심해역 파랑모형인 WAM에 쇄파와 삼파 상호작용을 추가하여 모형의 적용영역을 천해역으로 확장하였다. 모형의 검증을 위해 영일만에서의 파랑변형 모의를 수행하였고, 수치모의된 파랑자료는 영일만 입구 1개소와 영일만 내부 2개소의 관측 결과와 양호한 일치를 보여주었다. 수치모의 결과를 보면, 영일만 입구에서 입사되는 파랑은 영일만 내부로 진입하는 과정에서 바닥에 의한 에너지 감쇠와 쇄파 작용 등으로 인해 파고의 점진적 감소가 나타나고, 파향은 주로 NE 계열로 입사되어 연안 근처에서는 굴절 효과로 인해 해안에 대해서 수직한 방향으로 진행하는 경향을 보여주었다.
심해역 파랑모형인 WAM에 쇄파와 삼파 상호작용을 추가하여 모형의 적용영역을 천해역으로 확장하였다. 모형의 검증을 위해 영일만에서의 파랑변형 모의를 수행하였고, 수치모의된 파랑자료는 영일만 입구 1개소와 영일만 내부 2개소의 관측 결과와 양호한 일치를 보여주었다. 수치모의 결과를 보면, 영일만 입구에서 입사되는 파랑은 영일만 내부로 진입하는 과정에서 바닥에 의한 에너지 감쇠와 쇄파 작용 등으로 인해 파고의 점진적 감소가 나타나고, 파향은 주로 NE 계열로 입사되어 연안 근처에서는 굴절 효과로 인해 해안에 대해서 수직한 방향으로 진행하는 경향을 보여주었다.
WAM(WAve Model), deep water wave model has been extended to the region of shallow water, incorporating wave breaking, and triad wave interaction. To verify the model, numerical simulation of waves in Youngil bay, Pohang is performed and the simulated results show good agreements with measured wave d...
WAM(WAve Model), deep water wave model has been extended to the region of shallow water, incorporating wave breaking, and triad wave interaction. To verify the model, numerical simulation of waves in Youngil bay, Pohang is performed and the simulated results show good agreements with measured wave data sets, one station at the mouth of bay and two stations inside the bay. As waves propagate toward the shore, wave height gradually diminishes by bottom friction and wave breaking, and wave direction, initially NE changes normal to the shore due to depth refraction.
WAM(WAve Model), deep water wave model has been extended to the region of shallow water, incorporating wave breaking, and triad wave interaction. To verify the model, numerical simulation of waves in Youngil bay, Pohang is performed and the simulated results show good agreements with measured wave data sets, one station at the mouth of bay and two stations inside the bay. As waves propagate toward the shore, wave height gradually diminishes by bottom friction and wave breaking, and wave direction, initially NE changes normal to the shore due to depth refraction.
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문제 정의
현재 심해 풍파수치모델은 WAM이 천해 풍파수치모델로는 SWAN이 가장 많이 사용되고 있으며, 심해로부터 천해까지 풍파모델을 사용해야 할 경우에는 WAM과 SWAN을 둥지형 격자체계(nested grid system)를 이용해서 결합하여 사용하고 있는 형편이다. 이 경우 천해경계면에서 두개의 상이한 모델을 결합해야 하는 불편함이 있기 때문에 하나의 풍파모델로 심해로부터 천해까지 풍파를 모의할 수 있도록 하기 위해 본 연구가 수행되었다.
제안 방법
수치모의를 통해 만내의 파고 및 파향 분포 패턴을 확인하고 관측치와의 비교를 통해 파랑모형을 검증하고자 한다.
이에 본 연구에서는 Rayleigh 분포함수의일반형인 Generalized gamma 분포함수를 이용하여 유의파고에 대한 확률분포를 나타내었다.
본 연구에서는 기존의 WAM에 수심 감소에 따른 쇄파와 삼파 상호작용(triad wave interaction)을 추가하고, 대표값을 사용하는 수심자료에 실제 수심값을 사용하도록 함으로써 모형의 적용영역을 천해로 확장하고 수심효과 모의의 정밀도를 제고하였다. 그리고 천해역으로 확장된 WAM모형의 검증을 위해 포항 영일만에서의 파랑모의를 수행하였다.
1에 표시된 영일만 내부 2개 지점에서 관측된 유의파고와 수치모의 결과 얻어진 유의파고를 비교하였고 전모의 기간에 걸쳐 양호한 일치를 보여주었다. 본 수치모의 실험 결과 얻은 유의파고와 평균 파향을 평균하여 영일만 내부의 파랑 분포 특성을 파악하였다. 영일만에서는 파랑이 NE 계열로 입사되어 영일만 내부로 진행하는데, 바닥과의 마찰, 쇄파 등으로 인해 점차적으로 파고가 낮아지고 있다.
본 연구에서는 기존의 WAM에 수심 감소에 따른 쇄파와 삼파 상호작용(triad wave interaction)을 추가하고, 대표값을 사용하는 수심자료에 실제 수심값을 사용하도록 함으로써 모형의 적용영역을 천해로 확장하고 수심효과 모의의 정밀도를 제고하였다. 그리고 천해역으로 확장된 WAM모형의 검증을 위해 포항 영일만에서의 파랑모의를 수행하였다.
본 연구에서는 앞의 식 (1)의 원천 함수에 삼파 비선형 상호작용과 쇄파에 의한 에너지 감쇠식을 추가하여 WAM 의 적용영역을 천해역으로 확장하였다.
심해파랑 모델인 WAM을 천해역으로 확장한 후, 포항 영일만에 적용하여 본 수치모형을 검증하였다. 수치모형검증을 위해서, 1999년 9월 15일부터 1999년 9월 30일까지 약 보름의 기간에 대해서 수치모의 실험을 실시하였다. 수치모의 실험의 입사파랑 자료로 장기곶(W1)의 파랑 관측 자료를 이용하였다.
심해파랑 모델인 WAM을 천해역으로 확장한 후, 포항 영일만에 적용하여 본 수치모형을 검증하였다. 수치모형검증을 위해서, 1999년 9월 15일부터 1999년 9월 30일까지 약 보름의 기간에 대해서 수치모의 실험을 실시하였다.
천해역으로 확장된 WAM을 포항 영일만 지역에 적용 하였고, 수치모의 영역을 다음의 Fig. 1에 파고계 위치와 함께 나타내었다. 계산 영역의 크기는 14 km×17 km이다.
대상 데이터
그리고 파향 또한 거의 일정한 방향으로 집중하는 경향이 있어서 본 연구에서는 W1의 파랑 관측 자료를 입사 파랑자료로 활용하였다. 그리고 나머지 W2 및 W3에서의 파랑 관측 자료는 파랑 검증 자료로 활용하였다.
W1 파랑 관측 자료를 분석한 결과에 의하면, 설치 수심이 35 m 이지만, 본 지점에서 관측된 파랑의 주기가 짧아서 심해파가 많이 관측된다. 그리고 파향 또한 거의 일정한 방향으로 집중하는 경향이 있어서 본 연구에서는 W1의 파랑 관측 자료를 입사 파랑자료로 활용하였다. 그리고 나머지 W2 및 W3에서의 파랑 관측 자료는 파랑 검증 자료로 활용하였다.
본 수치모의 실험에서는 W1 파랑 관측자료를 입사파랑 자료로 활용하였다. W1 파랑 관측은 해양수산부 파랑 관측 및 조사연구에서 수행되었고, 1991년부터 2004년까지 14년에 걸쳐 관측된 파랑자료로서 신뢰할만한 통계 분석 결과를 얻을 수 있다.
본 연구의 검증에 사용된 파랑자료는 1999년 9월 15일부터 9월 30일까지 영일만 입구와 영일만 내 2곳에서 부이형 파고계와 수압식 파향파고계에 의해 측정된 파랑 자료이다. 1999년 9월 21일 경에는 태풍에 의해 영일만 입구에서 유의파고 5.
수치모형검증을 위해서, 1999년 9월 15일부터 1999년 9월 30일까지 약 보름의 기간에 대해서 수치모의 실험을 실시하였다. 수치모의 실험의 입사파랑 자료로 장기곶(W1)의 파랑 관측 자료를 이용하였다. 장기곶 파랑 자료를 분석해본 결과, 유의파고 및 평균주기의 평균값은 각각 0.
이러한 특성에 근거하여, 본 연구에서는 W1 파랑 관측 자료를 입사파랑 자료로 이용하였으며, 유의파고, 첨두주기, 평균 주기들의 최대값과 평균값을 다음의 Table 2에 나타내었다. 그리고 이들 자료에 대한 유의파고, 첨두주기, 평균 주기들의 시계열도를 다음의 Fig.
이론/모형
본 연구에는 Battjes and Janssen(1978)의 식을 이용하여 쇄파에 의한 파랑 에너지 감쇠를 고려하였다. 쇄파에 의한 파랑 에너지 감쇠식은 다음의 식 (3)과 같다.
본 연구에서는 3차 비선형 간섭 효과를 고려하기 위해서 Elderberky(1996)의 LTA(lumped triad approximation) 기법을 사용하였다. Elderberky(1996)의 식은 천해파랑 스펙트럼 모형인 SWAN에서 사용되고 있다.
TMA 파랑 스펙트럼은 JONSWAP 파랑 스펙트럼을 천해역으로 확장한 것으로서 문일주(1994)에 의하면 우리나라 근해에서 관측된 대부분의 파랑 스펙트럼은 TMA 파랑 스펙트럼으로 표현되어진다. 본 연구에서는 이에 근거 하여 장기곶 파랑 스펙트럼으로 TMA 파랑 스펙트럼을 사용하였다.
, 2000). 식 (1)의 수치적분에는 음해법의 일종인 분할단계법(fractional step method)과 수치 분산의 제거를 위해 FCT(flux corrected transport) 기법이 사용되었다(천 등, 2006).
10의 정보를 바탕으로 입사 파랑의 스펙트럼을 생성하였다. 파랑 스펙트럼은 TMA 스펙트럼과 Mitsuyasu 파향 분포함수의 곱으로 표현되는 TMA-Mitsuyasu 스펙트럼을 사용하였다. 이들 함수의 수식은 다음의 식 (9), (10)과 같다.
성능/효과
관측 자료의 분석 결과, 평균 주기 및 첨두주기의 평균값은 4.29 s, 6.44 s로 나타나고 있다. 첨두주기의 평균값 6.
수심도의 위치는 UTM 좌표계로 나타내었다. 본 수치모의 실험에서 수심은 0~35 m로 분포하고 있는데, 입파랑 스펙트럼이 적용되는 지역에서는 수심이 35 m로 거의 일정하게 나타나고 있다. 그리고 북부해수욕장 및 송도 해수욕장이 위치해 있는 지역에서는 해저 경사가 완만하게 변화하고 있는 반면에, POSCO 동쪽 지역에서는 수심이 급격하게 변화하고 있는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서 W1파랑 관측 자료를 통계 분석한 결과에 의하면, W1 파고계의 설치 수심이 35 m임에도 불구하고, 평균 주기 및 첨두주기의 평균값이 각각 4.29 s, 6.44 s로 대체로 심해파랑이 관측되고 있다. 그리고 파향 또한 거의 일정한 방향으로 집중하는 경향이 있어서 본 수치 모의의 계산 영역에 적용하기 유리하다.
본 연구에서 사용한 천해역으로 확장된 WAM모형은 복합 파랑-해일(dynamically coupled wave-surge model) 수치 모형 개발 과정에서 개발된 프로그램으로, 본 수치 모형을 영일만에 적용해 본 결과 개발된 수치모형이 천해역에서 파랑 변형 현상을 잘 재현하고 있다고 판단된다. 차후 본 수치모형을 해일모형과 결합하여 천해역에서의 파랑-해일 복합모의에 적용하고자 한다.
후속연구
본 연구에서 사용한 천해역으로 확장된 WAM모형은 복합 파랑-해일(dynamically coupled wave-surge model) 수치 모형 개발 과정에서 개발된 프로그램으로, 본 수치 모형을 영일만에 적용해 본 결과 개발된 수치모형이 천해역에서 파랑 변형 현상을 잘 재현하고 있다고 판단된다. 차후 본 수치모형을 해일모형과 결합하여 천해역에서의 파랑-해일 복합모의에 적용하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
WAM의 지배방정식으로 무엇을 이용하고 있는가?
WAM(WAve Model)은 Hasselman et al.(1988)에 의해 개발된 최초의 3세대 파랑모형으로서 지배방정식은 에너지 전달방정식을 이용하고 있다. 원천항(source term)을 통해 바람에너지의 입력, 백파감쇠, 사파상호작용(quadruplet wave interaction)을 모의하며 전파 식을 통해 파랑 스펙트럼의 전달, 굴절 및 흐름 효과를 고려할 수 있어 파랑 기상의 예보 및 후측 모형으로 전 세계에서 널리 사용되고 있다.
WAM이 파랑 기상의 예보 및 후측 모형으로 전 세계에서 널리 사용되고 있는 이유는 무엇인가?
(1988)에 의해 개발된 최초의 3세대 파랑모형으로서 지배방정식은 에너지 전달방정식을 이용하고 있다. 원천항(source term)을 통해 바람에너지의 입력, 백파감쇠, 사파상호작용(quadruplet wave interaction)을 모의하며 전파 식을 통해 파랑 스펙트럼의 전달, 굴절 및 흐름 효과를 고려할 수 있어 파랑 기상의 예보 및 후측 모형으로 전 세계에서 널리 사용되고 있다. 하지만 비록 수심 변화로 인한 굴절이 포함되어 있지만 근본적으로 심해역을 대상으로 한 전 지구적 모의를 목표로 개발된 모형이어서 천해역에는 적용이 제한되는 단점이 있다.
WAM은 누구에 의해 개발된 최초의 3세대 파랑모형인가?
WAM(WAve Model)은 Hasselman et al.(1988)에 의해 개발된 최초의 3세대 파랑모형으로서 지배방정식은 에너지 전달방정식을 이용하고 있다. 원천항(source term)을 통해 바람에너지의 입력, 백파감쇠, 사파상호작용(quadruplet wave interaction)을 모의하며 전파 식을 통해 파랑 스펙트럼의 전달, 굴절 및 흐름 효과를 고려할 수 있어 파랑 기상의 예보 및 후측 모형으로 전 세계에서 널리 사용되고 있다.
참고문헌 (11)
문일주 (1994). 파라메타 스펙트럼 방법에 의한 한국근해 파랑 스펙트럼 특성 연구, 서울대학교 대학원, 석사학위논문
천제호, 안경모, 윤종태 (2006). 음해법을 이용한 WAM모형 의 태풍 파랑 수치모의, 한국해안해양공학회지, 7(4), 294- 300
한동대학교 건설환경연구소 (2000). 송도백사장 유실 원인 규명 및 대책 수립 연구, 경상북도 포항시
Battjes, J.A. and Janssen, P.A.E.M. (1978). Energy loss and set-up due to breaking random waves, Proc. 16th Int'l Conf. Coastal Eng., 563-587
Elderberky, Y. (1996). Nonlinear transformation of wave spectra in the nearshore zone, Ph.D. thesis, Delft University of Technology, Department of Civil Engineering, The netherlands
Lavrenov, I.V. (2004). Wind-waves in oceans, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Madsen, P.A., and Sorenson, O.R. (1993). Bound waves and triad interaction in shallow water, Ocean Engineering 20(4), 359-388
Monbaliu, J., Padilla-Hernandez, R., Hargreaves, J.C., Albiach, J.C.C., Luo, W., Sclavo, M., and Gunther, H. (2000). The spectral wave model, WAM, adapted for applications with high spatial resolution, Coastal Engineering, 41(1), 41-62
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