I. 서 론

수중의 음파 전달은 수온, 염분, 그리고 압력에 따라 변화하는 음속구조의 영향을 크게 받는다.^[1] 특히, 동해 연안에서는 한류와 난류가 교차하고 난수성 소용돌이와 냉수성 소용돌이의 불규칙적인 생성과 이동 등의 영향으로 시․공간적인 해양환경 변화가 다양하게 나타난다.^[2,3] 지금까지 이러한 동해의 해양환경 변화와 관련된 음파전달 특성 연구를 위해 동해의 난수성 소용돌이가 원거리 음파전달에 미치는 영향,^[4] 동해 아극전선 해역에서의 음파전달 양상^[5] 등을 연구한 바 있으나, 여전히 동해의 해양환경 변화와 음파전달 특성에 관한 연구는 부족한 실정이다. 더욱이, 동해시 동방의 연안에서 발생된 용승현상(Upwelling)이 음파전달 특성에 미치는 영향에 대해 연구한 사례는 찾아보기 어렵다. 그 이유는 용승현상의 지속 기간이 수 시간 ~ 수 일 간으로 짧을 뿐만 아니라, 용승현상 시 해표면 아래에서 발생되는 수직적인 수온과 염분의 변화를 연속적으로 관측하기가 쉽지 않기 때문이다.

연안용승은 동해안을 기준으로 해안선과 평행한 남풍 계열의 바람이 불게 되면 외해 방향으로의 에크만수송이 발생되어 표층 하부의 해수가 상승함으로써 일어난다. 이러한 연안용승 현상은 주로 한반도 남동해안의 감포와 울기 연안에서 여름철에 흔히 나타나는 것으로 알려져 있다.^[6,7,8] 그러나, 한반도 중부지역인 동해시 연안에서 용승현상이 관측 결과로 제시된 사례는 매우 드문데, 2007년 8월 중순에 한반도 서쪽의 태풍 파북(Pabuk)과 동쪽 해상의 북태평양 고기압의 영향으로 남풍 계열의 바람이 불어 동해시 동방에서 연안용승이 발생되었음을 밝힌 바 있다.^[9] 이후, 동해시 동방 약 9 km에 계류된 실시간 해양관측부이 자료와 위성으로 관측된 바람자료 등을 활용하여 당시에 발생된 용승현상의 시․공간적 변화 규모와 수직 수온 및 염분 변화 등을 세부적으로 분석하기에 이르렀다.^[10]

그러나, 해당 연구에서는 해양물리학적 측면에 초점을 맞추어 연구가 진행되었으므로 수중음향학적 관점에서의 내용은 전혀 다루어지지 않았다. 따라서, 이번 연구에서는 기존 연구에서 밝힌 바 있는 2007년 8월 동해 연안의 용승현상이 수중의 음파전달 특성과 탐지환경에는 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 한다.

II. 자료 및 분석방법

연구에 사용된 수심별 수온과 염분은 동해시 동방 약 9 km에 계류된 실시간 해양관측부이(East Sea Real- time Ocean Buoy, ESROB) 자료를 이용하였다(www. seanoe.org). ESROB의 위치(37° 32.24’N, 129° 12.92’E)는 Fig. 1의 지도상에 표시한 바와 같다. ESROB은 1999년부터 현재까지 실시간 해양 자료를 수집하고 있는데, 이번 연구의 관심 기간인 2007년에는 수심 2.5 m, 20 m, 40 m, 60 m, 그리고 130 m 에서 각각 10 min 간격의 수온과 염분 자료가 획득되었다. 이 외에도 해당 부이에서는 각 센서별 수심에서 관측된 해류 방향과 속도, 해표면으로부터 약 3 m 상공에서 관측된 바람 정보와 기압 등 다양한 대기변수 자료도 제공하고 있다.

Fig. 1.

(Color available online) Distribution of upwelling velocity. A red circle and a pink line indicate the location of ESROB (37° 32.24’N, 129° 12.92’E) and the horizontal scale of the upwelling, respectively.

2007년 8월 동해시 동방에서 발생된 연안용승의 수평적 규모를 확인하기 위해 기존 연구에서 모델 결과를 통해 제시한 수직 방향의 용승속도 산정 결과를 참고 하였다.^[10] Fig. 1은 2007년 8월 14일 12:00 ECMWF 바람 자료를 이용하여 계산된 용승 속도를 나타낸 것인데, 수평적인 용승 규모는 그림에서 표시된 바와 같이 약 70 km 정도임을 알 수 있다. 또한, Reference [9]의 Fig. 1에 제시된 표층수온 자료(인공위성 관측)를 토대로 용승의 수평적인 규모를 추정해보면 약 60 km ~ 70 km 정도로써 상호 유사함을 확인하였다. 한편, 연안에서 외해 방향으로 거리에 따른 음속구조의 변화 가능성은 있으나 본 연구에서 다루는 용승이 남풍계열의 바람장에 의한 수직적인 용승속도에 기인하고 있으므로 연안으로부터 약 70 km 범위 내에서의 음속구조는 변하지 않는다고 가정한다.

III. 음파전달 특성 분석

3.1 용승 시 해양환경 특성

2007년 8월 중순 동해시 동방에서 용승현상 발생 시 수층별 수온 및 염분 변화에 대해 살펴보면 다음과 같다. Fig. 2(a)와 (b)는 8월 1일부터 31일까지 한 달간 ESROB에서 관측된 수온과 염분 자료를 나타낸 것이고, 이를 이용하여 계산된 수직적인 음속구조는 Fig. 2(c)에 제시 하였다. 용승은 8월 15일에 최대가 됨을 확인할 수 있는데, 8월 10일 이전까지 수심 2.5 m의 수온은 약 20 °C ~ 25 °C 정도를 유지하고 있으나 8월 15일에는 7 °C까지 하강한 것을 볼 수 있다. 용승 이전에는 각 수층별 수온의 차이도 약 23 °C로 크게 나타나고 있으나(수심 2.5 m와 130 m의 수온차 : 약 23 °C), 용승 시기에는 전 층의 수온 차가 약 5 °C 내외로 매우 작아짐을 확인할 수 있다. 또한, 이때 관측된 염분을 살펴보면 해표면 부근인 수심 2.5 m를 제외하고, 수심 20 m ~ 130 m까지 전 층에 걸쳐 약 34 psu로 거의 동일한 것을 알 수 있는데, 이러한 수온과 염분의 변화는 해표면 아래의 해수가 표층으로 상승할 때 나타나는 특징적인 모습이다. 이렇게 용승이 최대가 된 뒤 약 3일 후인 8월 18일경에는 다시 그 이전 수준으로 수온이 회복됨에 따라 수심별 수온과 염분의 차이도 크게 나타남을 확인할 수 있다. 참고로 8월 20일경 수심 2.5 m에서 관측된 저염분 현상은 강우로 인한 것이다.

용승 전․중․후의 음속구조를 확인해 보기 위해 대표할만한 3개의 시기를 Fig. 2(a)와 (b)에 점선으로 표시하였는데, 이는 각각 8월 10일(Before), 15일(Upwelling), 20일(After)에 해당한다. 각 시기별 관측된 수온과 염분 자료를 이용하여 계산된 음속 그래프는 Fig. 2(c)에 굵은 선으로 제시하였다. 용승 시기의 음속구조는 다른 두 시기와 비교 시 확연한 차이를 보이는데, 수심 2.5 m의 음속은 약 1,475 m/s를 나타내고 있는 반면, 용승 전․후의 음속은 약 1,520 m/s를 보이고 있다. 또한, 수심 60 m의 음속도 용승 시기에는 약 1,460 m/s를 보이나 다른 시기에는 약 1,470 m/s를 나타내고 있는 등 수심이 깊어질수록 그 차이는 감소되는 형태를 보이고 있으나, 전체적인 음속구조의 차이가 확연히 나타남을 알 수 있다.

Fig. 2에서 음속은 주로 수온의 분포를 따른다는 것을 알 수 있는데, 용승이 최고조에 이르는 8월 15일은 해표면 하부의 차가운 해수가 표층으로 상승함에 따라 수온이 감소하여 다른 두 시기보다 음속이 훨씬 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이를 통해 용승 시기와 다른 시기의 음파전달 특성이 달라질 것으로 예상해 볼 수 있는데, 단 수 일만에 크게 달라지는 음속구조 변화에 따라 공간적인 음파전달 양상은 어떻게 달라질 수 있는지 다음 절에서 살펴보기로 한다.

Fig. 2.

(Color available online) Distributions of (a) observed temperature and (b) salinity at each depth level in August 2007, and (c) sound velocity profiles from Aug. 10 to Aug. 20, 2007. The three dashed lines in (a) and (b) indicate before, during and after the upwelling period.

3.2 음파전달 모델링 구성

2007년 8월 ESROB에서 관측된 수온과 염분 자료를 이용하여 용승현상 발생 전․중․후의 음파전달 특성을 확인해 보기 위해 모델링을 수행하였다. 사용된 모델은 저주파 음파전달에 적합한 것으로 알려진 포물선 방정식 기반의 RAMGEO 모델이다.^[11]

용승 현상에 의한 음파전달 특성을 반영하여 음탐기의 탐지성능(음파의 전달손실)을 모의하기 위해, ESROB에서 관측된 수온․염분 자료를 이용한 음속의 수직 구조를 산출하였다. 음향모델링 수행을 위해 모델수행 해역의 실제 해저지형(수심)을 반영한 음속구조를 구성하였다. 먼저, ESROB으로부터 거리 70 km인 해역의 수심이 약 1,200 m로 확인되어 음속의 수직 구조는 수심 1,500 m까지 구성하였다. 이를 위해 표층부터 수심 130 m까지는 ESROB에서 관측된 데이터를 이용하였고, 그 이심의 자료는 국방과학연구소(이하 국과연)에서 개발한 KOTM 자료(8월 평균자료)를 연결하고, Akima cubic spline 기법을 적용하여 용승 전․중․후의 음속구조를 구성하였다. Fig. 3에 제시된 바와 같이 용승이 발생한 시기의 해표면 음속은 약 1,477 m/s이며 심도 120 m에서 음속최소층이 나타난다. 용승이 사라진 시기의 표층 음속은 1,530 m/s 이상이며 음속 최소층이 용승 시기보다 약 10 m 깊은 130 m에서 나타난다. 용승 시기의 음속 구조는 연구해역에서 하계에 일반적으로 나타나는 음속구조와 차이가 있으며 이러한 수직적 음속구조는 음파전달 특성 및 거리에 따른 음파 전달손실에 영향을 준다.

Fig. 3.

(Color available online) Distribution of calculated sound velocity profiles based on the profiles shown in Fig. 2.

음향모델의 입력변수는 Table 1에 제시하였다. 주파수는 500 Hz, 음원의 수심은 50 m인 경우와 100 m 인 경우로 하였고, 수평 거리는 용승의 수평 규모를 고려하여 70 km로 설정하였다. 수심 간격은 2 m, 거리 간격은 50 m이며, 해저 수심 자료는 500 m 급 해상도의 해저지형자료 (국과연 DB)를 적용하였다. 해저 퇴적층은 뻘모래를 적용하였다.

3.3 용승 전․중․후의 음파전달 특성

앞서 3.2에서 설정된 입력자료와 모델 변수를 적용하여 음향모델을 수행하였다. 2007년 8월 10일부터 8월 20일까지 일자별 총 11개의 음속구조를 구성하여 음파의 진행 방향이 각각 동쪽, 북동쪽, 북쪽, 그리고 북서쪽인 경우에 대해 음파모델링을 수행하였다. 그러나 본 논문에서는 이를 대표할 수 있는 동쪽 방향의 결과를 주로 제시하고 기타 결과는 통계적인 분석 방법을 통해 종합적으로 언급하기로 한다. 용승 전과 후의 음속구조 및 모델링 결과는 상호 유사하였으므로 용승 전(8월 10일)과 용승이 최대로 발생한 시기(8월 15일)의 모의 결과를 비교하였다. Fig. 4와 Fig. 5는 각각 용승이 발생하기 전(Before)과 용승 발생 시기(Upwelling)의 음속구조를 활용하여 음원 수심이 50 m 일 경우의 음파 전달손실과 수신기 위치가 각각 10 m, 50 m, 100 m 일 때의 탐지 거리를 모의한 결과이다. Fig. 4(b)에 제시된 바와 같이 용승이 발생하기 전 음속의 수직 구조는 수심 150 m 상층부에서 하향 굴절이 강하게 나타나며, 음원으로부터 20 km 이상 이격된 거리에서는 심도 150 m 이하의 상층에서 음의 전파가 거의 되지 않는다. 반면에, Fig. 5(b)의 용승 시기에는 음의 하향 굴절이 비교적 강하지 않아 음원으로부터 멀어지더라도 표층 가까이에서(수심 50 m 부근) 음의 전파가 가능하다. 일반적으로 500 Hz 의 저주파의 경우 수동소나의 주요 운용 주파수에 해당하며, Eq. (1)의 수동소나 방정식에 의해 표적 탐지 여부를 결정한다.

* Each term has units of decibels(dB)

• SE : Signal Excess

• SL : Source Level

• TL : Transmission Loss

• NL : ambient Noise Level

• DI : Directivity Index

• DT : Detection Threshold

Fig. 4.

(Color available online) (a) Sound speed profile, (b) transmission losses and (c) detection ranges at the three receiver depths (10 m, 50 m, 100 m with FOM = 80 dB) before the upwelling on the sound profiles shown in Fig. 3. horizontal seabed topography of the 500 m database was applied as shown in Table 1.

Fig. 5.

(Color available online) (a) Sound speed profile, (b) transmission losses and (c) detection ranges at the three receiver depths (10 m, 50 m, 100 m with FOM = 80 dB) during the upwelling on the sound profiles shown in Fig. 3. horizontal seabed topography of the 500 m database was applied as shown in Table 1.

본 논문에서는 용승에 의한 음파 전달손실 특성과 이에 따른 수동소나의 탐지거리 변화를 분석하였다. Eq. (1)에서 음원준위(SL)는 특정 표적의 방사소음이며, DI와 DT는 수동소나의 설계 변수, 그리고 환경소음(NL)은 연구해역에서 관측된 자료를 기반으로 DB화하여 적용한다.

따라서 음속의 수직 구조에 따른 탐지거리 차이가 수동 소나의 주요 탐지성능을 결정한다. Eq. (1)에서 전달손실(TL)을 제외한 다른 항목(대부분 상수화하여 적용할 수 있는 항목)을 Fig. Of Merit(FOM)으로 전환하여 Eq. (2)와 같이 정리하였다.

수동소나의 FOM 값을 80 dB(일반적인 수동소나의 저주파 대역에서 적용 가능한 범위의 값)로 설정하여 심도별 표적 탐지거리를 산출하고 그 결과를 그림 Fig. 4(c)와 Fig. 5(c)에 제시하였다. 거리에 따른 음파 전달손실 값은 짧은 거리에서도 크게 변동하는 경향이 있으나 실제 소나에서는 안정적인 신호를 수신하였을 경우에 탐지가 가능하므로 음파 전달손실을 low-pass filter를 적용하여 smoothing 한 후 탐지가능 거리를 모의하였다. 모델링 결과에서 용승 발생기간 동안 수신기의 심도별 탐지거리가 그렇지 않은 기간의 탐지거리보다 수 km ~ 10 km 길게 모의 되었는데, 자세한 내용을 살펴보면 다음과 같다.

음원 심도가 50 m이고, 수신기 심도가 50 m일 때, 거리에 따른 전달손실 모의 결과는 Fig. 6과 같다. 용승 기간과 용승이 발생하지 않은 기간 동안의 음파 전달손실 차이는 음원으로부터 거리가 멀어질수록 크게 나타나는 경향성을 보이는데, Fig. 6(a)에 제시된 바와 같이 음원으로부터 30 km 거리에서 약 7.5 dB 정도의 전달손실 차이를 보인다 . 즉, 용승 기간의 전달손실이 다른 기간에 비해 더 작게 나타나는 것을 의미한다. 한편, 거리 증가에 따른 전달손실 차이가 전반적으로 증가하는 형태를 보이고 있으나 일관되지는 않는다. 이는 음속구조에 따라 음파의 해저면 반사 또는 굴절에 의한 집속영역의 생성 거리가 다르기 때문이다. Fig. 6(b)와 같이 FOM 값을 80 dB로 하였을 때, 용승이 없는 경우(8월의 평균적인 음속구조와 유사) 표적의 탐지거리는 약 16.2 km인 반면, 용승이 발생한 경우에는 표적의 탐지거리가 21.6 km로써, 5.4 km(33 % 성능 향상) 길게 예측되었다 .

Fig. 6.

(Color available online) (a) Difference of transmission losses between before the upwelling and during the upwelling shown in (b). (b) Transmission losses before the upwelling (black line) and during the upwelling (blue dots) when the source and receiver depth is 50 m.

음원으로부터 거리 70 km 구간의 용승 기간과 용승이 없는 기간 동안의 전달손실 차이를 거리 평균하여 심도별 변화를 Fig. 7에 도시하였다.

Fig. 7.

(Color available online) Difference of transmission losses between before the upwelling and during the upwelling depending on the depth in cases of source depth is 50 m and 100 m. Each was averaged within a horizontal range of 70 km.

Fig. 7에 제시한 바와 같이 음원의 심도를 50 m로 하였을 경우와 100 m로 하였을 경우의 심도별 전달손실 차이는 크지 않은 것을 확인할 수 있는데, 수심 10 m 이내의 표층에서 –7 dB ~ –10 dB 정도를 보이다가 심도 30 m 까지 차이가 감소하여 –5 dB 정도가 되며, 심도가 깊어지면서 다시 차이는 증가하여 심도 50 m ~ 90 m 구간에서 10 dB보다 크고(절대값) 이후 점차 감소하는 경향을 보였다. 이는 용승이 발생하는 시기에는 표적의 심도가 50 m ~ 100 m인 경우 10 dB 이상 전달손실에서 이득을 기대할 수 있으며, 피탐지의 경우 해당 심도 구간을 피하는 것이 유리함을 의미한다.

부가하여 음파의 진행 방향이 동쪽, 북동쪽, 북쪽, 그리고 북서쪽인 총 4가지 경우에 대한 모델링 결과 비교를 위해 Eq. (3)을 이용하여 전달손실 차이가 비교적 크게 나타나는 심도구간(50 m ~ 100 m)과 용승의 수평거리(0 km ~ 70 km)에 대해 평균한 값을 산출하여 Fig. 8에 제시하였다.

• nz: number of vertical grid from 50 m to 100 m

• nl: number of horizontal grid from 0 km to 70 km

Fig. 8은 평균 수직수온 변화율(관측수온 심도구간 : 2.5 m ~ 130 m) 대비 Eq. (3)을 이용하여 계산된 음파 전달손실 차이를 비교한 결과이다. 용승이 가장 강했던 시기(8월 15일) 대비 음속구조의 차이가 가장 큰 8월 10일의 경우는 전달손실 차이에서도 가장 큰 값을 보이고, 이후 용승 최대 시기와 날짜가 가까워질수록 그 값이 점차 감소하는 경향성을 보인다. 전달손실 차이가 크게 나타나는 음파의 진행 방향을 판단해보면, 북동(Northeast), 동(East), 그리고 북쪽(North) 방향이 상호 유사하나, 그 중에서도 북동 방향이 대체로 큰 값을 보인다. 한편, Fig. 9에서와 같이, 북서쪽의 경우는 가장 적은 값을 보이는데, 그 이유는 수심이 상대적으로 낮은 영역(500 m 이내)에서의 강한 해저면 반사 효과가 용승에 의한 음파굴절 효과보다 크게 작용하기 때문으로 판단된다.

Fig. 8.

(Color available online) Relation between depth and range-averaged transmission loss differences compared to the upwelling (Aug. 15) and depth averaged temperature variation rate. The numbers on the left of the square marks mean the date in August. The black regression line focuses mainly on the east direction case.

본 논문에서 동쪽 방향으로 음파가 전달될 경우 최대 약 10 dB의 전달손실 이득이 발생함을 제시하였는데, Fig. 8 결과를 토대로 판단해볼 때 음파의 진행 방향에 따라 전달손실의 차이는 달라질 수 있음을 알 수 있다. 즉, 북동쪽 방향으로의 음파전달 시에는 그 차이가 다소 더 크고, 북서쪽 방향의 경우에는 훨씬 더 작아질 수 있다. 따라서, 동해 연안에서 음파 탐지 시에는 음파의 전달 방향에 대한 고려도 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 9.

(Color available online) Transmission losses (a) before and (b) during the upwelling when the direction of sound propagation is northwest.

IV. 결 론

동해시 동방 약 9 km(수심 약 130 m)에서부터 외해 쪽으로 약 70 km 영역까지 발달하는 바람에 의한 용승이 음파전달 및 표적의 탐지거리에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.

음원 주파수가 500 Hz이고 음원의 수심이 각각 50 m 와 100 m인 경우, 동해 연안에서 하계에 용승현상이 발생하면 그렇지 않은 일반적인 음탐환경에 비해 수 dB에서 최대 약 10 dB 정도의 탐지이득을 고려(기대)할 수 있음을 확인하였다. 이는 탐지거리 측면에서 수 km 이상의 탐지성능 향상으로 이어질 수 있다. 일반적으로 수동소나의 경우 배열이득[Eq. (1)의 DI]을 수 dB 증가시키기 위해서는 배열의 길이를 현저히 크게 하여야 하며, 피탐지 측면에서는 방사소음[Eq. (1)의 SL]을 수 dB 줄이기 위해 막대한 비용이 소요되는 새로운 첨단 기술 개발이 요구되는 상황이다. 용승에 의한 음 전달 특성을 표적의 탐지 및 피탐의 회피, 수중통신 등의 유․불리에 적용한다면 많게는 10 dB 이상의 탐지/피탐지 이득의 확보가 가능하다. 따라서, 이러한 이득 확보를 위해 소요되는 비용과 기술을 적용하는 것과 동일한 효과를 기대할 수 있을 것이다.

이번 연구를 통해 용승 시기 전․후 약 2 ~ 3일의 짧은 기간 내에서도 음파전달 특성이 크게 달라질 수 있음을 확인할 수 있었다. 용승과 관련된 음파전달 특성 변화는 연안에서의 수중음파 통신이나 잠수함 활동, 능․수동 소나 운용, 그리고 Bathy Thermo-graph (B/T) 투하 시기와 영역 설정 등에 참고가 될 것이다.

또한, 연안에서 잠수함 탐지 활동 시 단 2 ~ 3일 만에 음파전달 환경 또는 탐지거리가 확연히 달라지는 경우가 발생 되기도 하는데, 이번 연구에서 밝힌 바람에 의한 용승이 그 다양한 요인 중 하나의 해답이 될 수 있음을 알 수 있었다.

다만, 이번 연구에서 공간적인 관측자료 확보의 제한으로 연안으로부터 70 km 범위까지 동일한 음속구조를 적용하였는데, 보다 세부적인 이해를 위해서는 공간적인 해양관측자료를 활용한 향후 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.