[논문]조석이 지배적인 해역의 극치해면 산정

강주환; 김양선; 조홍연; 심재설

doi:10.9765/kscoe.2012.24.6.381

조석이 지배적인 해역의 극치해면 산정
Estimation of extreme sea levels at tide-dominated coastal zone 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.24 no.6, 2012년, pp.381 - 389

강주환 (목포대학교 토목공학과) , 김양선 (목포대학교 토목공학과) , 조홍연 (한국해양과학기술원 해양환경보전연구부) , 심재설 (한국해양과학기술원 특성화연구본부)

초록
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EST기법을 토대로 하면서 자료기간이 충분히 길지 않고 조석이 지배적인 해역에서 극치해면고를 산정하기 위한 방법을 개발하였다. 본 방법은 고조위와 단주기 해일고 및 장주기 해일고, 그리고 태풍에 의한 해일고 등을 독립적으로 일년간 발생시켜 각 성분 합의 최대값을 구해 연고극조위를 산정하게 된다. 이때 고조위는 대소조 및 연주조 뿐 아니라 18.6년 달의 공전평면 주기까지 감안하여 발생시키게 되며, 태풍에 의한 해일은 관측치 또는 해일모형을 통해 작성된 해일고 계산치로 구성된 트레이닝세트로부터 추출되어 산정된다. 수백년간 연도별 연고극조위를 발생시킴으로써 재현기간별 극치해면고를 산정할 수 있게 되고, 이 작업을 수백번 반복함으로써 극치해면고의 통계특성까지 추정할 수 있다. 목포항에 적용한 결과를 여타 연구결과와 비교함으로써 본 방법의 적용성을 입증할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An EST-based method which is applicable for estimating extreme sea levels from short sea-level records in a tide dominated coastal zone was developed. Via the method, annual maximum tidal level is chosen from the simulated 1-yr tidal data which are constituted by the independent daily high water levels, short term and long term surge heights and typhoon-induced surge heights. The high water levels are generated considering not only spring/neap tides and annual tide but also 18.6-year lunar nodal cycle. Typhoon-induced surges are selected from the training set which is constructed by observed or simulated surge heights. This yearly simulation is repeated many hundred years to yield the extreme tidal levels, and the whole process is carried out many hundred times repeatedly to get robust statistics of the levels. In addition, validation of the method is also shown by comparing the result with other researches with the tidal data of Mokpo Harbor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내 서남해안의 경우 수심이 깊지 않고 조차가 크므로 조석-해일 비선형성이 적지 않게 작용할 것이라는 추정만 있을 뿐 이와 관련된 구체적 연구가 아직은 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 비선형성 효과는 미미하다고 가정하고 본 방법을 적용할 것이며, 추후 비선형성 관련 연구가 이루어진 후에 본 방법의 개선책 역시 강구하고자 한다.
따라서 국내 서·남해안과 같이 조석이 우세한 해역(해일고보다 조차가 큰 해역)에서는 조위조건이 포함된 극치해면 산정에 한계가 내재되어 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 실제적인 조위조건 재현을 토대로 한 후 태풍 및 비태풍 각각에 의한 해일고를 독립적으로 모의하여 이들을 합산하여 극치해면고를 산정할 수 있는 방법을 개발하여 적용성을 검증하였다.
태풍-해일에 대한 트레이닝세트를 구성하는 과정은 기존 EST기법을 동해안에 적용한 강 등(2012)의 연구와 유사한 방식으로 작성되었기에 본고에서는 EST기법의 일반적 특성 및 태풍에 의한 해일 수치실험 내용 등에 대한 자세한 소개는 생략한다. 1951년부터 60년간 목포해역에 영향을 미친 TY급 태풍 38개에 대하여 Table 5와 같이 태풍정보에 관한 4가지 성분을 포함하는 입력벡터와 발생 해일고인 응답벡터를 구성하였다.

가설 설정

조석이 지배적인 해역을 대상으로 하는 본 방법의 기본 가정은 극치해면이 고조시에 발생한다는 것이다. 따라서 조화상수에 의한 1시간 간격의 일년간 조위를 생성한 후 그 중고조위만을 취하여 분석에 사용하게 된다.

제안 방법

태풍-해일에 대한 트레이닝세트를 구성하는 과정은 기존 EST기법을 동해안에 적용한 강 등(2012)의 연구와 유사한 방식으로 작성되었기에 본고에서는 EST기법의 일반적 특성 및 태풍에 의한 해일 수치실험 내용 등에 대한 자세한 소개는 생략한다. 1951년부터 60년간 목포해역에 영향을 미친 TY급 태풍 38개에 대하여 Table 5와 같이 태풍정보에 관한 4가지 성분을 포함하는 입력벡터와 발생 해일고인 응답벡터를 구성하였다. 이때 발생 해일고는 관측치를 사용하거나 관측치가 축적되어 있지 않은 해역에서는 계산치를 사용할 수 있다.
kr) 홈페이지에서 제공하는 조위 자료를 활용하였다. 목포항 검조소 1시간 간격 조위자료를 1년 단위의 조화분석을 통해 해당연도의 조화상수를 추출한 후이를 통해 해당연도의 천문조를 사후추정함으로써 해일고를 산정할 수 있다. 산정된 해일고에 대한 주기별 특성을 분석하기 위해 웨이블릿 분석을 시행하였다.
즉, 연고극조위를 n개 발생시켰을 때 이를 큰 값 순서로 나열한 후 p번째 순위에 있는 조위의 재현기간은 n/p으로 산정할 수 있다. 본 연구에서는 연고극조위를 600회 발생시켜 3번째 값을 200년(= 600/ 3) 빈도값으로, 12번째 값을 50년(= 600/12) 빈도값 등으로 산정하였다. 600회 발생시킨 한 가지 예를 Fig.
목포항 검조소 1시간 간격 조위자료를 1년 단위의 조화분석을 통해 해당연도의 조화상수를 추출한 후이를 통해 해당연도의 천문조를 사후추정함으로써 해일고를 산정할 수 있다. 산정된 해일고에 대한 주기별 특성을 분석하기 위해 웨이블릿 분석을 시행하였다. 웨이블릿 분석은 수학적인 현미경으로 비유되며, 시계열자료의 특정부분에서 국지적인 구조나 특이성을 추출하는데 이용된다(Murguia and Campose, 2006).
6년 주기까지 포함되도록 하였다. 이를 위해 목포항 검조소에서 관측된 2011년 1월 1일부터 12월 31일까지의 1시간 간격 조위자료에 대하여 TIRA 프로그램을 사용해 조화분석을 시행한 후 이를 토대로 MARIE 프로그램을 사용해 2011년부터 2030년까지 20년간 1시간 간격 조위를 발생시켰다. 즉, 20년간 1시간 간격 175,320개의 조위자료로부터 하루 두 개 가량의 총 14,115개(≒365×2×20) 예측 고조위를 추출하여 20년치 고조위 자료를 구축하였다.
조석이 지배적인 해역에서 자료기간이 길지 않은 경우 효율적으로 적용할 수 있는 빈도해석방법을 개발하였다. 개발된 방법은 Goring et al.
즉, 20년간 1시간 간격 175,320개의 조위자료로부터 하루 두 개 가량의 총 14,115개(≒365×2×20) 예측 고조위를 추출하여 20년치 고조위 자료를 구축하였다.

대상 데이터

즉, 20년간 1시간 간격 175,320개의 조위자료로부터 하루 두 개 가량의 총 14,115개(≒365×2×20) 예측 고조위를 추출하여 20년치 고조위 자료를 구축하였다. 구축된 자료로부터 임의의 1년 자료를 취하게 되는데, 조위와 해일의 계절별 특성 및 태풍/계절풍과의 계절별 부합을 위해 연도만 결정되면 그 해 1월 1일부터 12월 31일까지의 약 705개의 고조위 자료가 선정되도록 하였다. 20년 중 선정되는 연도(y)는 식 (1)과 같은 Matlab의 균일분포(uniform distribution)를 사용한 난수발생(0~1)을 통해 0~0.
극치해면 산정을 위한 본 해석법의 적용대상으로 목포항을 선정하였는데 목포항의 경우 1953년부터 조위관측이 시작되어 충분한 자료축적이 이루어져 있다. 그러나 영산강하구언(1981년)과 영암방조제(1991년) 및 금호방조제(1994년) 건설로 인해 조석확폭현상이 발생(Kang, 1999; 강·문, 2000)하여 건설시기별로 조위자료의 동질성이 훼손된 상태이다.
해일발생특성은 국내 해역별로 구분되는 특성을 보이고 있으며 특히 서해안에서 계절풍에 의한 해일발생이 두드러진 것으로 파악되고 있다(강 등, 2011). 본 연구에서는 해일발생의 주기별 특성을 파악하기 위하여 국립해양조사원(www.khoa.go.kr) 홈페이지에서 제공하는 조위 자료를 활용하였다. 목포항 검조소 1시간 간격 조위자료를 1년 단위의 조화분석을 통해 해당연도의 조화상수를 추출한 후이를 통해 해당연도의 천문조를 사후추정함으로써 해일고를 산정할 수 있다.
이때 발생 해일고는 관측치를 사용하거나 관측치가 축적되어 있지 않은 해역에서는 계산치를 사용할 수 있다. 적용대상인 목포항 검조소의 경우 관측치 위주의 트레이닝세트 구성에 별 문제가 없으며 일부 신뢰성이 미흡한 관측치에 대해서 수치모형 결과(국립해양조사원, 2012)를 활용하였다. 이는 강 등(2012)의 연구에서 활용한 바 있으며 최근 가장 빈번한 적용사례를 보이고 있는 ADCIRC 모형(Mattocks and Forbes, 2008; Shrestha et al.

데이터처리

웨이블릿 분석은 수학적인 현미경으로 비유되며, 시계열자료의 특정부분에서 국지적인 구조나 특이성을 추출하는데 이용된다(Murguia and Campose, 2006). 분석을 위해 Coiflet 함수를 이용하였으며 결측치가 비교적 적은 2001~2010년의 10개년 자료를 사용하여 11단계로 성분 분해를 시행하였고, 분해된 detail 성분의 스펙트럼 밴드 구간과 중간 주기를 Table 2에 제시하였다.

이론/모형

개발된 방법은 Goring et al.(2011)이 제시한 방법에 기초하고 있으며 자료기간이 짧고 조석이 우세한 목포항에 적용하였다. 목포해역은 하구언과 방조제 건설에 따라 자료의 동질성이 훼손되어 일관성 있는 자료기간이 17년에 불과하며 대조차가 4 m 정도로 해일고에 비해 조석이 매우 우세한 해역이다.

성능/효과

목포해역은 하구언과 방조제 건설에 따라 자료의 동질성이 훼손되어 일관성 있는 자료기간이 17년에 불과하며 대조차가 4 m 정도로 해일고에 비해 조석이 매우 우세한 해역이다. EST기법을 적용한 본 연구 결과를 확률분포함수법을 적용한 여타 연구와 비교한 결과 10년 정도의 재현기간에서의 빈도값은 거의 일치하고 있지만 재현기간이 커질수록 각 방법의 특성 및 한계점이 노정됨을 볼 수 있다. 자료의 동질성을 회복시켜 자료기간을 충분히 늘린 후 적용한 강·문(2000)의 방법은 2004년 발생한 기왕최고극조위가 누락되어 재현기간이 길어질수록 결과가 다소 작게 예측되고 있다.
EST 기법의 장점 중 한 가지는 자료기간이 짧은 경우 과거자료의 한계성을 탈피하기 위해 가상태풍을 모의하여 그 결과를 트레이닝세트에 포함시켜 해석할 수 있는 점(Divoky and Resio, 2007)인데, 일부 결과를 지역적 특성을 감안하거나 기상학적 근거하에 수치모형 계산치로 대치함으로써 이러한 가상태풍을 포함시키는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 가상태풍은 향후 발생할 수 있는 매우 큰 규모의 태풍을 대상으로 하게 되는데, 본 연구에서 채택한 결과인 177 cm의 해일고는 국토해양부(2010)에서 산정한 목포항에서 200년 빈도 해일고 158 cm와 비교할 때 적정한 수준으로 평가된다.
이러한 제약을 극복하기 위하여 강·문(2000)은 수치모형을 이용하여 과거자료를 현재상태로 변환한 후 확률분포함수법을 적용한 연구를 수행한 바 있고, 정 등(2008)은 영산강하구언 건설 이전과 이후로 구분하여 확률분포함수법을 적용한 바 있으나 영산강하구언 건설이후 자료 역시 전술한 바와 같이 이질적인 자료로 구성되어 있는 점을 간과하고 있다. 이렇듯 목포항은 자료기간의 제약과 함께 평균대조차가 약 4 m에 이르고 있어 본 방법을 적용하기에 적합한 해역으로 평가된다.
이들에 비해 본 연구에서 제시된 방법은 자료기간의 한계를 극복할 수 있으며 조석 및 해일조건 각각에 대한 현실적인 고려가 이루어져 있는 방법이다. 적용결과 재현기간이 50년 이하인 경우의 극치해면은 하절기 대조기에 조석에 주로 기인하여 발생하는 반면 재현기간이 100년을 초과하는 경우에는 주로 대형 태풍에 의한 매우 큰 해일고가 발생함에 기인하는 특성을 보이고 있다. 이에 따라 재현기간이 작은 경우(조석에 주로 기인하므로) 빈도값의 표준편차가 작은 반면, 재현기간이 커질수록(대형태풍에 의한 해일고에 기인하므로) 빈도값의 표준편차가 커지는 결과를 보이고 있다.

후속연구

그러나 본 방법은 조석과 해일의 비선형성을 무시하고 있어 Horsburgh and Wilson(2007) 이 제기한 바와 같이 저조시 해일고가 고조시보다 커지는 현상, 즉 조석-해일 간섭효과가 크게 나타나는 해역에서는 적용의 한계가 있다. 따라서 목포해역에서 이러한 효과에 대한정량적 검토가 요구되고 있어 추후 관련사항에 대한 심도있는 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확률분포함수법의 한계는 무엇인가?	극치해면고 산정방법으로 십여년전까지 널리 사용되었던 확률분포함수법은 관측기간이 최소 25년 이상인 곳에 적용 가능한 방법(Pugh, 2004)이며 매년 한 개 정도의 해당연도 최고조위를 의미하는 연고극조위 자료만 사용하므로 자료 낭비가 심할 뿐 아니라 큰 규모의 해일이 소조기나 저조시 발생할 경우 결과에 전혀 반영되지 않을 수 있어 소수의 이상치 자료에 매우 민감하다는 단점이 있다(Toro et al., 2010).
	십여년전까지 널리 사용되었던 극치해면고 산정방법은 무엇인가?	극치해면고 산정방법으로 십여년전까지 널리 사용되었던 확률분포함수법은 관측기간이 최소 25년 이상인 곳에 적용 가능한 방법(Pugh, 2004)이며 매년 한 개 정도의 해당연도 최고조위를 의미하는 연고극조위 자료만 사용하므로 자료 낭비가 심할 뿐 아니라 큰 규모의 해일이 소조기나 저조시 발생할 경우 결과에 전혀 반영되지 않을 수 있어 소수의 이상치 자료에 매우 민감하다는 단점이 있다(Toro et al., 2010).
	근래에 확률분포함수법을 대체하는 방법은 무엇인가?	, 2010). 근래에는 이를 대체하는 방법으로 EST(empirical simulation technique)기법(Scheffner et al., 1999)과 같이 과거사상을 비모수적 방법으로 해석하는 방법이 널리 사용되고 있다. 이 방법은 과거 태풍사상에 대한 트레이닝 세트를 구성한 후 이를 토대로 매년 태풍을 모의 발생시켜 극치자료를 구성한 후에 빈도해석을 실시하는 방법으로서 태풍 및 해일의 과거자료가 많지 않고 공간적 분포에 대한 정보 역시 불충분한 경우에 특히 장점이 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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