2.1 지진해일강도의 발전과 K-ITI 제안 배경

지진해일의 규모와 영향을 정량적으로 표현하기 위한 시도는 약 100년의 역사를 가지고 있으며, 그 과정에서 강도(intensity)와 규모(magnitude)의 개념적 구분, 평가 지표의 다양화, 그리고 복합 지표의 통합이라는 방향으로 발전해 왔다. 지진해일강도의 시초는 ^{Sieberg(1923)}가 지진 강도(즉, 진도)에 준하여 제안한 6단계 척도이다. 이 척도는 지진해일의 거시적 피해 양상, 즉 인지 여부, 구조물 손상 정도, 해안 범람 규모 등을 정성적으로 기술하는 방식이었는데, 이후 ^{Ambraseys(1962)}에 의해 수정보완되어 Sieberg-Ambraseys 강도로 유럽 지역의 역사 지진해일 기록 평가에 널리 활용되었다. 그러나 이 6단계 체계는 등급 간 구분이 조잡하고, 20세기 후반 이후 발생한 대규모 지진해일의 다양한 피해 양상을 반영하기에는 해상도가 부족하다는 한계가 지적되어 왔다.

한편, 일본에서는 ^Imamura(1942, ¹⁹⁴⁹⁾가 최대 지진해일고($H_{\text{max}}$)의 로그 함수로 정의되는 지진해일 규모($m$)의 개념을 도입하였고, ^Iida(1956, ¹⁹⁷⁰⁾가 이를 $m = \log_2 (H_{\text{max}})$로 정식화하여 Imamura-Iida 규모를 발전시켰다. 그러나 ^{Murty and Loomis(1980)}가 지적한 바와 같이, 이 척도는 해일고라는 물리량을 직접 측정하는 규모이지 피해 영향을 기술하는 척도인 강도가 아니며, 양자의 혼동이 지진해일 정량화 연구에 지속적인 혼란을 초래하였다. Shuto(1993)는 파고를 기준으로 6단계의 피해 기술을 대응시킨 척도를 제안하였으나, 이 역시 물리량에 직접 의존하는 구조여서 규모와 강도의 혼합적 성격에서 자유롭지 못했다.

이러한 한계를 극복하기 위해 ^{Papadopoulos and Imamura(2001)}는 지진학의 거시진도(macroseismic intensity) 전통에 따라 물리적 관측량에 독립적인 12단계 지진해일 강도를 제안하였다. 이 척도는 (a) 인간의 감지 및 반응, (b) 선박과 부유물 등 이동체에 대한 영향, (c) 건축물 및 인프라에 대한 피해의 세 가지 범주에 걸쳐 각 등급을 상세히 기술하며, 해일고나 유속 같은 물리량과는 독립적으로, 현장 조사 자료만으로 강도를 평가할 수 있도록 설계되었는데 이후 국제 지진해일 조사팀의 현장 평가에 널리 채택되었다. 이후 2004년 인도양 대지진과 2011년 동일본 대지진에서 축적된 방대한 피해 자료를 바탕으로, ^{Lekkas et al.(2013)}은 기존 Papadopoulos-Imamura 척도를 확장 및 보완한 통합지진해일강도 척도(ITIS-2012)를 제안하였다. ITIS-2012는 (1) 물리적 현상량, (2) 인명 영향, (3) 이동체 영향, (4) 연안 인프라 영향, (5) 환경 영향, (6) 구조물 영향의 6개 범주로 평가 기준을 체계화하고, 지진강도와의 수평적 정합성을 확보한 12단계 체계이다.

그러나 상기의 강도들은 모두 사후 현장 조사에 기반한 정성적 평가 도구로서, 수치 모델링 결과를 직접 활용하여 지진해일 위험도를 사전에 정량적으로 산정하는 데는 구조적 한계가 있었다. 이러한 요구에 대응하여, 지진해일의 물리적 관측량을 직접 지표로 활용하는 정량적 강도의 개발이 시도되었다. ^{Boschetti et al.(2020)}은 프랑스 리비에라 해안의 지역 지진활동에 의한 지진해일 위험도를 평가하면서, Shuto(1993), ^{Papadopoulos and Imamura(2001), Charvet et al.(2014)} 등 기존 척도들의 피해 기술을 종합하고, 최대 지진해일고와 최대 유속을 동시에 고려한 6단계 지진해일 강도를 수치 모델링 결과에 적용하였다. 이 연구는 기존에 해일고 또는 유속 중 하나에만 의존하던 위험도 평가를 두 변수의 결합으로 확장하였다는 점에서 의의가 있다.

이를 이론적으로 체계화한 것이 ^{Boschetti and Ioualalen(2021)}의 연구이다. 이들은 장파 이론(long wave theory)에 기초하여 최대 해일고와 최대 유속 사이의 상호 의존성을 분석하고, 두 변수의 결합 차원을 고려한 통합지진해일강도(Integrated Tsunami Intensity, ITI)를 정식으로 제안하였다. 이 강도는 0~6단계로 구성되며, 해일고와 유속의 조합에 따라 각 등급이 정의됨으로써 수치 모델링 결과에 직접 적용할 수 있는 정량적 도구로서의 성격을 갖추었다. 아울러 2004년 인도양 지진해일의 스리랑카 해안 적용을 통해 강도의 실용성이 검증되었다.

이 통합강도를 광역 해역에 대한 체계적 위험도 평가에 확장 적용한 것이 ^{Grilli et al.(2022)}이다. 이들은 ITI의 개념을 확장하여, 지진해일 연안 위험도를 보다 다차원적으로 평가할 수 있는 네 가지 위험지표(hazard metric)를 정의하였다. 구체적으로, 침수 위험을 나타내는 최대 수면 상승($\eta_{\text{max}}$, $M_1$), 항행 위험을 나타내는 최대 유속($U_{\text{max}}$, $M_2$), 구조물 피해 위험을 나타내는 단위 폭당 최대 모멘텀 힘($F_{\text{max}}$, $M_3$), 그리고 대피 여유시간을 나타내는 최초 도달시간의 역수($1/T_a$, $M_4$)가 이에 해당한다. 각 지표는 low, medium-low, medium, medium-high, high(또는 extreme)의 5개 위험등급($C_1 - C_5$)으로 분류되며, 여기에 가중치 $w_i = [0.40, 0.30, 0.15, 0.15]$를 부여하여 가중 합산함으로써 단일 지진해일강도지수(Tsunami Intensity Index, TII)를 산정하였다(Table 1). 이는 침수 높이($\eta_{\text{max}}$)에 가장 큰 가중치(0.40)를, 유속($U_{\text{max}}$)에 두 번째 가중치(0.30)를, 모멘텀 힘($F_{\text{max}}$)과 도달시간($1/T_a$)에 각각 동일한 가중치(0.15)를 부여하는 구조로서, 각 연안 지점에서의 종합적인 지진해일 위험도를 단일 지수로 정량화할 수 있도록 설계된 것이다.

한편, 이 시기를 전후하여 지진해일 유속에 의한 항만 피해에 관한 연구도 크게 진전되었다. ^{Lynett et al.(2014)}은 2011년 동일본 대지진시 미국 캘리포니아 항만에서 관측된 유속-피해 관계를 분석하여, 약 3노트(1.5 m/s)에서 피해가 개시되고, 6노트(3 m/s)에서 중대한 피해로 전이되며, 9노트(4.5 m/s) 이상에서 극심한 피해가 발생한다는 임계 유속 기준을 정립하였다. 이 연구는 범람 없이도 유속만으로 심각한 항만 피해가 발생할 수 있음을 실증적으로 입증하여, 기존의 해일고-침수심 중심 위험도 평가의 한계를 명확히 하였다.

이상의 발전 과정을 종합하면, 지진해일강도는 정성적 피해 기술(Sieberg, 1923)로부터, 물리량 기반의 규모(Imamura-Iida), 그리고 12단계 정성적 강도^{(Papadopoulos and Imamura, 2001; Lekkas et al., 2013)}, 파고-유속 결합 정량적 강도^{(Boschetti and Ioualalen, 2021)}, 마지막으로 다중 지표 가중 통합지수^{(Grilli et al., 2022)}의 방향으로 진화해 왔다.

그러나 이러한 국제적 강도 척도를 한국 연안에 직접 적용하는 데는 다음과 같은 한계가 존재한다. 첫째, 기존 척도들은 지중해, 대서양 등 특정 해역의 물리적 조건을 기반으로 개발되었으며, 서/남/동해안 간 조석 환경, 대륙붕 폭, 해저 지형, 해안 이용 형태 등이 크게 상이한 한국 연안의 고유한 특성이 반영되어 있지 않다. 둘째, ^{Boschetti and Ioualalen(2021)}의 ITI는 원거리 지진해일 시나리오에 대해 주로 검증된 것으로, 근해역 지진해일 위협이 주된 동해안이나 대조차 환경의 서해안 등 한국의 해역별 위험 양상에 최적화되어 있지 않다. 셋째, 현행 한국 기상청의 지진해일 특보 체계(주의보-경보 2단계, Fig. 1 참조) 및 위기경보 체계(관심-주의-경계-심각 4단계)와의 정합성이 확보되어 있지 않아, 국제 척도의 산출값을 국내 방재 및 경보 체계에 직접 연계하기 어렵다. 넷째, ^{Lynett et al.(2014)}이 실증한 바와 같이 유속에 의한 항만 피해의 중요성이 확인되었으나, 한국 연안의 항만 및 어항에 대한 유속 기반 취약성 평가는 아직 체계적으로 수행되지 않은 실정이다.

이러한 배경에서 본 연구는 ^{Boschetti and Ioualalen(2021)}의 통합 지진해일 강도 척도를 기본 골격으로 하되, 한국 연안의 지형학적 특성, 기존 경보 체계와의 정합성, 그리고 유속 지표의 강화라는 세 가지 방향을 반영하여, 한국형 통합지진해일강도(Korean-specific Integrated Tsunami Intensity, K-ITI)를 제안한다.

2.2 한국형 통합지진해일강도(K-ITI) 제안

앞 절에서 살펴본 바와 같이, 지진해일 강도는 정성적 피해 기술에서 출발하여 물리량 기반의 정량적 평가 체계로 진화해 왔다. 이러한 발전 과정의 연장선에서 ^{Boschetti and Ioualalen(2021)}가 제안한 ITI 개념을 바탕으로, 한국 연안의 구조물 설계 관행과 경보 체계, 과거 피해 사례를 고려하여, 최대 해일고와 최대 유속을 핵심 지표로 하는 한국형 통합지진해일강도(K-ITI) 등급 체계를 제안하였다. 특히 한국 연안에서 현재 확보 가능한 DEM 및 수치모형 해상도, 그리고 유속 관측자료의 한계 등을 고려하여, 단위 폭당 수평력이나 작용시간 등 추가 변수는 향후 연구과제로 남기고, 우선적으로 최대 수위와 최대 유속에 기반한 1~4등급 강도 체계를 정의하였다. K-ITI의 등급 경계값은 다음 세 가지 근거에 기반하여 설정하였다. 첫째, 해일고 기준은 현행 기상청 지진해일 특보 발령 기준(주의보: 예상 해일높이 0.5~1.0 m, 경보: 1.0 m 이상)과의 직접적 정합성을 확보하는 것을 최우선 원칙으로 하되, ^{Boschetti and Ioualalen(2021)}의 ITI(0단계 0~0.5 m, 1단계 0.5~1 m, 2단계 1~2 m, 3단계 2~4 m) 및 ^{Grilli et al.(2022)}의 TII(Table 1의 $\eta_{\text{max}}$ 등급)에서 제시된 해일고 등급 경계와도 비교·조정하였다. 둘째, 유속 기준은 ^{Lynett et al.(2014)}이 2011년 동일본 대지진 시 미국 캘리포니아 항만에서 실증적으로 정립한 유속-피해 임계값을 핵심 근거로 활용하였다. 이들은 약 3노트($\approx$1.5 m/s)에서 피해가 개시되고, 6노트($\approx$3.0 m/s)에서 중대한 피해로 전이되며, 9노트($\approx$4.5 m/s) 이상에서 극심한 피해가 발생함을 관측적으로 입증한 바 있으며, 이 임계값들은 NOAA의 항만 지진해일 유속 경보 가이드라인에도 반영되어 있다. K-ITI의 유속 등급 경계(1등급 0.25~1.0 m/s, 2등급 1.0~3.0 m/s, 3등급 3.0~4.5 m/s, 4등급 4.5 m/s 이상)는 이러한 실증적 임계값과 직접적으로 대응되도록 설정하였다. 셋째, 각 등급별 예상 피해 유형의 기술은 ^{Papadopoulos and Imamura(2001)}의 12단계 지진해일 강도 척도 및 ^{Lekkas et al.(2013)}의 ITIS-2012에서 제시된 피해 양상 분류를 참고하되, 한국 동해안의 항만·어항 규모, 선박 유형, 양식 시설 분포 등 국내 연안의 물리적·사회경제적 특성을 반영하여 조정하였다.

K-ITI 등급 산정 시, 특정 격자점에서 최대 해일고와 최대 유속이 서로 다른 등급에 해당하는 경우에는 두 값 중 높은 등급을 최종 K-ITI 등급으로 결정한다. 이는 방재 목적의 보수적 위험도 평가 원칙에 부합하며, ^{Boschetti and Ioualalen(2021)}의 ITI에서도 동일한 원칙이 적용된 바 있다. 제안된 K-ITI 등급별 대표 범위는 다음과 같이 요약될 수 있으며, 구체적인 내용은 Fig. 2를 참조하기 바란다.

(1) K-ITI 0등급: $H_{\text{max}} < 0.5$ m 또는 $U_{\text{max}} < 0.25$ m/s

- 체감이 어렵고 피해 가능성이 매우 낮은 수준

(2) K-ITI 1등급: $0.5 \text{ m} \le H_{\text{max}} < 1.0 \text{ m}$ 또는 $0.25 \text{ m/s} \le U_{\text{max}} < 1 \text{ m/s}$

- 소형 선박 이동, 승객감지 가능, 피해 일부 발생 가능

(3) K-ITI 2등급: $1 \text{ m} \le H_{\text{max}} < 3 \text{ m}$ 또는 $1 \text{ m/s} \le U_{\text{max}} < 3 \text{ m/s}$

- 선박 해안이동, 정박선박 25 % 피해, 양식장 피해, 얕은 수심 보행 곤란

(4) K-ITI 3등급: $3 \text{ m} \le H_{\text{max}} < 6 \text{ m}$ 또는 $3 \text{ m/s} \le U_{\text{max}} < 4.5 \text{ m/s}$

- 대형선박 해안 충돌, 정박선박 50 % 피해, 광범위 범람, 보행불가, 인명피해 지속 발생

(5) K-ITI 4등급: $6 \text{ m} \le H_{\text{max}}$ 또는 $4.5 \text{ m/s} \le U_{\text{max}}$

- 대부분 선박 이동/충돌, 기름유출/화재, 대부분 연안 구조물 파괴, 대규모 인명피해

Fig. 1. Flowchart Illustrating the KMA(Korea Meteorological Administration) Tsunami Warning and Information Dissemination System (Adapted from ^{KMA, 2023)}

2.3 한국 지진해일 경보체계와의 연계

우리나라의 지진해일 경보 발령 체계는 기상청 및 관계 기관에서 운영하는 지진·지진해일 경보 시스템을 기반으로, 지진 규모, 진원 위치와 수심, 추정 해저 변위, 과거 사례 등으로부터 산정된 최대 수면상승량과 도달 예상시간을 기준으로 “주의보-경보” 등의 단계로 구분된다(Fig. 1). 현재 체계는 주로 수위 중심의 정량 기준에 의존하고 있으며, 유속에 대한 명시적 기준은 마련되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 K-ITI 등급과 현행 경보 단계 간의 연계 방안을 제안하고, 이를 통해 경보 발령 시 연안별 예상피해 수준과 요구되는 대응행동을 보다 명료하게 전달할 수 있음을 보였다(Fig. 2).

예를 들어, 최대 해일고와 최대 유속에 기반한 K-ITI가 2단계일 경우에는 소규모 선박 이동 제한, 취약 구간 사전 통제, 방파제·호안 인근 접근 제한 등의 조치를 권고하고, K-ITI 3단계 이상에서는 광범위한 인명 대피와 항만 운영 중단, 연안 인프라 보호를 위한 비상 조치를 발령하는 방안이 제시되었다. 이 과정에서 각 등급별로 예상 피해 유형과 추천 대응 행동을 경보 메시지에 포함함으로써, 단순한 “지진해일 주의보/경보”를 넘어 보다 구체적인 위험·행동 정보 제공이 가능해진다. 이러한 연계 개념은 Fig. 2에 경보-강도 등급 매핑 형태로 도식화되어 있다. 더불어 현행 4단계 위기경보수준과도 직접 연계가 가능하여, 제도적 도입을 위한 틀이 마련되었다.

Fig. 2. Mapping of K-ITI Classes (0-4) to Tsunami Height and Current Speed Criteria, Expected Hazard Levels, KMA Tsunami Bulletin Categories, and National Crisis Alert Levels

2.4 K-ITI 산정 절차 및 국내 도입 방안

K-ITI 산정을 위한 수치 모의 및 자료 처리 절차는 다음과 같다. 먼저, 다중격자체계가 가능한 지진해일 수치모형을 활용하여 대상 지진 시나리오를 모의하고, 한반도 주변 광역 해역부터 연안, 그리고 국지 연안 영역에 이르기까지 최대 해일고 및 최대 유속의 공간 분포를 산정한다. 이후 최종 고해상도 격자에서 격자별 최대 해일고와 최대 유속을 추출하고, 2.2절에서 정의한 K-ITI 등급 기준에 따라 각 격자에 강도 등급을 할당하여 공간 분포도를 생성한다. Fig. 2에서 제시한 바와 같이, 수치 모형 기반 K-ITI는 현행 조기경보 체계, 연안 방재 지도, 피난 계획 등과 통합적으로 활용될 수 있다. 구체적으로, K-ITI 지도가 제공하는 격자별 강도 등급을 행정동 단위, 항만 구역 단위 등 정책·행정에 적합한 공간 단위로 집계하여, 각 지역별 “최대 예상 강도” 및 “대표 강도 등급”을 설정하고, 이에 상응하는 피난·대응 수준을 사전에 규정하는 방식이 가능하다. 다만, K-ITI 등급과 국내 설계 기준(예: 호안 설계파고, 구조물 허용유속 등)의 구체적 연계는 향후 추가적인 보정을 통해 정교화될 필요가 있다.

K-ITI의 국내 제도적 도입을 위해서는 다음의 단계적 절차를 제안한다.

첫째, 전국 규모 수치 모의 기반 K-ITI 기초 지도의 작성이다. 잠재적 지진해일 발생원이 되는 인근 판 경계 및 활성 단층(예: 일본 해구, 동해 인접 단층)을 대상으로 대표 지진 시나리오 집합을 정의하고, 각 시나리오에 대해 COMCOT 등 검증된 수치 모형을 활용하여 한반도 주변-연안-국지 영역까지 다중 격자 수치 해석을 수행함으로써 최대 해일고, 최대 유속 공간 분포를 산정한다. 이를 바탕으로 각 격자(혹은 지진해일 특보구역)에 K-ITI 등급을 부여하여, 시나리오별 및 포락선 형태의 K-ITI 기초 지도를 작성한다.

둘째, 경보-행동 기준과의 매핑 및 정책화이다. 현행 지진해일 주의보, 경보 기준과 K-ITI 등급을 연계하여, 각 등급에 대해 예상 피해 유형과 대응 행동(피난, 항만 운영 제한, 시설 보호 등)을 정의한다. 이 기준을 기상청, 행정안전부, 해양수산부, 지방자치단체 등 관계 기관 간 합의를 통해 제도화하고, 경보 메시지 및 방재 지침에 반영한다.

셋째, 지역 맞춤형 보정이다. 주요 항만 및 취약 연안(예: 저지대 도시, 대형 인프라 인접 구간)에 대해 고해상도 DEM 및 수치 모형, 제한적이나 신뢰도 높은 유속, 수위 관측 자료를 활용하여 K-ITI 등급 경계를 보정한다. 아울러 과거 지진해일 피해 사례와의 비교를 통해, 실제 피해 양상과 대응 실적을 반영한 경험적 보정을 수행한다.

넷째, 실시간 운영 및 고도화이다. 지진 발생 시 단층 매개변수에 기반한 신속 수치 모의, 또는 사전 구축된 시나리오 데이터베이스와의 유사도 기반 매칭 기법을 활용하여 해당 사건에 대한 K-ITI 분포를 실시간으로 추정한다. 추정된 K-ITI 분포를 기반으로 연안별 혹은 항만별 경보 수준과 행동 지침을 제공하고, 사건 종료 후에는 관측 자료 및 피해 자료를 활용하여 K-ITI 모형과 등급 기준을 지속적으로 보정 또는 고도화한다.

2.5 폭풍해일 특보 기준과의 비교 및 시사점

K-ITI의 향후 발전 방향을 고찰하기 위해, 지진해일과 유사한 장주기 해양파 특성을 지닌 폭풍해일의 특보 운용 사례를 비교 및 검토하고자 한다. 현행 폭풍해일 특보는 지방자치단체별 해수면 절대 높이, 즉 총수위(total water level)를 기준으로 발효되며, 그 기준값(cm)은 지역마다 상이하게 운용된다(기상청 예보업무규정, 제19조 제2항 및 별표 8 참조). 예를 들어, 평택시는 주의보 1,010 cm, 경보 1,030 cm를 기준으로 하는 반면, 목포시는 주의보 522 cm, 경보 544 cm, 속초시는 주의보 89 cm, 경보 130 cm로 설정되어 있다^{(KMA, 2025)}. 이처럼 기준값이 지역마다 현저한 차이를 보이는 가장 핵심적인 원인은 조석 특성의 차이에 있다. 폭풍해일 특보는 천문조에 기상 요인에 의한 해일 편차(storm surge)가 중첩된 전체 조위(폭풍조위, storm tide)가 기준값을 초과할 때 발효되는 구조이므로, 평상시 조차가 큰 대조차 해역에서는 기준값 자체가 구조적으로 높게 설정될 수밖에 없다. 즉, 동일한 규모의 폭풍해일이 내습하더라도 대조차 해역인 인천에서는 만조와 중첩되어야 위험 수위에 도달하는 반면, 소조차 해역인 속초에서는 상대적으로 작은 해일 편차만으로도 침수가 발생할 수 있으므로, 각 지역의 물리적·지리적 조건에 따라 기준값을 차등 적용하는 것이다.

이러한 사실은 본 연구에서 제안한 K-ITI의 향후 발전 방향에 중요한 시사점을 제공한다. 현행 K-ITI는 천문조를 배제한 '순수' 지진해일 높이와 유속만을 기준으로 강도를 산정하고 있으나, 실제 연안에서의 침수 위험은 지진해일 도달 시점의 조석 상태에 따라 크게 달라질 수 있다. 폭풍해일 특보 체계가 총수위 개념에 기반하여 지역별 차등 기준을 운용하고 있듯이, K-ITI 역시 장기적으로는 조석 조건이 반영된 해수면 절대 높이(총수위) 기반의 강도 체계로 발전할 필요가 있다. 이는 향후 연구 과제로 남기고자 한다.

3.1 해역에서의 지진해일 관측 현황

우리나라에서의 지진해일 관측은 관측장비를 활용한 기본관측과 육안 및 체감에 의한 보조관측으로 구성된다. 기본관측은 기상청 해일파고계, 연안방재 수위계, 국립해양조사원의 조위계 등을 통해 해수면 변동을 계측하고 지진해일의 도달 시각과 파고를 산출하며, 총 49개 관측소에서 운영되고 있다. 보조관측은 지방(지)청 및 기상대가 관할 연안에서 지진해일 관측기준도를 활용하여 CCTV 또는 육안으로 지진해일 현상을 확인함으로써, 해수면 높이와 연안 영향 정도를 정성적으로 파악한다.

한편, 유속 관측은 주로 조위관측소, 해양부이, ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler), HF(High-Frequency) 레이다 등의 관측망을 통해 수행되고 있다(Fig. 3). 먼저 조위관측소는 국가 해양관측망의 핵심 시설로서, 전국 연안의 주요 항만 및 해안에 설치되어 해수면 높이를 연속적으로 관측하고 있으며, 일부 지점에서는 인근 해역에 조류계 혹은 ADCP를 병설하여 조류 유속을 함께 측정하고 있다. 그러나 대부분의 조위관측소 유속자료는 항만 운영 및 조석·해류 기초 조사 목적에 초점이 맞추어져 있어, 표준 관측간격이 수십 분에서 1시간 단위로 설정되어 있고, 장주기 조석 성분과 기조류 변동을 파악하는 데 적합하도록 설계되어 있다.

또 다른 국가해양관측망의 주요 구성 요소인 해양관측부이는 연안 및 외해에서 파랑, 수온, 염분, 해상기상 등을 포함한 다양한 항목의 해양 환경을 실시간으로 관측하고 있다. 유속 관측의 경우, 해양관측부이 자체 또는 인근 해역에 설치된 ADCP 계류 관측을 통해 조류 및 해류 특성이 관측되며, 이는 주로 해양 환경 모니터링 등의 목적을 위해 활용된다. 이러한 관측자료는 일반적으로 수 분에서 수십 분 단위의 표준 관측간격을 가지며, 장주기 조석 성분과 평균적인 조류 및 기조류 변동을 파악하는 데 적합하도록 운영되고 있다. 기상청에서도 해양기상부이 및 파고부이를 통해 해수면에서 해양기상현상을 10분~1시간 주기로 관측하고 있으나, 파고, 파주기, 파향, 평균해수위 등이 해당될 뿐 유속 및 유향정보는 포함되지 않는다.

HF레이더 관측망은 중·단파 대역의 전파를 이용하여 해수 표층 유속을 원격으로 관측하는 체계로, 우리나라에서는 동해·남해 일부 해역에 구축되어 연안 표층류 및 태풍·폭풍 시 해수 유동 감시에 활용되고 있다. HF 레이더는 광범위한 해역에 대해 고해상도의 공간 분포를 제공한다는 장점이 있으며, 일반적으로 1시간 내외의 시간 간격으로 표층 유속장을 산출한다. 그러나 지진해일 유속은 수 분 이하의 짧은 시간 스케일에서도 급격한 변동을 보이는 경우가 많기 때문에, 이러한 시간해상도로는 파동 특성을 충분히 포착하기 어렵다.

또한 ADCP를 활용한 계류형 혹은 선상 관측은 고해상도의 수직·수평 유속 구조를 제공하지만, 설치·운영 비용이 크고 장기 연속 관측 지점이 제한적이어서, 전국 규모의 지진해일 유속 감시 체계로 활용하기에는 현실적인 제약이 크다. 특히 지진해일은 예측 불가능한 시점에 돌발적으로 발생하는 특성상, 사전에 유속 관측 장비를 최적 위치에 집중 배치하기 어렵고, 대부분의 유속 관측망은 지진해일이 아닌 일반 해양환경 감시 목적에 맞춰 설계되어 있다.

결과적으로 국내 기존 유속 관측망을 지진해일 유속 관측·검증에 직접적으로 활용하기에는 시간해상도와 공간 커버리지 측면에서 구조적 한계가 존재한다.

Fig. 3. Location of Ocean Observation Stations along the Korean Coast. (a) Ocean Observation Buoys in the East Sea, (b) HF Radar Coverage Areas

3.2 2024년 노토반도 지진해일 유속 관측 사례

2024년 노토반도 지진해일 사례의 HF 레이더 및 조위관측소 자료를 살펴보면, 우선 Fig. 4(a)에서 볼 수 있듯이 HF 레이더 유속장은 1시간 간격의 출력에서 장주기 변동은 포착하였으나, 수 분 단위의 세부적인 지진해일 유속 파형과 위상 정보는 뚜렷하게 분리하기 어려운 것으로 나타났다. 또한 Fig. 4(b)의 해운대 조위관측소 유속·풍속 결과에서는 1분 간격의 높은 시간해상도를 지니고 있으나 조류 제거(detiding)를 수행한 후에도 잔차 유속 신호에는 바람, 기압, 국지 순환 등 비(非)지진해일 성분들이 혼재하여, 통계적 필터링만으로 지진해일 신호를 명확히 복원하는 데 한계가 있음이 확인되었다. 따라서 향후 지진해일 유속 검증 및 통합지진해일강도 산정을 위해서는 수치모형 기반의 시뮬레이션과 제한적인 고해상도 관측자료를 병행 활용하는 하이브리드 접근이 필수적이라고 판단된다.

Fig. 4. Observations during the 2024 Noto Peninsula Tsunami. (a) Surface Current Vectors from the Southern East Sea HF Radar (1 Jan. 2024, 00H-22H KST), (b) 1-minute Interval Current Speed, Current Direction, and Wind Speed at Haeundae Station (1-4 January 2024; Yellow Line: Earthquake Origin Time; Green Line: Predicted Tsunami Arrival Time)

4.1 COMCOT 수치모형

본 연구에서는 지진해일의 전파 및 항만 내부에서의 유동, 특히 유속의 변화를 모의하기 위해 COMCOT v1.7(Cornell Multi-grid Coupled Tsunami Model)을 활용하였다. COMCOT는 비분산 장주기 모형으로서 비선형 천수방정식(Nonlinear Shallow Water Equations, NSWE)을 지배방정식으로 사용하며, 수심 변화에 따른 천수·굴절·회절 및 경계 반사를 고려할 수 있도록 구성되어 있다. 아래는 해당 모형의 ‘보존형’ 지배방정식을 나타낸다.

여기서, $\eta$는 자유수면 변위, $h$는 정수심, $H(=\eta+h)$는 전체수심, $u, v$는 각각 $x, y$방향 평균수심유속, $Hu, Hv$는 각각 $x, y$방향 체적유량(유량플럭스)이다. 또한, $F_x, F_y$는 바닥 마찰항 등 외력을 나타내며, COMCOT에서는 Manning 조도계수를 이용한 마찰 모형 등을 선택적으로 적용할 수 있다.

COMCOT에서는 또한 다중 격자(multi-grid) 체계를 통해 광역 해역부터 연안·항만의 국지 영역까지 점진적으로 공간 해상도를 향상시키며 모의할 수 있어, 원거리 진원에서 발생한 지진해일이 한국 연안에 도달하여 항만 내부에서 유속이 증폭되는 과정을 효율적으로 표현할 수 있다. 또한 지진해일 초기 수면 변위를 지진 소성해(Okada식)로부터 산정된 해저 변위장을 수면 변위로 투영하여 설정하며, 중력가속도, 해수 밀도, 마찰계수 등 다양한 물리 파라미터를 사용자가 조정할 수 있다. 공간 이산화에는 유한차분법이 사용되며, 시간적분에는 안정성과 계산 효율을 고려한 외재적(Explicit) 스킴이 적용된다.

4.2 지진해일 수치모의 결과의 유속 검증

본 연구에서는 2011년 동일본지진 사례를 대상으로 수치모형을 수행하고 해역에서 산출된 유속을 관측결과와 비교함으로써, K-ITI의 주요 인자인 유속의 모의 타당성을 검증하고자 한다. 우선 USGS에서 제공하는 2011년 동일본지진의 유한단층(finite fault) 해를 초기 조건으로 사용하였고, 다중 격자 구성을 활용하여 북태평양·북미 서해연안·캘리포니아 북부-항만 수준으로 격자 간 해상도를 약 3.3 km에서 9 m까지 단계적으로 세분하였다.

유속 검증을 위해, 먼저 2011년 동일본지진해일에 대해 Crescent City 항만에서 수행된 ADCP 유속 관측과 COMCOT 모형 결과를 비교한 ^{Admire et al.(2014), Lynett et al.(2012)} 등의 선행연구를 분석하였다. 이들 연구에서는 항만 입구 및 내부의 유속 시계열과 최대 유속 값에 대해 수치모형이 관측치를 양호하게 재현하며, 특히 항만 내에서 발생하는 장주기 진동과 유속 증폭 과정이 모형에 의해 잘 포착됨을 보였다. 본 연구에서는 동일한 지진해일 사건에 대해 COMCOT을 적용하여 다중 격자 구조 하에서 Crescent City 항만 외측의 수위 및 내측 유속을 모의하고, 관측자료와 비교함으로써 모형의 유속 재현 성능을 검증하였다.

구체적으로, Fig. 5에서 볼 수 있듯이 4단계 격자를 사용하여 북동태평양 대역(1단계), 북미 서해안 주변(2단계), 캘리포니아 북부 연안(3단계), Crescent City 항만(4단계)을 순차적으로 상세화하였으며, 각 단계의 격자 크기와 시간 간격을 조정하여 수치적 안정성과 계산 효율을 확보하였다. Fig. 6에 조위 관측소 수위와 항만 내 ADCP 유속 시계열 비교 결과를 제시하였으며, 지진 발생 후 수 시간에 걸친 주요 파군의 도달시간과 진폭, 그리고 항만 내에서의 유속 변동 패턴이 관측과 잘 부합하는 것으로 나타났다. 특히 최대 유속의 크기와 발생 시점에 대한 모형-관측 오차는 실무적 활용에 충분한 수준으로 평가되었으며, 이는 COMCOT이 지진해일 유속을 통합지진해일강도 산정용 핵심 변수로 사용하는 데 적합한 수치모형임을 시사한다.

Fig. 6의 비교 결과를 보다 구체적으로 살펴보면, 수위 및 유속의 최댓값은 관측값과 양호한 일치를 보이는 반면, 일부 시간 구간에서 위상 오차 및 국부 최댓값의 불일치가 관측된다. 이러한 위상 오차는 항만 내 지진해일 수치모의에서 일반적으로 보고되는 현상으로서, 그 주요 원인으로는 (1) 항만 내부의 복잡한 공진(resonance) 및 다중 반사(multiple reflection) 특성, (2) 입력 수심 자료의 해상도 한계에 따른 국지 지형 재현의 불확실성, (3) 비선형 천수방정식(NSWE) 기반 모형에서의 주파수 분산(frequency dispersion) 효과 미반영 등이 지목된다.

현재까지 지진해일 유속의 수치모의-관측 비교에 대해 국제적으로 합의된 단일 정량적 허용 한계는 존재하지 않는다. 이는 지진해일 유속 관측 자체가 극히 제한적이고, 관측 조건(ADCP 설치 위치·수심, 항만 형상, 계기 특성 등)에 따라 불확실성이 크게 달라지기 때문이다. 다만, 동일한 Crescent City 항만 사례에 대해 ^{Lynett et al.(2012)}은 수치모형의 최대 유속이 관측값 대비 약 20~30 % 범위 내에서 재현되면 항만 규모의 유속 모의로서 합리적인 수준이라고 평가한 바 있으며, ^{Admire et al.(2014)} 역시 동일 사례에서 유사한 수준의 오차 범위를 확인하였다. 본 연구의 COMCOT 모의 결과에서도 최대 유속의 크기는 이러한 허용 범위 내에서 관측값과 부합하는 것으로 나타났다.

한편, K-ITI 산정용 핵심 입력값은 모의 전체 시간에 걸친 최대 해일고와 최대 유속의 포락값이므로, 개별 파군의 위상 오차보다는 최댓값의 크기가 등급 결정에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 Fig. 6에서 확인되는 최댓값의 양호한 일치는 COMCOT이 K-ITI 산정용 핵심 변수인 유속을 충분한 신뢰도로 제공할 수 있음을 시사하며, 위상 오차에 의한 등급 산정 결과의 왜곡은 제한적인 것으로 판단된다.

Fig. 5. Computational Domains and Earthquake Beach Ball for the 2011 Tohoku-Oki tSunami Simulation: Nested Grid Layout (Layers 1–4) and Bathymetry (Yellow Star: Epicenter; Red Star: Tide Gauge and ADCP Observation Site at Crescent City Harbor)

Fig. 6. Comparison of Observed and Modeled Time Series at Crescent City Harbor during the 2011 Tohoku-Oki Tsunami. (a) Water Level, (b) Current Speed

5.1 1983년 일본 동해중부 지진해일 사례

1983년 5월 26일 일본 동해중부에서 발생한 Mw 7.7 규모의 지진은 일본 서해안과 한국 동해안 일대를 포함하는 광범위한 해역에 지진해일을 발생시켰다. 본 연구에서는 USGS와 기존 연구에서 제시된 단층 모형을 활용하여, 2개 소단층으로 구성된 유한단층해 매개변수(단층 길이, 폭, 수직변위 등)를 구축하고, 이를 바탕으로 COMCOT 모형의 초기 수면 변위를 설정하였다(Table 2). 이후 다중 격자를 통해 북서태평양-동해-한반도 동해안-국지 항만 영역으로 점진적 고해상도화를 수행하여, 한반도 동해안 전역의 해일고 및 유속 분포를 모의하였다.

모의 결과, 강릉, 묵호, 포항 등 동해안 주요 항만 및 연안에서 수십 cm에서 1 m를 상회하는 수준의 최대 수위 변동과 함께, 연안에서는 0.5-1.5 m/s 수준의 최대 유속이 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 8, Fig. 9). 이들 값은 당시 관측된 조위 변동 기록과 역사 기록을 고려할 때 정량적으로 타당한 범위에 해당하며, 특히 항만 내 장주기의 유동이 수 시간 이상 지속되었을 것으로 추정된다. K-ITI 기준으로 볼 때, 동해안 북부 대부분 연안은 K-ITI 1-2등급(주의-경계) 수준에 해당하지만, 일부 항만 내부 및 해협 지점부에서는 해일고와 유속 증폭에 의해 K-ITI 3등급(심각) 수준에 도달하는 지점이 나타나, 수위 중심의 평가만으로는 간과되기 쉬운 국지적 위험 구간을 확인할 수 있었다.

Fig. 8. Distribution of Maximum Tsunami Height at Each Computational Layer for the 1983 Central East Sea Earthquake. (a) Layer 1, (b) Layer 2, (c) Layer 3

Fig. 9. Distribution of ITI and K-ITI along the East Coast of Korea for the 1983 Central East Sea Earthquake. (a) ITI (with Umax) at Layer 3, (b) K-ITI at Layer 3

5.2 1993년 홋카이도 남서외해 지진해일 사례

1993년 7월 12일 홋카이도 남서외해에서 발생한 Mw 7.8 규모 지진은 일본 홋카이도 서해안에 막대한 피해를 야기한 지진해일을 발생시켰으며, 이 지진해일은 한국 동해안에도 도달하여 유의미한 수위 변동과 항만 내 이상 유동을 유발하였다. 본 연구에서는 3개 소단층으로 구성된 유한단층해 모형을 구축하여 초기 수면 변위를 산정하고, 1983년 사례와 동일한 다중 격자 구조를 적용하여 COMCOT 모의를 수행하였다(Table 3).

수치모의 결과, 1993년 지진해일은 1983년 사례에 비해 한국 동해안에서 다소 큰 수위 및 유속을 야기하는 것으로 나타났다. 특히 일부 동해안 항만에서는 최대 수위가 1-2 m 수준에 이르며, 항만 내부의 최대 유속은 1-3.0 m/s 수준까지 증가하였다(Fig. 10, Fig. 11). 이는 계류선 파단, 소형 선박 이동, 항만 내 부유물 이동 등 유속에 민감한 피해 발생 가능성이 상당했음을 시사한다. K-ITI 기준으로 평가할 때 동해안 다수 항만과 연안 지역에서 K-ITI 1등급(주의)에 해당하는 구간이 광범위하게 분포하는 것으로 나타났고, 일부 항만 및 곶·만 형상의 지형이 집중되는 구간에서는 유속 증폭으로 인해 K-ITI 2-3(경계-심각)에 해당하는 구간이 간헐적으로 나타났는데, 이는 단순한 최대 수위 기준으로는 충분히 강조되지 않았던 위험도를 부각시키는 결과로 해석된다.

Fig. 10. Distribution of Maximum Tsunami Height at Each Computational Layer for the 1993 Hokkaido Nansei-Oki Earthquake. (a) Layer 1, (b) Layer 2, (c) Layer 3

Fig. 11. Distribution of ITI and K-ITI along the East Coast of Korea for the 1993 Hokkaido Nansei-Oki Earthquake. (a) ITI (with Umax) at Layer 3, (b) K-ITI at Layer 3

5.3 2024년 노토반도 지진해일 사례

2024년 1월 1일 일본 노토반도 인근에서 발생한 Mw 7.6 지진은 일본 서해안과 동해 전역에 지진해일을 발생시켰으며, 우리나라 동해안에서는 조위 관측소와 HF 레이더, 조류와 유속 관측자료 등을 통해 장주기 수위 및 유속 변동이 관측되었다. 본 연구에서는 단일 단층으로 구성된 유한단층해 모형을 사용하여 초기 수면 변위를 산정하고, 모의를 수행하였다(Table 4).

수치모의와 관측자료 비교 결과, 동해 전역의 조위 관측소에서 지진해일 도달에 따른 수십 cm 수준의 낮은 수위 변동이 관측 및 모의되었으며, HF 레이더 및 조류계 자료에서도 장주기 유속 변동이 확인되었다. 다만 앞서 언급한 바와 같이 HF 레이더 및 조류계 자료의 시간해상도가 상대적으로 커 지진해일 유속 파형을 완전하게 재현하기는 어려웠으나, 조석 제거 및 필터링을 통해 추출한 잔차 유속과 COMCOT 모의 결과는 최대 유속의 규모 측면에서 합리적인 일치를 보였다(Fig. 4, Fig. 13). K-ITI 분포에서는 동해안 대부분의 연안에서 K-ITI 0등급(관심)의 낮은 수준이 나타나, 지진 규모 대비 상대적으로 위험도가 낮은 결과로 산출되었다.

Fig. 12. Distribution of Maximum Tsunami Height at Each Computational Layer for the 2024 Noto Peninsula Earthquake. (a) Layer 1, (b) Layer 2, (c) Layer 3

Fig. 13. Distribution of ITI and K-ITI along the East Coast of Korea for the 2024 Noto Peninsula Earthquake. (a) ITI (with Umax) at Layer 3, (b) K-ITI at Layer 3

5.3 사례 간 비교 및 종합

세 가지 과거 지진해일 사례에 대한 K-ITI 산정 결과를 종합적으로 비교하면, 진원 특성과 한국 연안까지의 전파 경로에 따라 K-ITI 분포가 뚜렷하게 차별화됨을 확인할 수 있다. Table 5는 각 사례의 진원 특성, 한국 동해안에서의 대표적 최대 해일고 및 최대 유속 범위, 그리고 K-ITI 분포 특성을 종합하고 비교한 것이다.

1993년 홋카이도 남서외해 지진해일은 세 사례 중 한국 동해안에서 가장 높은 K-ITI 등급을 야기하였다. 이는 동일 규모급(Mw 7.7~7.8)인 1983년 사례와 비교할 때, 단층 변위량의 차이에 주로 기인하는 것으로 판단된다. 1993년 사례의 최대 수직 변위(U = 1,200 cm, 소단층 c)는 1983년 사례의 최대 변위(U = 760 cm, 소단층 a)의 약 1.6배에 달하며, 이에 따라 초기 수면 변위의 진폭이 크게 증가하여 한국 동해안 도달 시 파고와 유속 모두 1983년 사례를 상회하는 결과로 나타났다. 또한 1993년 사례는 3개 소단층의 복합적 파원 구조에 의해 지향성(directivity)이 동해 남서 방향으로 집중되는 특성을 보여, 한국 동해안 중·남부 연안에서의 에너지 집중이 상대적으로 크게 나타난 것으로 해석된다^{(Jung and Son, 2021; Son and Jung, 2022)}.

반면, 2024년 노토반도 지진해일은 지진 규모(Mw 7.6)가 1983년(Mw 7.7)과 유사함에도 불구하고, 한국 동해안에서의 K-ITI가 대부분 1단계(관심)에 머무는 낮은 수준으로 산출되었다. 이러한 차이는 크게 두 가지 요인으로 설명된다. 첫째, 단층 변위량(U = 329 cm)이 1983년(760 cm) 및 1993년(1,200 cm) 사례에 비해 현저히 작아, 초기 수면 변위의 규모 자체가 제한적이었다. 둘째, 노토반도의 진원 위치(37.5°N, 137.2°E)는 동해 남부에 위치하여 한국 동해안까지의 전파 거리가 상대적으로 가까움에도 불구하고, 단층의 주향(strike = 214°) 및 경사(dip = 34°)에 의한 파원의 지향성이 일본 서해안 방향으로 집중되어, 한국 연안으로의 에너지 전달이 제한되었을 가능성이 있다.

세 사례를 관통하는 공통적 발견은, 동일한 최대 수위 조건에서도 항만 내부, 해협부, 곶·만 지형이 집중되는 구간에서 유속 증폭에 의해 K-ITI 등급이 국지적으로 상승하는 현상이 일관되게 확인되었다는 점이다. 예를 들어, 1983년 사례에서 동해안 대부분 연안이 K-ITI 1~2등급에 해당하는 가운데 일부 항만 내부에서 K-ITI 3등급이 나타났으며, 1993년 사례에서도 광역적으로 K-ITI 2등급이 우세한 가운데 특정 항만 및 지형 집중부에서 K-ITI 3등급으로의 상승이 관측되었다. 2024년 사례에서는 전반적으로 K-ITI 1등급의 낮은 위험도가 산출되었으나, 이 경우에도 항만 입구부 등에서의 국지적 유속 증폭은 확인되었다. 이는 유속을 포함하지 않는 수위 중심의 단일 지표 평가 체계에서는 이러한 국지적 취약 구간이 구조적으로 간과될 수밖에 없음을 재차 확인시켜 주는 결과이다.

한편, K-ITI 등급과 기존 경보 체계의 매핑 관점에서 보면, 1993년 사례는 동해안 다수 연안에서 K-ITI 2~3단계(주의~경계)에 해당하여 현행 지진해일 경보 발령 기준에 부합하는 수준의 위험도를 나타낸 반면, 2024년 사례는 대부분 K-ITI 0단계(관심)로서 지진해일 주의보 수준에 상응한다. 이는 과거 실제 경보 발령 이력 및 피해 기록과 정성적으로 부합하는 결과로서, K-ITI가 과거 사례에 대한 사후적 위험도 평가에서도 현실적 타당성을 갖춤을 시사한다. 종합하면, K-ITI 분포를 결정하는 주요 인자는 (1) 단층 변위량에 의한 초기 수면 변위의 규모, (2) 단층의 주향·경사에 따른 파원 지향성과 한국 연안으로의 에너지 전달 효율, (3) 연안 및 항만의 국지 지형에 의한 유속 증폭 효과의 세 가지로 요약될 수 있다. 향후 K-ITI 기초 지도 작성 및 경보 체계 연계 시에는, 진원 특성에 따른 광역적 위험도 수준의 차별화와 함께 항만·해협 등 국지 지형에 의한 유속 증폭 효과를 반드시 반영하여야 할 것이다.