[논문]해양 표면취송류(skin drift)의 라그랑쥐 측류 및 모델링

이문진; 강용균

문제 정의

본 연구에서는 해양 표면의 흐름을 라그랑쥐 (Lagrange)식으로 관측하고, 이로부터 바람에 의한 순수 취송성분만을 추출하여 해상풍과 해양표면취 송류간의 관계를 추정하고자 한다. 또한 분석된 결과를 이용하여 해양표면취송류의 공간분포를 재현 하고 실제 관측자료와 비교하여 검증함으로서, 유류확산모델링시 보다 타당성있게 바람의 영향을 취급할 수 있는 모델링 방법을 제시하고자 한다.
이러한 결과를 이 용하면 확산모델에서는 표면취송류의 세기 및 방향 을 바람자료로부터 직접 추정하여 신속하게 지정할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에 추가적으로 표면에서의 확산특성을 관측할 예정이며, 취송류에 의한 이류 및 확산의 영향을 고려한 유류확산모델 의 개발을 궁극적인 목적으로 하고 있다.
본 연구에서는 해양 표면의 흐름을 라그랑쥐 (Lagrange)식으로 관측하고, 이로부터 바람에 의한 순수 취송성분만을 추출하여 해상풍과 해양표면취 송류간의 관계를 추정하고자 한다. 또한 분석된 결과를 이용하여 해양표면취송류의 공간분포를 재현 하고 실제 관측자료와 비교하여 검증함으로서, 유류확산모델링시 보다 타당성있게 바람의 영향을 취급할 수 있는 모델링 방법을 제시하고자 한다.

가설 설정

표면취송류의 재현을 위한 바람은 l(Wsec의 북풍으로 설정하였으며, 전 해역에서 동일하게 부는 것으로 가정하였다. 계산 격자 중 해양에 해당하는 모든 점에서 표면취송류는

제안 방법

다만 연안에 인접한 격자에 대해서는 육 지경계를 적용하여 연안에 의한 해수유동의 변형을 표현할 수 있도록 하였다. 육지경계조건은 해안에 수직인 흐름에 대해 유속을 "0"로 설정하였으며, 연안에 평행한 흐름에 대해서 주변의 유속 구배 (gradient)와 균일(uniform)한 유속 구배를 갖는 것으로 지정하였다.
각 관측지별 관측횟수는 고리 4회, 월성 3회, 영광 2회, 울진 2회 등이며, 각각의 관측에서 소요시간은 1시간~1시간 30분 정도였다. 각각의 관측마다 2~3회의 반복실험을 수행 하였는데, 수행된 실험의 총 횟수는 31회이다. 실험에서 부표의 이동경로는 매 1분~2분마다 측정하였다.
와 같이 풍속과 풍향에 대한 관계식을 적용하여 계 산하였다. 다만 연안에 인접한 격자에 대해서는 육 지경계를 적용하여 연안에 의한 해수유동의 변형을 표현할 수 있도록 하였다. 육지경계조건은 해안에 수직인 흐름에 대해 유속을 "0"로 설정하였으며, 연안에 평행한 흐름에 대해서 주변의 유속 구배 (gradient)와 균일(uniform)한 유속 구배를 갖는 것으로 지정하였다.
바람과 표면취송류 유속간의 관계를 알아보기 위하여, 둘간의 상호상관계수 및 선형회귀관계를 계산 하였다. 매 15분별 풍속 및 추정된 표면취송류 유속의 자료는 총 67개인데, 영광의 경우 기상관측소 가 내륙 깊숙히 위치한 관계로 바람자료가 실제 해상풍과 차이가 있을 것으로 생각되어 통계처리에서는 제외하였다.
바람과 표면취송류간의 관계를 이용하여 실험이 수행된 해역 중 고리 주변해역을 대상으로 표면취송류 의 공간분포를 재현하였다. 표면취송류의 재현을 위한 계산 격자망은 200m 등간격격자로 구성하였다.
본 연구에서 해양 표면취송류는 해양 표면(0m)의 흐름과 내부의 흐름(수면하 L5m)을 동시에 관측하여 둘간의 차이로서 추정하였다. 이를 위하여 해양 표면의 흐름을 반영할 수 있는 부표와 내부의 흐름을 반영할 수 있는 부표를 동일지점에 동시에 투하 하여 이들의 경로를 추적하였다.
이러한 방법을 적용하기 위해서는 해양 내부 흐름의 공간적 균일성(Homogeneity)이 확보되어야 하는데, 이는 실험의 공간적 규모를 수 백m 이내로 제한함으로서 충족될 수 있도록 하였다. 수 백m 이내의 공간적 규모에서 부표의 이동경로를 추적하기 위해서는 보다 정밀한 측위장치가 필요하므로, 본 연구에서는 수 m 정도의 측위오차를 갖는 Decca Trisponder (미국 Del Note사)를 사용하였다.
각각의 관측마다 2~3회의 반복실험을 수행 하였는데, 수행된 실험의 총 횟수는 31회이다. 실험에서 부표의 이동경로는 매 1분~2분마다 측정하였다. 본 연구에서 수행된 부표추적실험에 관한 세부 사항은 Table 1과 같다.
5m에 40cm x 40cm 크기의, X, 형 날개를 측류판으로 부착한 표층용 부표를 사용하여 관측하였다. 실험에서 부표의 해상풍에 의한 직접 적인 밀림 현상을 최소화하기 위하여 표면용 부표인 판자는 수면위로 노출되는 부분이 없도록 하였으며, 수면하 1.5m의 표층용 부표는 해상에서 식별을 위한 깃발만이 해면위로 노출되도록 하였다.
본 연구에서 해양 표면취송류는 해양 표면(0m)의 흐름과 내부의 흐름(수면하 L5m)을 동시에 관측하여 둘간의 차이로서 추정하였다. 이를 위하여 해양 표면의 흐름을 반영할 수 있는 부표와 내부의 흐름을 반영할 수 있는 부표를 동일지점에 동시에 투하 하여 이들의 경로를 추적하였다. 해양 표면 흐름의 측류를 위한 부표는 0.
재현된 표면취송류의 타당성을 검토하기 위하여 실제 관측된 자료와 비교하였다. Fig.
9%에 해당하는 크기를 가지며, 유향은 풍향의 오른쪽으 로 186° 만큼 편향되는 것으로 나타났다. 추정된 표면취송류를 이용하여 실제 관측된 바람과의 관계를 도출하였으며, 도줄된 관계식을 이용하여 실제 해역에 대한 표면취송류를 재현하였다. 재현된 취송류는 관측된 취송류와 비교적 유사하게 나타났다 재현된 취송류와 관측된 취송류간의 차이는 유속에서 약 15% 정도의 나타났으며, 유향에서 약 ±20° 로 나타났다.
표면취송류는 1~2분간격으로 관측된 판자 및 부표의 시간에 따른 변위로부터 계산한 해양 표면 및 수면하 1.5m 유속간의 차이로서 추정하였으며, 매 15분 간격으로 평균하여 풍속자료와 비교하였다. 표면취송류와 10m 해상풍을 비교한 결과 둘간에는 비교적 높은 상관관계가 있는 것으로 나타났다.
이를 위하여 해양 표면의 흐름을 반영할 수 있는 부표와 내부의 흐름을 반영할 수 있는 부표를 동일지점에 동시에 투하 하여 이들의 경로를 추적하였다. 해양 표면 흐름의 측류를 위한 부표는 0.5cm의 두께를 갖는 40cm x 40cm 크기의 판자를 사용하였으며, 해양 내부의 흐름은 수면하 1.5m에 40cm x 40cm 크기의, X, 형 날개를 측류판으로 부착한 표층용 부표를 사용하여 관측하였다. 실험에서 부표의 해상풍에 의한 직접 적인 밀림 현상을 최소화하기 위하여 표면용 부표인 판자는 수면위로 노출되는 부분이 없도록 하였으며, 수면하 1.
해양 표면과 수면하 L5m의 흐름을 라그랑쥐식으로 측류하여 둘간의 차이로서 표면취송류를 산정하였다. 표면취송류 추정 결과 유속은 풍속의 2.

대상 데이터

실험기간 중 바람자료는 주변의 발전소에 위치 한 기상관측소에서 관측된 매 15분 간격의 10m 바 람 자료를 이용하였다. 바람자료에서 풍향은 16방 위로 구성되어 있다.
매 15분별 풍속 및 추정된 표면취송류 유속의 자료는 총 67개인데, 영광의 경우 기상관측소 가 내륙 깊숙히 위치한 관계로 바람자료가 실제 해상풍과 차이가 있을 것으로 생각되어 통계처리에서는 제외하였다. 영광을 제외한 총 자료수는 55개이다. 풍속과 표면취송류 유속간의 상호상관계수는 0.
표면취송류 추정을 위한 부표추적실험은 1994년 2월~11월에 걸쳐 한국 동해안의 울진, 월성, 고리 그리고 서해안의 영광에서 수행되었다. 각 관측지의 위치는 Fig.

이론/모형

여기서 Y는 표면 취송류 유속이고, X는 풍속이다. 상수 A는 최소자 승법을 이용하여 계산하였다. 선형회귀에 의한 풍속과 표면취송류 유속간의 관계는

성능/효과

4에서 표면취송류의 유속은 실선으로 나타내었으며, 풍속은 10% 크기로 축소하여 점선으로 나타냈었다. 고리해역에서 관측된 표면취송류 유속은 풍 속의 약 3% 정도를 보였으며, 유향은 대체로 풍향과 거의 같은 방향으로 나타났다 (Fig. 4).
이러한 관계를 이용한 표면취송류의 재현에서는 관 측된 표면취송류를 비교적 잘 재현하는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구의 결과에서 풍속과 표면취 송류의 유속은 0.2 정도의 비교적 작은 상호상관계 수를 갖는 것, 풍향과 유향간의 차이가 크게 나타나는 것 등은 문제점으로 나타났다. 이러한 문제점 은 크게 두 가지 원인에 의한 것이다.
조사당일 바람 은 북풍이 우세하였다. 부표추적실험은 11:52- 13:28의 1시간 36분동안 3회에 걸쳐 수행하였으며, 각각의 실험에서 표면의 판자 이동경로 (Fig. 3의 실선)는 약 400m 정도였고 부표의 이동경로 (Fig. 3의 점선)는 약 IKm 정도로 나타났다. 관측된 부표이동경로로부터 추정한 매 15분마다의 표면취송 류 유속과 동일 시간의 풍속은 Fig.
본 연구에서 산정된 바람과 해양 표면취송류간의 관계는 해양의 취송류가 해상풍의 3% 정도의 크기를 갖는다는 과거 연구들의 결과와 비슷한 것이다. 이러한 관계를 이용한 표면취송류의 재현에서는 관 측된 표면취송류를 비교적 잘 재현하는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구의 결과에서 풍속과 표면취 송류의 유속은 0.
추정된 표면취송류를 이용하여 실제 관측된 바람과의 관계를 도출하였으며, 도줄된 관계식을 이용하여 실제 해역에 대한 표면취송류를 재현하였다. 재현된 취송류는 관측된 취송류와 비교적 유사하게 나타났다 재현된 취송류와 관측된 취송류간의 차이는 유속에서 약 15% 정도의 나타났으며, 유향에서 약 ±20° 로 나타났다.
그림에서 나타난 바와 같이 재 현된 표면취송류는 관측된 표면취송류와 비교적 비슷한 양상을 보였다. 재현된 표면취송류와 관측된 표면취송류는 유속에 있어서 약 15% 정도의 차이가 있었으며, 유향에 있어서 약 ±20° 의 차이를 보였다.
유향과 풍향간에 ±90° 이내의 차이를 보이는 것은 양자가 위상 평면 상에서 적어도 같은 반평면상에는 존재함을 의미한다. 평균적인 표면취송류의 유향은 풍향에 대해 오른쪽으로 18.6 ° 편향되어 나타났으며, 표준편차는 53.7 ° 로 나타났다 (Fig. 6).
해양 표면과 수면하 L5m의 흐름을 라그랑쥐식으로 측류하여 둘간의 차이로서 표면취송류를 산정하였다. 표면취송류 추정 결과 유속은 풍속의 2.9%에 해당하는 크기를 가지며, 유향은 풍향의 오른쪽으 로 186° 만큼 편향되는 것으로 나타났다. 추정된 표면취송류를 이용하여 실제 관측된 바람과의 관계를 도출하였으며, 도줄된 관계식을 이용하여 실제 해역에 대한 표면취송류를 재현하였다.
5m 유속간의 차이로서 추정하였으며, 매 15분 간격으로 평균하여 풍속자료와 비교하였다. 표면취송류와 10m 해상풍을 비교한 결과 둘간에는 비교적 높은 상관관계가 있는 것으로 나타났다.

후속연구

해양표면의 흐름에는 바람 영향이외 에 주변해역의 조류나 해류의 영향도 무시할 수 없 을 정도로 크게 작용된다. 바람에 의한 해양표면의 반응을 보다 타당성있게 고찰하기 위해서는 표면 흐름중 순수 취송성분만 추출하여 바람장과 비교하는 연구가 수행되어야 할 것이다. 이러한 결과는 조류모델의 결과를 이용한 유류확산모델에 취송류 영향을 추가하기 위한 입력조건으로도 필요하다.
현재의 단게에서 본 연구의 결과는 바람과 표면 취송류간의 관계를 밝히는데 의의가 있지만 좀더 많은 횟수의 관측이 수행된다면 보다 타당성있는 결과가 도출될 수 있으리라 기대된다. 본 연구에서 산정된 바람과 표면취송류간의 관계와 이를 이용하여 표면취송류를 재현한 모델은 유류누출과 같은 해양의 오염사고에 대한 해양오염확산모델에 취송 류 산정 모델로 사용될 수 있다. 이러한 결과를 이 용하면 확산모델에서는 표면취송류의 세기 및 방향 을 바람자료로부터 직접 추정하여 신속하게 지정할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 산정된 바람과 표면취송류간의 관계와 이를 이용하여 표면취송류를 재현한 모델은 유류누출과 같은 해양의 오염사고에 대한 해양오염확산모델에 취송 류 산정 모델로 사용될 수 있다. 이러한 결과를 이 용하면 확산모델에서는 표면취송류의 세기 및 방향 을 바람자료로부터 직접 추정하여 신속하게 지정할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에 추가적으로 표면에서의 확산특성을 관측할 예정이며, 취송류에 의한 이류 및 확산의 영향을 고려한 유류확산모델 의 개발을 궁극적인 목적으로 하고 있다.
현재의 단게에서 본 연구의 결과는 바람과 표면 취송류간의 관계를 밝히는데 의의가 있지만 좀더 많은 횟수의 관측이 수행된다면 보다 타당성있는 결과가 도출될 수 있으리라 기대된다. 본 연구에서 산정된 바람과 표면취송류간의 관계와 이를 이용하여 표면취송류를 재현한 모델은 유류누출과 같은 해양의 오염사고에 대한 해양오염확산모델에 취송 류 산정 모델로 사용될 수 있다.

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