본 연구에서는 동해 전역에 대해서 파랑 후측 모의 실험을 실시하고, 이 결과를 바탕으로 너울성 파랑에 의해 큰 피해가 발생한 바 있는 강릉항 지역에서의 폭풍파랑 특성을 조사하였다. 이를 위해 먼저 본 연구의 파랑 후측 모의 실험 결과를 강릉항, 일본 Niigata, Hamada 등의 지점에서의 파랑관측 결과와 비교하였다. 이에 따르면, 본 연구의 파랑 계산 결과는 비교적 잘 일치하였는데, 강릉항의 경우, 유의파고 및 첨두주기의 Pearson 상관 계수는 각각 0.92, 0.72에 달하는 것으로 나타났다. 이 후 강릉항 파랑 계산 결과에 대해 극치 분석을 실시하였는데, 본 연구에서는 POT 기법을 적용하고, 추출된 폭풍파랑을 GPD(Generalized Pareto) 함수에 적용하여 파랑 계산 결과 얻은 폭풍파랑의 재현주기를 산정하였다. 본 연구의 분석에 따르면, 2008년 2월 24일 발생한 폭풍 파랑의 재현 주기는 8.2 개월로 1년이 되지 않는 것으로 파악되었다. 그리고 재현주기가 1개월 이상되는 폭풍파랑에 대해 회귀분석을 실시해 유의파고 및 유의파 주기의 관계식을 구하였는데, $T_{1/3}=7H_s^{0.25}$인 것으로 파악되었다.
본 연구에서는 동해 전역에 대해서 파랑 후측 모의 실험을 실시하고, 이 결과를 바탕으로 너울성 파랑에 의해 큰 피해가 발생한 바 있는 강릉항 지역에서의 폭풍파랑 특성을 조사하였다. 이를 위해 먼저 본 연구의 파랑 후측 모의 실험 결과를 강릉항, 일본 Niigata, Hamada 등의 지점에서의 파랑관측 결과와 비교하였다. 이에 따르면, 본 연구의 파랑 계산 결과는 비교적 잘 일치하였는데, 강릉항의 경우, 유의파고 및 첨두주기의 Pearson 상관 계수는 각각 0.92, 0.72에 달하는 것으로 나타났다. 이 후 강릉항 파랑 계산 결과에 대해 극치 분석을 실시하였는데, 본 연구에서는 POT 기법을 적용하고, 추출된 폭풍파랑을 GPD(Generalized Pareto) 함수에 적용하여 파랑 계산 결과 얻은 폭풍파랑의 재현주기를 산정하였다. 본 연구의 분석에 따르면, 2008년 2월 24일 발생한 폭풍 파랑의 재현 주기는 8.2 개월로 1년이 되지 않는 것으로 파악되었다. 그리고 재현주기가 1개월 이상되는 폭풍파랑에 대해 회귀분석을 실시해 유의파고 및 유의파 주기의 관계식을 구하였는데, $T_{1/3}=7H_s^{0.25}$인 것으로 파악되었다.
In the present study, the wave hindcasting has been performed, and then the characteristics of storm waves at Gangnueng port was investigated, in which the high waves are observed. Comparing the numerical results with the wave measurements at Gangneung port, Niigata, and Hamada, there were good agre...
In the present study, the wave hindcasting has been performed, and then the characteristics of storm waves at Gangnueng port was investigated, in which the high waves are observed. Comparing the numerical results with the wave measurements at Gangneung port, Niigata, and Hamada, there were good agreements between them. In particular, the Pearson correlation coefficients of significant wave heights and peak periods at Gangneung port were 0.92 and 0.72, respectively. Then the extreme wave analysis on the significant wave heights was carried out for the estimation of the frequency of storm waves. In this analysis, the storm waves over the threshold were fitted to GPD(Generalized Pareto Distribution). According to this analysis, the return period of the storm wave on February, 24, 2008, one of the large storm waves at Gangneung port, was 8.2 months. Among the computed significant wave heights larger than one-year wave, 58.3% of them were resulted from the storm, while the others were from the typhoon. Additionally, the regression analysis on the waves larger than one-month wave has been conducted, and then the relationship between the computed significant wave heights and the significant wave period, $T_{1/3}=7H_s^{0.25}$ was obtained.
In the present study, the wave hindcasting has been performed, and then the characteristics of storm waves at Gangnueng port was investigated, in which the high waves are observed. Comparing the numerical results with the wave measurements at Gangneung port, Niigata, and Hamada, there were good agreements between them. In particular, the Pearson correlation coefficients of significant wave heights and peak periods at Gangneung port were 0.92 and 0.72, respectively. Then the extreme wave analysis on the significant wave heights was carried out for the estimation of the frequency of storm waves. In this analysis, the storm waves over the threshold were fitted to GPD(Generalized Pareto Distribution). According to this analysis, the return period of the storm wave on February, 24, 2008, one of the large storm waves at Gangneung port, was 8.2 months. Among the computed significant wave heights larger than one-year wave, 58.3% of them were resulted from the storm, while the others were from the typhoon. Additionally, the regression analysis on the waves larger than one-month wave has been conducted, and then the relationship between the computed significant wave heights and the significant wave period, $T_{1/3}=7H_s^{0.25}$ was obtained.
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문제 정의
그리고 폭풍파랑에 의한 해난사고는 파고 자체가 높아서 발생하는 경우도 많지만, 월파 혹은 이안류의 형태로 나타나는 경우 또한 다수 있다. 이들 현상은 파고 크기 외에도 주기의 영향도 크게 받는 특성이 있기 때문에 본 연구에서는 유의파고에 대한 유의파 주기의 관계도 함께 산정하였다. 한편, 이상 파랑을 포함한 동해안 너울성 파랑은 모두 폭풍에 의해서 발생하므로, 본 논문에서는 이상 파랑 혹은 너울성 파랑이라는 용어 대신 폭풍파랑으로 이들을 기술하고자 한다.
한편, 폭풍파랑은 해안지역에서 주로 월파 형태로 해난 사고를 야기하는데, 월파 크기는 입사파고 외에 입사파 주기에 대해서 비례하여 증가하는 특성이 있다 (Sorensen, 1993). 이처럼 파랑의 주기 또한 중요하여, 본 연구에서는 파랑 계산결과 얻은 유의파고 및 유의파 주기에 대해 회귀분석을 실시하여 유의파고에 따른 유의파 주기를 산정하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 강릉항 파랑 계산결과에서 재현 주기가 1개월 이상에 해당되는 파랑 정보를 추출한 다음, 첨두주기를 유의파 주기로 변환한 후, 회귀 분석을 실시하였는데, 유의파고에 대한 유의파 주기의 관계식을 식(10)에 나타내었다.
이처럼 정확한 수치모의 실험을 통해 파랑 예보의 정확도를 높이는 것이 중요하지만, 너울성 파랑에 대한 효과적인 대응책을 수립하기 위해서 이상 파랑들의 발생빈도를 파악하는 것 또한 중요하다. 하지만, 이에 대한 연구는 많지 않아, 본 연구에서는 2008년 2월 다수의 인명 피해가 발생한 바 있는 강릉항을 대상으로 이상 파랑을 포함한 극한 파랑의 발생빈도를 분석하고자 한다. 이를 위해서는 불연속적인 장기 파랑관측자료를 바탕으로 극한 파랑의 발생빈도를 분석해야 한다.
이들 현상은 파고 크기 외에도 주기의 영향도 크게 받는 특성이 있기 때문에 본 연구에서는 유의파고에 대한 유의파 주기의 관계도 함께 산정하였다. 한편, 이상 파랑을 포함한 동해안 너울성 파랑은 모두 폭풍에 의해서 발생하므로, 본 논문에서는 이상 파랑 혹은 너울성 파랑이라는 용어 대신 폭풍파랑으로 이들을 기술하고자 한다.
제안 방법
본 연구에서는 POT (Peask Over Threshold) 기법을 이용하여 강릉항 유의파고에 대해 파랑 극치 분석을 실시하였다. POT 기법을 수행하기 위해서는 기준파고 설정이 필요한데, 본 연구에서는 Chun et al.
이러한 이유로 본 연구에서는 본 파랑모형을 이용하여 동해 풍파 수치모의 실험을 수행하였다. 본 파랑 후측모의 실험에서의 수심도는 미해양대기청(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)의 ETOPO5 수심자료를 이용하여 구성하였으며, 효과적인 계산을 위해 5분 간격의 격자를 사용하였는데, 본 연구 수치모의 실험의 수심도를 Fig. 1에 나타내었다.
(2008) 의 파랑 후측모의 실험 결과에 비해서 낮지 않아 본 연구의 파랑 후측모의 실험이 성공적으로 이뤄진것으로 판단된다. 이 후, 강릉항 파랑 계산결과에 대해 POT 방법을 이용하여 파랑 극치 분석을 실시하였다. 극치 분석 실시 결과, 1년 재현 주기 유의파고는 4.
5 m 와 같다. 이를 기준으로 폭풍파랑 유의파고를 추출하고, 이 때 추출된 폭풍파랑 유의파고를 GPD(Generalized Pareto Distribution)에적용하였다. GPD 함수의 확률밀도분포 함수와 누적확률 함수를 각각 식 (8)과 식 (9)에 각각 나타내었다.
이처럼 파랑의 주기 또한 중요하여, 본 연구에서는 파랑 계산결과 얻은 유의파고 및 유의파 주기에 대해 회귀분석을 실시하여 유의파고에 따른 유의파 주기를 산정하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 강릉항 파랑 계산결과에서 재현 주기가 1개월 이상에 해당되는 파랑 정보를 추출한 다음, 첨두주기를 유의파 주기로 변환한 후, 회귀 분석을 실시하였는데, 유의파고에 대한 유의파 주기의 관계식을 식(10)에 나타내었다.
이에 따라 본 연구에서는 천해역으로 확장된 수정 WAM 모형을 이용해 1999년 7월부터 2010년 6월까지 12년에 대해 동해역에 대해 파랑 후측모의 실험을 실시한 다음, 파랑 계산결과를 강릉항, 일본 Hamada 및 Niigata 에서의 파랑관측 자료와의 비교하여 본 연구의 파랑 계산결과를 검증하였다. 비교 결과, 유의파고 및 파주기의 Pearson 상관계수는 각각 0.
1에 표시하였다. 파랑 계산결과의 검증을 위해 먼저 파랑 계산결과로부터 유의파고 및 첨두주기를 추출하였는데, 일본 Hamada 및 Niigata에서는 첨두주기 대신 유의파 주기가 제공되어 파랑 계산결과로 얻은 파랑스펙트럼으로부터 유의파주기 T1/3 를 산정하였다. 이 때의 변환 관계식은 Suh et al.
이를 위해서는 불연속적인 장기 파랑관측자료를 바탕으로 극한 파랑의 발생빈도를 분석해야 한다. 하지만, 양질의 장기 파랑관측자료를 확보하는 것이 현실적으로 많이 어려워 본 연구에서는 동해에 대해 장기간의 풍파 수치모의 실험을 실시한 다음, 이를 바탕으로 파랑 극치 분석을 실시하여 이들 파랑의 재현 주기를 산정하였다. 그리고 폭풍파랑에 의한 해난사고는 파고 자체가 높아서 발생하는 경우도 많지만, 월파 혹은 이안류의 형태로 나타나는 경우 또한 다수 있다.
최근 한반도 동해안을 중심으로 폭풍파랑에 의한 피해가 다수 발생해 이를 정확히 재현하는 수치모의 실험 연구가 많이 진행되어 왔다. 하지만, 이들의 발생빈도에 대한 연구는 많지 않아 본 연구에서는 동해에 대해 파랑후측모의 실험을 수행한 후, 2008년 2월 폭풍파랑에 의해 다수의 인명피해가 발생한 강릉항에 대해서 폭풍파랑 발생빈도를 조사하였다.
대상 데이터
Lee(2013)와 Swail and Cox(2000)은 본 바람장을 이용하여 한반도 동해안 및 대서양에 대해 성공적으로 파랑 후측모의 실험을 수행한 바 있다. 본 자료는 NOAA에서 구축한 기상자료로, 1o 간격으로 구성되어 있으며, 6시간 간격으로 제공되고 있는데, 폭풍 및 태풍 바람장이 모두 포함되어있다. 이 때문에 본 연구의 수치모의 실험이 폭풍파랑에 대한 것이지만, 태풍 파랑 또한 계산되었다.
일반적으로 Courant number는 방향에 관계없이 하나의 숫자로 정의되지만, 본 파랑모형은 fractional step method를 도입하여 λ, φ, θ방향 각각에 대해서 파랑 스펙트럼을 계산하기 때문에 식 (3)처럼 3개의 Courant number로 정의된다. 이 외에 파랑계산을 위해 2차원의 시계열 바람장 자료가 필요한데, 본연구에서는 NCEP Final Operational Global Tropospheric Analysis 바람장 자료를 사용하였다. Lee(2013)와 Swail and Cox(2000)은 본 바람장을 이용하여 한반도 동해안 및 대서양에 대해 성공적으로 파랑 후측모의 실험을 수행한 바 있다.
이론/모형
본 연구에서는 Chun et al.(2006)의 수정 WAM 모형을 사용하여 파랑 후측모의 실험을 수행하였다. 본 파랑 모형은 심해역 파랑 모형인 WAM을 천해역으로 확장한 것으로, 실제 수심에 의한 파랑 굴절, 천해역 파랑작용인 쇄파, 3파 상호 작용 등이 포함되어 있는 데다가, 음해법(Implicit scheme)을 이용하여 파랑을 계산하여 천해역에 대해 효과적인 파랑 계산이 가능하다(Chun et al.
, 2008). 본 파랑 모형의 지배방정식은 천해역 파랑모형인 SWAN과 동일한 파랑 작용 평형 방정식(Wave action balance equation)으로, 이를 식 (1)에 나타내었다(WAMDI Group, 1988).
여기서, α, κ, ξ는 GPD 함수의 모수로서, 본 연구에서는 최대 엔트로피법 (maximum entropy method)을 이용하여 모수를 산정하였다.
, 2014). 이러한 이유로 본 연구에서는 본 파랑모형을 이용하여 동해 풍파 수치모의 실험을 수행하였다. 본 파랑 후측모의 실험에서의 수심도는 미해양대기청(NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration)의 ETOPO5 수심자료를 이용하여 구성하였으며, 효과적인 계산을 위해 5분 간격의 격자를 사용하였는데, 본 연구 수치모의 실험의 수심도를 Fig.
성능/효과
한편, 최대 유의파고 출현 시점의 첨두주기는 10 s 인 반면에, 파랑 계산 결과의 첨두주기는 13 s 로 나타나, 본 연구의 수치모의 실험 결과, 첨두주기가 3 s 정도 과대산정되었다. 그러나 2월 24 일 당일의 첨두주기의 bias 는 0.36 s 인데다가, 첨두주기의 Pearson 상관계수는 0.84로, 이는 강릉항 전체에 대한 수치보다 매우 높은 것으로 나타나, 본 연구의 수치모의 실험에서 첨두주기 또한 성공적으로 재현한 것으로 파악된다.
92에 이르는데, 이로 볼 때, 본 연구의 계산 유의파고의 정확도가 낮지 않은 것으로 파악된다. 그리고 강릉항에서 유의파고는 전반적으로 2 cm 정도 과소산정되고 있는데, 오차의 크기를 나타내는 RMSE는 0.28 m로, Hamada 및 Niigata에 비해서 비교적 작아 본 연구에서 유의파고가 성공적으로 계산된 것으로 보인다. 한편, 강릉항 첨두주기는 0.
2 m로, 이의 재현 주기는 50년에 해당된다. 그리고 본 연구의 계산기간 동안 태풍 파랑의 최대 유의파고는 T0514 Nabi에 의한 것으로 나타났는데, 이의 재현 주기는 약 7년 정도 되는 것으로 산정되었다.
이 후, 강릉항 파랑 계산결과에 대해 POT 방법을 이용하여 파랑 극치 분석을 실시하였다. 극치 분석 실시 결과, 1년 재현 주기 유의파고는 4.4 m 로 나타났는데, 1년 재현 주기 이상의 폭풍파랑을 추출한 결과, 이 중 58.3 %는 폭풍에 의한 것이고, 나머지는 태풍에 의한 것으로 나타났다. 이 중 거의 대부분은 한반도에 상륙하지 않고 동해를 통과한 태풍으로, 한반도 동해안이 태풍의 좌반구에 위치해 있음에도 불구하고, 이들 태풍이 동해를 통과하면서 발생한 폭풍파랑이 강릉항으로 전달된 것으로 보인다.
이에 따라 본 연구에서는 천해역으로 확장된 수정 WAM 모형을 이용해 1999년 7월부터 2010년 6월까지 12년에 대해 동해역에 대해 파랑 후측모의 실험을 실시한 다음, 파랑 계산결과를 강릉항, 일본 Hamada 및 Niigata 에서의 파랑관측 자료와의 비교하여 본 연구의 파랑 계산결과를 검증하였다. 비교 결과, 유의파고 및 파주기의 Pearson 상관계수는 각각 0.88, 0.72 이상인 것으로 나타났다. 이 중 첨두주기는 이산적(discrete)으로 산정되어 정확도가 다소 떨어지는 편이었는데, 첨두주기를 포함한 본 연구의 파랑 계산결과의 정확도는 Pilar et al.
이들 모수의 정확도는 K-S (Kolmogorov-Smirnov) 및 χ2-test 를 통해 확인하였는데, 유의수준 0.05에서 이들이 적합한 것으로 나타났다.
89로 Table 1에 있는 강릉항의 수치와 비슷한 것으로 나타나, 강릉항 유의파고가 성공적으로 재현된 것으로 판단된다. 한편, 최대 유의파고 출현 시점의 첨두주기는 10 s 인 반면에, 파랑 계산 결과의 첨두주기는 13 s 로 나타나, 본 연구의 수치모의 실험 결과, 첨두주기가 3 s 정도 과대산정되었다. 그러나 2월 24 일 당일의 첨두주기의 bias 는 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동해안에서 너울성 파랑이 빈번하게 내습하는 이유는?
이중 Oh and Jeong(2014)은 동해안 너울성 파랑이 동해에 진출한 온대성 저기압에 의해 심해역에서 발생된 폭풍파랑이 연안역으로 전달된 것으로 분석하였다. 지형 특성상 동해안은 해안선이 단조로울 뿐만 아니라 대부분의 지역이 동해에 대해 열려 있어, 가을부터 이듬해 봄까지 한반도상에 형성되는 계절풍에 의해 너울성 파랑이 빈번하게 내습하는 특성이 있다. 특히, 2008년 2월의 경우처럼 현지 기상이 쾌청함에도 불구하고, 너울성 파랑이 내습하여 다수의 인명 피해가 발생하 기도 한다.
파랑에 대한 연구에서 파랑 예보의 정확도를 높이는 것과 함께 중요한 것은?
이처럼 정확한 수치모의 실험을 통해 파랑 예보의 정확도를 높이는 것이 중요하지만, 너울성 파랑에 대한 효과적인 대응책을 수립하기 위해서 이상 파랑들의 발생빈도를 파악하는것 또한 중요하다. 하지만, 이에 대한 연구는 많지 않아, 본연구에서는 2008년 2월 다수의 인명 피해가 발생한 바 있는 강릉항을 대상으로 이상 파랑을 포함한 극한 파랑의 발생빈도를 분석하고자 한다.
바람장의 정확도에 따라 풍파 수치모의 실험 결과의 정확도가 좌우되는 이유는?
, 2016). 일반적 으로 풍파 수치모의 실험은 WAM(Wave model) 또는 SWAN(Simulating WAve at Nearshore)과 같은 3세대 풍파 모형에 수심자료 및 바람장 정보를 입력하여 수행된다. 이 때문
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