Research Article

The Journal of the Acoustical Society of Korea. May 2021. 183-191
https://doi.org/10.7776/ASK.2021.40.3.183

ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • Ⅱ. 자료 및 연구방법

  • Ⅲ. 관측자료 분석결과

  • IV. 무인체계 관측이 보여준 시사점

  • V. 결 론

I. 서 론

황해는 대부분 100 m 미만의 수심으로, 해저 지형의 경사가 완만하고 중앙부는 수심이 깊은 골의 형태로 이루어져 있으며, 동중국해와 이어져 있는 전형적인 천해지형을 갖고 있다.[1] 물성특성으로 여름에는 수온약층 아래에서 12 °C 이하의 황해 저층냉수가 형성되고[1] 수온약층 아래에서 수중 음파통로가 발달되며[2,3] 겨울철은 차가운 대기의 영향으로 해수의 활발한 수직혼합이 이루어짐에 따라 음파가 전체 수층에 걸쳐서 전달되는 것으로 연구된 바 있다.[3] 또한, 수심에 따라 수온이 감소하지 않고 오히려 증가하는 수온역전 현상[4,5]이 음파전달에 영향을 미치는 것으로 연구된 바 있으나[6,7,8] 연안을 중심으로 국내기관의 해양 및 음향환경 조사가 진행되어온 점을 고려해 볼 때 수심이 깊은 황해 중앙부의 한·중 잠정조치수역에서 음파통로의 형성과 수온역전이 음파전달에 미치는 영향 등에 대한 다양한 연구가 필요한 상태이다. 특히, 사물인터넷(Internet of Things, IoT)기술의 발달로 수중통신의 활용공간이 LTE네트워크와 연계되어 확대되는 추세[9,10] 임을 고려하면 첨단기술에 의한 수중음향환경의 이용 소요와 범위가 점차 증대될 것으로 예상되므로[11] 이를 지원할 수 있도록 관측 자료의 수집 영역을 적극 확대해 나가는 것이 중요하다. 따라서 황해에서의 음속정보 수집에 있어 시공간의 제약을 받지 않고 장기간 일정구역의 모니터링이 가능한 무인체계의 활용 필요성을 국립기상과학원(Array for Real–time Geostrophic Oceanography, ARGO)플로트 관측 자료의 분석을 통하여 모색하였다. ARGO플로트는 해류를 따라 이동하면서 주기적인 상승 및 하강을 반복하는 가운데 수심수온염분기록계(Conductivity Temperature and Depth, CTD)에 의하여 최대 4년까지 심도별 수온과 염분을 측정할 수 있는 무인해양관측체계이다.[12] ARGO플로트는 1997년 ~ 2000년서울대학교에서 실시한 동해 물성관측[13]과 1998년 ~ 2004년 한국해양과학기술원(당시 한국해양연구원)의 동해 해수 순환 연구에 활용[12]되었으며, 2000년부터(World Meteorological Organization, WMO)와 정부간 해양과학위원회(Intergovernmental Oceanographic Commission, IOC)의 국제 공동프로그램으로 시작하여 기후변화 모니터링을 위해 전 세계적으로 운용되고 있다. 국립기상과학원은 2001년부터 ARGO 프로그램에 참여하여[12] 웹사이트를 통하여 자료를 축적해 왔으며, 2017년부터는 황해를 관측해역에 추가하여 자료를 공개하고 있다.

Ⅱ. 자료 및 연구방법

본 연구해역에 투하된 국립기상과학원 ARGO 플로트는 2017년 9월 ~ 2021년 1월을 기준으로 총 12기이며(Fig. 1), 이들 중 하나인 2901797 플로트는(Fig. 1의 붉은색 경로) 관측 기간이 1년 이상인 반면, 나머지 11개의 플로트는(Fig. 1의 회색 경로) 관측기간이 6개월 미만이었다. 이처럼 플로트의 관측기간이 대체로 짧은 것은 장애물 식별능력이 제한된 무인체계의 특성상 통항선박과 충돌하거나 어망 및 해저장애물 등에 의한 유실[14] 때문인 것으로 추정된다. 한편, 비교적 장기간 관측을 수행한 2901797 플로트는 나머지 11개의 플로트들과는 달리 연안으로 근접하거나 다른 해역으로 이동하지 않고 황해 중앙부의 특정구역(Fig. 1의 파란색 점선)에 14개월간 체류하면서 황해에서 활동한 ARGO 플로트 중 224회로 가장 많은 자료를 수집하였다(Table 1). 이는 최초 투하된 이후 장기간 체류에 유리한 방향의 조석과 해수유동의 영향인 것으로 추정된다.

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Fig. 1.

(Color available online) Trajectories of NIMS ARGO floats(Red: more than one-year observation (Float ID: 2901797), gray : less than one-year observation, black triangle: the location of initially deployed ARGO float), black ‘+’ : stations(307 ~ 312line) of KODC cruise observation. A picture on the bottom left: ARGO operating process.[12]

Table 1.

The list of ARGO floats which were deployed in the shallow region around the Korean peninsula during Sep. 2017 ~ Jan. 2021. ():the number of sampling.

Location Float ID Duration of observation number
Center
of the
Yellow
Sea
2901800 12 Nov.2020 ~ 11 Jan.2021 (31)
2901799 12 Nov.2020 ~ 31 Jan.2021 (41)
2901797 11 Nov.2019 ~ 30 Jan.2021 (224)
2901796 10 Nov.2019 ~ 1 Jan.2020 (27)
2901787 13 Nov.2018 ~ 25 Nov.2018 (13)
2901786 13 Nov.2018 ~ 7 Apr.2019 (146)
2901782 27 Jul.2018 ~ 10 Dec.2018 (137)
2901781 27 Jul.2018 ~ 5 Nov.2018 (102)
West of
Jeju
Island
2901767 5 Sep.2017 ~ 16 Nov.2017 (61)
2901766 3 Sep.2017 ~ 7 Sep.2017 (5)
South of
Jeju
Island
2901771 13 Nov.2017 ~ 2 Feb.2018 (82)
2901768 13 Nov.2017 ~ 15 Jan.2018 (64)

2901797플로트 자료수집 경로는 123°E ~ 124.5°E로 국립수산과학원이 1961년부터 조사한 정선해양관측 정점(Fig. 1의 검정색 “+”표시)[15]으로부터 외해로 멀리 이격되어 과거 관측 자료가 드문 황해 중앙부를 대상으로 2일 주기로 관측을 하였으므로 시기별 변동 특성파악이 가능한 것으로 판단하여 본 연구의 분석에 활용하였다. 2901797 플로트의 관측자료는 국립기상과학원 ARGO웹사이트[16]를 통하여 확보하였으며, 자료의 신뢰성을 높이기 위하여 의심되는 자료(실제 해저수심이 70 m ~ 90 m임에도 불구하고 최대 관측 수심이 60 m 미만이거나 수온의 수심별 변동 폭이 비정상적으로 높은 자료)는 제거하였다.

음속은 수집된 심도(D)별 수온(T) 및 염분(S)을 Medwin(1975)의 공식인 Eq. (1)[17]에 적용하여 계산한 값(C)을 적용하였다.

(1)
C=1449.2+4.6T-0.055T2+0.00029T3+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D.

이를 바탕으로 심도별 수온, 염분, 음속의 시간대별 분포를 표출하여 등음속층과 음파통로의 형성 환경을 파악하였다. 표층음파통로(Surface Sound Channel, SSC)는 최대음속(Cmax)을 갖는 표층으로부터 깊이(ZCmax)로 산출하였으며[18](Fig. 2a), 수중음파통로(Underwater Sound Channel, USC)는 수온약층과 저층 등온층 사이에서 최소음속(Cmin)이 형성될 때 저층(H)과 동일한 음속(CH)을 갖는 상부 심도(ZCH)로부터 저층(H)까지의 두께[19]로 산출하였다(Fig. 2b). 천해 USC의 형성과 관련하여 제주인근해역을 대상으로 수직수온과 음속구조를 통하여 연구된 바 있다.[2]

수온역전은 2015년 4월 제주 서북방해역 연구에 적용된 기준[20]을 참고하여 식별하였다[10 m 심도 변화를 기준으로 할 때 해저면 방향으로 0.1 °C 이상의 수온 상승(T)이 나타나는 경우로 식별하고, 역전층(Z)은 10 m 이상의 두께를 기준으로 함(Fig. 3)]. 그리고 수온역전 강도는 T/Z 를 10 m 두께 기준으로 산출(°C/10 m)하고 , 상부 수온 역전 수심은 Z0(m)로 적용하였다(Fig. 3).

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Fig. 2.

Schematic diagram of the sound channel[18,19] in the shallow water region: a) Surface sound channel (SSC) is presented in the surface, and b)Underwater sound channel (USC) is shown below the surface.

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Fig. 3.

The schematic diagram which shows temperature inversion effect based on Reference [20]. △Z is the temperature inversion layer and Z0 is upper boundary depth.

또한, 음파통로가 형성된 가운데 수온역전이 음파전달에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Bellhop모델[21]을 이용하여 음선경로 추적을 모의하였다.

Ⅲ. 관측자료 분석결과

Fig. 4는 심도별 수온, 염분, 음속의 시계열 변화를 나타내며 일부 의심되는 자료를 제거하여 실제 관측기간(Table 1) 보다 줄어든 2019년 12월 17일부터 표출하였다. 또한 2020년 10월 14일 ~ 12월 11일 간 표층에서부터 실제 해저 수심(Fig. 1의 등치선)에 못 미친 33 m ~ 59 m까지만 자료가 표출됨에 따라 자료의 신뢰성 제고를 위하여 이들을 제거하였다(Fig. 4). 따라서 2019년 12월 17일부터 2020년 10월 13일까지 약 10개월간 수집된 자료로 한정하여 관찰해 보면 동계 수직 등수온 구조[3]가 12월 ~ 4월에 10 °C ~ 12 °C 범위에서 거의 전 층에서 나타난 뒤 5월 ~ 10월에는 수온약층 아래부터 저층까지 10.5 °C ~ 11.5 °C의 등수온 구조가 형성됨을 알 수 있었다(Fig. 4a). 이처럼 수온약층 아래에 형성된 냉수가 동계 차가운 표층해수와 연관이 있음을 염분의 구조를 통하여 알 수 있는데, 이것이 하계 황해저층 냉수와 연관성을 보이는 것은 11.5 °C 등온선 및 32.6 psu 등염분선의 시간대별 하향 분포로 추정할 수 있다(Fig. 4b). 즉, 동계 해수가 차가운 대기와 바람에 의한 활발한 수직혼합이 진행되면서 높은 염분특성을 유지하다가 수온약층 형성에 따라 침강 및 확장하면서 황해저층냉수의 근원이 되었음[20,22]을 유추할 수 있다.

음속의 시계열 변화를 보면 수온 변화(Fig. 4a) 와 유사한 형태로 나타나며, 12월 ~ 4월 수직 등수온 구조가 거의 전 층에 걸쳐 지속되는 동안 표층음파 통로(SSC)가 우세한 환경을, 수온약층이 형성되어 있는 5월 ~ 10월 동안 저층 등수온 구조로 수중음파통로(USC) 가 형성되기 좋은 환경임을 알 수 있다. 한편, 5월부터 표층수온이 높아지면서 수온약층이 증가 함에 따라 음파전달에 영향을 미칠 수 있는 계절적 변화의 특성[23]을 보여준다(Fig. 4c).

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Fig. 4.

(Color available online) Time series vertical structure of a) temperature, b) salinity, and c) sound speed in 2901797 ARGO float (see red trajectory on Fig. 1). The white blank represents no data due to manual quality control.

Fig. 5는 수온(Fig. 4a)과 음속(Fig. 4c)구조를 바탕으로 SSC와 USC의 규모 변화를 시계열로 정량화 하고 수온역전 의 두께를 표시한 것이다. SSC의 경우 2019년 12월 말 ~ 2020년 3월 중순까지 60 m 이상을 유지하여 우세한 경향을 나타내었으며, 3월 ~ 4월 중 증가와 감소를 거듭 후 소멸되는 특성을 보였다.

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Fig. 5.

(Color available online) Time series layer thickness of SSC (black dot), USC (blue ‘+’mark). The red triangle represents the thickness of the temperature inversion.

USC는 4월부터 SSC와 함께 형성되어 분석 종료시점인 10월까지 지속하였으며, 8월 31일 최대 51 m의 두께를 형성하였다. 수온역전은 기간 중 총 6회 식별되었는데 흥미롭게도 춘계에 해당되는 3월 ~ 4월에 10 m ~ 44 m두께의 범위로 총 3차례 식별되었다(Fig. 5). 이처럼 3월 ~ 4월에 집중된 수온역전은 다른 시기에 비해 상부 수온역전 수심이 27 m 이내로 비교적 해수면에 가깝게 형성되고 4월 13일의 경우 수온역전 강도가 0.98 °C/10 m로 높게 나타나기도 하였다(Table 2). 수온역전이 춘계에 빈번하고 강하게 나타나는 것은 차가운 한국연안수와 따뜻한 제주 난류수가 만나면서 발생하는 것으로 연구[5,20,24]된 바 있으나 황해중앙부의 경우 지속기간이 2일 이내로 기존연구[5]보다 짧은 기간 동안 여러 차례 형성된 것은 추가적인 연구가 필요한 부분이다.

Table 2.

The feature of the temperature inversion in the center of the Yellow Sea(See red “▲” in Fig. 5).

Date Layer thickness
(m)
Inversion intensity
(°C/10 m)
Upper boundary depth
(m)
31 Dec.2019 27 0.25 49
12 Mar.2020 44 0.12 27
5 Apr.2020 27 0.2 21
13 Apr.2020 10 0.98 22
24 Jun.2020 10 0.19 48
17 Aug.2020 14 0.38 33

수온역전은 하계에도 2차례 발생하였는데 두께가 10 m ~ 14 m 수준이고 상부 수온역전 수심이 수온약층 아래에 형성되는 특성을 보였다(Table 2). Fig. 6은 수온역전이 발생한 시기의 수직 수온 및 음속구조의 변화를 4월과 8월 기준으로 비교한 것이다. 4월 5일 ~ 15일(10일)간의 수직 수온 및 음속 변화를 관찰하면 수온역전‒전 층 등수온 구조‒수온역전‒수온약층구조의 순서로 나타남을 알 수 있다.

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Fig. 6.

(Color available online) Vertical profiles of a,c) temperature and b,d) sound speed in a, b)April and c, d) August in 2020.

수직음속구조를 보면 SSC가 수온역전층의 영향을 받아 감소되며, 이후 수온약층에 의한 부음속경사가 형성됨에 따라 소멸됨을 알 수 있다(Fig. 6a,b).따라서 SSC의 변화가 적은 동계에 비해 춘계 음파전달 예측의 불확실성이 높음을 유추 할 수 있다. 8월의 경우 수온역전이 8월 17일 형성되었는데 그전·후 수직수온구조인 8월 15일, 19일과 비교해 볼 때 수온약층 하단에서 수온이 감소하였는데(Fig. 6c,d), 이와 관련하여 하계에 서로 다른 성질의 수괴가 중층에서 만나는 과정에서 수온역전이 형성되는 것으로 연구[4,20]된 점을 고려하면 중층 냉수대의 유입에 따른 영향으로 추정된다. Figs. 7,8,9는 Bellhop 음파모델[21]을 이용하여 15kHz 음원에 대한 음선경로추적을 모의한 결과로 Fig. 6의 수직음속구조를 적용한 것이다. 4월 5일 ~ 13일의 경우 해저면 반사를 제외한 음선(파란색 선)이 아래에서 상향 굴절하여 해수면에 도달하는데 수온역전 발생시 해수면과 가까운 역전층에서 굴절함에 따라 해수면 반사 빈도가 수온역전 미형성시보다 높음을 알 수 있다(Fig. 7a-c).

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Fig. 7.

(Color available online) Result of ray tracing for sound speed profile in a) 5 April, b) 9 April, c) 13 April, and d) 15 April in 2020 for the source depth at 3 m. The cyan-colored shading box in the profile shows the layer of temperature inversion. The blue-colored ray represents acoustic propagation except for the bottom bounce.

특히 수온역전강도가 높은 4월 13일의 경우 4월 5일 수온역전 때보다 해수면 반사의 빈도가 더 높게 나타났는데, 바람에 의한 불량한 해상 상태에서 음파가 전달될 경우 해수면 반사손실[23]의 영향을 많이 받을 가능성이 있다.역전층이 없는 4월 15일은 SSC가 소멸되고 수온약층이 형성되어 수심 3 m음원을 유지시 다수의 음선이 해수면과 해저면 반사를 통하여 전달되어 해상상태에 따라 음파의 전달이 급격히 감소할 수 있음을 알 수 있다(Fig. 7d). 한편, 4월 13일 수온역전층 아래인 55 m에 음원을 둘 경우 음파가 해수면에서 반사되기보다 하부 역전층에서 굴절하여 전파됨을 알 수 있다(Fig. 8a). 이는 중층이 표층과 저층보다 수온이 높은 “>” 형태의 수온역전층 아래에서 저층까지 형성된 등수온구조가 USC를 형성하기 때문인 것으로 판단된다(Fig. 8a). SSC가 소멸된 4월 15일의 경우 음원을 4월 13일과 동일한 수심인 55 m로 유지시켰을 때 그 위로 수온약층이 발달함에 따라 ZCH(Fig. 2b)가 형성되어 USC를 통하여 굴절 전파되는 음선을 확인할 수 있다(Fig. 8b).

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Fig. 8.

(Color available online) Result of ray tracing for sound speed profile in a) 13April, and b) 15April in 2020 for the source depth at 55 m.

Fig. 9는 8월 17, 19일의 음속에 대한음선경로를 추적한 결과이다. 수온역전층이 형성된 8월 17일 음원을 3 m로 설정 할 경우 수온약층의 영향으로 하향 굴절함에 따라 해저 및 해수면 반사가 지배적이었다. 음원을 수온약층 하단인 33 m에 위치시킨 경우 음선의 대다수가 수온역전층에서 상향굴절하여 전파되었으며, 수온역전층 아래인 55 m에 음원을 위치시킨 경우 수온역전의 영향을 거의 받지 않고 음파가 USC를 통하여 전파되었다. 한편, 수온역전이 없는 8월 19일에 음원을 수온약층 하단인 35 m에 위치시킨 경우 역전층이 형성되어있을 때보다 음파의 상향굴절이 더 깊은 수심에서 이루어짐을 알 수 있다(Fig. 9).

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Fig. 9.

(Color available online) Result of ray tracing for sound speed profile in a-c) 17August and d) 19August 2020. The source depth : a)3 m, b) 33 m, c) 55 m, d) 35 m. The cyan-colored shading in the profile shows the layer of temperature inversion. The blue-colored ray represents acoustic propagation except for the bottom bounce.

IV. 무인체계 관측이 보여준 시사점

본 연구는 해류와 선박 통항의 영향을 많이 받는 황해 중앙부에서 ARGO플로트를 이용하여 약 10개월 간 SSC와 USC의 시계열 변화와 수온역전 발생 시기를 성공적으로 관찰하였다. 이러한 성과는 국립기상과학원이 무인체계의 유실가능성을 감내하고 황해 중앙부에서 주기적으로 ARGO 플로트를 투하한 노력의 결과이기도하다. 비록 실제 활동한 14개월 동안의 관측 자료를 모두 활용하지는 못했지만 천해에서 무인체계를 운용함에 있어 주변 환경요소에 의한 제약이 잠재적으로 극복 될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 전시된 시간대별 관측 결과는 목표위치의 수직음속에 대한 장기 모니터링이 필요하고, 다양한 형태의 무인플랫폼에 의해서 실현될 수 있음을 시사한다. 예를 들면, 수중글라이더의 경우 ARGO 플로트와 마찬가지로 심도별 수온 및 염분을 수집하지만 측면에 부착된 날개를 이용하여 활강하면서 자세 제어에 의해 조향[25]하므로 위치를 유지 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 파력을 이용하여 수직 프로파일링 관측을 수행하는 Wirewalker profiler의 경우 적은 비용으로 목표 해점 계류상태에서 하루120회의 수온 및 염분을 10개월 동안 실시간 관측한 바[26,27]가 있으므로 여러 위치에 설치하여 운용시 수온역전 및 음파통로의 규모와 지속되는 시간을 정확히 파악할 수 있을 것으로 예상된다. 음파전달손실 예측시 해상상태에 관한 정보는 수온역전에 의한 해수면 반사손실 판단에 중요한 자료이므로 황해중앙부에 관측부이 설치를 통하여 활용 할 수 있으며, 저비용으로 수집위치를 다변화하여 해상상태와 황해의 복잡한 해상교통에 따른 배경소음[28]을 수집하고자 한다면 파력으로 이동하면서 장기간 활용이 가능한 Wave glider[29,30]를 운용하는 방법도 있다. 따라서 위의 무인플랫폼을 적극 활용하여 과거 관측자료가 부족했던 황해중앙부에서의 수중 및 해수면정보를 실시간 수집 및 활용한다면 음파전달손실 예측이 용이할 것으로 기대된다(Fig. 10).

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Fig. 10.

Example of using unmanned instrument for prediction of acoustic propagation in the center of the Yellow Sea.

V. 결 론

국립기상과학원 무인해양관측기기인 ARGO플로트가 2019년 11월부터 2021년 1월까지 황해 중앙부를 대상으로 2일 주기로 수집한 수온·염분 중 신뢰성을 보장 할 수 있는 2019년 12월 ~ 2020년 10월의 자료로 정리 후 수직음속을 산출하였다. 그 결과 SSC가 12월 ~ 3월 60 m 이상으로 우세하게 형성되었고, 3월 ~ 4월에 감소와 증가를 반복 후에 축소되는 특성을 확인할 수 있었다. 그리고 4월 중순 부터 수온약층이 형성되는 동안 그 아래에 USC가 형성되어 가을철까지 지속됨을 알 수 있었다. 전체 관측 기간 중 수온역전이 형성 되었는데, 총 6회 중 3회의 수온역전이 3월 ~ 4월에 발생하였고 기간 중 음선추적 모의 결과 음원이 역전층 위에 있는 경우 음파가 수온역전층에서 상향굴절 함에 따라 SSC가 두껍게 형성된 경우보다 해수면 반사가 증가하여 음파전달손실에 영향을 미치는 것으로 판단하였다. 8월의 경우 수온약층 아래에서 수온역전이 발생하여 음파의 상향굴절이 있었으나 음원이 수온약층 하단에 위치한 경우에 주로 발생하였고 음원을 수온역전층 아래에 위치 할 경우 음파는 USC를 따라 굴절하여 전파하는 양상을 보였다. 과거자료가 부족한 황해중앙부를 대상으로 ARGO 플로트가 10개월간 2일 주기로 수온 및 염분을 수집한 것은 무인체계에 의한 장기간 모니터링이 가능함을 보여준 좋은 사례이다. 향후 저비용의 원격이동 또는 고정형 무인플랫폼으로 다양한 위치에서 수중·수상 모니터링을 동시에 실시한다면 본 연구에서 규명하지 못한 수온역전의 지속시간과 공간규모를 판단하고 음파전달 예측시 수온역전 유형 별 굴절·반사모드 및 간섭양상[2]에 대한 깊이 있고 세밀한 분석이 가능할 것으로 기대된다.

Acknowledgements

본 연구는 인터넷상에 공개된 국립기상과학원의 ARGO 플로트 관측자료를 바탕으로 개인적으로 수행되었다.

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