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문제 정의
- 본 논문에서는 연결 논문인 조석-해일이 결합된 범람모의 적용에 앞서 적용모형인 MIKE21 모형의 동수역학 모듈인 HD(Hydrodynamic) 모듈의 조석-해일 결합모의에 대한 적용성을 검토하기 위해 한반도 남부 해안을 대상으로 조석을 가능한 한 정밀하게 예측할 수 있는 모의체계를 구축하고, 이를 토대로 조석과 해일의 비선형 효과를 감안할 수 있는 조석-해일 결합모형을 수립검증하였다. 수립된 모형의 검증을 위해 남해안 동부지역에 극심한 피해를 유발했던 2003년 14호 태풍 MAEMI 사상을 재현하였으며, 조석 경계조건과 태풍 정보는 NAO(National Astronomical Observatory of Japan)에서 제공되고 있는 NAO.
- 본 논문에서는 조석과 해일이 결합된 범람모의 적용에 앞서 적용모형인 MIKE21 모형의 실시간 조석 및 조석-해일 결합모의에 대한 적용성을 검토하였다. 이를 위해 한반도 남부 해안을 대상으로 조석을 가능한 한 정밀하게 예측할 수 있는 모의체계를 구축하고 조석 경계조건 및 생성된 해상풍 자료의 검증을 선행하였으며, 이를 토대로 조석과 해일의 비선형 효과를 감안할 수 있는 조석-해일 결합모형을 수립적용하였다.
제안 방법
- (2004) 등이 태풍 MAEMI에 의한 폭풍해일 계산시 적용한 바 있다. NAO.99Jb 모델은 9개의 반일주조 성분(M2, S2, N2, K2, 2N2, MU2, NU2, L2, T2)과 7개의 일주조 성분(K1, O1, P1, Q1, OO1, M1, J1) 등 총 16개 분조에 대한 조석 조화상수값을 제공하며, 본 논문에서는 앞서 언급한 주요 8개 분조성분의 진폭과 위상 조건만을 부여하였다.
- 1(a)의 Area_1 영역에 외 해경계조건으로 동시에 고려하여 태풍 MAEMI(0314)의 한반도 영향기간인 2003년 9월 12~13일을 포함해 2003년 9월 1일부터 9월 30일까지 한 달간 모의하였다. 모의결과를 토대로 한반도 남부 연안역에 위치한 8개 주요 조위관측소 지점에서 조석 조화상수를 산출하고 해당 조위관측소의 기준조석과 비교검증하였다. 외해경계조건인 조석성분의 진폭과 위상 자료는 NAO(National Astronomical Observatory of Japan)에서 제공하고 있는 NAO.
- 생성된 기압장은 태풍 MAEMI의 한반도 상륙지점에 위치한 마산, 부산 등의 기상관측소에서 관측된 해면 기압과의 비교를 통해 검증하였다(Fig. 6). 관측된 해면 기압자료의 경우 3시간 간격의 관측자료로 실제 태풍 내습 당시의 정확한 기압변화를 표현비교하기에는 다소 한계가 있으나 관측된 해면 기압자료와 생성된 기압자료는 거의 일치하는 결과를 보이고 있다.
- 즉, 조석외력을 배제한 상태에서 폭풍해일을 모의한 결과와 결합모형 결과에서 조석모의 계산치를 빼줌으로써 해일고만을 추출한 결과를 비교하였다. 이때 모형의 해상도를 높이기 위하여 마산과 목포 등 두 지점을 택해 Fig. 1의 세부역(Area_5 및 Area_7) 내부에 표시된 영역에 대하여 90 m 격자망을 추가로 생성하여 모의하였다. 마산해역의 경우 Fig.
- 본 논문에서는 조석과 해일이 결합된 범람모의 적용에 앞서 적용모형인 MIKE21 모형의 실시간 조석 및 조석-해일 결합모의에 대한 적용성을 검토하였다. 이를 위해 한반도 남부 해안을 대상으로 조석을 가능한 한 정밀하게 예측할 수 있는 모의체계를 구축하고 조석 경계조건 및 생성된 해상풍 자료의 검증을 선행하였으며, 이를 토대로 조석과 해일의 비선형 효과를 감안할 수 있는 조석-해일 결합모형을 수립적용하였다. MIKE21 모형의 실시간 조석 및 조석-해일 결합모의에 대한 적용성 검토 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 으로 격자간격을 1/3씩 감소시킬 경우 격자수의 증가에 따른 계산 소요시간의 증대가 불가피하며, 특히 모형 검증을 위해서는 외해 경계조건의 입력 분조 수에 따라 최소 15일 이상이 모의되어야 한다. 이에 본 논문에서는 계산 시간의 효율성 측면을 고려해 격자망의 해상도를 최대 21,870 m에서 최소 270 m로 하는 총 5단계, 7개 영역으로 구성하였다(Fig. 1(a)).
- 본 연구에서 구축한 조석-해일 결합모형의 효용성을 입증하기 위하여 기존 방법인 해일만을 모의한 결과와 비교하였다. 즉, 조석외력을 배제한 상태에서 폭풍해일을 모의한 결과와 결합모형 결과에서 조석모의 계산치를 빼줌으로써 해일고만을 추출한 결과를 비교하였다. 이때 모형의 해상도를 높이기 위하여 마산과 목포 등 두 지점을 택해 Fig.
- 태풍 통과시 모의 영역내 생성되는 바람과 기압변화는 중심기압, 최대풍반경, 이동속도 등을 고려해 MIKE21 모형에 포함된 CYWIND 부프로그램를 이용하여 30분 간격으로 모든 격자점에서 산출하였다. 태풍 MAEMI의 진행경로 및 주요 매개변수는 일본 기상청(www.
- 1(c))을 구축하고, 이들 영역의 격자간격을 270~810 m 로 구성하여 복잡한 연안지형의 재현이 제한적으로나마 가능하도록 하였다. 특히 둥지형 격자망 구축시 접합경계에서의 연속성 유지를 위해 각 영역별 접합경계부근의 수심을 동일하게 보정하였고, 수심 및 지형자료가 정확히 구현될 수 없는 큰 격자의 수심을 작은 격자의 상세수심으로 보정하는 과정을 전 영역에 대해 수행함으로써 보다 정도 높은 모의 결과를 기대할 수 있도록 하였다. 구축된 모형의 총 격자수는 530,400개이며, 각 영역별 격자구성에 관한 자세한 사항은 Table 1에 제시하였다.
대상 데이터
- 특히 둥지형 격자망 구축시 접합경계에서의 연속성 유지를 위해 각 영역별 접합경계부근의 수심을 동일하게 보정하였고, 수심 및 지형자료가 정확히 구현될 수 없는 큰 격자의 수심을 작은 격자의 상세수심으로 보정하는 과정을 전 영역에 대해 수행함으로써 보다 정도 높은 모의 결과를 기대할 수 있도록 하였다. 구축된 모형의 총 격자수는 530,400개이며, 각 영역별 격자구성에 관한 자세한 사항은 Table 1에 제시하였다.
- 본 논문에서는 연결 논문인 조석-해일이 결합된 범람모의 적용에 앞서 적용모형인 MIKE21 모형의 동수역학 모듈인 HD(Hydrodynamic) 모듈의 조석-해일 결합모의에 대한 적용성을 검토하기 위해 한반도 남부 해안을 대상으로 조석을 가능한 한 정밀하게 예측할 수 있는 모의체계를 구축하고, 이를 토대로 조석과 해일의 비선형 효과를 감안할 수 있는 조석-해일 결합모형을 수립검증하였다. 수립된 모형의 검증을 위해 남해안 동부지역에 극심한 피해를 유발했던 2003년 14호 태풍 MAEMI 사상을 재현하였으며, 조석 경계조건과 태풍 정보는 NAO(National Astronomical Observatory of Japan)에서 제공되고 있는 NAO.99Jb 분조 자료와 일본 기상청(www. jma.go.jp)에서 제공되고 있는 태풍 자료를 활용하였다. 적용 모형인 MIKE21 모형의 HD 모듈은 조석과 해일 상호간의 비선형 효과 및 파랑에 의한 수면 상승 효과를 고려할 수 있는 대표적인 상용모형으로, 일체화된 둥지형 격자망의 적용이 가능해 크기가 다른 격자망간 상호 연계된 수치모의를 통해 보다 정확한 사상 재현이 가능한 모형이다(DHI Water and Environment, 2007).
- 수립된 조석모형의 조석 경계조건으로는 반일주조 성분인 M2, S2, N2, K2 분조와 함께 일주조 성분인 K1, O1, P1, Q1 분조 등 주요 8개 분조성분을 Fig. 1(a)의 Area_1 영역에 외 해경계조건으로 동시에 고려하여 태풍 MAEMI(0314)의 한반도 영향기간인 2003년 9월 12~13일을 포함해 2003년 9월 1일부터 9월 30일까지 한 달간 모의하였다. 모의결과를 토대로 한반도 남부 연안역에 위치한 8개 주요 조위관측소 지점에서 조석 조화상수를 산출하고 해당 조위관측소의 기준조석과 비교검증하였다.
- 그림의 굵은 실선은 조석모의 결과이며 각 조위관측소별 관측조위는 가는 실선으로 표현하였다. 여기서 관측조위는 국립해양조사원에서 제공되고 있는 동일 기간의 1시간 조위자료이다.
- 외해경계조건으로 입력된 8개 분조 성분별 목포, 완도, 여수, 통영, 마산, 부산, 울산, 서귀포 등 한반도 남부 해역에 위치한 8개 주요 조위관측소 관측결과와 조석모의결과 도출된 시계열 자료의 조화분석 결과를 Fig. 2와 Fig. 3 및 Table 2, Table 3에 제시하였다. 진폭의 경우를 살펴보면(Fig.
- 모의결과를 토대로 한반도 남부 연안역에 위치한 8개 주요 조위관측소 지점에서 조석 조화상수를 산출하고 해당 조위관측소의 기준조석과 비교검증하였다. 외해경계조건인 조석성분의 진폭과 위상 자료는 NAO(National Astronomical Observatory of Japan)에서 제공하고 있는 NAO.99Jb 분조 자료를 활용하였다. NAO 모델은 격자간격 1/2°의 전지구 모델(NAO.
- 태풍 통과시 모의 영역내 생성되는 바람과 기압변화는 중심기압, 최대풍반경, 이동속도 등을 고려해 MIKE21 모형에 포함된 CYWIND 부프로그램를 이용하여 30분 간격으로 모든 격자점에서 산출하였다. 태풍 MAEMI의 진행경로 및 주요 매개변수는 일본 기상청(www.jma.go.jp)에서 제공되는 자료를 활용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 구축한 조석-해일 결합모형의 효용성을 입증하기 위하여 기존 방법인 해일만을 모의한 결과와 비교하였다. 즉, 조석외력을 배제한 상태에서 폭풍해일을 모의한 결과와 결합모형 결과에서 조석모의 계산치를 빼줌으로써 해일고만을 추출한 결과를 비교하였다.
성능/효과
- (1) 조석 경계조건 검증 결과, 일부 조위관측소에서 진폭 및지각에 다소 오차를 보이고 있으나 대체적으로 만족할 만한 결과를 보였으며, 특히 조석 운동에 가장 지배적인 성분인 M2, S2, K1, O1 등 주요 4대 분조의 경우 관측결과와 큰 오차 없이 부합하는 결과를 보여 수립된 모형에 외해경계조건으로 부여된 분조성분들의 진폭 및 지각 설정값의 적절성을 확인할 수 있었다. 생성된 해상풍 검증 결과 또한 태풍 MAEMI 내습 당시 진로상에 위치한 이어도 해양관측기지의 관측 풍속자료 및 마산, 통영, 부산 기상관측소의 관측 해면 기압과 거의 일치하는 결과를 보여 생성된 해상풍 자료의 적절성이 확인되고 있다.
- (2) 주요 협수로 및 지형의 영향을 받는 해역에서 해수유동 재현에 한계가 있는 것으로 나타났으나, 조석에 의한 해수유동을 정밀하게 재현 가능한 국지모형에 비해 수립된 모형은 한반도 주변해역을 모두 포함하는 광대역에 대한 모의 결과임을 감안할 때 조석모의에 대한 적절성 검토 결과는 매우 만족스러운 결과를 보였다.
- (3) 최대해일고가 발생하는 시점까지의 조위변화는 관측결과와 매우 부합하는 결과를 보이는 등 전반적으로 높은 정도로 태풍 내습 당시의 수위 상승 양상을 재현하고 있으며, 특히 통영, 마산, 부산 등 태풍 MAEMI가 상륙한 인근 해역의 경우 관측조위와 정량적으로 매우 근접한 모의 결과를 획득할 수 있었다. 수립된 조석-해일 결합모형의 서남해안 적용 결과 격자 해상도가 한반도 남부해안의 연안지형을 상세히 재현하기에는 해상도가 다소 낮게 구축된 점을 감안할 때 실시간 조석-해일 결합모의에 대한 적용성은 매우 높은 것으로 판단된다.
- 관측조위의 경우 해역별로 차이는 있으나 9월 12일 이후 태풍 MAEMI 상륙시 해수면 상승의 영향으로 조위가 크게 상승된 것을 알 수 있다. 이 기간을 제외하고 모의된 결과와 관측조위는 전 기간에 걸쳐 조위와 위상에 큰 편차 없이 일치하는 결과를 보이고 있다.
- 수립된 조석-해일 결합모형의 서남해안 적용 결과 격자 해상도가 한반도 남부해안의 연안지형을 상세히 재현하기에는 해상도가 다소 낮게 구축된 점을 감안할 때 실시간 조석-해일 결합모의에 대한 적용성은 매우 높은 것으로 판단된다. 또한 조석의 영향이 강하고 수심이 복잡한 목포해역 일대에서는 조석과 해일 상호간의 비선형 효과가 크게 작용하고 있음을 확인할 수 있었고, 이에 따라 특히 서남해안에서의 조석-해일 결합모형의 효용성을 입증할 수 있었다.
- 등 주요 4대 분조의 경우 관측결과와 큰 오차 없이 부합하는 결과를 보여 수립된 모형에 외해경계조건으로 부여된 분조성분들의 진폭 및 지각 설정값의 적절성을 확인할 수 있었다. 생성된 해상풍 검증 결과 또한 태풍 MAEMI 내습 당시 진로상에 위치한 이어도 해양관측기지의 관측 풍속자료 및 마산, 통영, 부산 기상관측소의 관측 해면 기압과 거의 일치하는 결과를 보여 생성된 해상풍 자료의 적절성이 확인되고 있다.
- (3) 최대해일고가 발생하는 시점까지의 조위변화는 관측결과와 매우 부합하는 결과를 보이는 등 전반적으로 높은 정도로 태풍 내습 당시의 수위 상승 양상을 재현하고 있으며, 특히 통영, 마산, 부산 등 태풍 MAEMI가 상륙한 인근 해역의 경우 관측조위와 정량적으로 매우 근접한 모의 결과를 획득할 수 있었다. 수립된 조석-해일 결합모형의 서남해안 적용 결과 격자 해상도가 한반도 남부해안의 연안지형을 상세히 재현하기에는 해상도가 다소 낮게 구축된 점을 감안할 때 실시간 조석-해일 결합모의에 대한 적용성은 매우 높은 것으로 판단된다. 또한 조석의 영향이 강하고 수심이 복잡한 목포해역 일대에서는 조석과 해일 상호간의 비선형 효과가 크게 작용하고 있음을 확인할 수 있었고, 이에 따라 특히 서남해안에서의 조석-해일 결합모형의 효용성을 입증할 수 있었다.
- 실시간 조석모의 결과, 주요 협수로 및 지형의 영향을 받는 해역에서의 해수유동 재현의 한계성을 나타내고 있으나, 일반적으로 조석에 의한 해수유동 특성을 정확하게 재현 가능한 국지모형에 비해 수립된 모형의 경우 한반도 주변해역을 모두 포함하는 광대역에 대한 모의결과임을 감안할 때 조석모의에 대한 적절성 검토 결과는 매우 만족스러운 결과를 보이고 있다고 판단된다. 특히 격자간격 270 m인 Area_5, Area_7 영역(Fig.
- 관측된 해면 기압자료의 경우 3시간 간격의 관측자료로 실제 태풍 내습 당시의 정확한 기압변화를 표현비교하기에는 다소 한계가 있으나 관측된 해면 기압자료와 생성된 기압자료는 거의 일치하는 결과를 보이고 있다. 이처럼 관측자료와의 비교를 통해 생성된 바람장과 기압장의 적절성을 검토한 결과, 두 성분 모두 관측결과와 비교적 잘 일치하는 결과를 보이고 있어 생성된 해상풍 자료의 적절성을 확인할 수 있다.
- 이를 제외하고는 전반적으로 높은 정도로 태풍 내습 당시의 수위 상승 양상을 재현하고 있으며, 특히 통영, 마산, 부산 등 태풍 MAEMI가 상륙한 인근 해역의 경우 관측조위와 비교해 조석-해일 결합모형의 결과가 매우 근사하게 모의되고 있음을 알 수 있다. 이처럼 조석과 해일을 동시에 고려한 결과, 실제 관측조위와 정량적으로 매우 근접한 모의 결과를 획득할 수 있었다. 특히 수립된 조석-해일 결합모형의 격자 해상도가 한반도 남부해안의 연안지형을 재현하기에는 다소 낮게 구축된 점을 감안할 때 실시간 모의의 적용성은 매우 높은 것으로 판단된다.
- 실시간 조석모의 결과, 주요 협수로 및 지형의 영향을 받는 해역에서의 해수유동 재현의 한계성을 나타내고 있으나, 일반적으로 조석에 의한 해수유동 특성을 정확하게 재현 가능한 국지모형에 비해 수립된 모형의 경우 한반도 주변해역을 모두 포함하는 광대역에 대한 모의결과임을 감안할 때 조석모의에 대한 적절성 검토 결과는 매우 만족스러운 결과를 보이고 있다고 판단된다. 특히 격자간격 270 m인 Area_5, Area_7 영역(Fig. 1)에서 계산된 결과인 목포, 완도, 통영, 마산, 부산 지점을 제외한 여수, 울산, 서귀포 지점의 계산결과는 격자간격 2,430 m인 Area_3 영역 또는 격자간격 810 m의 Area_4, Area_6 영역에서 계산된 결과를 이용해 산출된 결과로, 지형이 복잡한 한반도 남부 해역을 구현하기에는 다소 무리가 있는 낮은 해상도임에도 관측결과와 큰 오차 없이 부합하는 결과를 보이고 있다. 다만 수립된 모형의 둥지형 격자체계가 조석의 영향을 크게 받는 서남해안 일대를 어느 정도 상세화했음에도 불구하고, 목포 해역의 계산결과는 다소 부정확한 결과를 보인 점은 향후 수립된 모형의 정확도 개선이 좀 더 필요할 것으로 판단된다.
후속연구
- 1)에서 계산된 결과인 목포, 완도, 통영, 마산, 부산 지점을 제외한 여수, 울산, 서귀포 지점의 계산결과는 격자간격 2,430 m인 Area_3 영역 또는 격자간격 810 m의 Area_4, Area_6 영역에서 계산된 결과를 이용해 산출된 결과로, 지형이 복잡한 한반도 남부 해역을 구현하기에는 다소 무리가 있는 낮은 해상도임에도 관측결과와 큰 오차 없이 부합하는 결과를 보이고 있다. 다만 수립된 모형의 둥지형 격자체계가 조석의 영향을 크게 받는 서남해안 일대를 어느 정도 상세화했음에도 불구하고, 목포 해역의 계산결과는 다소 부정확한 결과를 보인 점은 향후 수립된 모형의 정확도 개선이 좀 더 필요할 것으로 판단된다.
- 조석-해일 결합모형의 검증을 위해서는 유동특성을 정확히 재현하기 위한 입력 파라메타 및 외해 경계조건의 결정과정이 필요하며, 이러한 요소들은 수차례의 시행착오를 통해 적절한 설정값이 산정되게 된다. 또한 본 논문이 조석과 해일의 상호작용을 고려한 결합형 수치모형의 구축이 주된 목적임을 감안할 때 조석과 해일 현상을 가능한 한 실제에 가깝게 재현하기 위해서는 연안지형을 상세히 재현할 수 있는 세 격자의 구성이 요구된다.
- 본 논문에 적용된 MIKE21 모형의 둥지형 격자망 구축시 공간상 해석능력의 도약은 ∆xCoarse=3∆xFine으로 격자간격을 1/3씩 감소시킬 경우 격자수의 증가에 따른 계산 소요시간의 증대가 불가피하며, 특히 모형 검증을 위해서는 외해 경계조건의 입력 분조 수에 따라 최소 15일 이상이 모의되어야 한다. 이에 본 논문에서는 계산 시간의 효율성 측면을 고려해 격자망의 해상도를 최대 21,870 m에서 최소 270 m로 하는 총 5단계, 7개 영역으로 구성하였다(Fig.
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