관측자료 분석과 수치모의에 의한 해운대 이안류 발생 특성 연구 Investigation of Characteristics of Rip Current at Haeundae Beach based on Observation Analysis and Numerical Experiments원문보기
국립해양조사원의 해운대 부이로 부터 관측된 자료와 CCTV 영상자료를 분석하고 수치실험을 수행하여 해운대 해변에서 발생하는 이안류의 특성을 연구하였다. CCTV 영상자료를 분석한 결과로 부터 이안류가 발생할 때 규칙파에 가깝고 진행방향이 약간 다른 파랑이 중첩되어 입사되고 있는 것을 관찰할 수 있었으며, 부이 관측자료의 웨이브릿 분석으로부터 한 주기에 파랑에너지가 집중된 협대역 스펙트럼을 확인할 수 있었다. 이로부터 이미 알려진 이안류 발생 메커니즘가운데 하나인 벌집구조의 절점선 영역을 통한 이안류의 발생이 해운대 이안류의 주요한 발생 메커니즘임을 추론할 수 있었다. 이러한 이안류 발생 메커니즘은 다음과 같이 설명할 수 있다. 진행방향이 약간 다른 규칙파가 해안으로 전파될 때 서로 중첩되어 비선형 상호작용으로 파봉선이 벌집구조 형상으로 변형된다. 여기서, 파고가 영(zero)인 절점선이 해안선에서 외해방향으로 발달하게 된다. 파고가 상대적으로 작은 이 절점선 영역을 향하여 연안류의 질량수송이 집중되며 일시에 외해로 이안류를 발생시키게 된다. 벌집구조 파봉형상 입사파에 의한 이안류 발생을 재현하기 위해 완전 비선형 Boussinesq 방정식 모형을 이용해 수치모의를 수행하였다. 이 수치모의로부터 진행방향이 서로 다르므로, 그리고 일방향 파랑이 수중천퇴에 의하여 변형되므로 발생된 벌집구조 현상에 의하여 이안류가 잘 발생함을 확인하였다.
국립해양조사원의 해운대 부이로 부터 관측된 자료와 CCTV 영상자료를 분석하고 수치실험을 수행하여 해운대 해변에서 발생하는 이안류의 특성을 연구하였다. CCTV 영상자료를 분석한 결과로 부터 이안류가 발생할 때 규칙파에 가깝고 진행방향이 약간 다른 파랑이 중첩되어 입사되고 있는 것을 관찰할 수 있었으며, 부이 관측자료의 웨이브릿 분석으로부터 한 주기에 파랑에너지가 집중된 협대역 스펙트럼을 확인할 수 있었다. 이로부터 이미 알려진 이안류 발생 메커니즘가운데 하나인 벌집구조의 절점선 영역을 통한 이안류의 발생이 해운대 이안류의 주요한 발생 메커니즘임을 추론할 수 있었다. 이러한 이안류 발생 메커니즘은 다음과 같이 설명할 수 있다. 진행방향이 약간 다른 규칙파가 해안으로 전파될 때 서로 중첩되어 비선형 상호작용으로 파봉선이 벌집구조 형상으로 변형된다. 여기서, 파고가 영(zero)인 절점선이 해안선에서 외해방향으로 발달하게 된다. 파고가 상대적으로 작은 이 절점선 영역을 향하여 연안류의 질량수송이 집중되며 일시에 외해로 이안류를 발생시키게 된다. 벌집구조 파봉형상 입사파에 의한 이안류 발생을 재현하기 위해 완전 비선형 Boussinesq 방정식 모형을 이용해 수치모의를 수행하였다. 이 수치모의로부터 진행방향이 서로 다르므로, 그리고 일방향 파랑이 수중천퇴에 의하여 변형되므로 발생된 벌집구조 현상에 의하여 이안류가 잘 발생함을 확인하였다.
To investigate the characteristics of rip current occurring at Haeundae beach, observations obtained from a buoy and a CCTV were analyzed and numerical experiments were conducted. During observed rip-current events, the CCTV images showed that a couple of wave-trains, which are close to regular wave...
To investigate the characteristics of rip current occurring at Haeundae beach, observations obtained from a buoy and a CCTV were analyzed and numerical experiments were conducted. During observed rip-current events, the CCTV images showed that a couple of wave-trains, which are close to regular waves with slightly different directions, propagated to the beach, and wavelet analyses of data from the buoy showed very narrow-banded spectra with a peak frequency. From the evidences, it was inferred that a known mechanism of generating rip current due to the nodal line area of honeycomb-patterned wave crest was one of the significant factors of rip current occurrences of Haeundae beach. The mechanism has been explained by the following: When two wave-trains with slightly different directions propagate to a beach, wave crests of the incident wave-trains form honeycomb pattern due to nonlinear interaction. The nodal lines of honeycomb pattern are developed in the cross-shore direction. And longshore currents flow toward the nodal line area which has very low wave energy. Consequently their mass flux is expelled through the area toward the sea direction. To confirm the generation, numerical experiments were performed using a nonlinear Boussinesq equation model. In the cases with two incident wave-trains with slightly different directions and with a monochromatic wave propagating over a submerged shoal, it was seen that the honeycomb pattern of wave crests was well developed, and thus rip currents were evolved along the nodal lines.
To investigate the characteristics of rip current occurring at Haeundae beach, observations obtained from a buoy and a CCTV were analyzed and numerical experiments were conducted. During observed rip-current events, the CCTV images showed that a couple of wave-trains, which are close to regular waves with slightly different directions, propagated to the beach, and wavelet analyses of data from the buoy showed very narrow-banded spectra with a peak frequency. From the evidences, it was inferred that a known mechanism of generating rip current due to the nodal line area of honeycomb-patterned wave crest was one of the significant factors of rip current occurrences of Haeundae beach. The mechanism has been explained by the following: When two wave-trains with slightly different directions propagate to a beach, wave crests of the incident wave-trains form honeycomb pattern due to nonlinear interaction. The nodal lines of honeycomb pattern are developed in the cross-shore direction. And longshore currents flow toward the nodal line area which has very low wave energy. Consequently their mass flux is expelled through the area toward the sea direction. To confirm the generation, numerical experiments were performed using a nonlinear Boussinesq equation model. In the cases with two incident wave-trains with slightly different directions and with a monochromatic wave propagating over a submerged shoal, it was seen that the honeycomb pattern of wave crests was well developed, and thus rip currents were evolved along the nodal lines.
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문제 정의
, 2005)과는 정반대임을 밝히고 있다. 본 연구에서는 기존에 해운대에서 발생하는 이안류를 설명하기 위해 인용되어 오던 메커니즘과 다른 이러한 이안류 메커니즘이 해운대 이안류를 보다 명확하게 설명할 수 있음을 실제 관측한 자료들의 분석과 수치해석을 통하여 밝히고자 한다.
이 절에서는 앞서 기술한 벌집구조 입사파에 의한 이안류의 발생을 Boussinesq 방정식 모형으로 수치모의하여 그 가능성을 확인한다. 벌집 구조 입사파에 의한 이안류 현상을 모의하기 위해서는 파의 위상을 고려할 수 있어야 하며, 회전흐름의 해석이 가능해야 한다.
제안 방법
국립해양조사원(Korea Hydrographic and Oceanographic Administration, KHOA)에서 운영 중인 해운대 주변의 CCTV 영상 자료를 확보하고 이를 분석하여 해운대 해수욕장에서의 이안류 발생 현황을 파악하였다. Fig.
이안류가 발생한 2011년 6월 12일 11시 21분, 35분, 58분에 파고가 상대적으로 높고 주기가 길다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 매초 저장된 이미지를 이용하여 해안선 근처의 고정된 위치를 통과하는 쇄파에 의해 하얗게 보이는 파봉선을 육안으로 추적하여 분 단위로 평균주기를 추정하였다. 이렇게 추정된 주기로부터 규칙파에 가까운 파랑이 입사되는 것으로 판단되고, 파봉선의 길이가 긴 몇 개의 파랑열(wave-train)이 번갈아 가며 거의 일정한 방향으로 입사하는 것을 관찰할 수 있었다.
그림에 나타낸 것처럼 수중천퇴의 중심은 x방향으로 500 m, m, y방향으로 500 m에 위치하고 있으며 바닥면의 반경은 250 m이다. 바닥으로부터 천퇴의 높이(Hs)는 7.5 m와 10 m이며, 입사파의 진폭은 0.4 m, 주기 10초로 두 가지 경우 모두 동일하며, 360초 동안 조파하여 수치실험을 수행하였다. 수치모의를 위한 계산격자의 크기는 dx=dy=2 m로 구성하였으며, dt=0.
이 부이는 기본적으로 정밀 위치확인시스템(GPS)이 자유수면의 변형을 인식하는 방식을 채택하고 있다. 이 관측 시스템은 수면변화에 따라 변동하는 3축의 변위를 이용하여 대표 파고, 주기, 파향 등을 계산한다. 2Hz로 샘플링 되는 3축 변위에 해당하는 원 데이터는 자체 저장장치에 저장되고, 대표 파고, 주기, 파향 등의 파랑정보는 매 5분마다 1024개에 해당하는 이동 데이터 프레임을 사용하여 계산되며, 이 계산 값들은 국립해양조사원의 서버로 전송된다.
이 당시 발생한 이안류들은 지속시간이 수분 이내인 돌발성 이안류로 파악된다. 이안류가 발생한 당시, 즉, 6월 12일 11시 50부터 12시 10분사이의 원자료를 이용하여 웨이블릿 분석을 실시하여 Fig. 4에 제시하였다. 이안류 발생전후의 웨이블릿 스펙트럼을 통하여 약 9초의 첨두주기에 에너지가 집중되어 지속적으로 유지되는 것을 볼 수 있다.
수심 분포의 스케일은 실제 해운대 주변 해역의 지형의 것과 유사하도록 구성하였다. 입사파의 형태가 벌집구조가 형성되는 환경을 구성하기 위하여 2개의 조파라인을 X형태로 교차시켜 두 개 파향의 파랑을 조파하였다. 수치모의를 위한 계산격자의 크기는 dx=dy=2m로 설정하였으며, 계산간격은 초로 설정하였다.
본 수치모의에서도 해안에 도달하는 벌집구조 입사 파랑으로 인하여 발생하는 이안류 현상을 충분히 잘 재현하고 있다고 판단된다. 제시한 두 종류의 수치실험은 Fig. 12에서 보여지는 해운대 앞바다의 수중 산맥과 천퇴(암초)로부터 발생될 수 있다고 판단되는 파랑변형에 대한 이상적인 조건으로부터 벌집구조 파봉선 현상에 기인한 이안류 발생을 확인하였다. 그러나 실제 해운대 해안 전체에 대한 수치모의를 통해 검증될 필요가 있으며 이러한 해운대 이안류의 검증연구는 향후연구로 남겨 두기로 한다.
조파라인의 각도(θ)와 조파되는 파의 진폭(a)은 각각 θ=7 및 15도와 a=0.2 m 및 0.4 m로 설정하였으며 주기 10초의 규칙파를 조파하여 360초 동안 수치실험을 수행하였다.
해운대 지역에 대한 실질적인 관측은 2011년 6월부터 9월까지 4개월 동안 이루어졌으며 기록된 영상자료 중에서 태풍 및 우천 등으로 인하여 기상조건이 양호하지 않아 영상 자료의 판독이 불가능한 일부의 자료를 제외한 나머지 영상 자료들을 확인 및 분석하였다. 그 결과 CCTV 영상 자료를 통해 2011년 6월 12일을 비롯하여 여러 차례에 걸쳐 이안류가 발생하였음을 확인하였다.
이론/모형
또한, 회전흐름을 고려할 수 있으므로 잉여응력과 같은 지속성분이 자동적으로 고려되므로 별도의 흐름모형을 필요로 하지 않는다. 본 연구에서 사용한 Boussinesq방정식의 수치모형은 Lynett and Liu(2008)에 기술된 것과 동일하며, 해안선에서의 이동경계조건이 가능하다. 이 모형은 다양한 연구를 통해 검증되었다.
벌집 구조 입사파에 의한 이안류 현상을 모의하기 위해서는 파의 위상을 고려할 수 있어야 하며, 회전흐름의 해석이 가능해야 한다. 본 연구에서는 Lynett and Liu(2004a, b)에 의해 유도된 다층(N층) Boussinesq방정식을 지배 방정식으로 사용하는 수치모형인 COULWAVE를 사용 하였다. 이 모형은 코넬대학(Cornell University)에서 개발한 완전 비선형 Boussinesq 방정식 모형으로 기본구성은 Wei and Kirby(1995), Wei et al.
성능/효과
2011년 6월부터 9월까지 해운대에서 부이로부터 관측된 파랑자료의 웨이브렛 스펙트럼 분석과 CCTV 영상자료를 분석을 통하여 이안류가 발생할 때 파향이 약간 다른 규칙파에 가까운 장파성분의 너울성 파랑이 서로 중첩되어 입사되고 있는 것을 관찰할 수 있었다. 여기서 너울성 파랑이란 조석이나 해일과 같은 장파가 아니라 평상 입사파에 비해 상대적으로 장주기를 갖는 파랑을 의미한다.
해운대 지역에 대한 실질적인 관측은 2011년 6월부터 9월까지 4개월 동안 이루어졌으며 기록된 영상자료 중에서 태풍 및 우천 등으로 인하여 기상조건이 양호하지 않아 영상 자료의 판독이 불가능한 일부의 자료를 제외한 나머지 영상 자료들을 확인 및 분석하였다. 그 결과 CCTV 영상 자료를 통해 2011년 6월 12일을 비롯하여 여러 차례에 걸쳐 이안류가 발생하였음을 확인하였다. Fig.
첫째, 위와 같은 너울성 규칙파가 파향이 서로 다르게 입사되는 경우에 벌집구조 형상의 파봉선과 파고가 영인 절점선이 해안에서 심해방향으로 발달함과 이 절점선을 따라 이안류가 발생함을 확인하였다. 둘째, 이러한 파 봉선의 벌집구조 현상은 수중 천퇴를 통과하며 굴절 변형되어 중첩되는 규칙파들에 의해서도 나타나며, 이러한 벌집구조 파봉선 현상의 절점선을 따라 역시 이안류가 잘 발달함을 확인하였다. 따라서 이미 알려진 이안류 발생 메커니즘가운데 하나인 벌집구조의 절점선 영역을 통한 이안류의 발생이 해운대 이안류의 주요한 발생 메커니즘임을 추론할 수 있었다.
둘째, 이러한 파 봉선의 벌집구조 현상은 수중 천퇴를 통과하며 굴절 변형되어 중첩되는 규칙파들에 의해서도 나타나며, 이러한 벌집구조 파봉선 현상의 절점선을 따라 역시 이안류가 잘 발달함을 확인하였다. 따라서 이미 알려진 이안류 발생 메커니즘가운데 하나인 벌집구조의 절점선 영역을 통한 이안류의 발생이 해운대 이안류의 주요한 발생 메커니즘임을 추론할 수 있었다. 지형적 이안류 수로와 관계없이 파랑에너지가 매우 낮은 벌집구조의 절점선 영역이 일종의 이안류 수로 역할을 함을 알 수 있었다.
이안류 발생전후의 웨이블릿 스펙트럼을 통하여 약 9초의 첨두주기에 에너지가 집중되어 지속적으로 유지되는 것을 볼 수 있다. 또한, 이 첨두주기는 Fig. 3에 나타낸 유의주기에 비하여 크며, CCTV의 이미지 분석으로부터 파봉선을 추적하여 산정되는 주기에 더 유사함을 알 수 있었다.
이는 파고가 클수록 파랑의 질량수송이 커지며 동시에 절점선으로 집중되는 질량수송의 크기가 커져 발생하는 현상으로 판단된다. 본 수치 모의는 벌집구조 입사파랑으로 인하여 발생하는 이안류 현상을 충분히 잘 재현하고 있다고 판단된다.
17까지의 그림에 두 방향의 파랑을 조파하여 수행한 수치실험 결과를 나타내었으며, 각각 자유수면 변위와 시간(2주기) 평균된 흐름유속에 대한 벡터분포를 도시한 것이다. 수치모의 결과에서 알 수 있듯 두 진행파 사이의 파향 각도 가 작을수록 파봉선의 길이, 즉, 해안선 방향으로의 중복파의 파장이 길어짐을 확인할 수 있다. 중복파의 영향으로 파고가 영(zero)인 절점선이 존재하며 이절점선을 경계로 인접한 2개의 진행파 파봉선은 반파장의 위상차를 보이며 전파됨을 확인할 수 있다.
그리고 매초 저장된 이미지를 이용하여 해안선 근처의 고정된 위치를 통과하는 쇄파에 의해 하얗게 보이는 파봉선을 육안으로 추적하여 분 단위로 평균주기를 추정하였다. 이렇게 추정된 주기로부터 규칙파에 가까운 파랑이 입사되는 것으로 판단되고, 파봉선의 길이가 긴 몇 개의 파랑열(wave-train)이 번갈아 가며 거의 일정한 방향으로 입사하는 것을 관찰할 수 있었다. 이 당시 발생한 이안류들은 지속시간이 수분 이내인 돌발성 이안류로 파악된다.
수치모의 결과에서 알 수 있듯 두 진행파 사이의 파향 각도 가 작을수록 파봉선의 길이, 즉, 해안선 방향으로의 중복파의 파장이 길어짐을 확인할 수 있다. 중복파의 영향으로 파고가 영(zero)인 절점선이 존재하며 이절점선을 경계로 인접한 2개의 진행파 파봉선은 반파장의 위상차를 보이며 전파됨을 확인할 수 있다. 또한, 중복파의 특성으로 부터 파봉선의 정중앙에서는 파고가 상대적으로 크고, 중앙으로부터 좌우로 절점선에 가까울수록 파고가 작아진다.
따라서 이미 알려진 이안류 발생 메커니즘가운데 하나인 벌집구조의 절점선 영역을 통한 이안류의 발생이 해운대 이안류의 주요한 발생 메커니즘임을 추론할 수 있었다. 지형적 이안류 수로와 관계없이 파랑에너지가 매우 낮은 벌집구조의 절점선 영역이 일종의 이안류 수로 역할을 함을 알 수 있었다. 그러나 향후에 해운대 전체 해역에 대한 수치모의를 통한 구체적인 검증 연구가 필요하다.
그리고 Boussinesq 파랑모형을 이용한 수치실험을 통하여, 다음의 두 가지를 확인할 수 있었다. 첫째, 위와 같은 너울성 규칙파가 파향이 서로 다르게 입사되는 경우에 벌집구조 형상의 파봉선과 파고가 영인 절점선이 해안에서 심해방향으로 발달함과 이 절점선을 따라 이안류가 발생함을 확인하였다. 둘째, 이러한 파 봉선의 벌집구조 현상은 수중 천퇴를 통과하며 굴절 변형되어 중첩되는 규칙파들에 의해서도 나타나며, 이러한 벌집구조 파봉선 현상의 절점선을 따라 역시 이안류가 잘 발달함을 확인하였다.
5(a)에 나타내었다. 태풍 메아리는 6월 26일 이전부터 서해 해상에 진입하여 통과하고 있었으며, 6월 26일 오후에 해운대 파고관측 부이에서 측정한 유의파고는 최대 2 m, 주기는 최대 10초에 달하여 올해 해운대 개장이후 3개월의 기간 동안 가장 파고가 높고 주기도 길었다. Fig.
후속연구
이러한 지형변동을 포함한 이안류의 발생 메커니즘은 아직 다른 참고문헌에서도 추정에 그치고 있으며 완전히 증명되고 있지는 못하다. 그러나 매우 타당성이 높다고 판단되며 향후 검증을 위한 연구가 필요하다고 판단된다.
12에서 보여지는 해운대 앞바다의 수중 산맥과 천퇴(암초)로부터 발생될 수 있다고 판단되는 파랑변형에 대한 이상적인 조건으로부터 벌집구조 파봉선 현상에 기인한 이안류 발생을 확인하였다. 그러나 실제 해운대 해안 전체에 대한 수치모의를 통해 검증될 필요가 있으며 이러한 해운대 이안류의 검증연구는 향후연구로 남겨 두기로 한다.
지형적 이안류 수로와 관계없이 파랑에너지가 매우 낮은 벌집구조의 절점선 영역이 일종의 이안류 수로 역할을 함을 알 수 있었다. 그러나 향후에 해운대 전체 해역에 대한 수치모의를 통한 구체적인 검증 연구가 필요하다.
이 중앙부 암초군 위를 일정 주기에 에너지가 집중된 장주기파가 입사하게 되면 중앙 암초군 좌우의 수심이 깊은 곳을 진행하는 파는 전파속도가 빨라 암초군 위를 진행하는 파봉선에 비해 빨리 진행하게 되고, 암초군을 지나 해변에 가까워지면서 암초군의 좌측을 지나온 파군과 우측을 지나온 파군이 서로 중첩되어 벌집 구조를 만들 수 있다. 실제 해운대 해안 전체에 대한 수치모의를 통해 검증될 수 있으며 이러한 수치모의 통한 해운대 이안류의 검증연구는 향후연구로 남겨 두고, 다음 절에서 이상적인 벌집구조에 따른 이안류의 발생을 수치실험을 통해 증명한다.
벌집구조 파봉 현상에 의한 이안류 메커니즘은 보편적으로 알려진 오목해안의 오목부 또는 연안사주 시스템에서의 이안류 발생 메커니즘과 이안류의 발생 위치가 서로 정반대가 되는 메커니즘을 갖게 된다. 이 추론에 대한 실증과 지형변동을 포함한 두가지 이안류 발생 메커니즘의 상관관계를 위한 연구는 앞으로 추가로 수행될 필요가 있어 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가장 많은 방문객이 찾는 우리나라의 대표적인 해수욕장은 어디인가?
부산 해운대 해수욕장은 전국 약 276개의 해수욕장 중에서 가장 많은 방문객이 물놀이를 즐기기 위해 찾는 우리나라의 대표적인 피서지이다. 특히 2011년은 약 1천 238만 명이 2개월(7~8월)간 해운대 해수욕장을 찾았으며 연중 각종 국내외 주요 행사가 개최되는 등 국제적인 관광지로 자리잡고 있어 해운대 해수욕장을 찾는 여행객의 수는 점차 늘어날 것으로 예상된다.
이안류가 발생하는 이유는 무엇인가?
일반적으로 이안류는 연안의 수심 분포를 비롯한 지형 및 환경적 특성과 비선형파의 상호작용 및 평균자유수면변위의 불안정성 등에 기인하여 파랑 에너지가 연안방향(longshore direction)으로 강한 비균등성이 형성될 때 발생하는 것으로 알려져 있다(Dalrymple, 1975, 1978; Tang and Dalrymple, 1989). 즉, 연안방향을 따라 파랑에너지(또는 파고)가 급격히 낮아지는 쪽으로 파랑 잉여운동량 플럭스(wave induced excess momentum flux)의 기울기가 발생하므로 그 부분의 평균수면 상승과 더불어 이안류 수로(rip channel)를 통하여 외해 쪽으로 강한 흐름이 발생하게 된다(최준우 등, 2011).
이안류 연구 초기에 이론적 모형을 이용해 발생 메커니즘을 밝히려는 내용에는 무엇이 있었는가?
이안류는 Shepard(1936)로부터 관찰되고, 연구되기 시작하였으며, 연구 초기에는 이론적 모형들을 이용하여 기본적인 발생 메커니즘을 밝히려는 내용들을 다루었다. 그 예로 Bowen(1969), Bowen and Inman(1969), Dalrymple and Lozano(1978) 등을 들 수 있다. 국내에서는 1990년대에 처음 연구가 진행되었으며 연구 초기에는 해안침식원인 분석을 위해 연안류와 이안류에 대한 연구가 진행되었다.
참고문헌 (21)
김인철, 이주용, 이정렬(2011) 해운대 해수욕장의 이안류 발생기구 및 수치모의. 한국해안.해양공학회논문집, 한국해안.해양공학회, 제23권 제1호, pp. 70-78.
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