1. 서 론
난카이 트러프는 일본 남쪽에 위치한 수렴형 판 경계로, 필리핀 해판이 아무르판(Amurian plate) 아래로 섭입하는 지역이다. 이 섭입대에서는 과거부터 주기적으로 8.0 이상의 거대지진이 발생해왔으며, 이로 인한 강력한 지진해일은 일본 열도에 막대한 피해를 입혀왔다. 역사적으로 난카이 트러프에서는 약 100~150년 주기로 거대지진이 반복적으로 발생했는데(Furumura et al., 2011), 1707년 호에이 지진, 1944년 도난카이 지진, 1946년 난카이 지진 등이 대표적인 사례로 기록되어 있다(Fig. 1). 이러한 지진들은 지진 발생영역이 광범위하고, 발생 시 강력한 지진동과 함께 높은 쓰나미를 동반하는 특성을 보인다. 특히, 난카이 트러프 지진해일은 태평양을 가로질러 전파될 만큼 강력한 에너지를 가지고 있으며, 인접 해역(대한해협, 동중국해, 우리나라 남해)에도 영향을 미칠 수 있는 잠재적 위험 요인으로 여겨진다.
우리나라는 아무르판 내부에 위치하여 일본과 같은 판 경계 지역에 비해 지진 발생 빈도나 규모가 상대적으로 낮아 지진 안전지대로 인식됐다. 그러나 우리나라의 동해안에서도 1983년과 1993년에 동해 동연부에서 발생한 지진으로 인하여 동해와 삼척에서 등지에서 지진해일 피해가 발생하기도 하였다.
반면, 우리나라 남해안은 지진해일의 피해 기록은 없으나, 해안선이 복잡하고, 섬이 많은 남해안의 특성상 쓰나미가 내습할 경우, 에너지가 특정 지역에 집중될 수 있으며, 주요 항만시설과 산업단지, 인구 밀집 지역이 해안가에 집중되어 있어 지진해일 발생 시 사회·경제적인 피해가 발생할 가능성이 높다. 또한, 최근 경주(2016년 발생) 및 포항(2017년 발생) 지진을 계기로 우리나라 역시 지진으로부터 자유롭지 않다는 인식이 확산되었다. 이러한 잠재적 위험성 때문에 2011년 동일본 대지진 이후 남해안에 영향을 미칠 수 있는 지진해일에 대해서 많은 연구가 진행한 바 있다(Bae et al., 2012; Lee et al., 2016; Kim et al., 2016; MOF, 2017). Kim et al.(2016)은 최근 사회적 관심이 높아지고 있는 난카이 트러프 지진해일에 대하여 1707년 호에이 지진해일의 사례를 대상으로 지진해일고에 주안을 두어 검토하였다(Kim et al., 2016). MOF (2017)와 Lee et al. (2016), Bae et al. (2012)의 연구는 우리나라 남해안에 영향을 줄 수 있는 류큐 해구에서 발생하는 지진해일에 대하여 가상의 지진해일 시나리오를 기반으로 남해안에서의 지진해일고와 유속 등을 분석하였다. 특히, MOF (2017)에서는 우리나라 남해안에 더 직접적인 영향을 미칠 수 있는 류큐 트렌치에서 발생하는 가능최대 지진해일을 대상으로 우리나라 남해안의 주요 무역항 및 연안항에서 발생하는 지진해일고와 지진해일 유속 모의 결과를 토대로, 지진해일로 인한 범람 및 침수 현황을 검토하여 육상에서의 재난 대응계획 수립을 위한 재해정보도 작성하였으며, 유속 분포 및 선박의 예상 표류 경로를 검토하여 다도해 해역 내에서 선박 대피를 위한 피항 해역 검토 및 해상 재해정보도를 제작하였다.
이에 본 연구는 일본 내각부의 선행 연구(CAO, 2012a; 2012b)를 통해 검증된 지진 시나리오와 초기 수면변위 자료와 분산 보정된 천수방정식 기반의 수치모형을 사용하여, 난카이 트러프 지진해일의 발생 및 전파 수치모의를 수행하였다. 수치모의를 통해 우리나라 남해안에서 발생하는 지진해일고와 지진해일에 의한 유속을 추산하고, 그 결과를 바탕으로 난카이 트러프 지진해일이 우리나라 남해안에 미치는 영향을 확인하고, 지진해일 재난 대응에 활용하기 위한 기초자료를 제시하는 것을 목적으로 한다.
2. 연구 방법
2.1 수치모의
본 연구에서 지진해일 전파 수치모의는 Yoon et al. (2007)이 제시한 분산보정 천수방정식(Dispersion-corrected Shallow Water Equations)을 기반으로 하는 수치모형을 사용하였다. 이 수치모형은 광역과 상세영역에서 지진해일 전파에 영향을 주는 인자를 고려하여 서로 다른 지배방정식을 적용한다. 광역 계산영역에는 선형천수방정식을 적용하였으며, Eqs. (1a)~(1c)과 같다. 지진해일이 해안으로 접근하면 바닥마찰의 영향이 커지므로 이를 고려해야하기 때문에(Kajiura and Shuto, 1990), Eqs. (2a)~(2c)와 같은 비선형 천수방정식을 사용하였다.
Eqs. (1a)~(2c)에서, 𝜁는 수면변위, 와 는 각각 와 방향의 flux, 는 수심, 는 수면변위를 포함한 수심(=𝜁+), 는 중력가속도, 𝜏는 각 축방향으로의 조도계수, 는 코리올리 수를 의미한다. 본 연구에서 사용된 수치모형은 국내외 지진해일 관련 연구 및 재해영향평가 용역 등(Bae et al., 2012; MOF, 2017; Jho et al., 2019)에서 다수 활용되었다. 지진해일 전파 수치모의는 지진해일 고유의 특성에 집중하기 위하여 조석이나 해류 등 다른 외력 조건은 제외하였다.
모델의 계산 영역은 광역 전파 과정과 연안에서의 상세 거동을 모두 모의할 수 있도록 Fig. 2에 보인바 와 같이 3단계 둥지격자 체계로 구축하였다. 가장 넓은 Domain A는 동북아시아 해역을 1,350 m 해상도로 포함하며, 중간 단계인 Domain B는 우리나라 남해안을 450 m 해상도로, 최종 상세 분석 영역인 Domain C는 남해안 주요 해역과 제주도를 150 m의 고해상도로 격자망을 구성하였다. 이 과정에서 파의 비선형 효과가 두드러지는 천해역의 물리 현상을 정확히 반영하기 위해 Domain C에서는 비선형 항을 활성화하였고, 광역인 Domain A와 B는 선형 방정식을 적용하였다.
입력 자료로서 수심은 국립해양조사원의 전자해도를 사용하였고, 상세 격자(Domain C)의 범위는 진도 남단에서 부산 남단에 이르는 남해안과 제주도 전역을 포함한다. 계산 격자 체계에 대한 세부 정보는 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Information of Computational domain
2.2 시나리오 설정
본 연구에서는 지진해일의 수치모의를 위한 초기조건으로, 일본 CAO (2012a; 2012b)에서 제시한 최대 규모( 9.0±0.1)의 지진 시나리오를 사용하였다. 이 시나리오는 과거 역사 지진 기록과 2011년 동일본 대지진의 발생과정 등을 종합하여, 과학적으로 가정할 수 있는 가능 최대 규모의 지진 11개의 시나리오를 설정하였다. 11개 시나리오는 기본 시나리오 5개와 파생 시나리오 6개로 구분되며, 대규모 변위 발생영역과 초대규모 변위 발생영역의 위치, 개수, 단층 활동 여부 등을 체계적으로 조합하여 구성되어 있다.
지진해일을 유발하는 해저지진의 발생 형태는 크게 2가지로 나눌 수 있는데 첫 번째는 류큐 해구나 난카이 트러프와 같이 서로 다른 두 판이 만나, 밀도가 높은 해양판이 다른 판 아래로 섭입되면서 판 경계에 축적되는 응력이 해방되면서 해양판에 변위가 발생하는 경우이다. 두 번째는 동해 동연부와 같이 두 단층이 접한 면이 수평 방향이나 수직 방향으로 급격하게 어긋나면서 발생하는 경우다. 난카이 트러프 지진은 전자 해당하며 JSCE (2016)에서는 이러한 형태의 지진에 대해 응력 강하량 모델을 적용하고 있다. 지진 발생 시 해방되는 응력량을 응력 강하량이라 명명하고 있으며, 지진 발생역에서 응력이 강하한(방출된) 정도를 고려하여 지각의 변위를 결정한다. JSCE (2016)에서 제안하는 해저지진 발생시 지각의 변위량 산정모델은 Eqs. (3a) and (3b)과 같다.
여기서, 는 지진의 모멘트, 𝜇는 지각의 탄성계수, △𝜎는 평균 응력 강하량, 는 지진 발생영역의 면적, 는 평균 변위를 가리킨다. 평균 응력 강하량은 가장 보수적인 3.0을 가정하고 있으며, 이 때 난카이 트러프 지진의 평균 변위량은 10 m 정도로 산정된다. 실제 발생하는 지진의 불확실한 발생패턴을 고려하기 위하여, 일부 영역에서는 변위가 크게 발생하여 강한 쓰나미를 발생시키는 대규모 변위 발생영역(2 부여)과 초거대 변위 발생영역(4 부여)의 위치를 배치하는 방식과 지진 발생 영역(난카이, 도난카이, 도카이 등) 간 연동 여부에 따라 시나리오가 설정되어 있다. 본 시나리오 모델은 일본 난카이와 도난카이로 구분되는 두 지진 발생 가능 영역(Fig. 1)에 걸쳐 지진이 발생하는 것을 가정하고 있어 지진 규모가 9.0급이다. 일본 내각부는 이 11개 시나리오에 대해 각각 지진 발생 후 초기 수 분간의 해저 지각변동으로 인한 수면 변위 데이터를 제공하고 있다. 대규모의 지진은 해저지각의 변위가 일시에 발생하는 것이 아니며 수 분 동안 걸쳐 발생하기 때문에 약 5분에 걸친 수면 변위가 지진해일의 초기조건으로 사용된다. Fig. 3은 지진해일 시나리오별 초기 수면의 누적 변위를 제시한 것이며, 각 시나리오의 수면 변위는 Fig. 4에 보인 것처럼 수 분에 걸쳐 발생하는 해저지진에 의한 수변 변위 조합으로 구성된다.
본 연구에서는 이 수면 변위 데이터를 지진해일 수치모의의 초기조건으로 직접 활용하였으며, 이를 통해 지진해일의 발생 위치와 규모 등에 관한 다양한 불확실성이 우리나라 연안에 미치는 영향을 종합적으로 고려하였다. 지진해일 전파 수치모의 시 시간별 초기 수면 변위 자료를 직접 입력자료로 활용하였으며, 이에 따라 별도의 단층 파라미터나 지진해일의 초기 수면 변위 모델(Mansinha and Smylie, 1971) 은 사용하지 않았다.
3. 결과 분석
3.1 지진해일고 분포
11개의 지진해일 시나리오에 대한 수치모델링 결과, 난카이 트러프에서 발생한 지진해일은 대부분 태평양으로 전파한다. 11가지 지진해일 시나리오에 대한 광역 영역에서의 최대 지진해일고 분포도를 Fig. 5에 제시하였다. 지진해일은 큐슈섬에 의해 대부분 차폐되며, 서쪽으로 진행하게 되는 지진해일의 대부분은 중국 상해 방향을 향한다. 우리나라로 내습하는 지진해일은 Fig. 6에 보인 바와 같이 굴절 및 회절효과로 인한 해일이다. 11개의 시나리오 중 비교적 우리나라와 근접한 위치에서 발생하여 중국 및 우리나라 방향으로 지향성을 강하게 보인 시나리오 4번, 5번, 10번, 11번에 대하여 최대 지진해일고 분포를 Fig. 7에 제시하였다. 우리나라 남해안은 지진해일의 주 전파 방향에 위치하지 않기 때문에 개방 해역에서는 1 m가 넘는 지진해일고는 확인되지 않았으며, 연안에서도 진도 인근, 여수·광양, 통영 서부, 화순(제주) 등 비교적 폐쇠적인 해역에서 높았으며, 최대해일고는 0.2 m~0.6 m 범위에서 나타난다. 특히 제주 남서부 화순항(모슬포 일대)에서는 0.6 m 정도의 해일고가 나타나는데 이는 제주 남서부의 오목한 지형으로 인한 영향으로 인한 것이다(Jho et al., 2016). 지진해일의 직접적인 영향권에 있는 위치가 아니기 때문에 시나리오별 상대적인 차이는 소폭 있으나 절대적인 차이는 미미한 수준이다. 그러나 본 연구에서 항만이나 연안에서의 지형 효과나 해안 형상을 충분히 확인 할 정도로 수치모의를 상세하게 수행하지 않았기 때문에 연안에서의 효과에 대해서는 별도의 검토가 필요할 수 있다.
3.2 유속 분포
지진해일에 의한 최대 유속의 분포는 최대해일고와는 다른 양상을 보였다. Fig. 8은 Fig. 7에 보인 바와 같이 지진해일 시나리오 4개(4번, 5번, 10번, 11번)에 대하여 지진해일에 의한 최대 유속 분포를 나타낸 것이다. 지진해일고가 폐쇠적인 지역에서 커지는 경향이 있다면, 유속은 섬과 섬 사이 또는 섬과 육지 사이의 좁은 수로에서 빨라지는 특징을 보여준다. 이는 지진해일 에너지가 좁은 수로에 집중될 때, 해일고가 상승하기보다 유속이 증가가 더 커지는 방향으로 나타난 것이다. 이러한 경향은 진도군 동측 해역, 고성만, 여수·광양만, 통영시 서측 해역 및 진해만 입구뿐만 아니라 수로 폭이 좁아지는 모든 영역에서 확인할 수 있으며, 0.2 m/s에서 국지적으로 0.4 m/s 정도의 유속이 발생하는 것으로 나타났다.
Fig. 9는 시나리오 5번에 대하여 최대 지진해일고와 최대 유속의 분포를 남해안의 서부, 동부, 그리고 제주도 근해를 확대한 것이다. 섬 사이나 좁은 수로에서 상대적으로 빠른 유속이 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 제주도의 남서측 해역은 개방 해역임에도 불구하고 유속이 비교적 강하게 나타났으며, 국지적으로 0.4 m/s 이상의 강한 흐름이 발생하였다. 이는 비교적 지진해일의 영향을 상대적으로 직접 받는 위치하고 있으며, 마라도와 제주도 사이의 해역이 수심이 비교적 얕아 유속이 크게 나타나는 것으로 판단된다. 면밀한 검토를 위해서는 보다 상세한 격자 조건으로 수치모의가 필요하다. 지진해일에 의한 최대 유속 분포 또한 시나리오별로 최대 유속의 차이는 있지만 전반적인 분포의 경향은 시나리오간 유사한 경향을 보여주었다.
3.3 시계열 분석
지진해일고와 지진해일에 의한 유속의 시간별 변화 추이를 확인하기 위하여 4번, 5번, 10번, 11번 시나리오를 대상으로 진도, 고성, 여수, 진해, 통영, 화순 인근의 총 6개 지점에서의 해일고와 유속의 시계열을 추출하였다. 추출 지점은 Fig. 10에 제시하였고, 추출한 지진해일고 시계열과 지진해일에 의한 유속 시계열은 각각 Figs. 11 and 12에 제시하였다.
검토 대상 시나리오의 지진해일 발생 시, 약 200분~250분(약 3.3시간~4.1시간)부터 제주 화순을 시작으로 하여 지진해일로 인한 수위 변화가 나타나기 시작한다. 진도, 고성, 여수, 통영에서는 약 0.25 m정도의 최대해일고가 발생하는 것으로 나타났다. 최남단 지점인 화순에서는 0.6 m 수준의 해일고가 나타났다. 난카이 지진해일의 첫 해일고가 내습한 후 약 200분(약 3시간) 뒤에 두 번째 해일이 내습하는 양상을 보여주나, 공진 등으로 인해 두 번째 해일고가 첫 번째 해일고보다 커지는 경향이 확인되지는 않았다.
지진해일로 인한 유속은 지진해일고와 유사하게 지진해일 발생 후 200분~250분 후에 나타났으나, 지진해일 발생 후 150분이 경과한 시점부터도 유속 변화가 확인되었다. 또한, 지진해일에 의한 유속은 대부분의 지점에서 첫 번째 최고유속 발생 후 두 번째, 세 번째 최고유속이 더 커지는 경향이 확인되었다. 이와 관련해서는 상세역 수치모의를 통한 면밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
지진해일에 의한 유속은 진해와 화순에서는 최대 0.1 m/s, 진도, 고성, 여수·광양, 통영에서는 0.2 m/s~0.3 m/s 수준으로 나타났다. 지진해일 유속의 변동 주기는 지진해일고의 변동 주기보다는 짧은 특성을 보여주었다. Korea Hydrographic and Oceanographic Agency (KHOA, 2024)에 따르면 우리나라 인근 해역에서의 유속은 여수서 평상시에는 0.1 m/s 이하의 수준이며, 창조류나 낙조류 발생 시 최대 약 0.5 m/s~0.8 m/s 정도이다. 진해만 입구에서는 창조류 0.5 m/s, 낙조류 0.7 m/s, 평균류는 0.06 m/s의 유속이 관측되었다. 지진해일이 내습하더라도 대부분의 해역에서 지진해일 유속에 의한 영향은 평상시 조류와 유사한 수준일 것으로 예상되나 조류의 흐름 방향과 일치하는 경우, 강한 유속이 발생할 수 있다.
Lynett et al. (2014)는 캘리포니아 Crescent City를 대상으로 지진해일 유속의 위험도를 분석하여, 연안에서 발생하는 유속이 3 knot (≈1.5 m/s) 이상으로 증가하면, 유의미한 피해가 발생할 수 있다고 제안하였다. 본 연구의 수치모의가 연안이나 항만의 해안선 조건을 고려할 수 있는 만큼 상세한 조건에서 수행되지 않았기 때문에 Lynett et al. (2014)의 기준으로 위험 여부를 판단하기는 무리가 있다. 그러나 항 인근 방파제의 제두부 등에서는 유속이 매우 강해지고, 와류가 생성될 수도 있기 때문에 예상치 못한 피해가 발생할 수 있어 운항 중인 선박 등에 대해서는 유의할 필요가 있으므로(Jho et al., 2017), 항 인근에서는 추가적인 검토가 필요할 것으로 보인다.
3.4 고찰
본 연구에서 수행한 수치모델링 결과를 통해 난카이 트러프 지진해일이 우리나라 남해안에 미치는 영향에 대하여 검토한 사항과 한계사항을 다음과 같이 정리하였다.
3.4.1 수치모델링의 불확실성 및 해석의 주의점
먼저, 본 연구는 150 m 해상도의 격자를 사용하였기 때문에 항만 내부나 특정 해안에서 발생하는 범람 및 처오름 현상, 항만 외곽시설에 인근에서 발생하는 와류 등을 정밀하게 모의하는 데 한계가 있다. 따라서, 난카이 트러프 지진해일이 남해안에서 보여주는 전반적인 경향만을 보여줄 수 있으며, 연안에서의 수심, 지형, 해안 구조물 등의 영향을 고려한다면 본 연구의 계산 결과보다 더 높은 해일고나 유속이 나타날 수 있다. 그러므로 본 연구의 절대적인 수치를 확인하기보다는, 남해안 전역에 걸친 지진해일고 및 지진해일로 인한 유속 분포의 경향성과 상대적인 위험 지역을 식별하는 데 주안점을 두고 활용할 필요가 있다.
3.4.2 지리적 특성에 따른 영향
우리나라 남해안은 일본 큐슈섬에 의해 지진해일의 직접적인 전파가 상당 부분 차폐되는 지리적 위치에 있다. 이에 따라 큐슈섬 배후로 굴절 및 회절된 지진해일이 우리나라로 전파되는 것이므로, 지진해일의 영향이 약하기 때문에 11개의 다른 시나리오에도 불구하고 해일고나 유속의 전체적인 분포가 유사한 것으로 판단된다. 그럼에도 비교적 남측에 위치하고 지형적으로 폐쇠적인 제주 화순항(모슬포 일대)에서는 0.6 m 수준의 지진해일고가 내습하는 것으로 확인되었으며, 진도, 고성, 여수, 통영 등 남해안의 좁은 해역에서 국지적으로 평시보다 강한 0.2 m/s~0.4 m/s 수준의 유속이 지진해일에 의해 발생하는 것으로 나타났다.
3.4.3 장시간 지속하는 재난에 대응하는 기준 다각화
시계열 분석을 통하여 난카이 트러프 지진해일의 첫 해일파가 도달한 이후에도 수 시간에 걸쳐 해일고와 유속의 변동이 반복적으로 나타나는 것을 확인하였다. 우리나라 기상청에서는 해안가에서 0.5 m 이상 1.0 m 미만의 해일고가 예상되는 경우는 지진해일 주의보, 1.0 m 이상의 지진해일고가 예상되는 경우는 지진해일 경보를 발령한다(KMA, 2024). 따라서, 본 연구에서 검토한 결과에 기반하면 남해안 전반에서는 지진해일로 인한 특별한 영향은 없을 것으로 예상된다.
또한, 대부분 지역에서 첫 번째 해일이 내습한 후 두 번째 해일고가 작아지기 때문에 시간이 지나면서 지진해일 대응 수준이 완화될 수 있다. 그러나, 지진해일에 의한 유속은 첫 번째보다 이후에 내습하는 두 번째에서 더 큰 경우가 발생할 수 있기 때문에 선박 운항, 항만 운영이나 어업 조업 등의 분야에서는 다른 조치가 필요할 수 있다. 지진해일에 의한 유속에 대한 위험 기준을 수립하고자 Lynett et al. (2014)과 Kim and Cho (2014) 등의 연구가 수행된 바가 있으나, 재난 경보 기준으로서 아직 규정화되지는 않았다. 난카이 트러프 지진해일로 인해 남해안에서 발생하는 유속의 절대 수준은 창조류나 낙조류 시에 발생하는 수준보다 낮아 심각한 피해로 귀결될 확률은 낮으나 육상과 해상 영역에서 재해 대응에 영향을 주는 인자의 차이로 인하여 재해 대응체계에 혼선이 발생할 수 있으므로, 이에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 일본 내각부에서 제시한 11개의 난카이 트러프 거대지진 시나리오를 바탕으로 분산 보정된 천수방정식 모델을 이용하여 지진해일이 우리나라 남해안에 미치는 영향을 해일고와 유속 관점에서 종합적으로 분석하였다.
난카이 트러프 지진해일은 큐슈섬의 차폐 효과로 인해 남해안에 도달하는 에너지가 상당 부분 감소하고, 굴절 및 회절을 통해 입사하게 된 지진해일의 영향을 받는다. 최대 지진해일고와 최대 유속은 서로 다른 공간적 분포를 보였는데, 해일고는 비교적 폐쇄적인 지형에서 높게 나타냈으며, 유속은 수로 폭이 좁아지는 지역에서 증가하였다. 난카이 트러프 지진해일에 의한 최대 해일고는 제주 화순에서 0.6 m로 나타났으며, 남해안 전반에서 0.25 m 정도의 해일고가 발생할 것으로 평가되었다. 최대 유속은 진도 및 여수·광양 인근에서 0.3 m/s 정도로 나타났다.
난카이 트러프 지진해일의 영향은 일회성으로 끝나지 않고, 해일고와 유속의 변동이 12시간 이상 동안 지속되었다. 지진해일고는 시간이 지나며 점차 작아지는 경향을 보여주었으나, 유속은 시간이 지나면서 더 강하게 발생하는 경향을 보여주었다. 이는 해일고를 기반으로 하는 육상 대응체계와 유속을 기반으로 추가 검토가 필요한 해사·항만 분야의 대응 체계간의 불일치를 유발할 수 있어, 육상과 해상에서의 재난 대응의 구별이 필요할 수 있다. 본 연구의 결과는 최근 큰 우려를 보이는 난카이 트러프 지진으로 인한 지진해일이 우리나라 남해안에 미치는 영향 검토와 이와 관련한 방재 대책 수립을 위한 기초자료로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.














