[논문]2011년 동일본 지진해일의 한반도 전파 수치해석

배재석; 조영준; 권석재; 윤성범

doi:10.9765/kscoe.2012.24.1.066

2011년 동일본 지진해일의 한반도 전파 수치해석
Numerical Analyses of 2011 East Japan Tsunami Propagation towards Korean Peninsula 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.24 no.1, 2012년, pp.66 - 76

배재석 (한양대학교 대학원 건설환경공학과) , 조영준 (한양대학교 대학원 건설환경공학과) , 권석재 (국립해양조사원) , 윤성범 (한양대학교 건설환경공학과)

초록
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본 연구에서는 한국 남쪽 해역의 해저지형이 2011년 동일본 지진해일의 우리나라 남해안으로의 전파에 미치는 영향을 분산보정 유한차분 모형을 이용한 수치해석을 통해 분석하였다. 본 연구를 통해 일본 남해 해구, 유구 열도 및 동중국해의 볼록지형 등 파원역으로부터 한반도에 이르는 해저지형이 한반도 남해안을 따른 지진 해일고저감에 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있었다. 그러한 해저지형에서 지진해일의 변형에 관련된 메카니즘에 대해 자세히 기술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of bathymetry near the south sea area of Korea on the propagation of 2011 East Japan Tsunami is analyzed based on the numerical simulation using the finite difference dispersion-correction model. It is found that the bathymetry from the source to Korean Peninsula, such as Nankai Trough, Ryukyu Islands and the topographical lens in the East China Sea, plays an important role to reduce the tsunami height along the south coast of Korea. The mechanism involved in the transformation of tsunamis over those topographies is discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

김 등(2008)은 오키나와 트러프에서 발생할 가능성이 있는 잠재 지진해일에 대해 수치모의를 실시하고 한국의 남해안으로 전파하는 지진해일의 전파특성을 분석하여 해저지형의 영향을 밝힌 바 있다. 본 연구에서는 2011년 동일본 해역에서 발생한 지진해일이 우리나라 남해안으로 전파하는 과정에서 해저지형의 영향을 구체적으로 파악하고자 한다.
(2008)은 이 수치모형을 이용하여 우리나라 동해안에 내습했던 1964년, 1983년 및 1993년의 지진해일을 수치모의하고 동해의 복잡한 수심분포에 의한 지진해일의 전파변형 특성을 분석한 바 있다. 본 연구에서도 동일한 수치모형을 이용하여 2011년 동일본해역에서 발생한 지진해일이 우리나라 남해안으로 전파하는 과정을수치모의하여이 지진해일의 전파과정에 미치는 해저지형의 영향을 파악하고자 하였다.
앞에서 살펴본 바와 같이 우리나라 남해안에서 2011년 동일본 지진해일에 의한 지진해일고는 0.1~0.3 m로 파원역에서의 지진해일 규모에 비해 매우 작은 것으로 나타난 바, 지진해일이 파원역으로부터 우리나라 남해안으로 전파되는 과정에서 겪게 되는 반사, 굴절 및 회절 등 여러 가지 물리현상에 대한 분석을 통해 그 원인을 밝히고자 한다. 지진해일이 해안선에 평행하게 발달된 해구를 따라 먼 거리를 전파해 갈 때 지진해일은 해구와 직각방향으로 지속적으로 굴절되어 해안 쪽과 외해쪽으로 에너지를 잃게 된다.

가설 설정

본 연구에서는 우리나라가 파원으로부터 멀리 떨어져 있어 초기파형의 자세한 형상에 민감하지 않다는 가정 하에 Table 1에 제시된 단순한 단층 매개변수와 Mansinha and Smylie(1971)의 해석해를 이용하여 지진해일 초기수면형상을 재현하였다. Fig.

제안 방법

이에 윤(1999) 및 Yoon(2002)은 Imamura et al.(1988)의 천수방정식을 사용하는 유한차분모형을 개선하여 균일격자상에서 분산을 고려할 수 있는 유한차분모형을 개발하였다. 이완변수심상 분산보정 유한차분 수치기법은 수치해석시 실제 격자상의 격자간격을 사용하지 않고 수치분산이 물리적인 분산을 대신하기 위한 가상의 격자간격을 사용하고, 천수방정식의 선유량과 수면변위를 가상 격자점에서의 값으로 환산하기 위해 3차 보간을 수행한다.
해구-육붕 시스템의 경우와 같이 영역의 상하단부에 각각 폭 50 km의 흡수층을 설치하여 진행파의 반사를 제어하였다. 2 m 높이의 Gauss 분포를 가지는 초기고립파를 영역의 아래 부분인 y = 120 km를 따라 부과하여 놓아줌으로써 높이 1m의 고립파가 영역 내부(+y방향)로 입사되도록 하였으며, 영역 하단부로 입사된 고립파는 흡수층에서 소멸되도록 하였다. 이러한 원추형 섬을 통과하는 장파는 Fig.
2011년 3월 11일 일본 동북 해역에서 발생한 지진해일을 수치모의하여 우리나라 해안으로 전파하는 과정을 파악하고, 주된 에너지 전달 메카니즘을 분석하였다. 우리나라로 전파되는 지진해일은 일본 남부의 트렌치를 따라 전파되면서 에너지가 전파방향과 직각방향으로 지속적으로 누출되고, 류큐열도를 통과하면서 반사, 포획 및 회절의 복합작용으로 추가적으로 에너지를 잃은 다음, 다시 동중국해의 지형렌즈로 인해 중국의 상하이 방향으로 에너지가 집중되어 우리나라로의 지진해일 에너지는 크게 약해짐을 알 수 있었다.
Fig. 21에 보인 바와 같이 해안선을 따라 최소수심 200 m가 유지되도록 섬의 형상을 정함으로써 이동경계가 불필요하도록 하였다. 수치계산량을 줄이기 위해 일련의 섬들 중 하나만을 선택하여 영역을 정하고, 측면 경계에 반사조건을 부여하여 수치계산을 수행하였다.
계산격자의 크기는 동서방향 격자경도간격(∆Ψ)을 1 min으로 정하고 격자위도간격(∆φ = cosφ∆Ψ)은 격자망이 국부적으로 정사각형이 되도록 보정하여 사용하였다.
마산항에는 국립해양조원에서 설치한 검조소가 위치하고 있다. 본 연구에서는 수치모의 결과와 지진해일 발생 당시의 검조기록 비교를 위하여 Fig. 8에 제시된 바와 같이 계산된 수면변위의 기록저장을 위한 관측지점을 검조소 위치에 설정하였다.
21에 보인 바와 같이 해안선을 따라 최소수심 200 m가 유지되도록 섬의 형상을 정함으로써 이동경계가 불필요하도록 하였다. 수치계산량을 줄이기 위해 일련의 섬들 중 하나만을 선택하여 영역을 정하고, 측면 경계에 반사조건을 부여하여 수치계산을 수행하였다. 해구-육붕 시스템의 경우와 같이 영역의 상하단부에 각각 폭 50 km의 흡수층을 설치하여 진행파의 반사를 제어하였다.
해안을 따라 폭 50 km의 흡수층을 설치하여 해안에서의 마찰에 의한 에너지 손실을 고려하였다. 영역의 상하단부에 각각 흡수층을 추가로 설치하여 진행파의 반사를 제어하였다. 2 m 높이의 Gauss 분포를 가지는 초기 고립파를 영역의 아래 부분인 y = 120 km를 따라 부과하여 놓아줌으로써 2개의 진행파로 분리되어 각각 높이 1 m의 고립파가 영역 내부(+y방향)와 외부(-y방향)로 해안 및 해구와 평행하게 진행하도록 하였으며, 영역 하단부로 입사된 고립파는 흡수층에서 에너지를 잃고 소멸하게 된다.
이러한 현상을 파악하기 위해 Fig. 17과 같은 해구-육붕 시스템에서 단일 파봉의 지진해일 전파과정을 수치모의 하였다. 외해 쪽 수심은 2 km, 육붕의 천해 수심은 0.
수치계산량을 줄이기 위해 일련의 섬들 중 하나만을 선택하여 영역을 정하고, 측면 경계에 반사조건을 부여하여 수치계산을 수행하였다. 해구-육붕 시스템의 경우와 같이 영역의 상하단부에 각각 폭 50 km의 흡수층을 설치하여 진행파의 반사를 제어하였다. 2 m 높이의 Gauss 분포를 가지는 초기고립파를 영역의 아래 부분인 y = 120 km를 따라 부과하여 놓아줌으로써 높이 1m의 고립파가 영역 내부(+y방향)로 입사되도록 하였으며, 영역 하단부로 입사된 고립파는 흡수층에서 소멸되도록 하였다.
2 km이며, 수심 3 km의 해구가 그 사이에 놓여 있다. 해안을 따라 폭 50 km의 흡수층을 설치하여 해안에서의 마찰에 의한 에너지 손실을 고려하였다. 영역의 상하단부에 각각 흡수층을 추가로 설치하여 진행파의 반사를 제어하였다.

대상 데이터

2011년 3월 11일 14시 46분 (한국, 일본 표준시) 일본 동북부 해안에서 발생한 규모 9.0의 해저지진으로 인해 발생한 지진해일로 일본 경찰청 집계 15,850명의 사망 및 3,283명의 실종자 그리고 6,011명의 부상자가 속출하였다. 이 지진해일을 유발한 지진은 계기지진 역사상 4번째로 큰 규모로 기록되었다.
26. Topographical lens located in East China Sea.

이론/모형

이를 해결하기 위해 Lim et al.(2007)에 의해 제안된 동시 격자접속기법을 적용하였다. 수치모형에 대한 자세한 사항은 Yoon et al.
관심 영역인 남해 마산항 근해역에 대해서는 Lim et al.(2007)이 제안한 동시격자접속기법을 적용하여 격자 분해능을 유지하였다. Table 2는 동일본 지진해일 전파 수치모의에 적용된 격자정보 및 계산조건을 보여주고 있다.
한편, 대양을 전파해 오는 지진해일은 물리적인 분산효과가 매우 중요하게 작용하지만, 수심이 작은 해안 근처에서는 분산효과보다 상대적으로 비선형 효과와 바닥 마찰이 지배적으로 작용한다. 그러므로 수심이 얕고 복잡한 해안구조물이 존재하는 영역에서는 비선형 및 바닥마찰을 고려할 수 있는 식으로 2차원 비선형 천수방정식(NSWE, Nonlinear Shallow Water Equation)을 사용한다.
대양을 전파하는 지진해일의 수치모의를 위해 지배방정식은 2차원선형 Boussinesq형 파동방정식(LBTWE, Linear Boussinesq Type Wave Equation)을 사용하였다. 이 식은 완변수심 조건하에서 유도되었으며 분산항을 포함하고 있다.

성능/효과

2004년 인도네시아 서쪽 해구에서 발생한 수마트라 지진해일 당시 서쪽 방향으로 전파되던 지진해일이 수많은 산호초 섬들로 구성된 몰다이브 제도를 통과하면서 약화되어 아프리카 동쪽 해안에서 지진해일고가 크게 감소된 예를 통해 열도나 제도가 지진해일의 전파과정에 있어서 중요한 역할을 하고 있음을 확인한 바 있다. 태평양 상에서 발생한 지진해일은 우리나라 방향으로 전파되면서 필연적으로 류큐 열도를 통과하게 되는데, 일렬로 늘어선 오키나와 섬을 포함한 수많은 섬들을 지진해일이 지나오면서 상당 부분의 파 에너지가 다시 태평양 쪽으로 반사되고, 섬의 경사면에 포획되어 동중국해로 진입한 지진해일이 크게 약화될 것이다.
우리나라로 전파되는 지진해일은 일본 남부의 트렌치를 따라 전파되면서 에너지가 전파방향과 직각방향으로 지속적으로 누출되고, 류큐열도를 통과하면서 반사, 포획 및 회절의 복합작용으로 추가적으로 에너지를 잃은 다음, 다시 동중국해의 지형렌즈로 인해 중국의 상하이 방향으로 에너지가 집중되어 우리나라로의 지진해일 에너지는 크게 약해짐을 알 수 있었다. 또한 북쪽으로 전파된 해일은 동해를 건너 전파되어 쓰시마 부근에서 남쪽을 돌아 전파된 해일과 만나는 현상도 확인되었다.
영역 내부로 진입한 높이 1m의 고립파가 우리가 원하는 지진해일인 바, Fig. 18의 왼쪽 그림에 보인 바와 같이 지속적인 굴절로 해일의 진행방향과 직각방향으로 에너지가 누출되어 진행거리에 비례하여 해일고가 감소하는 현상이 잘 재현되었다.
2011년 3월 11일 일본 동북 해역에서 발생한 지진해일을 수치모의하여 우리나라 해안으로 전파하는 과정을 파악하고, 주된 에너지 전달 메카니즘을 분석하였다. 우리나라로 전파되는 지진해일은 일본 남부의 트렌치를 따라 전파되면서 에너지가 전파방향과 직각방향으로 지속적으로 누출되고, 류큐열도를 통과하면서 반사, 포획 및 회절의 복합작용으로 추가적으로 에너지를 잃은 다음, 다시 동중국해의 지형렌즈로 인해 중국의 상하이 방향으로 에너지가 집중되어 우리나라로의 지진해일 에너지는 크게 약해짐을 알 수 있었다. 또한 북쪽으로 전파된 해일은 동해를 건너 전파되어 쓰시마 부근에서 남쪽을 돌아 전파된 해일과 만나는 현상도 확인되었다.
2 m 높이의 Gauss 분포를 가지는 초기고립파를 영역의 아래 부분인 y = 120 km를 따라 부과하여 놓아줌으로써 높이 1m의 고립파가 영역 내부(+y방향)로 입사되도록 하였으며, 영역 하단부로 입사된 고립파는 흡수층에서 소멸되도록 하였다. 이러한 원추형 섬을 통과하는 장파는 Fig. 22에 보인 바와 같이 섬의 해안에서 일부는 반사되고, 일부는 경사면 상에서 굴절되어 해안선을 따라 섬 주위를 맴돌아 진행하면서 섬을 빠져나가지 못하고 경사면 상에서 포획되며, 섬의 양쪽 측면부의 깊은 수심을 통과한 파는 회절되어 지진해일파의 선단부는 에너지를 지속적으로 잃고 약화되는 현상이 잘 재현되었다. Fig.

후속연구

본 연구에서는 파원역의 초기 파형을 구하기 위해 단순한 단층모형을 적용하여 우리나라 각 해안 지역에서의 지진해일고 관측치와 정량적인 비교를 하기에는 무리가 있으나, 향후 미국해양대기국(NOAA)에서 설치한 태평양 상의 DART 부이와 일본의 각 연구소에서 설치·운영하는 연안 GPS 파고계에서 관측한 지진해일 수면변위 자료를 이용하여 초기파형을 역추적하는 연구가 완성되면 좀 더 정밀한 수치모의와 함께 국립해양조사원에서 관측한 조위자료로부터 추출한 지진해일 수면자료와의 정량적인 비교연구도 가능할 것이다.
2004년 인도네시아 서쪽 해구에서 발생한 수마트라 지진해일 당시 서쪽 방향으로 전파되던 지진해일이 수많은 산호초 섬들로 구성된 몰다이브 제도를 통과하면서 약화되어 아프리카 동쪽 해안에서 지진해일고가 크게 감소된 예를 통해 열도나 제도가 지진해일의 전파과정에 있어서 중요한 역할을 하고 있음을 확인한 바 있다. 태평양 상에서 발생한 지진해일은 우리나라 방향으로 전파되면서 필연적으로 류큐 열도를 통과하게 되는데, 일렬로 늘어선 오키나와 섬을 포함한 수많은 섬들을 지진해일이 지나오면서 상당 부분의 파 에너지가 다시 태평양 쪽으로 반사되고, 섬의 경사면에 포획되어 동중국해로 진입한 지진해일이 크게 약화될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일본 동북부 해안에서 발생한 규모 9.0의 해저지진으로 인해 발생한 지진해일에 따른 피해는?	2011년 3월 11일 14시 46분 (한국, 일본 표준시) 일본 동북부 해안에서 발생한 규모 9.0의 해저지진으로 인해 발생한 지진해일로 일본 경찰청 집계 15,850명의 사망 및 3,283명의 실종자 그리고 6,011명의 부상자가 속출하였다. 이 지진해일을 유발한 지진은 계기지진 역사상 4번째로 큰 규모로 기록되었다.
	일본 동북부 해안에서 발생한 규모 9.0의 해저지진은 언제 발생하였는가?	2011년 3월 11일 14시 46분 (한국, 일본 표준시) 일본 동북부 해안에서 발생한 규모 9.0의 해저지진으로 인해 발생한 지진해일로 일본 경찰청 집계 15,850명의 사망 및 3,283명의 실종자 그리고 6,011명의 부상자가 속출하였다.
	일본 동북부 해안에서 발생한 규모 9.0의 해저지진은 계기지진 역사상 어떠한 의의를 가지는가?	0의 해저지진으로 인해 발생한 지진해일로 일본 경찰청 집계 15,850명의 사망 및 3,283명의 실종자 그리고 6,011명의 부상자가 속출하였다. 이 지진해일을 유발한 지진은 계기지진 역사상 4번째로 큰 규모로 기록되었다. 이렇게 큰 규모의 지진임에도 불구하고 지진으로 희생된 인명은 거의 없고 지진해일로 인한 희생자가 대부분이었다는 사실은 지진해일의 위험성을 다시 한 번 실감하게 한다.

참고문헌 (18)

김종학, 최원학, 배재석, 윤성범 (2008). 오키나와 트러프 잠재 지진해일 전파특성. 한국해안.해양공학회논문집, 한국해안.해양공학회, 20(3), 268-276.
윤성범 (1999). 완변수심상 지진해일 전파 2차원 유한차분모형의 분산보정. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 19(II-6), 695-703.
윤성범, 배재석, 임채호 (2011). 일본 동북 지방 태평양 지진해일의 한국 남해안 전파 특성. 한국해양과학기술협의회 공동학술대회 특별세션 논문집, pp. 48-52.
윤성범, 임채호, 배재석 (2006). 완변수심 지진해일 전파를 위 한 능동적 분산보정 유한차분모형. 한국해안.해양공학 발표논문집, 한국해안.해양공학회, 45-48.
이호준, Imamura, F., Shuto, N. (1999). 동해안에서의 쯔나미 거동특성. 대한토목학회논문집, 19(II-3), 401-409.
최병호, 우승범, Pelinovsky, E. (1994). 1993년 동해 쓰나미의 산정. 한국해안.해양공학회지, 한국해안.해양공학회, 6(4), 404-412.

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최병호, 이호준 (1993). 1983년 동해 쓰나미의 산정. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 13(3), 207-219.
Cho, Y.-S. (1995). Numerical Simulations of Tsunami Propagation and Run-up. Ph.D. Thesis, School of Civil and Env. Engrg., Cornell University, Ithaca, NY.
Fujii, Y., Satake, K., Sakai, S., Shinohara, M. and Kanazawa, T. (2011). Tsunami source of the 2011 off the Pacific coast of Tohoku, Japan earthquake. Earth Planets Space, Letters, 63, 815-820.

상세보기
Goto, C. and Shuto, N. (1983). Numerical simulation of tsunami propagations and run-up. Tsunami-Their Science and Engineering, edited by Iida and Iwasaki, Terra Science Publishing Company, Tokyo, 439-451.
Imamura, F., Shuto, N. and Goto, C. (1988). Numerical simulation of the transoceanic propagation of tsunamis. Proc. of 6th Congress Asian and Pacific Regional Division, IAHR, Japan, 265-271.
Lim, C.H., Bae, J.S., Jeon, Y.J. and Yoon, S.B. (2007). Grid nesting for dispersion-correction finite difference model for tsunami simulation. Proceedings of 32nd Congress of the International Association of Hydraulic Engineering and Research, Venice, Italy
Lim, C.H., Bae, J.S., Lee, J.I. and Yoon, S.B. (2008). Propagation characteristics of historical tsunamis that attacked the east coast of Korea. Natural Hazards, Vol. 47, No. 1, 95-118.

상세보기
Mansinha, L. and Smylie, D.E. (1971). The displacement fields of inclined faults. Bull. Seismol. Soc. Amer., 61(5), 1433-1440.
Sato, M, Ishikawa, T., Ujihara, N., Yoshida, S., Fujita, M., Mochizuki, M. and Asada, A. (2011). Displacement above the hypocenter of the 2011 Tohoku-Oki Earthquake. Science, 332, 1395.

상세보기
The 2011 Tohoku Earthquake Tsunami Joint Survey Group (2011). Nationwide Field Survey of the 2011 Off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake Tsunami. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Series B, 67(1), 63-66. (in Japanes).
Yoon, S.B. (2002). Propagation of distant tsunamis over slowly varying topography. J. Geophys. Res., AGU, 107(C10), 4(1)-4(11).
Yoon, S.B., Lim, C.H. and Choi, J. (2007). Dispersion-correction finite difference model for simulation of transoceanic tsunamis. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, CGU, 18(1), 31-53.

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