선박의 안전을 위한 북태평양 서부 해역의 이상 발달 온대저기압에 관한 연구
A Study on Explosively Developing Extratropical Cyclones in the Western North Pacific for Maritime Safety
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Abstract
온대저기압은 중위도 및 고위도 지방에서 발생하는데, 그 위력은 통계적으로 태풍보다 세기는 약하나 규모가 크고 폭풍을 동반하여 태풍과 비슷한 규모의 피해를 야기한다. 온대저기압 중에서 24시간 이내에 중심기압이 24hPa 이상 하강하는 것을 이상 발달 온대저기압(또는 폭탄저기압)이라고 한다. 이 연구에서는 북태평양 서부 해역에서 최근 20년(2004～2023년) 동안에 발생한 이상 발달 온대저기압의 데이터를 분석하였다. 이상 발달 온대저기압은 대부분 북동진하면서 급속히 발달하는 경향을 보이고 발생 빈도는 해마다 점진적으로 증가하는 추세를 보이며, 이는 지구온난화와 관련되어 있다. 20년 동안에 발생한 이상 발달 온대저기압은 총 322개로 연평균 약 16개이다. 2019년에 27개로 가장 많은 수를 기록하였다. 계절로 구분해 보면, 겨울철에 가장 많이 발생하였고 그 중에서도 12월에 가장 많았다. 지리적으로 북위 40～50도, 동경 150～160도 해역에서 가장 많이 발생하는 경향을 보였고 이로 인해 해당 해역은 고파고역이 형성된다. 따라서 겨울철에 특히 해당 해역을 항해할 경우에는 선박이 악천후에 조우할 확률이 높아지고, 그 결과 해양사고가 발생할 수 있으므로 각별히 주의해서 항해하여야 한다.
Trans Abstract
Extratropical cyclones primarily occur in mid and high latitude regions and, though statistically less intense than tropical cyclones, are larger in scale and often accompanied by storms, leading to damage on par with tropical cyclones. Among these, cyclones that experience a central pressure drop of 24 hPa or more within 24 hours are classified as explosively developed extratropical cyclones, or "bomb cyclones." This study analyzed data concerning explosively developed extratropical cyclones in the western sea of the North Pacific over the last 20 years (2004–2023). These cyclones tend to intensify rapidly while predominantly moving northeastward, and their frequency has gradually increased over the years, closely linked to global warming. Throughout these two decades, 322 incidents were recorded, with an average of approximately 16 occurrences per year; the highest incidence being 27 cases in 2019. Seasonally, these cyclones are most frequent during winter, with December being the peak month. Geographically, the area between 40°–50°N latitude and 150°–160°E longitude had the highest concentration of occurrences, identifying it as a high-wave zone. Consequently, ships navigating this region, especially in winter, face a higher risk of severe weather, increasing the likelihood of maritime accidents and underscoring the importance of extreme caution during navigation.
1. 서 론
일본 컨테이너 선사 ONE의 ONE APUS호(G/T 146,694톤, 14,052 TEU, LOA 364미터)가 미국 하와이 제도의 니하우섬 북서쪽 해상에서 남동쪽으로 항해하던 중, 2020년 11월 30일 23시 22분부터 12월 1일 00시 59분까지 약 1시간 30분가량 악천후의 영향을 받아 선체가 급격히 기울어지며 추락한 컨테이너 1,841개를 포함한 약 2,250개의 컨테이너가 손실 또는 손상되는 대형 해양사고를 당했다. 사고 선박의 선장의 증언에 따르면, 화물들의 고박 상태에는 문제가 없었다.(JTSB, 2024)
Fig. 1은 일본 기상청(Japan Meteorological Agency, JMA)에서 제공한 ONE APUS호 해양사고 직전의 지상해석도이다. 2020년 11월 29일, 24시간에 중심기압이 1004hPa에서 964hPa까지 무려 40hPa이나 하강한 이상 발달 온대저기압이 북동진하면서 해당 사고에 영향을 주었음을 알 수 있다.
Ground Analysis near the area where the One Apus marine accident occurred(source: JMA)
해당 사고는 겨울철에 발달하는 온대저기압의 영향 때문인데, 온대저기압은 중위도 및 고위도 지역에서 발생하여 전선을 동반해 편서풍대에 따라 이동하면서 발달하는 저기압이다. 일반적으로 온난전선, 한랭전선, 폐색전선을 동반하고 겨울철에 크게 발달하며 악천후를 동반한다. 이러한 온대저기압 중에서 24시간 이내에 중심기압이 24hPa 이상 내려가는 온대저기압을 이상 발달 온대저기압이라 하는데, 폭탄저기압(Bomb Cyclone)이라고도 부른다. 이러한 폭탄저기압은 해상에서 강렬한 바람과 높은 파랑을 동반하여 많은 피해를 야기한다.
인명피해가 생긴 사례로는 2012년 4월 3일에 발생한 이상 발달 온대저기압의 경우로, 한반도를 지나 동해로 이동하면서 급격히 발달한 이후 일본을 통과할 때까지 지속적으로 발달하여 중심기압이 986hPa에서 952hPa까지 무려 34hPa 하강하였다. 이 온대저기압은 일본에서 40m/s 이상의 폭풍을 기록하면서 2명이 사망하였고 큰 경제적 손실을 입혔다(Kim, 2013).
이 연구에서는 북태평양 서부 해역을 항해하는 선박의 안전을 고려하여, 태풍보다는 위력이 약하지만 여전히 항해에 위험을 초래할 수 있는 이상 발달 저기압에 주목하였다. 특히, 많은 선박이 빈번히 운항하는 해당 해역에서 이상 발달 온대저기압의 발생 빈도, 발생 시기 및 위치, 그리고 그 원인을 통계적으로 분석함으로써, 기존 연구에서 주로 다루어온 태풍과의 차별성을 확보하고, 이상 발달 온대저기압이 항해에 미치는 영향을 보다 구체적으로 규명하고자 한다.
2. 연구 자료 및 방법
이 연구를 위해 사용한 자료는 일본 기상청에서 제공한 최근 20년간(2004～2023년)의 지상해석도이다. 해당 지상해석도는 매일 오전 9시를 기준으로 고기압과 저기압의 위치와 중심기압, 전선 등을 제공하므로, 24시간 이내에 중심기압이 24hPa 이상 급격히 하강한 온대저기압의 동향을 파악하고 연·월별 및 지역별로 분석할 수 있었다.
이 연구에서는 발달 전 온대저기압의 중심과 발달 후 온대저기압의 중심을 선정하기 위한 명확한 기준을 설정하였다. 이는 지상해석도에서 온대저기압의 중심을 선택하는 과정에서 발생할 수 있는 혼동을 줄이고, 일관된 분석을 보장하기 위함이다. 설정한 기준은 다음과 같다.
(1) 전선의 유무
온대저기압은 전선을 동반하기 때문에 우선적으로 전선의 동향을 파악하여 온대저기압의 중심을 선정하였다.
(2) 온대저기압의 중심 이동 방향
이상 발달 온대저기압은 대부분 북동진하므로, 발달하기 전 중심기압을 선정하기 어려운 상황에서는 온대저기압의 중심이 북동진하였을 것으로 가정하고 중심기압을 선정하였다. 만일 2개 이상의 저기압이 합쳐진 경우에는 합쳐지기 전 저기압들 중 기압이 가장 낮은 온대저기압의 중심을 선정하였다.
(3) 온대저기압의 중심 이동 거리
일반적으로 온대저기압의 이동속도는 약 30∼70km/h이다. 따라서 해당 기준을 반영할 경우, 24시간동안의 최대 이동거리는 70*24=1,680km이므로 극단적인 경우를 감안하더라도 일반적인 온대저기압은 3,000km를 초과하여 이동하지 않는다. 따라서 24시간 이내에 이동한 거리가 3,000km를 초과할 경우, 해당 저기압들은 서로 연관성이 없다고 판단하였다. 두 온대저기압의 중심 사이의 거리는 정확한 계산을 위해 하버사인(Haversine) 공식을 활용하였다.
이 연구에서는 적도 반지름을 R의 값으로 설정하였다. 이는 지구가 완전한 구형이 아닌 미세한 타원체 형태를 띠고 있음을 고려한 것이다. 명확하고 일관된 분석을 위해 국제 지구 좌표계(WGS84)에서 정의된 값을 적용하였다.
3. 연구 결과
3.1. 이상 발달 온대저기압의 발달 과정
Fig. 2는 하나의 온대저기압이 발달한 사례를, Fig. 3은 4개의 온대저기압이 합쳐져 발달한 사례를, Fig. 4는 온대저기압이 태풍과 합쳐져 발달한 사례를 각각 나타낸다.
Case of the Deepening of a Single Extratropical Cyclone
Case of the Deepening of Multiple Extratropical Cyclones Combined
Case of the Deepening of Extratropical Cyclone Influenced by Typhoon
최근 20년간의 지상해석도 분석 결과, 이상 발달 온대저기압의 발달 과정은 다음의 세 가지 유형으로 분류된다. 첫째, 하나의 온대저기압이 단독으로 발달하는 경우, 둘째, 두 개 이상의 저기압이 합쳐져 발달하는 경우, 셋째, 온대저기압이 태풍과 결합하여 발달하는 경우이다.
Table 1은 발달하는 유형에 따른 이상 발달 온대저기압의 연평균 발생 수를 나타낸 것이다. 2개 이상의 온대저기압이 합쳐져서 발달하는 경우가 연평균 약 9.9회로 가장 많았고, 하나의 온대저기압이 발달하는 경우가 연평균 약 6회로 두 번째로 많았다. 기타의 경우(주로 태풍의 영향을 받은 경우)는 연평균 0.3회로 빈도가 높지는 않으나, 이들은 중심기압이 크게 하강하여 기상이 급격히 악화되었다.
The annual Average Number of Occurrences by Type of Extratropical Cyclone Deepened
3.2. 이상 발달 온대저기압의 발생 수 및 시기
Fig. 5는 북태평양 서부 해역에서 20년 동안에 발생한 이상 발달 온대저기압의 발생 수를 연별 시계열 그래프로 나타낸 것이고, Fig. 6은 동 해역에서 20년 동안에 발생한 이상 발달 온대저기압의 수를 월별로 평균하여 나타낸 것이다.
Number of Bomb Cyclone Occurred in 2004-2023 (Yearly)
Average of Bomb Cyclone Occurred in 2004-2023 (Monthly)
Fig. 5에 따르면, 북태평양 서부 해역에서 최근 20년간 발생한 이상 발달 온대저기압의 수는 총 322개로 연평균 16.1개이다. 2019년에 발생 횟수가 27회로 가장 많았다. 추세선의 R² 값은 약 0.46, 기울기는 약 0.58로, 발생하는 횟수가 점진적으로 증가하고 있음을 확인할 수 있다.
Fig. 6에 의하면, 이상 발달 온대저기압은 12월에 평균 약 4.0개로 가장 많이 발생하였으며, 그 다음은 1월과 2월로 평균 약 2.9개 발생하였다. 위 분석 결과를 통해 이상 발달 온대저기압은 주로 11월부터 3월 사이 즉, 늦은 가을철부터 이른 봄철에 집중적으로 발생한다는 사실을 알 수 있다.
24시간에 중심기압이 가장 많이 하강한 경우는 2014년 11월 8일의 경우로, 무려 70hPa이나 하강하였다. 이는 다른 사례들과는 다르게 태풍이 온대저기압으로 변화한 후 다른 저기압과 합쳐져 매우 급격히 발달한 사례에 해당한다. 일본 지역특별기상센터-동경 태풍센터(RSMC-Tokyo)에서 제공한 데이터에 따르면, 북서태평양에서 발생한 태풍의 연별 발생수는 1994년 이후 감소하다가 2012년 이후 증가하는 경향을 보였으며, 여름철보다 가을철에 중심최대풍속이 2m/s 이상 더 강하다. 또한 강력한 태풍의 최대 강도 도달 지점이 점차 고위도로 이동하고 있다. 따라서 강한 강도를 유지한 태풍이 가을철에 발생한 온대저기압과 합쳐져 더욱 강력한 이상 발달 온대저기압으로 될 확률이 증가할 것으로 예상된다(Ryu, 2022).
IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 발간한 6th Assessment Report(2023)에 따르면, 전지구 지표면 온도는 1970년 이후 가속화된 증가 추세를 보이고 있으며, 2011∼2020년 평균온도는 1850∼1900년 대비 약 1.1°C 상승하였다. Fig. 7은 IPCC에서 제공한 전지구 지표면 온도의 변화를 나타낸 그래프이고 Fig. 8은 Fig. 7의 2004∼2023년간의 데이터를 수치화한 후 Fig. 5의 데이터와 비교한 그래프이다. 분석한 결과는 다음과 같다.
Graph Representing Changes in Global Surface Temperatures(source: IPCC, 2023)
Comparison of Global Temperature and Bomb Cyclone Frequency
온도 변화와 이상 발달 온대저기압 발생 빈도 사이의 회귀선(추세선)의 기울기는 18.52이고 결정계수(R²)값은 0.42이다. 이는 온도가 1°C 증가할 때, 이상 발달 온대저기압이 연간 약 18.52회 더 발생한다는 것을 의미하며 전지구 지표면 온도의 상승이 이상 발달 온대저기압의 발생 증가의 유일한 원인은 아니나 주요 요인 중 하나일 가능성이 높음을 시사한다. 따라서 이상 발달 온대저기압의 발생 빈도는 전지구 지표면 온도의 상승과 연관되어 있을 것으로 추정된다.
3.3 이상 발달 온대저기압의 발생 위치 및 이동 방향
Fig. 9는 2023년에 북태평양 서부 해역을 통항하는 선박의 평균 척수를 통해 교통 밀도를 표현한 지도이다. Fig. 10은 이상 발달 온대저기압으로 발달되기 24시간 전 온대저기압 중심 위치의 위도 및 경도를 점으로 나타낸 좌표평면이며, Fig. 11는 이상 발달 온대저기압이 발생한 지점의 위도 및 경도를 분석하여 점으로 나타낸 좌표평면이다. 두 좌표평면을 비교하였을 때, 이상 발달 온대저기압은 주로 북동진한다는 사실을 알 수 있다.
Traffic Density of Ships Navigating the Western North Pacific(source : MaritmeTraffic, 2023)
LAT-LONG of Bomb Cyclone(Development)
LAT-LONG of Bomb Cyclone(Deepened) and Major Shipping Route(East Bound and West Bound)
Fig. 11에서 이상 발달 온대저기압이 주로 발생하는 지역은 북위 40∼50도, 동경 140∼170도임을 알 수 있다. Fig. 9를 통해 해당 해역은 아시아와 북미대륙을 연결하는 주요 해상 교통로(동항 및 서항)에 해당하므로 항해 시 각별한 주의가 요구된다. 그 중에서도 이상 발달 온대저기압은 북위 40～50도, 동경 150～160도에서 가장 많이 발생하였는데 이곳은 일본 홋카이도의 동쪽 해역에 해당한다.
Fig. 10～11의 점 분포도와 실제 지도를 비교하면, 이상 발달 온대저기압이 육상보다 해상에서 더 빈번하게 발생한다는 점을 확인할 수 있다. 실제로 온대저기압과 잠열의 연관성을 증명하는 실험에서 잠열 없이 온대저기압은 폭발적으로 발달하지 않는다는 결론이 도출되었다(Lee et al., 1991). 또한 해상에서는 지속적인 수증기의 공급이 가능하고 대기의 상승 운동 지역에서 수증기의 응결로 인한 잠열이 방출되어 상승 운동이 가속되므로 저기압이 급격하게 발달할 수 있다고 시사된 바 있다(Bosart, 1981).
Fig. 12은 이상 발달 온대저기압의 중심 이동 방향을 분석한 결과를 나타낸 그래프이다. 분석 결과, 이상 발달 온대저기압은 북동진(NE)하는 경우가 가장 많았으며, 총 155회로 전체의 약 48%를 차지하였다. 이는 중위도 및 고위도 상층에서 부는 편서풍파동에 의해서 동진하고, 로스비(Rossby) 효과에 의하여 북진하면서 결과적으로 북동진하게 되는 것으로 설명된다(Seol, 2022). 반면에 북(N), 북북서(NNW), 동남동(ESE), 남동(SE) 방향으로의 이동은 상대적으로 빈도가 낮았다.
Movement Direction of Bomb Cyclone
4. 강력한 이상 발달 온대저기압
이상 발달 온대저기압 중 24시간에 중심기압이 36hPa 이상 하강하는 온대저기압을 ‘강력한 이상 발달 온대저기압(Extreme Bomb Cyclone)’으로 정의하였다. 이는 일반적인 이상 발달 온대저기압보다 훨씬 빠른 속도로 중심기압이 하강하는 강력한 저기압을 구분하기 위함이다.
Fig. 13은 강력한 이상 발달 온대저기압의 발생 위치와 아시아와 북미를 연결하는 주요 해상 통항로의 중첩상황을 나타낸 것이다. Fig. 11와 Fig. 13을 비교하면, 강력한 이상 발달 온대저기압이 발생한 위치와 다수의 일반적인 이상 발달 온대저기압이 발생한 위치가 유사한 분포를 보임을 알 수 있다. 이는 주로 북동진하는 온대저기압들이 육상을 통과한 후에 해상에 도달하는 구간이며 이로 인해 온대저기압 중심에 수증기가 빠르게 공급되면서 발생한 잠열로 강력하게 발달하는 현상으로 볼 수 있다.
LAT-LONG of Extreme Bomb Cyclone and Major Shipping Route(East Bound and West Bound)
Fig. 14는 20년 동안 발생한 강력한 이상 발달 온대저기압의 수를 연별로 나타낸 그래프이다. 2023년에 8회로 가장 많은 수를 기록하였다. 그래프 상의 R² 값은 약 0.49, 추세선의 기울기는 약 0.24로 강력한 이상 발달 온대저기압이 해마다 증가하고 있음을 나타낸다.
Number of Extreme Bomb Cyclone and Trend line
최근 20년간 발생한 이상 발달 온대저기압 중에서 24시간에 중심기압이 36hPa 이상 급격히 하강한 강력한 이상 발달 온대저기압은 총 67개로 연평균 3.4개이다. Fig. 13을 통해 아시아와 북미대륙을 연결하는 주요 해상 교통로와 강력한 이상 발달 온대저기압 발생 위치가 겹치는 것을 확인할 수 있다.
Table 2는 선박 항해 중 저기압의 중심기압이 1시간에 1hPa의 비율로 하강할 경우 주의가 필요하며, 2hPa 이상의 비율로 하강하는 경우 태풍 수준의 위력을 가질 수 있으므로 피항하는 것이 안전하다는 권고를 제시한 것이다. 1시간에 1.5hPa의 비율로 하강하는 강력한 이상 발달 온대저기압의 경우 태풍에 버금가는 위력을 보일 수 있으므로, 항해자는 Table 2를 참고하는 것에 더해 각별한 주의를 기울여 대응해야 한다.
Recommendations When Encountering a Bomb Cyclone
5. 결 론
최근 20년(2004∼2023년) 동안, 많은 선박이 통항함과 동시에 해양사고가 종종 발생하는 북태평양의 서부 해역에서 발생한 이상 발달 온대저기압에 대하여 분석하였다. 분석한 결과는 다음과 같다.
1) 이상 발달 온대저기압은 사계절 중에서 겨울철에 가장 많이 발생하고 봄철까지 지속적으로 나타난다. 그 중에서도 12월에 월 평균 4.0개로 가장 많이 발생하였다. 또한 시계열 그래프 상 점진적으로 해마다 증가하는 추세를 보이고 있다. 이러한 결과는 지구온난화로 인해 전지구 지표면 온도의 상승과 이상 발달 온대저기압의 증가 추이가 연관성이 있다는 IPCC의 연구 결과와 일치하며, 이에 관한 지속적인 연구가 필요하다.
2) 이상 발달 온대저기압은 일본 동쪽 (북위 40∼50도, 동경 140∼170도) 해역에서 대부분 발생하였는데, 이는 아시아 대륙과 북미 대륙간의 주요 선박 통항로에 해당한다. 선박이 악천후를 마주하였을 경우, 해양사고로 이어지지 않더라도 높은 파고 및 폭풍으로 인한 연료 과소비 및 기기 결함 등 선박이 치명적인 피해를 입을 가능성이 높다. 따라서 선박이 겨울철 북태평양의 서부 해역을 항해할 경우에는 이상 발달 온대저기압의 발생 가능성을 염두에 두고 사전에 예측 및 대응하여야 한다.
3) 24시간 이내에 중심기압이 36hPa 이상 하강하는 강력한 이상 발달 온대저기압(Extreme Bomb Cyclone)의 발생 위치는 일반적인 이상 발달 온대저기압이 발생한 위치와 유사한 분포를 보인다. 또한 이 분포와 선박의 북태평양 주요 통항로(동항 및 서항)는 겹치는 양상을 보인다.
4) 이 연구에서 분석한 결과, 이상 발달 온대저기압 중에서 24시간에 중심기압이 36hPa 이상(1시간에 1.5hPa 이상) 급격히 하강하여 매우 강력해진 온대저기압은 총 67개 발생했으며, 이는 전체 이상 발달 온대저기압의 약 20%를 차지하였다. 이와 같은 상황에서는 극심한 악천후가 지속되어 대형 해양사고를 유발할 수 있으므로 항해자들은 각별히 주의하여야 한다.
5) 이상 발달 온대저기압 중에서 2개 이상의 저기압이 합쳐져서 발생하는 경우가 가장 많았다. 이들의 대부분은 하나의 온대저기압이 발달한 경우보다 중심기압이 더 크게 하강하였다. 따라서 항해자들이 지상해석도와 지상예상일기도 등을 활용하여 이상 발달 온대저기압의 발생을 사전에 파악 및 예측하는 것이 필요하다.