[논문]여름철 제주 서부해역의 저염분수로 인한 음속변화와 음파채널 형성

김주호; 복태훈; 팽동국; 방익찬; 이종길

doi:10.7776/ask.2013.32.1.001

여름철 제주 서부해역의 저염분수로 인한 음속변화와 음파채널 형성
Acoustic Channel Formation and Sound Speed Variation by Low-salinity Water in the Western Sea of Jeju during Summer 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.32 no.1, 2013년, pp.1 - 13

김주호 (제주대학교 해양시스템공학과) , 복태훈 (제주대학교 해양시스템공학과) , 팽동국 (제주대학교 해양시스템공학과) , 방익찬 (제주대학교 지구해양과학과) , 이종길 (안동대학교 기계교육과)

초록
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일반적으로 해양에서는 염분이 크게 변하지 않기 때문에 염분변화로 인한 음속변화는 무시할 수 있다. 그러나 제주 서부 해역에서는 매년 여름 저염분수의 영향으로 염분이 낮아지는 현상이 발생하여 표층 음속의 변화가 발생한다. 해양자료센터의 자료를 이용하여 제주 서부해역 세 정점에서의 30년(1980~2009) 자료 중 28 psu 이하의 저염분수가 발생한 해와 그렇지 않은 해의 수직분포를 각각 평균하여 음속분포를 구한 후에 수온과 염분에 의한 음속 변화를 분석하였다. 그 결과 저염분수 환경에서 염분에 의한 음속 변화는 표층에서 -5.36 m/s, 수심 10 m에서 -1.35 m/s 인 것으로 나타났다. 또한 표층 음속 감소로 인해 수심 약 5 m까지의 음속 수직 분포가 양(+)의 기울기를 갖게 되어 표층 염분채널이 형성되었으며 벨홉(Bellhop)모델을 이용한 음파전달 모의실험을 통해 이를 확인하였다. 30년간 표층채널 발생 동향을 분석한 결과 혼합층에서 압력에 의해 발생하는 정수채널은 9회, 저염분에 의해 발생하는 염분 채널은 5회로 나타났으며 염분 채널이 발생한 경우는 정수 채널에 비해 음선 임계각이 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 또한 2010년 8월 1일 제주 서부해역에 발생하였던 저염분수의 공간적 분포를 측정한 자료에서도 일부 정점에서 염분채널이 형성되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Salinity does not generally affect sound speed because it shows very small variations in the ocean. However, low salinity water appears in the Western Sea of Jeju Island every summer so that sound speed and sound propagation can change near sea surface. We calculated Sound Speed Profile (SSP) using vertical profiles of temperature and salinity, which were averaged over years of normal salinity and low salinity (<28 psu) from 30 years (1980~2009) at 3 sites of Korea Oceanographic Data Center (KODC). As a result, sound speed variation by low salinity alone was -5.36 m/s at sea surface and -1.35 m/s at 10m depth for low salinity environments. Gradient of SSP was positive down to 5 m depth due to decrease of sound speed near surface, leading formation of haline channel. Simulation of acoustic propagation using a ray model (Bellhop) confirmed the haline channel. Haline channel has formed 4 times while hydrostatic channel controlled by only pressure has formed 9 times for 30 years. The haline channel showed larger critical angles of rays than hydrostatic channel. Haline channel was also formed at some sites among 20 measurement sites in low salinity water mass which appeared on August $1^{st}$ 2010.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 아직 저염분수로 인한 음속의 정량적 변화와 그로 인한 음파전달변화에 대해 구체적으로 연구된 바가 없다. 따라서 본 논문은 첫째로 제주 서부해역에서 저염분수로 인한 평균적인 음속변화와 그에 따른 음파채널 발생 여부를 살펴보았으며, 둘째로 음파채널의 발생 현황 및 분석을 중점적으로 기술하였다.
앞 절에서의 결과를 분석해 보기 위해 일반 염분 분포와 저염분 분포 환경 각각의 경우에 대해 온도와 염분이 음속에 기여한 정도를 살펴보기로 한다. 먼저 Medwin의 공식^[16]을 몇 가지 항으로 나누어 다시 나타내면 다음과 같다.
3596°E이다. 이 측정자료를 이용하여, 당시에 발생한 저염분수의 공간분포와 그에 따른 음속 및 음파전달이 어떠했는지에 대해 살펴보기로 한다.

가설 설정

[17] 수심 및 음속분포는 Fig. 4와 같고 사질 성분으로 구성된 해저면의 음속과 밀도는 각각 1650 m/s, 1900 kg/m3로 가정하였다.
[19,20] 저염분수에 의한 염분 변화는 주로 표층에서 일어나므로 음원은 표층부근인 수심 3 m에 존재한다고 가정하고 각 환경에 대하여 음선 경로와 전달손실을 계산하였다.

제안 방법

2010년 8월 1일 제주 서부해역에 나타난 저염분수 수괴에서의 수온, 염분 분포 및 음속 분포를 살펴보았다. 당시 측정된 환경자료는 해양자료센터의 자료와는 다르게 1 m 간격으로 측정된 자료이므로 내삽법을 적용하지 않고 실제 측정자료를 이용하였다(Fig.
5). 20개의 정점 중에서 비교적 저염분수의 영향을 덜 받는다고 생각되는 한 정점(D-2)과 저염분수 중심부에 가까운 한 정점(D-4), 그리고 그 두 정점 사이의 다른 한 정점(D-3)을 택하여 수직분포를 비교하였다. D-2정점의 표층 염분은 29.
4(b) 실선, 쇄선). 그런 다음 각 평균 수온 분포와 각 평균 염분 분포를 Medwin 음속공식^[16]에 적용하여 음속이 어떻게 변화하는지 살펴보고, 그에 따른 저염분 분포의 영향을 분석하였다. 특별히, 지난 30년 동안 표층 염분이 가장 낮았던 경우를 살펴보기 위해서 1996년 8월 5일 P3정점의 수온, 염분 수직 분포 및 음속 수직 분포를 평균 수직 분포와 함께 나타내었다(Fig.
다음으로 2010년 8월 1일, 제주 서부해역에서 1 m 간격으로 측정한 저염분 환경 자료를 바탕으로 계산된 음속 수직 분포 구조에서의 음파전달을 살펴보기 위해 5.1절과 같은 방법으로 모의실험을 하였다(Fig. 7). D-2 정점의 음속 분포는 해수면에서부터 수심 약 20 m까지 음(-)의 기울기를 갖는다.
여름철 제주서부해역에 저염분수가 발생하였던 해의 해양자료를 이용하여 저염분수로 인한 음속변화와 음파전달 특성을 연구하였으며, 그로 인해 발생되는 음파채널의 특징과 그 현황을 파악하였다. 30년간 제주 서부해역의 세 정점에서 측정한 자료를 평균하여 분석한 결과, 일반적으로 제주 서부해역의 저염분수의 발생은 표층에서의 음속을 크게 감소시켜 음파채널을 발생시킬 수 있다는 점을 확인하였으며 2010년 8월 1일에 발생한 저염분 수괴의 중심에서도 음파채널이 형성 되었음을 확인하였다.
는 채널 경계면에서의 음속을 나타낸다. 이를 이용하여 획득된 P1～3 정점에서의 30년 자료와 2010년 8월 1일에 나타났던 저염분수 환경에서의 음파채널발생 유무와 채널 수심, 채널 임계각 등 그 특성을 정리하여 발생 현황을 분석하였다(Fig. 9～11).
일반 염분 환경 및 저염분 환경의 평균 음속 분포와 1996년 8월 5일 환경에서의 음파전달을 모의하였다. 이를 위해 음선모델(Bellhop)을 이용하였다.
저염분수 발생으로 인한 음파전달 변화를 살펴보기 위해서, 먼저 30년 동안의 8월 수온, 염분 자료 중 이상저염분수가 발생한 경우(1989, 1996, 2003, 2004, 2006년 8월)와 발생하지 않은 경우를 저염분 환경과 일반 염분 환경으로 구분하여 각각 평균하였다(Fig. 4(b) 실선, 쇄선).
1). 편의를 위해 가장 북쪽에 위치한 정선을 A, 가장 남쪽에 있는 정선을 D로 표시하였으며, 각 정선마다 제주도에 가까운 순서의 정점에 1번(동쪽)부터 5번(서쪽)까지의 번호를 부여하였다. A-1 정점에서부터 시계방향으로 가장 모서리에 위치한 정점들의 위·경도좌표는 각각 33.

대상 데이터

[22]그 중 제주도와 위도가 비슷한 314정선에서 양쯔강에 가장 가까운 314-10정점과 그와 가까운 두 정점(313-08, 313-07)을 택하여 30년간의(1980～2009) 수온, 염분 데이터를 수집하였다(Fig. 1). 편의를 위해 본 논문에서는 해당 정점을 P1, P2, P3라고 구분하였다.
지난 2010년 8월 1일, 중심 염분이 약 24 psu 정도로 매우 낮은 저염분수가 발생하여 제주 서부해역에 매우 근접한 해역까지 밀려왔다. 당시 국립수산과학원(National Fisheries Research and Development Institute, NFRDI)과 제주도의 지원을 받아 제주대학교 실습선 아라호를 이용하여 제주 서부해역의 20개 정점에서 수온 및 염분을 측정하였다(Fig. 1). 편의를 위해 가장 북쪽에 위치한 정선을 A, 가장 남쪽에 있는 정선을 D로 표시하였으며, 각 정선마다 제주도에 가까운 순서의 정점에 1번(동쪽)부터 5번(서쪽)까지의 번호를 부여하였다.
2010년 8월 1일 제주 서부해역에 나타난 저염분수 수괴에서의 수온, 염분 분포 및 음속 분포를 살펴보았다. 당시 측정된 환경자료는 해양자료센터의 자료와는 다르게 1 m 간격으로 측정된 자료이므로 내삽법을 적용하지 않고 실제 측정자료를 이용하였다(Fig. 5). 20개의 정점 중에서 비교적 저염분수의 영향을 덜 받는다고 생각되는 한 정점(D-2)과 저염분수 중심부에 가까운 한 정점(D-4), 그리고 그 두 정점 사이의 다른 한 정점(D-3)을 택하여 수직분포를 비교하였다.
저염분수의 연도별 발생 동향 관측을 위해 해양자료센터(Korea Oceanographic Data Center, KODC)에서 온라인으로 제공하는 정선해양관측자료를 이용하였다.^[22]그 중 제주도와 위도가 비슷한 314정선에서 양쯔강에 가장 가까운 314-10정점과 그와 가까운 두 정점(313-08, 313-07)을 택하여 30년간의(1980～2009) 수온, 염분 데이터를 수집하였다(Fig.

이론/모형

일반 염분 환경 및 저염분 환경의 평균 음속 분포와 1996년 8월 5일 환경에서의 음파전달을 모의하였다. 이를 위해 음선모델(Bellhop)을 이용하였다.^[17]수심 및 음속분포는 Fig.
해양자료센터의 수온, 염분 자료는 표층에서부터 30 m까지는 10 m 간격으로, 그 이상은 20 m 이상의 넓은 간격으로 측정된 것이므로 내삽법을 적용하였는데, 내삽법 수행 시 데이터 사이의 왜곡을 줄이고 단조성을 유지하기 위해 Monotone Cubic Hermite내삽법^[23]을 이용하였다. 표층 수온의 경우 일반 염분 환경이 약 26.

성능/효과

30년 동안 취득된 자료를 통해 저염분수로 인한 음파채널 형성의 현황을 분석한 결과 제주 서부해역에서 염분채널은 각 정점 별로 5회이상 발생한 것으로 나타났다. 그러나 취득된 데이터는 물리적 특성과 이동경로가 시공간적 변화를 갖는 저염분수를 충분히 파악하기에는 부족한 면이 있다.
여름철 제주서부해역에 저염분수가 발생하였던 해의 해양자료를 이용하여 저염분수로 인한 음속변화와 음파전달 특성을 연구하였으며, 그로 인해 발생되는 음파채널의 특징과 그 현황을 파악하였다. 30년간 제주 서부해역의 세 정점에서 측정한 자료를 평균하여 분석한 결과, 일반적으로 제주 서부해역의 저염분수의 발생은 표층에서의 음속을 크게 감소시켜 음파채널을 발생시킬 수 있다는 점을 확인하였으며 2010년 8월 1일에 발생한 저염분 수괴의 중심에서도 음파채널이 형성 되었음을 확인하였다. 음선의 임계각을 구하여 분석한 결과 저염분수로 인해 표층채널이 형성되는 염분채널의 경우가 일반 정수 채널이 형성되는 경우에 비해 채널이 더욱 강하게 형성되어 음선 임계각이 크게 나타났다.
1) 1980년부터 2009년까지 8월 중 특정 일시의 저염분수 발생 현황을 나타낸다. 같은 해에 세 정점 중 한곳 이상에서 측정되는 경우를 1회로 계산할 경우, 저염분수는 제주 서부해역에서 지난 30년동안 약 10회 발생한 것으로 나타났다. 저염분수는 6월에서 9월 사이 제주 주변해역에서 빈번히 발생하는데, 일단 저염분수가 출현하면 표층 부근의 염분은 수일 내에 급격하게 낮아지고 짧게는 6일, 길게는 30일 정도 지속되며 감소하는 비율과 정도는 경우마다 달라 저염분수의 특성과 이동경로가 큰 시공간적 변화를 보인다.
그러나 저염분 분포에서는 수온이 표층에서 수심 10 m까지 28.74°C 에서 26.80°C 로 1.94°C 감소할 때 염분은 29.58 psu 에서 25.34 psu로 4.24 psu만큼 증가하였으며, 이 때의A항은 4.31 m/s만큼 감소하여 저염분 분포에서 A의 수심에 따른 변화량이 일반 염분 분포와 크게 다르지 않은 반면 염분과 관계된 음속의 B항은 4.35 m/s만큼 증가하였다.
이는 수온 수직 분포의 형태와 동일하므로 수온이 음속에 큰 영향을 준다는 것을 재차 확인할 수 있다. 그러나 저염분 환경에서는 표층에서의 음속 분포가 수온 수직 분포의 구조를 따르지 않는다는 것을 알 수 있는데, 표층 부근에서(0～10 m) 수온은 수심에 따라 서서히 감소하지만 음속의 경우 염분 수직 분포의 경우와 같이 표층에서 낮고 수심 5 m까지 증가하고 있다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 1996년 8월 5일의 경우에서 보다 뚜렷이 확인할 수 있다.
먼저 염분에 의한 음속 감소량(B항)은 저염분 분포 해수면에서 10.16 m/s, 수심 10 m에서 5.81 m/s이고 일반 염분분포 해수면에서 4.80 m/s, 수심 10 m에서 4.46 m/s로 저염분수가 해수면에서 5.36 m/s, 수심 10 m에서 1.35 m/s만큼 더 크게 나타났다. 수심에 따른 수온, 염분 및 음속 변화를 살펴보면 다음과 같다.
7℃ 로 평균보다 다소 높으나 수심 30 m까지 평균보다 더욱 급격하게 감소하는 형태를 보인다. 염분은 표층에서 21.4 psu이고 수심 약 10 m까지 평균보다 급격하게 증가하고 있으며 수심 30 m 이하의 수심에서 평균보다 다소 높은 수치를 보인다(Fig. 4(a), (b)).
이는 P3정점의 경우도 마찬가지이다. 위의 결과를 종합해 볼 때, 해양표층에서 저염분수의 출현은 염분채널을 발생시킬수 있으며, 이 경우 혼합층에서 압력에 의해 생성되는 정수채널에 비해 음선 임계각이 크게 나타난다. 그러나 P2정점의 1998년과 2006년 그리고 P3정점에서 2003년과 2004년의 경우와 같이, 저염분수가 발생했음에도 불구하고 채널이 생성되지 않은 경우도 있다.
30년간 제주 서부해역의 세 정점에서 측정한 자료를 평균하여 분석한 결과, 일반적으로 제주 서부해역의 저염분수의 발생은 표층에서의 음속을 크게 감소시켜 음파채널을 발생시킬 수 있다는 점을 확인하였으며 2010년 8월 1일에 발생한 저염분 수괴의 중심에서도 음파채널이 형성 되었음을 확인하였다. 음선의 임계각을 구하여 분석한 결과 저염분수로 인해 표층채널이 형성되는 염분채널의 경우가 일반 정수 채널이 형성되는 경우에 비해 채널이 더욱 강하게 형성되어 음선 임계각이 크게 나타났다. 그러나 저염분수가 출현하는 모든 경우에 염분채널이 발생하는 것은 아니며, 저염분 분포와 수온 분포의 상호작용에 의해 음속 기울기가 양(+)의 값을 갖는 경우에 한한다.
이러한 결과를 통해, 평균적으로 제주 서부해역에서 저염분수가 발생하면 표층 음속이 감소되어 음파채널이 발생될 수 있음을 확인하였으며, 평균보다 더욱 낮은 저염분수가 발생한 1996년 8월의 경우 음파채널이 더욱 강하게 형성되었다는 것을 확인하였다.
12(b), (c)). 저염분수의 영향이 비교적 적은 각 정선의 1, 2번 정점들에서는 모두 표층채널이 발생되지 않았으나, 저염분수의 영향을 받는 각 정선의 3, 4, 5번 정점들에서는 일부 정점을 제외하고 표층채널이 생성된 것을 확인할 수 있다.
35 m/s만큼 증가하였다. 즉 염분이 음속과 수심에 따른 음속 변화에 미치는 영향이 일반염분분포에 비해 커졌다. 이러한 결과는 2010년 8월 제주서부해역에 나타났던 저염분 수괴에서도 마찬가지로 적용이 가능하다.
1절의 경우와 같은 방법으로 2010년 8월 1일에 제주 서부해역에 나타난 저염분 수괴에서의 현상을 분석해보면 다음과 같다. 표층에서의 염분은 D-5정점에서 가장 낮으며 대각선 방향으로 타원형태를 보이는 것을 확인할 수 있다(Fig. 12(a)).

후속연구

그러나 표층 염분이 매우 낮음에도 음파채널이 형성되지 않은 경우(A-4, A-5, B-4, C-5, D-5)도 있는데, 이 원인을 파악하기 위해서는 표층에서 저염분수로 인한 염분채널 생성조건 등에 대한 보다 심층적인 연구가 필요하다.
여름철 제주 서부해역은 주로 수심 약 10 m 이내에서 표층채널이 형성되므로 이 해역에서 HMS(Hull Mounted SONAR) 등을 운용할 때 발생할 수 있는 음파 전달의 변화와 염분채널을 이용한 통신 그리고 채널 내 염분의 역산 등의 연구를 더 진행할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	30년간 표층채널 발생 동향을 분석한 결과 혼합층에서 압력에 의해 발생하는 정수채널은?	또한 표층 음속 감소로 인해 수심 약 5 m까지의 음속 수직 분포가 양(+)의 기울기를 갖게 되어 표층 염분채널이 형성되었으며 벨홉(Bellhop)모델을 이용한 음파전달 모의실험을 통해 이를 확인하였다. 30년간 표층채널 발생 동향을 분석한 결과 혼합층에서 압력에 의해 발생하는 정수채널은 9회, 저염분에 의해 발생하는 염분 채널은 5회로 나타났으며 염분 채널이 발생한 경우는 정수 채널에 비해 음선 임계각이 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 또한 2010년 8월 1일 제주 서부해역에 발생하였던 저염분수의 공간적 분포를 측정한 자료에서도 일부 정점에서 염분채널이 형성되었다.
	저염분수란?	일반적으로 저염분수란 염분이 30 psu(psu: practical salinity unit) 이하인 해수를 말한다.[7] 이는 김 등[8]이 지난 1975년부터 10년간 제주도 주변 8개 정선에서 저염분수가 발생하지 않는 동계(2, 4, 12월)의 표층(0, 10 m)에서 조사한 염분 범위가 32.
	해양자료센터의 자료를 이용하여 제주 서부해역 세 정점에서의 30년(1980~2009) 자료 중 28 psu 이하의 저염분수가 발생한 해와 그렇지 않은 해의 수직분포를 각각 평균하여 음속분포를 구한 후에 수온과 염분에 의한 음속 변화를 분석 결과는?	해양자료센터의 자료를 이용하여 제주 서부해역 세 정점에서의 30년(1980~2009) 자료 중 28 psu 이하의 저염분수가 발생한 해와 그렇지 않은 해의 수직분포를 각각 평균하여 음속분포를 구한 후에 수온과 염분에 의한 음속 변화를 분석하였다. 그 결과 저염분수 환경에서 염분에 의한 음속 변화는 표층에서 -5.36 m/s, 수심 10 m에서 -1.35 m/s 인 것으로 나타났다. 또한 표층 음속 감소로 인해 수심 약 5 m까지의 음속 수직 분포가 양(+)의 기울기를 갖게 되어 표층 염분채널이 형성되었으며 벨홉(Bellhop)모델을 이용한 음파전달 모의실험을 통해 이를 확인하였다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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