I. 서 론

수중에서의 음파는 굴절하여 전달되는 특성이 있는데, 이러한 전달 특성을 좌우하는 물성으로 해수의 온도, 염분, 심도가 있으며 이들의 변화 정도에 따라 음파의 굴절양상은 다양하게 나타난다.^[1] 실험식에 따르면 해수 온도의 경우 1 °C 변화 시 4.0 m/s, 염분의 경우 1 psu 변화 시 1.4m/s정도의 변화가 나타나므로^[2] 염분은 음속변화에 미치는 영향이 수온에 비해 작은 변수에 해당되며, 한반도해역의 경우도 염분보다 수온이 음속에 미치는 영향이 지배적인 것으로 알려져 있다.^[3,4] 따라서 한반도 주변 해역의 수중 음속 산출 시 소모성 연직수온측정기(Expandable Bathy Thermograph, XBT)로 수심별 수온을 측정 후 고정된 염분으로 음속을 산출하는 경향이 있다.^[3] 하지만 전 세계적으로 거론되고 있는 기후변화 관련 이슈는 해수의 염분이 음속 산출에 간과할 수 없는 변수로 작용할 가능성을 보여준다. 한반도의 경우 여름철 집중호우 및 태풍의 강도가 점차 증가하는 추세로 전망됨^[5]에 따라 불특정시기에 육지의 담수가 강 하구를 따라 외해로 대량 방류될 가능성이 있다. 한반도와 인접한 동중국해의 경우 연중 유출되는 양쯔강 담수의 영향을 받고 있는데, 7월이 담수의 외해 방류량이 가장 많은 시기로 알려져 있다(Fig. 1).^[6] 이러한 담수는 확산하는 과정에서 해수와의 혼합으로 표층염분(Sea Surface Salinity, SSS)이 30 psu 이하인 양쯔강(장강) 희석수(Yangtze- River Diluted Water, YRDW)의 형태로 제주 근해까지 확장하는^[7,8,9] 특징이 있다 .

Fig. 1.

(Color available online) Histogram of Yangzgte River discharge for monthly climatology.^[6]

다량의 육지 기원 담수가 해수와 충분히 혼합되지 않은 상태로 외해로 확장함에 따른 급격한 염분약층의 형성을 가정한다면 염분은 음파 전달에 간과할 수 없는 변수로 작용할 수 있으므로 YRDW를 통하여 그 특성을 확인할 필요가 있다. 하계절 YRDW가 표층음파통로 형성에 미치는 영향에 대해서는 동 중국해,^[10] 제주 서부해역^[11]을 대상으로 연구된 바 있다. 본 연구는 양쯔강 담수의 외해 방류량이 증가하는 여름철에 염분약층이 동중국해의 음파전달에 영향을 미친 경우에 대하여 음원을 기존 연구^[10,11]보다 깊게 설정하여 연구하였다.

Ⅱ. 자료 및 연구방법

본 연구는 동중국해에서 저염분수가 확장하는 시기를 파악하고 해당 수역에서의 가용한 물성 관측 자료를 선별하기 위하여 인공위성과 해양 무인체계 자료를 복합적으로 활용하였다. 연구에 활용된 인공위성은 미항공우주국(National Aeronautics and Space Ad ministration, NASA)에서 2015년부터 염분 관측 임무를 수행하는 Soil Moisture Active Passive(SMAP)위성^[12,13,14]이며 저염분수의 확장을 관찰하기 위하여 4월 ~ 7월간의 표층 염분의 월평균 자료를 확보하였다(Table 1).

해양 무인체계로는 기상청(Korea Meteorological A dministration, KMA)에서 운용하는 Array for Real-time Geostrophic Oceanography(ARGO) 플로트가 수층별 수온 염분 측정기(Conductivity, Temperature, and Dep th, CTD)를 통하여 수집한 수심별 수온 및 염분자료를 활용하였다. ARGO 플로트는 해류를 따라 이동하며 수심별 수온 및 염분을 수집하는 해양 무인관측기기로 2000년부터 기후변화 모니터링을 위한 국제 ARGO 프로그램의 목적으로 한반도 주변해역을 포함한 전 세계 해양^{[15,16,17,18,19]}에서 운용되고 있다. 본 연구는 기상청 소속 국립기상과학원(National Institute of Meteorological Sciences, NIMS) 주도로 2021년 12월 12일 양쯔강 하구 근해에 투하되어 2022년 7월 31일 한반도 남해 연안 통과 시까지 자료를 수집한 2901808번 플로트를 사용하였다(Fig. 2). 상기 플로트는 최초 투하된 이후 양쯔강 하구 근해에 약 6개월간 체류 후 2022년 6월 1일부터 7월 31일까지 한반도 남해안으로 북동진 이동한 궤적을 고려하여 저염분수에 대한 추적관찰이 가능한 것으로 판단하였다. ARGO 플로트 자료 분석은 SMAP 위성 활용 시기와 동일한 2022년 4월~7월에 수집한 자료를 활용하였다. 연구 방법으로 먼저 SMAP 위성의 4월 ~ 7월 평균 SSS 가시화를 통하여 YRDW에 해당되는 30 psu 이하 저염분수가 동중국해로 확장하는 시기와 범위를 확인 후 동 기간 중 ARGO 플로트 이동궤적의 융합 전시로 YRDW 내부로의 진입 시기를 확인하여 해당기간 동안 수심별 수온․염분의 변동양상을 확인하였다. 그리고 무인체계가 동중국해로 확장하는 YRDW에서 수집한 수온․염분약층의 변동 특성을 관찰하고 염분약층이 뚜렷한 자료를 선별하여 XBT처럼 염분 관측이 제한된 기기를 이용하여 음속을 산출한 경우와 CTD로 염분이 관측된 경우로 구분하여 음선경로를 추적 및 비교하였다. 음선경로 추적은 Bellhop 모델^[20]을 이용하였으며, 음원은 염분과 수온의 수직 변화가 뚜렷한 수온약층의 중간 심도로 설정하였다. 음원 주파수는 능동 소노부이^[21] 운용을 가정하여 임의로 6.5 kHz를 적용하였다. 모델의 구동에 필요한 해수의 음속은 Medwin의 공식^[22]을 사용하였으며, 관측염분(SM)을 적용하여 Eq. (1)로 산출한 C_CTD를, 그리고 동일한 ARGO 플로트 관측 수온을 활용하되 염분은 고정된 값(Sf)을 적용하여 Eq. (2)로 산출한 C_XBT로 구분하였다.

C_XBT에 적용된 Sf은 2022년 4월~7월 2901808번 ARGO 플로트 관측 평균값인 32.5 psu를 적용하였다. SMAP위성 염분의 수평분포와 ARGO 플로트 관측자료의 가시화는 Alfred Wegener Institute에서 개발한 Ocean Data View^[23]를 활용하였다.

Fig. 2.

(Color available online) Trajectories of KMA NIMS ARGO float (Float ID:2901808), blue dots are the trajectories in April ~ July, 2022.

Ⅲ. 분석결과

SMAP위성을 통하여 2022년 4월 ~ 7월간 월평균 SSS 분포를 확인한 결과 30 psu 이하의 YRDW의 분포가 4월 ~ 5월 양쯔강 하구로부터 특이 변화를 보이지 않다가 6월부터 확장을 시작하여 7월에는 제주도까지 확장하는 특징을 나타내었다(Fig. 3). ARGO 플로트의 궤적을 보면 동년 4월 중에는 양쯔강 하구에 인접하여 체류 후 5월부터 YRDW에 편승하여 점차 북쪽으로 이동하는 특성을 보였다. 6월부터 YRDW가 확장하는 북동쪽으로 직진 후 7월에 제주도와 남해 연안으로 빠르게 이동하는 궤적을 보였는데 YRDW가 급속히 확장하였음을 제시한다(Fig. 3). YRDW의 확장은 ARGO 플로트 궤적의 수직 시계열 분포의 6월 ~ 7월 표층에서 10 m 내외의 두께로 나타나는 30 psu 이하의 염분 분포를 통하여 추정할 수 있다[Fig. 4(b)]. 흥미롭게도 위의 기간 중 염분약층이 수온약층에 비해 수직적으로 조밀한 등치선 구조를 나타내었다[Fig. 4(b)]. 저염분수의 확장이 뚜렷하게 나타난 6월 중 양쯔강 하구 인근에서 활동한 ARGO 플로트 자료를 바탕으로 수온 및 염분약층 기울기 변화를 관찰 하였다. 기간 중 ARGO 플로트가 수집한 17개의 관측 자료 중 3개는 자료의 공백이 있어 이들을 제외하고 수온 및 염분약층의 기울기를 산출 후 비교하였다(Fig. 5). 수온 및 염분약층의 기울기는 수온의 수직적 변화가 10 m 이상인 경우^[24]를 기준으로 계산하였다. 그 결과 6월 1일 ~ 16일 동안 염분약층은 0.2 psu/m ~ 0.4 psu/m로 수온약층 기울기의 절대값에 비해 높게 나타났고 6월 18일 이후 수온약층의 기울기가 –0.2 °C/m ~–0.53 °C/m으로 그 절대값이 염분약층 기울기보다 높게 나타났다(Fig. 5). 수온-염분의 수직구조 변화를 비교하기 위해 Fig. 5에서 활용된 14개의 관측자료 중 수심 45 m 이상 깊게 관측한 6건(6월 1일, 6일, 8일, 11일, 15일, 23일)을 다시 선별하여 비교하였다(Fig. 6). 수온을 17 °C ~ 25°C, 염분을 28.5 psu ~ 34 psu로 스케일을 고정하여 수온약층에서의 수직적 변화를 관찰한 결과 6월 1일, 6일, 8일. 11일, 15일의 경우 염분은 변화범위가 3.6 psu ~ 4.8 psu, 수온은 변화범위가 2.9 °C ~ 3.3 °C로 염분이 수온보다 변화량이 크게 나타났다[Fig. 6(a) ~ (e)]. 반면, 6월 23일의 경우 염분 변화는 3.2 psu로 이전에 비해 감소한 반면 수온 변화는 6.2 °C로 염분보다 변화량이 크게 나타났다[Fig. 6(f)]. Fig. 6(a) ~ (e)에서 수온약층이 형성되어있음에도 염분의 수직 변화량이 이처럼 수온보다 크게 나타난 것은, YRDW의 동중국해 확산이 고조됨[Fig. 3(c)]에 따른 것으로 해수의 음속에도 영향을 미칠 수 있는 환경임을 유추할 수 있다. Fig. 6을 통하여 가시화된 수심,수온,염분을 바탕으로 해수의 음속을 C_XBT와 C_CTD로 구분 후 각각 산출하여 비교하였다(Fig. 7). 그 결과 염분약층이 우세한 6월 1일, 6일, 8일, 11일, 15일의 경우 수온약층이 우세한 6월 23일에 비해 C_XBT와 C_CTD 가 서로 상이한 수직구조를 나타냄을 알 수 있다[Fig. 7(a) ~ (e)].

Fig. 3.

(Color available online) Horizontal distribution of monthly averaged SMAP SSS : a) April, b) May, c) June, d) July in 2022, red trajectories on each figure are the locations of 2901808 ARGO float during the observation of SMAP satellite.

Fig. 4.

(Color available online) Time series vertical structure of a) temperature, b) salinity for 2901808 ARGO float (see red trajectories in Fig. 2) in April ~ July 2022. The white blank represents the absence of the data.

Fig. 5.

(Color available online) Time series of the gradient of the thermocline (filled circle with green color) and the gradient of halocline (circle with purple color) as observed by 2901808 ARGO float on June 1 ~ 25, 2022.

Fig. 6.

(Color available online) Vertical profiles of temperature and salinity on a) June 1, b) June 6, c) June 8, d) June 11, e) June 15, f) June 23 in 2022 from 2901808 ARGO float.

Fig. 7.

(Color available online) Vertical profiles of sound speed of C_XBT (green colored line with filled circle)_, C_CTD (purple colored line with circle).

예를 들어 6월 1일, 6일의 경우 수온약층 구간에서 수심이 증가할수록 C_XBT 는 수온구조와 유사하게 감소하는 특성을 보인 반면 C_CTD 는 음속이 감소 후 다시 증가하는 ‘C’모양의 구조가 수온약층에서 나타났다. 6월 8일의 경우 C_XBT 에서는 관찰되지 않은 음속역전이 약하게 나타났으며, 6월 11일의 경우 수온약층에서 약한 수온역전이 형성되었음[Fig. 6(d)]에도 음속역전의 규모가 C_XBT 보다 C_CTD에서 더 크게 나타났다[Fig. 7(c),(d)]. 한편, 수온약층이 우세한 6월 23일의 경우 C_XBT 와 C_CTD 는 수온약층에서의 차이가 염분약층이 우세한 시기보다 적게 나타남을 알 수 있다[Fig. 7(f)]. 각 일자별 △(C_XBT – C_CTD )의 표준편차를 비교해 보면 염분약층이 우세한 시기(염분약층 기울기가 수온약층 기울기의 절대값 보다 높음)가 수온약층이 우세한 시기(수온약층 기울기의 절대값이 염분약층 기울기보다 높음)에 비해 △(C_XBT – C_CTD )의 표준편차가 1.82 m/s 이상으로 높은 점으로 볼 때 염분약층이 우세한 환경에서는 염분이 음속 산출에 간과할 수 없는 변수로 작용할 수 있음을 알 수 있다(Table 2). 즉, YRDW의 영향으로 염분의 수직 변화가 강한 환경에서 해수의 음속을 산출시 관측 염분이 고려되지 않으면 음속의 신뢰성에 의구심이 생길 수 있는 것이다. 표층 저염분 환경에서 음속 산출 시 염분 관측치 적용의 필요성은 여름철 황해 중부해역을 대상으로 한 연구^[18]에서도 제시된 바 있다. 위의 선별된 6개의 일자별 음속을 C_CTD과 C_XBT로 구분하여 수중 음파의 전달 경로를 Bellhop 모델로 모의하였으며, 염분약층이 우세한 환경이 음파 전달에 미치는 영향을 비교하였다. C_XBT 와 C_CTD 의 차이가 수온약층에서 뚜렷한 점을 고려하여 음원은 실험적으로 수온약층의 중간에 해당되는 심도를 적용하였다. 따라서 음원 심도는 6월 1일과 6일은 14 m, 6월 8일은 13 m, 6월 11일은 15 m, 6월 15일은 17 m, 6월 23일은 16 m로 설정하였다. 음선경로 모의 결과 C_XBT 를 기준으로 모의한 경우 모든 날짜에서 음파의 하향 굴절과 해저면 반사가 우세하게 나타났다(Fig. 8). 반면, C_CTD 기준으로 음선경로를 모의한 결과 6월 1일, 6일, 11일의 경우 상하층간 굴절이 우세한 음파통로가 10 m 내외의 두께로 형성되었으며[Fig. 9(a), (b), (d)], 6월 8일, 15일의 경우 C_XBT 를 통하여 모의 된 음선과 달리 완만한 굴절특성을 나타내었다. 흥미로운 점은 제주 인근 해역 연구 결과로 여름철 저염분수에 의한 음파통로 형성의 최소 조건으로 제시된 0.5 psu/m^[25] 보다 적은 염분약층 기울기(Table 2)에서도 음파통로가 형성된 점이다. 반면, 수온약층이 우세한 6월 23일의 경우 모의 된 음선경로가 C_CTD와 C_XBT에서 공통적으로 급격한 하향 굴절에 의한 해저면 반사 특성이 유사한 형태로 나타났다. 즉, 심도별 해수 온도의 변화가 염분보다 우세하게 나타나는 환경일 때 음파 전달 양상은 C_CTD와 C_XBT적용 간 뚜렷한 차이점이 나타나지 않음을 알 수 있다.

Fig. 8.

Result of ray tracing for C_XBT in a) 1 June, b) 6 June, c) 8 June, d) 11 June, e) 15 June, and f) 23 June in 2022 from the 2901808 ARGO float, the source depth is the middle of the thermocline.

Fig. 9.

(Color available online) Result of ray tracing for C_CTD in a) 1 June, b) 6 June, c) 8 June, d) 11 June, e) 15 June, and f) 23 June in 2022 from the 2901808 ARGO float, the source depth is the middle of the thermocline, the blue-colored ray represents the acoustic propagation not presenting the bottom bounce.

IV. 고 찰

여름이 시작되는 시기인 6월 초에 YRDW가 동중국해 중앙부로 확장함에 따라 염분약층이 수온약층보다 우세하게 형성되는 경우 해수의 염분이 음파 전달에 영향을 미치는 변수로 작용함을 알 수 있었다. 여름철 저염분수 확장의 영향에 따른 표층 음파통로 형성^[10,11]이 연구된 바 있지만, 본 연구는 천해에서 강한 염분약층의 영향으로 수온약층에서도 수중 음파통로가 형성될 수 있으며, 음파의 하향굴절도 완만한 형태로 나타날 수 있음을 제시한 점에 의미가 있다. 염분약층의 영향으로 음파통로가 형성되는 사례는 제주 근해^[10,11,25] 이외에도 북태평양 등 대양에서도 연구된 바 있으나,^[26] 본 연구와 같이 담수의 근원인 양쯔강 하구 연안에 근접하여 시행된 것은 드문 사례이다. 해양에서의 음속을 신속하고 손쉽게 파악하기 위하여 XBT가 널리 사용되고 있지만, YRDW 확장으로 동중국해 염분의 수직 변화가 심한 환경에서 음속을 산출시 이의 정확한 산출이 가능한 관측기기의 활용이 중요하다. 예를 들면, 해상에서 기동하면서 수온과 염분을 간편하게 측정할 수 있는 Expendable Conductivity Temperature Depth (XCTD)^[27] 또는 음속측정 기능을 갖춘 Expendable Sound Velocimeter(XSV)^[28]를 활용한다면, 염분의 영향으로 XBT에서 파악하지 못한 음파통로를 식별 할 수 있을 것이다. 또한, YRDW의 접근이 예상되는 위치에 Wirewalker profiler^[29]와 같이 CTD 센서로 실시간 수직 수온·염분 관측이 가능한 이동식 관측부이를 배치한다면 XCTD와 XSV 운용을 지원할 수 있을 것이다.

V. 결 론

동중국해에서 YRDW의 확장이 음파의 전달에 미치는 영향을 알아보기 위해 2022년 4월 ~ 7월 NASA의 SMAP 위성으로부터 수집된 SSS와 해당 기간 중 활동한 기상청 해양 무인체계인 ARGO 플로트의 이동경로와 이때 수집된 수층별 수온 및 염분 자료를 활용하였다. SMAP의 월별 SSS에서 30 psu 미만의 저염분수가 4월, 5월에 양쯔강 하구에 정체 후 6월부터 외해로 확장하여 7월 제주 및 남해 인근 해상으로 진입하였는데 ARGO 플로트의 이동 경로도 2021년 12월부터 약 6개월간 양쯔강 연안에서 체류하다가 6월 ~ 7월동안 확장하는 저염분수를 따라 북동진하면서 제주 및 남해 연안으로 이동한 궤적을 보여주어 YRDW의 영향권에 포함되었음을 유추할 수 있었다. 플로트의 이동궤적은 확보되었으나 수층별 물성 관측이 일부만 이루어지거나 누락된 경우가 발생하여 6월 중 자료가 비교적 온전히 수집된 관측 자료를 대상으로 염분이 음속에 미친 영향을 연구하였다. 그 결과 저염분수의 확장이 시작된 6월 1일 ~ 15일의 경우 염분약층이 수온약층보다 강한 기울기로 형성되었으며, 6월 23일부터 수온약층의 기울기가 염분약층보다 강하게 형성되는 양상을 보였다. 염분약층이 우세한 시기의 경우 수온약층의 중간 심도에 음원을 위치시킨 경우 수중 음파통로가 10 m 내외로 형성되었는데, 염분의 변화를 무시하여 고정된 염분으로 음속을 계산한 경우 이러한 음파통로를 관찰할 수 없었다. 음파의 굴절 양상도 6월 23일을 제외하면 관측 염분과 고정 염분을 적용한 경우가 서로 다르게 나타났다. 본 연구를 통하여 YRDW의 동중국해 확장 시 음파통로가 기존에 알려진 표층뿐만 아니라 염분약층의 기울기에 따라 수온약층에서도 형성될 수 있음을 알 수 있었다. 기존 관측 자료가 부족함에도 불구하고 양쯔강 하구로부터 확산하는 YRDW를 추적하면서 무인체계에 의한 관측이 진행되었기에 유의미한 성과가 도출되었다고 볼 수 있다. 향후, 담수의 대규모 외해 확산으로 염분약층이 급격히 발달하는 환경에서 음파 전달 예측의 정확도 유지를 위한 방안으로 XBT, XCTD, XSV, CTD 관측 기기의 장기간 현장관측을 통하여 음속구조의 차이를 파악하고 음원 주파수별 음파전달 손실이 XBT와 비교시 어떤 차이를 보이는지에 대한 추가적인 연구가 진행될 필요가 있다.