1. 서 론

해양에서 표층의 해수유동을 관측하는 직접적인 방법으로는 크게 해류계를 설치해서 고정점에 대한 자료를 획득하는 방법과 표류부이를 투하해서 해류의 거동에 따른 특성을 파악하는 방법 등이 있다. 이 방법들은 해양 환경 변동에 따른 자료를 직접적으로 획득한다는 장점이 있지만 자료 획득에 있어 시공간적인 제약이 많고 광범위한 해역에 대한 해수유동을 관측하기에는 비용 부담이 크다는 단점이 있다. 또한 환경적 변화 요인이 많고 지형적으로도 복잡한 연안역의 표층 해수유동장을 관측하는 데는 현실적으로 어려움이 많다.

이와 같은 문제점들을 보완하고 시공간적으로 유효한 표층 해수유동장을 관측하기 위해 사용하기 시작한 것이 고주파 HFR (High-Frequency Radar)이다. HFR은 Crombie (1955)의 Bragg scatter 연구에 대한 실험적 발견에서 시작된 이후 현재는 표층 해수유동장을 관측하기 위해 전 세계적으로 폭넓게 사용되고 있다. 준 실시간으로 표층 해수유동장을 모니터링 할 수 있을 뿐만 아니라 주파수에 따라 15 km에서 200 km 이상의 영역까지 광범위하게 해수유동을 관측 할 수 있기 때문에 다양한 방면으로 활용 가능하다(Harlan et al. 2010). 우리나라에서도 2000년 이후에 HFR이 도입되면서 이를 활용한 표층 해수유동장에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다(김 등 2006, 2008; 이 등 2008; 최 등 2016; Choi et al. 2019; Son et al. 2007).

HFR은 지상에 설치하는 원격 감지 장치로 관리가 용이하고 해안선을 따라 설치가 가능하기 때문에 연안역의 복잡한 해수유동장을 모니터링하기에 매우 유용하다. HFR 자료는 설치 후 준 실시간으로 넓은 영역에 대해 자료를 생산해 낼 수 있다는 장점이 있지만, 주변의 지리적 특성 즉 안테나보다 높은 건물 혹은 전파의 진행을 방해하는 방해물, 외부에서 발생하는 전파 잡음(noise)과 같은 주변 전파 환경 등에 민감하게 반응하는 단점도 있다(Seasonde 2009). HFR은 경우에 따라 관측 영역의 전파환경에 크게 영향을 받기는 하지만 연안에서 세밀한 공간해상도의 표층 해수유동장을 관측하기에 매우 유용하다.

한국해양과학기술원(KIOST)에서는 제주해협의 표층 해수유동장을 모니터링하기 위해 제주도 북부 연안에 HFR를 설치하여 운영 중이다(송과 조 2012). 이렇게 수집된 자료는 제주 해협 해수의 유동을 이해하고 오염물질 확산을 예측하는 모델을 검증(Choi et al. 2019)하는 자료로 활용 되고 있다. 그러나 광범위한 해역에서 장기간에 걸쳐 자료가 생성되고는 있지만 자료의 유의성과 활용성에 대한 연구는 여전히 부족하다. 이 논문에서는 제주해협에서 관측되고 있는 HFR 자료에 대한 활용도를 높이기 위해 관측 영역 전체에서 생산되고 있는 HFR 자료가 시공간적으로 얼마나 유의한 자료를 생산해 내는 지를 파악하고 자료의 정확도와 유효 영역 등을 조사하였다. HFR 자료의 유속 오차는 HFR의 radial이 이루는 각과 연구해역내의 물리적 현상의 차이 등에 의해 발생할 가능성이 있다(이 등 2008; Chapman et al. 1997). 그렇기 때문에 HFR 자료의 유속의 정확도를 파악하기 위해서는 이를 비교하기 위한 보다 정확한 비교대상 유속 자료가 필요하고 지리적 환경적 물리현상 차이를 고려한 심층적 비교분석 연구가 필요하다. 그러나 현실적으로 예측 자료를 제외하고는 연구해역에서 HFR의 표층 해수유동장 영역을 포괄하고 있는 가용한 관측 자료를 확보하는 것은 매우 어렵다. 현재 진행되고 있는 연구 또한 표층 뜰개를 이용하거나 해류계 관측을 통해 해수유동 특성을 이해하는데 초점을 두고 있다. 이런 자료들이 축적이 되면 향후 연구 해역에서 생산되는 HFR 자료의 신뢰도를 향상시키는데 도움을 줄 수 있을 것으로 여겨진다. 그렇지만 현재까지는 연구 해역 전반에 대한 HFR 자료의 표층 해수유동장을 평가할 수 있는 관측 자료가 거의 없다.

따라서 여기서는 제주해협에서 관측되었던 기존 해류계 단기 관측 자료들을 이용하여 HFR 자료의 시공간적인 유의성을 파악하고, HFR 자료를 통해 제주해협 조류의 특성을 이해하고자 한다. 지금까지 HFR 자료를 이용하여 제주해협 조류의 시공간적 특성을 제시한 연구 결과는 보고된 바가 없다. 분석에 사용된 HFR 자료와 해류계 관측 자료에 대해서는 2장에서 설명하였다. 3장에서는 두 자료의 조류타원 비교 결과와 시공간적인 분석을 통한 유효 범위 분석 결과 및 HFR 자료에 의한 제주해협 조류 특성 분석 결과를 기술하였다. 4장에서는 분석 결과를 종합하여 결론을 제시하였다.

2. 자료 및 방법

한국해양과학기술원에서는 제주도 북부 제주해협의 표층 해수유동장을 모니터링하기 위해 북서부 연안에 위치한 애월 지역과 북동부 연안에 위치한 김녕 지역에 CODAR (Codar Ocean Sensors, http://www.codar.com)사의 HFR를 설치하여 2012년부터 운영하고 있다(Fig. 1). CODAR의 HFR은 적어도 서로 다른 두 지점 이상에서 측정된 radial 자료를 중첩된 해역에 대해 합성하여 유속 벡터를 만든다. 제주해협에 설치된 HFR의 주파수는 13 MHz로 약 90 km까지 관측이 가능하며, 3 km × 3 km 의 격자 해상도(Fig. 1에서 점으로 표시)를 갖고 있다. 유속 벡터의 시간 범위(time coverage)는 75분이며, 매 정시에 유속 벡터 자료를 도출하였다. 즉 12:00 자료는 11:22.5–12:37.5 사이의 평균자료이다. 분석에 사용된 HFR의 특성은 Table 1과 같다.

Fig. 1.

Study area and location of HFR sites (AW: Aewol, KN: Kimnyong) in Jeju Island. Radial coverage range from each site is drawn by lines. Dots denote a grid set to produce a total vector from the radial data. Grey circles with numbers 1 to 12 are the stations where the M₂ tidal ellipses from the Korea Hydrographic and Oceanographic Agency data and the monthly data of HFR were compared. C99 (Black diamond) is an ADCP mooring station during Mar./04/1999-Dec./23/1999 by KIOST

이 논문에서는 장기간 관측된 HFR 자료를 평가하기 위해 같은 해역에서 관측된 해류계 관측 자료를 이용하였다. HFR 자료와 해류계 자료를 조화분해한 후 두 자료의 조류성분 비교를 통해 HFR 자료의 유의성을 파악하였다.

분석에 사용된 HFR 자료는 2012년 4월부터 2014년 12월까지 수집된 자료로, 자료의 특성과 분포영역을 바탕으로 월별로 50% 이상 자료 획득률을 보이는 격자의 자료를 선택하였다. Fig. 2는 관측 연도에 따른 HFR 자료의 평균 획득률을 나타낸 것이다. 대부분 제주도와 근접한 곳은 획득률이 높고 외해로 갈수록 획득률이 낮아지고 있다. 평균적으로 제주해협을 포함해서 추자도 인근해역까지 50% 이상 자료 획득률을 보인다. HFR 자료는 안테나에서 전송된 전파가 반사되어 수신된 것을 사용하기 때문에 HFR에서 거리가 멀수록 신호(signal)/잡음(noise)의 비가 낮아지고 자료의 품질과 획득률이 낮아지는 경향이 있다. 관측해역에서도 안테나와 먼 외해로 갈수록 자료의 획득률이 낮아지고 있다. 연도에 따라 자료의 획득률이 차이를 보이는데 이에 대한 원인은 아직 명확하지 않으며 다양한 환경적 변화 요인에 의해 발생된 현상으로 파악되고 있다.

Fig. 2.

Distributions of annual acquisition ratio (AR) of HFR data in each year

HFR 자료는 한 시간 간격으로 생성된 자료를 한 달 자료로 결합한 후, POL (Proudman Oceanographic Laboratory)의 TIRA 프로그램(Bell et al. 1999)을 이용하여 동서방향 성분과 남북방향 성분으로 조화분석하여 M₂ 분조 조류의 진폭과 위상을 계산한 후에 조류타원으로 조합(이하 HFR 조류타원) 하였다.

HFR 자료를 평가하기 위해 사용된 조류 자료는 국립해양조사원(KHOA)에서 관측한 25시간 해류 관측 자료로부터 보정된 M₂ 성분으로 Lee et al. (2019)에 의해 재분석된 자료(이하 KHOA 조류타원)이다. Lee et al. (2019)는 제주해협 인근에서 관측된 일주야 해류계 자료를 6개의 주요 반일주조(M₂, S₂, N₂, K₂, O₂, 2N₂) 분조들 사이의 진폭비와 위상차를 이용하여 M₂ 분조를 보정하였으며, 이렇게 보정된 M₂ 분조 조류타원은 정성적으로 수치모델 결과와 유의미한 상관성을 보였다.

일반적으로 의미있는 조류타원을 구하기 위해서는 장기간 관측 자료를 이용하여야 하며 최소한 1개월 이상의 관측 기간이 요구된다. 그러나 제주해협 HFR 관측영역에서 비교에 활용 가능한 1개월 이상의 해류계 관측 자료는 거의 없기 때문에 KHOA 단기 해류계 관측 자료를 사용하였다. KHOA 단기 해류계 자료는 연구 해역 전 영역에 걸쳐 분포하고 있기 때문에 HFR 자료의 공간적 특성을 비교 분석하기에 적절하다.

연구해역에서 수집된 장기 해류 관측 자료로는 1999년 제주항 인근에서 해저면 계류 ADCP를 이용하여 약 10개월 정도(3월 4일–12월 23일) 관측된 자료가 있다(Fig. 1의 C99 정점). 이 자료는 비록 조류의 분석이 가능한 최상층의 수심이 해수면 아래 34 m 이지만 순압성이 우세한 조류의 특성을 고려하여(Lee et al. 2011) 비교하였다(Fig. 3). 해수면 아래 34 m 수심의 관측 자료(C99)에서 계산된 M2 조류타원(청색)의 장축 길이가 KHOA 조류타원의(적색) 장축 길이보다 조금 큰 값을 보이지만 두 자료는 대체로 유사한 특성을 보인다. KHOA의 25시간 해류 관측 자료는 표층에서 관측된 자료이고 ADCP는 34 m 에서 관측된 것이기 때문에, ADCP 34 m 자료가 표층 자료를 대표한다고는 말할 수 없지만 두 자료의 유의성을 바탕으로 25시간 해류 관측 자료가 유의미한 값을 가지고 있음을 알 수 있다. 여기서 제시된 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원(흑색)은 정점 C99와 근접한 위치의 자료(Fig. 1의 정점 11)이다. HFR 조류타원은 정점 11에서 관측된 2012년 월별 조류타원을 연평균한 것이다. 대체로 세 자료 모두 유사한 조류타원 특성을 보이지만 34 m 층의 ADCP 조류타원의 장축 길이가 상대적으로 크다. 그러나 해저경계층의 수심 범위와 자연적인 조류의 연직 변동성(Lee et al. 2011)을 고려할 때 유의미한 편차는 아닌 것으로 판단된다.

Fig. 3.

M₂ tidal ellipses of KHOA data(red) and HFR data (black) obtained at station 11 in Fig. 1, and ellipse with blue color results from ADCP data which observed at 34 m deep of station C99

Fig. 4에 제시된 것처럼 분석에 사용된 KHOA 조류타원은 69개 지점 (‘+’ 표시) 에서 관측된 자료에서 계산되었으며 연구 해역 전체를 포함하고 있다. 이 자료를 통해 제주해협 전 영역을 포함하고 있는 HFR 자료에서 생산되는 조류타원의 시공간적 특성을 이해할 수 있을 것으로 기대한다. 69개 지점에서 분석된 동서성분과 남북성분의 진폭(A)과 위상(θ)을 AC = Acosθ, AS = Asinθ로 변환하고 변환된 자료를 HFR 자료의 격자에 내삽하여 자료를 생성하였다. 각 격자에서 내삽된 AC, AS 자료를 다시 조합하여 진폭과 위상을 계산하고 조류타원으로 조합하였다. 이렇게 구성된 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원 성분을 비교 분석하였다.

Fig. 4.

Distribution of KHOA M₂ tidal ellipses used in the analysis. Crosses sign represent stations (total 69 sites) of current data by KHOA. Tidal ellipses with blue denote interpolated data to the HFR grid. Red and blue solid line means clockwise and counterclockwise rotation. Current scale is drawn by circle with radius of 30 cm/s in the left bottom

앞서 언급했듯이 광범위한 HFR의 표층 해수유동장을 포함하는 가용한 해류 관측 자료를 확보하는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 현재까지는 KHOA의 해류계 관측 자료가 거의 유일한 관측 자료이며, 이 논문에서 사용된 KHOA 조류타원은 25시간 해류 관측 자료 중에서도 가용한 자료만을 추출해서 조화상수 보정을 거쳐 재구성된 것이다. KHOA의 해류계 관측 자료는 선박과 표층부이를 이용하여 표면하 수 m 정도의 수심에서 해류계를 통해 표층해류를 관측한 것이며 관측 시기의 차이가 크다(Lee et al. 2019). 표층해류는 특성상 바람 등 외적 영향을 많이 받기 때문에 관측 시기와 관측 방법이 다른 해류계 자료와 HFR 자료를 직접적으로 비교하는 것은 더 큰 오차를 유발 할 수 있다. 그러므로 두 자료의 관측 시간 차이와 무관하게 비교할 수 있고 관측 깊이 차이에 의한 영향을 최소화 하기 위해 조류의 분조 중 관측 시간 길이에 가장 덜 민감하고 최대 분조인 M₂ 분조를 이용하여 KHOA 자료와 HFR 자료의 조류타원을 비교하였다.

조류는 성층의 변화와 같은 해양 환경에 영향을 받아 계절 변동을 보이며 때에 따라 위상 변조가 나타나는 경우가 있어 조위의 변동보다는 큰 자연변동성을 가진다. 그러므로 KHOA의 25시간 단기 해류 관측 자료에서 보정된 조류의 특성 또한 연평균 특성과는 차이가 있을 수 있으며, 분석에 사용된 KHOA 조류타원이 변하지 않는 값이라고 단정하지는 않는다. 그렇지만 정성적으로 유의한 의미를 가지고 있고, KHOA 조류타원과 HFR 조류타원 모두 오차가 있음을 고려하더라도 두 자료에서 계산된 조류타원의 변동성을 비교 분석함으로써 HFR 자료의 유의성을 판단할 수 있다고 생각된다. 또한 이 연구에서 제시한 HFR 자료는 간접적인 방법이지만 실제 관측된 해류 자료를 근거로 하고 있다는 점에서 의미가 있다.

3. 결 과

HFR 자료의 조류타원 비교

HFR 자료의 유의성을 확인하기 위해 분석 기간에 수집된 월별 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원을 비교하였다(Fig. 5). 비교 정점은 Fig. 1에 제시된 12개 정점에서 추출된 자료이다. 두 자료를 비교하기에 앞서 우선 12개 정점에서 시간에 따른 HFR 자료의 특성을 확인하기 위해 HFR 조류타원의 변동성을 조사하였다.

2012년부터 2014년까지 각각의 시기에 각 정점에서 HFR 조류타원의 조류 성분을 분리하여 다음과 같은 식 (1)을 통해 HFR 자료의 조류 편차를 계산하였다.

여기서 H는 분석하고자 하는 자료에 대한 조류 성분을, R은 비교대상 자료에 대한 조류 성분을 의미한다. 이렇게 계산된 값은 물리적으로는 한 주기 동안의 조류 유속 편차의 평균에 해당한다. U, V, θ_u, θ_v는 각각 동서성분과 남북성분으로 나눈 유속 성분의 조화 상수로 계산된 각각의 진폭(U^H, U^R, V^H, V^R)과 위상(θ^H_u, θ^R_u, θ^H_v, θ^R_v)을 뜻한다.

식 (1)에서 H에는 월별 HFR 조류타원 성분을, R에는 연평균 HFR 조류타원(월별 조류타원을 연평균한 조류타원) 성분을 대입하여 시간에 따른 HFR 조류의 편차(D)를 계산하였다. 이렇게 계산된 편차는 다시 연평균 HFR 조류타원의 장축(major axis)에 대한 비(DR = D/major axis)로 계산되어 연평균에 대한 변동성을 제시하였다(Table 2). HFR 자료는 다양한 환경적 변수 등으로 인해 정량화된 오차범위를 제시하기는 어렵지만, 경험적으로 두 자료의 편차비가 30% 이하이면 오차가 적은 가용한 자료라 판단된다. 2012년의 정점 4와 6을 제외하고는 거의 모든 시기에 30% 이하의 수치를 보이고 있어 HFR 조류타원의 월별 변동성은 크지 않음을 알 수 있다. HFR 조류타원의 변동이 크지 않다는 것은 HFR 자료가 유의한 범위 내에서 변동하고 있음을 의미한다. 이 수치가 HFR 자료의 직접적인 신뢰도를 평가하는 절대적인 기준은 아니지만 시간에 따른 변동 특성을 통해 HFR 자료의 유의성 판단 지표로 사용할 수 있다.

Fig. 5는 2012년부터 2014년까지 각각의 시기에 12개의 정점에 대한 월별 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원을 비교한 것이다. 제주도 연안과 가장 근접한 정점 중 정점 10과 11에서는 모든 시기에 HFR 조류타원의 월별 변동이 크지 않고 두 정점 모두 KHOA 조류타원과 잘 일치하고 있다. 정점 12의 경우 2012년(Fig. 5a)에는 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원의 장축 경사는 대체로 유사하지만 장축의 길이는 다르다. 반면, 2013년(Fig. 5b)과 2014년(Fig. 5c)에는 HFR 조류타원들은 월별 변동성이 작고 KHOA 조류타원의 장축과 유사한 크기이지만 그 경사의 차이가 크다.

제주해협 서쪽 해역에 위치한 정점 7에서는 모든 시기에 월별 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원이 잘 일치하고 있고, 제주해협 중앙부에 위치한 정점 8에서도 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원이 비교적 잘 일치하고 있다. 해협 동쪽에 위치한 정점 9에서는 2012년(Fig. 5a)에는 HFR 조류타원은 월별 변동성이 다른 시기에 비해서는 약간 크지만, KHOA 조류타원과 HFR 조류타원의 장축의 길이와 경사는 유사하다. 반면 2013년(Fig. 5b)과 2014년(Fig. 5c)에는 HFR 조류타원의 월별 변동성은 작지만 KHOA 조류타원과는 차이를 보인다.

관측 영역의 북서부 해역에 위치한 정점 1과 2에서는 HFR 조류타원의 월별 변동성이 크지 않고 거의 모든 시기에 KHOA 조류타원과 유사한 구조를 보인다. 추자도 북부 해역에 위치한 정점 3에서는 HFR 조류타원의 월별 변동성은 작지만, 장축의 길이가 KHOA 자료의 조류타원보다 작은 값을 보인다. 2014년(Fig. 5c)에는 비교 자료가 많지 않다. 정점 4에서는 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원의 장축 길이와 경사가 모두 차이를 보인다. 2014년(Fig. 5c)에는 가용한 HFR 자료가 없다.

추자도 남서쪽 해역에 위치한 정점 5에서는 HFR 조류타원의 월별 변동성이 크지 않다. 그러나 KHOA 조류타원보다 장축의 길이가 작게 나타났다. 이에 비해 해협 동쪽 해역에 위치한 정점 6에서는 시기별로 HFR 조류타원은 월별 변동성이 차이가 나고, KHOA 조류타원과도 큰 차이를 보인다. 2014년(Fig. 5c)에는 사용 가능한 HFR 자료가 없다.

시공간적인 분포 구조로 보면 제주해협 중앙부와 서쪽, 북서쪽 해역에 위치한 정점에서 HFR 조류타원이 상대적으로 월별 변동성이 작고 KHOA 조류타원과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.

Fig. 5a.

a. Monthly variation of M₂ tidal ellipse from the HFR data in 2012 at each station marked by grey circle in Fig. 1. The ellipse in red solid line denotes the result from in KHOA data, b. except for 2013, c. except for 2014

Fig. 5b.

Same in Fig. 5a, except for 2013

Fig. 5c.

Same in Fig. 5a, except for 2014

HFR 조류타원도의 시공간적 분포

연구해역에서 KHOA 조류타원의 공간적 분포를 보면(Fig. 4), 제주도 연안에 근접한 지점에서는 장축의 방향이 해안선과 평행하게 나타난다. 추자도와 제주도를 잇는 선을 중심으로 제주해협 동쪽 해역에서는 조류타원의 장축의 방향이 주로 동서 방향으로, 서쪽 해역과 북부 해역에서는 북서–남동 방향으로 왕복성 운동이 나타난다. 관측 영역 전반에 걸쳐 조류타원도의 크기는 ±50 cm/s 이하이지만 제주도 북동쪽 해역과 추자도 주변 해역에서는 ±50 cm/s 이상으로 상대적으로 큰 값을 보인다. 제주해협 동쪽 해역과 북부 연안에 근접한 해역에서는 반시계방향으로 회전하는 조류가 우세한 반면 제주해협 서쪽 해역에서는 시계방향으로 회전하는 조류가 지배적이다.

제주해협에서 관측된 HFR 자료의 조류타원도에 대한 시공간적 분포 특성을 조사하기 위해 2012년부터 2014년까지 각 연도별 월평균 조류타원을 평균한 연평균 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원(Fig. 4)을 비교하였다(Fig. 6). 여기서 나타낸 연평균 HFR 조류타원은 Fig. 2에 제시된 AR 50% 이상 영역에서 계산된 월별 HFR 조류타원을 연단위로 평균한 자료이며, KHOA 조류타원은 HFR 격자에 내삽된 자료를 추출한 것이다.

Fig. 6.

Distributions of the M₂ tidal ellipses from KHOA data(red) and the annual-mean HFR data(blue) which is combining monthly M₂ tidal ellipse of HFR data in 2012, 2013, and 2014. Current scale is drawn by circle with radius of 30 cm/s in the left bottom

2012년 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원의 분포를 보면, 관측 영역 전반에 걸쳐 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원이 매우 유사한 분포 구조를 보인다. 제주해협 동쪽 해역에서는 조류타원도의 장축의 방향이 주로 동서 방향으로, 서쪽 해역에서는 북서-남동 방향의 왕복성 운동이 우세하게 나타난다. 단, 일부 HFR 관측 경계 부분과 추자도 주변해역 특히 추자도와 보길도 사이의 해역에서는 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원이 차이를 보인다.

2013년도에는 관측 영역 중앙부에서는 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원이 비교적 잘 일치하고 있다. 그러나 HFR 관측 영역 경계 부분으로 갈수록 두 자료의 크기와 방향이 차이를 보인다. 특히, 제주해협 서쪽 해역에서는 두 자료가 잘 일치하고 있는 반면 해협 동쪽 해역에서는 경계 부분으로 갈수록 조류타원도 장축의 방향이 서로 차이를 보인다. 추자도 북동부 해역에서는 조류타원의 크기와 방향 모두 차이를 보인다. HFR 관측 영역은 2012년보다 전체적으로 약간 축소되었다.

2014년도에는 관측 영역 중앙부와 제주해협 서쪽 해역에서는 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원이 비교적 잘 일치하고 있다. 그러나 HFR 관측 영역 경계 부분으로 갈수록 두 자료가 차이를 보인다. 이전 시기와 다르게 제주도 연안과 인접한 해역에서도 두 조류타원이 차이를 보인다. 제주해협 서쪽 경계 부분에서도 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원이 차이를 보이며, 추자도 주변 해역과 동쪽 해역에서는 조류타원의 크기와 방향이 모두 서로 다른 분포를 보인다. 2014년도 HFR 관측 영역은 이전 시기보다 조금 더 축소되어 있다. 동쪽으로는 제주도 동부 연안 끝 해역까지도 미치지 못하고 있고, 북쪽으로는 추자도 인근 해역까지만 포함되어 있다.

두 조류타원의 전반적인 분포를 보면 KHOA 조류타원과 유사한 분포 특성을 보인다. 단, 일부 해역에서 차이를 보이는데 특히 HFR 관측 경계 해역에서 주로 차이가 크게 나고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 KHOA 조류타원을 참값이라고 정의 내릴 수 없어 두 자료를 정량적으로 비교할 수는 없다. 그렇지만 KHOA 조류타원이 유의한 오차 범위 내에 있다고 판단되고 있으며, 조류타원도의 방향이 기존에 보고된 연구결과(최 등 1995)와 다르지 않다. 그리고 두 자료의 차이가 나타나는 경계 해역의 HFR 조류타원이 시기에 따라 차이를 보이는 것으로 보아 HFR 자료의 편차를 추측해 볼 수 있다. 두 자료가 비교적 잘 일치하는 2012년도의 조류타원 분포를 보면 제주해협 동쪽 해역에서는 KHOA 조류타원의 장축과 HFR 조류타원의 장축이 유사하게 주로 동서 방향으로 왕복성 운동이 나타난다. 반면, 같은 해역임에도 불구하고 2013년과 2014년도에는 두 자료의 장축 길이와 경사가 모두 차이를 보인다.

HFR 자료의 유효 범위

HFR 자료의 활용 가능한 범위를 파악하기 위해 Fig. 6에 제시된 KHOA 조류타원과 연평균 HFR 조류타원의 시공간적 분포 자료를 바탕으로 두 자료의 편차를 계산하고 이를 정량화하였다.

KHOA 조류타원과 연평균 HFR 조류타원의 조류 성분들을 분리하여 식 (1)을 이용하여 조류 편차를 계산하였다. 식 (1)에서 H에는 연평균 HFR 조류타원의 조류 성분을 적용하고, R에는 비교대상 자료인 KHOA 조류타원의 조류 성분을 적용하였다. 두 자료의 편차(D)를 KHOA 조류타원의 장축(major axis)으로 나눈 후 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원 사이의 편차비(DR = D/major axis)를 계산하였다. 이렇게 계산된 편차비를 통해 관측 영역 전반에서 두 자료의 조류 편차를 확인 할 수 있다. 여기서 각 자료의 오차 범위를 제시하기는 어렵지만 두 자료의 편차와 편차비 등을 통해 HFR 자료의 활용 범위를 유추해 볼 수 있다. 두 자료의 편차가 작은 곳은 확률적으로 자료의 정확도가 높다고 할 수 있다.

Fig. 7은 KHOA 조류타원과 연평균 HFR 조류타원의 편차비를 시공간적 분포로 나타낸 것이며, 이렇게 계산된 편차와 편차비 중에서 정점 1–12(Fig. 1)에 해당하는 값을 Table 3에 제시하였다. 2012년의 경우, 경계면 부분과 추자도와 보길도 사이의 해협 부근을 제외한 거의 모든 영역에서 30% 이하의 편차비를 보인다. 제주도 연안과 제주해협 중앙부 해역에 위치한 정점 7에서 11까지와, 서쪽 해역에 위치한 정점 1과 2에서는 두 자료의 편차 값이 약 4–13 cm/s로 낮은 수치를 보이고, 편차비도 18–27%로 낮은 수치를 보인다. 관측 영역 경계 부분에서는 비교적 편차가 크게 나타나며, 특히 추자도 북동부 해역에서는 KHOA 조류타원과 HFR 조류타원 사이의 장축 길이의 차이에 의한 편차가 가장 크게 나타난다. 정점 4에서 편차 값은 약 57 cm/s 이고, 편차비는 약 60%이다. 제주도 연안과 제주해협 중앙부에서는 비교적 편차가 작게 나타나며, 동쪽보다는 서쪽 해역이 조류 편차 값이 작은 영역이 더 넓게 분포하고 있다.

Fig. 7.

Distributions of the deviation ratio (DR) of the annual-mean M₂ tidal ellipse of HFR data from the M₂ tidal ellipses of KHOA data in 2012, 2013 and 2014. Thick contour line is represented 30% line of DR

2013년에는 제주해협 동쪽 해역에서 두 자료의 편차비가 2012년보다 매우 크게 나타났다. 정점 6에서의 값을 비교해 보면 2012년에는 41%의 편차비를 보이지만 2013년에는 95%로 장축 경사의 차이로 인해 거의 2배 증가하였다. 정점 9에서도 27%에서 58%로 편차비가 2배 가까이 증가하였다. 서쪽 해역에서는 경계에 근접한 일부 해역을 제외하고는 전체적으로 30% 이하의 편차비를 보인다. 추자도 북동부 해역에 위치한 정점 4에서는 79 cm/s 이상의 높은 편차 값을 보인다. 전반적으로 제주도 연안 해역과 제주해협 중앙부에서 낮은 편차비를 보이며, 서쪽 해역보다는 동쪽 해역이 높은 편차 분포를 보인다.

2014년에는 이전 시기와 유사하게 서쪽 해역에서 비교적 낮은 편차 값을 보인다. 이 시기에도 관측 경계 영역으로 갈수록 편차가 크게 나타나며, 서쪽 해역보다는 동쪽 해역에서 편차가 크게 나타난다. 서쪽 경계 부근에서는 2013년보다 비교적 편차가 큰 값들이 분포하고 있다. 제주도 연안과 제주해협 중앙부, 서쪽 해역에서는 편차가 낮은 값들이 분포하고 있다. 서쪽 해역에 위치한 정점 1과 2에서는 약 8–11 cm/s의 편차 값과 23–29%의 편차비를 보이며, 제주도 연안과 중앙부에 위치한 정점 7–8, 10–11에서는 약 4–13 cm/s의 편차 값과 21–36%의 편차비를 보인다.

2012년부터 2014년까지의 자료를 분석한 결과 2012년에는 관측 영역 전반에 걸쳐 HFR 자료의 조류 편차가 다른 시기에 비해 상대적으로 작았으며, 유효값으로 평가하고 있는 30% 이하의 편차 값을 갖는 영역이 관측 경계 해역을 제외한 비교적 넓은 범위에 걸쳐 나타났다. 이에 비해 2013년과 2014년에는 30% 이하의 유효값을 갖는 영역이 관측 해역의 서쪽에 편중되어 있으며 관측 해역의 동쪽에서는 상대적으로 큰 편차값을 보인다. 이 기간에는 제주해협 동쪽 해역보다는 중앙부와 서쪽 해역에 위치한 자료의 신뢰도가 높다고 할 수 있다. 이와 같이 연도별로 HFR 자료의 유효범위가 차이가 나는 원인에 대해서는 아직 명확하게 파악되고 있지 않다. 다만, 2012년에는 이 시기의 HFR 관측이 다른 시기보다 환경적 영향을 덜 받았기 때문인 것으로 판단되고 있다. 현재는 각 시기마다 관측되는 HFR 자료에 대해 정확한 평가를 하기는 어렵기 때문에 이렇게 HFR 조류타원과 KHOA 조류타원의 조류 편차를 확인함으로써 관측 영역에서 HFR 자료의 유효 범위를 예측해 볼 수 있다.

HFR 자료에 의한 제주해협 조류 특성

제주해협에서 관측된 HFR 자료의 유효범위를 분석한 결과 제주해협 중앙부와 서쪽해역에서는 전반적으로 신뢰도가 높은 자료가 생산되고 있다. 그 중에서 자료의 신뢰도가 비교적 높은 제주해협 중앙부 해역에 위치한 자료(Fig. 1에서 실선으로 나타낸 박스 영역)를 바탕으로 제주해협에 분포하는 조류의 계절적 변동을 살펴보았다. Fig. 8은 비교적 신뢰도가 높은 제주해협 중앙부 해역에 위치한 격자에서 추출한 HFR 조류타원 자료를 이용해서 제주해협 조류의 변동성을 분석한 것이다. 분석된 자료는 2012년 4월부터 2014년 12월까지이며, 참고로 Fig. 8에서 x축 시간 단위의 월(month)은 365.25/12로 환산해서 계산된 것이다.

Fig. 8.

(a) Temporal variations of the M₂ semi-major axis calculated at the grid in the boxed area in Fig. 1. (b) Conversion of the semi-major axis variation shown in (a) to the variation rate to the mean value at each time. (c) Dotted line denotes the mean value of semi-major axis variation rate of (b), and red solid line represents semi-major axis of the M₂ tidal ellipse reconstructed using frequency components of 6 and 12 months calculated from eq. 2

M₂ 분조 조류타원의 반장축의 크기를 보면 대체로 7–9월에 작고 10–1월에 상대적으로 큰 계절 변동이 나타난다(Fig. 8a). Fig. 8b에 제시된 값은 (a)에 제시된 각 정점에서의 반장축 크기를 전체 기간의 평균값으로 나누어 반장축 크기의 변동률로 나타낸 것이다. 이 반장축의 월별 시계열 자료로부터 M₂ 분조 조류의 계절변동을 정량적으로 파악하기 위해 식 (2)를 이용하여 계절변동성을 포함하는 주기 성분을 적용하여 각 주기의 진폭과 위상을 조사하였다. 이 분석에서는 각각 12개월과 6개월 주기를 적용하였다.

여기에서 M_n과 θ_n은 각각 변동 주기에 해당하는 진폭과 위상을 의미한다. 이때 $\omega =\frac{\left(1cycle\right)}{\left(1year\right)}$이며 첨자 n은 주파수이다. 즉, n=1은 12개월 주기, n=2는 6개월 주기를 의미한다. 평균(M₀)과 각 성분의 진폭과 위상을 최소자승법(Least Square Method)으로 구하였다. 다시말해, 12개월과 6개월 주기의 성분으로 분리한 후 각각의 주기에 대한 진폭과 위상을 계산하였다.

Fig. 8c는 (b)에 제시된 M₂ 분조 반장축 변동률을 시간에 대해 평균한 월평균값(점선)과 식 (2)로 계산된 12개월과 6개월 주기 성분으로 계산된 진폭과 위상으로 재구성시킨 시계열 변동 특성(실선)을 보여준다. 그림에서 12개월과 6개월 두 주기 성분만으로 재구성된 M₂ 분조 반장축의 시계열 변동 특성이 제주해협에서 관측된 M₂ 분조 반장축의 변동 특성과 비교적 잘 일치하고 있다. 두 시계열 분포의 반장축의 크기가 완전히 일치하지는 않지만 재구성된 반장축의 시계열 구조가 관측자료의 반장축 변동을 적절하게 재현하고 있는 것으로 판단된다.

Table 4는 Fig. 8c에서 재구성시킨 M₂ 분조 반장축의 12개월과 6개월 주기 성분에 대한 진폭과 위상의 계산 결과를 보여준다. 위상은 1월 1일 0시를 기준으로 하였으며 이를 이용하여 반장축 크기가 최대가 되는 시간을 환산할 수 있다. 결과에서 12개월 주기 성분은 약 7.4%의 진폭으로 1월말 정도에 최대가 되며 6개월 주기 성분은 약 2.5%의 진폭으로 11월 중순경 최대값을 보인다. 두 성분의 조합되어 12월 중순경 진폭은 평균에 비해 약 10% 정도 큰 최대값이 나타나고 8월 중순에 평균에 비해 약 7.4% 정도 작은 최소값이 나타난다.

4. 결론 및 토의

한국해양과학기술원에서는 제주해협 표층 해수유동장을 모니터링하기 위해 제주도 북부 해역에 HFR를 설치 운영하고 있다. 이 논문에서는 제주해협에서 생산되고 있는 HFR 자료를 분석하여 신뢰도가 높은 자료에 대한 유효 범위를 조사하였고, 이 자료를 바탕으로 제주해협에서 M₂ 분조 조류의 변동성을 파악하였다. HFR 자료를 평가하기 위해 국립해양조사원의 25시간 해류 관측 자료로부터 보정된 M₂ 분조 조류 성분(Lee et al. 2019)을 사용하였다. HFR 자료의 격자에 재구성시킨 KHOA 조류타원과 2012년부터 2014년까지 수집된 HFR 자료에서 계산된 M₂ 조류 성분을 비교 분석하였다.

분석 결과, 제주해협 중앙부와 서쪽 해역에서는 M₂ 분조 조류타원의 크기와 방향들이 거의 모든 시기에 걸쳐 비교적 잘 일치하였다. 반면, 제주해협 동쪽 해역에서는 2012년을 제외하고는 두 자료의 조류타원이 장축 경사의 차이에 의해 큰 편차를 보였고, 추자도 북부 해역에서는 장축 길이의 차이에 의해 큰 편차를 보였다. 분석된 자료 중에서는 2012년에 관측된 HFR 조류타원이 KHOA 조류타원과 가장 잘 일치하였고 유의한 영역도 가장 넓었다. 이 시기에는 HFR 관측 영역의 일부 부분을 제외한 거의 모든 해역에서 두 자료의 조류 편차가 30% 이하로 높은 신뢰도를 보였다. 다만, 경계 부분에서는 두 조류타원의 편차가 크게 나타났고 특히 추자도 북동부 해역에서 가장 크다. 2013년과 2014년에도 관측 영역의 경계 부분으로 갈수록 두 자료의 조류타원 크기와 방향이 차이를 보였다. 특히, 서쪽 해역에 비해 동쪽 해역으로 갈수록 차이가 더 크게 나타났다. 모든 시기에 걸쳐 전반적으로 신뢰도가 높은 곳은 제주해협 중앙부와 서쪽 해역이다. 관측 시기에 따라 HFR 자료의 획득률이 차이를 보였고 신뢰도가 비교적 높은 자료의 영역도 다르게 나타났다.

편차가 큰 자료는 대체로 자료 획득률이 낮은 경우에 해당하였다. 그러나 자료 획득률이 낮다고 해서 편차가 항상 크지는 않으며 신뢰도가 낮은 것은 아니다. 2013년을 제외하고는 전반적으로 두 자료의 편차는 HFR 자료의 취득률에 상관없이 30 cm/s 이하의 수치를 보였으며, 자료 취득률이 50% 인 격자에서도 유의한 상관성을 보였다. 따라서 자료 획득률만으로 자료의 신뢰성을 판정하기 어려우며 관측 환경의 변화와 전파의 잡음 등 다양한 변수들이 영향을 미치는 것으로 판단된다.

HFR 조류타원과 KHOA 조류타원이 동쪽 해역에서 특히 큰 편차를 보이는 원인에 대해서는 향후 더 연구가 진행되어야 할 부분으로 여기서는 명확히 파악되고 있지 않지만 몇 가지 요인들을 고려해볼 수 있다. 우선 KHOA의 해류 관측 정점(Fig. 4)이 서쪽보다 동쪽 해역에서 상대적으로 적어 내삽 과정에서 조류 특성이 적절히 반영되지 않았을 수도 있다. 그러나 여기서 제시된 제주해협의 KHOA 조류타원도 분포는 기존에 보고된 연구 결과와 크게 다르지 않다(최 등 1995). 분석된 KHOA 조류타원도의 장축 길이가 일부 차이가 있을 수는 있지만 장축의 경사는 기존 결과를 그대로 반영하고 있다. 따라서 동쪽 해역에서 나타나는 두 조류타원도의 장축 경사 차이는 HFR 자료의 영향에 의한 것으로 여겨진다. 그리고 동쪽 해역에서는 김녕(KN) HFR radial 방향과 조류타원의 장축 방향이 거의 직각을 이루고 있어 김녕 HFR radial의 크기가 조금만 달라져도 HFR 조류타원 장축과 KHOA 조류타원의 장축 방향이 차이가 날 수 있다.

또한, 제주해협 동쪽에서 HFR radial 자료의 획득률이 낮은 데 이는 전파환경의 변화에 의한 것으로 추정된다. Fig. 9는 애월(AW)과 김녕(KN) 각각의 사이트에서 수집된 HFR radial 자료의 연평균 획득률을 나타낸 것이다. 2012년도에는 전반적으로 비교적 양호한 관측 범위와 획득률을 보였다. 2013년도와 2014년도에는 김녕 사이트에서는 HFR을 중심으로 서쪽 해역에서 자료 획득률이 높게 나타나고 동쪽으로는 확장되지 못하고 있다. 애월 사이트에서는 2013년도에는 중앙부 해역에서의 획득률이 다른 시기보다 약간 낮고, 2014년도에는 관측범위가 제주해협 중앙부에 한정되어 있다. 전반적으로 HFR에서 멀어질수록 자료 획득률이 낮아지고 있으며, 동쪽으로 갈수록 상대적으로 낮은 획득률을 보였다. 자료의 획득률이 자료의 품질에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단되지만 2013년도와 2014년도에 동쪽 해역에서 HFR 조류타원의 방향이 KHOA 조류타원과 차이가 나고, 이로 인해 HFR 자료의 신뢰 영역이 서쪽해역으로 편중되는 부분에 대해서는 명확히 설명되지 못하고 있다. 특히, 조류타원의 편차 분포(Fig. 7)에서 2013년도가 2014년도보다 동쪽 해역에서 더 큰 편차를 보인다. 아직 이 부분에 대해서는 충분한 연구가 진행되지 않았다. 이러한 자료 획득률과 HFR 자료의 신뢰성 부분에 대해서는 향후 추가적인 연구가 진행 될 것이다.

Fig. 9.

Distributions of annual acquisition ratio of HFR radial data at AW and KN sites in each year

HFR 자료가 전파나 관측 환경변화에 민감하게 반응하는 것은 이미 알려져 있는 바이다(Chapman et al. 1997; Seasonde 2009). HFR radial 자료의 획득률을 살펴봤을 때 2012년이 주변 환경이 가장 관측에 적합했던 시기이며 HFR 자료가 환경적 영향을 덜 받은 시기로 판단된다. 실제로 HFR가 설치되고 관측이 시작된 이후에 애월 지역 HFR 장비 주변에 장애물이 생기기 시작하였고, 2012년 말부터는 관측 영역 내에 액화천연가스 기지가 착수되기 시작하면서 관측 영역의 환경에 변화가 발생하기 시작하였다. 이와 같은 환경 변화가 애월 지역 HFR radial의 분포에 영향을 주었을 것으로 판단되고 있다. 이에 대한 정확한 원인은 향후 추가 연구에서 분석될 것이다.

HFR 자료는 오차를 포함하고 있는 것을 고려하더라도 간접적인 방법이지만 제주해협 전 해역에서 관측된 표층해류의 특성을 제시할 수 있다는 점에서 의미가 있고 자료의 활용도 또한 높다고 판단된다. 이 논문에서는 장기 관측 자료인 HFR 자료를 이용하여 제주 해협의 M₂ 분조 조류타원의 시공간적 분포 특성뿐만 아니라 M₂ 분조 조류의 계절 변동성도 제시하였다. 비교적 자료의 신뢰도가 높은 해역을 대상으로 M₂ 분조 조류 성분을 계산하여, M₂ 분조 반장축 크기의 시계열 변동을 통해 제주해협의 M₂ 분조 조류가 여름철에 약하고 겨울철에 상대적으로 강한 계절 변동이 나타나고 있음을 확인하였다. 여름철에 비해 겨울철의 M₂ 분조 조류가 약 17% 정도 강한 뚜렷한 계절 변동성을 보였다. 이와 같은 특성은 이 해역에서 겨울철 조석의 진폭이 여름철 진폭에 비해 크게 나타나는 Kang et al.(2002)의 결과와도 잘 일치한다. 지금까지 HFR 자료를 이용하여 제주해협 조류의 특성과 계절 변동성을 조사한 결과는 보고된 바가 없기 때문에 이 결과는 의미가 있다고 판단되며, 장기간에 걸쳐 생산되고 있는 HFR 자료는 제주해협 조류의 시공간적 분포 특성과 계절 변동성을 이해하는데 매우 유용한 자료라 할 수 있다.

계절 변동 등 해양환경 변화에 따른 영향에 의해 자연변동성을 가지는 조류의 특성상 HFR 조류타원의 조류 성분이나 보정된 KHOA 조류타원의 조류 성분 또한 정량화되어 있지 않지만 오차를 포함하고 있다고 생각된다. HFR 자료를 검증하기 위해 제주해협 전 영역을 포함하는 광범위한 영역에 대한 비교자료로 KHOA 조류타원을 사용하였지만 여기서 제시하고 있는 KHOA 조류타원이 반드시 기준이 되는 절대적인 값이라고 단정하지는 않는다. 그럼에도 불구하고 선행 연구 결과(Lee et al. 2019)에서 KHOA 조류타원이 정성적으로 유의하다는 결과를 보여줬고, KHOA 조류타원과 HFR 조류타원 모두 오차가 있음을 고려하더라도 여기서 제시한 것처럼 관측 영역 전반에 대한 두 조류타원의 변동성을 비교함으로써 편차에 따라 HFR 자료의 정확도와 신뢰도를 판단할 수 있다고 생각된다.

향후 양질의 해류계 관측 자료가 축적이 되면 HFR 자료에 대한 더 정확한 평가가 가능해 질것으로 판단되며, 관측 자료와 예측 자료들을 활용해서 HFR 자료의 신뢰성을 지수화하기 위한 추가적인 연구도 함께 진행할 예정이다.