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너울성파랑 정의를 위한 파랑스펙트럼의 형상모수 특성 분석
Analysis of the Wave Spectral Shape Parameters for the Definition of Swell Waves 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.25 no.6, 2013년, pp.394 - 404  

안경모 (한동대학교 공간환경시스템 공학부) ,  천후섭 ((주)지오시스템리서치 연안관리부) ,  정원무 (한국해양과학기술원 연안개발.에너지 연구부) ,  박등대 ((주)지오시스템리서치 연안관리부) ,  강태순 ((주)지오시스템리서치 연안관리부) ,  홍성진 (국립재난안전연구원 방재연구실)

초록
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본 연구에서는 너울성파랑을 정의하기 위한 첫 단계로 확률모의실험을 통해 파랑스펙트럼 첨두모수 $Q_p$, 주파수폭대역 모수 ${\varepsilon}$, 파랑스펙트럼 폭 모수 ${\nu}$의 특성들을 분석하였다. 이를 위해 유의파고 및 첨두주기의 결합확률 밀도함수를 새롭게 유도한 후, MCMC(Markov Chain Monte Carlo)기법을 이 함수에 적용하여 가상의 유의파고 및 첨두주기를 생성하였다. 그리고, 이 때 생성된 파랑자료들을 파랑스펙트럼모형에 적용하여 각각에 대한 파랑스펙트럼 형상모수들을 산정한 다음, 각각의 파랑자료들과 파랑스펙트럼 형상모수들의 상관관계 계수를 산정하는 방법으로 각 파랑스펙트럼 형상모수의 특성들을 조사하였다. 본 연구의 결과에 의하면, 파랑스펙트럼 형상모수 중 파랑스펙트럼 첨두모수가 유의파고 및 첨두주기에 관계없이 파랑스펙트럼의 뾰족한 정도를 잘 나타내고 있었는데, 이러한 특성은 후포 및 울릉도 파랑관측자료에서도 동일하게 나타나고 있는 것으로 확인되었다. 너울성파랑 정의를 위한 대표적인 파랑스펙트럼 형상모수로 파랑스펙트럼 첨두모수를 사용하는 것이 가장 적절한 것으로 보인다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the present study, the characteristics of spectral peakedness parameter $Q_p$, bandwidth parameter ${\varepsilon}$, and spectral width parameter ${\nu}$ were analyzed as a first step to define the swell waves quantitatively. For the analysis, the joint probability...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • , 파랑스펙트럼 주파수 폭대역 모수(bandwidth parameter) ε, 파랑스펙트럼 폭 모수(spectral width parameter) ν와 같은 모수들을 도입하여 파랑스펙트럼의 형상을 정량화한 바 있다. 본 연구에서는 이들 파랑스펙트럼 모수 들 중에 너울성 파랑을 정의하기에 가장 적합한 모수가 무엇인지를 판단한 후, 선택된 파랑스펙트럼 모수와 첨두주기로 너울성파랑을 진단하는 방법을 제안하고자 한다.
  • 본 연구에서는 주기와 파랑스펙트럼 형상에 기반하여 너울성파랑을 정의하기 위한 기초단계로, 확률모의실험 및 현장 관측을 통해 취득한 파랑자료에 대해서 기존에 제시되어 있는 파랑스펙트럼 형상모수들의 특성을 조사하였다.
  • 본 연구에서는 파랑스펙트럼 형상모수 특성에 관해 보다 일반적인 결론을 얻기 위해 실제 파랑관측 자료에 대해서도 파랑스펙트럼 형상모수를 산정하고, 이들과 유의파고 및 첨두주기의 상관관계를 파악하였다. 이를 위해 본 연구에서는 초음파식 파고계인 AWAC를 이용하여 후포항 및 울릉도에서 측정된 파랑자료를 분석하였다.
  • 본 연구에서는 파랑스펙트럼 형상모수 특성에 관해 보다 일반적인 결론을 얻기 위해 실제 파랑관측 자료에 대해서도 파랑스펙트럼 형상모수를 산정하고, 이들과 유의파고 및 첨두주기의 상관관계를 파악하였다. 이를 위해 본 연구에서는 초음파식 파고계인 AWAC를 이용하여 후포항 및 울릉도에서 측정된 파랑자료를 분석하였다. 본 파랑관측 장비는 초음파로 수위를 측정하여 파랑관측을 수행하기 때문에 해저면에 설치하더라도 고주파수 영역의 파랑 에너지도 관측 가능하다는 장점이 있다.
  • 파랑스펙트럼의 형상은 비선형 파랑작용, 바람에 의한 파랑에너지 생성등과 같이 다양한 파랑변형 현상의 영향을 받기 때문에 해석적인 방법으로 이의 특성들을 조사하는 것에는 다소 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 귀납적인 방법인 확률모의실험을 통해 파랑스펙트럼의 형상 모수의 특성을 분석하였다. 본 연구의 확률모의 실험에서는 유의파고와 첨두주기의 결합 확률밀도함수를 산정한 후, MCMC기법을 적용하여 가상의 파랑자료들을 생성하여 분석하였다.
  • 그리고 너울성파랑은 비교적 유의파고 및 첨두주기가 클 뿐만 아니라, 뾰족한 형태의 파랑스펙트럼 및 완만한 파형경사로 인해 이에 의한 연안재해 강도가 더욱 크게 나타나는 특성이 있다. 이에 본 연구에서는 파랑스펙트럼 형상모수의 독립성 관점에서 파랑스펙트럼 형상모수들의 특징들을 조사하였다.
  • 이와 같은 확률모의실험을 실시하기 위해서는 유의파고 및 첨두주기에 대한 확률밀도함수를 먼저 구할 필요가 있는데, 본 연구에서는 실제 현상에 보다 가까운 파랑자료를 생성하기 위해 유의파고 및 첨두주기의 결합 확률밀도함수를 구한 다음, 이를 바탕으로 확률모의실험을 실시하였다. 본 연구의 확률모의실험을 위한 결합 확률밀도함수는 경북 울진군에 위치한 후포항에서 관측된 파랑자료를 분석하여 산정되었는데, 본 연구의
  • 본 연구에서는 보다 일반적인 적용을 위해, Log-normal함수의 일반형인 Box-Cox변환을 첨두주기에 대해 실시하여 첨두주기에 대한 확률밀도분포를 구하였다. 후포항 파랑관측자료의 첨두주기에 대한 확률밀도분포는 본 논문의 부록에 제시하였다. 첨두주기와 마찬가지로 유의파고에 대한 첨두주기의 조건부확률밀도 함수 역시 Box-Cox변환된 첨두주기로 나타내었는데, 이를 식 (14), (15)와 함께 적용한 결과를 식 (16)에 나타내었다.

가설 설정

  • Step 1. 유의파고 및 첨두주기의 초기값 (Hs,0, Tp,0)을 가정 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
파랑스펙트럼으로 너울성파랑을 정의할 때의 문제점은? 02 이하인 파를 너울성파랑으로 정의하였다. 이처럼 주기와 파형경사를 이용해 너울성파랑을 많이 정의하는데, 파형경사 값은 파고와 파장의 비로 이루어져 있어, 파장이 크더라도 파고도 클 경우, 이를 너울성파랑으로 판단하기 힘든 경우가 있다. 예를 들면 우리나라 속초 지역은 하계의 파형경사가 가장 낮은 것으로 나타나고 있다.
너울성파랑이란? 너울성파랑은 파랑생성해역(wave generating area)에서 벗어나 연안역으로 전달되는 파랑을 말하는 것으로, 파의 주기가 비교적 길며, 파형경사는 완만한 반면에 파랑스펙트럼의 형상은 뾰족한 것으로 알려져 있다(Goda, 2000; Sorensen, 1993). 너울성파랑의 파고는 태풍파랑의 파고보다는 작은 편이지만, 현지 기상상태에 관계없이 발생하기 때문에 이에 의한 해난사고를 예측하기 힘든 특성이 있다.
너울성파랑의 파고의 특징은? 너울성파랑은 파랑생성해역(wave generating area)에서 벗어나 연안역으로 전달되는 파랑을 말하는 것으로, 파의 주기가 비교적 길며, 파형경사는 완만한 반면에 파랑스펙트럼의 형상은 뾰족한 것으로 알려져 있다(Goda, 2000; Sorensen, 1993). 너울성파랑의 파고는 태풍파랑의 파고보다는 작은 편이지만, 현지 기상상태에 관계없이 발생하기 때문에 이에 의한 해난사고를 예측하기 힘든 특성이 있다. 이에 대한 예로 2012년 7월에 발생한 해난사고를 들 수 있는데, 당시 하계임에도 불구하고, 태풍 카눈의 소멸에 따른 저기압골로 인해 동해지역에 너울성파랑이 발생해 낙산해수욕장에서만 7명이 조난당한 바 있다.
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참고문헌 (16)

  1. Cartwright, D.E. and Longuet-Higgins, M.S. (1956). The statistical distribution of the maxima of a random function. Proc. Royal Soc. London, Ser. A. 237, 212-232. 

  2. Chib, S. (2004). Markov Chain Monte Carlo technology, In Handbook of Computational Statistics, eds by J.E. Gentle, W. Haerdle, and Y. Mori, Springer-Verlag. 

  3. Chun, J., Ahn, K., and Yoon, J.-T. (2007). Wave simulation on Youngil bay by WAM extended to shallow water, Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 19(6), 511-520.(in Korean) 

  4. Goda, Y. (1970). Numerical experiments on wave statistics with spectral simulation. Report Port Harbour Res. Inst. 9(3), 3-57. 

  5. Goda, Y. (2000). Random seas and design of maritime structures. World Scientific Pub. Co. Ltd. 

  6. Handong Global University Institute of Construction and Envrionmental Research (2000). A study on the causes of beach erosion of Songdo beach and the establishment of countermeasure against it, Pohang. (한동대학교 건설환경연구소 (2000). 송도백사장 유실 원인규명 및 대책수립 연구, 포항시.) 

  7. Longuet-Higgins, M.S. (1983). On the joint distribution of wave periods and amplitudes in a random wave fields. Proc. Royal Soc. Londong, Ser. A. 398, 241-258. 

  8. Marthiesen, J. and Bitner-Gregeresen, E. (1990). Joint distribution for significant wave height and zero-crossing period. Applied Ocean Research 12(2), 93-103. 

  9. Ochi, M.K., Passailiao, E.L., and Malakar, S.B. (1996). Joint probability distribution of significant wave height and averaged period. University of Florida, Report UFL/COEL/TR-110. 

  10. Ochi, M.K. (1998). Ocean waves : the stochastic approach, Cambridge University Press. 

  11. Oh, S.-H., Jeong, W.-M., Lee, D.Y., and Kim, S.I. (2010). Analysis of th reason for occurrence of large-height swell-like waves in the east coast of Korea. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 22(2), 101-111.(in Korean) 

  12. Rye, H. (1977). The stability of some currently used wave parameters, Coastal Engineering 1, 17-30. 

  13. Sorensen, R.M. (1993). Basic wave mechanics: for coastal and ocean engineers, Wiley-Intersciences. 

  14. Utsunomiya, Y., Okada, H., Eguchi, I., Takayama, T., and Nihei, F. (2009). A study on the prediction and monitoring system of swell waves, Coastal Research Center, No.9, 81-84. (宇都宮好博, 岡田弘三, 江口一平, 高山知司, 二章, (2009). (うねり性波浪) 豫測.監視システムの討, 沿岸技術究センタ論文集 No.9, 81-84.) 

  15. Yoon, J.-T., Park, S.M., Ahn, K., and Chun, J. (2012). Probability density function of the residual tide level using Box-Cox transformation, 2012 conference of KAOSTS. (in Korean) 

  16. Wilson, B.W. (1965). Numerical prediction of ocean waves in the North Atlantic for December 1959, Dtsch. Hydrogr. Z. 18, 114-130. 

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