An Overview of Operations and Applications of HF Ocean Radar Networks in the Korean Coast

한국연안 고주파 해양레이더망 운영과 활용 개관

Abstract

This paper aims to i) introduce the characteristics of HF ocean radar and the major results and information produced by the radar networks in the Korean coasts to the readers, ii) make an up-to-date inventory of the existing radar systems, and iii) share the information related to the radar operating skill and the ocean current data application. The number of ocean radars has been showing a significant growth over the past 20 years, currently deploying more than 44 radars in the Korean coasts. Most of radars are in operation at the present time for the purposes related to the marine safety, tidal current forecast and understanding of ocean current dynamics, mainly depending on the mission of each organization operating radar network. We hope this overview paper may help expand the applicability of the ocean radar to fisheries, leisure activity on the sea, ocean resource management, oil spill response, coastal environment restoration, search and rescue, and vessel detection etc., beyond the level of understanding of tidal and ocean current dynamics. Additionally we hope this paper contributes further to the surveillance activity on our ocean territory by founding a national ocean radar network frame and to the domestic development of ocean radar system including signal processing technology.

본 논문은 고주파 해양레이더의 특징과 한국 연안해역에서 해양레이더망으로 생산된 주요 결과와 정보를 독자들에게 소개하고, 현존하는 레이더의 운영현황 목록을 만들며, 레이더 운영기술과 해류자료 활용에 관한 정보를 공유하고자 한다. 지난 20여년 동안 국내의 해양레이더 수는 현저히 증가하여 현재 44기 이상이 연안에 배치되어 있다. 대부분의 레이더는 주로 레이더 운영기관의 임무에 따라 해양안전, 조류예보 그리고 해류역학 이해를 목적으로 운영하고 있다. 논문 저자들은 본 논문이 해양레이더의 활용성을 조류와 해류역학 이해의 수준을 넘어서 어업, 해양레저활동, 해양자원 관리, 유류유출 대응, 연안환경 복원, 조난자 수색구조, 선박탐지 등으로 확장하는데 도움이 되기를 바란다. 이와 더불어 본 논문이 국가 해양레이더망 체계를 설립하여 해양영토 감시활동에 기여하고, 신호처리 기술을 포함한 국내 해양레이더 시스템을 개발하는데도 기여하기를 바란다.

요약

본 논문은 고주파 해양레이더의 특징과 한국 연안해역에서 해양레이더망으로 생산된 주요 결과와 정보를 독자들에게 소개하고, 현존하는 레이더의 운영현황 목록을 만들며, 레이더 운영기술과 해류자료 활용에 관한 정보를 공유하고자 한다. 지난 20여년 동안 국내의 해양레이더 수는 현저히 증가하여 현재 44기 이상이연안에 배치되어 있다. 대부분의 레이더는 주로 레이더 운영기관의 임무에 따라 해양안전, 조류예보 그리고 해류역학 이해를 목적으로 운영하고 있다. 논문 저자들은 본 논문이 해양레이더의 활용성을 조류와 해류역학 이해의 수준을 넘어서 어업, 해양레저활동, 해양자원 관리, 유류유출 대응, 연안환경 복원, 조난자 수색구조, 선박탐지 등으로 확장하는데 도움이 되기를 바란다. 이와 더불어 본 논문이 국가 해양레이더망 체계를 설립하여 해양영토 감시활동에 기여하고, 신호처리 기술을 포함한 국내 해양레이더 시스템을 개발하는데도 기여하기를 바란다.

1. 서론

해양레이더는 해안가에서 고주파대역(HF/VHF) 전자기파를 바다를 향해 송출하고 해면에서 반사되어오는 신호를 분석하여 광역에 걸친 표층해수의 유동속도를 고밀도로 동시에 측정한다. 시간적으로는 장기간에 걸쳐 시간 간격으로 연속하여 측정하는 원격탐사 장비이고, 풍랑과 해상풍 정보를 생산하며 선박탐지와 추적도 가능하다(Barrick, 1978; Paduan and Graber, 1997; Paduan and Washburn, 2013; Maresca et al., 2014). 해류(조류 포함)는 해수의 이동을 결정하는 가장 중요한 인자이며, 해양학적 연구뿐만 아니라, 연안어족자원 관리, 어업활동, 선박안전운항, 적조와 유출유류에 대응, 인명수색과 구난 등 현업활동에 필수적인 해양환경 정보이다. 특히 해양재난에 대한 대응과 복원에 종사하는 업체와 관련기관은 공간적으로 고밀도 그리고 실시간으로 연속하여 제공되는 해류 측정자료를 요구한다. 이러한 요구조건의 해수유동 정보는 선택된 몇 정점들에서 해수이동을 측정하는 전통적인 방법으로 생산하기 어렵지만 고주파 해양레이더(HF ocean radar)는 상기 요구조건에 부합하는 현장정보를 생산, 제공할 수 있다.

Barrick et al.(1977)이 해양레이더를 실용화한 이후 해양레이더는 0.5-50 km의 특성길이 규모(characteristic length scale)를 갖는 표층 유동장 자료를 연안에서 최대 200 km 거리까지 준 실시간으로(near real-time) 제공하는 수준으로 발전하였다. 현재 세계적으로 400기 정도의 해양레이더가 운영되고 있고, 동아시아 및 오세아니아 지역에서는 120기 정도가 운영되고 있다(Fujii et al., 2013; Rubio et al., 2017). 한국에서는 1992년 서해 군산연안에서 해양레이더로 표층 유속장을 시험 측정한 후 1999년부터 부경대학교가 처음으로 해양레이더를 도입/운영하였으며, 최근에는 국립해양조사원, 한국해양과학기술원, 서울대학교, 군산대학교, 한국수자원공사, 국립수산과학원 등에서 44기 이상의 해양레이더를 보유하고, 각 기관의 레이더 활용 목적에 따라 동해, 남해 및 서해 연안역의 해류장 자료를 생산하고 있다.

첨단과학기술이 적용된 원격탐지 장비인 해양레이더로 측정하는 자료의 질과 양은 레이더를 운영하는 기술과 신호 및 자료처리 방법에 따라 달라진다. 2011년 11월에 한국해양레이더포름(Korea Ocean Radar Form, KORF)이 결성되어 해양레이더 관리자, 자료 이용자 그리고 해양학자들이 운영과 자료처리 기술, 자료분석 결과 등을 교환하여 자료의 질과 양 제고와 레이더 활용에 노력하고 있다. 2012년 5월에는 한국이 주관하여 Ocean Radar Conference for Asia-Pacific (ORCA) 학술대회를 설립하고 아시아 지역 국가간 해양레이더 운영/관리기술과 생산된 자료를 이용한 연구결과와 정보를 공유하고 교환하기 위해 제 1회 학술대회 서울에 개최하였으며(Lee and Heron, 2013), 격년주기로 대만과 중국에서 개최되었고 2018년에는 일본에서 개최될 예정이다. 하지만 아직까지 국내에서는 레이더 기술과 자료활용에 관련된 타 학문분야에 해양레이더가 충분히 소개되지 않고 있다.

본 논문은 1) 해양레이더의 특징과 기능, 한국 연안해역에서 해양레이더로 생산되는 자료와 정보의 특성 및 주요 결과를 소개하고, 2) 해양레이더 생산자료가 해양 연구, 해운/항만 및 수산분야뿐만 아니라 해양관광과 레저, 해양 자원관리와 환경보전, 조난자 수색구조, 선박탐지 등에 널리 활용되게 하며, 3) 배타적 경제수역(EEZ)까지 해양영토 관리와 감시에 도움이 되고, 또한 국내 해양레이더 개발과 신호처리 기술의 발달에도 기여함을 목적으로 한다. 제 2장에서 해양레이더의 주요 특징들을 소개하였으며, 제 3장에서 한국연안 해양레이더 운영현황과 국내 레이더 개발동향을 소개하고, 제4장에서 해양레이더로 관측된 해수유동의 주요 결과와 국내외의 자료 활용분야를 살펴보며, 마지막으로 토의와 결론을 제시하였다.

2. 해양레이더의 특징

1) 해류 측정 기본원리

Crombie(1955, 1972)는 고주파대역 전자기파(파장 λ_r,주파수 f₀, 파속 C = f₀ × λ_r = 3 × 10⁸ m/s)를 바다로 송출하고 바다(해수면)에서 돌아오는 신호를 분석하였을 때 비행기나 선박 등에서 반사되어오는 신호에 비해 독특하고 유일하며 우세한 스펙트럼 피크(peak)를 발견하였다(Fig. 1). 이 피크는 송출주파수 f₀와 분리되어 뚜렷이 나타나는 Doppler 스펙트럼 피크로서 주파수 변이가 f₀^1/2 에 비례하며, 스펙트럼 세기가 일반물체로부터 반사된 피크들에 비해 현저히 강하고 레이더로 다가오거나 멀어지는 해파의 파고에 비례하였다. 이러한 특징을 갖는 스펙트럼 피크는 특정한 파장을 갖는 해파 군(Bragg wave train, 파장 L = λ_r/2)에 의해 선택적으로 반사된 전자기파가 보강간섭(constructive reinforcement) 작용을 통해 나타나는 Bragg 공명에 의한 현상으로 해석하며 ‘Bragg scattering’이라고 한다.

Fig. 1. Doppler spectrum of backscattered HF radio wave from the sea surface (Gurgel et al., 1999).

Barrick(1972)은 Doppler 스펙트럼에서 1순위(first order) 피크와 그 주변에 나타나는 2순위(second order) 피크를 구분하였으며(Fig.1), Barrick(1977)과 Weber and Barrick(1977)은 1순위 피크가 해류정보를 담고 있고 2순위 피크가 파랑정보를 담고 있다고 하였다. Barrick et al.(1977)은 이러한 스펙트럼의 특징으로부터 해수유동에서 가장 중요한 요소인 표층 해류속도를 획득할 수 있는 점에 착안하여 해류를 원격으로 측정하는 해양레이더를 개발하였으며, 이후 사용전파의 파형개선, 수신 신호 방향 분해능과 측정 가능한 범위 개선, 측정한 해수유동 속도의 정확도 개선, 레이더 설치/운용의 용이성 등의 기술이 발전되어 왔다.

해양레이더가 해류를 측정하는 기본원리를 간단히 소개하면 다음과 같다. 해양에서 표면파(sea surface wave)는 파장(L)과 해양수심(h)의 비율에 따라 해저면의 영향을 전혀 받지 않는 심해파(L < h/2)와 해저면의 영향에 지배되는 천해파(L > h/20)로 구분되며 파의 속성 (수립자 운동과 위상속도 등)이 크게 달라진다. 해양레이더는 Bragg wave가 항상 존재하며 심해파라는 전제에서 개발되었다. 해양레이더의 관측해역 내에 배경해류가 없는 경우, Bragg wave 위상속도는 V_b = (gL/2)^1/2 = (gλ_r/4π)^1/2 로 주어지고 이 파의 진행에 의한 주파수 변이는 Doppler shift 공식으로부터 Δf_b = 2V_b/λ_r = (g/πλ_r)^1/2 = (gf₀/πC)^1/2 가 된다(g는 중력가속도). 한편, 배경해류(U)가 있는 바다에서 Bragg wave가 진행할 경우에 레이더로 측정된 Doppler 피크의 주파수 변이 Δf에는 Δf_b와 더불어 배경해류 속도에 의한 변이(Δf_c)도 포함되어 있다; Δf= 2(V_b + U)/ λ_r = Δf_b + Δf_c. 따라서 이론적으로 얻어지는 Δf_b를 Δf에서 제거하여 Δf_c를 산출하면 배경해류 속도 U = Δf_cλ_r/2가 얻어진다. 여기서 U는 방사상 속도(Radial velocity)로써 해류속도의 방사상 방향(레이더로 다가오거나 멀어지는 방향) 성분이다. 따라서 한 지점의 해류 크기와 방향을 구하기 위해서는 최소한 두 곳의 레이더가 동시에 U를 측정하고 이들을 vector 합성해야 한다.

2) 주요 특징과 기능

해양레이더는 수직으로 편광된 전파신호를 사용하는데(Barrick, 1971), 이는 해수가 고주파대역(HF/VHF) 전파에 아 좋은 전기적 도체이기 때문이다. 수 편광된 전자기파는 전기장 벡터의 방향이 해면을 향하기 때문에 ground mode에서 해수면을 따라 수평선 넘어(over-the-horizon) 먼 거리까지 전파할 수 있다(Crombie,1972). 따라서 수직 편광된 고주파 전파를 송출하는 해양레이더는 넓은 지역의 표층 흐름속도를 동시에 원격으로 측정할 수 있다. 이 특징이 일반레이더와는 구분되는 중요한 해양레이더의 기능이자 장점이다. 더구나 해양레이더는 해안에 설치하여 운영관리가 경제적(저가 및 저전력 사용)이고 친환경적이다.

근래 고주파 해양레이더는 pulsed FMICW (Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave) 혹은 pulsed FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) 형태의 전파를 송출한다. 송출 주파수가 변조되는 동안의 변조폭(band width, Bw)에 따라 거리분해능 ΔR = C/2Bw가 된다. Bw = 100kHz이면 거리분해능은 1.5 km이다. 최대 사용전력은 100w 미만이고, 최대 탐지거리는 사용주파수에 따라 다르며 단거리용인 42-43 MHz의 경우 15 km, 중거리 표준형인 25 MHz의 경우 45 km와 13 MHz의 경우 90 km, 그리고 장거리용인 5 MHz는 150 km 정도이다. 전파송신 출력과 안테나 방식에 따라 탐지거리가 달라지지만 국제 전파규약과 국내 규정에 의해 전파출력은 제약을 받는다(ITU-R, 2012; MSICT, 2014).

상용화된 해양레이더는 수신신호의 방위분해 기술에 따라 두 종류로 대별된다(Barrick and Lipa, 1999; Gurgel et al., 1999; Joseph, 2014). 한 종류는 4개의 수직안테나를 정사각형으로 설치하여 빔 방향탐지 방법을 적용하거나(Fig. 2(a)), 혹은 crossed-loop를 구성하는 수직, 수평안테나가 한 몸체를 이루는 compact형 안테나를 사용하여 MUSIC(Multiple Signal Classification) 알고리즘으로 수신신호의 방향을 탐지하는(direction finding) 기술을 적용한다(Fig. 2(b); Seasonde, http://www.codar.com/). 다른 종류는 여러 개의 수직안테나를 일렬로 설치하는 위상배열(phased-array)형 안테나를 사용하여 빔 조향(digital-beam-forming) 방법으로 수신신호의 방향을 탐지한다(Fig. 2(c); WERA, http://www.helzel.com/de/90297-antenna-systems). 정사각형 안테나는 90° 범위를 탐지하고, Compact형 안테나는 전 방향의 신호를 수신할 수 있으며, 위상배열형 안테나는 안테나 수에 따라 90°-120° 범위를 관측할 수 있다. 해양레이더의 수신신호 방향분해능(Δθ)은 5° 내외이다.

Fig.2. Receive antenna types f HF ocean radar using direction-finding (a, b) and beam-forming (c) methods to obtain the radial velocity. (d) Radial velocities from the two HF ocean radars in the west coast of Korea.

해양레이더가 측정한 방사상 속도는 극좌표계에서 거리와 방향 분해능에 의해 안테나로부터 거리 R에서 면적(range cell) ΔA = ΔR × (RΔθ) 내 Doppler shift의 시·공간적 평균치를 사용하여 구해지고, ΔA의 중앙점에서의 속도로 표현된다(Crombie, 1972; Lipa et al., 2006). ΔA는 안테나로부터의 거리 R에 따라 증가하여 공간적 분해능이 감소한다(Fig. 2(d)). 해양에서 주된 해수유동 요소인 해류나 조류의 수평적 특성길이 규모가 적어도 수 km 이상이고 특성시간 규모도 수 시간 이상이므로 해양레이더는 소규모 난류(turbulent flow)를 제외한 해수 유동을 측정한다. 한편, 관측해역을 일정한 간격의 직교 격자로 구성하고 동시에 측정된 방사상 속도들을 각 격자점에서의 속도로 보간하여 변환하는 기술이 개발되어(Lipa and Barrick, 1983; Kim et al., 2006, 2007, 2008b; Fredj et al., 2016; Hwang et al., 2010) 해류 정보를 공간적으로 규격화하고 가시화하기에 편리해졌고, 해류정보 생산효율도 높아졌다. 격자망 해류자료를 해도상에 도면화하여(mapping) 시각적 정보로 제공하는 방법도 발달하였고(Barrick et al., 1979) 인터넷 web망을 통한 준-실시간 정보제공이 가능하다.

해양레이더가 송출하는 고주파가 수중을 투과하는 깊이는 5 cm 미만이다(Joseph, 2014). 한편 해양레이더가 측정하는 표층해류의 깊이는 Bragg wave 수립자 운동이 일어나는 깊이에 관련된다. 파수 k = L/2π 인 Bragg wave는 수립자 운동이 수직적으로 감소하고 배경해류도 수직구조 U(z)를 가진다. 따라서 해류 U(z)가 Bragg wave를 이동시키는 효과는 2k∫U(z)exp(-2kz)dz가 되어, 위상속도는 V=Vb∓2k∫U(z)exp(-2kz)dz 로 표현된다. Collar(1993)는 U(z)가 linear, exponential, logarithmic 함수 구조일 때, 레이더가 해류를 측정하는 깊이는 각각 λ_r/8π , 0.7λ_r/8π , 0.011λ_r가 됨을 제시하였고, 고주파 대역의 경우 해류측정 깊이는 대략 0.5-3 m 정도이다.

전파를 이용한 원격탐지는 기상악천후 상황에서도 정보를 연속적으로 획득하는 장점이 있. 하지만 해양에는 다양한 주기의 운동들이 중첩되어 존재하므로 변동주기가 큰 해류 등의 특정 요소에 대한 정보를 얻을 때에는 자연적(번개, 낙뢰, 전리층 반사, 강풍 등) 혹은 인공적(도시잡음, 단파통신과 방송, 선박 및 항공기 이동, 해상풍력발전기 등) 현상에 의한 전파 반사, 교란과 간섭으로 수신신호에 잡음(noise)이 나타난다. 펄스를 한번 송출하여 신뢰성 있는 해류정보를 얻을 수 없으므로 현실적으로 자료의 신뢰도를 높이기 위하여 연속으로 전파를 송출하고 적어도 수 십분동안의 수신신호를 분석한 Bragg 스펙트럼으로부터 해류정보를 도출한다. 따라서 해류정보는 대부분 0.5-1 시간간격으로 생산된다.

해양레이더가 수신한 신호에서 신호잡음 비율(S/N ratio)은 해수 유동정보의 정확도에 큰 영향을 미친다. 해양레이더로부터 양질의 정보를 얻기 위해서는 우선적으로 탐지대상 해역의 전파환경을 조사하여 가장 잡음이 적은 주파수대역을 찾아 사용주파수로 선택해야 한다. 한국은 장거리용 5 MHz, 표준형(중거리용) 13 MHz 와 25 MHz, 단거리용 42-43 MHz 대역에서 해양레이더의 사용주파수와 동조대역폭(Bw)을 실험용으로만 허가하고 있다. 한국 연안에서는 25 MHz와 42-43 MHz 대역에서 잡음이 적으며, 13 MHz 대역과 5 MHz 대역에서 잡음이 많다(Song, 2016).

고정된 장소에서 발생하는 전파잡음은 특정방향에서 발생하므로 잡음이 오는 방향에서 신호잡음 비율이 낮아지고, 관측해역 내에 섬, 큰 해양구조물이 있는 경우도 수신신호 강도가 낮아져 1 순위 스펙트럼 피크의 감소로 인해 방사상 속도가 구해지지 않거나 오류를 내포할 수 있다. 이러한 경우에는 일정한 거리에서 레이더 주변을 선회하며 사용주파수의 전파를 보내어 APM (Antenna Pattern Measurement)를 수행하고 이를 적용하여 해당방향의 수신신호를 강화해 주면 방사상 속도의 신뢰도를 높일 수 있다(Barrick and Lipa, 1986; Paduan et al., 2001, 2006; Kohut and Glenn, 2003; Washburn et al., 2017).

조류가 강한 한국 서해연안에서 25 MHz 해양레이더로 측정한 유속과 해류계로 측정한 유속의 비교에 의하면 두 유속의 상관계수는 0.9이상, RMS 오차는 7 cm/s 정도로서(Lee et al., 2008) 장비 제원에 제시된 정확도와 일치한다. 이러한 유속오차는 대부분 유속측정 깊이, 측정 면적 그리고 측정방법의 차이에 기인한다.

3. 한국연안 해양레이더운영 현황

1) 연혁과 운영현황

부경대학교가 처음으로 25 MHz Seasonde 해양레이더를 구입하여 1999년부터 동해남부 감포연안에서 운영하였다. 2000년대에 해양레이더를 운영하는 해역은 점차 확장되었으나, 운영이 중단되거나 레이더가 이전된 경우도 있다. 2017년 기 해양레이더에서 생산된 표층해류장 정보를 해역별, 레이더 site 별(굵은영어약자) 로 구분하여 Fig. 3에 도시하였고 운영현황은 Table 1과 같다. 본 절에서는 기관별 해양레이더 운영연혁을 2000년대와 2010년대로 구분하여 살펴보고 운영목적을 요약하였다.

Fig. 3. HF ocean radar networks observing surface currents around the Korean coast. Two bold alphabets in each small panel denote the radar sites in Table 1. Radio wave frequency band of HF radar sites are displayed with different symbol and colored circles.

Table 1. HF ocean radars operated in the Korean coasts on August 2017. See text for owners and Fig. 3 for site location

2000년대: 해양레이더의 활용가치를 인식하기 시작하여 레이더 운영기관이 증가하였고, 도입된 레이더는 모두 한국 해안지형에 적합한 compact형 안테나를 사용하는 Seasonde이다. 국립해양조사원(KHOA)은 2002-2004년에 한시적으로 인천항 항로의 해류와 조류(해조류) 관측을 위해 태안군 북측 연안(DS)에서 레이더를 운영한 바 있고, 2006년부터는 대형선박의 안전운항을 위하여 부산신항 연안(BS)에 레이더를 운영해오고 있다. 군산대학교(KNU)는 2002년부터 새만금 방조제가 건설되고 있던 서해 금강하구 연안역(KE)에서 plume 확장과 방조제 공사로 인한 조류 및 연안해류의 변화를 모니터링하기 위하여 해양레이더를 운영하고 있다. 서울대학교(SNU)는 부경대학교 레이더를 동해와 울진 연안(EM)으로 이전하여 2006년부터 동한난류와 북한한류의 변동을 관측한 바 있다. 한국해양과학기술원(KIOST)은 2009년부터 서해 새만금방조제 완성 후의 남측방조제 연안 해수유동 변화를 관측하기 위하여 7년간 군산대학교 관측망과 연계하여 레이더를 운영한 바 있다.

2010년대: 해양레이더 관측망이 확장되었다. 한국해양과학기술원(KIOST)이 2010년부터 제주도 북측연안(JS)에 레이더를 설치하여 제주해협의 해수유동을 모니터링하고 있다. 국립해양조사원은 2010년부터 남해 여수(YS) 연안에서 선박 출입항로의 해조류를 모니터링 하기 시작하였고 2014년부터 남해 여수-광양해만(YS, GY)에도 레이더를 추가하여 관측범위를 확장하였다. 2011년에는 남해 가덕도 주변에 레이더를 4기 추가하여 대한해협(KS) 서수도 해역까지 관측범위를 확장하였다. 2012년부터 2016년까지 경기만 남측 연안에 레이더 망을 재설치하여 인천항(IC), 평택항(PT), 당진항(DS) 그리고 대산항(TA)을 출입하는선박의 항해안전을 위한 해조류 정보를 제공하고 있다. 2013년에는 동해안 울산항(US 주변에 레이더망을 신규로 구축하여 유조선의 출입항해 안전을 위한 해수유동 정보를 생산/제공하고 있고, 포항항(PH) 주변에도 레이더망을 구축하였다. (주)해양정보기술은 2012-2015년에 한국에서는 유일하게 동해 임원항 연안에 위상배열형 안테나를 사용하는 WERA를 설치하여 연안해류와 풍랑을 관측한 바 있다.

국립수산과학원(NIFS)은 남해 연안에서 육상기원 오염물질로 인해 양식폐류들의 식품안전성에 문제가 발생할 수 있어 2014년부터 한산만(HS)과 자란만(JR)에서 오염물질의 이동과 확산 범위 및 체류시간 파악, 양식장 위생 및 어장공간 관리방안 마련에 활용하고자 단거리용 해양레이더를 운영하고 있다. 서울대학교는 2014년에 동해중부연안(EM) 레이더를 장거리용 5 MHz 레이더망으로 교체하였고, 2016년 12월부터 국립해양 조사원이 영덕과 칠포에 설치한 동해남부(ES) 레이더망과 연계하여 울릉도 주변까지 포함하는 광범위한 해역의 표층류 관측 레이더망을 구축하여 동해연안의 해수유동을 관측하고 있다. 한국수자원공사(K-water)는 2015년부터 시화호 조력발전소(ST) 유출수 유동을 모니터링하기 위해 단거리용 레이더를 운영하고 있다. 군산대학교는 서울대학교에서 운영하던 부경대학교 레이더를 관리이전 받아 2016년부터 태안 연안에서 어청도 외해까지 관측하는 서해중부(WM) 레이더망으로 확장하였다.

2017년 8월 기준으로 국내에서 해류자료를 생산하는 해양레이더의 사용주파수, 주파수변조 폭(Bw), 거리 분해능(ΔR), 레이더 수는 Table 1과 같고 모든 기관에서 Seasonde를 운영하고 있다. 사용주파수 별로 레이더 수를 구분해 보면 장거리용 5 MHz 레이더는 4기이고, 중거리용으로 13 MHz 레이더 6기와 25 MHz 레이더 16기이고, 단거리용 42-43 MHz 레이더는 18기로서 총 44기이다. 거리 분해능 ΔR은 장거리 레이더가 5 km, 중거리용의 경우 0.75-3 km, 단거리용은 0.25-0.5 km로 운영하고 있다. 해역별로는 서해안에 17기, 제주도와 부산 사이 남해안에서 19기, 그리고 동해안에서 8기가 운영되고 있다. 이 외에도 서해 경기만 북쪽과 동해 접경지역 연안에도 다수의 해양레이더가 운영되고 있지만 보안상 이유로 일반인은 관측정보를 알지 못한다.

해류와 조류는 장거리 운항 선박의 항해시간과 항구에 입출항하는 과정에서 선박안전에 많은 영향을 준다. 선박 항로유지와 항해안전 정보제공이 주 임무인 국립 해양조사원은 레이더를 경기만의 주요 항만과 부산항, 광양항, 울산항, 포항항 주변 연안에 대부분의 레이더를 설치하고 해수유동 정보를 선박과 일반인에게 제공하고 있다. 한국해양과학기술원, 서울대학교, 군산대학교, 한국수자원공사, 그리고 국립수산과학원은 주로 연안해역의 조류특성, 해류 및 순환 등에 관심을 두고 있으며, 하구에서 유출되는 plume의 확장과분산, 연안개발의 영향, 해협과 연안해역의 해류 및 물질순환연구를 위해 레이더를 운영하고 있다. 최근에는 국립해양조사원이 대한해협에서의 대마난류를 모니터링하고, 서울대학교와 공동으로 동해안과 울릉도를 잇는 해역의 동한난류 변동과 연안역 순환 등을 모니터링 하기 위하여 관측망을 확장하였다. 서울대학교는 해류의 신뢰도 검증 및 해상풍과의 상관성을 분석하기 위하여 서울대학교 해양 연구소에서 운용하는 연안해양모니터링 부이(ESROB)와 기상청 동해부이 및 국립해양조사원이 운영하는 울릉도 북서 해양관측부이의 표층 해류자료와 바람 자료를 활용한다.

2) 국내 해양레이더 개발

2010년대부터 해양레이더의 필요성과 활용범위가 증가함에 따라, 독자적인 국내 기술확보의 필요성이 대두되었다. 초기에는 사용자가 느끼는 장비의 수리비용과 기간의 불편함 때문이었지만 레이더 관측신호를 사용자가 원하는 해류, 파고 등의 물리량으로 변환하는 과정이 공개되어 있지 않아, 결과 값에 대한 다양한 검증과 분석이 힘든 실정도 국내개발의 당위성을 부여하였다. 해양레이더의 국내 연구개발은 해양수산부 미래해양 기술개발 과제를 통하여 (주)에스이티시스템이 2015년부터 진행하였고, 2017년 4월부터는 개발된 해양레이더를 이용하여 서해 변산연안에서 성능평가와 자료처리를 위한 장기관측을 수행하고 있다. 또한 레이더가 측정한 산란신호를 해류의 속도 값으로 변환하는 알고리즘을 자체 개발하여 자료처리에 적용한 후 기존의 국외 제품의 결과와 비교검증하고 있다. 본 절에서는 해양레이더의 국내개발 현황을 하드웨어와 자료처리 소프트웨어 관점에서 살펴보고자 한다.

(1) 하드웨어 개발 현황

해양레이더는 안테나, 송수신부, 제어부, 출력증폭을 위한 파워앰프로 구성되며, 일반적인 하드웨어 구성도는 Fig. 4와 같다. 송수신부의 핵심기능은 위상잡음이 적은 선형의 송신신호를 생성하여 안테나를 통해 바다를 향해 송출하고 해수면으로부터 반사된 산란신호를 저잡음의 넓은 동적 영역을 가진 수신기를 이용하여 수신 하는 것이다. 국내 개발된 레이더는 디지털 신서사이즈(Direct Digital Synthesizer)로 선형의 톱니형 파(FMCW)를 만든 후, 스위치를 사용하여 초당 1024번씩 열고 닫는 방식으로 신호를 송·수신하고 송신신호와 수신신호의 주파수 차이를 이용하여 거리에 따른 해수면의 정보를 취득한다. 이렇게 선형의 톱니형 파를 스위치를 이용하여 열고 닫는 방식으로 송신하는 것을 FMICW 방식이라고 부른다. 국내 개발된 레이더는 FMICW를 사용하고 있다. 기준이 되는 시각조절을 위해서는 보통 10 MHz에서 동작하는 정밀한 발진기(Oven-Controlled Crystal Oscillator)를 사용하였다. 사용주파수는 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 25 MHz 대역을 선택하였고, 송신출력은 평균 40 W이다. 설치 편의성을 위하여 송수 신부를 일체화 하였는데, 송신신호가 직접 수신기로 입력되는 것을 방지하기 위한 체 스위치를 각각 송신과 수신 신호의 경로에 적용하였다. 스위치의 역할은 송신이 될 때 수신기로 입되는 경로를 차단하고, 반대로 수신시에는 송신신호를 차단하는 것이다. 이를 통해 송신 안테나로부터 직접 유입된 신호가 수신기를 포화시키는 것을 방지하였다(Wyatt et al., 1985).

Fig. 4. Hardware block diagram of HF ocean radar.

고출력을 위한 파워앰프의 경우, 기존 국외 제품은 송신부에 내장되어 있는 형태이지만, 국내 개발에서는 유지보수의 효율을 높이기 위한 방안으로 외장형태로 구성하였으며, 상용의 고주파 대역 앰프(www.tomcorf.com)를 사용할 수 있도록 하였다. 안테나는 기존의 국외제품과의 비교를 위하여 Fig. 2(b)와 같은 형태의 compact 안테나를 이용하여 장기 현장관측을 수행하고 있지만, 향후 Fig. 2(a)와 같은 형태의 4개의 수신안테나 시스템을 개발하여 적용하고자 한다.

국내에서 개발된 해양레이더 송수신기의 형상은 Fig. 5와 같고, 왼쪽 위부터 레이더 전면부, 후면부, 내부 모습이며 오른쪽 위부터 수신, 송신, 제어 보드이다. 4 개의 안테나 신호를 동시에 수신 가능하도록 구성하였고, 레이더 제어와 자료저장은 내장된 USB 포트를 이용한다. 레이더의 규격은 Table 2에 제시하였다.

Fig. 5. Shape of developed HF ocean radar (left panel) and internal modules (right panel).

Table 2. Specifications of HF ocean radar developed in Korea

(2) 자료처리 소프트웨어 개발 현황

여기서는 해양레이더를 이용하여 획득할 수 있는 대표적인 물리량인 해류정보를 구하는 일련의 신호 처리 과정에 대해 소개한다. 국내에서 개발된, 방향탐지 방식을 이용하여 레이더에서 측정된 반사신호로부터 해류의 움직임을 구하는 과정은 Fig. 6과 같다. (a) 자료처리를 거치지 않은 레이더 수신신호는 시간에 따른 전압의 변화 그래프로 표현된다. (b) 수신된 시계열 신호를 일정 시간간격으로 나눈 후, 윈도우 함수를 적용하여 FFT 변환을 하고, (c) 동일거리의 관측자료에 대해 2차 FFT 변환을 하면 주파수와 거리 축을 가진 Range-Doppler Map(RDM)을 얻게 되고, Bragg scattering에 의한 강한 1순위 Doppler 스펙트럼 피크가 나타난다. (d) 1순위 피크 외에 전파환경에 의한 잡음과 선박에 의한 잡음 등은 추가 분석을 위하여 제거해야 한다. 이러한 레이더 클러터(Clutter) 제거 알고리즘은 보통 일정시간 동안 측정된 신호 값의 평균을 기준으로 높은 값을 선정하여 제거하는 방식으로 이루어진다.

Fig. 6. Step for radial-velocity producing by application of direction-finding alorithm to the signal from crossed-loop compact receive antenna.

Crossed-loop 형 수신 안테나를 이용하여 해류정보를 추출하는 데 사용되는 방향탐지 알고리즘은 i) 1순위 Bragg 스펙트럼 피크의 선택 및 추출 부분과(Joseph, 2014; Kirincich, 2017), ii) MUSIC 알고리즘으로 나누어진다(Barrick et al., 1999). (e) RDM에서 측정된 1순위 스펙트럼 피크가 해류의 속도를 결정하므로 피크범위의 정확한 선택이 요구된다. 1순위 스펙트럼의 최대값을 찾는 알고리즘을 실제 관측자료에 적용하여 구하였다. 국내 개발된 레이더로 측정한 RDM은 중앙 좌우에 뚜렷한 1순위 스펙트럼 피크를 보여준다(Fig. 7). 가로축은 도플러 속도, 세로축은 거리를 표시한다. 중심 주파수 부근에 보이는 점 형태의 스펙트럼 패치는 선박이 탐지된 것이다.

Fig. 7. Range-Doppler Map obtained by the domestically developed radar in 10:42 17 April 2017.

다음에는 (f) 1순위 Doppler 스펙트럼의 최대값을 통하여 해류의 방사상 도플러 속도 값을 알 수 있고, 여기에 MUSIC 알고리즘을 적용하면 방위각 방향의 속도분포를 도출할 수 있다. 최종적으로는 레이더로부터 거리와 방위각에 따른 방사상 속도분포를 얻는다. (g) 방향 탐지 방식을 적용하는 경우 관측자료의 신호 대 잡음비를 높이기 위하여 시간에 따른 측정 값을 중첩하여 계산하며, 1시간에 1개의 방사상 속도 장(radial velocity map) 자료를 구하게 된다.

개발된 소프트웨어를 검정하기 위하여 동일한 관측 자료를 이용하여 국외 제품의 알고리즘을 적용한 경우와 국내 개발된 알고리즘 적용하여 구한 방사상 속도장을 비교하였다(Fig. 8). 전반적인 방사상 속도분포는 유사하지만 세부적인 부분에서는 약간의 차이가 나타나는 것을 볼 수 있고, 이는 실제 적용한 알고리즘의 세부적인 차이에서 기인한다고 볼 수 있다(de Paolo and Terill, 2007). 현재 국내에서 운영되는 국외 해양레이더의 자료처리 소프트웨어는 매우 높은 가격으로 판매되고, 정확한 내부 알고리즘이 공개되어 있지 않아 사용자가 자료 처리과정에 개입할 수 있는 여지가 매우 제한적이다. 하지만 독자 개발된 일련의 자료처리 알고리즘을 적용하면 각 단계에서 사용자가 변수 값을 조절하고, 이에 따른 최종적인 해류정보의 결과 변화를 분석할 수 있다. 따라서 하드웨어의 국내개발에 더하여, 신호처리 소프트웨어도 국내개발이 반드시 필요하며, 이는 도출된 최종 해류정보의 검증을 위해서도 각 자료처리 단계에 대한 자세한 이해가 요구되기 때문이다.

Fig. 8. Comparison of the radial-velocity distributions obtained by aplying Seasonde software (left) and domestically developed software (right) to an identical received-signal set.

4. 해양레이더 활용

1) 한국연안 표층 유동장 특성

(1) 서해연안

서해 연안해역에서는 12.5시간 주기로 왕복운동을 하는 조류가 느리게 변화하는 해류보다 강하다. 국립해양조사원과 군산대학교 해양레이더망이 아산만 입구에서 위도까지 약 150 km 거리에 걸쳐 해안선으로부터 20-70 km 범위 내 연안해역의 방사상 속도를 측정한 자료들을 합성하여 대조기(spring tide)의 창조와 낙조 때 표층속도 분포를 생성하였다(Fig. 9). 방사상 속도를 합성하여 생산된 속도의 격자간격은 2 km이다. 군산대학교 레이더망으로는 인천항로의 강한 조류를 모니터링 하지 못하고 국립해양조사원 레이더망으로는 항로 남쪽 해역을 관측하지 못 하던 단점이 두 레이더망 자료의 통합으로 보완되었으며, 두 기관 레이더망의 관측구역을 연결하면 넓은 해역의 속도정보가 준 실시간으로 제공될 수 있음을 보여주는 예이다.

Fig. 9. Surface current from KHOA and KNU HF ocean radar networks along the west coast of Korea in the ebb (08:00, left panel) and flood (14:00, right pannel) on 16 September 2016 in spring tide.

조류는 남쪽에서 북쪽으로 갈수록 강해진다. 태안 북측 연안에 수심이 50 m 이상인 수로(인천항로)에서 조류가 150 cm/s 정도로 매우 강하고 수로 서쪽에 있는 섬 주변과 수심이 얕은 지역에서는 조류가 매우 약하다. 인천 항로 남측 외해에서는 낙조류가 발산하고 창조류가 수렴하는 현상이 관측되었다. 외해의 섬 주변과 해저지형의 변화가 큰 곳에서도 조류 세기와 방향이 국지적으로 변화되기도 한다. 이러한 광역의 고밀도, 연속적 표층유속 자료는 해양, 수산 및 해운분야의 연구와 각종 해양재난에 실시간 현장대응 활동에 중요한 정보가 된다.

해양레이더로 측정된 표층속도에는 단주기로 변동하는 조류뿐만 아니라 바람응력이나 해수면 경사 등에 의해 수일의 주기로 변하는 해류(subinertial current)도 포함되어 있다. 서해 연안해역에서 해류는 동계에 북서 계절풍의 영향으로 남쪽으로 흐르고, 하계에는 조류혼합 전선역을 따라 형성되는 지형류(Geostrophic current)와 남동계절풍에 의해 북쪽으로 흐른다고 알려져 왔으며(Lee and Beardsley, 1999; Kwon et al., 2011), 최근에 이 해류를서한연안류(West Korea Coastal Current)라고 명명하였다(KHOA, 2015).

2016년 8월에 군산대학교 레이더망에서 관측한 층 속도를 저주파통과 필터(low-pass filter, cut-off period 40 h)를 사용하여 조류를 제거한 후, 1개월 동안 평균하여 월평균 해류분포를 구하였다(Fig. 10(a)). 2016년 8월은 월평균 바람이 2 m/s 이상의 세기로 북풍이었다. 이 평균바람은 8월에 아시아 몬순(남동계절풍)의 영향으로 월평균 바람이 1 m/s 미만의 남풍인 일반적인 경우와는 달랐다. 월평균 해류는 서해안을 따라 흐르는 7 cm/s 미만의 남향류와 외해 동경 126° 부근 수심 50 m 정도인 해저사면 지역에서 나타난 5-12 cm/s 정도의 북향류로 구분된다. 연안쪽 남향류는 평균바람 방향과 비슷한 방향의 평균해류이었지만, 외해 북향류는 평균바람에 역행하는 해류이다. 특히, 연안의 남향류는 고군산군도와 위도 부근에서 시계방향으로 방향을 바꾸어 외해의 북향류에 합쳐지는 현상이 나타났다. 이러한 광해역 고밀도의 월평균 해류분포는 해양레이더를 이용한 관측자료의 분석을 통해서만 파악될 수 있는 정보로서 기존의 해류분포에서는 나타나지 않았던 연안역과 외해역의 해류체계를 보여준다.

Fig. 10. (a) Monthly-mean surface current from KNU ocean radars and (b) complex correlation coefficient between Mal-do wind and current velocities in the western coastal sea of Korea in August 2016.

말도에서 관측된 바람과 표층해류의 복합 상관계수는 연안부근에서 0.6 이상으로 높아 남쪽으로 흐르는 월평균 표층해류가 주로 바람에 의해 발생하였음을 제시 한다(Fig. 10(b)). 하지만 북향류가 관측된 동경 126° 부근 외해역에서는 바람과 표층해류의 복합상관계수가 0.6보다 낮았다. 따라서 해양레이더 관측자료에서 얻어진 북쪽으로 흐르는 월평균 해류는 조류혼합 전선역에서 발달하는 지형류가 북풍에 의한 풍성류보다 우세하여 나타난 것으로 볼 수 있다. 이러한 해류분포는 지금까지 알려져 온 하계 서해연안류 분포와 발생기작에 대한 재검토가 필요함을 보여준다.

(2) 동해연안

울릉분지(울릉도와 동해연안 사이) 해역은 대마난류 (Tsushima current)가 대한해협을 통과한 후 일부가 동한 난류(EKWC)를 형성하며 동해연안을 따라 북상하여 북한연안을 따라 남하하는 북한한류(NKCC)를 만나 아극전선(subpolar front)이 형성되는 해역이다(Cho and Kim, 1994; Chang et al., 2004). 동한난류는 대략 38°N 부근의 해안으로부터 분리되어 동쪽으로 흐르며 사행하는(meandering) 특성을 보이고 종종 중규모 소용돌와 필라멘트(filament)형성 등의 해양현상을 동반한다.

동해연안의 표층해류 특성을 파악하기 위하여 2017년 1월부터 8월까지 서울대학교 해양연구소가 동해시와울진(EM)에서, 국립해양조사원이 영덕과 칠포(ES) 에서 장거리 고주파레이더로 측정한 자료를 사용하였다. 관측자료에서 해류성분을 구하기 위해 저주파통과 필터(40 시간 cutoff 주기)를 적용하여 단주기와 일주기의 조류성분을 제거하였다. 해류의 시공간적인 변동성을 파악하기 위하여 평균으로부터의 RMS 속도 편차를 \(U_{R M S}=\left[\overline{(u-\bar{u})^{2}+(v-\bar{v})^{2}}\right]^{\frac{1}{2}} \)로 산출하였으며, 여기서 바(bar) 표시는 시간평균을 의미한다.

Fig. 11은 분석에 사용된 2017년 1월부터 8월까지의 전체 자료에서 구한 시간평균 해류분포와 RMS 속도편차를 보여준다. 포항 부근에서 시작된 동한난류가 울릉도와 동해연안 사이를 통과하여 북상하고 있으며 약 37.5°N 부근에서 동쪽으로 편향되는 분포를 보인다. 해류의 변동성은 동한난류의 중심축을 따라서 비교적 크게 나타나며 외해보다는 연안에서 큰 폭의 변동성(15-20 cm/s)을 보인다. 자세히 해류의 특성을 살펴보기 위하여 월평균 해류분포를 구하였다(Fig. 12). 전체 관측기간 동안 동한난류의 중심축이 울진의 위도인 37°N보다 북쪽 해역에서 2개의 중심축으로 뚜렷하게 분리되는 형태로 나타나며 동시에 동한난류의 수평 폭이 북상할수록 넓어지는 특징을 보인다.

Fig. 11. Statistics of the subinertial surface current from HF radar during January-August in 2017: a) time-mean current velocity with speed in color, and b) RMS deviation of current speed. Abbreviations denote the sites of HF radar (DH: DongHae, UJ: UlJin, YD: YeongDeok, and CP: ChilPo).

Fig. 12. Monthly averaged current vectors with their speed in color from January to August in 2017.

월별 해류의 변동성도 기본적으로 외해보다는 연안에서 크게 나타나며 1월과 8월에 연안에서 두드러진 변동성(25-45 cm/s)을 보였다(Fig. 13). 겨울철인 1월과 2월에 관측영역의 남동해역에서 상대적으로 큰 변동성을 보이며, 기존 연구에서 언급되었던 소용돌이나 필라멘트가 변동성에 영향을 미치는 것으로 추정된다(Ichiye and Takano, 1988; Hyun et al., 2009). 연안과북쪽해역에 서 가장 큰 폭의 해류 변동성을 보였던 8월은 태풍과 같은 단기적인 기상요인에 의해 영향을 받은 것으로 추정 되며 변동성의 원인을 파악하기 위한 추가분석이 요구 된다.

Fig.13. Monthly averaged RMS deviations of current speed from January to August in 2017.

국내에서는 처음으로 동해에 운영된 장거리용 고주파 해양레이더는 안테나로부터 멀어질수록 측정해류의 정확도가 낮아지는 특성이 있음에도 불구하고(Yoshikawa et al., 2007; Lee et al., 2008), 울릉분지에서 관측된 표층해류의 월평균 분포와 변동 특성을 고려할 때 동해연안에 설치된 장거리용 고주파 레이더가 동해 표층해수 유동 특성을 잘 나타낸다고 할 수 있다.

2) 해양레이더 자료의 활용

(1) 준 실시간 표층유동장 관측정보 제공

해류자료는 해양레이더에서 원격으로 탐지한 방사상 표층속도를 합성해야 생산되므로 레이더 진단과 제어뿐만 아니라 실시간 방사상 속도자료 수집을 위해서는 레이더망 구성에서 중앙제어컴퓨터에 레이더들이 연결된 통신망이 필수적이다. 한국은 유선과 무선 정보 통신 인프라가 잘 갖추어져 있어 관측한 방사상 속도자료를 실시간으로 수집하고 자료를 합성, 관리 및 분석 하여 정보를 생산하기에는 매우 유리하다. 광역에 걸친 고밀도의 관측속도 분포를 준-실시간(near-real time), 연속적으로 생산하여 제공하는 일은 선박 안전운항뿐만 아니라 쓰나미 경보, 오염물질 이동/분산 예측과 대응, 인명수색과 구조 등의 각종 해난과 연안재난에 신속하게 대응하는 현업활동에 매우 중요하게 활용된다(Fig. 14; Whelan et al., 2010; Abascal et al., 2017).

Fig. 14. Application fields of near-real time HFR current data.

현재 국립해양조사원만이 기본 임부 수행을 위해 수집, 분석한 해수유동 정보를 기관 홈페이지(www.khoa.go.kr/koofs/kor/ports/ports.do?menuNo=01&st_area=ALL&link=)를 통해 일반에게 준 실시간으로 제공 한다. 대학교들을 포함한 다른 기관들은 해류정보를 준 -실시간으로 일반인에게 제공할 예산 및 인력을 확보하지 못하고 있다. 따라서 서해, 동해 및 제주해협에서 생산되는 위 기관들의 해류자료도 종합적으로 분석하여 일반에게 실시간으로 제공하고, 여러 분야에 활용하는 통합적 연구를 위해서는 국가차원의 해양레이더망 관리/운영 체계가 필요하다. 특히, 각 기관들 간의 관측 자료 교환과 협력연구 등이 활성화되지 않아 기관별 레이더망 사이 해역에 방사상 유속자료가 수집되고 있음에도 불구하고 해류정보로 생산되지 못하여 사장되고 있다.

(2) 해조류 예보 및 연안재 탐지

조류는 지구, 달, 태양의 운동에 발생하는 해양에서 가장 규칙적인 해수 수평흐름(예: 밀물과 썰물)이며, 관측된 속도자료로부터 분조별 조류조화상수(진폭과 위상)를 구하고 이를 이용하여 조류를 예측하고 예보할 수 있다. 조류의 세기는 주로 반일 혹은 일주기로 변하지만 작은 진폭의 장주기 분조에 의해서 지속적으로 변하므로 조류를 예측하기 위해서는 장기간 관측자료가 필요하다. 또한 조류는 해안선 분포와 변화, 해저지형, 밀도성층 등 해역의 특성에 따라 공간적으로도 달라진다. 해양레이더를 이용한 해수유동 관측자료는 공간적으로 고밀도의 조류특성 분포정보를 생하는데 가장 효과적으로 활용된다(Kim et al., 2006; Son et al., 2007; Lee et al., 2013b). 국립해양조사원은 주요 항로 및 항만 주변을 대상으로 해양레이더를 설치/운영하여 준 실시간 유동정보 제공과 더불어 조류를 예보하고 조류특성 정보를 월별로 제공한다(Fig. 15, 국가해양관측망 월간해양정보).

Fig. 15. Distributions of maximum (a) flood current, (b) ebb current, and tidal current ellipse of (c) the M2 and (d) K1 tide from KHOA radar network in the region of ship approaching to the Busan new port from the Korea Strait.

표층해류의 발생원인은 주로 바람이지만, 바람은 다양한 변동주기를 가지며 세기도 불규칙적으로 변한다. 바람에 의해 발생하는 풍랑은 대부분의 경우 수 십초 미만의 주기를 가지고 풍랑의 파고는 해면 요동상태를 결정하여 항해안전을 위협한다. 풍랑정보는 해양레이더의 2차 스펙트럼에 포함되어 있으며, 2차 스펙트럼의 분석에서 풍랑의 유의파고와 주기, 전파방향 등을 추출하고, 풍랑정보를 이용하여 해상풍 정보도 추출할 수 있으나 풍랑관측반경은 해류관측반경의 절반 정도이다(Wyatt, 1991; Wyatt et al., 1999, 2011; Heron and Prytz, 2001; Huang et al., 2012). 바람에 대한 수 십분 이상 장주기의 해수유동 반응은 수심분포, 해안선 위치와 모양 등에 따라 현저히 변한다(Kim et al., 2008a; Kim et al., 2009). 특히, 태풍, 폭풍, 지진 등으로 발생하는 해일과 쓰나미는 수십분 주기로 변화되는 큰 해수면 변동과 이에 따른 강한 유속을 수반하며 국지적으로 에너지가 집중되어 연안재난을 야기한다. 이러한 급변하는 현상들의 발생과 유속의 분포 및 변화 정보는 수치모델만으로는 준-실시간으로 정확하게 예측하여 제공하기 어렵다. 해양레이더로 고밀도의 광역 해수유동분포를 적어도 수 십분 단위로 측정하여 이를 준-실시간으로 제공하면 연안재난을 조기에 탐지하고 경보 및 대피발령 등의 대응조치를 할 수 있다(Fig. 14(d), Gurgel et al., 2011; Lipa et al., 2011, 2012a, 2012b, 2013, and 2014).

(3) 물질분산 예측과 인명수색구조 활동

해면에서의 오염물, 적조, 유출유류 등의 이동과 분산은 해수유동 속도장의 지배를 받는다. 해양재난에 따른 인명의 표류도 해수유동에 의해 결정된다. 해양레이더로 측정된 표층해수 이동속도 자료를 이용하면 해면에서의 오염물, 적조, 유출유류 등의이동과 분산 그리고 해양재난에 따른 조난자의 표류도 예측할 수 있으며 물질의 확산 방재와 대응, 인명 수색대상구역의 설정에도 활용할 수 있다(Kjelaas et al., 2011; Abascal et al., 2012, 2017; Cardenas et al., 2015; Bellomo et al., 2015).

서해 연안해역에서 2016년 하계에 군산대학교 해양 레이더망에서 관측된 표층 해수유동자료를 이용하여 ‘random flight’ 모델(Griffa, 1996)로 물질의 이동/분산을 추적하는 가상실험을 수행하였다(Fig. 16). 2016년 8월 31일 05시에 외연도 동쪽 10 km 격자 지점에 일시적으로 2 × 10³ 개의 부유입자를 투입하고 9월 2일 08시까지 입자들의 이동을 계산하였다. 이 시기는 대조기이며, 바람은 초기 12시간 동안 동풍이, 그 후부터 북서풍이 5-10 m/s 정도로 불었다. 해수 내 물질 분산계수(K)는 표층 표류부표 분산추적 실험에서 구하여 (K_x, K_y) = (33, 29) m²/s를 사용하였다. 초기 투입지점에 모여 있던 입자들이 이동과정에서 유속의 공간적 차이와 난류로 인해 분산되며 입자가 분포하는 면적이 증가한다. 투입된 입자 분포의 중심은 약 20시간 동안 왕복/회전성인 조류에 의한 이동을 보이며 남하하다가 그 후 반시계방향의 회전궤적과 선형이동궤적이 합쳐지며 북쪽으로 빠르게 이동하였다. 이 실험결과는 처음 물질투입(적조탐지 혹은 조난자 발생) 후, 시간이 경과됨에 따라 어디까지 이동하였으며, 얼마나 넓게 분산되어 있는지를 알려준다(Figs. 14(e)-(h) 참조). 조난자 표류의 경우에는 물질분산 범위를 조난자 수색 대상범위로 볼 수 있다. 이러한 물질이동과 분산 추적에 준-실시간 현장관측 속도장 자료를 생산하는 해양레이더를 이용하면 수치모델 등에 의한 예측 속도장 자료를 사용하는 것보다 분산범위와 이동궤적, 혹은 수색범위를 명확하게 제공할 수 있다.

Fig. 16. Particle tracking experiment for pollutant dispersal and S&R prediction in the west coastal sea of Korea. Particles are instantaneously released at from 05:00 31 August 2016 (KST) on a centrl grid point (open circle) and tracked using hourly observed surface current data from KNU radar network. Solid line denotes the trace line of mass center of dispersed particles. Low panel displays tide at Kunsan harbor (redline) and wind vector blue stick) at Mal-do Automatic Weather Station.

(4) 하구 plume과 연안 개발의 영향 분석

하구에서 유출되는 plume의 확장범위와 방향은 담수 유출량, 바람, 조류세기와 혼합작용, 연안해류와 성층(stratification)상태 등에 지배를 받는다. plume은 염분이 낮고, 육상기원 오염물, 영양염, 부유물질 등을 연안에 공급하므로 연안생태계 건강과 퇴적작용에 치명적인 영향을 준다. 근래 연안개발이 대규모로 시행된 해역은 서해안 금강하구와 새만금 연안역이다. 군산대학교 해양레이더망은 연안개발에 따른 해양환경변화를 연구 하는데 크게 활용되었다. Lee et al.(2003), Kim et al.(2006), Son et al.(2007), Lee et al.(2013b)은 새만금 방조제 건설에 따른 조류변화를 연구하였고, Kim et al.(2008), Son et al.(2007), Lee et al.(2017a), Kim(2017)은 금강 하구 plume의 거동과 확장을 연구하였으며, Lee et al.(2013), Kim(2017)은 새만금 방조제 수문을 통해 유출되는 plume의 거동과 확장, 연안순환 변화 등을 연구하였다.

(5) 선박탐지

해양레이더가 수신한 신호의 Range-Doppler 스펙트럼에는 Bragg scattering 신호 외에 이동하는 선박에서 반사된 신호도 점(spot) 스펙트럼으로 나타난다. 이 점 스펙트럼을 분석하면 선박의 위치와 항해속도를 알 수 있다(Dzvonkovskaya et al., 2008; Roarty et al., 2010, 2011; Maresca et al., 2014). 최근에는 국내에서 해양레이더 관측해역을 항해하는 선박을 탐지하고 추적하는 기술을 개발하는 연구가 진행되고 있다. 고려대학교 연구팀이 군산대학교 레이더망에서 수신된 신호를 이용하여 선박탐지 알고리즘을 개발하고 탐지율 개선, 선박위치 결정과 위치의 정확도 개선 등의 기술개발을 활발히 진행 하고 있다(Lee et al., 2017b; Park et al., 2017a, 2017b). 이 기술은 선진국에서도 연구를 시작한지 10여년 미만인 첨단기술이다. 한국의 연구팀이 개발중인 해양레이더를 활용한 선박탐지/추적 기술의 완성도가 높아지면 해상 교통관제시스템(VTS)으로 식별할 수 없는 해안에서 50 km 이상 떨어진 해역을 항해하는 선박도 탐지/추적이 가능하고, 선박자동식체계(AIS), 위성, 무인항공기 등을 통한 선박위치 자료와 비교하여 불법선박을 구분해 내는 등 해양영토 감시에 활용이 가능하다(Sevgi et al., 2001; Ponsford et al., 2001).

5. 토의

우리나라에서 처음 해양레이더를 운영한 이래로 25년이 지났다. 그 동안 해양레이더 운영기관을 중심으로 관리운영과 자료획득 및 분석기술이 축적되어 왔지만 해양현상(해수유동)을 실시간으로 모니터링하는수준을 뛰어 넘어 (불법)선박 감시 및 해난과 자연재난에 대비/ 대응하는데 적극적으로 활용할 필요가 있다. 이를 위해서는 해양레이더가 생산하는 자료와 정보를 효율적으로 이용하는 국가적 운영체계의 확립이 요구된다. 국가 해양레이더망 운영체계가 구성되면 해수유동 자료와 정보의 생산량, 이를 활용하는 효율성 제고 그리고 실시간 해양영토 감시정보 제공 등이 크게 개선될 뿐만 아니라 해양현상연구와 더불어 수치모델과 연계한 해양 예보에도 크게 도움이 될 수 있다. 미국의 경우 NOAA 산하 IOOS(Integrated Ocean Observing System) 조직이 전국적 연안 해양레이더망을 구성하고 운영비와 기술 교육을 지원하며, 중간 data node를 서부 연안과 동부연 안에 두어 해수유동 자료를 통합하여 분석하며 종합적으로 관리하고, 최종적으로는 NBDC(National Buoy Data Center)에 관측자료를 보관하고 일반에게도 제공 한다(IOOS, 2009; Harlan et al., 2010). 유럽에서도 각국의 해양레이더망을 전 유럽망으로 통합하려고 시도하고 있다(Rubio et al., 2017).

한국의 경우도 해양레이더의 전국망을 구성하고 자료를 통합적으로 관리하는 조직을 만들어 각 해역의 자료를 종합적으로 분석하고 신속하게 정보를 생산 및 제공하는 일이 매우 중요한 앞으로의 과제이다. 특히 세월호 침몰 등과 같이 기존의 해양레이더 감시망을 벗어난 해역에서의 해난사고 시 조난자 수색구조에 대응하기 위하여 긴급대응용 레이더망 운영을 준비해야 한다. 긴급대응용 해양레이더망을 수행하기 위해서는 레이더 장비와 함께 운영에 필요한 전력/통신망 확보 방안에 대한 연구도 필요하다(Whelan et al., 2010; Barrick et al., 2012).

해양레이더는 공간적 분해능이 낮아 구체적인 선박 종류, 형태, 크기 등을 식별하기는 어렵고 선박의 크기에 따라 탐지거리의 한계를 갖지만 1,000 ton 정도 대형 선박의 경우 수평선 넘어 120 km 이상 먼 거리까지 선박의 존재를 수 10분 단위까지 연속적으로 탐색할 수 있는 유일한 장비이다. 현재 해양레이더의 해수유동 관측면적은 EEZ를 포함하는 해양영토 면적의 10% 미만이다. EEZ 해양영토를 침범하여 어로작업하는 중국어선 등 불법선박의 탐지 및 색출, 동해 중간수역 경계 감시, NLL 외해 연장선을 통과하는 북한선박 감시 등을 위해서는 연속하여 선박을 탐지할 수 있는 광역해양레이더 감시망 체계가 필요하다.특히 단거리용(25 MHz)과 표준형(13 MHz) 레이더에만 집중되어 있는 선박탐지 연구도 장거리형(5 MHz) 레이더에 확장/적용하는 기술과 함께 100 ton 정도 선박을 150 km 이상까지 탐지하는 고주파 해양레이더 개발이 요구된다. 서해 북쪽 주요 해역을 감시하기 위해 소청초, 격열비열도를 연결하는 광역레이더망 구축과 서남해역 감시를 위해 대흑산도, 홍도, 만재도, 가거도, 가거초, 우이도, 맹골도 등을 연결하는 광역레이더망 구축이 가능하다. 남해에서는 제주도의 우도, 거문도, 연도, 거제도를 있는 레이더망이 가능하고, 동해에서는 울릉도와 독도를 있는 광역레이더망 건설이 가능하다.

미래창조과학부는 2014년 12월 10일, 대한민국 주파수 분배표를 개정 및 고시(대한민국 주파수 분배표, 2014)하였으며, 기존 해양레이더의 목적(무선탐지)으로 허가된 대역과 신규로 신청되는 실험국은 지정대역 내에서만 2차 업무로 승인하는 조건으로 제한하고 있다. 4-5 MHz 대역에서는 대역폭 25 kHz와 50 kHz, 9 MHz 대역에서 대역폭 50kHz, 13 MHz와 16 MHz 대역에서 대역폭 100 kHz, 24 MHz와 26 MHz 대역에서는 대역폭 150 kHz, 39 Mhz 대역에서 대역폭 500 kHz, 41-44 MHz 대역에서는 3 MHz를 대역폭으로 지정하였다. Song(2016)은 13 MHz 대역에서 배경잡음이 없는 주파수와 배경잡 음이 있는 주파수로 동시에 방사상 속도를 측정하였을 때, 후자의 경우에 속도자료가 약 25% 정도 감소한다고 하였다. 잡음이 많은 5 MHz와 13 MHz 대역에서 주어진 대역폭으로는 해양레이더에서 사용할 주파수를 찾기는 쉽지 않고, 앞으로 선박탐지와 해난에 대응하는 해양감시 업무까지 수행하는데 요구되는 해양레이더망의 확장을 실현하기 어렵다. 따라서 해양레이더를 2순위 업무의 실험국으로 지정하더라도 현재의 5 MHz, 13 MHz 대역의 사용주파수 대역폭을 넓혀야 한다.

현재 국내에서 개발된 해양레이더는 장기 시험관측 중에 있으며, 레이더 시스템의 안정성 및 주변 환경에 따른 관측자료의 변화를 장기적으로 모니터링하는데 이용하고 있다. 향후 단기적으로는 모노폴을 이용한 송수신 안테나 시스템의 독자 개발이 필요하며, 5 MHz, 13 MHz 대역과 더불어 9 MHz, 16 Mhz 을 사용하는 레이더의 국내개발도 요구된다. 자료처리 소프트웨어 분야에서는 해양분야에 적합한 효율적인 클러터(cluter) 제거 알고리즘을 개발 및 적용하는 과정과 해류정보뿐만 아니라 파랑정보 도출을 위한 알고리즘 개발도 필요하다. 선박탐지/추적에는 위상배열형 안테나를 사용하는 해양레이더가 효율적이고 오차가 작다. 따라서 해양 레이더를 이용한 선박탐지 기술개발과 함께 해양영토 감시의 효율을 높이기 위해 빔-조향 기술을 적용하는 레이더의 국내개발도 필요하다.

6. 결론

삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라의 지형학적 특성을 고려하면, EEZ까지 광역의 해양영토에 대 모니터링을 수행하여 해양정보를 확보하는 일은 국가가 반드시 수행해야 할 필수적인 임무라고 할 수 있다. 해양레이더는 이런 목적에 부합하여 1) 해류/조류/파랑/해상풍 등의 해양 물리량 측정, 2) 해상재난과 환경오염 대응, 3) 불법선박 탐지 등 국가 해양영토 감시 등에 광범위하게 활용할 수 있다. 해양레이더가 생산하는 준 실시간, 연속적, 광역의 고밀도 모니터링 자료는 선박의 안전운항뿐만 아니라 쓰나미 경보, 오염물질 이동/분산 예측과 대응, 인명수색과구조 등의 각종 해난과 연안 재난에 신속하게 대응하는 현업활동에 매우 중요하게 활용 가능하다. 특히, 물질이동과 분산 추적에 실시간 현장관측 속도장 자료를 이용하면 수치모델 등에 의한 예측 속도장 자료를 사용하는 것보다 신뢰도 높게 분산범위와 이동 궤적, 혹은 조난자 수색/구조 범위를 추정할 수 있다. 또한 연안생태계와 퇴적작용에 영향을 줄 수 있는 하구 plume의 확장범위와 방향은 고밀도로 장기적인 해수유동 모니터링이 요구되는데 해양레이더를 활용하면 연안 개발의 영향을 분석하는데도 활용이 가능하다.

우리나라 해역에서 해양레이더가 17년 이상 운영되어 장비운영 기술, 자료수집 및 분석 기술이 많이 축적되어 왔다. 하지만 44기 이상의 해양레이더가 운영되고 있음에도 불구하고 레이더로 모니터링/감시하는 해역이 전 해양영토의 10%에도 미치지 않고 있으며, 연안에서 측정 가능한 거리 내에서도 모니터링이 되지 않는 해역이 넓게 남아 있다. 또한 각 기관에서 생산/축적된 자료를 분석하여 해난과 오염대응, 그리고 수평선 넘어 선박탐지 등 감시활동에 적각적으로 활용할 수 있는 정보를 실시간, 연속적으로 생산/제공하지 못하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 먼저 현재 설치된 해양레이더 운영/관리, 자료처리와 분석, 새로운 자료활용 방법의 연구개발을 포함한 현업활용 정보생산을 지원하는 국가적인 조직과 운영체계를 만드는 일이 필요하다. 두 번째로는 고가인 외국산 해양레이더가 자료를 생산하는 과정이 숨겨져 있어 해양레이더의 신호처리 기술개발과 자료의 신뢰성 개선과 활용영역 확장에 어려움이 있다. 따라서 국내 첨단 전자/통신/컴퓨터 기술을 이용하여 보다 저가이며 우리나라 해양 환경에 적합한 신호처리 과정과 기술을 확보하기 위해서도 국산 해양레이더의 개발과 생산에 적극적인 지원이 요구된다. 마지막으로 전 해양영토의 과학적 모니터링, 준 실시간 정보의 확보, 적극적 관리와 대응 및 감시를 위하여 동해, 남해 그리고 서해의 도서지역을 활용하여 EEZ까지 모니터링 범위를 확장하는 해양레이더망을 구축하여야 한다.