지 약 7 cm가 완만하게 증가하였으며, 새만금방조제가 완공된 2006년 이후로 최대 10 cm가 감소하였다. 위상은 개발로 인한 급격한 변화는 없으나 1981년부터 2012년까지 10분 이상 빨라졌다. 금강하구언과 새만금방조제가 준공되는 시점에서 급격한 변동성을 보였다. 새만금 방조제 건설로 인한 영향이 금강하구언 건설로 인한 영향보다 약간 크게 나타났다. 연안으로부터 멀리 떨어져 있는 대흑산도에서는 진폭이 1970년대에 변동성이 큰 것을 제외하고는 거의 변화되지 않았으며, 위상은 최근에 새만금방조제 준공시점에 약 5분 빨라졌으며, 그 이후로 다시 완만하게 느려지고 있었다. 이상과 같은 결과를 종합해 보면, 새만금방조제 건설이 외해로는 대흑산도 북으로는 보령에 이르기까지 폭넓게 조석을 변화시켰음을 알 수 있다. 연안에 위치한 목포항에서는 영산강하구언이 건설된 1981년 전후로 진폭이 약 10 cm가 증가하였고, 그 이후로도 영암방조제 건설로 약 5 cm, 금호방조제 건설로 약 3 cm가 증가한 후에 비교적 일정한 값을 보이다가 최근에 새만금방조제 건설 이후에 3~4 cm가 감소하였다. 위상은 영산강하구언 준공시점에 약 26분, 영암방조제 준공시점에 약 18분, 금호방조제 준공시점에 약 8분 빨라졌으며, 새만금방조제준공 전후로도 5분 정도의 연변동성은 있으나 이전에 비해 크게 변화하지 않았다. 다른 지역에 비해서 크게 진폭과 위상이 변화했으며, 크게 변화한 이유는 주변 해역이 섬으로 둘러싸여 있어 해수표면의 면적이 작아 상대적으로 간척사업으로 인한 효과가 크게 나타난 것으로 보이며, 이러한 변화는 인근지역에 넓게 분포되어 있는 조간대와 좁은 조석수로와도 관련성이 있다고 알려져 있다(Choi, 1984; Kang, 1995). 이 원인을 Kang(1996)은 조간대 면적의 감소로 목포구(목포 내 해와 외해사이에 있는 조석수로)의 조석필터기능(Kjerfve and Knoppers, 1991)이 소멸되어 발생된 것으로 설명하였다. 서해안에서 M2 분조의 진폭과 위상 변화 분석결과를 종합해 보면, 북부와 중부에서는 진폭이 서서히 감소해 왔으며 변동성이 커지고 있었고, 방조제 등의 건설로 진폭이 증가하였으나 새만금방조제 준공 후에는 특이하게도 주변해역에서 진폭이 감소하였다. 한편 위상은 지속적으로 빨라지고 있었으며, 간척사업 전후에는 보다 급격하게 변동하면서 빨라지는 현상이 나타났다. 그러나 특이하게도 2007년 이후로 전체 해역에서 위상의 변화가 완만해 지고 있었다. 이 원인에 대해서는 추후 몇 년간의 조석자료가 축적되면 분석이 가능할 것으로 판단된다. 서해안에서 진폭변화는 주로 간척사업으로 인한 해수표면적의 감소로 발생한 것으로 판단되며, 주변에 개발사업이 없는 기간에도 위상이 서서히 빨라지고 있는 현상은 해수면 상승으로 수심이 깊어져 조석 전파속도(전파속도 = JKSCOE_2013_25v4n_255_f0a1.jpg)가 빨라지면서 발생한 것으로 추정할 수 있으나 정확한 분석을 위해서는 이에 대한 정량적인 평가가 필요할 것이다.
M2 분조의 비선형 상호작용에 의해서 발생되는 M4 분조의 위상변화(Fig. 1516)를 살펴보면, 인천해역에서는 진폭이 완만하게 증가하고 있었으나 최대 연변동량이 0.8 cm 이내 이었으며, 위상은 2002년에 10분 이상 느려진 이후로 빨라졌다가 최근 2년 동안에 10분 이상 느려졌다. 1999년과 비교하면 약 20분이 느려졌다. 평택에서는 진폭이 과거에 비해서 지속적으로 증가하고 있었으며, 특히 화옹방조제가 준공으로 약 2 cm가 증가하였고, 그 이후로도 2007년에 약 2 cm, 2009년에 1.5 cm가 증가하였다. 위상은 시화방조제 준공시점인 1994년 전후로 약 15분 느려졌으며, 그 이후로는 비교적 일정하다가 최근에 변동성이 커지면서 약간 빨라지고 있다. 최근(2007년부터 2012년까지)에는 결측자료가 많아서 1년간의 자료가 아닌 단기간의 자료가 분석에 활용되어 최근의 급격한 변화를 명확하게 설명하기 어렵다. 그러나 1994년의 급격한 위상 변화는 시화방조제 준공과 2002년의 급격한 진폭 증가는 화옹방조제 준공과 깊이 관련된 것으로 판단된다. 2007년의 급격한 증가의 원인은 평택당진항의 건설 등으로 인한 것으로 추정되나 명확한 근거를 찾지 못 하였다. 이는 추후 연구과제이다. 안흥에서는 1987년부터 1996년까지 약 1.3 cm가 감소하였으며, 그 이후로 2012년까지 약 1.6 cm가 증가하였다. 따라서 최근 25년간 진폭의 변화는 거의 없었다. 위상은 1987년부터 2002년까지 7분 가량 빨라지다가 그 이후로 20분 정도가 느려졌다. 인근에서 진행된 대형개발사업으로는 화옹방조제 준공(2003년)과 새만금방조제 준공(2006년)과 변화시점이 거의 일치하며, 보령과 군산외항에서는 변화시점이 새만금방조제 준공시점과 대체로 일치하고 있으며, 지형적으로 새만금지역과 사이에 지형적으로 조석전파를 방해할 만한 장애물이 없는 여건을 볼 때 새만금방조제 건설의 영향일 가능성이 높다. 그러나 다른 지점에 비하여 안흥에서 위상변화가 급격하게 나타난 점은 인근 지역에 추가적인 개발이 있었던 지에 대한 추가적인 검토가 필요하다. 보령에서는 진폭이 변화하지 않다가 2004년부터 2007년까지 약 3 cm가 증가하였으며, 그 이후로는 거의 변화하지 않았다. 위상은 1998년부터 2004년까지 약 15분 빨라졌으며, 그 이후에 5분 정도가 느려졌다. 최근 2005년 전후로 진폭과 위상 변화는 새만금 방조제 준공시점과 일치하여 새만금방조제 건설로 인한 영향을 판단된다. 금강하구언 건설 전후로는 진폭이 약 0.5 cm가 감소하였고, 위상은 약 5분이 빨라졌다. 보령방조제 건설기간에는 진폭은 거의 변화하지 않았고, 위상은 약 6분 빨라졌다. 전반적으로 방조제건설로 인한 영향이 진폭보다는 위상변화에서 뚜렷하게 보였다. 군산외항에서는 1981년부터 2005년까지 약 24년 동안에 진폭이 약 3 cm 감소하였고, 그 이후로 약 1 cm가 증가하였다. 위상은 1981년부터 2008년까지 약 19분이 빨라졌으며, 그 이후로 다시 느려지고 있다. 금강하구언 건설시점인 1988년에는 전년도에 비해서 위상이 약 3분 빨라졌다. 진폭과 위상의 경향성 변화시점이 새만금방조제 준공시점인 2006년 부근으로 새만금방조제가 경향성 변화에 직접적인 영향을 주어 진폭은 약간 증가시키고, 위상은 느리게 한 것으로 추정된다. 중부해역에서 비선형 분조인 M4 분조의 변화양상을 종합해 보면, 금강하구언 건설로 인하여 인근해역에서 M4 분조의 진폭은 감소하고 위상은 빨라졌고, 새만금방조제 건설로 인하여 진폭은 증가하고 위상은 느려졌다. 즉 금강하구언은 비선형성을 감소시켰으나 새만금방조제 건설은 오히려 인근해역에서 비선형성을 증가시켰다. 서해남부해역의 외해에 위치한 대흑산도에서는 진폭은 거의 변화하지 않았으나 위상은 1966년부터 2005년까지 약 4분 빨라졌으나 2005년과 2006년 사이에 약 10분 빨라졌다. 이는 새만금방조제의 건설이 대흑산도의 조석특성을 바꿔 놓을 정도의 대규모 간척사업이었음을 시사한다. 한편 연안에 위치한 목포항에서 진폭은 인근에서 방조제 건설로 인하여 크게 변화하는 모습을 보였다. 영산강하구언이 준공된 1981에 진폭이 약 4 cm 증가하였으며, 그 이후에는 큰 변동을 보이지 않다가 새만금방조제가 준공된 시점에 약 3 cm가 감소하였다. 그러나 최근에 진폭이 다시 증가하고 있어서 새만금방조제 건설로 인한 직접적인 영향으로 섣불리 결론 내리기는 어렵다고 생각된다. 목포항에서 위상은 진폭보다 개발로 인한 뚜렷한 변화 가 나타났다. 영산강하구언 준공으로 약 30분이 빨라졌으며, 영암방조제 준공으로 약 30분, 금호방조제 준공으로 약 10분 빨라졌으며, 2004년에 약 6분 빨라졌다. 방조제 완공 전후에 급격한 변화가 발생하였으며, 2004년의 변화는 진폭변화도 동시에 나타나는 것으로 보아 새만금방조제 준공으로 인한 것으로 추정된다. 이상과 같은 결과를 종합해 보면, 서해에서 전반적으로 비선형 조석인 M4 분조의 진폭은 증가하고, 위상은 빨라졌다. 이러한 현상은 연안매립사업으로 나타나는 일반적인 현상으로 특히 새만금방조제 건설은 서해 중부해역과 남부해역의 외해까지 폭넓게 조석특성을 변화시켰다.
Fig. 15.

Yearly variations of M4 amplitude.

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Fig. 16.

Yearly variations of M4 phase.

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특정해역의 비선형 조석의 특성은 M2 분조와 M4 분조의 상대적인 진폭비와 위상차[2g(M2)−g(M4)]를 가지고 설명할 수 있다. 북부해역에서 진폭비의 변화를 살펴보면, 인천항에서는 크기가 약 0.02로 작고 거의 변화하지 않고 있으며, 평택에서는 2000년대 초반부터 지속적으로 상승하고 있으나 그 크기는 약 0.03이다. 상승이 시작하는 시점이 화옹방조제 준공시점(2003년)과 거의 일치하고 있으며, 그 이후로 지속적으로 상승하고 있다. 최근의 비선형성 증가는 평택당진항 건설과 관련되어 있는 것으로 보이며 지속적인 검토가 필요하다. 중부해역에서는 비선형성(진폭비)이 새만금방조제 건설이전에는 감소하다가 건설된 이후에 증가하는 모습을 보였다. 안흥에서는 진폭비가 0.02, 보령에서는 0.07, 군산외항에서는 0.05였다. 남부해역의 외해에 위치한 대흑산도에서는 진폭비가 약 0.04로 거의 변화하지 않았다. 한편, 연안에 위치한 목포항에서는 진폭비가 약 0.15로 크고, 간척사업으로 인한 영향이 비교적 뚜렷하게 나타났다. 영산강하구언 준공시점에는 진폭비가 0.14에서 0.16으로 증가하였으나 영암방조제 건설로 인해서는 0.15로 비선형성이 감소하였고, 그 이후에 큰 변화가 없다가 새만금방조제 준공 이후로 0.14로 감소했다가 최근에 0.15로 다시 증가하였다. 전반적으로 서해 전체해역에서 비선형성이 증가하였다. 그러나 내만에 위치한 목포에서는 방조제 준공마다 그 영향이 다르게 나타나 영산강하구언 건설로는 증가하였으나 영암방조제 건설로 약간 감소하였고, 금호방조제 건설은 거의 영향을 주지 않았으며, 새만금방조제 준공 시점에도 감소하였다. M2 분조와 M4 분조의 위상차에 대해서 180도를 기준으로 창조우세(<180도)와 낙조우세(>180도) 특성으로 구분할 수 있다(Fig. 6). 위상차의 변화를 살펴보면, 창조우세인 인천항에서는 크지는 않지만 위상차가 감소하여 창조우세현상이 약간 심화되는 모습을 보였으나 최근에는 위상변화가 거의 발생하지 않았다. 평택에서는 2005년까지는 감소하다가 최근에는 오히려 커지는 경향을 보여 창조우세현상이 심화되다가 최근에는 특성이 거의 변화하지 않고 있었다. 안흥항에서는 2005년 이후로 위상차가 약 10도 감소하는 모습을 보여, 창조우세현상이 점차 심화되고 있었으며, 보령과 군산에서는 큰 변화는 없었으나 안흥과 마찬가지로 2005년 전후로 창조우세현상이 약간 증가하는 경향을 보였다. 이는 아마도 새만금방조제의 건설로 인한 영향으로 보이나 정확한 판단을 위해서는 지속적인 자료축적과 검토가 필요하다. 대흑산도에서는 거의 변화를 보이지 않았고, 목포항에서는 1981년의 영산강 하구언 준공으로 약 3도 커지고, 1990년에 건설된 영암방조제와 금호방조제 건설전후로 약 20도가 커져서 낙조우세현상이 크게 심화되었다. 이상과 같은 결과를 종합해 보면, 비선형성이 약한 서해 북부해역에서는 비선형성이 점차 커지고, 창조우세현상이 심화되고 있었다. 서해 중부와 남부에서는 새만금방조제 건설 등의 연안개발로 비선형성(진폭비)이 증가되는 모습을 보였으나, 그 영향은 외해에서는 거의 나타나지 않았다. 내만에 위치한 목포해역에서는 방조제 건설로 뚜렷한 경향을 보이지 않고, 증가하거나 감소하였다. 위상차 변화를 살펴보면, 창조우세현상을 보이는 북부와 중부해역에서는 창조우세현상이 전반적으로 심화되고 있었으며, 중부해역에서 새만금방조제 건설 전후로 그 변화가 크게 나타났다. 낙조우세현상을 보이는 남부해역에서는 외해에 위치한 대흑산도에서는 변화가 거의 발생하지 않았으나 연안에 위치한 목포항에서는 방조제 건설로 낙조우세현상이 심화되는 모습을 보였다. 이러한 비선형 조석의 변화는 중부와 북부해역에서는 창조우세현상이 심화됨에 따라 폐쇄성 내만의 수질을 악화시키고 내만에 퇴적현상을 심화시킬 것이나 비선형성이 크지 않아서 그 영향은 크지 않을 것이며, 낙조우세현상이 발생하는 목포해역에서는 오히려 낙조우세현상의 심화가 인근해역의 수질개선에는 기여하지만 우리나라 전국해안에서 문제가 되고 있는 연안 침식현상을 가속화 시킬 우려가 있다. 따라서 서해 중부와 북부해역은 장기적인 관점에서 수질을 효과적으로 관리하기 위한 대책과 항만 등의 매몰현상에 관심을 갖고 대비책을 수립해야 할 것이며, 남부해역에서는 해안침식에 대한 대책을 보다 철저히 수립해야 할 것이다.
Fig. 17.

Yearly variations of A(M4)/A(M2).

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Fig. 18.

Yearly variations of 2g(M2)−g(M4).

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5. 결 론

전국연안에서 조화상수의 공간분포와 M2 분조와 M4 분조의 시간변화를 토대로 우리나라 연안해역의 조석 특성 특히 비선형성을 검토하고, 시간변화에 대해서 자세히 살펴보았다. 공간분포를 살펴보면, 조석 비선형성이 서해남부해역에서 가장 크게 나타났으며, 군산해역과 보령해역에서도 비교적 크게 나타났다. 조석의 비대칭 특성을 나타내는 M2 분조와 M4 분조의 위상차를 조사해 본 결과, 서해남부해역, 인천해역, 남해동부해역에서 낙조우세 조석특성을 나타내었고, 나머지 지역은 모두 창조우세 특성을 보였다. 따라서 우리나라 해역은 서해남부해역과 남해동부해역을 제외하고는 육지로부터 유입된 오염물질이 쉽게 배출되지 못하는 창조우세 조석특성을 보이고 있어서 연안해역의 수질관리에 불리한 환경이라 할 수 있다. 조류의 경우는 서해남부해역에서만 비선형성이 크게 나타나는 조석과 달리 강한 유속을 보이는 전국 연안의 조석수로부근에서 비선형이 크게 나타났으며, 조석 비대칭성이 강한 서해남부해역의 조석수로에서 비선형성이 가장 크게 나타났다. 서해남부해역을 제외한 다른 해역에서는 간척으로 대부분의 간사지가 사라졌으나 서해남부해역은 목포 인근을 제외하고는 간사지가 잘 보전되고 있어서 조석 비선형이 크게 나타나고 있다. 서해안에서 조석 조화상수의 시간변화를 살펴본 결과, M2 분조의 진폭은 지속적으로 상승하고 있는 목포를 제외하고는 거의 변화하지 않거나 감소하는 모습을 보였으며, 위상은 연안에 위치한 대부분 정점에서 빨라지고 있었다. 특히 군산외항에서는 새만금방조제가 준공된 이후에 진폭이 큰 폭으로 감소하고, 위상이 빨라졌다. 대흑산도에서는 M2 분조의 조화상수가 거의 변화하지 않다가 새만금방조제 건설 후에는 위상이 약간 빨라졌고, 목포에서는 영산강하구언(1980년 준공), 영암방조제(1991년 준공), 금호방조제(1994년 준공)의 영향으로 조간대 면적이 감소함에 진폭은 커지고, 위상은 빨라졌으며, 새만금방조제 준공이후에는 진폭은 감소하고 위상은 빨라졌다. 해안 방재관점에서 보면, 중부와 북부연안에서는 최근에 진폭은 감소하지만 변동폭이 커지는 점에 유의해야 하며, 목포해역에서는 진폭증가로 인한 고극조위의 증가에 대배해야 할 것이다. M2 분조의 비선형 분조인 M4 분조의 진폭과 위상의 변화도 전반적으로 M2 분조와 연동하여 변화하는 모습을 보였다. 조석 비선형성의 시간변화에 대해서 조사한 결과, 서해북부해역에서는 비선형성이 커지고, 창조우세현상이 심화되고 있었으며, 서해 중부에서는 새만금방조제 건설 등의 연안개발로 M2 분조와 M4 분조의 진폭비 즉 비선형성이 증가되는 모습을 보였으며, 목포해역에서는 개발사업에 따라 진폭비가 증가하거나 감소하였다. 위상차 변화를 살펴보면, 창조우세현상을 보이는 북부와 중부해역에서는 창조우세현상이 전반적으로 심화되고 있었으며, 중부해역에서 새만금방조제 건설 전후로 그 변화가 뚜렷하게 나타났다. 낙조우세현상을 보이는 남부해역에서는 외해에 위치한 대흑산도에서는 변화가 거의 발생하지 않았으나 연안에 위치한 목포항에서는 방조제 건설로 낙조우세현상이 점점 심화되는 모습을 보였다. 중부와 북부해역에서는 창조우세현상이 심화됨에 따라 폐쇄성 내만의 수질을 악화시키고 내만에 퇴적현상을 심화시킬 것이나 비선형성이 작아서 그 영향은 크지 않을 것이며, 낙조우세현상이 발생하는 목포해역에서는 오히려 낙조우세현상의 심화가 인근해역의 수질개선에 기여하지만 해안과 항만과 해상교량 등의 인공구조물 주변의 침식현상을 가속화 시킬 우려가 있다. 따라서 서해 중부와 북부해역은 장기적인 관점에서 수질을 효과적으로 관리하기 위한 대책과 항만 등의 매몰현상에 관심을 갖고 대비책을 수립해야 할 것이며, 목포해역에서는 해안과 구조물 인근의 침식관련대책을 철저히 수립해야 할 것이다.

ACKNOWLEDGEMENTS

본 논문은 2013년도 한남대학교 학술연구지원비가 지원된 연구결과입니다. 국립해양조사원의 조위자료 제공에 깊이 감사드립니다.

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