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문제 정의
- 특히 동해는 평균 수심이 약 1580m에 달하고 동해 중부해역의 아극 전선(Sub-Poar Front)을 기준으로 북부의 냉수역과 남부의 난수역으로 이루어져있으며 동한 난류, 북한 한류, 울릉 와동류, 내부파 등의 존재와 대기온도, 바람, 강수 등 대기강제력의 계절변화로 해수의 물성변화가 시공간적으로 매우 복잡하며 이에 따라 혼합층깊이의 공간 및 계절 변화도 뚜렷한 것으로 알려져 있다[5]. 따라서 본 연구에서는 잠재적인 대잠위협이 가장 큰 동해를 대상으로 음향층심도와 혼합층깊이를 비교해보고 차단주파수를 활용하여 음향층심도 산출방식을 보완하고자 하였다. 또한 음파 전달 손실 모델을 이용하여 혼합층깊이와 음향층심도의 차이에 따른 음 에너지 포획정도와 차단주파수의 적절성 여부를 평가해 보았다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 잠재적인 대잠위협이 가장 큰 동해를 대상으로 음향층심도와 혼합층깊이를 비교해보고 차단주파수를 활용하여 음향층심도 산출방식을 보완하고자 하였다. 또한 음파 전달 손실 모델을 이용하여 혼합층깊이와 음향층심도의 차이에 따른 음 에너지 포획정도와 차단주파수의 적절성 여부를 평가해 보았다.
- 그림 2에서 보는 바와 같이 수온-염분 자료의 공간 분포 밀집도가 동해 중서부 해역만 다소 높은 편이기 때문에 공간 분포 특징을 분석하는 것은 통계적으로 유의한 결과를 얻기가 어렵다. 하지만, 연중 월별 자료 분포가 비교적 균일하므로(그림 2) 동해 전 해역에서 구해진 음향층심도와 혼합층깊이 간의 월평균을 이용하여 위도별로 어느 정도 차이가 나는지 분석을 실시하였다.
- 혼합층깊이는 수온을 기준으로 한 경우와 밀도를 기준으로 한 경우를 구분하여 산출하고 이를 음향층심도와 비교해 보았다. 수온 기준의 경우 수온수직구조에서 기준 수심(표층 0 m)으로부터 곡률의 변화를 측정하여 표층에서 가장 가까운 곡률변화수심을 혼합층깊이 (MLDT)로 결정하는 방법을 채택하였다.
- 혼합층깊이는 수온을 기준으로 한 경우와 밀도를 기준으로 한 경우를 구분하여 산출하고 이를 음향층심도와 비교해 보았다. 수온 기준의 경우 수온수직구조에서 기준 수심(표층 0 m)으로부터 곡률의 변화를 측정하여 표층에서 가장 가까운 곡률변화수심을 혼합층깊이 (MLDT)로 결정하는 방법을 채택하였다. 이 방법은 가장 최근의 혼합과정이 반영되어 있는 혼합층깊이 일변화 관측에 효과적이며 혼합층깊이 결정시 일반적으로 사용되는 문턱값 방법(Threshold method)의 단점(문턱값에 따라 혼합층깊이 차이 발생)을 개선할 수 있는 것으로 알려져 있다[8].
- 본 연구에서는 동해 음향층심도와 혼합층깊이를 비교해보고 음향층심도와 차단주파수의 관계를 분석하였다. 먼저 음향층심도는 대분분의 해역에서 문턱값 방법으로 산출된 혼합층깊이와는 큰 차이를 보였고 곡률변화수심 기준 방법으로 산출된 수온 기준 혼합층깊이와는 비교적 근사함을 알 수 있었다.
- 다음으로 음향층심도에 의한 표층도파관 형성시 차단주파수를 분석해 보았다. 익히 알려진 차단주파수 식에서 산출된 차단주파수는 음파전달손실 계산을 중심으로 확인해본 결과 표층도파관 효과와 밀접한 상관이 있었다.
대상 데이터
- 이를 위해 본 연구에서는 동해에서 관측된 고해상도 CTD자료인 CREAMS (the Circulation Research of East Asian Marginal Seas program) 자료와 1999년 이후 관측 자료가 꾸준히 축적된 ARGO 자료 (http://www.nimr.go.kr)를 이용하였다. 사용된 전체 자료의 수는 8487개이며 자료 분포기간은 1996년~2006년간이다.
- kr)를 이용하였다. 사용된 전체 자료의 수는 8487개이며 자료 분포기간은 1996년~2006년간이다. 그림 2에서 보는 바와 같이 수온-염분 자료의 공간 분포 밀집도가 동해 중서부 해역만 다소 높은 편이기 때문에 공간 분포 특징을 분석하는 것은 통계적으로 유의한 결과를 얻기가 어렵다.
데이터처리
- 이러한 분포는 경도 135 °E 를 기준으로 한 혼합층 깊이의 위도분포에서 더욱 뚜렷이 확인된다. 혼합층깊이의 계절 변화 진폭을 알아보기 위하여 조화분석을 실시하였다. 연주기의 진폭은 대체로 연평균과 그 공간분포가 일치했다.
이론/모형
- 즉, 표층으로부터 음향층심도까지는 양음속 경사 또는 정음속 경사가 형성되고 음향층심도 아래에서 는 부음속경사가 형성되며 표층과 음향층심도 내에서 적절한 파장대의 음파가 포획되어 비교적 원거리까지 음 에너지의 전달이 양호한 표층도파관을 형성하여 된다. 음향층심도 결정을 위한 음속 계산식은 Mackenzie (1981)[6]의 식을 사용하였다.
- 식(2)에서 알 수 있듯이 음향층심도가 얕으면 차단주파수는 높아지고 음향층심도가 깊어지면 차단주파수는 낮아진다. 본 연구에서는 식(2)로 계산된 차단주파수를 뚜렷하게 형성된 음향층심도를 기준(그림 6 화살표 음속구조, 음향층심도 72 m)으로 수중음 전달손실모델(RAM, Range-dependent Acoustic transmission Model)을 이용하여 수중음이 표층도파관내에 잘 포획되는지 여부를 확인하였다. 이 때 RAM의 입력변수로 주파수는 차단주파수와 차단주파수의 0.
성능/효과
- 본 연구에서는 동해 음향층심도와 혼합층깊이를 비교해보고 음향층심도와 차단주파수의 관계를 분석하였다. 먼저 음향층심도는 대분분의 해역에서 문턱값 방법으로 산출된 혼합층깊이와는 큰 차이를 보였고 곡률변화수심 기준 방법으로 산출된 수온 기준 혼합층깊이와는 비교적 근사함을 알 수 있었다. 또한 문턱값 방법으로 산출된 밀도 기준 혼합층깊이의 경우는 문턱값 수온이 가장 작은 0.
- 1℃ 일 때가 근사했다. 우리나라 근해를 종합적으로 분석한 혼합층깊이 자료는 드물지만 공개되어 있는 자료의 혼합층깊이 기준이 문턱값 기준 0.2 ~0.8℃ 사이임을 감안하면 혼합층깊이를 음향층심도로 전용해 사용하기에는 문제가 있음을 알 수 있다.
- 다음으로 음향층심도에 의한 표층도파관 형성시 차단주파수를 분석해 보았다. 익히 알려진 차단주파수 식에서 산출된 차단주파수는 음파전달손실 계산을 중심으로 확인해본 결과 표층도파관 효과와 밀접한 상관이 있었다. 또한 차단주파수보다 음파의 파장이 짧을 경우 전달손실이 증가하는 주파수대가 있으며 이와 더불어 전달손실이 최소가 되는 최적주파수도 존재한다는 것을 알 수 있었다.
- 익히 알려진 차단주파수 식에서 산출된 차단주파수는 음파전달손실 계산을 중심으로 확인해본 결과 표층도파관 효과와 밀접한 상관이 있었다. 또한 차단주파수보다 음파의 파장이 짧을 경우 전달손실이 증가하는 주파수대가 있으며 이와 더불어 전달손실이 최소가 되는 최적주파수도 존재한다는 것을 알 수 있었다. 그리고 차단주파수와 연관 주파수들이 음원의 수심에 따라 전달손실값이 큰 폭으로 변할 수 있다는 사실도 확인하였다.
- 또한 차단주파수보다 음파의 파장이 짧을 경우 전달손실이 증가하는 주파수대가 있으며 이와 더불어 전달손실이 최소가 되는 최적주파수도 존재한다는 것을 알 수 있었다. 그리고 차단주파수와 연관 주파수들이 음원의 수심에 따라 전달손실값이 큰 폭으로 변할 수 있다는 사실도 확인하였다. 그 동안 동해에서 음향층심도와 혼합층깊이와의 관계 및 음향층심도와 차단주파수와 관계를 다룬 연구가 거의 없었으므로 본 연구가 해군 작전과 무기체계개발 및 운용에 기여할 것으로 생각되며 추후 최적의 음향층심도 결정방법, 표층도파관에서 최적주파수 결정법 등 관련 연구를 지속적으로 실시할 예정이다.
후속연구
- 이는 이 해역이 동해 심층 순환의 중심으로 대기강제력과 연관되어 표층수가 침강하는 곳으로 겨울철 표층으로부터 심층까지 수온 및 밀도의 연직구조가 거의 균일하여 혼합층깊이가 깊어진 탓이다. 따라서 기존에 계산되어 있는 혼합층깊이 자료를 음향층심도로 전용하기위해서는 혼합층깊이가 문턱값 방법으로 계산되었는지, 그리고 두 값간의 차이가 어느 정도인지 반드시 검증해 보아야 한다. 이상 살펴본 바와 같이 수온기준의 곡률변화측정 혼합층깊이가 음향층심도와 비교적 근사함을 알 수 있다.
- 그리고 차단주파수와 연관 주파수들이 음원의 수심에 따라 전달손실값이 큰 폭으로 변할 수 있다는 사실도 확인하였다. 그 동안 동해에서 음향층심도와 혼합층깊이와의 관계 및 음향층심도와 차단주파수와 관계를 다룬 연구가 거의 없었으므로 본 연구가 해군 작전과 무기체계개발 및 운용에 기여할 것으로 생각되며 추후 최적의 음향층심도 결정방법, 표층도파관에서 최적주파수 결정법 등 관련 연구를 지속적으로 실시할 예정이다.
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