2.1 조석-해일 비선형성

조석과 해일의 상호작용으로 최대해일고가 창조시에 주로 집중되는 현상(Rossiter, 1961; McInnes and Hubbert, 2003)과 수심이 얕은 해역에서 저조시에 크게 확대되는 현상(Horsburgh and Wilson, 2007) 등이 있다. 전자는 양의 해일이 수심증가에 따라 파속 역시 증가시켜 조석파가 일찍 도달하게 하는 효과에 의해 발생하는 현상으로서 창조시 양의 해일을 더욱 크게 유발하게 된다. 동일한 원인에 의해 음의 해일은 조석파를 늦춰 낙조시 양의 해일이 발생할 수 있게 된다. 즉, 해일발생에 따른 수심변화에 의해 조석파와의 위상차가 발생하여 창낙조시 조위편차가 유발될 수 있다. 후자의 대표적 사례는 Horsburgh and Wilson(2007)이 영국의 Sheerness 자료를 통해 해석한 결과로부터 볼 수 있으며 조석변조해일(tide-modulated surge)이라 지칭되고 있다. 이는 식(1)(Pugh, 1987)에 제시한 바와 같이 바람에 의한 수면상승이 지배적인 경우 수면의 기울기는 수심에 반비례하기 때문에 연안에서 주로 발생하게 되며 저조시 해일고가 가장 크게 나타나게 되는 현상을 말하는데 천해역에서 특히 뚜렷하게 나타난다.

여기서 좌변은 수면경사, C_D는 항력계수, W는 풍속, g는 중력가속도, D는 총수심을 의미한다.

한편 조석관측 및 조석예측이 정확치 않을 경우(Flowerdew et al., 2010), 특히 분조별 지각에 내재하는 오차가 심할 경우 창조 또는 낙조시 해일고가 크게 나타나게 되는 비선형적 자료를 생성할 가능성도 제기되고 있는데, 국내에서도 낙조 우세가 극심한 목포해역의 자료가 이와 유사한 경향성을 보이고 있다(Kang et al., 2014).

2.2 국내연안 비선형성 실태

Kang et al.(2014)은 한반도에서의 조석-해일 비선형성 현황을 파악하기 위하여 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 인천(IC), 안흥(AH), 군산(GS), 목포(MP) 등 서해안 4개 관측소와 추자(CJ), 제주(JJ), 완도(WD), 여수(YS), 통영(TY), 부산(BS) 등 남해안 6개 관측소 등 총 10개 조위관측소를 선택한 후 2001~2005년 자료로부터 비선형성 실태를 분석한 바 있다. 20 cm 이상의 양의 조위편차만을 대상으로 하였는데 조위별 발생확률이 균등하게 5개 구간으로 구분한 후 해당 조위계급에서 발생한 조위편차 사상의 분포와 함께 4개의 조시별로 구분된 조위편차 발생사상비율을 조사하였다. 그 결과 서해안 및 남해안의 모든 해역에서 저조시 빈도가 높게 나타나고 있으며 특히 서남해안의 경우 저조시 발생이 두드러지게 나타나고 있어 조석변조해일에 대한 경향성을 드러내고 있는 반면 창조시 집중되는 현상은 뚜렷하지 않은 특성을 보이고 있다. 즉, 국내환경에서는 유의미한 파속변화를 보일 정도로 수심에 비해 해일고가 크게 발생하는 경우는 흔치 않아 창조집중효과가 희소한 것으로 파악된다.

Fig. 1.

Location map.

또한 비선형성을 정량적으로 판정하기 위하여 조위별 분포 및 조시별 분포 각각에 대한 균등분포 가설을 Chi-square test(Haigh et al., 2010)를 통해 검증하였다. 구체적인 내용은 본 연구의 결과와 함께 3.2절에 소개되겠지만 부산을 제외한 모든 지점에서 비선형성이 존재하는 것으로 나타나고 있으며 특히 목포에서 비선형성이 가장 두드러지는 것으로 파악되고 있다. 이러한 내용은 계절풍을 포함한 모든 조위편차를 대상으로 분석한 결과인데, 본 연구에서는 특히 태풍시기의 비선형 특성을 중점적으로 파악하고자 한다.

3.1 태풍자료

KHOA(Korea Hydrographic and Oceanographic Administration)(2011)에 따르면 1951년 이후 60년간 북서태평양에서 발생된 태풍의 수는 총 1,573개이며 이 중 한반도에 영향을 미친 태풍은 191개로 연평균 3.1개의 태풍이 한반도에 영향을 미친 것으로 나타나고 있다. 본 연구에서는 Kang et al.(2014)의 연구에서와 동일하게 조위관측소를 선정한 후 Table 1에 제시된 바와 같은 각 조위관측소 별 관측기간 중 한반도에 영향을 미친 태풍의 영향기간 동안 관측된 해일고 중 최대값을 조사하여 자료로 활용하였다. 각 조위관측소별로 관측기간이 상이하여 Table 1에 보인 바와 같이 관측소별 자료수는 적지 않은 차이를 보이고 있다. 이러한 최대해일고 자료 중 (+)20 cm 이상의 최대해일고를 초래한 태풍-해일 자료만을 선별하여 조석-해일 비선형성 해석대상으로 선정하였다. 여기에 해당하는 자료수와 함께 별도의 태풍-해일 특성분석을 위한 (+)50 cm 이상의 대형태풍에 의한 최대해일고 자료수 및 음(-)해일고 자료수를 Table 1에 함께 제시하였다.

Table 1.

Available typhoon-surge data

3.2 Chi-square test

Kang et al.(2014)의 연구결과에 따르면 비태풍 위주의 일반적인 해일고의 경우 저조시에 커지는 조석변조해일의 발생 경향이 국내 서남해안에서 뚜렷하게 나타나고 있다. 본 연구에서는 전절에 제시된 바와 같은 20 cm 이상에 해당하는 태풍시기에 발생한 최대해일고의 조위별 및 조시별 발생특성을 Kang et al.(2014)에서 수행한 동일한 방법으로 파악하고자 하였다. Fig. 2에 보인 바와 같이 태풍시에도 대부분의 해역에서 창조시에 해일발생빈도가 늘어나는 경향은 보이지 않아 비태풍시와 마찬가지로 창조집중 경향은 뚜렷하게 나타나지는 않고 있다. 또한 저조시 발생빈도가 높아지게 되는 조석변조해일의 경우 목포와 완도를 포함한 서남해안 지역에서는 비태풍시와 유사하게 발생빈도가 높게 나타나고 있는 반면 군산을 비롯한 서해안의 경우 비태풍시와는 달리 저조시 해일발생빈도가 높지 않게 나타나고 있다.

Fig. 2.

Surge peaks above 20 cm plotted with respect to tide level and tidal phase.

비태풍시(Kang et al., 2014)와 동일한 방법으로 Chi-square test를 통해 태풍시에 대하여 정량적으로 산정한 조위별 및 조시별 결과를 비태풍시 결과와 함께 Table 2에 제시하였다. 표에 제시된 χ²_c값이 유의수준 α%와 자유도 ν로 정해지는 한계값 χ_{²1 -a, v}을 초과할 경우 균등분포 가정이 기각되어 비선형성이 존재하는 것으로 볼 수 있는데, 인천과 부산을 제외하면 선행연구결과와 유사하게 나타나고 있다. 즉, 남서해안을 중심으로 저조시 발생비율이 확연히 높게 나타나고 있는 것은 유사하지만 서해안의 경우 인천과 안흥 등지에서 비태풍시 결과와 달리 균등분포 가설이 만족되는 결과를 보이는 등 저조시 해일고가 커지는 경향을 보이지 않고 있다. 반면에 부산에서는 조시별 분석에서 비선형성이 존재하는 것으로 분석되었는데 Fig. 2(j)의 우측 그림에 보인 바와 같이 선행연구의 비태풍시와는 달리 저조시 발생빈도가 높게 나타나고 있다.

Table 2.

Result of Chi-square test

3.3 대형태풍의 해일발생 특성

국내연안에서 태풍시기의 일반적인 조석-해일 비선형성을 분석하기 위하여 20 cm 이상 해일고를 대상으로 정량적 해석을 시행한 결과 전절에 제시된 바와 같은 연구결과를 얻을 수 있었다. 해역별 고극조위 및 범람피해가 초래될 수 있는 대형태풍에 대해서 추가적인 연구를 수행하기 위하여 조위관측소별 관측자료가 존재하는 가용한 50 cm 이상의 최대해일고 자료 전체를 수집하였다. 해당태풍이 각 조위관측소를 최근접으로 통과할 당시의 제반 특성지표를 관측자료로부터 추출하여 Table 3에 제시하였다. 단, 여기서는 태풍의 상륙 또는 진행방향에 따른 풍향에 대한 내용이 포함되므로 섬지역인 추자와 제주를 제외한 연안 8개 지점만 대상으로 선정하였다.

Table 3.

Typhoon parameters

이러한 대형태풍에 의해 발생되는 해일양상은 크게 두 가지로 대별될 수 있다. 즉, Fig. 3(a)와 같이 해일고의 첨두치가 뚜렷한 경우와 Fig. 3(b)와 같이 해일발생이 비교적 긴 시간동안 지속되어 첨두부근의 해일고 변화가 비교적 완만한 경우이다. 이들을 구분하기 위해 편의상 각각을 첨두형(steep type or S-type)과 지속형(mild type or M-type)으로 명명하였다. 50 cm 이상의 최대해일고 자료 중 (+)20 cm 이상의 해일고 발생 지속시간이 12시간 이내인 경우와 지속시간이 12시간을 초과할 경우라도 최대해일고가 인접한 두 번째 크기의 극치해일고에 비해 두 배 이상인 경우를 첨두형, 그렇지 않은 경우를 지속형으로 구분하였다. 이렇게 구분된 해일패턴 역시 Table 3에 표기하였는데 50 cm 이상 해일고 발생 태풍사례 81건 중 첨두형 36건, 지속형 45건으로 파악되고 있으며 80 cm 이상 17건 중 첨두형 12건, 지속형 5건이며 100 cm 이상 10건 중에는 8건이 첨두형으로 구분되고 있어 대형태풍일수록 첨두형으로 분류되는 경향이 있다. 지역별 영향태풍의 경로를 Fig. 1에 보인 바와 같이 목포를 기준으로서해안경로 태풍과 남해안경로 태풍으로 구분한 후 경로구분을 Table 3에 태풍명 뒤에 나타내었으며 각 지점에서 이렇게 구분된 태풍경로별, 그리고 해일양상별 (+)50 cm 이상 해일고의 발생횟수를 Table 4에 제시하였다. 그 결과를 보면 서해안경로 태풍의 경우 서해안을 중심으로 완도와 여수 정도까지 영향을 미치고 있는 반면 남해안경로 태풍은 남해안을 중심으로 목포 정도까지 영향을 미치고 있으며 군산이북의 서해안 지역에의 영향성은 미미한 것으로 나타나고 있다. 또한 목포와 완도에서는 지속형의 발생빈도가 높은 반면 통영에서는 첨두형의 빈도가 높게 나타나고 있다.

Fig. 3.

Examples of surge type (a) S-type : MAEMI(0314) at Tongyoung (b) M-type : RUSA(0215) at Wando.

Table 4.

Number of surges(>50 cm) with respect to surge type and typhoon track

한편 이러한 패턴은 태풍의 이동속도 및 태풍중심과의 이격거리와 상관관계를 보이고 있다. 즉, Fig. 4에 보인 바와 같이 첨두형의 경우 대다수 태풍의 진행속도가 40 km/h를 초과하는데 반해 지속형의 경우 대부분 태풍의 진행속도가 40 km/h를 밑돌고 있다. 또한 지속형과는 달리 모든 첨두형 사례가 중심과의 거리 200 km에 미달하고 있음을 보이고 있다. 즉, 태풍영향이 짧은 기간 동안 강하게 발생할 경우 태풍통과시점을 전후하여 뚜렷한 최대해일고를 보이게 되는 첨두형 해일패턴이 주로 나타나게 되는 반면 오랜 시간 동안 지속적인 태풍영향이 있을 경우 조석과의 상호작용에 의해 조석주기에 맞춰 저조시 해일고 첨두값이 발생하게 되는 지속형이 나타나는 것으로 추정된다.

Fig. 4.

Scatter diagram with respect to progression speed and distance to typhoon eye (a) S-type (b) M-type.

4.1 태풍특성에 따른 비선형성

전술한 바와 같이 태풍영향이 짧은 기간 동안 강하게 발생할 경우 첨두형 해일패턴을 보이는 경향이 있는데, 이 경우는 태풍통과경로에 인접한 지역에서 주로 나타나고 있어 기압에 의한 해일의 영향이 크게 나타난다. 따라서 Fig. 3(a)에 보인 바와 같이 태풍통과 당시 조위 및 조시와 상관없이 해일고의 최대가 태풍통과시점과 일치하는 경향이 있게 된다. 반면 지속형의 경우 태풍중심에서 비교적 멀리 떨어진 지점에서 주로 발생하므로 기압보다 바람에 의한 영향이 지배적이다. 이 경우에는 Fig. 3(b)에 보인 바와 같이 태풍영향기간 내내 급격한 해일고 상승은 보이지 않는 반면 바람에 의한 조석변조해일 효과에 따라 저조시에 해일고가 커지는 경향을 보이게 된다.

2000년대 들어 한반도에 가장 큰 영향을 미친 두 개의 태풍이 양 패턴을 대표하고 있다. 즉 Fig. 5에 보인 바와 같이 우리나라 남해안에 상륙하는 순간 태풍 MAEMI(0314)의 경우 매우 낮은 최저기압 955 hPa으로 인해 통영과 여수에서 매우 높은 해일고를 보이고 있지만 45 km/hr의 빠른 이동속도와 함께 25 m/s 이상의 풍속을 보이는 영역은 다소 좁은 편이어서 50 cm 이상 해일고를 보이는 지점은 여수, 통영, 부산에 국한하고 있으며 세 곳 모두 첨두형으로 분류되고 있어 태풍 MAEMI(0314)는 전형적인 첨두형 태풍으로 간주될 수 있다. 그러나 태풍 RUSA(0215)의 경우 역시 최저기압은 960 hPa 정도로 낮은 편어서 통과지점과 인접한 여수에서의 최대해일고가 매우 높게 관측되고 있으며 30 km/hr 정도로 이동속도가 느리고 25 m/s 이상의 풍속을 보이는 영역이 매우 넓게 형성되어 있어 목포, 완도, 여수, 통영, 부산 등 남해안 전 지역에서 50 cm 이상의 해일고를 보이고 있으며 5곳 모두 지속형으로 분류되고 있어 전형적인 지속형 태풍으로 간주된다.

Fig. 5.

Typhoon tracks and influencing region (a) MAEMI(0314) : S-type (b) RUSA(0215) : M-type.

전체 태풍사상 중 최대해일고가 20 cm 이상에 해당하는 경우 2.2절에 제시한 바와 같이 목포와 완도를 중심으로 조석-해일 비선형성이 뚜렷하게 나타나고 있다. 범위를 더 좁혀 대형태풍을 대상으로 비선형 특성을 파악하기 위해 최대해일고가 50 cm 이상인 경우에 대해서도 조시별 해일발생양상을 분석하였다. 첨두형과 지속형으로 구분하여 최대해일고가 발생한 조시를 Table 3에 제시하였는데 첨두형의 경우 모든 조시에서 비교적 고른 분포를 보이고 있으며 저조시 발생비율이 39%(= 14/36) 정도임에 비해 지속형의 경우 저조시 발생비율이 56%(= 25/45)로 매우 높게 나타나고 있다. 즉, 지속형의경우 장기간의 지속적인 태풍영향으로 인해 일반적인 조석-해일 비선형성을 반영하고 있지만 첨두형의 경우에는 태풍통과시점의 단기간 동안 기압강하에 따른 해일 위주로 발생하여 조석-해일 상호작용 양상이 뚜렷하지 않아 특정 조시에 해일고가 집중되는 현상은 덜 한 것으로 해석된다.

이와 같이 태풍중심에 인접한 지역에서는 기압에 의한 해일이 지배적이어서 첨두형 해일이 발생하는 반면, 조석변조 해일을 유발하고 있는 지속형은 태풍 이동속도가 느린 태풍의 경우이거나 태풍중심에서 비교적 멀리 떨어진 지점에서 주로 발생하며, 이 경우 기압보다는 바람에 의한 해일위주로 긴 지속기간과 뚜렷하지 않은 첨두해일고를 갖게 된다. 이에 따라 Fig. 6에 제시된 예시와 같이 조석변조해일 효과에 의해 저조시마다 해일고가 크게 나타나는 경향을 보이게 된다. 이렇듯 조석변조해일과 관련 있는 지속형은 Table 4에서와 같이 목포와 완도 등지에서 빈도가 높게 나타나고 있으며 Table 2의 결과와 일맥상통하고 있다.

Fig. 6.

Examples of tide modulated surge (a) MEGI(0415) at Mokpo (b) NABI(0514) at Wando.

4.2 해역별 해일특성

Table 4에 제시된 바와 같이 50 cm 이상 해일고를 유발한 대형태풍의 경우 서해안 지역에서는 서해안경로 태풍의 영향이 지배적이고 남해안 지역에서는 남해안경로 태풍의 영향이 지배적으로 나타나고 있다. 또한 태풍경로 인근 해역에서는 첨두형, 주변 해역에서는 지속형 해일형태로 영향을 미치고 있다. 서해안경로 태풍과 남해안경로 태풍의 지역별 영향특성을 살펴보기 위하여 남해안과 서해안을 통과한 대표태풍으로 RUSA(0215)와 BOLAVEN(1215)을 각각 선택하여 태풍제원과 함께 각 지점별 기상자료를 Fig. 7에 제시하였다. 즉, 각 태풍에 대하여 태풍경로상 우리나라 해안에 최근접한 시점 전후로 12시간 간격의 두 시점을 선택한 후 각 시점에서 관측치를 토대로 개략적으로 작성된 우리나라 전역의 기압장과 풍속장을 가장 위에 도시하였다. 이어서 인천을 비롯한 8개 각 지점에서 태풍영향기간 중의 기압과 풍속 및 해일고 자료에 대한 시계열도 함께 제시하였다. 태풍중심에 최근접하여 기압이 최저가 되는 시점을 굵은 세로점선으로 표기하였고 앞서 언급된 두 시점을 각각 세로방향으로 일점쇄선과 이점쇄선으로 표기하였다. 가장 윗 그림에 12시간 간격으로 제시된 기압 및 풍향과 풍속 분포도는 아래에 제시된 각 지점의 시계열에서 해당 시점의 풍향 및 풍속값과 대체적으로 부합하고 있음을 확인할 수 있다. 예를 들어 설명하면 Fig. 7(a)의 부산 시계열에서 8월 31일 12시 동풍이 발생하고 있으며 12시간 후에는 남풍이 발생하고 있음을 윗 그림에서도 확인할 수 있다.

Fig. 7.

Time series of surge for the representative typhoons.

태풍에 의해 발생하는 해일은 크게 바람과 기압강하에 의한 수면상승으로 구성된다. 남해안경로 태풍인 RUSA(0215)의 경우 Fig. 7(a)에 보인 바와 같이 특히 위험반원에 해당하는 남해안의 여수와 통영 및 부산에서는 기압이 최저가 되는 태풍통과시점이 바람에 의한 수면상승시점과 일치하므로 태풍통과시각과 최대해일고 발생시각이 일치하고 있다. 반면 인천을 비롯한 서해안에서는 태풍통과시각에는 오히려 음의 해일이 발생하고 있다. 즉, 태풍경로에서 거리가 멀리 떨어져 기압에 의한 수면상승이 크지 않은 서해안에서는 태풍통과시점에서 육풍에 의한 수면하강이 나타나고 있음을 볼 수 있다. 이와 같이 남해안경로 태풍의 경우 서해안에서 음의 해일 발생을 초래하는 경우가 잦아 Table 1에도 제시되었듯이 서해안에서 음의 해일 발생빈도가 남해안보다 현격히 높게 나타나고 있다. 음의 해일이 잦다는 것은 저조시 바람에 의한 수면상승 형태로 발생하는 조석-해일 비선형성이 드물다는 의미이므로 Table 2에 제시된 바와 같이 인천을 비롯한 서해안 지역의 비선형성이 미미하게 나타나는 한 가지 원인으로 분석되고 있다.

서해안경로 태풍인 BOLAVEN(1215)의 경우 Fig. 7 (b)에서 볼 수 있듯이 태풍경로에서 멀리 떨어져 있어 규모는 작으나 완도를 비롯한 모든 남해안 지역에서 남해안경로 태풍과 마찬가지로 기압이 최저가 되는 시각과 최대해일고 발생시각이 일치하고 있다. 그러나 서해안에서는 태풍통과직전까지 동풍에 의한 수면하강현상에 이어 태풍통과시 해안선과 평행한 풍향인 남풍이 우세한 상태를 잠시 거친 후 태풍통과이후 서풍 성분에 의한 수면상승현상이 발생하게 되므로 최대해일고는 태풍통과 이후 다소 시간이 지난 후에 발생하게 된다. 따라서 태풍 통과 전에 음의 해일에 이어 실선으로 표시된 태풍통과시 기압에 의한 수면상승이 극대화되어 순간적인 해일고의 극대값이 발생한 후 태풍통과 이후 바람에 의한 수면상승으로 인해 최대해일고가 형성되고 있다. 태풍통과후 최대해일고 발생시차를 제시한 Table 3을 토대로 하여 태풍경로별로 각 해역에서 발생한 시차를 3시간 이하, -2시간∼+2시간, +3시간 이상 등 3구간으로 구분하여 Table 5에 정리하였다. 남동해안에서 최대해일고 발생은 최저기압 발생시와 대부분 2시간 이내의 시차를 보이고 있으며 특히 3시간 이상 늦게 발생하는 경우는 34사례 중 전혀 없었던 반면 서해안에서는 서해안경로 태풍 14건 중 11건이 3시간 이상 지체되어 발생하고 있음을 보여주고 있다. 이와 같이 남해안의 경우 태풍상륙에 맞춰 최대해일고가 발생하는 반면 서해안에서는 서해안경로 태풍의 경우 태풍통과후에 최대해일고가 발생하는 특성이 있으며 이 경우 바람에 의한 조석변조해일의 비선형성이 나타나게 된다.

Table 5.

Distribution of lag-time according to typhoon track

BOLAVEN(1215) 통과시 서해안 연안지역에서 태풍통과이후 저조시에 최대해일고가 발생하고 있음은 Seo and Kim(2014)의 연구에서도 제시되고 있으며, 여기에 부가하여 해당 연구에서는 서해안의 섬 지역에서는 연안지역과는 달리 최대해일고가 최저기압 발생시와 일치하고 있음을 명시하고 있다. 이는 수심이 깊고 취송폭이 좁아 바람에 의한 해일발생이 덜 한 섬지역에서는 최대해일고가 조시와 상관없이 태풍통과시에 발생하는 것과 달리 수심이 얕은 내륙지점에서는 바람에 의한 해일고가 커지게 되므로 조석변조해일현상에 의해 태풍통과이후 저조시에 최대해일고가 발생하는 것과 일맥상통하는 것이다.

이와 같이 통영 부근의 남해안 지역에서는 남해안 및 서해안경로 태풍 공히 조시와 관계없이 태풍통과시에 최대해일고가 발생하는 첨두형 발생이 잦게 되므로 저조시 나타나는 비선형효과가 크지 않게 된다. 따라서 Table 2에서 보듯이 통영과 부산 등 남동해안의 비선형성 역시 그리 크지 않게 나타나고 있다. 반면 서해안 지역에서는 남해안경로 태풍인 경우에는 음해일 발생이 잦아 비선형성이 둔화되어 Table 2의 결과를 보이지만 서해안경로 태풍의 경우에는 비선형성이 크게 나타나게 된다.