지진해일 관측 장비 위치 선정 시, 지진과 지진해일이 일어날 가능성이 높은 곳의 시나리오를 사용하는 것은 필수 조건이다(Mulia et al., 2017). 따라서, 본 연구는 한국 동해안에 영향을 미칠 수 있는 일본 서해안에서 발생한 가상 지진해일 시나리오를 고려하였고, 여러 선행 연구를 통해 다양한 조건의 가상 지진 시나리오 40개를 선정하였다(Choi et al., 2001; Kim et al., 2013; Kim and Cho, 2014; Rehman and Cho, 2016; Jho et al., 2019). 대표적인 지진해일 시나리오 3개의 케이스를 그림에 명시하였다(Fig. 3).

COMCOT을 수행한 동해안의 계산 영역은 Fig. 2과 같으며, 116.9 – 142.9∘E, 29.9 – 49.9∘N의 지역이다. 실제 수심자료인 15 arc second로 구성된 The general bathymetric chart of the oceans (GEBCO)를 30 arc second로 리샘플링하여 사용하였다. 또한 COMCOT의 시뮬레이션 시간은 4시간이며, 시간 간격은 1초 간격으로 진행하였다. 또한 외해에 설치될 지진해일 관측 장비를 고려하여 선형 천수방정식을 사용하여 수치모델을 수행하였다.

본 연구에서 외해 지진해일 관측 장비는 자유수면 변위를 기록하고, 지진해일을 탐지할 수 있는 시공간적인 사양을 가진다는 것을 전제로 한다. 지진해일 관측 장비는 지진해일 에너지가 많이 분포하는 곳에 위치해야 한다(Mulia et al., 2017). 따라서, Mulia et al.(2017)은 수치모델을 통하여 얻은 지진해일 전파도를 Empirical orthogonal function(EOF) spatial mode를 통하여 특정 지진해일 시나리오들의 에너지가 주로 분포하는 곳을 찾아 지진해일 관측 장비의 최적 위치로 제안하였다. 하지만, 이 선행 연구의 경우, 한국의 현황과 달리 넓은 범위의 지진해일 파원을 다루지 않고, 큰 규모의 특정 시나리오 11개에서 지진해일 파원 추정 정확도를 기준으로 지진해일 관측 장비의 최적 배치 지역을 제안하였다. 또한, 최근 외해 지진해일 관측 장비 제안 연구의 경우, 지진해일 파원 추정의 정확도를 기준으로 지진해일 관측 장비 최적 위치를 제안하였다(Mulia et al., 2017; Meza et al., 2018). 그러나 현재 충분한 양의 장비가 보유되지 않은 한국의 지진해일 경보 시스템 현황을 고려하여, 최적 관측 지역 선정의 기준을 파원 추정의 정확도를 기준으로 고려하는 것이 아니라, 한국 동해 지형의 특성을 이용하여 지진해일 탐지 확률을 높이는 지역을 제안하고자 한다. 따라서 본 연구의 전제는 지진해일 관측 장비는 지진해일 에너지가 많이 분포하는 곳에 위치해야하고, 지형의 영향을 받지 않아 지진해일의 성분이 왜곡되지 않으며 동시에 지진해일이 심해에서 속도가 빠른 점을 고려하여 수심 300m 보다 깊은 곳으로 제안하였다(Schindele et al., 2008; Mulia et al., 2017).

Mulia et al.(2017)과 Omira et al.(2009)의 연구 방법론을 착안하여 COMCOT으로부터 나온 지진해일 최대파고분포도를 분석함으로써 다양한 조건의 수많은 가상 지진해일이 우리나라 동해에 전파되는 특성을 분석하였다.

우리나라 동해를 전파하는 지진해일은 동해 중부에 형성된 대화퇴(야마토 라이즈)를 포함한 수중산맥의 영향으로 일본 서해안에서 발생하는 지진해일의 피해는 주로 동해 연안 특정 지역에 영향을 주고 있다(Jeon et al., 2007). 따라서 다양한 조건의 수많은 지진해일 시나리오의 최대파고분포도를 통하여 특정 지역에서 지진해일이 전파가 되는 것을 확인할 수 있었다. Meza et al.(2018)에서 지진해일의 에너지가 지나감으로써 지진해일이 관측되는 지역을 listening area로 정의하고, 두 지진해일 시나리오의 최대파고분포도를 겹침으로써, 지진해일 관측 장비의 최적 위치를 제안하였다. 따라서 본 연구도 선행연구(Meza et al., 2018)의 방법을 착안하여 다양한 조건의 가상 지진해일 시나리오의 최대파고분포도가 가장 많이 겹치는 곳에 외해 지진해일 관측 장비 최적 배치 지역으로 제안하였다.

한국 국립재난안전연구원은 한반도 주변해역에서 규모 7.0 이상의 해저지진으로 인해 발생한 지진해일이 연안에 도달하였을 때의 파고가 0.5m 이상 1m 미만일 시 지진해일 주의보를 내린다. 따라서, 본 연구는 연안 해저 지형의 영향으로 인해 지진해일의 파고가 높아지는 것을 감안하여, 모든 시나리오를 이용하여 각 격자점에 대해 0.1m, 0.2m, 0.3m 이상의 지진해일 파고가 지나간 빈도에 대한 확률을 Maximum likelihood estimation을 이용하여 계산하였다. Maximum likelihood estimation은 패턴 분석에 관한 기본적인 통계 기법으로 미지의 P인 확률분포에서 뽑은 표본(관측치) x를 바탕으로 P를 추정하는 것이다. 따라서, 외해 지진해일 관측 장비 설치 최적 지역을 Fig. 4의 삼각형 내 지역으로 제한하였다.

최소한의 장비 수로 지진해일 탐지 확률을 높이기 위하여, 우선 다양한 조건하에서 많은 가상 지진해일 시나리오를 통해 지진해일이 가장 많이 지나가는 영역, 즉, 탐지 확률이 높은 영역을 선정한 후 Schindele et al.(2008)에 따라 그 지역 내 관측 장비에 지진해일 도달시간이 최소인 지역을 선택하여 사전 경보시간 확보 최대화 기준으로 최적 관측 지역을 선정 및 제안하였다. 경보 시간에 대한 기준은 Schindele et al.(2008)과 Omira et al.(2009)에서 제안한 방법을 사용하였다. 사전 경보 시간 최대 확보를 위한 필수 고려 요소는 지진해일 탐지 후 경보센터에 관측자료 전송 및 지진해일 확인 및 경보 소요 시간이다.

식 (1)의 Warning time(WT)은 해당 연안 지역에 지진해일을 경보함으로써 확보하는 대피 가능 시간을 의미하고, Tsunami travel time(TTT)는 지진해일 발생원으로부터 해당 정점까지 지진해일 초기 파형 도달 시간이다(IOC 2006 Tsunami Glossary). 이는 지진해일 경보 시스템에서 고려되는 필수 요소이다(Schindele et al., 2008). Delay of detection(Dd), Delay of transmission(Dt), Delay of confirmation(Dc)은 지진해일 관측 장비에서 지진해일 초기 파형의 진폭 및 지진해일을 정의하는 기준점까지의 탐지 소요 시간, 지진해일 관측 장비로부터 지진해일 경보센터에로 관측자료 전송 소요시간, 지진해일 경보센터에서 경보 전 지진해일 확인 소요 시간을 각각 의미한다. Dd의 경우, 지진해일 초기파형 주기는 평균 20분이다. 따라서, 지진해일 초기파형의 진폭을 탐지하기 위해서 대략 6-8분이 소요된다. 따라서 Dd는 선행연구에 의거하여 8분으로 정의한다. 또한, 사전 경보시간 최대 확보를 위해 가장 짧은 시간이 소요되는 전송방식을 고려하여, 근거리 지진해일에 대해 해외에서 주로 사용하는 외해 지진해일 관측 장비의 통신 방법인 Inmarsat satellites를 이용한 Broadband global area network를 사용한다고 가정하였을 때, 자료 전송시간은 2분이 소요된다(Schindele et al., 2008). 따라서, 지진해일 초기파형 진폭을 관측 후 자료 전송까지 10분이 소요된다(Dd + Dt). 또한 지진해일 경보센터에서 지진해일 확인을 위해 최소 지진해일 초기파형 파장의 1/4 길이의 자료가 필요하다. 따라서, Dc는 선행연구와 동일하게 5분이라고 가정한다(Omira et al., 2009). Dd, Dt, Dc는 최대 15분임이 정해진다. 따라서, 지진해일 관측 장비로부터 지진해일을 관측 및 자료전송 그리고 지진해일 경보센터에서의 지진해일 확인 및 경보 시간 15분과 대피 시간 최소 15분을 고려하여 연안으로부터 지진해일이 도달하기 30분 전에 지진해일을 탐지하는 장비 위치를 지진해일 조기탐지를 위한 최적 위치로 제안하였다. 선행연구들에서 가상 외해 지진해일 관측 장비를 설치할 때 자료의 중복성을 피하기 위하여 30km간격을 고려한다(Mulia et al., 2017). 하지만, 우리나라의 경우 설치 및 유지비용을 고려하였을 때, 외해 지진해일 관측 장비를 해저 케이블과 같이 배열 형태로 설치할 것이 아닌, 장비 수를 최소화할 것이기 때문에 30km보다 적은 25km 간격으로 가상 지진해일 관측 장비를 제한된 구역(Fig. 4의 빨간색 삼각형으로 표시) 내에 설치하였다(Fig. 5). 지진해일 발생원으로부터 가상 관측 장비까지의 지진해일 도달시간을 COMCOT을 이용하여 계산하였다. 실제 1983년, 1993년 일본 서해안에서 지진해일이 발생하여 한반도 동해안까지의 전파시간이 2시간인 점을 고려하여(Kim, 2008), 외해 지진해일 관측 장비에 지진 발생 직후 최소 1시간 30분 전에 지진해일 관측 및 탐지가 이루어져야 한다. 따라서, 모든 시나리오에 대한 각 장비의 지진해일 도달시간을 4분위수로 표현하고(Fig. 6), 가상 지진해일 관측 장비 별 1시간 30분 전에 관측된 시나리오 수를 확인함으로써 최적 장비 배치 지역을 선정하였다(Fig. 7). 따라서, 지진해일 발생 직후 1시간 30분 전에 지진해일 탐지 빈도수가 가장 높은 가상 지진해일 관측 장비의 위치인 울릉도 북동쪽을 최적 지역으로 제안하는 바이다(Fig. 7의 빨간색, 지진해일 탐지 빈도 수 35-37)

마지막으로 설치 가능한 지역인지 고려하여야 한다. 이는 외해 지진해일 관측 장비가 설치 가능 조건인지 고려가 필요하다. 부이식 장비 또는 해저 케이블을 설치하기 위해서는 물리적인 지형조건으로는 해저면의 경사가 비교적 완만한 곳이어야 한다. Omira et al.(2009)은 Geographic Information System technology를 이용하여 해저 경사도를 계산하고 경사 3도 이하 지역을 장비 설치 가능 지역 경사 기준으로 정의하였다. 따라서, 본 연구는 선행연구의 기준을 사용하여 경사 3도 이상으로 설치 불가능 지역의 경사를 빨간색으로, 경사 3도 이하 설치 가능 지역의 수심을 파란색으로 표시하였고, 제안된 지진해일 관측 장비 위치와 현재 설치된 기상청의 해양기상부이, 울릉도 해일파고계, 국립해양조사원의 해양관측부이 그리고 1983년 지진해일 피해를 입었던 임원항의 위치를 나타내었다(Fig. 8). 상기 모든 고려사항을 조합하여 Fig. 8에서 노란색으로 표기된 세 위치가 지진해일의 조기 탐지를 위하여 바람직한 위치라는 결과를 도출하게 되었다.