1. 서 론

우도는 제주도의 부속도서 중에서 가장 큰 섬으로 제주도에서 북동쪽으로 2.26 km 지점에 위치하며, 플라이스토세 후기(Late Pleistocene) 수성화산분출(hydrovolcanic eruption)에 의해 형성된 화산섬이다(Sohn and Chough 1993). 우도는 지질학적 다양성이 매우 뛰어난 지역으로 오래전부터 제주도내 주요 관광지로 널리 알려져 있다. 최근에는 제주에서 우도를 연결하는 선박편이 많아지는 등 교통편이 편리해지면서 우도를 방문하는 관광객 수가 급격히 증가하고 있기 때문에 지질학적인 가치뿐만 아니라 관광자원으로서 가치도 뛰어난 곳이다.

제주도 성산포항과 우도 사이에 위치하는 약 2.5 km 너비의 우도수로는 최대수심이 약 20 m이고(Fig. 1b and c), 평균수심이 15 m 정도로 완만한 수심경사를 나타내는 천해역이다(허 등 2012). 우도수로의 기반은 주로 암반층이고 그 위에 홍조단괴를 포함하는 탄산염 퇴적물이 덮여 있는 것으로 알려져 있다(김 등 2003). 우도수로는 제주도 남동해역에서 대한해협으로 향하는 고온·고염의 대만난류수의 영향을 연중 받고 있다(Ko et al. 2003; Lie et al. 2000). 그로 인해 겨울철 평균 수온은 ~14℃, 여름철 평균은 ~26℃를 나타내며, 연평균 수온은 ~19℃로 연중 따뜻한 수온을 유지하며, 이러한 물리적 환경은 홍조단괴가 성장하는데 유리한 조건을 만족한다(허 등 2012). 우도수로를 포함하는 제주도 연근해는 고온수를 공급하는 대마난류수와 더불어 조류의 영향을 지배적으로 받는다. Cha and Moon (2020)은 고해상도 해양순환모델을 사용하여 제주도 주변해역에 대한 상세 조류에너지 분포를 평가하였는데, 제주도 연근해에서 조석파는 주로 남동에서 북서방향으로 전파되고, 조류에너지는 수심이 깊은 제주도 남동해역에서 수심이 얕은 북서방향으로 갈수록 커지는 특징을 보였다. 이러한 제주도 인근의 조류에너지는 우도수로를 포함한 대부분의 제주 연안에서 발생하는 해류에너지의 90 % 이상을 차지하고 있다. 우도수로에서 조류의 방향은 창조류시 북향류, 낙조류시 남향류를 나타내며, 창조 및 낙조시에 ~1 m/s 이상의 강한 조류 유속이 관측되며(Cha and Moon 2020), 국내에서도 조류가 빠른 지역 중의 한 곳이다.

Fig. 1.

(a) Track of Typhoon Chaba (2016; red line), Soulik (2018; blue line) and Lingling (2019; cyan line) with the dots on the track representing the center of the typhoon at 6-hour interval. (b, c) Bathymetry of three nesting model domains. Black, red and blue dots indicate the locations of the Udo AWS, PC station and tide gauge at Seongsan station, respectively

우도 서쪽 해안에는 우도수로의 해저에서 서식하는 홍조단괴가 연안으로 이동되면서 “홍조단괴해빈”을 형성하고 있는데, 이 해빈은 세계적인 지질유산적 가치와 희소성을 지니고 있어 2004년에 천연기념물 제438호로 지정되었다(우 등 2013). 제주도 연안 환경에 지배적인 영향을 미치는 강한 조류의 흐름은 수심이 얕은 연안에 성장하는 홍조단괴를 반복적으로 연안으로 이동시키는데 중요한 역할을 할 수 있다(김 등 2003). 또한 제주도는 거의 매년 여름철에 태풍의 영향을 직접 받고 있는데, 이러한 태풍은 얕은 해저면에 서식하는 홍조단괴를 이동시킬 수 있는 충분한 에너지를 가진다. 이처럼 기존 연구들은 홍조단괴해빈의 형성 기작에 대해서 우도수로의 강한 조류와 폭풍이나 태풍 시 강한 에너지에 의해 간헐적으로 홍조단괴 퇴적물이 이동될 것으로 추정하고 있지만, 해빈 주변해역의 해수유동 특성과 태풍에 의해 유입되는 파랑에너지에 대한 조사나 분석은 거의 이루어지지 않았다. 최근에는 천연기념물인 홍조단괴해빈의 면적이 감소하고 해빈퇴적물의 유실이 발생하고 있다는 주민 의견들이 제기되고 있어 보전대책 수립을 위한 정밀 조사에 대한 필요성이 점차 커지고 있는 실정이다. 따라서 이 연구에서는 우도수로에서의 해수유동 특성과 여름철 태풍 통과시 조류 및 파랑에너지 변화를 파악할 수 있는 현장 관측을 수행하였고, 파랑-해류 결합모델을 구축하여 태풍 경로에 따른 해수 유동 및 파랑의 시·공간적인 변동 특성을 조사하였다.

2. 관측과 모델구성

해수유동 및 파랑 관측

우도수로 내부에서의 태풍 시기 해수 유동과 파랑 전파 특성을 파악하기 위하여 우도 해빈으로부터 800 m 만큼 떨어진 수심 약 13 m의 관측 정점(PC)을 선정하였고(Fig. 1c), Trawl-Resistant Bottom Mount (TRBM) Acoustic Doppler Current Meter (ADCP, Aanderaa co., Norway) 관측장비를 이용하여 태풍이 통과하는 시기를 포함하는 30일 이상의 연속 관측을 수행하였다. PC정점의 해저면에 계류된 ADCP 파랑∙유속계는 해저면으로부터 약 2 m 깊이 상부의 수층에서 시작하여 해표면까지 1 m 간격으로 층별 유속 및 유향 정보를 구분하여 관측하였고, 0.5 Hz 간격으로 매 10분마다 수집된 300개의 유속과 유향 정보를 평균하여 10분간 평균 유속 및 유향을 취득하였다. 파랑∙유속계의 파랑 관측은 2 Hz 간격으로 파고와 파향 정보를 취득한 이 후, 원시자료에서 나타나는 이상치와 잡음에 해당하는 신호를 제거하여 1시간 평균 파랑 정보로 환산하여 분석하였다.

연구사례일은 2016년부터 2019년 기간동안 제주도에 인접한 해역을 통과하면서 우도수로 내부에 강한 해류와 높은 파고를 발생시켰던 태풍 차바(2016년), 솔릭(2018년), 링링(2019년) 사례일을 포함하는 30일 이상의 기간을 선정하였다. 2016년 18호 태풍 차바는 10월 3일 00시(UTC)에 중심기압 930 hPa, 중심최대풍속 50 m/s를 기록하였던 매우 강한 중형 태풍이었고, 이후 10월 4일 00UTC까지 동중국해를 통과하던 약 24시간 동안 최고 전성기를 유지하였다(기상청 국가태풍센터 2016). 이후 태풍 중심 강도가 서서히 약해지며 서귀포 남쪽해상에서 북동진하다가, 4일 21시경에 제주도 동쪽 해상을 통과하였다. 태풍 차바는 10월에 한반도에 도달한 태풍 중에서는 이례적으로 강한 세력을 유지한 채 제주도 동쪽 해역을 통과한 사례이며, 제주도를 포함한 한반도 남해안 전반에 30 m/s 이상의 강풍을 기록하였다. 태풍 차바는 제주도 남쪽 해상에 이르기까지 북쪽으로 향하는 진행경로를 보이다가 북동쪽 방향으로 급하게 전향하였는데, 우도수로 동쪽 해상을 통과하던 이시기에는 태풍의 이동속도가 10 m/s 이상 (약 40 km/h)으로 매우 빠른 속도를 나타낸 것이 특징이다. 두번째 사례로 선정한 2018년 19호 태풍 솔릭은 8월 22일 06시(UTC)경에 중심기압 950 hPa, 중심최대풍속 43 m/s의 중형 태풍으로 발달한 사례로, 태풍 차바와는 다르게 제주도 서부 해역을 통과하는 진행경로를 보였다(기상청 국가태풍센터 2018). 태풍 솔릭은 제주도 서부해역을 통과하던 8월 22일 18시부터 23일 06시까지 약 1–4 m/s (약 4 km/h–16 km/h)의 매우 느린 이동속도로 제주도 서부해역을 통과하였기 때문에 우도수로 해역이 장시간 강풍반경에 노출되었던 사례이다. 2019년 제13호 태풍 링링은 9월 5일에 오키나와 인근 해상에서 중심기압 940 hPa, 중심 최대풍속 47 m/s의 강한 중형 태풍으로 성장하였고, 이 후 천천히 약화되면서 제주도 서부 해역을 통과한 사례이다(기상청 국가태풍센터 2019). 제주도를 중심으로 서쪽 해역을 통과하였기 때문에 진행 경로면에서 태풍 솔릭과 유사하지만, 제주도를 통과하는 9월 6일에 이동속도가 약 7–8 m/s (28–32 km/h)로 기록되어 우도수로에서 나타났던 강풍 유지시간에는 차이가 있다. 본 연구에서는 제주도 인근 해역을 통과하였을 당시의 진행경로에서 뚜렷한 차이를 보였던 세 태풍 사례를 중심으로 해류 및 파랑 계측 결과를 분석하였다. 단, 태풍 차바 사례의 경우 파랑 계측이 결측되었기 때문에 유속계 관측 결과만을 포함하였다. 파랑∙유속계 관측 자료로부터 취득한 해류 정보는 PC 정점의 조류 성분을 분석하기 위해, 원시 자료의 해류 변동 신호를 규칙적인 주기에 따른 조석 성분을 분해할 수 있는 조화 분석(harmonic analysis) 방법을 적용하여 분해하였고(Foreman 1977), 해류 관측 결과의 원시자료와 조화 분석 결과 분해된 조류 성분의 차이를 구하여 태풍에 의해 발생한 풍성 해류 성분을 추출하였다. 해류 및 파랑 계측계의 설치 위치 및 기간에 대한 정보는 Table 1에 요약하였다. 또한 PC정점으로부터 1 km가량 떨어져 있는 위치에 우도 무인지상기상관측소(AWS) 정점의 바람 관측자료로부터 1시간 간격 풍속과 풍향 자료를 취득하여 배경 바람장을 분석하였다.

파랑-해류 결합모델

우도수로와 홍조단괴해빈 인근 해역에 대한 태풍 시기의 해수 유동 특성과 파랑에너지 전파 특성을 분석하기 위하여 지역규모 해양 모델링 시스템 ROMS (The Regional Ocean Modeling System)과 연안 파랑 모델링 시스템 SWAN (Simulating Wave Nearshore)의 양방향 결합을 통한 수치모델링 실험을 수행하였다. ROMS는 나비에-스토크스 방정식(The Reynolds-averaged Navier-Stokes) 바탕의 지구 규모 유체의 운동에 대한 지배 방정식을 정역학 균형과 Boussinesq 근사를 통하여 수치해석할 수 있는 고도화된 모델링 시스템이다(Shchepetkin and McWilliams 2005; Haidvogel et al. 2008). ROMS는 해수 유동을 일으키는 힘과 운동량 변화에 대한 균형을 통하여 특히 지역규모에서 나타나는 해수의 유동 상태를 산정하는데 많이 사용되고 있다(Warner et al. 2010; Kumar et al. 2012). 본 연구에서는 우도수로의 수심 분포와 방파제 및 해안선 형태 등에 따른 해수 유동 특성을 반영하기 위하여 해양수산부의 연안통합지도서비스(http://coast.mof.go.kr/)에서 제공하는 실관측 수심자료를 보간하여 활용하였고, 해저면의 굴곡을 반영하는 10개의 s-좌표계(coordinate) 연직 수층을 구성하였다(Song and Haidvogel 1994). 우도수로 내부를 포함하여 제주도 전체 연안의 조석에 의한 해수면 변동과 조류를 재현하기 위하여 수평 경계면에 전지구 조석모델인 TPXO 7(TOPEX/POSEIDON) 자료 기반의 10개 분조(M₂, S₂, N₂, K₂, K₁, O₁, P₁, Q₁, M_f, M_m)에 대한 조화상수를 적용하였다 (Egbert and Erofeeva 2002). 조석에 의한 해류 이외에 태풍의 강한 바람에 의한 풍성 해류 성분을 모의하기 위하여 미국 환경 예측 센터 (National Centers for Environmental Prediction, NCEP; https://doi.org/10.5065/ D65Q4T4Z)의 FNL (Final) 재분석 결과 중, 해발 10 m 고도의 풍속 성분을 이용하여 해표면 마찰력으로 적용하였다(Fairall et al. 1996; Peng and Li 2015).

우도수로의 파랑 특성을 재현하기 위해 채택된 SWAN은 파랑에너지의 시공간 좌표계와 방향/주파수의 파랑 스펙트럼에서 나타나는 파랑에너지의 분포 및 발달 양상을 다음의 파랑 지배 방정식을 수치 해석함으로써 산정할 수 있는 3세대 파랑 스펙트럼 수치모델링 시스템이다(Booij et al. 1999).

여기서 좌변의 항은 왼쪽부터 순서대로 파랑에너지(wave action density)의 시간에 따른 변화, 파랑에너지의 지구 지리좌표계에서의 전파, 주파수 및 파향별 파랑에너지 분포를 나타내며, 는 파랑 군속도와 는 해류 속도를 각각 의미한다. 지배방정식 우변의 는 파랑에너지의 생성과 소멸에 관여하는 외력의 총합을 나타내며, 바람장에 의한 파랑 생성과 백파(whitecapping), 쇄파(breaking) 및 바닥마찰력(bottom friction) 등에 의한 파랑 소멸과정을 모두 포함하고 있다. 여기서 파랑에너지를 생성시키는 풍속 분포는 ROMS 수치모델링 실험에서 사용한 자료와 일치하게 FNL 재분석 결과의 10 m 고도 풍속 자료를 사용하였으며, 파랑에너지 소멸 과정의 모수화 설정은 Booij et al. (1999)에서 제시한 실험 설계를 참고하였다.

우도수로는 조석에 의한 해류 변동성이 매우 크고, 수심이 20m 이내로 얕아 표층 파랑에 의한물입자의 운동이 해저면의 물질이동에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 해류와 파랑의 상호작용을 고려한 수치 실험을 설계할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 해류 변동을 고려한 파랑에너지 변화와, 파랑 전파 특성에 따른 해류 변동성을 모두 재현하기 위하여 결합 모델링 시스템 COAWST (The Coupled Ocean Atmosphere Wave Sediment Transport modeling system; https://coawstmodel-trac.sourcerepo.com/ coawstmodel_COAWST/)에서 제공하는 MCT (Model Coupling Toolkit)을 활용하여 파랑-해류 양방향 상호작용이 이루어지도록 설계하였다(Jacob et al. 2005; Larson et al. 2005). 파랑-해류 결합 모델에서 해양 모델은 조석에 의한 해수면 변동과 조류 정보를 파랑 모델로 전달하고, 파랑 모델은 유의파고와 최대파주기(peak wave length), 평균 파랑 전파 방향(mean wave direction)의 정보를 해양 모델로 전달하여 파랑 전파에 따른 해수 유동을 고려하도록 하였다.

수치모델링 실험을 위해 설정된 해양과 파랑 수치모델의 도메인은 조류와 외해역에서 강풍에 의해 유입되는 파랑에너지를 모의함과 동시에 우도수로 내부의 상세 모델링을 수행하기 위하여 1 km, 200 m, 40 m의 해상도를 갖는 세 도메인이 연결된 둥지격자체계(nesting)으로 구성하였고(Fig. 1b and c), 도메인의 크기와 내부에 적용된 수심분포 및 해안선 형태는 해양 모델과 파랑 모델 모두 같게 설정하였다. 수치모델링 실험이 수행된 기간은 세 태풍 사례에서 태풍 중심위치가 우도수로가 위치한 북위 33N을 통과하는 시점을 포함하여 약 4일간 수행하였다.

3. 해수유동 및 파랑 특성

태풍 차바

우도수로 내부의 PC 정점에서 관측한 해류 변화와 함께 기상 조건을 확인하기 위하여 우도 방재기상관측소의 풍속 벡터를 시계열로 표시하였다(Fig. 2a). 바람 관측자료에 의하면 10월 2일 태풍 차바가 북상하기 이전까지 평균 풍속이 남북성분 -1.1 m/s 동서성분 -2.6 m/s로 약한 북동풍이 지배적인 특징을 보인다. 10월 2일에서 3일까지 약 24시간 동안 태풍 차바가 오키나와 인근 해역까지 북상함에 따라 태풍으로 인한 종관규모 바람장 변화로 인해 평균 1.8 m/s의 남풍이 나타났으며, 이 후 차바가 제주도 남쪽의 동중국해 해역에 도달한 4일 12시 이후부터는 우도수로 일대가 태풍의 영향 반경에 포함되면서 8 m/s 이상의 북동풍의 영향을 받게 된다. 태풍 차바가 우도수로를 통과하기 전, 중심위치가 3230‶N 위도선을 통과하기 이전까지는 강한 북동풍이 나타나지만, 우도수로를 통과하는 4일 18시 이후에는 북서풍이 최대 14.5 m/s까지 기록되면서 제주도 동쪽 해역을 통과한 태풍 차바 사례에서는 전반적으로 북동풍의 영향이 지배적이었다.

Fig. 2.

Time series of (a) wind vector at Udo AWS and current vector at the PC station at (b) surface and (c) bottom layer from the period of 22 September–6 October 2016. The black, blue and red lines indicate the recorded current, tidal current, and residual current, respectively

태풍 차바 사례에서 관측된 해류 시계열 분포에서는 북서-남동 방향의 반복되는 유속성분이 우세하게 나타나며, 저층보다 표층에서 더 강하게 나타나는 특징을 보인다 (Fig. 2b and c). 태풍이 PC정점을 통과하기 이전까지 나타나는 북서-남동의 왕복 운동은 조화분해(harmonic analysis)를 통해서 제시된 조류성분과 비교하였을 때 매우 유사한 변동성을 보이기 때문에 평상시 우도수로 내부의 해류는 대부분 조석에 의해 지배되고 있음을 알 수 있다. 조화분해를 통해서 분리된 조류성분은 9월 25일부터 30일까지는 소조기(neap tide)에 창조류시 최대 100 cm/s 낙조류시 최대 110 cm/s로 낙조류가 우세하게 나타나며, 10월 1일부터 5일까지 대조기에 창조류시 최대 110 cm/s, 낙조류시 최대 130 cm/s로 전반적으로 조석에 의한 최강 유속은 낙조류가 우세하게 나타난다.

본격적으로 태풍 차바의 영향을 받는 10월 4일 12시부터 제주도 남부에 위치한 태풍에 의해 강한 동풍의 영향이 지배적으로 발생한다. 이에 따라 수로 남부 입구의 동편으로부터 유입되는 흐름이 강해지고, 결과적으로 수로를 따라 북쪽으로 흐르는 해류가 나타나게 된다(Fig. 2b and c; 붉은 실선). 태풍 차바의 경우에 이동속도가 약 10 m/s (40 km/h) 매우 빨라서 이러한 북쪽으로의 흐름은 2–3시간 지속되는데 그치고, 이 후 빠르게 북상하면서 북동쪽 방향으로 전향하는 태풍의 영향을 받아 4일 21시부터 5일 12시까지 약 15시간 동안 10m/s 이상의 강한 북풍에 의해 1m/s 내외의 남쪽으로 흐르는 풍성 해류가 크게 발달하는 것을 알 수 있다. 태풍의 영향이 없을 시에는 조류에 의한 북북서-남남동 방향의 왕복성 흐름이 지배적으로 나타나고, 태풍 차바의 영향을 받았던 시기에는 강한 바람에 의한 해류 성분이 더해져 남쪽으로 향하는 흐름이 강화되는 것을 알 수 있다.

태풍 솔릭

우도 AWS의 2018년 8월 16일부터 30일까지 15일 픙속 관측결과에 의하면 8월 22일부터 24일까지 태풍 솔릭 사례일을 제외한 평상시에는 평균 3 m/s의 여름철 남동계절풍이 지배적이었고, 태풍이 8월 22일부터 동중국해로 진입하여 북서방향으로 이동할 때 평균 7 m/s 태풍에 의한 강한 동풍이 기록되면서 우도수로에 본격적인 태풍에 의한 영향이 나타나기 시작하였다(Fig. 3a). 22일 12시 이후부터는 솔릭이 제주도 서쪽해역을 5 m/s (약 20 km/h) 이하의 매우 느린 속도를 유지하며 천천히 통과했으며, 우도수로에 최대 11 m/s까지 기록된 남풍 계열의 바람이 24시간정도 유지되었다. 23일 00시경 태풍 솔릭이 제주도 서쪽해역에서 북서방향으로 전향하기 시작한 이후로 한반도 내륙지역을 통과하면서 점차 강도가 약해짐에 따라 23일 18시경부터 우도 AWS에서 5 m/s 내외의 약한 서풍이 12시간가량 지속되었다. PC정점에서 ADCP에 기록된 해류 시계열 분포에서는 1차 관측 시기와 유사하게 북북서-남남동 방향의 반복되는 유속성분이 우세하게 나타나 태풍 사례일을 제외한 우도수로 내부의 해류는 앞서 언급한 바와 같이 조석에 의해 지배되고 있음을 알 수 있다(Fig. 3b and c). 조화분석을 통한 조류 시계열 변화를 8월 18일부터 21일까지는 소조기(neap tide)에 해당하며, 창조류시 최대 90 cm/s 낙조류시 최대 80 cm/s로 창조류가 우세하게 나타나고, 26일부터 29일까지는 대조기로 창조류시 최대 100 cm/s, 낙조류시 최대 120 cm/s로 낙조류가 우세하게 나타난다. 태풍 솔릭이 북상함에 따라 강한 남풍이 나타나기 시작하는 8월 22일 06시경부터 제주도 남부에 위치한 태풍에 의해 강한 동풍 및 남풍에 의하여 수로 남부에서 북쪽으로 흐르는 해류가 나타나게 된다.

Fig. 3.

Time series of (a) wind vector at Udo AWS and current vector at the PC station at (b) surface and (c) bottom layer from the period of 16–30 August 2018. The black, blue and red lines indicate the recorded current, tidal current, and residual current, respectively

태풍 솔릭은 이동속도가 약 5 m/s (20 km/h) 이하로 매우 느린 이례적인 사례였기 때문에 제주도 서쪽 해역에 머무르면서 발생시킨 최대 11 m/s의 강한 남동풍이 무려 24시간 동안 지속되었다. 같은 시기에 관측된 표층과 저층의 조석을 제외한 잔차류 성분을 보면 태풍의 오른편에서 장시간 지속된 남풍 계열의 바람장에 의해 1–2 m/s의 북쪽으로 흐르는 풍성 해류가 크게 발달할 수 있었다(Fig. 3b and c; 붉은 실선). 태풍 솔릭 사례에서의 지속적이고 일관적인 바람장의 효과는 파랑∙유속계에서 유속과 함께 관측된 파랑 정보에서 역시 뚜렷하게 나타난다. 유의파고 관측결과는 관측기간동안 전반적으로 남쪽(180) 방향에서 유입되는 0.5–1 m의 유의파고가 85%이상으로 평상시 우도수로 입구로부터 유입되는 파랑에너지의 크기가 매우 작은 환경임을 나타낸다(Fig. 4a and c). 반면 태풍 솔릭이 제주도 서쪽해역을 통과하는 22일 06시 이후에는 태풍의 오른편에서 장기간 지속되는 남풍 계열의 바람장에 의하여 남쪽(180) 방향에서 유입되는 파랑에너지가 급격히 누적되어 유의파고가 최대 3m 이상까지 발달할 수 있었다(Fig. 4a and b).

Fig. 4.

Time series of (a) significant wave height and (b) peak wave direction at the PC station from the period of 16–30 August 2018. (c) Wave roses of significant wave height and mean wave direction at the PC station

태풍 링링

2019년 9월 25일부터 10월 8일까지 태풍 링링 사례일(10월 6일)을 포함한 15일 픙속 관측결과에 의하면 9월말부터 10월 초까지 태풍 사례일을 제외한 평상시에는 평균 2 m/s의 매우 약한 북동풍이 나타난다(Fig. 5a). 태풍에 의한 영향은 링링이 동중국해로 북상하는 6일 00시부터 12시까지 제주도 남부와 우도수로가 위치한 동부해역을 중심으로 동풍이 3m/s에서 9m/s까지 강해지면서 나타난다. 태풍 링링이 제주도 서부 해역을 통과하는 6일 12시 이후부터는 우도수로 일대가 태풍의 영향 반경에 포함되면서 최대 10.2m/s의 강한 남동풍의 영향을 받게 되며, 링링이 최대 10 m/s (40 km/h)의 빠른 속도로 북상함에 따라 서해안 중심부의 북위 36N를 통과하는 7일 00시까지 약 12시간가량 남풍의 영향을 받게 된다. 같은 시기에 관측된 파랑∙유속계의 해류 시계열 결과에 의하면 1, 2차 관측시기와 마찬가지로 북북서-남남동 방향의 왕복성 조류 성분이 우세하게 나타난다(Fig. 5b and c). 8월 30일부터 9월 1일까지는 대조기에 해당하고, 창조류시 최대 90cm/s 낙조류시 최대 120 cm/s로 낙조류가 우세하게 나타난다. 9월 4일부터 6일까지의 소조기로 천이되는 시기에는 창조류와 낙조류시 최강유속이 모두 최대 80 cm/s로 전반적인 조류의 세기에서 낙조류가 우세하게 나타난다.

Fig. 5.

Time series of (a) wind vector at Udo AWS and current vector at the PC station at (b) surface and (c) bottom layer from the period of 25 August–8 September 2019. The black, blue and red lines indicate the recorded current, tidal current, and residual current, respectively

태풍 링링 사례일의 강풍에 의한 해류 변동은 6일 06시경부터 제주도 연안 해역이 태풍의 영향반경에 포함되면서 남풍에 의한 북향류가 발달하며 시작된다(Fig. 5b and c; 붉은 실선). 북상하는 태풍 링링은 6일 12시부터 7일 00시까지 약 12시간동안 최대 10 m/s 이상의 강한 남풍을 발생시켰으며, 이에 따라 우도수로에서는 표층에서 저층까지 전층에 걸쳐 1 m/s 내외의 북쪽으로 흐르는 풍성 해류가 크게 발달하였다. 같은 시기에 관측되었던 파랑 분포에서 우도수로의 남쪽(180) 입구에서 유입되는 1 m이하의 약한 파랑이 85%이상으로 여름철 남동 계절풍에 의한 파랑특성이 뚜렷하게 나타난다(Fig. 6c). 태풍 링링 사례일에는 6일 12시부터 12시간 동안 남풍에 의해 전파되는 파랑에너지가 누적되어 유의파고가 1.5 m까지 발달하는 등 강한 바람에 의한 효과를 뚜렷하게 나타내고 있다(Fig. 6a).

Fig. 6.

Time series of (a) significant wave height and (b) peak wave direction at the PC station from the period of 25 August–8 September 2019. (c) Wave roses of significant wave height and mean wave direction at the PC station

세 차례의 파랑∙유속계를 활용한 관측 기록을 분석한 결과 우도수로의 해수 유동 분포는 평상시와 태풍에 의한 강풍 영향 시기가 뚜렷이 구분되는 특징을 보인다. 강한 바람에 의한 영향이 없는 시기에는 북북서-남남동 방향의 강한 왕복성 조류가 지배하며, 대부분 최대 1 m/s 내외의 남동향의 낙조류가 우세하게 나타난다. 태풍 통과 시기에 나타나는 강풍에 의한 영향은 태풍이 제주도 남부해역으로 접근하는 시기와 우도수로를 통과하여 북상하는 시기로 구분된다. 태풍이 오키나와 인근 해역에서 동중국해 해역으로 북상하는 시기에는 태풍의 진행경로 앞쪽에서 나타나는 남동풍 혹은 동풍의 영향으로 우도수로 북쪽 수로입구로 향하는 흐름이 지배적이다. 태풍의 중심이 위도 33N을 통과하여 북상하는 시기의 해류 변화는 우도수로를 중심으로 태풍의 중심위치와 진행경로에 따라 지배적인 해수 유동의 방향이 다르게 나타난다. 태풍이 우도수로의 서쪽을 통과했던 솔릭과 링링 사례에서는 태풍 영향 반경의 우측 반원에서 나타나는 강한 남풍의 영향으로 북쪽으로 향하는 흐름이 장시간 지속된다. 특히 태풍 솔릭 사례에서는 느린 태풍의 이동속도와 그에 따른 지속적인 남풍으로 인하여 낙조시기임에도 불구하고 북서방향으로 흐르는 창조류와 유사한 해류 분포가 18시간가량 지속되었다. 반면 태풍이 우도수로의 동쪽을 통과하는 차바 사례에서는 태풍 영향 반경의 왼쪽 반경에서 나타나는 북풍의 영향으로 우도수로 남쪽입구로 향하는 흐름으로 반전된다. 30일 이상의 해류 관측 결과로부터 우도수로 저층에서의 홍조단괴의 이동에 영향을 미칠 수 있는 잔차성분에 의한 물질의 이동을 파악하기 위해 오일러리안 관점의 진행 벡터도(progressive vector diagram) 분석을 수행하였다. Fig. 7은 PC정점의 저층에서 기록된 해류 잔차성분의 진행벡터를 나타낸다. 세차례의 관측시기에서 모두 PC정점으로부터 우도 해빈연안을 향하는 방향으로 30일간 100 km가량의 이동 궤적을 보여주는데, 태풍 차바 시기(붉은 실선)와 태풍 링링 시기(청록색 실선)에서는 낙조류가 우세하였던 만큼 지속적으로 남동쪽으로 진행하는 경향을 보인다. 반면 태풍 솔릭 시기(파란 실선)에서는 태풍 솔릭이 통과하기 전에는 우세한 낙조류의 영향으로 남동쪽 진행경로를 나타내다가 태풍 통과 이후에는 다소 북동쪽으로 진행하는 이동 궤적을 나타내는 차이를 보인다. 전반적으로 태풍 영향을 받는 시기를 제외한 평상시의 저층 흐름은 대부분 북서-남동 방향의 조류의 흐름에 따른 왕복 운동이 지배적인 가운데, 낙조류 혹은 창조류의 우세 여부에 따라 남동쪽이나 북동쪽으로의 연안으로 향하는 경향이 나타나며, 이는 조석에 의한 잔차성분에 의해 얕은 해저면에 서식하는 홍조단괴가 지속적으로 해빈으로 이동될 수 있는 환경임을 의미한다. Fig. 7에서 음영으로 강조된 태풍 통과시기의 이동경로를 보면 조류의 세기를 이겨내는 강풍에 의한 해류가 짧은 시간동안 이동 궤적에 큰 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 특히 이동속도가 빨랐던 차바와 링링 사례에 비해서 태풍 솔릭 시기에 강한 남동풍에 의해 북서방향으로 크게 이탈하다가 태풍 통과 이후 다시 남동쪽으로 돌아오는 이동 궤적을 나타내는데, 우도 AWS 관측에서 나타난 풍속에서 최대 풍속이 차바 사례에서 가장 강했던 점을 보면, 강풍이 오랜 시간 지속될수록 우도수로의 저층에서 홍조단괴의 분포가 남북방향으로 크게 변화할 수 있음을 추정할 수 있다.

Fig. 7.

Progressive vector diagrams obtained from ADCP measurements for bottom layer with 10-minute interval at the PC station in Typhoon Chaba (red line), Soulik (blue line), and Lingling (cyan line) case

4. 태풍경로에 따른 해수유동 및 파랑 모의

태풍 차바

우도수로에 서식하는 홍조단괴 등의 저층 퇴적물은 저층 해류에 의한 수송과 함께 수로 입구에서 전파되는 파랑에너지에 의한 침식·이송 등에 의해 분포가 변화될 수 있다. 이 장에서는 PC 정점으로 한정된 파랑·유속계 관측 이외에 태풍 시기의 우도수로의 전반적인 해류 분포와 파랑 전파 특성을 파악하기 위하여 파랑-해류 결합 수치모델링 실험을 수행하였다. 수치 모델링 실험 사례는 제주도를 기준으로 이동 경로가 서쪽 및 동쪽으로 상반되었던 차바와 솔릭으로 선정하였고, 태풍 사례일을 포함하여 15일간 수행하였다. 수치모델링 실험에서 재현된 조석에 의한 해수면 모의 결과를 국립해양조사원(http://www.khoa. go.kr/oceangrid/khoa/koofs.do)의 성산포 조위관측소 정점(Fig. 1b) 해수면 시계열과 비교한 결과를 보면, 태풍 차바 사례와 솔릭 사례에서 모두 대조와 소조 시기에 해수면 오차가 10 cm이하로 재현되면서 전반적으로 관측에서 나타난 해수면 변동을 잘 모의하고 있다(Fig. 8). PC 정점에서 재현된 조류 결과를 확인하기 위해 수치모델링 결과의 해류와 파랑·유속계 관측 결과의 유속자료를 조화분해하여 주요 4대 분조에 대한 조류타원도를 제시하였다(Fig. 9). PC 정점에서의 M₂와 S₂분조의 주성분 진폭은 모델과 관측에서 모두 70 cm/s와 25 cm/s 이상으로 주요 분조 중에서 가장 강하며, K₁분조와 O₁분조는 각각 8 cm/s, 7 cm/s 이상으로 주요 4대 분조 모두 북북서 방향과 남남동 방향의 왕복 운동이 지배적으로 나타난다(Fig. 9; 붉은 실선). 수치모델링 결과의 조류 성분은 태풍 차바 사례와 솔릭 사례에서 모두 파랑·유속계에서 관측된 조류 특징을 잘 모의하고 있다. 조류 성분이외에 태풍 시기 강풍에 의한 해류 변동과 유의파고 분포를 비교하기 위하여 태풍 사례일을 포함한 4일 기간동안 해류 벡터 시계열과 유의파고 시계열을 비교하였다. Fig. 10a는 PC 정점의 표층과 저층에 대한 태풍 차바 사례일의 파랑·유속계 관측 결과를 나타내고, Fig. 10b는 같은 위치의 해류 수치모델링 결과를 나타낸다. 해류 수치모델링 결과를 보면 1 m/s 내외의 북북서-남남동의 조류 분포가 관측 결과와 유사하게 모의되었으며, 특히 태풍 차바가 제주도 동부해역을 통과하는 4일 21시 이후에 북풍으로 인하여 낙조류와 유사한 남쪽으로의 흐름은 강화되고 북쪽으로의 향하는 흐름이 약화되는 등 태풍 사례일의 해류패턴이 잘 모의되는 결과를 나타낸다. 파랑 모델링 결과에서 역시 4일 21시까지 태풍 차바가 우도수로와 가장 가까운 위치를 통과하는 시점에서 가장 높은 파고를 모의하고 있다(Fig. 10e). 우도수로 내의 태풍에 의한 해류와 파랑 분포를 파악하기 위하여 태풍 사례일 중에서 최대 유속이 나타나는 시점(10월 05일 04시)을 선정하여 해류와 파랑 전파에 대한 공간분포를 제시하였다(Fig. 11a and b). 여기서 해류 분포는 Fig. 10에서 보였듯이 표층과 저층의 유향이 거의 유사하기 때문에 수괴 전체적인 흐름을 파악하기 위하여 순압성 유속으로 표시하였다.

Fig. 8.

Time series comparison of tidal elevation from the ADCP (black) and the numerical model (blue) at the Seongsan tide gauge station (a) from 21 September to 6 October and (b) from 15 to 31 August

Fig. 9.

Comparison of simulated (red) tidal ellipse of four principal constituents with ADCP (black) measurements: (a, e) M₂, (b, f) S₂, (c, g) K₁, and (d, h) O₁ at PC station

Fig. 10.

Vector stick diagrams of (a, b) observed and (c, d) simulated currents and (e, f) time series of significant wave height during (a, c, e) the typhoon Chaba and (b, d, f) Soulik period. The shaded period represents the period of (left) Typhoon Chaba and (right) Soulik

Fig. 11.

Spatial patterns of simulated (a, c) barotropic currents and (b, d) significant wave height at 05 Oct 07Z, 2016 (upper panel) and 08 Aug 21Z, 2018 (lower panel). The vectors in (b, d) indicate the mean wave direction

10월 5일에는 차바가 우도수로의 동쪽 해역을 통과하여 북위 34N 너머로 북상함에 따라, 태풍 중심의 왼쪽 반원에서 지배적인 강한 북풍에 의하여 우로수로 전역에 강한 남향류가 발달할 수 있었다(Fig. 11a). 수치모델에서는 PC정점 인근의 해역에서 120–150 cm/s로 가장 강하였으며, 수로 중심과 남쪽 입구까지 90–120 cm/s의 유속이 분포하여 좁은 면적이지만 공간적으로 차이를 나타내었다. 전반적으로 우도수로의 서쪽보다는 PC 정점이 위치한 동쪽이 유속이 빠르고, 우도수로의 북측 입구보다는 우도수로 중심부와 남측입구에서 유속이 빠르다. 같은 시기 파고 분포 역시 유속과 유사하게 우도수로 서쪽보다는 PC정점 인근 해역에서 북쪽에서 유입되는 파랑이 전파된다(Fig. 11b). 하지만 유속과는 다르게 파랑에너지의 경우는 얕은 수심을 따라 전파되면서 점차 소산되기 때문에, 생성위치와 가까운 북측 입구에서 가장 높고 수로 남쪽으로 향할수록 낮아진다. 해류는 연안에서 해안선을 따라 남쪽으로 흐르는 특징을 보이는 반면, 파랑은 얕은 수심을 향하여 굴절됨에 따라 연안으로 향하여 급격히 소산되는 특징을 나타낸다. 따라서 연안 침식에 큰 영향을 미치는 파랑은 제주도 통쪽 해역을 통과하였던 태풍 차바 사례에서 북서 방향에서 남동 방향으로 유입됨에 따라, PC정점 인근의 저층과 우도 연안의 홍조단괴가 침식된 후 남동쪽 방향으로 이동(수송)할 수 있을 것으로 판단할 수 있다.

태풍 솔릭

태풍 솔릭 사례의 유속 모의 결과에서 나타나는 특징은 22일 12시 이후 낙조류 시기임에도 불구하고 솔릭에 의한 강한 남풍이 유지되면서 낙조류 분포가 전혀 나타나지 않고, 오히려 북서향하는 창조류와 유사한 해류분포가 관측과 수치모델 실험에서 모두 나타나고 있다는 점이다(Fig. 10b and d). 파랑·유속계 관측에서는 태풍이 통과한 24일 이후에 북서향 흐름이 억제되고 낙조류와 유사한 남동향 흐름이 강화되는데 이러한 변동성은 수치모델링 실험에서 다소 과소모의되는 경향을 보인다. 파랑 모델링 결과에서 모의된 유의파고는 전반적으로 파랑·유속계 관측의 유의파고 변동성과 잘 일치하고 있다(Fig. 10f). 특히 22일 12시 이후에 파랑·유속계 관측에서 3 m 이상의 최대 파고가 기록되었는데 파랑-해류 결합모델링 실험에서 최대 파고분포를 정확하게 모의하고 있다. 우도수로의 서쪽 해역을 진행하였던 태풍 솔릭 사례의 해류와 파랑 분포를 분석하기 위하여 가장 강한 해류가 발생하였던 시점(08월 22일 21시)을 기준으로 해류와 파랑의 공간분포를 제시하였다(Fig. 11c and d). 태풍 솔릭 사례에서는 창조류와 유사한 북쪽으로 흐르는 해류가 강화되었는데, PC정점 인근의 연안에서 150 cm/s 이상으로 가장 강하였으며, 수로 서쪽과 남쪽의 연안에서 150 cm/s 내외까지 빠르게 나타난다. 태풍 차바 사례와는 유속의 방향이 다르지만 PC 정점이 위치한 동쪽이 가장 유속이 빠르게 나타난다. Fig. 11d는 유의파고 분포와 파랑 전파 방향을 나타내는데, 파고 분포 역시 유속과 유사하게 PC정점의 인근 해역에서 수로 남쪽으로부터 유입되는 파랑이 수로 북쪽 입구까지 전파되면서 우도 홍조단괴해빈 전반적으로 많은 침식이 이루어질 수 있음을 보인다. 태풍에 의해 발생하는 해류는 연안에서 해안선을 따라 북쪽으로 나란히 흐르며 파랑에너지는 얕은 수심을 향해 굴절되면서 급격히 소산되는 특징을 나타낸다. 태풍 솔릭과 같이 제주도 서부해역을 통과하여 우도수로에 강한 남동풍을 발생시키는 사례에서는 파랑에너지의 경우 남동 방향에서 북동 방향으로 전파되어 PC정점 인근의 침식을 위한 에너지를 공급할 수 있으며, 북쪽으로 흐르는 빠른 해류로 인해 북쪽 연안 혹은 수로 입구 방향으로 수송이 강화될 수 있다. 태풍 진행경로에 따라 나타나는 유입 파랑에너지 분포를 비교하기 위하여 태풍이 우도수로를 통과하기 전과 통과한 후로 나누어 파랑에너지 스펙트럼 모의 결과를 비교하였다(Fig. 12). 파랑 수치모델로부터 출력되는 스펙트럼은 PC정점을 향하여 유입되는 파랑에너지를 매 순간 방향 및 주기별 성분으로 분해하여 나타낼 수 있다(Hong et al. 2021). 태풍 차바와 솔릭 사례에서 모두 태풍이 동중국해에서 북상하는 시기(Fig. 12a and c)에는 이른 가을철의 계절풍과 태풍에 의해 전파되어 오는 파랑에너지 성분이 우도수로 북부와 남부 입구를 통하여 동시에 부로 유입된다. 우도 AWS 관측에서 기록된 바람장을 보면 두 사례에서 태풍 사례일 이전에 약한 동풍과 북동풍이 기록되었는데, 이러한 동풍 성분에 의하여 330-360 방향의 북쪽에서 내부로 회절되어 유입되는 파랑에너지가 나타난다. 또한 제주도 남쪽에 존재하는 태풍으로 인해 동중국해 북부해역은 강한 남동풍의 영향을 받게 되는데, 이로 인하여 10–15 s의 주기를 갖는 강한 너울 성분의 에너지가 150–180의 우도수로 남쪽입구로부터 유입되는 특징을 보인다. 태풍이 통과한 이후에는 두 사례에서 나타나는 파랑 스펙트럼에서 큰 차이가 나타난다(Fig. 12a and c). 태풍 차바는 10월 5일 00시 이후로 매우 빠른 속도로 우도수로를 통과하여 북동향 하였는데, 이에 따라 짧은 시간동안 태풍의 왼쪽 반원에서 지배적인 북풍의 영향으로 330방향으로부터 9–10 s의 다소 짧은 주기의 파랑에너지가 유입되는 특징이 나타난다(Fig. 12b). 반면 우도수로의 서쪽을 통과하였던 솔릭 사례에서는 태풍 진행경로의 오른쪽에서 지배적인 남풍의 영향이 상대적으로 긴 시간 지속되어 남쪽에서 유입되는 10–15 s의 장주기 너울 성분이 더욱 강화되었다(Fig. 12d). 수치모델링 실험으로부터 도출된 파랑에너지의 스펙트럼은 태풍의 진행경로와 이동속도 차이에 따라 유입 파랑의 전파 방향과 에너지 분포의 뚜렷한 차이를 나타내고 있으며, 특히 강풍에 의한 해류와 나란한 방향으로 전파되어 태풍 사례일의 저층 홍조단괴의 이동 양상을 지배할 것으로 추정할 수 있다.

Fig. 12.

The simulated wave energy spectrum at the PC station for (a, b) the typhoon Chaba and (c, d) the typhoon Soulik case. The left panels show the directional spectrum before the typhoon and right panels show the spectrum after the typhoon passage

5. 결 론

우도수로의 저층과 우도 연안에 존재하는 식생 및 해빈 퇴적물 등은 조석과 강한 바람에 의해 발생하는 해류, 혹은 파랑 전파 특성에 따라 분포 양상이 달라질 수 있다. 특히 우도수로 내부에 서식하는 홍조단괴와 우도 해안에 존재하는 홍조단괴해빈은 세계적인 지질유산적 가치와 희소성을 인정받고 있기 때문에, 홍조단괴의 이동 양상과 해빈 유실의 역학 관계를 파악하기 위해서 해류 분포와 파랑 전파 특성과 같은 물리환경적 요소에 대한 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 우도수로 내부의 연안 정점을 중심으로 태풍 사례일을 포함한 30일 이상의 연속 파랑·유속계 관측을 수행하여 조류와 태풍에 의한 강풍 영향 시기에 발생하는 해류와 파랑 전파 특성을 파악하였고, 우도수로 전반에 걸쳐 나타나는 강풍에 의한 영향을 분석하기 위하여 파랑-해류 결합모델링 실험을 수행하였다.

세 차례의 관측 결과에서 바람이 약한 시기에는 우도수로 해류는 북북서-남남동의 왕복성 조류의 영향이 지배적임을 확인할 수 있었다. 특히 북북서로 흐르는 창조류에 비하여 남남동으로 흐르는 낙조류의 세기가 더 강한 것으로 관측됐으며, 우세한 낙조류의 영향으로 남동향의 잔차류가 발생한다. 우도 해안을 향해 흐르는 잔차류 성분으로 인하여 평상시에 우도수로의 저층에 존재하는 홍조단괴가 지속적으로 해빈으로 유입될 수 있음을 추정할 수 있다. 태풍 사례일의 단기간에 나타나는 강풍의 영향은 제주도를 통과하는 태풍의 진행 경로에 따라 해류와 파랑에너지가 상반되는 특징을 나타낸다. 태풍 차바와 솔릭, 그리고 링링 사례에서 모두 태풍이 동중국해를 통과하여 북상하면서 제주도 남부 해역에 접근하는 시기에 강한 남풍의 영향이 나타나고, 이로 인하여 수로 남쪽 입구에서 북쪽으로 흐르는 해류와 파랑에너지가 높아지기 시작한다. 그러나 태풍이 북상하면서 제주도의 동쪽과 서쪽 해역을 지나는 시기에는 진행 경로에 따라 지배적인 바람과 해류, 유입되는 파랑의 방향에 큰 차이를 나타내게 된다. 태풍이 동중국해 해역에서 동해 방향으로 전향하는 차바 사례의 경우는 북상하면서 나타나는 강한 남풍의 지속시간이 매우 짧아 북향류가 오래 지속되지 못하고, 대신에 태풍 진행 경로 왼쪽의 강한 북풍에 의해 남동향 해류가 강하게 발달했다. 태풍 차바와는 달리 동중국해에서 서해로 전향한 태풍 솔릭과 링링 사례에서는 태풍이 서해까지 북상하는 기간동안 남풍이 지배적이기 때문에 북향류가 12시간 이상 지속되고 남쪽에서 유입되는 파고가 높게 발달했다. 수치모델링 실험결과는 태풍경로에 따른 해류와 파랑 전파 특성이 해빈 연안에만 국한되지 않고 우도수로 전반에 걸쳐 나타나고 있음을 보여준다. 태풍 사례일에서 강풍에 의해 발생하는 파랑은 우도수로 내부로 유입되어 전파될 때, 수심이 얕은 해빈을 향하여 굴절되는 분포를 보인다. 홍조단괴해빈을 유입되는 파랑에너지는 연안에서 침식을 일으키는 주요한 요인이 된다. 우도수로 동쪽해역을 통과하는 태풍에 의하여 남쪽으로 흐르는 해류와, 반대로 우도수로 서쪽해역을 통과하는 태풍 시기에 북쪽으로 향하는 해류는 나란히 전파되어 연안 침식을 일으키는 파랑과 함께 홍조단괴와 저층 퇴적물의 이동 양상에 직접적인 영향을 미칠 것으로 보인다. 이 연구에서는 여름철 태풍 통과 경로에 따라 우도수로 전역에 걸쳐 해류와 파랑의 특성이 크게 변화될 수 있고, 수로 해저에 폭넓게 분포하는 홍조단괴의 이동과 퇴적에 있어 태풍의 영향이 지배적임을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 다루지 않았지만 겨울철 폭풍 등의 악기상은 태풍 보다 빈번히 발생하기 때문에 우도수로 내의 해수유동과 파랑에너지 분포에 직접적인 영향을 줄 것이다. 따라서 겨울철 현장 관측과 수치모델링을 통한 후속연구를 통해서 계절별 우도수로 내에서의 해류와 파랑에너지 전파 특성에 대한 이해가 필요할 것으로 사료된다.