2007년 3월 우리나라 서해안에서 발생한 장주기의 이상파랑으로 2명의 인명피해와 함께 서해안 여러 곳에서 침수 피해가 있었다. 당시의 이상파랑은 주기가 15분 정도로서 지진해일과 유사한 해일의 거동특성을 보였으며, 해일과 함께 이동하는 대기압점프가 확실하게 나타났다. 이 해일은 이동하는 기압 점프(pressure jump)에 의한 대기압의 급변으로 해수면이 국부적으로 상승 또는 하강하게 되고, 기압점프의 이동속도와 해일의 전파속도가 같아질 때 나타나는 Proudman공명 현상이 발생하여 해일고가 크게 증가하였다(Choi et al., 2008). 또한 이렇게 증폭된 해일이 해안에 도달하면서 천수화와 포구 폭 축소에 의해 해일고가 더욱 증대되어 해안을 내습하면서 큰 피해를 발생시켰다. 이러한 발생 및 증폭 기구가 알려지기 전에는 ‘평상적인 파와는 그 특성이 다르고, 발생 원인이 알려지지 않은 큰 파’라는 의미에서 ‘이상파랑’이라는 임시 명칭을 사용하였으나, 전술한 바와 같이 기상변화로 인한 해일로 규명되었으므로 적절한 명칭을 부여하고 앞으로 이를 사용하는 것이 바람직하다.

기압급변부의 이동에 의해 발생하는 장파는 세계 여러 곳에서 나타나며, 그 지역 특유의 명칭으로 불리어왔다. 예를 들어 일본의 Kyushu섬 서쪽해안에 위치한 Nagasaki만에서는 12월에서 다음해 4월 사이에 장파가 내습하는데 이를 Abiki라 부르며, 가까운 중국 산둥반도의 북부 해안에 있는 Longkou항에서도 5월에서 8월 사이에 장파가 자주 내습하는데 특별한 명칭은 없다. 또한 스페인의 지중해 연안의 Balearic제도에서 발생하는 장파는 Rissaga로 불리운다. Monserrat et al.(2006)은 이러한 장파를 종합하여 ‘기상쓰나미(meteorological tsunami; meteo-tsunami)’라 명명하였다. 이와 같이 기상변동에 의한 장파를 국제적으로 기상쓰나미라 부르고 있으며, 이를 우리말로 번역하면 ‘기상지진해일’이라 할 수 있다. 그러나 지진과는 무관하므로 기상장파 또는 기상해일이라 명명하는 것이 좋을 듯하다. 기상 변동에 의한 장파에는 태풍에 의한 폭풍해일도 있으나 2007년의 장파는 폭풍해일에 비해 주기가 짧고, 에너지 면에서도 훨씬 강도가 작다. 기상변동에 의한 장파는 주기가 5~20분 정도이므로 우리나라 동해안에 내습하는 지진해일과 비슷하며, 전파 및 범람양상이 서로 비슷하므로 기상해일이 기상장파보다 좀 더 자연스러워 보인다. 이 연구에서는 임시 명칭인 ‘이상파랑’대신 ‘기상해일(meteo-tsunami)’을 사용한다.

기상해일은 세계 여러 곳에서 발생한 기록이 있으며, 상당한 연구가 수행되어 발표되었다. Monserrat et al.(2006)은 이러한 기상해일의 연구 성과를 정리하여 제시한 바, 대략적인 내용은 다음과 같다. Fontsere(1934), Ramis and Jansa(1983), Tintore et al.(1988) 및 Monserrat et al.(1991)은 스페인의 Balearic Islands에서 발생한 기상해일인 Rissaga에 대해 연구성과를 소개하였고, Colucci and Michelato(1976)과 Candela et al.(1999)은 이태리의 Sycily에서 발생한 기상해일인 Marubbio에 대해, Airy(1878)와 Drago(1999)는 Malta에서 발생한 Milghuba에 대해 각각 연구하였다. 일본에서는 1979년 3월 31일 Nagasaki만에서 발생한 Abiki에 대해 Honda et al.(1908), Hibiya and Kajiura(1982) 및 Akamatsu(1982)가 연구 성과를 발표하였다. Wang et al.(1987)은 발해만 입구부인 산동반도의 Longkou항에서 발생하는 기상해일에 대해 연구하였다. 그밖에도 세계 도처에서 발생하는 기상해일에 대한 연구가 많은 연구자들에 의해 수행되었다.

국내에서는 2005년 2월 9일 제주도 한림읍 옹포리 포구에서 기상해일로 의심되는 범람현상이 발생한 이후, 같은 해 3월 23일에도 남해안에서 해일현상이 발생하였으나 인명피해가 없었고 침수피해도 미미하여 적극적인 사후 조사나 관련연구가 수행되지 않았다. 그 후 2007년 3월 서해안에서 발생한 기상해일로 2명의 인명피해와 함께 서해안 여러 곳에서 침수 피해가 있었고, 2008년 5월에도 충남 보령에서 기상해일이 발생하여 9명의 인명피해가 발생한 이후부터 국내 연구진의 관심을 받기 시작하였다(Lim et al., 2008; Woo et al., 2008). 그러나 당시에는 기상해일에 대한 지식이 축적되지 않은 상태였으므로 해일현상을 임시로 이상파랑 이라 칭하고 해일피해 조사 및 원인파악 정도의 연구가 진행되었다. 그 후 Choi et al.(2008)은 2007년 3월 서해안 이상파랑에 대한 연구를 본격적으로 수행하여 서해의 이상파랑이 기압점프 이동에 의한 해양장파임을 밝히고, 국내 자동기상관측소(AWS: Automatic Weather Station)의 1분 기압자료 및 조위관측자료를 분석하여 대략적인 윤곽을 파악하였으며, 1차원 수치모형을 이용하여 Proudman 공명에 의한 기상해일의 발생과 증폭 등에 대한 연구 성과를 제시하였다. 그 후 Choi(2010)는 이전의 연구결과를 확장하여 비선형 천수방정식을 지배방정식으로 하는 2차원 수치모형을 수립하고, 이를 이용하여 실제 2007년 서해안 기상해일의 수치모의를 수행한 바, 수치모의를 통해 기압점프가 서해상을 북서쪽으로부터 남동진함에 따라 기상해일이 발생하고 증폭되는 과정을 잘 보여주었다. 그러나 Choi(2010)는 계산된 해수위와 조위관측소에서 기록된 해수위와의 비교를 통한 수치모의의 정밀도 검사를 시도하지는 않았다. 이는 수치모의에 사용된 100 m의 격자간격으로는 검조소가 위치하는 해안지역의 지형을 상세히 표현하기 어려워 굴절, 회절, 반사와 만내 공명 등 기상해일의 최종 변형과정을 정도 높게 반영하기 어려웠고, 기압점프를 전면 경사를 가지는 계단형상으로 단순화하여 실제 기압점프 전파양상을 충실히 고려할 수 없었으며, 또한 영광 조위관측소 지점의 기압자료를 포함하지 않아 기압점프 크기를 실제의 1/2에 해당하는 4.0 hPa로 작게 부여했던 것에 기인한 것으로 판단된다.

한편, Woo et al.(2008)은 기상해일의 첫 파봉이 각 조위관측지점에 도달한 시간을 분석하여 기상해일의 이동방향을 추정하였다. Choi et al.(2009)은 2008년 5월 보령 죽도에서 발생한 기상해일을 유발한 기압점프의 이동방향 및 이동속도를 보령과 위도가 비슷한 내륙의 AWS 지점에서 관측한 기압 및 기온 자료를 이용하여 추정하고, 기상 레이더 신호의 이동속도와 동일함을 보인 다음, AWS가 없는 해상에서의 기압점프 이동특성을 기상 레이더 신호를 이용하여 추정하였다. 최근 Eom et al.(2012)은 2007년 서해안 이상파랑 발생 시의 해수면 및 기압분포 관측 자료를 웨이블릿 분석하여 각각의 특성을 파악하였다. 특히 기상청 AWS의 기압자료를 시공간적으로 분석하여 기압점프의 이동방향과 이동속도를 현실적으로 파악하였으며, 이를 이용하여 기상해일 2차원 수치모의를 수행하고 서해안 6개 지점에서의 조위관측 자료와 비교하였다. Eom et al.(2012)의 계산결과는 해일로 인한 최대수면 변위가 일반적으로 관측치의 0.5배 정도로 매우 작게 나타났으며, 반대로 해일의 주기는 2배 정도로 크게 계산되어 기상해일의 발생 및 증폭 기구의 합리성 및 수치모의의 정확성 면에서 아직 많은 문제가 있음을 보이고 있다. 이와 같이 국내에서도 기상해일이 많은 연구자들의 관심대상이 되고 있으나, 이에 대한 심도 있는 연구는 아직 시작단계에 있다.

기상해일이 이전에도 계속적으로 우리나라 서해에서 발생 했던 것인지, 아니면 기후온난화의 영향으로 기상환경이 변화되어 최근 들어 발생하기 시작한 것인지는 분명하지 않으나, 폭풍해일이나 지진해일과는 달리 현재의 기상관측 및 조위관측 시스템으로는 사전에 그 발생과 내습 가능성을 예측할 수 없으므로, 기상해일의 예경보가 가능하도록 향후 기상 관측 및 조위관측 시스템의 신속한 확충 및 개선과 함께 수치모의 기술도 함께 갖추어야 할 것이다. 폭풍해일이나 지진해일 등은 여러 국가가 동시에 영향권에 들어가므로 많은 부분을 일본 등 기상선진국에 의존하는 것이 사실이다. 그러나 우리나라 서해안에 영향을 미치는 기상해일은 중국이나 일본에는 영향을 미치지 않으므로 우리나라 독자적으로 해결하지 않으면 안 된다. 따라서 기상해일에 대한 국가 및 연구자들의 관심과 노력이 특히 요구되는 사안이라 할 수 있다.

본 연구에서는 기상해일의 전파 특성을 잘 나타내줄 수 있는 기본방정식의 선정과 각종 기상 인자 및 해양 조건이 파의 증폭 및 전파에 미치는 영향을 1차원 수치모의를 통하여 좀 더 심도 있게 검토하였다.

2007년 3월 31일 0시경부터 서해안 일대에 걸쳐 해일이 발생하여 전남 영광 지역의 법성포 일대에서 주기 17분, 해일고 1.8 m 정도의 해일이 만조와 겹쳐 인근 상가에서 범람이 발생하였다. 이 당시 서해안의 안흥, 군산, 위도 등지에서도 해일현상이 발생하였다.

이 해일은 서해상에서 백령도와 중국의 산동반도를 잇는 선을 따라 길게 발생한 4.0 hPa 정도의 대기압 점프가 남동방향으로 이동하면서 해일을 발생시킨 것으로 보고되었다(Choi et al., 2008). Fig. 1은 당시의 기압분포를 보여주는 기상청의 기상도이다. 2007년 3월 30일 21시의 기상도에서는 동해상에는 고기압대가, 서쪽에는 중국 대륙에 저기압대가 각각 남북으로 길게 자리 잡고 있어 동고서저의 기압 분포를 보여주며, 전반적으로 편서풍의 영향으로 동쪽으로 이동하고 있었다. 3시간 뒤인 31일 0시의 기상도에서는 북한의 평양과 원산 사이에서 갑자기 고립된 고기압대가 나타난 바, Woo et al.(2008)에 따르면 서해상의 등기압선이 S자 형태로 휘어졌으며, 다시 3시간 뒤에는 이 고기압대가 사라져 6시간 전의 형태로 회복되었고, 이 과정에서 백령도와 중국의 산동반도를 잇는 선을 따라 대기압 점프가 길게 발생하였으며, 이 대기압 점프선이 서해상을 남동방향으로 이동하면서 해일을 발생시킨 것으로 추측하고 있다.

이러한 대기압 점프가 발생하여 이동하다가 사라지는데 3~5시간 정도로 짧고, 대기압 점프에서의 기압변동이 수 분 사이에 이루어지는 점을 고려하면 기상청에서 3시간마다 발표되는 기상도로부터 해일의 발생과 전파과정을 분석하기 위한 자세한 정보를 얻기는 힘들다. Eom et al.(2012)은 우리나라 전역에 걸쳐 기상청에서 운영하는 자동기상관측소(AWS)의 1분 자료를 수집·분석하여 3월 31일 00시 ~ 01시 30분 사이의 기압분포 변화를 Fig. 2와 같이 제시하였다.

Fig. 2에서 보는 바와 같이 00시 00분에는 남서-북동방향으로 좁고 길게 분포하는 기압점프가 태안반도 상을 지나고 있으며, 00시 30분에는 보령을, 01시 00분에는 군산을, 01시 30분에는 영광지역을 지나고 있다. 이 대기압 점프의 전면에서는 기압점프 직전의 저기압대가 역시 남동방향 방향으로 이동하고 있음을 보여준다. 이 대기압 점프선의 이동속도는 대략 25 m/s이다. Fig. 3은 2007년 3월 29일로부터 4월 1일 사이에 AWS가 위치하는 백령도(BRI), 인천(IC), 서산(SS), 군산(KS), 영광(YG)에서 관측된 기압의 1분 자료로서, 3월 30일 22시 41분에 백령도를 통과한 대기압 점프가 남동쪽으로 전파되어 23시 46분에는 격렬비열도를, 31일 00시 01분에는 인천을, 00시 29분에는 서산을 지나고 있다. 그 후 01시 05분에 군산을 통과하고, 01시 29분 영광에 도달하기 까지 서해안을 따라 남하하고 있는 양상을 보여준다. 여기서 대기압 점프 통과시간은 점프 후 최고기압점이 통과하는 시간이므로, 기압점프가 시작하는 시점을 기준으로 하면 각 지점에서 점프통과시간이 조금씩 빨라질 수 있다.

Fig. 4는 국립해양조사원에서 운영하는 조위관측소인 대산(DS), 안흥(AH) 및 영광(YG)에서 동시 측정한 기압과 해수면 변동을 보여주는 바, 대기압 점프의 이동으로 기상해일이 발생함을 잘 보여주고 있다. 영광에서의 경우를 살펴보면 기압점프와 기상해일의 첫 파가 동시에 도착하는 것을 알 수 있다.

Fig. 5는 안흥, 군산, 위도와 영광의 4개 조위관측소에서 관측된 조위자료에서 해일이 발생하지 않았을 경우의 예상조위를 제거하여 기상해일 만에 의한 해수면변위를 보여주고 있다(Choi et al., 2008). 또한 각 지점에서 기상해일의 도달시간, 해일고, 및 첫 2개 해일파 간의 지체시간 즉 주기를 제시하고 있다. 이 기상해일의 주기는 15~19분으로 중간 정도의 장파에 속한다. 대부분의 관측지점에서 4개의 해일파가 도달하였는데, 첫파의 해일고가 가장 크고 2번째와 3번째로 갈수록 해일고가 감소하다가 4번째 파는 다시 증가하는 현상을 보인다. 영광의 경우에는 3번째 파가 나타나지 않았다. 4개 관측점 중 위도의 경우에는 해안으로부터 멀리 떨어진 섬이므로 해안으로부터 반사된 파의 영향이 작을 것으로 판단되며, 따라서 4개의 해일파 모두가 서해상에서 생성되어 전파되어 온 것으로 판단된다.

대기압 점프의 이동에 의한 기상해일의 발생과 증폭 기구는 Proudman 공명으로 설명된다. Proudman 공명은 대기압 점프의 이동속도가 파의 이동속도와 같을 때 공명이 발생하여 파고가 이동거리에 비례하여 증폭되는 현상이다. 대기압 점프의 이동속도가 파의 이동속도보다 커지거나 작아지면 그 차이만큼 증폭정도가 약화된다. 대기압 점프의 이동속도는 대략 18~40 m/s로 알려져 있으므로 Proudman 공명은 수심이 33~160 m의 범위에서 일어날 수 있다. 우리나라 서해는 수심이 100 m 미만이므로 대기압 점프가 발생하면 Proudman공명에 의한 기상해일이 발생할 가능성이 높다. 또한 기상해일은 주기가 10~20분으로 길고 서해의 수심이 육지 쪽으로 가면서 매우 서서히 감소하므로 천수화에 의한 증폭이 크게 발생하여 먼 바다에서 작은 해일도 해안에 도달하면 크게 증폭될 수 있다. 이러한 기상해일의 거동은 지진해일과 매우 유사하여 해안에서 내륙 깊숙이 범람을 발생시킬 수 있다.

이번 연구에서는 2007년 3월 서해안에서 발생했던 이상파랑을 기압 급변동의 이동에 의한 기상해일로 간주하고, 기압급변동이 장파의 전파속도로 이동할 때 발생하는 기상해일의 발생 및 증폭 과정을 1차원 수치모의를 통해 파악하였다. 본 연구에서 제안한 기압점프 형상은 기존의 단순한 계단형이나 (-)sine형태의 단순한 형상 대신 주기적인 변동으로 설정하여 해안에서 관측된 기상해일의 주기성은 물론 해일고 등을 잘 재현할 수 있었다. 이 해일의 주기성은 만내 공진에 의한 범람 수치모의에 있어 필수적인 요소이다. 이번 연구를 통하여 기존 연구에서 사용되어 오던 계단형 기압점프나 (-)sine형태의 단순한 기압변동은 실제 관측된 해일의 특성을 제대로 재현할 수 없으며, 기압점프의 보다 상세한 정보가 필수적임을 알 수 있었다. 본 연구의 결과는 향후 실제 기상해일의 2차원 수치모의를 수행함에 있어 필수적인 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.