Corresponding author: In-Ki Min, +82-51-664-3688, 1. 서 론
최근 기후변화로 인한 연안 재해와 재난의 특성이 변화하면서, 해당 상황에 대한 예측, 예보,방 재를 위한 지속적인 노력이 이루어지고 있다. 특히, 연안 재해 대비를 위해 실시간 해양 환경 모니터링의 중요성이 강조되고 있으며, 이에 따라 실시간 환경 정보의 수집과 활용성은 더욱 중요해지고 있다. 국내에서도 실시간의 해양 환경 정보 획득을 위해 다각도의 노력을 기울이고 있다. 국립해양조사원은 국가해양관측망을 통해 조위관측소(53개소, 2022년 12월 기준), 해양관측소(3개소), 16개 해역에서의 해수유동관측소(44개소), 주요 해역에서의 해양관측부이(36개소) 및 해양과학기지(3개소)를 운영하며, 실시간으로 해양 환경 정보를 제공하고 있다(KHOA, 2022). 기상청에서는 해양기상관측망을 지속적으로 확충하고 있으며, 2022년에는 해양기상부이(28개소), 파고부이(75개소), 연안기상관측장비(17개소), 해양기상관측기지(2개소), 등표기상관측소(9개소) 등 9종의 257개소의 다양한 관측시설을 운영하고 있다(KMA, 2022a). 국립수산과학원에서는 자체 운영중인 관측소 32개소를 포함한 타기관과 연계하여 실시간 해양환경 어장정보 시스템의 관측소(총 169개소)를 운영하고 있다(NIFS, 2022). 이처럼 국내 유관기관에서는 바람, 파랑, 기온, 기압 등의 해양기상 정보와 수온, 염분, 용존산소 등의 해양환경 정보를 실시간으로 제공하는 다양한 관측 시스템을 운용하고 있다.
그러나, 언급된 해양 관측 시스템들은 대부분 연안에 집중되어 있어 원해의 해양 환경 정보를 획득하기에는 어려움이 있다. 원해의 환경 정보는 주로 계류나 부이 시스템을 통해 대부분 단기간동안 간헐적으로 수집되거나 연구선 관측을 통해 수집되지만, 이러한 간헐적이고 지연모드로 수집되는 정보는 실시간 모니터링이 어려워 지속적인 방재 활동에 어려움이 있다. 최근에는 원해의 해양 환경 정보를 실시간으로 획득하기 위하 노력을 기울이고 있다. 한국해양과학기술원이 구축하고 국립해양조사원에서 운용하는 3개소(웅진 소청초, 신안 가거초, 이어도)의 해양과학기지(Ha et al., 2018; Kim et al., 2019; Byun et al., 2021)와 기상청의 원해 해양기상 관측망(KMA, 2022)이 그 대표적인 예시이다. 또한, 한국해양과학기술원에서는 10m급의 대형 해양관측부이인 황해중부부이(Yellow Sea Buoy, YSB)를 군산 서방 약 190 km 떨어진 해상(수심 약 80 m)에 2007년 9월에 설치하였다(Shim et al., 2009). 황해중부부이는 이전설치(2018년 10월)까지 12년간 원양에서의 해양 관측을 수행하였고, 황해 기온 및 표층수온의 변화(Cho et al., 2010), 국지 정밀 해상풍 예측(Park et al., 2009)등 다양한 연구 목적에 활용되었다.
기존의 황해중부부이는 이전 설치 이후 신규 부이로 대체되어 동일 지점에서 장기 관측이 필요하게 되었다. 이에 관할해역에서의 장기 관측을 통해 예⋅경보의 정확도 향상 및 표층 외에도 수중의 실시간 해양 환경 정보를 수집하는 필요성이 대두되어 황해/동중국해에 대형 해양관측부이 3개소가 추가 설치되었다. 새롭게 설치된 이 3개의 대형 해양관측부이는 해양 및 기상 관측 정보를 수집하며, 황해/동중국해의 공간적 대표성을 확보하고 편향성을 보정하기 위해 지정학적인 측면을 고려하여 최적화된 위치에 배치되었다. 이러한 수중 해양환경 및 해양-대기 경계층 관측 정보는 태풍이나 저염수 등의 해양 재난⋅재해로 인해 급작스럽게 발생하는 강풍과 고파랑의 해양기상 환경과 강한 해류 및 급격한 수온 변화 등에 대해 제공된 실시간 정보는 연안 방재 목적으로 유용하게 활용될 수 있다. 본 논문에서는 추가 설치된 3개소의 대형 해양관측부이 시스템의 실시간 환경 모니터링 현황과 이를 해양 재난⋅재해 모니터링의 활용에 대해 토의하고자 한다.
2. 시스템 및 운용 현황
한국해양과학기술원에서는 2021년 10월 26일에 군산 남서방 약 190 km 해역(수심 약 7 5 m)에 대형 해양관측부이인 황해1부이(Yellow Sea Buoy1, YSB1)를 계류하였다. 그후, 2021년 10월 31일에는 제주 서방 약 200 km 해역(수심 약 40 m)에 동중국해1부이(East China Sea Buoy1, ECB1), 2021년 10월 30일에 제주 남방 약 130 km 해역(수심 약 50 m)에 제주남부1부이(Jeju Southern Buoy1, JSB1)를 각각 계류하였다(Fig. 1). 황해/동중국해 해역은 해상 교통량이 많고 어로 활동이 활발하여 이로 인한 부이의 파손 및 분실 사고가 발생할 수 있는 환경이다. 따라서 안정적인 관측을 위해 지름 10m급, 부이를 계류하였으며 부이의 총 무게는 55톤, 부력은 약 100톤으로, 수심 10~300m, 풍속 80 m/s 이하, 파고 25 m 이하, 유속 6 kn 이하에서 운용이 가능하도록 설계되었으며, 2021년 10월부터 현재까지 안정적으로 운용 중에 있다.
대형 해양관측부이에는 해양 기상 및 수중의 환경 정보를 획득하기 위한 다양한 센서들이 부착되어 있다(Fig. 2 and Table 1). 부이 상부 구조물에는 기상 변수로 풍향, 풍속, 기온, 습도, 기압, 일사, 단파복사, 장파복사, 가시거리와 해양 변수로 표층수온, 표층염분, 클로로필, 탁도, 파랑, 층별해류, pH, 용존산소를 측정하는 센서가 부착되어 있다. 기상센서와 해양센서들은 1초마다 장비에서 출력되는 데이터를 장비별로 설정한 개수만큼 받아 평균하여, 이를 10분 간격으로 자료를 저장한다. 파랑 센서는 0.78125초 간격으로 출력되어 1024개의 데이터를 20분 간격으로 수집 및 전송한다. 해양 수중 환경 정보 수집을 위하여 부이 하부 구조물에는 표층부터 해저면까지의 수층별 유속 및 유향을 측정하는 ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)가 설치되어, 1초 간격으로 관측하여 60개 자료를 평균하여 매 10분마다 자료를 수집한다. 또한 스마트 윈치 시스템 설치하여 육상에서 원격으로 자동 CTD 수직프로파일을 획득할 수 있다. 스마트 윈치 시스템에 대한 설명은 다음 장에서 상세하게 기술하였다. 해양물리 변수 뿐만 아니라 엽록소 형광, 용존 산소, 탁도, pH와 같은 생지화학적 환경 변수를 측정하는 센서도 표층에 설치하여, 해양의 산소 농도와 산성화, 생물 번성 정도 등을 관측하고 있다(Fig. 3).
대형 해양관측부이 시스템에서 수집된 자료는 실시간으로 육상 서버에 안정적으로 전송되며, 동시에 양방향 통신을 통해 위치 확인, 감시, 시스템 원격조정이 가능하다(Fig. 4). 메인 컨트롤러를 통해 수집된 기상 및 해양 환경 자료는 IRIDIUM 위성 통신을 사용하여 대용량 자료를 실시간으로 안정적인 전송이 가능하다. 이로써 육상에서 관측자료 및 CCTV 모니터링이 가능하고 관측시스템 오류 발생 시 원격 제어를 통해 시스템을 복구할 수 있다. 또한, 선박 충돌이나 극한 환경에서의 계류선 단락 등으로 인해 표층 부이가 표류하여 계류 위치를 벗어나는 경우를 대비해, 추가로 별도의 GPS, IRIDIUM 듀얼 송수신 장치가 설치되어 있어 실시간 위치를 전송하여 부이 유실에 대비하고 있다. 전송된 자료는 제조사의 서버와 웹페이지(http://cdma.otronix.com/system)를 통해 실시간으로 표출되며, 한국해양과학기술원의 KORS 서버와 해당 웹페이지(http://kors.kiost.ac.kr)에서도 실시간 표출과 시각화가 되고 있다.
대형 해양관측부이의 관측 자료는 상시 모니터링을 수행하며, 기록된 점검 내용을 기반으로 연 1회 현장점검을 실시한다. 또한, 시스템 또는 관측장비 이상이 감지되면 현장 긴급 점검을 통해 결측을 최소화하고 관측자료의 품질을 높일 수 있도록 시스템을 운용하고 있다. 부이 설치 후 3~4년의 주기로는 계류라인 교체, 부이 본체 부식 및 장비프레임 손상 부위 복구, 전체 도장 등을 위해 육상으로 이동하여 상가수리를 계획하고 있다. 또한, 관측장비는 정기적인 점검 및 파손 장비 교체, 검 교정을 실시한다. 2021년 10월에 설치 후, 제주남부1부이(JSB1)는 2022년 12월 4일 회수되어 상가수리 후 2023년 8월 18일에 재설치되었다. 동중국해1부이(ECB1)는 2023년 8월 18일에 회수되어, 8월 30일에 재설치 되었고, 황해1부이(YSB1)는 2023년 8월 25일 회수되어, 8월 30일에 재설치 되었다. 주 점검 내용으로는 내부격실 해치도어 보완, 스마트윈치 업그레이드 및 교체, 파손된 장비 프레임 복구, 징크 및 계류고리 점검 등 이다. 대형 해양관측부이는 소형 부이에 비해 점검에 따른 자료 누락 기간이 상대적으로 길어지는데, 대체 센서 및 부이 준비 등을 준비하는 등 사전에 철저한 준비를 통해 자료 공백을 최소화하기 위한 노력이 필요하다.
3. 초소형 자동승강식 스마트 프로파일링 시스템
대형 해양관측부이에는 초소형 자동승강식 스마트 프로파일링 시스템이 탑재되어 있다. 이 시스템은 위성 통신을 활용하여 원격으로 제어가 가능하며, 자동으로 실시간 수직 Conductivity-Temperature-Depth (CTD) 프로파일링이 가능하다(Fig. 5). 스마트 프로파일링 시스템은 시스템 전자/통신 제어부, 스마트 윈치, 관측장비(CTD)로 구성되어 있다. 시스템 전자/통신 제어부는 목표 수심까지 윈치를 작동시켜 관측장비를 승하강시키고, 기록된 관측자료를 블루투스를 통해 시스템 내부의 데이터 로거로 전송하며, 위성 통신망을 이용하여 원격지로 전송하고, 관측장비 배터리를 무선 방식으로 충전한다. 스마트 윈치는 직경 2 mm, 길이 120 m의, 와이어를 소형 모터로 승하강시키며 관측장비를 안전하게 고정시킬 수 있는 Safety Home cage와 승하강 시 와이어를 드럼에 균등하게 감기위한 level wind로 구성되어 있다. 관측장비는 SeaBird사의 SBE49를 사용하며, 별도의 관측자료 저장용 데이터 로거를 제작하여 장착하였다. 시스템의 운영은 원격지에서 지정된 고정 IP 주소를 갖은 컴퓨터로 위성 통신망(Thales VesseLINK)을 이용하여 시스템의 컨트롤러에 접속하여, 관측장비의 자동 승하강을 명령하여 관측을 수행한다. 현재 이 시스템은 시범 운영 및 보완 작업을 통해 개선 중에 있다. 해양 재난 재해의 모니터링과 예측, 방재를 위한 해양 수치모델의 개선을 위해서는 해수의 연직프로파일이 매우 중요한데, 이 시스템이 안정적으로 수행된다면 원해에서의 정기적인 해양 수직프로파일을 통해 황해/동중국해의 해양 모니터링과 수치모델링에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
4. 대형 해양관측부이 활용한 해양 재해 모니터링
한국해양과학기술원은 기존의 3개소의 해양과학기지와 더불어 새롭게 구축된 대형 해양관측부이를 활용하여 해양 재해에 대한 모니터링과 연구를 진행하고 있다. 본 논문에서는 황해/동중국해에서 빈번하게 발생하는 해양 재난⋅재해인 태풍과 양자강 저염수 모니터링 사례를 소개하고자 한다.
4.1 태풍 모니터링
제11호 태풍 힌남노(Hinnamnor)는 2022년 9월 5일에 한반도를 통과하며 남동부 지역에 많은 피해를 남긴 자연재해 사례이다. 이 태풍은 거제-부산-울산 경로를 따라 이동하면서 폭우를 동반하였고, 특히 포항 지역에서 폭우로 인한 하천 범람으로 인명피해가 발생하였다(KMA, 2022b). 태풍 힌남노는 일반적인 태풍의 경로와 발달과정이 상이하여 이례적인 경로와 다른 메커니즘을 보여주었으며, 이는 이상기후에서의 태풍 기작 연구에 중요한 사례로 부각되었다(Wang et al., 2023a; Wang et al., 2023b). 태풍 힌남노는 2022년 8월 28일 21시에 일본 도쿄 남동쪽 1,280km 떨어진 해상에서 발달을 시작하여, 일반적인 태풍의 진로와 달리 남쪽으로 이동하였다(Fig. 6). 8월 30일 21시에는 일본 오키나와 동쪽 약 560 km 해상에서 최대 강도로 발달하여 중심기압 915hPa, 중심 최대풍속 55 m/s의 초강력 태풍으로 발달하였다. 이후 9월 1일부터 2일간 일본 오키나와 남쪽에 정체되었다가 3일부터 북쪽으로 이동하기 시작하였다. 9월 5일에는 제주도 남서쪽 해상을 지나, 9월 6일 5시경에는 한반도에 상륙한 후 7시경에는 울산 앞바다로 빠져나가며 연해주 부근에서 21시경 온대저기압으로 변질되었다(KMA, 2022b).
태풍 힌남노의 한반도 접근 및 상륙 과정에서 대형 해양 관측부이에 기록된 환경 변수들의 시계열 변동을 분석하여 당시의 실시간 해양 및 기상 환경 정보를 확인할 수 있었다. 특히, 제주남부1부이(JSB1) 인근 해상에서 태풍 중심과의 거리가 약 13km로9 가까워진 월 5일을 중심으로 기온, 풍속, 파고, 표층 수온, 표층 염분 등이 관측되었다(Figs. 6 and 7). 태풍 힌남노의 영향으로 제주남부1부이에서 관측된 기압은 9월 5일 10:00부터 감소하여 5일 19:00에 최저 기압(944 hPa)이 기록한 후, 9월 6일 11:20에 1010 hPa 이상으로 증가하였다(Fig. 7(a)). 관측된 풍속은 9월 5일부터 증가하여 5일 19:00에 최대풍속 26.8 m/s(순간최대풍속 38.3 m/s)에 도달한 후 급격히 감소(<8 m/s, 9월 6일 17:00)하였다(Fig. 7(b)). 파고는 9월 4일부터 증가하여 최대파고와 유의파고는 각각 15.0 m와1 2.4 m에 이르고, 이후 서서히 감소하였다(Fig. 7(c)). 표층 수온은 태풍 통과 전 평균 26.1o C에서 통과 후 평균 21.6o C로 감소한 후, 유지되었으며(Fig. 7(d)), 표층 염분은 태풍 통과 전 30psu에서 통과 후 32psu로 상승한 후 유지되었다(Fig 7(e)). 대형 해양관측부이를 중심으로 한 실시간 해양기상 및 해양환경 모니터링을 통해 태풍 힌남노의 영향을 확인하였고, 이러한 실시간 정보는 국립해양조사원, 국립수산과학원, 한국해양과학기술원 등과 즉각적으로 공유되어 관련 기관 및 연구자들이 신속하게 대응할 수 있도록 제공됩니다. 이러한 태풍 모니터링은 해양 환경의 급격한 변화에 대한 이해를 높이고, 재난 예방 및 피해 최소화에 기여하는 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다. 해당 정보는 한국해양과학기술원의 KORS 웹페이지(http://kors.kiost.ac.kr)를 통해 공개되어 관심 있는 다양한 이해관계자들에게 제공되고 있다.
4.2 양자강 저염수 모니터링
여름철 제주도 주변에서 발생하는 저염수 피해는 중국 양자강의 담수유입이 주로 7월과 8월에 증가하고, 이로 인해 유출량이 증가하여 주로 발생한다(Kim and Rho, 1994; Moon and Pang, 2003). 그러나 양자강 저염수 피해의 시기, 세기 및 범위는 해양기상과 해양환경에 따라 매번 다르게 변동한다. 양자강 저염수의 방류량은 중국 Datong에서의 방류량을 통해 추정하였다. 양자강 방류량은 일반적으로 여름철(6-7월)에 최대치를 기록하며 겨울철에는 감소하는 경향을 보인다. 그러나 최근 2021년에는 5월 초, 2022년에는 5월 말에 최대 방류량을 나타내었고, 2023년에는 2010년 이후 최소 방류량을 기록하며 큰 변동 없이 방류량이 유지되었다(Figs. 8(a) and 8(b)). 양자강 방류량의 변동은 최근 기후 변화에 따른 아시아 강수 패턴의 변화(Moon et al., 2023)와 연관이 있어 보이고, 이에 따라 양자강 저염수의 모니터링은 더욱 중요할 것으로 예상된다.
2022년의 양자강 저염수의 확산에 대한 실시간 모니터링을 위해 이어도 해양과학기지와 동중국해1부이, 제주남부1부이의 표층 수온 및 염분 관측 자료를 활용하였다(Figs. 8(c)-8(e)). 2022년 5월 말 중국 Datong에서의 최대 방류 이후, 6월 5일에 동중국해1부이에서는 염분 29 psu 이하의 저염수가 관측되었고, 6월 23일에는 22.8 psu의 최저 염분이 관측되었고, 7월 31일까지 저염수 영향권에 속해 있었다. 이어도 해양과학기지의 상층(5m)관측에서는 6월 27일부터 저염수가 관측되었으며, 7월 1일에 25.2 psu의 최저 염분을 기록하였고, 7월 26일까지 계속해서 저염수를 관측하였다. 제주남부부이1에서는 다소 늦은 7월 13일경부터 저염수를 관측하였고, 8월 초까지 약 29 psu의 염분을 유지하였다. 관측된 순서대로 동중국해1부이, 이어도 해양과학기지, 제주 남부1부이에서 저염수가 나타났으며, 초기 북동쪽으로 이동한 후 남동 방향으로 확장된 것으로 사료된다. 저염수의 공간적 분포를 확인하기 위해 인공위성 표층염분 자료(GOCI-II와 SMAP)를 활용하여 비교 분석하였다(Fig. 9). 한국해양과학기술원은 2020년 이후 매년 이러한 양자강 저염수의 움직임을 실시간으로 모니터링하고 있으며, 관련 정보는 국립해양조사원, 국립수산과학원, 한국해양과학기술원의 관계자들에게 즉각 알람 및 실시간 관측 자료를 공유하고 있다. 또한, 해당 정보는 한국해양과학기술원의 KORS 웹페이지(http://kors.kiost.ac.kr)에서 확인이 가능하다.
5. 결 론
2021년에 황해/동중국해에 추가 설치된 황해1부이(YSB1), 동중국해1부이(ECB1), 제주남부1부이(JSB1) 3기의 10m급 대형 해양관측부이 시스템은 현재 운용 중이며, 원해에서의 해양기상 및 해양환경 정보를 실시간으로 모니터링하고 있다. 이러한 시스템은 장기간 운용된 황해중부부이(YSB 또는 YSB0)의 운용 노하우를 기반으로 설계 및 설치되어 안정적으로 자료를 수집하고 있으며, 정기/비정기 점검과 상가 수리를 통해 양질의 실시간 해양 환경 정보를 획득하기 위해 지속적인 노력이 이루어지고 있다. 또한, 대형 해양관측부이 시스템에 탑재된 초소형 자동승강식 스마트 프로파일링 시스템은 해양 내부의 수직 프로파일을 실시간으로 획득할 수 있다. 이 대형 해양관측부이는 기존 실시간 해양관측망 시스템과 달리 해양표층 및 해양-대기 경계면 뿐만 아니라 해양 내부의 환경 변화도 관측할 수 있어, 해양 재난⋅재해 발생시 해양 표층 및 내부의 환경 변화를 실시간으로 모니터링하여 피해를 최소화하고 대비하는데 도움을 줄 수 있다. 이를 기반으로 한 예측 시스템의 향상은 예⋅경보, 방재와 피해 경감에 큰 기여할 것으로 전망된다. 본 논문에서는 2022년에 발생한 태풍 힌남노와 양자강 저염수에 대한 모니터링 사례를 통해 해양 기상 및 해양 환경 변수들의 시계열 변동 특성을 급변하는 환경에 대한 예로서 제시하였다. 이러한 정보는 해양 재해의 원인 분석 및 향후 방재시스템의 구축 자료로 활용될 수 있으며, 실시간 및 비실시간 연속 시계열 데이터는 재해 예측, 예보, 경보, 방재 및 피해 경감을 위한 중요한 자원으로 활용될 수 있다.
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