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문제 정의
- 또한, 남해안은 서해안 보다 조차가 작아 조류의 세기도 그 만큼 영향을 적게 받는다. 본 연구에서는, 남해안의 동부 끝단에 해당하는 해운대 해역을 대상으로 조석 운동의 영향과 함께 겨울철에 발생하는 파랑을 동시에 고려 하여 흐름의 구조를 살펴보았다.
- 본 연구에서는, 남해안의 동부 끝단에 해당하는 해운대 해역을 대상으로 조석운동의 영향과 함께 겨울철에 발생하는 파랑을 동시에 고려하여 흐름패턴의 구조를 살펴보고자 하였다. 2차원 파랑모델(SWAN)과 수심평균 2차원 해수유동 모델 (Delft3D)을 사용하여 수치모의를 수행하였으며, 여러 정점에서의 파랑 및 흐름 자료를 이용하여 수치모델과의 비교하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는, 남해안의 동부 끝단에 해당하는 해운대 해역을 대상으로 조석운동의 영향과 함께 겨울철에 발생하는 파랑을 동시에 고려하여 흐름패턴의 구조를 살펴보고자 하였다. 2차원 파랑모델(SWAN)과 수심평균 2차원 해수유동 모델 (Delft3D)을 사용하여 수치모의를 수행하였으며, 여러 정점에서의 파랑 및 흐름 자료를 이용하여 수치모델과의 비교하였다. 그리고 해운대 전면에 위치한 암반 지역의 마찰계수 (bottom roughness)를 조절하여 수치모의 결과의 신뢰도를 크게 향상시켰으며, 이를 통해 해운대 해역에서 발생하는 파랑 및 흐름에 대한 공간적인 변화 특성을 분석하였다.
- 협역에서 해수유동 모델링과 파랑변형 모델링의 정확도는 2015년 2월 중 현장 실험기간에 수집된 관측자료와 수치 계산 결과의 비교를 통하여 동시에 보정되었다. 관측자료와 비교하여 수치모의 예측결과의 오차를 줄이기 위해, 모델 구성 시 사용된 물리적 인자를 조정하여 두 모델을 보정하였다.
- 광역과 중역에 대해서는, 해수유동 모델로부터 조석운동에 의한 조위와 조류를 계산하였으며, 조위의 계산결과는 부산에서 가까이에 위치한 조위관측소들의 관측자료와 비교를 통하여 보정하였다. 여기서 사용된 조위관측소들은 4개 지점으로 부산, 울산, 거제도 및 일본 대마도 북단에 위치한 오카와티이다.
- 2차원 파랑모델(SWAN)과 수심평균 2차원 해수유동 모델 (Delft3D)을 사용하여 수치모의를 수행하였으며, 여러 정점에서의 파랑 및 흐름 자료를 이용하여 수치모델과의 비교하였다. 그리고 해운대 전면에 위치한 암반 지역의 마찰계수 (bottom roughness)를 조절하여 수치모의 결과의 신뢰도를 크게 향상시켰으며, 이를 통해 해운대 해역에서 발생하는 파랑 및 흐름에 대한 공간적인 변화 특성을 분석하였다.
- 반면, 파고가 낮을수록 쇄파대가 발달하지 않아 연안류의 발생은 미미하며 조석 운동에 의한 흐름만이 지배적으로 존재하게 된다. 본 연구에서도 천해에서 조류 이외에 흐름과 파랑 사이의 상호작용의 효과를 고려하도록 해수유동 모델과 파랑변형 모델을 결합하였고, 앞의 4.2에서 제시된 것과 같이 여러 지점에서의 현장 관측자료를 사용하여 이 두 모델을 보정 및 검증하였다.
- 연구대상지역인 해운대 해수욕장의 연안에서 해수유동의 특성과 파랑의 공간적 변형특성을 동시에 고려하기 위하여, Delft3D 모델과 SWAN 모델을 결합하여 모델링하였다. 해운대 연안에서 해수유동 모델링을 위해 조석운동의 경계조건은 광역 격자체계 내에 중역 및 협역 격자체계로 이어지는 3단계 네스팅(nesting) 과정을 통해 광역으로부터 끌어오는 것으로 하였다.
- 02 s/m1/3을 협역의 전 영역에 대해서 동일하게 적용하였었다. 이 기본값을 사용한 모델링 결과가 해안선 인근에서 유속 및 파고가 크게 나타남에 따라 이렇게 과대로 계산된 예측결과를 효과적으로 감소시키기 위하여, 바닥면에서 마찰계수를 매닝계수 대신 마찰특성길이(roughness length)를 사용하여 공간적인 지형특성을 반영하도록 다른 값들을 적용하였다. Fig.
- 협역에서의 해수유동 모델링은 실제 현장에서 해수유동을 일으키는 주요 두가지 외력인 조석운동과 파랑의 영향을 동시에 고려하기 위하여, 조석운동에 의한 흐름과 파랑운동 사이의 상호작용을 반영하도록 해수유동 모델과 파랑변형 모델을 결합하여 수행하였다. 이를 위하여, 해수유동모델 Delft3D 와 파랑모델 SWAN을 30분 간격으로 각각 수치계산 결과를 주고 받도록 결합(coupling)하였다. 결과적으로, 협역에서 계산된 해수유동 수치모의 예측결과는 조위 및 조류 뿐만 아니라 파랑의 쇄파에 의한 야기되는 연안류도 같이 포함하고 있다.
- 해운대에서 2014년 2~3월 중 수집한 관측자료를 사용하여 해운대 연안의 협역에 대한 해수유동 모델과 파랑변형 모델을 보정하기에 앞서, 해수유동 모델의 광역과 중역에서 조석 운동의 수치모델링을 보정 및 검증하였다. 이후, 광역과 중역에서 검증된 해수유동 모델의 수치계산 결과를 연구대상지역인 협역의 경계조건으로 사용하여, 협역에서 Delft3D 모델과 SWAN 모델의 결합을 통하여 흐름과 파랑변형을 계산하였다. 협역에 대해서 수행된 흐름과 파랑의 수치계산은 관측자료와 비교를 통하여 보정 및 검증되었다.
- 2는 오레곤 주립대학에서 연산하여 제공하는 전 지구 조석 데이터베이스로 라플라스 조석 방정식 연산 및 위성자료와의 자료 동화를 통해 1/4도의 해상도로 13개 조화 상수에 대한 자료를 포함하고 있다(Egbert and Erofeeva, 2002). 중역 계산영역에 대해서는, 외해측 경계조건으로 광역 계산영역에서 계산된 수위결과를 경계 입력조건으로 사용하였고, 양측면의 경계선을 따라서는 광역 계산영역에서 계산된 유속결과를 경계조건으로 사용하였다. 협역 계산영역에 대해서는, 외해측 및 양측면의 모든 경계선에 대해서 리만 경계조건(Riemann invariant boundaries) 을 적용하였다.
- 해수유동 모델 및 파랑변형 모델을 보정하기 위해서, 모델 설정에 사용된 물리적 인자들 중에서 해저 바닥면의 마찰계수(bottom roughness)를 조정하였다. 모델의 초기 구성시 사용한 마찰계수의 값으로 매닝계수(Manning coefficient)의 기본값인 0.
- 연구대상지역인 해운대 해수욕장의 연안에서 해수유동의 특성과 파랑의 공간적 변형특성을 동시에 고려하기 위하여, Delft3D 모델과 SWAN 모델을 결합하여 모델링하였다. 해운대 연안에서 해수유동 모델링을 위해 조석운동의 경계조건은 광역 격자체계 내에 중역 및 협역 격자체계로 이어지는 3단계 네스팅(nesting) 과정을 통해 광역으로부터 끌어오는 것으로 하였다. 해운대 연안에 해당하는 협역 격자체계에서 파랑 모델링을 위한 외해 경계조건은 수심 약 22 m 지점에서(Fig.
- 해운대 해역에서 발생하는 파랑 및 흐름에 대한 공간적 변화특성을 살펴보기 위하여, 2차원 파랑모델(SWAN)과 수심평균 2차원 해수유동 모델(Delft3D)을 사용하여 수치실험을 수행하였다. 2014년 2월 중 해운대 여러 정점에서 관측한 현장자료를 사용하여 수치모델을 보정 및 검증하였다.
- 해운대에서 2014년 2~3월 중 수집한 관측자료를 사용하여 해운대 연안의 협역에 대한 해수유동 모델과 파랑변형 모델을 보정하기에 앞서, 해수유동 모델의 광역과 중역에서 조석 운동의 수치모델링을 보정 및 검증하였다. 이후, 광역과 중역에서 검증된 해수유동 모델의 수치계산 결과를 연구대상지역인 협역의 경계조건으로 사용하여, 협역에서 Delft3D 모델과 SWAN 모델의 결합을 통하여 흐름과 파랑변형을 계산하였다.
- 이후, 광역과 중역에서 검증된 해수유동 모델의 수치계산 결과를 연구대상지역인 협역의 경계조건으로 사용하여, 협역에서 Delft3D 모델과 SWAN 모델의 결합을 통하여 흐름과 파랑변형을 계산하였다. 협역에 대해서 수행된 흐름과 파랑의 수치계산은 관측자료와 비교를 통하여 보정 및 검증되었다.
- 협역에서의 해수유동 모델링은 실제 현장에서 해수유동을 일으키는 주요 두가지 외력인 조석운동과 파랑의 영향을 동시에 고려하기 위하여, 조석운동에 의한 흐름과 파랑운동 사이의 상호작용을 반영하도록 해수유동 모델과 파랑변형 모델을 결합하여 수행하였다. 이를 위하여, 해수유동모델 Delft3D 와 파랑모델 SWAN을 30분 간격으로 각각 수치계산 결과를 주고 받도록 결합(coupling)하였다.
대상 데이터
- 해운대 해역에서 발생하는 파랑 및 흐름에 대한 공간적 변화특성을 살펴보기 위하여, 2차원 파랑모델(SWAN)과 수심평균 2차원 해수유동 모델(Delft3D)을 사용하여 수치실험을 수행하였다. 2014년 2월 중 해운대 여러 정점에서 관측한 현장자료를 사용하여 수치모델을 보정 및 검증하였다. 수치실험 결과, 파랑 및 흐름은 해저면으로부터 곳곳에 돌출되어 있는 암반지형에 의해서 크게 영향을 받아 파향 및 유향 뿐만 아니라 파고 및 유속의 세기도 크게 변형되는 것으로 나타났다.
- 격자크기는 약 20 × 20 m 정도이며, 수심자료는 2014년 3월에 수집한 수심측정자료를 사용하였다.
- 3(a)은 해수유동모델에 사용한 3단계 모델 네스팅 격자체계를 보여준다. 광역모델의 계산영역은 대한해협 및 일본열도의 서쪽 해안선을 포함하도록 격자체계를 정방격자로 구성하였다. 이 광역모델의 격자크기는 약 2 × 2 km이고, 수심자료는 GEBCO-08의 데이터베이스로부터 추출하였다.
- 본 연구에서는 2014년 2~3월 부산 해운대의 전면 해역에서 집중 관측실험의 수행을 통하여 수집한 관측자료들(Do et al., 2015) 중 2월 13일부터 2월 27일까지 수집된 약 14일간의 관측자료를 사용하였다. 현장 관측실험 기간 중, 파랑 및 해류 등 해수동력학자료는 3개 정점에서 층별 유속 관측장비 (AWAC)와 또 다른 3개 정점에서 정밀 수리 관측시스템 (SPHINX 및 TISDOS)를 설치하여 측정하였다.
- 이 격자체계의 크기는 외해측에서는 약 20 × 20 m 정도이고, 내해측 천해에서는 8 × 8 m 정도로 줄어든다. 수심자료는 해운대 연안정비사업에서 2014년 3월에 수행한 수심측량조사로부터 획득한 자료를 사용하였다. Fig.
- 광역과 중역에 대해서는, 해수유동 모델로부터 조석운동에 의한 조위와 조류를 계산하였으며, 조위의 계산결과는 부산에서 가까이에 위치한 조위관측소들의 관측자료와 비교를 통하여 보정하였다. 여기서 사용된 조위관측소들은 4개 지점으로 부산, 울산, 거제도 및 일본 대마도 북단에 위치한 오카와티이다. 이들 관측소의 위치에서 계산된 조위의 모델링 결과는 관측결과와 비교되었으며, 모델 계산결과의 오차를 최소화하기 위하여 광역격자 영역의 경계조건으로 사용한 토펙스 포세이돈 데이터베이스의 9개 조화상수들의 값들을 Table 2와 같이 조정하였다.
- 중역모델의 계산영역은 해운대 뿐만 아니라 부산시의 해역을 포함하도록 격자체계를 정방격자 구성하였으며, 격자크기는 약 200 × 200 m이다. 이 영역의 수심자료는 국립해양조사원의 해도자료로부터 추출한 자료이다. 상세역인 해운대모델의 계산영역은 천해로부터 심해의 수심 약 25 m 지점 정도까지를 포함하도록 격자체계를 직교곡선격자체계(curvilinear grid)로 구성하였다.
- 중역모델의 계산영역은 해운대 뿐만 아니라 부산시의 해역을 포함하도록 격자체계를 정방격자 구성하였으며, 격자크기는 약 200 × 200 m이다.
- 해수유동모델과 파랑모델의 각 계산영역의 모서리 부분에 해당하는 경계면에 대해서 적절한 경계조건 값을 입력해 주어야 한다. 파랑모델의 경우, 해운대 연안에 해당하는 협역 계산영역만을 고려하므로, 앞의 3.3에서 설명하였듯이 외측 경계조건은 수심 약 22 m 지점에서 측정한 파랑자료를 사용하였다.
- 해운대 연안에서 해수유동 모델링을 위해 조석운동의 경계조건은 광역 격자체계 내에 중역 및 협역 격자체계로 이어지는 3단계 네스팅(nesting) 과정을 통해 광역으로부터 끌어오는 것으로 하였다. 해운대 연안에 해당하는 협역 격자체계에서 파랑 모델링을 위한 외해 경계조건은 수심 약 22 m 지점에서(Fig. 1에서 W4 정점) 측정한 파랑자료를 사용하였다. Fig.
- , 2015) 중 2월 13일부터 2월 27일까지 수집된 약 14일간의 관측자료를 사용하였다. 현장 관측실험 기간 중, 파랑 및 해류 등 해수동력학자료는 3개 정점에서 층별 유속 관측장비 (AWAC)와 또 다른 3개 정점에서 정밀 수리 관측시스템 (SPHINX 및 TISDOS)를 설치하여 측정하였다. Fig.
이론/모형
- 는 x방향과 y방향으로 작용하는 해저면 전단응력이다. 본 연구에서는, 연구 대상지역의 해수유동모델링에 대해서 3차원 모델링 대신에 수심방향(z-방향)으로 흐름을 평균하여 계산하는 수심평균 2차원(2DH) 모델링을 사용하였다.
- 중역 계산영역에 대해서는, 외해측 경계조건으로 광역 계산영역에서 계산된 수위결과를 경계 입력조건으로 사용하였고, 양측면의 경계선을 따라서는 광역 계산영역에서 계산된 유속결과를 경계조건으로 사용하였다. 협역 계산영역에 대해서는, 외해측 및 양측면의 모든 경계선에 대해서 리만 경계조건(Riemann invariant boundaries) 을 적용하였다.
성능/효과
- 결론적으로, 겨울철 파고가 낮을 때는 연안류의 영향이 미비할 뿐 아니라 조류 또한 지형적인 영향으로 매우 작아 해안선 인근에서는 흐름이 매우 약하게 나타난다. 그렇지만, 파고가 높을 때는, 동쪽 계열의 입사파의 영향으로 연안류가 해안선 인근에 강하게 발달하여 조석운동에 의한 동서방향의 조류의 왕복운동과는 무관하게 동쪽에서 서쪽으로 흐르는 일관된 흐름을 유발시키는 것으로 나타났다.
- 하지만, 파고가 높을수록 겨울철 E계열의 입사파의 영향으로 동에서 서로 흐르는 연안류가 크게 발달하는 것을 보였다. 결론적으로, 본 연구는 해운대 해변의 쇄파대 지역에서 겨울철에 발생하는 흐름은 외해역과 다르게 조석으로 인한 동서 방향으로 조류의 왕복운동보다는 E 계열 외해 고파랑에 의한 입사파에 의해 발생하는 서측 흐름이 더 우세함을 밝혔다. 또한 이 결과로부터 해운대 내만에서 발생하는 이안류, 모래이동 및 지형변화는 조석운동의 영향보다는 계절별로 변하는 입사파 특성에 의해서 크게 영향을 받을 것으로 추정할 수 있다.
- 4는 보정된 조화상수를 경계조건으로 사용하여 부산 조위관측소의 위치에서 계산된 약 40일간 예측결과이다. 관측결과의 비교하여 전체 평균오차가 1% 이내로 잘 일치하며, 최대 오차는 사리기간 중 저조시 약 9~10% 정도로 발생하기도 하였다.
- 다음으로, 파랑변형 모델링 결과를 보면 (Fig. 10), 해수유동 모델링의 경우와 유사하게 외해에서 천해로 이동할수록 수심 및 주변지형의 영향을 받아 파고가 감소하는 경향을 잘 재현하고 있다. 또한, 겨울철 관측기간 중 외해에서는 동남동 계열의 입사파향이 발생하였으나, 해안선 인근까지 진행하는 동안 파향이 점차 굴절되어 해안선에 거의 수직으로 나타나는 현상을 잘 재현하고 있다.
- 결론적으로, 본 연구는 해운대 해변의 쇄파대 지역에서 겨울철에 발생하는 흐름은 외해역과 다르게 조석으로 인한 동서 방향으로 조류의 왕복운동보다는 E 계열 외해 고파랑에 의한 입사파에 의해 발생하는 서측 흐름이 더 우세함을 밝혔다. 또한 이 결과로부터 해운대 내만에서 발생하는 이안류, 모래이동 및 지형변화는 조석운동의 영향보다는 계절별로 변하는 입사파 특성에 의해서 크게 영향을 받을 것으로 추정할 수 있다.
- 2014년 2월 중 해운대 여러 정점에서 관측한 현장자료를 사용하여 수치모델을 보정 및 검증하였다. 수치실험 결과, 파랑 및 흐름은 해저면으로부터 곳곳에 돌출되어 있는 암반지형에 의해서 크게 영향을 받아 파향 및 유향 뿐만 아니라 파고 및 유속의 세기도 크게 변형되는 것으로 나타났다. 해운대 연안에 대한 파랑모델과 해수유동 모델의 결합을 통한 수치계산 결과는, 겨울철 파고가 낮을 때는 연안 쇄파대에서 발생하는 연안류의 영향이 미비할 뿐 아니라 조류 또한 지형적인 영향으로 매우 작아 해안선 인근에서는 흐름이 매우 약하게 나타난다.
- 9~10은 모델 보정 이후 각 관측지점에서 관측된 유속의 세기 및 유향, 그리고 파랑의 파고 및 파향에 대한 통계치(장미도)를 모델링 결과자료와 서로 비교한 것이다. 우선, 해수유동 모델링 결과를 보면(Fig. 9), 수심이 상대적으로 깊은 외해의 W3 및 W4 지점에서는 조석운동의 지배적인 영향으로 형성되는 유향 및 유속의 동서방향 패턴이 잘 재현되는 것을 확인할 수 있다. 수심이 얕은 해안선 인근의 천해에서는, 주변지형 및 수심의 영향으로 유속은 감소되고 유향은 해안선에 평행하게 형성되는 특징을 또한 잘 재현하고 있다.
- 1은 관측장비들의 설치위치를 나타낸다. 위 3대의 AWAC 장비들은 해안선의 법선 방향으로 평균수심이 약 5 ~ 22 m의 범위이고, 해안선으로부터 거리가 약 100 ~ 1,500 m인 범위에 설치되었다. 또한, 3대의 정밀 수리 관측시스템은 해안선을 따라 해수욕장의 양 끝단과 중앙부에 평균수심의 범위가 4 ~9 m인 지역에 설치되었다.
- 해운대 연안에 대한 파랑모델과 해수유동 모델의 결합을 통한 수치계산 결과는, 겨울철 파고가 낮을 때는 연안 쇄파대에서 발생하는 연안류의 영향이 미비할 뿐 아니라 조류 또한 지형적인 영향으로 매우 작아 해안선 인근에서는 흐름이 매우 약하게 나타난다. 하지만, 파고가 높을수록 겨울철 E계열의 입사파의 영향으로 동에서 서로 흐르는 연안류가 크게 발달하는 것을 보였다. 결론적으로, 본 연구는 해운대 해변의 쇄파대 지역에서 겨울철에 발생하는 흐름은 외해역과 다르게 조석으로 인한 동서 방향으로 조류의 왕복운동보다는 E 계열 외해 고파랑에 의한 입사파에 의해 발생하는 서측 흐름이 더 우세함을 밝혔다.
- 해저 바닥면에서 마찰계수의 조정으로 해수유동모델 및 파랑모델을 보정한 이후에는 (Fig. 7), 해안선 인근의 관측지점에서 유속의 크기 및 파고가 많이 감소하였고 관측자료와 비교하여 비교적 잘 일치하였다. 반면, 수심 약 15 m 깊이의 W3 지점에서는 모델을 보정한 이후에도 파고의 예측자료가 관측자료와 비교하여 0.
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