[논문]천해에 적용가능한 태풍 해일-조석-파랑 수치모델 개발 2. 태풍 매미에 의한 해일-조석-파랑 모델의 정확성 검토

천제호; 안경모; 윤종태

천해에 적용가능한 태풍 해일-조석-파랑 수치모델 개발 2. 태풍 매미에 의한 해일-조석-파랑 모델의 정확성 검토
Development of the Combined Typhoon Surge-Tide-Wave Numerical Model 2. Verification of the Combined model for the case of Typhoon Maemi 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.21 no.1, 2009년, pp.79 - 90

천제호 (한동대학교 건설환경연구소) , 안경모 (한동대학교 공간환경시스템공학부) , 윤종태 (경성대학교 토목공학과)

초록
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본 논문에서는 심해부터 천해에 까지 적용가능한 동적결합형 태풍 해일-조석-파랑 수치모델을 태풍 매미에 적용하여 모델의 안정성과 정확성을 검증하였다. 동적결합형 모델은 해수유동 모델인 POM을 수정한 모듈과 심해 풍파모델인 WAM을 심해부터 천해까지 적용가능하도록 수정한 모듈로 구성되어 있다. 수정 POM 모듈에서 조위, 조류 와 해일을 계산하며, 수정 WAM 모듈에서 풍파를 계산하여 상호 계산된 결과를 주고 받도록 결합된 동적결합형 모델이다. 수정 WAM 모듈에서는 잉여응력과 바람에 의한 마찰응력, 해수면 조도계수 등의 계산결과가 POM으로 제공되며 수정 POM 모듈에서는 유속, 조위면 등의 정보가 WAM으로 제공된다. 개발된 수치모델을 태풍 매미에 적용하여 계산된 결과를 관측된 파랑 및 조위자료와 비교하여 정확성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the development of dynamically combined Typhoon generated surge-tide-wave numerical model which is applicable from deep to shallow water. The dynamically coupled model consists of hydrodynamic module and wind wave module. The hydrodynamic module is modified from POM and wind wave module is modified from WAM to be applicable from deep to shallow water. Hydrodynamic module computes tidal currents, sea surface elevations and storm surges and provide these information to wind wave module. Wind wave mudule computes wind waves and provides computed information such as radiation stress, sea surface roughness and shear stress due to winds. The newly developed model was applied to compute the surge, tide and wave fields by typhoon Maemi. Verification of model performance was made by comparison of measured waves and tide data with simulated results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 천해역에서의 태풍 해일을 계산하는 것을 목표로 하므로, 3차원 형태의 잉여응력을 고려하였다. 3차원의 잉여응력 식은 Xia 등(2004)에 의해 유도되었는데, Xie 등(2008)은 미국 찰스턴항에서의 폭풍 해일 계산에 적용한 바 있다.
본 연구에서는 POM과 WAM을 이용하여 동적결합형 태풍 해일-조석-파랑 수치모델을 개발하고, 이를 태풍 매미에 적용하여 정확성과 안정성을 검증하였다.
태풍 발생시 해안지대 범람은 태풍에 의한 해일과 조석으로 인한 해수면 상승에 더불어 파랑이 겹쳐서 일어나는 현상이다. 이에 본 연구에서는 태풍에 의한 피해 영향을 정확히 산정하는 기초연구로서, 동적 결합형 태풍 해일-조석-파랑 수치모델을 개발하였다.

제안 방법

POM과 WAM을 동적결합한 기존의 연구결과는 심해에만 적용가능한 모델임에 반해 본 연구에서 개발된 모델은 심해부터 천해까지 일관되게 적용할 수 있다는 점에서 기존의 연구와 차별된다.
POM은 연구 진행과정에 특정함수에서 오류가 발견되어 이를 수정하였고, 난류 모델을 k-ε모델로 교체하였다.
본 수치모형의 정확성을 검증하기 위해서 실측치와 해석해에 적용하여 검증하였다. 그리고, 대한해협 일대의 조석 계산에 본 연구의 수치모형을 적용하여 적용성을 검토하였다. 이의 자세한 내용은 본 논문의 연속 논문 1편에 제시되고 있다.
태풍 해일고에 의한 피해지역은 연안지역이기 때문에 천해에 적용가능한 파랑모델을 사용하는 것이 보다 정확한 태풍에 의한 영향을 수치모의할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 심해부터 천해까지 적용가능하도록 풍파모델인 WAM을 수정하여 결합모델에 사용하였다. 심해부터 천해까지 일관되게 하나의 풍파모델을 사용함으로써 광역부터 상세역까지 일관된 둥지형격자체계를 사용할 수 있으며, 이로 인해 수치계산의 정확성을 향상시키고 계산시간도 단축할 수 있었다.
내부모드는 외부모드에서 계산된 수평방향의 힘, 바닥마찰력, 바람응력 등을 통해서 유속 분포를 계산한다. 바닥마찰력과 바람응력 등은 파랑 모델과의 동적 결합을 통해서 산출되며, 유속분포에 직접적인 영향을 미치기 때문에본 연구에서는 파랑의 계산 시간간격보다 더욱 작게 설정하였다.
본 과업에서는 둥지형 격자체계를 이용하여 태풍 해일-조석 및 태풍 파랑에 대한 수치모델링을 실시하였다. 본 수치모의 실험에서 사용할 격자모델의 계산 조건들을 다음의 Table 2에 요약하였다.
POM은 연구 진행과정에 특정함수에서 오류가 발견되어 이를 수정하였고, 난류 모델을 k-ε모델로 교체하였다. 본 수치모형의 정확성을 검증하기 위해서 실측치와 해석해에 적용하여 검증하였다. 그리고, 대한해협 일대의 조석 계산에 본 연구의 수치모형을 적용하여 적용성을 검토하였다.
최근에는 Xie 등(2008)과 같이 천해파랑모델과 POM을 동적으로 결합하여 천해에서 해일-조석-파랑을 복합적으로 고려하는 연구가 제시되고 있다. 본 연구는 기존의 연구 단계에서 천해역으로 확장된 파랑모델(천제호 등, 2007, 천제호 등, 2008)과 POM을 동적으로 결합하여 해일-조석-파랑을 계산하였다.
본 연구에서는 기존의 POM과 WAM을 그대로 사용하지 않고, 본 연구의 목적에 맞게 소스 코드 내용을 수정하였다. 본 연구에서 제시되고 있는 WAM은 천해역에서도 적용이 가능하도록 개선시키고, 수치기법으로 음해법을 채택한 수치모형으로 천제호 등(2006, 2007, 2008) 에 그 내용이 제시되고 있다.
위에 제시한 기존의 WAM모델은 심해역을 대상으로 만들어진 풍파수치모델이다(WAMDI Group). 본 연구에서는 삼파상호작용, 파랑진행시 수심에 의한 천해효과, 굴절효과와 쇄파현상등을 고려하여 천해에서도 사용이 가능하도록 WAM을 확장하였다. 본 수치모형은 몇몇 수리모형 실험 및 현장관측 결과과의 비교를 통해 검증되었다.
본 연구의 POM은 실해역에 적용하는 과정에서 프로그램 소스 코드의 일부분을 수정하였으며, 수정된 POM의 정확성과 안정성은 해석해와 실측 결과와 비교하여 검증하였으며, 본 논문의 연속논문 1편에 제시하였다.
본 연구의 수치모델에서는 동적으로 태풍 해일-조석 수치모델과 태풍 파랑 수치모델을 결합하는데 본 연구 수치 모델의 계산 진행방식은 다음의 Fig. 1과 같다.
파랑과 해수유동의 상호작용으로 일반적으로 바닥 마찰력이 증가한다. 본 연구의 수치모델은 이를 고려하여 바닥 전단응력 또는 바닥 마찰력에 의한 에너지 감쇠를 고려하였다. 파랑과 흐름이 동시에 존재하는 바닥 마찰력 계산은 Madsen(1994)의 식을 이용하였으며, 그 식은 아래와 같다.
해수유동 모델에서는 태풍에 의한 해수면 변화 뿐만 아니라, 조석 성분도 함께 계산하기 때문에 태풍 해일-조석 수치모델에 대한 시간 스케일이 파랑 수치모델 보다 짧은 편이다. 이에 본 연구에서는 WAM의 시간 격자 간격을 POM보다 크게 하여 수치모의 실험을 실시하였다. 따라서 파랑 모델에서 파랑계산을 한 번 실시할 동안 해수유동 수치모델은 여러번 실행된다.
이에 본 연구에서는 둥지형 격자 체계(nested grid)를 도입하여 부산·경남 해안의 폭풍 해일-조석-파랑을 수치모의로 재현하였다.
POM의 지배방정식은 연속방정식, 운동방정식, 난류모델 등으로 구성되어져 있다. 파랑과의 복합 모의를 묘사하기 위해서, 운동방정식에 잉여응력을 추가하였다. 잉여응력이 포함된 지배방정식을 다음의 식 (1)~(5)에 나타내었다.

대상 데이터

태풍 매미는 2003년 9월 20일 20시경에 한반도 남해안에 상륙하였다. 태풍이 상륙했을 당시, 경남 사천 해안에서 관측된 중심기압 중심 부근 최대풍속은 각각 950 hPa, 40 m/s로 관측되었다(최병호, 2004).
태풍 해일-조석-파랑 수치모의를 실시하기 위해서는 기압 및 바람자료가 필요한데, 본연구에서는기상청의 RDAPS 모델 자료를 사용하였다. 태풍 매미가 한반도에 상륙한 시점의 기압장 및 바람장을 다음의 Fig.

데이터처리

본 연구에서 개발된 동적결합형 수치모델의 정확성과 안정성을 검토하기 위해 태풍 매미에 적용하여 계산결과를 실측자료와 비교하였다. 태풍 매미는 2003년에 발생한 태풍으로 마산 지역을 중심으로 부산·경남 해안에 심각한 피해를 입힌 바 있다.

이론/모형

이 내용은 천제호 등(2007)과 천제호 등(2008)에 소개되어져 있다. 또한 본 연구에서는 위의 식 (1)을 fractional step method 등을 이용하여 음해법으로 풀어낸다(천제호 등, 2006). 식 (1)을 음해법으로 풀 수 있기 때문에, 고해상도의 스펙트럼 조건에 대해서도 효과적으로 태풍 파랑을 계산할 수 있다(천제호 등, 2006).
이들은 또한 심해풍파 WAM 모델을 사용하고, 수치모의기법으로 양해법(explicit method)을 사용하고 있어 시간 격자 간격을 선택하는 데 제약이 있었다. 이에 본 연구에서는 수치모의기법으로 음해법(implicit method)을 사용함으로써 시간 격자 간격에 제약이 없이 효과적인 수치모의를 수행할 수 있었다(천제호 등, 2006).
본 연구의 수치모델은 이를 고려하여 바닥 전단응력 또는 바닥 마찰력에 의한 에너지 감쇠를 고려하였다. 파랑과 흐름이 동시에 존재하는 바닥 마찰력 계산은 Madsen(1994)의 식을 이용하였으며, 그 식은 아래와 같다.

성능/효과

한편, 가덕도의 파랑관측소는 가덕도 서편에 위치해 있어, 취송거리(fetch)가 제한되어 있다. 그 결과로 충분히 파랑이 발달되지 않음으로 인해 관측 결과에 비해서 최고파고에 도달한 시각이 약간 뒤늦게 나타나는 것으로 판단된다.
Cieslikiewcz and Herman(2002), Xie 등(2001)과 Moon(2005) 등의 연구에서는 POM을 이용하여 폭풍 해일을 계산함에도 불구하고, 위의 식 (6)을 이용하여 잉여응력 효과를 고려하였다. 그리고, 계산 결과가 관측치와 잘 일치함을 보여주었다. 이는 이들의 연구 대상지가 주로 심해역이어서, 쇄파대에서 보여지는 것처럼 잉여응력이 급변하지 않아 위의 식 (6)으로도 충분히 파랑 효과를 잘 고려하는 것으로 판단된다.
본 연구에서 개발된 동적결합형 수치모델을 둥지형 격자체계에서 광역부터 상세역까지 태풍 매미에 대해 수치모의한 결과를 이어도, Naha, 가덕도, 울산, Izuhara Ko, 그리고 마산에서 관측된 유의파고 및 해일-조석 자료와 비교하여 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태풍에 의한 해일고를 고려하면 수치모의계산 결과가 어느 정도 일치하는 것을 알 수 있다고 말한 이유는?	13에서는 태풍 해일-조석 계산결과와 관측 결과를 비교하여 나타내었다. 태풍 해일 관측 자료는 국립해양조사원의 홈페이지에서 다운 받은 자료이나, 태풍 ‘매미’가 상륙했을 당시에는 태풍 해일고가 결측되어 정확한 비교가 힘들다. 그러나, 한국해양연구원의 관측에 의하면 본 지점에서의 최대 해일고가 0.67 m에 달한다고 보고하고 있다. 따라서 태풍에 의한 해일고를 고려하면 수치모의계산 결과가 어느 정도 일치하는 것을 알 수 있다.
	태풍에 의한 방재대책을 수립하기 위해서 고려할 필요가 있는 것은?	태풍에 의한 방재대책을 수립하기 위해서는 태풍에 의한 영향을 정확히 고려할 필요가 있다. 태풍 발생시 해안지대 범람은 태풍에 의한 해일과 조석으로 인한 해수면 상승에 더불어 파랑이 겹쳐서 일어나는 현상이다.
	태풍 발생시 해안지대 범람은 어떤 현상인가?	태풍에 의한 방재대책을 수립하기 위해서는 태풍에 의한 영향을 정확히 고려할 필요가 있다. 태풍 발생시 해안지대 범람은 태풍에 의한 해일과 조석으로 인한 해수면 상승에 더불어 파랑이 겹쳐서 일어나는 현상이다. 이에 본 연구에서는 태풍에 의한 피해 영향을 정확히 산정하는 기초연구로서, 동적 결합형 태풍 해일-조석-파랑 수치모델을 개발하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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