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문제 정의
- 본 연구에서는 부산항 신항의 항입구 외측 및 최근 건설된 거가대교의 교량-터널 접속부 구간이 위치한 대죽도 남측 해역에서 장기 연속 관측된 파랑자료를 분석하여 이 해역에 입사하는 파랑의 통계적 특성 및 월별, 연별 변동성을 분석하고, 두 관측점의 파랑 특성 상관관계를 고찰하였다. 본 연구를 통해서 얻어진 주요 결과를 부산항 신항(정점 ST1) 인근의 파랑 특성을 중심으로 간략히 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- Fig. 6에 보인 것처럼 파랑 장미도의 경우 파향을 조금 더 세밀하게 분석하기 위하여 총 32개(11.25°)의 계급 간격으로 구분하여 제시하였다.
- 11에는 월별 특성을 파악하기 위하여 여름철(7월)과 겨울철(12월)의 유의파고를 상호 비교한 결과를 제시하였으며, 선형 회귀 적합식도 함께 나타내었다. 단, ST1에서의 파향이 7월에는 대부분 S 계열인 반면, 12월에는 S 계열과 W 계열로 양분되는 점을 고려하여, 12월의 경우에는 파향별로 구분하여 두 관측점간 유의파고를 비교하였다. 회귀분석 결과를 보면 7월과 12월 모두 정점 ST2에 비해서 정점 ST1에서의 유의파고가 더 작게 평가되었지만, 그 비율은 계절에 따라 다소 차이를 나타내었다.
- 이러한 두 관측점 간 파랑 특성 차이를 보다 세밀하게 분석하기 위하여 정점 ST1 및 ST2에서 모두 관측이 수행된 자료들만 선별하여 평균파향, 유의파고, 유의파주기를 일대일로 비교하여 보았다. 두 관측점 사이의 공간적 거리가 멀지 않고, 파랑 자료가 1시간 단위로 취득된 점을 고려하여 동일한 시간대의 파랑 자료를 상호 비교하였다. 또한, 유의파고가 0.
- 8 및 9에 제시하였다. 유의파주기 분포의 계급 간격은 유의파고의 경우와 마찬가지로 13개의 계급 개수를 사용하였으며, 계급 간격은 유의파주기의 전반적인 크기 및 분포형태를 고려하여 1s 로 선정하였다. 따라서, 유의파주기의 계급은 T1/3= 0~12 s 사이에서 1 s 간격의 총 13점이 되었다.
- 유의파주기에 대해서도 2004년 이후 공통 자료들로부터 정점 ST1 및 ST2에서의 관측 결과를 비교하였다. Fig.
- 이 월별 분포는 Table 2 및 3에 보인 전체 유효 데이터 중에서 평균파향 자료만 선별한 후, 22.5°의 계급 간격(총 16개 방위)으로 분류하고 각 계급별 데이터의 개수를 전체 유효 데이터의 개수로 나누어 계산하였다.
- 5 km 정도 밖에 떨어져 있지 않지만, 두 관측점 사이의 지형적 차이로 인해서 평균파향, 유의 파고, 유의파주기의 월별 분포 특성에 차이점이 존재하였다. 이러한 두 관측점 간 파랑 특성 차이를 보다 세밀하게 분석하기 위하여 정점 ST1 및 ST2에서 모두 관측이 수행된 자료들만 선별하여 평균파향, 유의파고, 유의파주기를 일대일로 비교하여 보았다. 두 관측점 사이의 공간적 거리가 멀지 않고, 파랑 자료가 1시간 단위로 취득된 점을 고려하여 동일한 시간대의 파랑 자료를 상호 비교하였다.
- 부산항 신항 동방파제 전면 해상에 위치한 관측점(ST1)에서는 1999년 1월부터 2008년 12월까지 10년간, 최근 건설된 거가대교의 교량-터널 접속부 구간이 위치한 대죽도 전면 해상에 위치한 관측점(ST2)에서는 2004년 7월부터 2008년 12월까지 4년 6개월간 관측이 이루어졌다(한국해양연구원, 2009). 이렇게 수집된 관측자료로부터 각 지점별로 매 1시간마다 파향, 파고 및 주기를 비롯한 주요 파라메터들을 계산하였다. 다만, 이 기간 동안 기기 고장 및 오작동, 기기교체, 불량 데이터 취득 등으로 인해서 일부 시기에는 데이터 결측이 발생하였다.
- 정점 ST1과 ST2에서의 평균파향을 일대일로 비교하는 분석은 두 관측점에서 모두 관측이 이루어진 모든 월 및 연별로 이루어졌지만, 위에서 기술한 것처럼 연별 변동성이 거의 나타나지 않았기 때문에, 본 논문에서는 월별 변동성을 위주로 결과를 제시하였다. 먼저 월별 특성을 고찰하기 위하여 여름철(7월)과 겨울철(12월)에 두 관측점에서의 평균파향을 비교한 결과를 Fig.
- 평균파향의 분석 방법과 마찬가지로 유의파고에 대해서도 정점 ST1 및 ST2에서 공통적으로 관측이 수행된 자료들만을 이용하여 두 지점 간 상관관계를 분석하였다. Fig.
대상 데이터
- 관측된 파랑 자료로부터 취득 가능한 다양한 파랑 파라메터들 중에서 본 연구에서는 파랑 특성을 이해하는 데 가장 중요한 요소라고 할 수 있는 평균파향(θ), 유의파고(Hs), 유의파주기(T1/3)만을 분석 대상으로 하였다.
- 파고계가 설치된 위치의 좌표 및 수심을 Table 1에 나타내었다. 부산항 신항 동방파제 전면 해상에 위치한 관측점(ST1)에서는 1999년 1월부터 2008년 12월까지 10년간, 최근 건설된 거가대교의 교량-터널 접속부 구간이 위치한 대죽도 전면 해상에 위치한 관측점(ST2)에서는 2004년 7월부터 2008년 12월까지 4년 6개월간 관측이 이루어졌다(한국해양연구원, 2009). 이렇게 수집된 관측자료로부터 각 지점별로 매 1시간마다 파향, 파고 및 주기를 비롯한 주요 파라메터들을 계산하였다.
- 파 관측은 네덜란드 Datawell사에서 제작된 직경 90 cm의 부이식 파고계 (DWB: Directional Waverider Buoy)를 사용 하여 Fig. 1에 보인 2 지점(ST1 및 ST2)에서 이루어졌다. 파고계가 설치된 위치의 좌표 및 수심을 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 4 및 5에 제시하였다. 유의파고 확률빈도를 계산하기 위한 계급의 개수는 Sturges rule로 알려져 있는 다음 식을 사용하였다.
- 평균파향은 최우도법(Maximum likelihood method)에 의해 추정하였으며 (Panicker and Borgman, 1974; 오·심, 1990), 유의파고는 파 스펙트럼의 0차 모멘트를 이용하여 다음과 같이 계산하였다.
성능/효과
- (1) 부산항 신항 인근 해역에서는 평균파향의 계절적 변동성이 뚜렷이 나타난다. 여름철에는 부산항 신항 인근 해역에 S 계열 파랑이 우세하며, 이는 가덕도 남측 해상에서 우세한 SSE 계열 파랑이 가덕도를 돌아 회절 또는 굴절하여 부산항 신항 쪽으로 입사하게 되기 때문이다.
- (3) 부산항 신항에서 관측된 파랑의 유의파고는 대부분 1m 이내였으며, 유의파고는 계절적 특징을 보이지 않는다. 관측된 최대 유의파고는 2003년 9월 태풍 매미 내습 당시의 7.
- (4) 한편, 연별 변동성은 평균파향, 유의파고 및 유의파주 기의 경우에 모두 뚜렷한 경향이 나타나지 않았으며 각각 매년 거의 유사한 분포를 나타내었다.
- (5) 또한, 부산항 신항 및 대죽도 남측 해역에서 모두 관측이 수행된 자료들만 선별하여 일대일로 비교 분석을 수행한 결과로부터, 여름철에는 부산항 신항에 도달하는 파의 대부분이 약 4.5 km 남측에 위치한 대죽도 인근 해역에 입사한 파랑이 북쪽으로 전파해 온 것인 반면, 겨울철에는 두 정점에서 관측되는 파랑장의 상관관계가 상대적으로 낮음을 확인하였다.
- (6) 이러한 이유로 두 정점 간 유의파주기는 여름철에는 거의 동일하며, 겨울철에는 정점 ST1에서의 유의파주기가 정점 ST2에 비해서 약 13% 정도 작았다. 반면에, 유의파고의 경우에는 두 정점에서의 관측값 사이의 뚜렷한 계절적 경향성은 나타나지 않았으며, 평균적으로는 정점 ST1에서의 유의파고가 약 26% 작게 나타났다.
- 회귀분석 결과를 보면 7월과 12월 모두 정점 ST2에 비해서 정점 ST1에서의 유의파고가 더 작게 평가되었지만, 그 비율은 계절에 따라 다소 차이를 나타내었다. 7월에는 정점 ST2에 비해서 정점 ST1의 유의파고가 약 11% 감소한 반면, 12월에는 S 계열의 경우 약 27%가 작았고, W 계열의 경우 9%가 작아서 7월에 비해 큰 차이를 나타내었으며, 파향별로도 다른 특성을 나타내었다. 이러한 방법으로 7월과 12월 외에도 각 월별로 선형 회귀분석을 수행하여 그 결과를 Table 5에 제시하였다.
- (6) 이러한 이유로 두 정점 간 유의파주기는 여름철에는 거의 동일하며, 겨울철에는 정점 ST1에서의 유의파주기가 정점 ST2에 비해서 약 13% 정도 작았다. 반면에, 유의파고의 경우에는 두 정점에서의 관측값 사이의 뚜렷한 계절적 경향성은 나타나지 않았으며, 평균적으로는 정점 ST1에서의 유의파고가 약 26% 작게 나타났다.
- 25°)의 계급 간격으로 구분하여 제시하였다. 부산항 신항 동방파제 전면에 위치한 정점 ST1에서는 S계열 파랑이 지배적인 반면, 대죽도 전면에 위치한 정점 ST2에서는 SSE 계열 파랑의 출현율이 가장 높으며, 상대적으로 넓은 범위에 걸쳐서 주파향이 분포하는 특성을 보였다. 또한 정점 ST1에 비해 정점 ST2에서 상대적으로 큰 파의 출현율이 높게 나타나는 점도 확인할 수 있다.
- (2) 이러한 평균파향의 계절적 특징의 영향으로 유의파주 기도 뚜렷한 계절적 특징을 보인다. 유의파주기는 대체로 3~7초 범위에 분포하지만 S 계열 파랑이 우세한 여름철에는 첨두주기가 4~5초 정도로 상대적으로 길며, 취송거리가 짧은 W 계열 파랑 출현율이 높아지는 겨울철에는 첨두주기가 3초 내외 정도로 짧아서 뚜렷한 월별 변동성을 나타내었다. 유의파주기의 최대값은 2003년 6월에 관측된 15.
- 단, Table 2에는 파향별 구분 없이 각 월별 전체 자료를 사용하여 회귀 분석한 결과를 제시하였다. 한편, 이러한 분석을 각 연별로도 수행해 본 결과, 정점 ST2에 비해서 정점 ST1의 유의파고가 작은 경향은 매년 공통적으로 나타났지만 연별 변동성은 크지 않았다.
- 단, ST1에서의 파향이 7월에는 대부분 S 계열인 반면, 12월에는 S 계열과 W 계열로 양분되는 점을 고려하여, 12월의 경우에는 파향별로 구분하여 두 관측점간 유의파고를 비교하였다. 회귀분석 결과를 보면 7월과 12월 모두 정점 ST2에 비해서 정점 ST1에서의 유의파고가 더 작게 평가되었지만, 그 비율은 계절에 따라 다소 차이를 나타내었다. 7월에는 정점 ST2에 비해서 정점 ST1의 유의파고가 약 11% 감소한 반면, 12월에는 S 계열의 경우 약 27%가 작았고, W 계열의 경우 9%가 작아서 7월에 비해 큰 차이를 나타내었으며, 파향별로도 다른 특성을 나타내었다.
후속연구
- 이처럼 국내에서 장기 파랑관측 자료에 근거하여 특정 해역의 파 특성을 심도 있게 규명한 선행 연구가 매우 적으며, 특히 향후 우리나라 동남권 해상 물류 운송의 중심 역할을 수행하게 될 부산항 신항 근처의 파 특성을 체계적으로 분석한 연구 사례가 별로 없기 때문에 부산항 신항 인근 2개 지점에서 장기간 관측된 파랑 자료의 가치는 매우 높다고 평가된다. 이러한 맥락에서 본 논문에서는 2개 관측점에서 수집된 파랑 자료의 통계 특성 및 월별, 연별 변동성을 분석하고 주요 결과를 제시하였으며, 이는 본격적인 개장 및 화물 처리서비스 공급이 진행되고 있는 부산항 신항 인근 해역의 파 특성을 이해하는데 기본적인 정보로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 반면에, 정점 ST1에서는 7월을 제외한 나머지 달에는 거의 유사한 월별 유의파고 분포를 보임으로써 정점 ST2와 같은 명확한 계절적 차이가 나타나지 않았다. 정점 ST1에서 7월에만 유의파고의 분포가 다른 달의 분포 형태와 다르게 나타나는 것은 4.2절에 기술한 바와 같이 7월에는 정점 ST2의 유의파고에 대한 정점 ST1의 유의파고의 비율이 다른 달들에 비해서 상대적으로 크기 때문인 것으로 판단되며, 이러한 월별 특징이 나타나는 이유에 관해서는 더 면밀한 검토가 필요하다.
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