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NTIS 바로가기한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.24 no.3, 2012년, pp.166 - 178
서승원 (군산대학교 해양건설공학과) , 김현정 (군산대학교 대학원 해양산업공학과)
In order to simulate storm surge for the west coast, complex physics of asymmetrical typhoon wind vortex, tide and wave are simultaneously incorporated on a fine finite element mesh extended to the North Western Pacific sea. Asymmetrical vortex based on maximum wind radii for each quadrant by JTWC's...
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핵심어 | 질문 | 논문에서 추출한 답변 |
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우리나라에 주로 영향을 주는 태풍은 어디에서 발생하나? | 우리나라에 주로 영향을 주는 태풍은 북서태평양에서 발생하며 해마다 3.1개의 태풍(기상청 국가태풍센터, 2011)이 하계에 집중되어 발생한다. | |
우리나라에 주로 영향을 주는 태풍이 7, 8월에는 서해로 북상하는 경로가 다수 있는 반면, 9월부터는 이동경로가 남해안쪽으로 전향하는 이유는? | 7, 8월에는 서해로 북상하는 경로가 다수 있는 반면, 9월부터는 이동경로가 남해안쪽으로 전향하는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 이유는 태풍이 발생하여 북상하면서 해수온도 변화가 이동경로에 영향을 주기 때문으로 판단된다. 그러나 시기에 관계없이 우리나라 서남단으로 내습하는 태풍의 주된 풍향을 분석한 Fig. | |
조석모의를 수행한 기본적인 이유는? | 조석모의를 수행한 기본적인 이유는 모형의 검증을 위한 목적과 함께 실시간 예보목적 경우 태풍이 없는 평상시에 조석모의가 진행되다가 특이 기상인 태풍이 북서태평양에 발생하게 되면 이때부터 공간적 시간적으로 변화되는 기압장을 고려한 해일모의를 신속하게 진행하기 위함이다. 따라서 조석모의시 통상적으로 취하는 cold start에 따른 수치적 불안정을 제거하고 현실적인 조석을 재현하기 위해 태풍이 예견되는 15일 이상을 사전모의 하는 Hot start 방법을 적용하였다. |
국토해양부 국립해양조사원 (2011). 해안침수예상도 제작 및 보급 결과보고서.
이와 같은 조석모의의 개선사항에 대한 결과는 후술하는 태풍모의 결과에서 그 차이점을 살펴볼 수 있는데, 2011년도에 수행한 국토해양부 한국해양과학기술진흥원(2011) 과제 수행결과에 비해 금번 연구에서 적용한 방법이 수월한 것으로 나타났다
국토해양부 한국해양과학기술진흥원 (2011). 항만권역 태풍 및 지진해일 재해대응체계 구축.
전반적으로는 태풍 Prapiroon을 모의한 결과보다 Kompasu 결과가 실제 자료와 거의 근사하게 재현되고 있는데, 그 이유는 금번 연구에서는 선행과제(국토해양부, 2011)에서 충분히 고려하지 못하였던, 여름철 열팽창에 의한 해면상승 효과 및 충분하지 않았던 hot start 모의시간의 연장으로 개선된 결과가 나타난 것으로 판단 된다.
국토해양부 한국해양연구원 (2010). 해일피해 예측 정밀 격자 수치모델 구축 및 설계해면 추산 연구보고서.
태풍해일 모사에 관한 국내 연구 중 몇 몇(전 등, 2001; 이 등, 2007; 국토해양부 한국해양연구원, 2010)은 태풍의 중심위치, 중심기압, 최대풍속 반경 등을 주요변수 인식하고 이들의 산정방법에 대한 방안을 제시하거나 해일모의에 이용한 바 있다(이 등, 1990; 문·오, 2003).
기상청 국가태풍센터 (2011). 태풍백서.
우리나라에 주로 영향을 주는 태풍은 북서태평양에서 발생하며 해마다 3.1개의 태풍(기상청 국가태풍센터, 2011)이 하계에 집중되어 발생한다.
김도삼, 김지민, 이광호, 이성대 (2007). 연안역에서 고파랑과 폭풍해일을 고려한 침수해석. 한국해양공학회지, 21(2), 35-41.
그러나 태풍 해일모의와 범람모의를 시도한 국내의 여러 연구 (김 등 2007; 문 등, 2007; 박 등, 2010; 천 등, 2008; 정·김, 2011)들 대부분은 태풍구조를 단순한 대칭의 동심원으로 가정한 Holland(1980)의 식에 따른 대칭형 와(symmetric vortex)로 간주하지만, 실제의 태풍은 이와 다른 바람장 속성을 가진다.
파랑에 의한 응력이 바람장이 직접 해면에 전단응력으로 영향을 주는 것에 비해 크지는 않지만, 서로 다른 격자상의 계산결과를 보간하는 방법(최·엄, 2000; 문·오, 2003; 김 등, 2007; 천 등, 2009)은 동일 상세격자망을 이용한 결과에 비해 많은 차이가 발생할 개연성이 있다.
문승록, 박선중, 강주환, 윤종태 (2006). MIKE 21 모형을 이용한 목포해역 해일/범람모의. 한국해안.해양공회지, 18(4), 348-359.
문승록, 강태순, 남수용, 황준 (2007). 폭풍해일에 의한 해안침수예상도 작성 시나리오 연구. 한국해안.해양공학회지, 19(5), 492-501.
문 등(2007)은 MIKE 21의 CYWIND를 이용하여 태풍 진행시간에 따라 모든 격자점에서 압력 및 풍속장을 계산하고 계산된 압력 및 풍속장을 수동역학 모듈에 적용하여 태풍에 의한 해일고를 계산하여 목포항의 범람모의에 적용하였고, 문·오(2003)는 정확한 폭풍해일 예측을 위해서 결합 모형을 통해 해일고 산정을 시도 하였으며, 파랑모델인 WAVEWATCH-2와 해양순환모델 POM을 접합하여 파랑과 조석의 영향을 결합 모형을 통해 태풍의 간접적인 영향에 의한 해일의 변동까지도 재현할 수 있음을 제시한 바 있다.
문일주, 오임상 (2003). 파랑-해양순환 접합모델을 이용한 폭풍 해일에 대한 파랑과 조석의 영향 연구. 한국기상학회지, 39(5), 563-574.
태풍해일 모사에 관한 국내 연구 중 몇 몇(전 등, 2001; 이 등, 2007; 국토해양부 한국해양연구원, 2010)은 태풍의 중심위치, 중심기압, 최대풍속 반경 등을 주요변수 인식하고 이들의 산정방법에 대한 방안을 제시하거나 해일모의에 이용한 바 있다(이 등, 1990; 문·오, 2003).
파랑에 의한 응력이 바람장이 직접 해면에 전단응력으로 영향을 주는 것에 비해 크지는 않지만, 서로 다른 격자상의 계산결과를 보간하는 방법(최·엄, 2000; 문·오, 2003; 김 등, 2007; 천 등, 2009)은 동일 상세격자망을 이용한 결과에 비해 많은 차이가 발생할 개연성이 있다.
태풍에 의해 발생된 해일을 예측하기 위해서는 해파가 완전히 발달한 것을 가정하는 선형적인 해표면 계산식보다 파랑모델을 이용하여 응력계수를 직접 계산하는 것이 필요하다(문·오, 2003).
문 등(2007)은 MIKE 21의 CYWIND를 이용하여 태풍 진행시간에 따라 모든 격자점에서 압력 및 풍속장을 계산하고 계산된 압력 및 풍속장을 수동역학 모듈에 적용하여 태풍에 의한 해일고를 계산하여 목포항의 범람모의에 적용하였고, 문·오(2003)는 정확한 폭풍해일 예측을 위해서 결합 모형을 통해 해일고 산정을 시도 하였으며, 파랑모델인 WAVEWATCH-2와 해양순환모델 POM을 접합하여 파랑과 조석의 영향을 결합 모형을 통해 태풍의 간접적인 영향에 의한 해일의 변동까지도 재현할 수 있음을 제시한 바 있다.
박선중, 강주환, 윤종태, 정태성 (2010). 조석해일 결합모형의 범람 적용성. 한국해양환경공학회지, 13(4), 270-278.
박종길, 김병수, 정우식, 김은별, 이대근 (2006). 한반도에 영향을 주는 태풍의 통계적 특성 변화. 한국기상학회지, 16(1), 1-17.
지난 50년간의 태풍의 진로변화 경향과 최근의 피해상황을 함께 고려하여 한반도에 영향을 주는 태풍의 발생 특성을 분석한 연구(박 등, 2006)에 따르면 북서태평양에서 발생하는 태풍의 수는 감소하는 경향을 보이지만 한반도에 영향을 주는 태풍은 오히려 증가하고 있는 것으로 분석된다.
서승원, 이화영 (2007). 병렬 클러스터 시스템 구축 및 유한요 소모형을 이용한 황해 조석재현. 한국해안.해양공학회지, 19(1), 1-15.
서승원, 김현정 (2011). 황해 및 북서태평양 확장해역 정밀조석 모의. 한국해안.해양공학회논문집, 23(3), 205-214.
서해연안의 정밀 조석모의 연구가 본 연구진의 선행연구(서·이 2007)에 의해 시도된 이후, 후속 연구(서·김, 2011) 에서는 성능이 향상된 인텔 서버급 쿼드코어 cpu 8개를 사용한 32core를 갖는 병렬클러스터를 구축하여 황해를 포함한 확장해역에서의 조석 산정에 만족스러운 결과를 나타낸 바 있다.
조석모의의 신뢰성을 높이기 위해 북서태평양을 포함한 광역 개방경계조건은 FES2004(Lyard et al., 2006)로부터 추출한 주요 8분조(M2, S2, K1, O1, N2, P1, K2, Q1)의 진폭과 위상각을 입력하였다(서·김, 2011).
북서태평양 확장영역 조석모의에 대한 조석 산정 결과는 선행연구(서·김, 2011) 결과와 대체로 동일하다.
서승원, 이화영 (2012). 유한요소모형을 이용한 직립안벽에서의 폭풍해일 범람모의. 한국해안.해양공학회논문집(투고중).
이 연구 결과의 일부는 이어지는 연구(서·이, 2012)인 서해연안의 항만권역에 인공적으로 축조된 직립안벽에 대한 범람 모의의 기본적인 외력 구동모형으로 이용된다.
본 연구에서는 이러한 사항을 고려하도록 하였으며, 선행된 연구(서·김, 2011)에서 구축한 상세유한요소 격자체계인 NWPG57K 격자체계를 토대로 하였다.
이러한 비대칭 바람장의 특징은 이어지는 연구(서·이, 2012)인 태풍으로 인한 범람모의시 폭풍 해일고에 대한 신뢰성을 부여할 수 있을 것으로 기대된다.
원성희, 권혁조, 이우정, 정관영, 강기룡, 김백조 (2008). 태풍정보로부터 큰바람 (34 kt) 및 싹쓸바람 (64 kt) 반경 산출 알고리즘. 한국기상학회지, 18(1), 15-23.
RSMC 자료를 JTWC 자료와 동질화 시키기 위해 Best track 풍속으로부터 34 kt 와 64 kt 바람정보를 산출하는 알고리즘을 제시하는 연구(원 등, 2008)도 있다.
이종섭, 주귀홍, 장선덕 (1990). 부산연안 폭풍해일의 변동양상과 수치예측. 한국해안.해양공회지, 2(2), 104-111.
태풍해일 모사에 관한 국내 연구 중 몇 몇(전 등, 2001; 이 등, 2007; 국토해양부 한국해양연구원, 2010)은 태풍의 중심위치, 중심기압, 최대풍속 반경 등을 주요변수 인식하고 이들의 산정방법에 대한 방안을 제시하거나 해일모의에 이용한 바 있다(이 등, 1990; 문·오, 2003).
전기천, 강시환, 이동영, 박광순 (2001). 폭풍해일 예측을 위한 태풍 해면기압 및 해상풍 추정. 한국기상학회지, 11(3), 532-535.
태풍해일 모사에 관한 국내 연구 중 몇 몇(전 등, 2001; 이 등, 2007; 국토해양부 한국해양연구원, 2010)은 태풍의 중심위치, 중심기압, 최대풍속 반경 등을 주요변수 인식하고 이들의 산정방법에 대한 방안을 제시하거나 해일모의에 이용한 바 있다(이 등, 1990; 문·오, 2003).
선행된 국내 연구 중, 전 등(2001)은 태풍의 형태를 재현하기 위해서 태풍 파라메타 모델과 PVM모델로 태풍의 중심을 원점으로 이동식 격자시스템을 적용하고, 태풍의 중심 부근에서는 2 km 간격으로 조밀하게 격자를 설정하고 중심에서 멀어질수록 2배씩 격자간격이 커지도록 한 둥지형 격자(Nested grid) 시스템을 이용하여 태풍을 정밀 재현하는 방법을 제시하였다.
정우찬, 김경환 (2011). 2차원 수치모형을 이용한 해안도시지역 내 범람모의에 관한 연구. 한국수자원학회지, 44(8), 601-617.
천재영, 이광호, 김지민, 김도삼 (2008). 태풍 매미(0314호)에 의한 마산만 주변연안역에서의 범람해석. 한국해양공학회지, 22(3), 8-17.
천재호, 안경모, 윤종태 (2009). 천해에 적용 가능한 태풍 해일-조석-파랑 수치모델 개발,2 : 태풍 매미에 의한 해일-조석-파랑 모델의 정확성 검토. 한국해안.해양공학회논문집, 21(1), 79-90.
최병호, 엄현민 (2000). 약결합된 해파-조석-해일 모형에 의한 한반도 주변해면의 최극해파 추정. 한국해안.해양공학회논문집, 11, 37-46.
파랑에 의한 응력이 바람장이 직접 해면에 전단응력으로 영향을 주는 것에 비해 크지는 않지만, 서로 다른 격자상의 계산결과를 보간하는 방법(최·엄, 2000; 문·오, 2003; 김 등, 2007; 천 등, 2009)은 동일 상세격자망을 이용한 결과에 비해 많은 차이가 발생할 개연성이 있다.
한국해양연구원 (1996). 한반도 주변 조석 조화상수 자료집.
우리나라 연안 96 개의 관측소 검조자료(한국해양연구원, 1996)와 국제수로기구(IHO)의 153 개 관측소의 관측치와 모델치를 비교한 결과는 광범위한 해역에서 진폭의 RMS오차가 0.138 m, 위상의 RMS오차는 20.53 deg로 조석 수동역학을 잘 재현하고 있는 것으로 해석된다.
Chippada, S., Dawson, C.N. and Wheeler, M.F. (1996). Parallel computing for finite element models on surface water flows. Computational Methods in Water Resources XI, Computational Mechnics Publications, Southampton, U.K. : 63-70.
수치모의에 사용한 모형은 ADCIRC(Luettich et al., 1992)모형에 병렬화가 추가된 pADCIRC(Chippada et al., 1996) ver. 49.21이다. 폭풍해일 모의를 위해 NWP-G57K를 METIS ver 4.0.1을 사용하여 당 연구실에서 구축한 병렬클러스터 64개 프로세서에 적합하도록 분할하였으며, 각 프로세서당 900여 개의 절점과 1600여개의 요소를 포함하도록 하였다.
Dietrich, J.C. (2010). Development and application of coupled hurricane wave and surge models for Southern Louisiana. Ph.D. dissertation, University of Notre Dame, Indiana, USA.
이 두 모형이 동적으로 결합되는 과정은 바람장이 고려된 유동모형인 pADCIRC 모형에서 계산된 조위, 유속이 unSWAN 모형으로 전달되면 radiation stress를 계산하여 pADCIRC 모형으로 전달하고 이 과정이 반복되면서 상호 모형의 정보가 교환되면서 계산되는 방법이다(Dietrich, 2010; Dietrich et al., 2011).
Dietrich, J.C., Zijlema, M., Westerink, J.J., Holthuijsen, L.H., Dawson, C., Luettich Jr., R.A., Jensen, R.E., Smith, J.M., Stelling, G.S. and Stone, G.W. (2011). Modeling hurricane waves and storm surge using integrally-coupled, scalable computations. Coastal Engineering, 58, 45-65.
Holland, G.J. (1980). An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes. Monthly Weather Review, 108, 1212-1218.
Lyard, F., Lefevre. F., Letellier, T. and Francis, O. (2006). Modelling the global ocean tides: a modern insight from FES2004. Ocean Dynamics, 56, 394-415.
Luettich, R.A., Jr., Westerink, J.J. and Scheffner, N.W. (1992). ADCIRC : an advanced three-dimensional circulation model for shelves coasts and esturies. report 1 : Theory and methology of ADCIRC-2DDI and ADCIRC-3DL, Dredging Research Program Technical Report DRP-92-6, U.S. Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS.
수치모의에 사용한 모형은 ADCIRC(Luettich et al., 1992)모형에 병렬화가 추가된 pADCIRC(Chippada et al., 1996) ver. 49.21이다. 폭풍해일 모의를 위해 NWP-G57K를 METIS ver 4.0.1을 사용하여 당 연구실에서 구축한 병렬클러스터 64개 프로세서에 적합하도록 분할하였으며, 각 프로세서당 900여 개의 절점과 1600여개의 요소를 포함하도록 하였다.
Mattocks, C. and Forbes, C. (2008). A real-time, event-triggered storm surge forecasting system for the state of North Carolina. Ocean Modeling, 25, 95-119.
여기서 A, B는 태풍규모를 표현하는 파라메타로, B는 식(4)와 같이 표현되는 태풍꼴의 경사정도를 중심으로부터 외향 방향으로 나타내는데 1~2.5 사이의 값 범위에 있는 태풍 형상변수이다(Mattocks and Forbes, 2008).
바람장을 비대칭으로 고려하면 폭풍해일의 범람 양상이 달라지게 되는데, Mattocks and Forbes(2008)는 2006년에 미국 North Carolina 연안에 피해를 입힌 Hurricane Ophelia에 대해 이와 같은 비대칭의 변형된 식을 적용하여 기존 대칭 와동으로 고려한 바람장 결과보다 실측자료에 근접한 우수한 결과를 제시하고 있다.
Xie, L., Bao, S., Pietrafesa, L.J., Foley, K. and Fuentes, M. (2006). A real-time hurricane surface wind forecasting model: formulation and verification. Monthly Weather Review, 134(5), 1355-1370.
Xie et al.(2006)는 기존 Holland 식의 대칭형 가정 제한점을 개선하기 위한 시도를 하였는데, 태풍 중심으로부터 외향 방향의 거리에 따라 지수함수적으로 감소되는 비대칭 경도풍분포식을 제안하였다.
Xie et al.(2006)은 이와 같은 불합리성을 개선하기 위해 태풍중심으로부터 외향방향의 거리에 따라 지수함수적으로 감소되는 Holland(1980) 식을 수정하여 최대풍속이 태풍 방위각에 따라 달라지는 식(1)과 같은 비대칭 경도풍 분포식을 제안하였다.
Xie et al.(2006)은 최대풍속을 방위각의 함수인 다항식으로 수정하였는데, 실제로는 미국 국립허리케인센터(NHC)의 예보에 적합하게 4분면의 최대풍속 값이 계산에 이용된다.
Holland(1980)의 대칭형 경도풍 계산식과 달리 Xie et al.(2006)이 제안한 비대칭 경도풍 산정식에서는 태풍의 방위각에 따른 태풍의 최대풍속 반경 Rmax가 고려되어 비대칭형으로 바람장을 표현한다.
태풍은 해수 유동모형의 기본방정식인 운동량 방정식의 해면응력 계산에 지대한 영향을 미치는데, 본 연구에서는 기존 Holland의 대칭형 와동으로 모사된 비현실성을 극복하고자 Xie et al.(2006)이 제안한 비대칭형와가 고려되었다.
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