[논문]웨이블릿방법을 이용한 조위편차 성분 분리 및 단주기 특성 분석

강주환; 김양선; 조홍연

doi:10.9765/kscoe.2013.25.3.165

웨이블릿방법을 이용한 조위편차 성분 분리 및 단주기 특성 분석
Decomposition of Tidal Residual Data Using a Wavelet Method and Characteristic Analysis of Their Short-period Components 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.25 no.3, 2013년, pp.165 - 171

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

초록
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조차가 큰 해역에서 조위편차 역시 크게 나타나고 있음은 조위편차 내에 조석성분이 남아있음을 의미한다. 상관관계함수를 통한 분석을 시행한 결과에서도 서해안 해역에서 조석주기 부근의 자기상관계수가 크게 나타나고 있어 이러한 사실을 뒷받침하고 있다. 조위편차의 단주기성분에 해당하는 이러한 조석관련성분을 분석하기 위하여 웨이블릿분석을 시행하였다. 분석 결과에 의하면 조차가 클수록 조석주기성분이 크게 나타나고 있으며 단주기 성분에서 계절별 변화가 심하지 않다는 점과 목포의 경우 천해조성분인 6시간 주기성분이 유독 크게 나타나고 있다는 점에서 단주기 성분과 조석관련성분의 관련성을 연관지을 수 있다. 이와 함께 24시간 이내 단주기 성분의 조위편차는 조석예측오차 및 조석-해일 비선형성 등에 주로 기인하고 있는 것으로 파악되었다. 이러한 조석변조해일성분은 조석자체에 기인하므로 기상조 성분인 해일고와는 구분되어야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The fact that tidal residuals are detected greatly at the tide-dominated region implies that tide component has still remained in the tidal residual. Auto-correlation function analysis also show that the auto-correlation coefficients are conspicuous near tidal periods at the Western Coast. A wavelet method was used to analyze characteristics of the short period or tide-relevant residuals. Considering the results that tidal period is prominent at the tide-dominated region, that seasonal variation is trivial at the short periods, and that shallow tidal period is conspicuous at Mokpo, the short period can be considered to be correlated with tide modulated surge. The result also shows short period components stem mainly from tide-forecasting error and tide-surge interaction. Thus tide modulated surge must be distinguished from meteorological surge.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 조위편차 내에 존재하는 조석관련 성분에 대한 해석을 위해 웨이블릿(wavelet)분석을 시행한다. 이를 통해 조위 편차 성분 중에 기상조와 무관한 조석관련 성분의 존재여부 및 조위편차의 단주기 성분 특성을 규명하고자 한다.

가설 설정

목포검조소의 2002년 조위 예측치가 완벽하게 관측치와 일치했다고 가정하면 조위편차 및 그에 따른 웨이블릿 RMS는 전혀 나타나지 않을 것이다. 이때 나머지 모든 분조는 동일한 상태에서 M2분조의 위상만 1^o변화시킨 예측치를 발생시킨 후 2002년 관측된 조위와의 조위편차를 구하면 12.

제안 방법

4에 표기되어 있고 Fig. 7에 제시한 바와 같이 (a) 3시간과 6시간 주기성분이 극대화되는 11월 4일전후, (b) 12시간 주기성분이 극대화되는 8월 20일전후, (c) 1일 주기성분이 극대화되는 3월 21일전후, (d) 2일 주기성분이 극대화되면서 태풍 RUSA(0215) 영향기간인 8월 31일 전후 등에 대하여 3시간, 6시간, 12시간, 1일, 2일, 4일, 8일 주기성분 각각을 30 cm 이격시켜 도시하였다. 먼저 Fig.
Fig. 4에 제시된 목포검조소 자료에 대한 웨이블릿 분리결과 중단주기 성분이 증폭되는 시기를 선정하여 주기별 성분에 대한 분석을 시행하였다. 선정된 시기는 Fig.
kr) 홈페이지에서 제공하는 33개 검조소 중 관측기간이 20년 이상이고 연안에 위치한 12개 검조소, 즉 인천(IC), 안흥(AH), 군산(GS), 목포(MP) 등 서해안 4개소, 완도(WD), 여수(YS), 통영(TY), 부산(BS) 등 남해안 4개소 및 울산(US), 포항(PH), 묵호(MH), 속초(SC) 등 동해안 4개소의 1시간 간격 조위 관측자료를 수집하였다. 관측된 조위자료로부터 천문조를 분리하기 위해 모든 검조소의 1시간 간격 조위자료를 1년 단위의 조화분석을 통해 해당연도의 조화상수를 추출한 후 이를 통해 해당연도의 천문조를 사후추정함으로써 조위편차를 산정하였다. 이들 조위편차 자료의 분석결과(강 등, 2011)에 의하면 조위편차의 표준편차가 조석이 크게 작용하는 서해안은 10 cm 이상인 반면 여타 해역은 6~9 cm 정도를 보이고 있으며, 30 cm 이상의 조위편차가 발생할 확률 역시 서해안 1~2%인 반면 남해안은 0.
먼저 목포 검조소 조위자료로부터 간단한 조화상수 통계치를 분석하였다. 즉, 목포항에서 조석환경이 현상태로 유지(Kang, 1999)되고 있는 1994년부터 2010년까지 17년간의 목포검조소 조위자료에 대하여 매년 독립적인 조화분석을 통해 추출된 M2분조 및 M4분조의 진폭과 위상에 대한 통계치를 Table 2에 제시하였다.
웨이블릿방법을 적용한 국내 해안공학 측면의 사례는 매우 희소하여 김·이(2008)가 동해 너울에 대한 분석을 시행한 것 정도이다. 본 연구에서는 2장에 제시된 12개 검조소의 1시간 간격 자료에 대하여 웨이블릿 분석을 시행하였다. 조 등(2011)의 조사결과를 참조하여 모든 검조소에서 결측치가 비교적 적은 2001년∼2005년의 5개년 조위편차 자료를 사용하여 11단계로 분해를 시행하였고, 분해된 detail 성분의 스펙트럼 밴드 구간과 중간 주기는 Table 1과 같다.
, 2010) 국내에서는 관련연구가 매우 드문 실정이다. 본 연구에서는 조위편차 내에 존재하는 조석관련 성분에 대한 해석을 위해 웨이블릿(wavelet)분석을 시행한다. 이를 통해 조위 편차 성분 중에 기상조와 무관한 조석관련 성분의 존재여부 및 조위편차의 단주기 성분 특성을 규명하고자 한다.
즉, 이 결과로부터 조석이 지배적인 해역에서는 천문조가 배제된 조위편차 자료 내에 조석성분이 남아있을 수 있음을 보이고 있다. 이러한 조석변조해일 성분의 특성을 파악함과 동시에 조석변조해일을 배제한 순수한 해일고 만을 산정하기 위하여 다음 장에 제시된 바와 같이 웨이블릿(wavelet) 분석을 시행하였다. 이를 통해 조위편차 성분을 주기별로 구분할 수 있게 되어 조석변조 해일 성분과 기상조 성분의 정량적 분리가 가능하게 된다.
단주기 성분에 있어 연중변화가 크지 않다는 점과 조차와의 상관성이 크다는 점 및 목포와 같이 천해조가 발달된 해역에서 6시간 주기의 RMS가 크게 나타나고 있는 점 등으로 보아 단주기 성분은 조석성분과 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 조위편차를 산정할 때 조화분석을 통해 산정된 각 분조에 의한 조석성분을 조위 관측치로부터 제거했음에도 불구하고 아직 조석성분이 남아 있는 양상의 원인을 고찰하기 위해 다음과 같은 수치실험을 실시하였다.
조차가 큰 서해안에서 조위편차가 크게 나타나는 원인을 규명하기 위하여 웨이블릿 분석을 통해 주기별로 조위편차를 분리하여 고찰하였다. 조위편차라 함은 천문조 성분을 제거하고 남은 성분임에도 상관관계함수 분석을 통해 조위편차에 천문조 성분이 어느 정도 남아 있음을 확인할 수 있었다.
먼저 목포 검조소 조위자료로부터 간단한 조화상수 통계치를 분석하였다. 즉, 목포항에서 조석환경이 현상태로 유지(Kang, 1999)되고 있는 1994년부터 2010년까지 17년간의 목포검조소 조위자료에 대하여 매년 독립적인 조화분석을 통해 추출된 M2분조 및 M4분조의 진폭과 위상에 대한 통계치를 Table 2에 제시하였다. 매년 기준조석과 같은 특정 조화상수 세트로 조석예측을 할 경우 M2분조에서 평균적으로 1.

대상 데이터

조위편차 특성분석을 위해 국내 연안에 가동중인 국립해양 조사원(www.khoa.go.kr) 홈페이지에서 제공하는 33개 검조소 중 관측기간이 20년 이상이고 연안에 위치한 12개 검조소, 즉 인천(IC), 안흥(AH), 군산(GS), 목포(MP) 등 서해안 4개소, 완도(WD), 여수(YS), 통영(TY), 부산(BS) 등 남해안 4개소 및 울산(US), 포항(PH), 묵호(MH), 속초(SC) 등 동해안 4개소의 1시간 간격 조위 관측자료를 수집하였다. 관측된 조위자료로부터 천문조를 분리하기 위해 모든 검조소의 1시간 간격 조위자료를 1년 단위의 조화분석을 통해 해당연도의 조화상수를 추출한 후 이를 통해 해당연도의 천문조를 사후추정함으로써 조위편차를 산정하였다.

데이터처리

조위편차 내에 조석관련성분이 남아있음을 입증하기 위한 추가적인 방법으로 조위편차 자료 시계열에 대하여 상관관계함수(auto-correlation function, ACF) 분석을 실시하였다. ACF 방법은 시계열자료의 어떤 지체시간에서 자기상관계수가 크게 추정되는지를 파악하여 개략적으로 어떤 주기성분이 우세한지를 파악할 수 있는 방법이다(Box et al.

이론/모형

한편 웨이블릿 함수에는 Daubechies, Biorthogonal, Coiflet, Symlets, Morlet 등 다양한 종류의 함수들이 있다. 각각의 함수들 마다 특성이 있으나 분석에 있어서 큰 차이를 보이지 않기 때문에 본 분석에서는 보다 부드러운 곡선으로 나타나는 Coiflet 함수를 이용하였다.

성능/효과

, 2008). MATLAB을 이용하여 2001년~2005년의 5개년 조위편차 자료에 대한 ACF 분석을 시행한 결과 Fig. 2에서와 같이 서해안과 남해안의 검조소 자료에서 조석주기에 해당하는 12시간과 24시간 부근에서 자기상관계수가 높게 나타나고 있는 반면 조석의 영향이 미미한 동해안에서는 이러한 경향이 보이지 않음을 확인할 수 있다. 또한 천해조가 발달하여 국내에서 유일하게 낙조우세를 보이는 목포의 경우 6시간 주기의 자기상관계수까지 두드러지게 나타나고 있다.
조차가 큰 서해안에서 조위편차가 크게 나타나는 원인을 규명하기 위하여 웨이블릿 분석을 통해 주기별로 조위편차를 분리하여 고찰하였다. 조위편차라 함은 천문조 성분을 제거하고 남은 성분임에도 상관관계함수 분석을 통해 조위편차에 천문조 성분이 어느 정도 남아 있음을 확인할 수 있었다. 천문조성분이 포함된 조위편차인 조석잔차 성분은 계절별 변화가 심하지 않은 24시간 이내 단주기 성분의 주성분으로 파악된다.
천문조성분이 포함된 조위편차인 조석잔차 성분은 계절별 변화가 심하지 않은 24시간 이내 단주기 성분의 주성분으로 파악된다. 해당 성분이 주로 조석예측오차에 기인하고 있음을 조화상수 변화에 따른 웨이블릿 결과치로부터 유추하여 확인하였고 조석-해일 비선형성에 의해서도 단주기 성분이 커질 수 있음을 보였다. 따라서 이러한 조석변조해일은 조석자체에 기인하므로 기상조 성분인 해일고와는 구분되어야 한다.

후속연구

이와 같이 조위편차의 전체 시계열에서는 잘 드러나지 않는 사항이라도 웨이블릿 분해를 통하면 주기별 특성을 파악할 수 있게 된다. 따라서 본 연구에서는 분해된 조위편차 중조석변조해일이 해당되는 단주기 성분에 대한 분석을 주로 시행하였으며, 계절풍과 평균해수면 등과 관련된 중장주기 성분에 대한 분석은 후속 연구에서 다루어진다.
본 연구에서 시행한 웨이블릿 분석결과는 단주기 뿐 아니라 24시간 주기를 초과하여 8개월 주기까지 제시할 수 있는데 단주기 성분의 추가적인 특성을 포함하여 본 연구에서 다루지 못한 중·장주기 성분 특성분석은 후속연구에서 파악한다.

참고문헌 (14)

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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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