Article

Ocean and Polar Research. 30 December 2021. 307-320
https://doi.org/10.4217/OPR.2021.43.4.307

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 언

  • 2. 연구 지역

  • 3. 연구 재료 및 방법

  • 4. 태풍 기상 및 해황 특성

  •   태풍 차바

  •   태풍 솔릭

  •   태풍 링링

  •   태풍 마이삭

  • 5. 해빈 지형변화

  •   해빈 지형 개요

  •   태풍 차바 시기의 지형변화

  •   태풍 솔릭 시기의 지형변화

  •   태풍 링링 시기의 지형변화

  •   태풍 마이삭 시기의 지형변화

  • 6. 토 의

  •   지형변화 양상

  •   해빈 규모 변화

  • 7. 결 론

1. 서 언

해빈은 고화되지 않은 퇴적물(자갈 혹은 모래)로 이루어진 연성의 해안지형이다. 해빈의 퇴적물은 지속적으로 작용하는 파도와 조류의 영향으로 인해, 유입되는 동시에 한편에서는 유출되는 매우 동적인 특성을 갖고 있다. 그 결과, 해빈퇴적물의 공급량과 유출량 차이에 따라 해빈의 규모는 확장 혹은 축소되거나 유지되는 등 끊임없는 변화를 보이게 된다. 이러한 해빈퇴적물의 유출입 과정은 연안역 파랑에 의한 연안류 및 이안류, 조류, 그리고 해안지역 바람과 밀접하게 연계되어 있다(Komar 1976; Davis Jr and FitzGerald 2004). 특히, 강한 바람을 동반한 태풍이나 계절 폭풍은 연안역에 이상 파랑이나 해수유동을 야기함으로써 단기간에 해빈 지형을 변화시키는 주요 요인이 되고 있다(Adam and Brian 2008; Basco 1996; Cai et al. 2002, 2004, 2007; Chen 1995; Otvos 2004; Sallenger et al. 2006).

태풍 내습 시 해빈에서의 입자 이동양상은 기상조건이 양호한 평상시와는 상당히 다르게 나타날 수 있다. 또한 태풍에 의한 파랑과 해류는 태풍의 이동 경로 및 강도에 따라 시시각각 바뀌기 때문에 태풍 파랑에 의한 영향은 다양한 지형변화로 이어질 수 있다(Qi et al. 2010). 어떤 해빈에서는 해빈면이 전진 혹은 후퇴되고 연안사주가 이동하며(Basco 1996; Lee et al. 1998), 정단(berm)과 풍성사구가 침식되고(Sallenger 2000; Stockdon et al. 2007) 내륙으로의 월파(overwash)에 의해 퇴적물이 유실되는 등(Adam and Brian 2008; Cai et al. 2002) 태풍의 영향이 강하게 나타나는 반면, 어떤 해빈에서는 영향이 매우 약하거나 거의 없는 경우가 보고되기도 한다(Cai et al. 2004; Lei and Cai 2005). 이와 같은 연구결과는 해빈의 유형과 태풍의 특성에 따라 다양하게 나타나는 해안 지형변화 양상과 과정을 이해하는 데 기초정보를 제공함으로써 해양재해 예방과 저감, 그리고 해안지역의 토지이용 계획 및 관리 방안 수립에 대단히 중요하다.

대부분의 해안이 화산암반으로 이루어진 제주도에서 용암류 돌출부 사이에 발달하는 소규모의 만입형 해빈은 해안경관의 다양성을 제공하는 중요한 자연유산의 하나이다. 특히, 제주 우도의 홍조단괴해빈은 세계적으로 희귀한 홍조류 기원의 역질 혹은 역사질 퇴적물로 이루어져 있어서 천연기념물로 지정되어 있으며 학술적으로도 관심이 높은 곳이다(Fig. 1; 김 등 2003; 허 등 2012; 우 등 2013; Jeong et al. 2020). 그러나 최근 해빈 배후지역에 해안도로와 건물이 신축되면서 주변 환경에 급격한 변화가 초래되었으며, 장기적으로도 온난화에 따른 해수면 상승과 기상변화로 인해 면적축소의 우려가 높아 보존대책 마련이 시급히 요구되고 있다. 이를 위해서는 우선 계절에 따른 기상 및 해황 변화나 태풍과 같은 단기적 요인에 따른 지형변화 양상과 과정을 규명할 필요가 있다. 그리고 이를 기초로 하여 장기적인 과거 지형변화 경향 파악과 미래 변화에 대한 예측이 이루어져야 한다. 특히 대형 태풍과 같은 단기적 기상변화에 따른 해안의 반응을 정확히 예측하기 위해서는 다양한 사례에 대한 지형의 정량적 비교분석과 특성화가 필요하다. 이 연구에서는 라이다와 드론 측량을 통해 취득된 고해상 디지털 지형정보에 근거하여 차바(2016), 솔릭(2018), 링링(2019), 마이삭(2020) 등 4개 태풍 통과 전후의 우도 홍조단괴해빈의 지형변화 특성과 원인을 분석하였다. 특히 홍조단괴해빈은 지금까지 활발한 연구가 이루어진 북미, 북유럽, 남중국 해안의 대형 사질 해빈들과는 달리 규모가 크지 않은 만입형의 역질과 사질 퇴적물로 구성된 혼성해빈의 흔치 않은 사례로서 중요하게 활용될 수 있을 것이다.

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Fig. 1.

Location map (a) and aerial view (b) of the study area. Inset shows the beach sediments mainly consisting of gravel-sized rhodoliths

2. 연구 지역

제주도 동쪽 끝에 위치한 우도는 약 10만 년 전 섬의 남동쪽 소머리오름 분화구(우도봉)에서 일어난 수성 화산분출에 의해서 형성되었다(Sohn and Chough 1993). 우도의 해안지역은 응회구인 소머리오름 주변을 제외하고는 대부분 용암류 화산암으로 이루어진 완경사의 평지가 해저로 연장되면서 파식대지가 우세하게 발달하며, 해안의 만입부에는 홍조단괴해빈을 포함한 소규모 사빈과 역빈이 다수 나타난다. 홍조단괴해빈은 해안선 굴곡이 그다지 심하지 않은 우도 서쪽 해안을 따라 길이 약 850 m, 최대폭 30~35 m 규모로 발달한다(Fig. 1b).

홍조단괴해빈에 분포하는 미고결 퇴적물은 대부분 자갈과 모래 크기의 생물기원 입자인 홍조단괴(rhodoliths)와 그 쇄설물로 구성되어 있다(Fig. 1b). 홍조단괴는 단단한 핵을 중심으로 석회질 홍조류(Lithophyllum)가 부착하여 만들어진 입자로서 해수의 움직임에 따라 지속적으로 구르거나 움직이면서 직경 수 cm의 단괴로 성장한 것이다(허 등 2012). 홍조단괴해빈 인근의 단괴형 홍조류 주요 서식지는 우도와 제주 본섬 사이의 평균수심 약 15 m의 우도수로(Udo Channel) 연안역이다(Fig. 1a). 우도수로에서는 평상시 북북서 방향의 창조류와 남남동 방향의 낙조류에 의한 왕복성 해수유동이 지배적이다. 조류의 최강유속은 80~130 cm/s 범위를 보이는데, 대체로 낙조류가 우세하게 나타난다(홍 등 2021). 우도수로 주변 해안은 소조차 지역으로서 우도 천진항 기준으로 평균 조차는 대조기에 1.9 m, 소조기에 0.7 m이다. 파랑은 태풍 시기를 제외하면 유의파고는 평균 0.5~1.0 m로 그리 높지 않은데, 탁월파향은 춘계, 추계 및 동계에는 북북서~북서 계열, 하계에는 남남동 계열이 우세하게 나타난다(제주특별자치도 2015). 홍조단괴는 우도수로의 북동 사면을 따라 주로 분포하는데, 이곳 해저에는 홍조단괴와 패각편 등 석회질 퇴적층이 수 m 이상의 두께로 화산암반층을 피복하여 나타난다(Jeong et al. 2020). 우도 홍조단괴해빈의 퇴적물은 대부분 이러한 홍조단괴 기원의 석회질 입자들이 태풍 및 폭풍 등 강한 해수 유동에 의해 해안 쪽으로 운반되어 집적된 것으로 추정된다(김 등 2003). 아울러 평상시 우도 연안 저층에는 낙조류 혹은 창조류의 우세 여부에 따라 남동쪽이나 북동쪽으로의 우도 해안으로 향하는 해수 유동이 나타나며, 이는 조석 잔차성분에 의해서도 얕은 해저면에 분포하는 홍조단괴가 꾸준히 해빈으로 이동될 수 있는 환경임을 지시한다(홍 등 2021).

3. 연구 재료 및 방법

우도 홍조단괴해빈 지형에 미치는 태풍의 영향과 세부 과정을 밝히고자 이 연구에서는 2016, 2018, 2019, 2020년 8월~10월 사이 제주도 인접해역을 통과한 차바(Chaba), 솔릭(Soulik), 링링(Lingling), 마이삭(Maysak) 등 4개 태풍 시기에 나타난 해빈의 지형변화 특성을 정량적으로 분석하였다(Table 1; Fig. 2). 아울러 지형변화의 주요 요인인 기상과 해황 특성을 파악하기 위하여 태풍 통과 시 우도수로에서 관측된 해류 및 파랑 자료와 인근 기상관측소에서 취득된 풍향 및 풍속, 그리고 조위 자료 등 해황과 기상 자료를 종합하였으며, 이에 기초한 파랑 수치모델링을 수행하였다.

Table 1.

Information of typhoon event and topographic survey

Name of typhoon Peak date Date of field survey (*) Survey method
Pre-typhoon Post-typhoon
Chaba 2016/10/04 2016/9/23 (-11) 2016/10/18 (+14) LiDAR
Soulik 2018/08/22 2018/07/31 (-22) 2018/08/31 (+9) LiDAR
Lingling 2019/09/06 2019/08/03 (-34) 2019/09/15 (+9) LiDAR
Maysak 2020/09/03 2020/08/27 (-7) 2020/09/04 (+1) Drone-based Photogrammetric

*Time interval between typhoon event and data acquisition

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Fig. 2.

Tracks of the typhoons analyzed in this study

해빈 지형은 라이다(LiDAR)와 드론 측량을 통해 취득된 해빈 지표면의 정밀고도 정보를 이용하여 분석되었는데, 차바, 솔릭, 링링 시기에는 라이다, 그리고 마이삭 시기에는 드론 측량자료를 활용하였다. 라이다 측량은 지표면에서 반사된 레이저빔을 처리하여 특정 지점의 고도를 직접 측정하며, 드론 측량은 지표면 다중영상에서 동일 사물에 대한 기하학적 분석을 통해 고도값을 산출한다. 각각의 측량에 사용된 장비와 분석 소프트웨어에 대한 정보는 Table 2와 같다. 지형측량은 해빈의 조위와 기상상태에 따라 태풍 통과 후 1일~14일이 지난 시점에 실시되었으며, 태풍에 의한 해빈의 지형변화를 파악하기 위하여 태풍이 통과하기 7일~34일 전에 취득된 자료와 비교하였다(Table 1). 먼저 동일 지점에 대한 태풍 통과 전후의 고도 증감을 산출하여 지표 변화(집적 혹은 침식)에 대한 정도와 공간적 분포를 도면화하였다. 아울러 해빈 표면의 고도자료를 이용하여 평균해수면을 기준으로 그 상부에 분포하는 기반암과 해빈퇴적물의 전체 부피를 산정하고, 태풍 통과 전후의 값을 비교함으로써 해빈의 부피 변화를 분석하였다.

Table 2.

Methodology of topographic measurement

Survey method Equipment Processing software
GPS Control Point Survey GINTEC F90 RTK GNSS Arc GIS 10.6
Terrestrial LiDAR Survey Leica ScanStation P40 Arc GIS 10.6
Drone-based Photogrammetric Phantom4 pro V2.0 PIX4D/Arc GIS 10.6

한편, 태풍 시 인접해역인 우도수로의 해류와 파랑 특성을 분석하기 위하여 홍도단괴해빈에서 약 800 m 떨어진 외해역 정점(Fig. 1a)에 설치된 음향도플러유속계(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)를 이용하여 해류와 파랑 특성을 관측하였다. 아울러 태풍 통과 시의 기상상태는 우도에 설치된 무인지상기상관측소(AWS)의 풍향 및 풍속 자료를, 그리고 조석정보는 성산항의 조위자료를 활용하여 분석하였다.

태풍 시에 해빈에 미치는 파랑의 세기와 방향을 파악하기 위하여 인접 연안역에 대한 파랑 수치모델링을 수행하였다. 파랑 모델링은 해류, 수심 및 해수면 변동 등에 의한 파랑의 생성 및 전파 특성을 고려할 수 있도록 설정하였으며, 개방 경계 문제를 최소화하기 위해 파랑과 해양 모델 모두 둥지기법(nesting)을 적용하여 저해상도의 제주 광역 모델(1 km 해상도, 영역1)에서 준고해상도 제주 북서부 연안모델(200 m 해상도, 영역2) 및 고해상도 우도 연안 모델(40 m 해상도, 영역3)로 연결되는 시스템으로 설계하였다. 수치모의 실험에 사용된 수심자료는 The General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO) 2014의 30초(약 1 km) 간격 자료를 사용하였다.

4. 태풍 기상 및 해황 특성

태풍 차바

2016년 제18호 태풍 차바는 10월 초순에 제주도 동쪽 해역을 북북동진하면서 통과하였다(Fig. 2). 우도 AWS의 관측결과에 의하면 차바가 제주도 남쪽 해역에 도달한 10월 4일 정오부터 우도지역에는 강한 북동풍이 영향을 미치면서 1분 단위로 평균한 풍속(이하 평균풍속)이 8 m/s 이상으로 증가하였고, 제주도에 근접한 4일 18시 이후에는 북서풍으로 바뀌어 평균풍속은 최대 18 m/s까지 기록되었다(Fig. 3a). 우도수로에 설치된 ADCP 관측 결과, 차바가 통과하기 직전 1개월간의 저층 잔차류(조석의 왕복운동 성분을 제거한 해수의 이동)는 평균 6.5 cm/s 정도의 유속과 남동의 유향을 보였는데, 차바 통과 시에 유향은 남동향이 우세하였고 유속은 최대 60 cm/s로 평소보다 10배 정도 증가하였다(Fig. 4a). 태풍 통과 시기의 조석 물때는 11~12물로서 조차는 최대 174 cm이며 최고 조위는 성산항 검조소 기준으로 약 250 m를 나타내었다(Fig. 3a).

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Fig. 3.

Wind and tidal observation data during the Chaba (a), Soulik (b), Lingling (c) and Maysak (d) from Udo AWS and Seongsan tidal station. For observation locations, see Fig. 1

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Fig. 4.

Time series of current vectors at the ADCP site during the Chaba (a), Soulik (b), and Lingling (c). For measurement location, see Fig. 1

태풍 솔릭

2018년 19호 태풍 솔릭은 8월 하순에 제주도 서쪽 해역을 통과하여 북동진하였다(Fig. 2). 우도 AWS의 관측결과에 따르면 우도지역에는 8월 22일부터 24일까지 태풍의 영향으로 평균풍속 7 m/s의 강풍이 지속되었는데, 풍향은 남동풍-남풍-남서풍으로 시계방향 변화를 보였으며 절정기에도 평균풍속이 최대 12.3 m/s에 달하는 남동풍이 관측되었다(Fig. 3b). 이러한 남풍 계열 바람의 영향으로 우도수로의 ADCP 정점에서는 유의파고 최대 3 m 이상의 북향 파도가 우세하게 관측되었으며(Fig. 5a), 저층에서는 유속 100 cm/s 이상의 강한 잔차류가 북향하는 것으로 나타났다(Fig. 4b). 태풍 솔릭 통과 시기의 조석 물때는 4~6물로서 조차가 최대 165 cm이었고, 최고 조위는 약 250 m를 나타내었다(Fig. 3b).

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Fig. 5.

Time series of significant wave height and peak wave direction at the ADCP site during the Soulik (a) and Lingling (b). For measurement location, see Fig. 1

태풍 링링

2019년 13호 태풍 링링은 2019년 9월 초순에 제주도 서쪽 해역을 통과하여 북진하였는데(Fig. 2), 우도지역에서는 9월 6일 낮에 동풍계열 바람이 3 m/s에서 9 m/s까지 강해지면서 태풍의 영향이 나타나기 시작해서 7일 오전까지 강풍이 지속되었다(Fig. 3c). 이 시기에 풍향은 남동풍에서 시작하여 시계방향으로 남풍과 남서풍으로 점차 바뀌었는데, 전반적으로 동풍 계열이 우세하였고, 절정기에는 최대 평균풍속 12.1 m/s의 남풍이 우세하게 나타났다. 우도 홍조단괴해빈 전면의 ADCP 관측정점에서는 이러한 강풍의 영향으로 유의파고 1.5~2.0 m의 북향 파도가 지속적으로 발달하였으며(Fig. 5b), 저층에서는 최대 100 cm/s의 북향 잔차류가 분석되었다(Fig. 4c). 태풍 링링 통과 시기의 조석은 조차가 최저인 조금으로서 최대 조차는 99 cm이었으며 최고 조위는 약 220 m로 나타났다(Fig. 3c).

태풍 마이삭

2020년 9호 태풍 마이삭은 9월초에 태풍 차바와 유사하게 제주도 동쪽 해역 통과하여 북북동진하였는데(Fig. 2), 우도와 인근 성산항의 기상관측 자료에 따르면, 태풍 통과 기간에 풍향은 북동풍-북풍-북서풍의 반시계방향 변화를 보였으며, 절정기에는 평균풍속이 최대 29.6 m/s에 근접하는 북풍이 우세하게 관측되었다(Fig. 3d). 이 기간에 해황관측은 이루어지지 않았지만, 풍속과 풍향 변화가 태풍 차바와 유사하기 때문에 저층에서는 남향 잔차류가 강화되었을 것으로 보인다. 태풍 통과 시기의 조석 물때는 6~9물로서 조차는 최대 194 cm이며 최고 조위는 약 320 m로서 다른 태풍 시기에 비해 70~100 cm 더 높은 것으로 나타났다(Fig. 3d).

5. 해빈 지형변화

해빈 지형 개요

우도 홍조단괴해빈은 우도 서쪽 해안을 따라 길이 약 850 m, 최대폭 30~35 m로 분포하는 소규모 해빈으로서, 암반 돌출부를 경계로 하여 완만하게 만입된 4개 구역으로 구분된다(Fig. 6). 1년 단위의 3회의 모니터링 결과(제주특별자치도 2020), 평균해수면을 기준으로 한 해빈의 측량부피(평균해수면 상부의 기반암 및 해빈퇴적물의 전체 부피)는 평균적으로 3구역이 전체 부피의 약 47%로 가장 크고, 4구역이 31%, 1구역이 12%, 2구역이 10%를 차지하는 것으로 조사되었다. 각 구역 해안선의 길이는 140~310 m이며, 전개 방향은 남북, 북북서, 북북동, 북서 등 위치에 따라 변화된다. 가장 규모가 큰 3구역은 해안선 전개방향과 소규모 돌출암반에 따라 3개 구역으로 세분될 수 있다(Fig. 6). 해빈퇴적물은 대부분 홍조단괴기원으로서 역(gravel), 사질역(sandy gravel), 역질사(gravelly sand)의 조직특성을 보이며, 용암류 화산암반 위에 평균 1.5 m 내외, 최대 4.5 m 두께로 집적되어 있다(제주특별자치도 2017). 해빈퇴적층은 바다 쪽으로 가면서 두께가 감소하여 간조선 아래의 수심 5 m 이내의 쇄파대(surf zone)에는 주로 불규칙한 기복을 갖는 현무암 암반이 해저에 노출되어 있으며, 홍조단괴 퇴적물은 돌출된 암반 사이의 저지대에 국지적으로 분포한다(Fig. 6). 특히, 조하대의 암반노출대는 2/3구역 경계부와 3구역 북부에서 가장 넓게 외해쪽으로 연장되어 나타난다.

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Fig. 6.

Areal subdivision of the Udo Rhodoliths Beach by coastal cusps

만조선과 간조선 사이의 해빈 전안(foreshore)은 파도의 스워시(swash) 작용으로 인해 비교적 평탄한 해빈면(beachface)을 보이며 평균 15° 정도로 바다 쪽으로 경사져 있고, 일부 전안의 하단부에는 암반이 부분적으로 노출되어 나타나기도 한다(Fig. 7). 전안 상단부에는 기상조건이나 해황, 시기에 따라 다르지만 부분적으로 폭 1~2 m, 높이 10~ 30 cm 내외의 소규모 능(ridge)이나 정단(berm)이 해안선에 평행하게 발달하기도 있다. 만조선 상부의 후안은 전안에 비해 경사가 감소하여 다소 완만한 사면을 보이는데, 후안의 육지쪽 경계에는 1993년에 해안도로 포장과 함께 축조된 1~3 m 높이의 호안이 3구역과 4구역 경계부를 제외한 전 구역에 축조되어 있다(Fig. 7). 과거 항공영상자료에 분석결과에 따르면 호안축조로 인해 해빈의 면적은 약 8% 축소되었으며(제주특별자치도 2015), 잠식된 해빈 배후지에는 두께 1.5 m 내외의 해빈퇴적층이 분포하는 것으로 확인되었다(제주특별자치도 2017).

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Fig. 7.

Schematic cross-section of the Udo Rhodoliths Beach showing overall topography and distribution of the beach sediments and basement rocks

태풍 차바 시기의 지형변화

태풍 차바 내습 후에 실시된 라이다 측량결과, 홍조단괴해빈의 북쪽 구역(1, 2구역)에서는 퇴적물 유실로 면적과 부피가 모두 감소하였지만 남쪽의 3, 4구역에서는 퇴적물이 유입되어 면적과 부피가 모두 증가하였다(Table 3). 결과적으로 홍조단괴해빈의 전체 면적은 거의 변화가 없었지만(+0.8%), 전체 측량부피는 태풍 전에 비해 5.9% 증가한 것으로 나타났다. 라이다 측량 분석자료를 보면(Fig. 8a), 1구역의 중앙부 전안에서 침식(< 50 cm)이 일어났으며, 구역의 남북 경계부와 후안에서는 미약하게 퇴적물이 집적되었다. 2구역에서 침식은 주로 구역의 중심부와 북쪽 전안에서 대부분 50 cm 이하로 나타났고, 남쪽 해빈에서는 돌출 암반대의 저지대에 국지적으로 퇴적물이 집적되었다. 3구역에서는 중심부(3-2구역)의 전안에서 침식이 우세하며, 그 외 지역에서는 퇴적물이 집적되었는데, 특히 해빈 남쪽과 북쪽 경계부와 후안을 중심으로 퇴적물 두께가 최대 1 m까지 증가하였다(Fig. 9a). 4구역에서는 대부분 지역에서 퇴적이 우세한데, 특히 전안 하단부를 중심으로 최대 1 m까지의 표고 증가가 뚜렷한 반면, 북쪽 구역의 전안 상단부 일부와 남쪽의 내륙 경계에 위치한 후안을 따라서는 부분적으로 퇴적물이 유실되었다(Fig. 8a).

Table 3.

Rate of volume and areal changes during typhoons. For areal division, see Fig. 6

Chaba Soulik Lingling Maysak
Area 1 Volume change (%) -1.7 -6.6 +2.9 -20.9
Areal change (%) -15.2 -15.0 +1.7 -10.4
Area 2 Volume change (%) -7.9 -1.4 +2.0 -5.5
Areal change (%) -4.4 -1.4 +3.6 +0.9
Area 3 Volume change (%) +4.1 +6.0 +3.8 -5.6
Areal change (%) +5.2 +0.6 +1.0 -7.6
Area 4 Volume change (%) +16.0 -8.8 +0.5 -6.8
Areal change (%) +4.6 -1.3 +0.8 +0.5
Whole area Volume change (%) +5.9 -1.2 +2.5 -8.1
Areal change (%) +0.8 -2.8 +1.3 -4.3

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Fig. 8.

Elevation change of the beach surface before and after the typhoons

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Fig. 9.

Beach profile change before (blue line) and after (orange line) the four typhoons in Area 3. (a) Chaba, (b) Soulik, (c) Lingling, (d) Maysak, (e) profile locations

태풍 솔릭 시기의 지형변화

태풍 솔릭 내습 후에 홍조단괴해빈의 전체 부피는 태풍 통과 전에 비해서 거의 변화가 없는 것(-1.2%)으로 분석되었다(Table 3). 하지만 세부적으로 보면, 4구역 전반과 1구역 및 3구역 남부(3-3구역)에서는 퇴적물 유실이 일어났으며, 이와는 대조적으로 3구역의 북부(3-1구역)와 좁은 범위지만 1구역 북부에서는 퇴적물 집적으로 지표면의 고도가 상승되었다(Fig. 8b). 1구역의 북쪽 구간에서는 전안의 해빈면이 0.1~0.7 m 정도 높아졌고 남쪽 구간은 반대로 유사한 정도로 침식이 나타났다. 2구역에서는 전안 전단부를 따라 0.1~0.5 m의 고도 상승이 나타났으며, 반면에 호안과 맞닿은 전안 후단부에서는 미약한 침식이 발생하였다. 3구역에서는 주로 북쪽 구간인 3-1구역의 전안과 후안의 고도가 최대 2 m 상승하여 퇴적물 집적이 일어났으며, 반대로 3-2와 3-3구역은 일부 후안을 제외하고 대부분 지역에서 유실이 일어나서 일부에서는 2 m 이상의 두께 감소가 기록되기도 하였다(Fig. 8b). 한편, 해빈단면은 3-1구역에서 태풍 이전에 정단이 뚜렷하지 않고 위로 오목한 형태를 띠고 있었으나 태풍 후에는 퇴적물이 집적되면서 평균해수면 기준 고도 1.5 m 정도에 정단이 발달한 계단형태의 단면 특징을 보인다(Fig. 9b). 반면에, 3-2와 3-3구역에서는 태풍 전에 정단이 발달하고 계단형태의 단면을 보였던 곳에서는 정단이 내륙 쪽으로 후퇴하거나 해빈 폭이 좁은 곳에서는 기울기가 일정한 경사로(ramp) 형태의 단면으로 변화되었다(Fig. 9b). 4구역에서는 거의 모든 구간의 전안과 후안에서 최대 1.5 m, 평균 0.5 m 정도의 침식이 발생하였고(Fig. 8b), 그 결과 4구역 해빈의 부피도 태풍 전 시기에 비해 8.8% 감소하였다(Table 3).

태풍 링링 시기의 지형변화

태풍 링링이 통과한 후 실시된 라이다 측량자료에서 홍조단괴해빈은 모든 구역에서 태풍 전 부피 대비 0.5~3.8%의 증가를 보여서 해빈의 전체 부피는 이전 시기 기준으로 2.5% 정도 늘어난 것으로 나타났다(Table 3). 부피변화 양상은 서로 다르지만 솔릭 시기와 유사하게 퇴적은 북쪽 구간에 집중되고 침식은 남쪽 구간에 우세한 특징, 즉 ‘북적남식’의 지형변화 양상이 2구역을 제외한 모든 구역에서 나타난다(Fig. 8c). 1구역은 부피가 3% 정도 증가하였는데, 특히 북쪽 구간의 전안 상단부에서 10~50 cm 지표고도가 상승하였으며 이에 반해 남쪽구간 전안 상단부에서 유사한 규모의 국지적인 침식이 발생하였다. 2구역에서는 대체로 집적이 우세한데 국지적으로 북쪽 경계 후안에서 침식이 확인된다. 3구역에서는 링링 통과 전 부피 대비 3.8% 증가하였다. 특히 구역 북부(3-1구역)에서 전안과 후안 모두에서 수 십 cm 정도의 퇴적물 집적이 나타났으며 전안 상단부에는 정단이 형성되면서 1 m 가까이 표고가 상승되었다(Fig. 9c). 반면에 남쪽의 3-2와 3-3구역 전안에서는 전반적으로 침식이 일어나서 해빈면의 표고가 최대 1 m 정도 감소하였으며, 후안을 따라 부분적인 집적이 나타나기도 한다(Fig. 8c). 한편, 4구역의 부피는 크게 변화되지 않았지만(+0.5%) 전안을 따라 국지적으로 50 cm 이하의 침식부가 나타난다(Fig. 8c). 다만 4구역 북부 경계부 전안 상단에 좁은 폭으로 퇴적물이 집적되면서 정단이 뚜렷하게 발달하였다(Fig. 9c).

태풍 마이삭 시기의 지형변화

태풍 마이삭이 통과한 직후에 실시된 드론 측량결과, 홍조단괴해빈의 부피는 모든 구역에서 감소하여 총부피는 이전 시기에 비해 8% 정도 작아졌는데 4개의 태풍 시기 중에서 가장 큰 폭의 지형변화, 즉 퇴적물 유실을 반영한다(Table 3). 드론 측량 분석자료를 보면(Fig. 8d), 1구역에서는 북쪽구간의 전안과 후안에서 유실이 우세하게 나타나며 반면에 남쪽구간 전안 상단부-후안 지역에는 퇴적물 집적되었다. 이에 비해 2구역에서는 중앙부 일부를 제외하고는 후안을 중심으로 퇴적물 유실이 우세하게 나타난다. 3구역은 이전 3개의 태풍 시기에 부피가 증가하였지만 마이삭 통과 이후에는 구역의 부피가 5.6% 감소하였다. 구역 내에서 퇴적물 집적과 유실의 양상은 태풍 차바 시기와 유사하게 나타나는데, 중앙부(3-2구역)의 전안에서 침식으로 표고가 최대 1 m 이상 낮아진 반면, 그 외 구간에서는 퇴적물이 집적되어 최대 1 m 이하의 표고 상승이 확인된다(Fig. 9d). 다만 3-3구역의 후안과 일부 전안에서는 퇴적물 유실이 나타난다. 한편, 4구역은 부피가 태풍 전 대비 6.8% 감소하였는데, 북부 일부 구간을 제외하고 전안과 후안 모두에서 퇴적물 유실이 광범위하게 발생하여 최대 1 m 이하의 표고 하강이 일어났다(Fig. 8d).

6. 토 의

지형변화 양상

태풍 내습 시에는 강한 바람에 의해 생성되는 높은 파랑과 해류가 해빈의 입자 이동에 주된 요인으로 작용하는데, 일반적으로 태풍 파랑과 해류는 태풍의 진행에 따라 강도와 방향이 빠르게 변하기 때문에 태풍에 의한 영향은 다양한 결과로 이어질 수 있다. 그럼에도 불구하고 홍조단괴해빈에서는 앞서 제시된 바와 같이 4차례의 태풍에 의한 지형변화가 두 가지의 대조적인 양상으로 나타난다. 즉, 솔릭과 링링 통과 후에는 서로 유사하게 각 구역의 남쪽 구간에서 삭박이 우세하여 정단이 소멸되거나 육지 쪽으로 후퇴된 반면, 북쪽 구간에서는 대체로 퇴적물이 집적되어 정단이 바다 쪽으로 전진하는 양상이 관찰되었다(Fig. 8b and c; Fig. 9b and c). 이와는 대조적으로 차바와 마이삭 통과 후에는 대체로 구역의 중앙부가 침식되고 구역의 남북 경계부에 퇴적물이 집적되는 양상이 나타났다(Fig. 8a and d; Fig. 9a and d).

이와 같은 두 유형의 지형변화 차이는 태풍 통과 시의 풍향과 이에 따른 풍랑의 영향으로 해석된다. 태풍별로 풍향 외의 요소, 즉 풍속, 지속시간, 조위 등이 서로 다름에도 위와 같이 대조적인 양상을 보이는 것은 홍조단괴해빈의 집적과 침식 작용이 근본적으로 풍향에 주된 영향을 받고 있음을 지시한다. 우도 주변 기상관측 자료에 따르면, 태풍의 진로가 제주도를 중심으로 서쪽 혹은 동쪽에 위치하느냐에 따라 우도 해역에 영향을 끼친 바람의 풍향이 서로 극명하게 다르게 나타난다(홍 등 2021). 즉, 태풍이 제주도 동쪽 해역을 통과하는 경우에 대체로 북동풍에서 시작하여 북풍을 거처 북서풍으로 이어지는 반시계 방향의 풍향변화를 보이는 반면, 서쪽 해역을 통과할 때에는 남동풍에서 시작하여 남풍을 거쳐 남서풍으로 이어지는 시계방향 변화가 특징적으로 나타난다. 특히, 최대 풍속 시기에는 전자의 경우 대체로 북풍계열이 우세하고, 후자의 경우에는 대체로 남풍계열이 우세하게 나타난다(Fig. 3).

그 결과, 홍조단괴해빈이 접하고 있는 우도수로에서는 해파의 방향도 뚜렷한 차이를 보인다. 4개의 태풍 사례를 적용한 홍조단괴해빈 인접 해역의 파랑 모델링(Fig. 10)에서 파랑의 유의파고는 서로 다르지만 파향은 태풍의 통과경로에 따라 극명하게 다른 양상으로 나타난다. 즉, 제주도 서측을 통과한 솔릭과 링링 시기에는 북동향의 파향이, 동측을 통과한 차바와 마이삭 시기에는 남동향의 파향이 우세하게 모사되었다. 실제로 ADCP 관측자료에서도 솔릭과 링링 시기에 남풍에 의해 전파되는 파랑에너지가 누적되어 평상시보다 유의파고가 최대 6배 이상 큰 파랑이 북동쪽 내지 북쪽으로 전파되는 것이 확인되었다(Fig. 5). 다만 모델링에서는 파랑이 해안선에 근접함에 따라 파향이 국지적으로 바뀌는 것으로 모사되었는데, 솔링과 링링 시기에는 1구역에서 남동향 성분이, 차바와 마이삭 시기에는 2구역과 3-1구역에서 북동향 혹은 동향 성분이 부분적으로 나타나기도 한다(Fig. 10).

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Fig. 10.

Spatial patterns of simulated mean wave direction (arrows) and significant wave height (colors) during four typhoons

태풍 시기에 높은 파도가 해안선에 비스듬히 접근하는 경우, 이와 거의 동일한 방향으로 해수의 이동이 일어나기 때문에 해안 부근에는 해안선에 평행한 방향으로 흐르는 연안류(longshore current)가 발생한다. 이번 연구에서 연안류 관측조사가 수행되지는 않았지만, 연안류는 쇄파대나 포말대(swash zone)에 작용하는 것으로 알려져 있는데 해빈의 전안과 간조선 아래의 근안 퇴적물을 운반하는 주요 수단이 될 수 있다(Komar 1976; Davis Jr and FitzGerald 2004). 아울러 후안과 근안 사이에 발달하는 포말대는 파도 에너지가 직접 닿는 곳으로서, 파도가 밀려오면 강한 수류가 평탄한 전안을 따라 밀고 올라가면서 스워시를 형성하며, 상단부로 올라갔던 물결은 중력에 의해 다시 바다 쪽으로 되돌아 나오면서 백워시(backwash)을 형성한다. 파도가 해안선에 비스듬히 접근할 경우, 이러한 해수의 왕복성 운동에 의해 퇴적물 입자는 해빈면 위에서 지그재그 형태로 움직이면서 궁극적으로는 해안선에 평행한 방향으로 해빈을 종단하는 퇴적물 이동이 나타나게 된다.

따라서 솔릭과 링링 사례와 같이 남풍에 의해 북동향의 파도가 우세한 경우 북북서-남남동 방향으로 발달한 홍조단괴해빈에서는 남쪽으로부터 비스듬히 유입되는 파도 작용에 의해 해빈 각 구역에서는 남쪽에서 북쪽으로 해빈을 종단하는 퇴적물 이동 경향이 강하게 나타나며 결과적으로 남쪽 구간에서 퇴적물이 유실되고 북쪽 구간에서는 퇴적물 집적이 일어나서 ‘북적남식’의 지형변화가 일어날 수 있다(Fig. 11a). 이러한 지형변화는 규모가 가장 큰 3구역에서 특징적으로 나타난다.

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Fig. 11.

Conceptual model of sediment transport processes governing the topographic change of the Udo Rhodoliths Beach under the northeastward (a) and southeastward (b) wave fields

이와는 반대로 북풍이 우세하였던 차바와 마이삭 시기에 북북서의 전개방향을 보이는 3구역의 남부 구간에서는 대체로 남쪽으로의 퇴적물 이동이 일어나면서 3-2구역에서는 침식이 3-3구역에서는 집적이 우세하게 일어나서 ‘북식남적’의 지형변화가 나타난 것으로 보인다(Fig. 11b). 하지만 좀더 서쪽으로 치우친 서북서의 해안선 전개 방향을 보이는 3구역의 북부 구간(3-1구역)에서는 퇴적물 집적이 우세하게 일어났는데, 이는 남향하는 파도에 의한 퇴적물의 해빈 종단이동이 거의 없었음을 지시한다. 수치모델링에 따르면 차바와 마이삭 시기에 해빈면에 도달하는 파도는 외해역의 남동 파향과는 다르게 북쪽이나 동북쪽으로 편향되고 파력도 상당히 약화되어 나타나는 것으로 모사된다(Fig. 10). 이는 북서-남동의 해안선 전개방향과 해안 전면의 넓은 암초 분포에 따른 파도의 굴절 및 에너지 감쇠 효과에 따른 것으로 해석된다. 따라서 북풍이 우세한 태풍 시기의 우도 홍조단괴해빈의 지형변화는 단순한 ‘북식남적’이 아닌 세부 구역별로 달라지면서 다소 복잡한 양상을 띠는 것으로 보인다. 아울러, 4구역의 남쪽 구간은 차바 시기에는 집적이 우세하였으나(Fig. 8a) 마이삭 시기에는 반대로 침식이 광범위하게 일어났다(Fig. 8d). 두 태풍 시기의 기상과 해황 자료를 비교해 보면, 풍향은 유사하지만 마이삭 시기에 더 높은 풍속과 조차 및 조위를 보이고 있다(Fig. 3a and d). 이는 태풍의 풍향이 전반적인 지형변화 양상을 지배하지만 기상과 해황에 따라 국지적으로 대조적인 지형변화가 야기될 수도 있음을 지시하는 것으로서, 추후 더 많은 관측자료가 집적된다면 이들의 영향이 좀더 상세하게 규명될 수 있을 것이다.

이 연구에서 지형 측량자료는 마이삭 태풍을 제외하면 모두 9일 이상 지난 후에 취득되었다. 따라서 나머지 3개 태풍의 사례에서 제시된 지형변화 양상은 태풍 후 평상시의 해황 조건에서 일어난 해빈복원의 결과가 일부 반영되어 있을 수도 있다. 하지만 경로가 유사한 차바와 마이삭 자료는 측량 지연 기간이 2주 정도 차이가 있음에도 불구하고 주요 해빈 구역의 지형변화 양상이 두 사례에서 대체로 유사하게 나타난다(Fig. 8). 따라서 태풍 시기에 강화된 해황조건에 의해 야기된 지형변화는 상당히 급격하게 일어난 것이며, 태풍 후의 일반적인 해황에서의 복원 과정은 이보다는 점진적으로 일어나는 현상으로 보인다. 다만 두 태풍 후의 지형변화 양상이 국지적으로 차이를 보이는데 그 원인으로서 태풍후 복원작용의 영향을 고려해볼 수 있을 것이다.

해빈 규모 변화

4회의 태풍 통과 시에 관측된 홍조단괴해빈의 부피변화는 태풍의 경로에 따라 2개의 대조적인 특성으로 나타나는 해빈 지형변화와는 달리 마이삭 시기를 제외하면 대체로 증가(차바, 링링)하거나 변화가 미미(솔릭)한 것으로 나타났으며, 마이삭 통과 후에만 상당한 유실이 발생하였다(Table 3). 즉 전체적인 해빈퇴적물의 양적 변화는 태풍 시의 풍향이나 파향과 밀접한 관계가 있는 것으로 보이지는 않고 대체로 증가하는 경향을 보였다. 우도수로 해역의 평상시 저층 흐름은 대부분 북서-남동 방향의 조류의 흐름에 따른 왕복 운동이 지배적인 가운데, 낙조류 혹은 창조류의 우세 여부에 따라 남동쪽이나 북동쪽으로의 우도 해안으로 향하는 경향이 나타나며, 이는 조석에 의한 잔차성분에 의해 얕은 해저면에 서식하는 홍조단괴가 지속적으로 해빈으로 이동될 수 있는 환경임을 지시한다(홍 등 2021). 이와 같은 해수 유동양상은 태풍 시기에 들어오면 강풍의 영향으로 더욱 강화될 수 있을 것으로 보인다. ADCP 관측자료를 보면, 제주도 서부 해역을 통과한 태풍 솔릭의 영향 시기에는 강한 남풍에 의한 북향 해류(유속 1.5 m/s 이상)가 우세하게 나타났으며, 제주도 동편 경로를 따라 북상한 태풍 차바(2016년 10월) 시기에는 북풍에 의한 남향류가 지배적이다(Fig. 4).

아울러, 태풍에 의한 파랑도 강화된 해류와 거의 동일한 방향으로 전파되는 특성을 보이기 때문에 홍조단괴의 이동에 상당한 영향을 미칠 것으로 추정된다. 우도 주변의 제주도 동부 해역에 대한 광역 수치모델링(제주특별자치도 2015)에 따르면, 태풍 시기에는 너울과 같은 장파가 발달하는데, 파장의 증가로 인해 파의 영향을 받는 해저의 수심범위가 깊어지며, 또한 조류와 복합적으로 작용하여 해저 잔차류의 유속을 증가시킬 수 있기 때문에 외해역 홍조단괴 공급지로부터의 퇴적물 공급을 확대하는 요인이 될 수 있다. 하지만, 이러한 태풍의 영향은 지속시간과 함께 조석 물때에 따른 조류의 유속이나 단주기로 변하는 유향에 따라 영향 정도가 달라질 수 있기 때문에 실제로 홍조단괴해빈의 부피변화는 태풍 사례에 따라 다르게 나타나는 것으로 해석된다.

한편, 태풍 영향시기의 조위도 해빈 부피변화의 중요한 요인으로 작용한 것으로 보인다. 특히, 상당한 부피감소가 일어난 마이삭 시기는 대조기로서 다른 태풍 사례들과는 달리 강풍 시기에 두 번의 고수위 만조가 일어났다는 점에 주목할 필요가 있다(Fig. 3d). 만조 시에 태풍의 중심 세력이 통과할 경우에 강풍으로 인한 파랑은 전안을 넘어 후안까지 영향을 미칠 수 있으며, 연안역 태풍쇄도(storm surge) 현상이 더해질 경우 영향범위는 더욱 내륙 쪽으로 확대될 수 있다. 특히, 후안 퇴적물은 평상시 바람에 의해 전안으로부터 운반된 세립질 사질입자의 함량이 크기 때문에 고에너지의 태풍 파랑에 의해 쉽게 재동되어 해빈의 배후지로 유실될 가능성이 높다. 따라서 마이삭 경우에는 이러한 고조와 고파랑의 영향으로 후안 퇴적물이 해빈 배후지로 유실되면서 침식과 부피감소가 유발된 것으로 해석된다.

7. 결 론

태풍은 우도 홍조단괴해빈의 지형과 규모를 결정하는 주요 요인으로 작용한다. 제주도를 통과하는 태풍의 경로와 규모는 다양하였지만, 이로 인한 파도와 해류의 진행방향은 현장관측과 수치모델링 결과 우도수로에서 대조적인 두 가지 양상으로 나타났다. 태풍 솔릭과 링링과 같이 태풍 중심부가 제주도 서쪽 해역을 통과할 때, 최대 풍속 시기에 우도 지역에는 대체로 남풍과 이로 인한 북동향 파도와 해류가 우세하였으며, 반대로 차바와 마이삭과 같이 태풍의 중심부가 제주도 동쪽 해역을 통과하는 경우, 최대 풍속 시기에 대체로 북풍과 이로 인한 남동향 파도와 해류가 지배적으로 관측되었다. 이와 같은 해수 유동의 영향으로 솔릭과 링링 시기에 홍조단괴해빈에서는 남쪽에서 북쪽으로의 해안선에 평행한 퇴적물 이동이 우세하게 일어난 것으로 보이며, 이로 인해 해빈의 남쪽 구간이 삭박되고 북쪽 구간에서는 대체로 퇴적물이 집적되는 지형변화 양상이 관측되었다. 반대로 차바와 마이삭 시기에는 북쪽에서 남쪽으로의 퇴적물 이동이 우세하게 나타나지만, 일부 해빈 전면의 암초와 해안선의 전개 방향으로 인해 남향 파도의 그늘이 생기고 파도의 굴절과 에너지 감쇠 효과로 인해 구역의 중앙부가 침식되고 구역의 남북 경계부에 퇴적물이 집적되는 양상이 나타났다.

한편, 4회의 태풍 통과 시에 관측된 우도 홍조단괴해빈의 부피변화는 태풍의 경로에 따라 2개의 대조적인 특성으로 나타나는 해빈 지형변화와는 달리 태풍 시의 풍향이나 파향과 밀접한 관계가 있는 것으로 보이지는 않고 대체로 증가하는 경향을 보였다. 이는 강화된 해저 잔차류와 장주기 너울성 파도에 의해 외해역과 연안의 홍조단괴 분포지로부터 해안 쪽으로 퇴적물이 활발하게 유입되었기 때문으로 해석된다. 하지만, 마이삭 경우에는 대조기 만조 수위와 겹치면서 파도의 영향이 후안까지 확대되었고 이로 인해 해빈 배후지로의 퇴적물 유실이 일어나면서 해빈 부피감소가 야기되었다. 이는 태풍 시기의 해빈 퇴적물의 부피변화는 태풍의 강도, 지속시간과 함께 조위의 영향도 크게 작용할 수 있음을 지시한다.

Acknowledgements

이 논문은 2020년도 제주대학교 교원성과지원사업에 의하여 연구되었습니다.

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