현장에서 파고와 주기만을 관측한 경우 주로 개별파 분석법을 사용하여 다양한 파랑 특성을 산정한다. 본 논문에서는 MATLAB 언어를 이용하여 개별파 분석 프로그램을 개발하였다. 영점 상향 교차법과 영점 하향 교차법을 이용하여 1) 평균해면 보정, 2) 영점 교차 시간 산정, 3) 개별파고 산정, 4) 자료 관측기간 변화 등의 기능을 수행할 수 있다. 해모수 1호에 설치된 레이더(WaveGuide Radar)를 사용하여 관측된 시간간격 0.2초 자료를 대상으로 개발된 프로그램의 적용성을 검토하였다. 조석성분 제거 및 영점 교차 시간 산정은 선형 혹은 2차원으로 내삽하였다. 개별 파고 산정은 Goda 방법이 적정한 것으로 판단되었으며, 본 연구에서 제안한 방법은 차후 후속 연구를 통하여 개선할 여지가 있는 것으로 판단된다. 대표파의 특징은 샘플의 유한성 등으로 인하여 영점상향교차법과 영점하향교차법으로 산정한 결과가 상이하다는 것을 알 수 있다.
현장에서 파고와 주기만을 관측한 경우 주로 개별파 분석법을 사용하여 다양한 파랑 특성을 산정한다. 본 논문에서는 MATLAB 언어를 이용하여 개별파 분석 프로그램을 개발하였다. 영점 상향 교차법과 영점 하향 교차법을 이용하여 1) 평균해면 보정, 2) 영점 교차 시간 산정, 3) 개별파고 산정, 4) 자료 관측기간 변화 등의 기능을 수행할 수 있다. 해모수 1호에 설치된 레이더(WaveGuide Radar)를 사용하여 관측된 시간간격 0.2초 자료를 대상으로 개발된 프로그램의 적용성을 검토하였다. 조석성분 제거 및 영점 교차 시간 산정은 선형 혹은 2차원으로 내삽하였다. 개별 파고 산정은 Goda 방법이 적정한 것으로 판단되었으며, 본 연구에서 제안한 방법은 차후 후속 연구를 통하여 개선할 여지가 있는 것으로 판단된다. 대표파의 특징은 샘플의 유한성 등으로 인하여 영점상향교차법과 영점하향교차법으로 산정한 결과가 상이하다는 것을 알 수 있다.
In case of observing only wave height and period in the field, various wave characteristics are mainly calculated by wave by wave analysis method. In this paper, an wave by wave analysis program using MATLAB language is developed. It is possible to perform a function such as 1) correction for mean w...
In case of observing only wave height and period in the field, various wave characteristics are mainly calculated by wave by wave analysis method. In this paper, an wave by wave analysis program using MATLAB language is developed. It is possible to perform a function such as 1) correction for mean water level, 2) calculation for zero crossing time, 3) calculation for individual wave height, 4) time interval by using zero upcrossing and downcrossing method. The applicability of the developed program to the data of 0.2 second interval observed by using the WaveGuide Radar installed on HeMOSU-1 was examined. Tidal level variation removal and zero crossing time estimation were determined by linear or quadratic interpolation. It was judged that the Goda method was appropriate for calculating individual wave height, and the method proposed in this study seems to be improved through subsequent research. Due to the fineness of the sample, it can be seen that characteristics of representative waves are different from the results calculated by zero upcrossing and downcrossing method.
In case of observing only wave height and period in the field, various wave characteristics are mainly calculated by wave by wave analysis method. In this paper, an wave by wave analysis program using MATLAB language is developed. It is possible to perform a function such as 1) correction for mean water level, 2) calculation for zero crossing time, 3) calculation for individual wave height, 4) time interval by using zero upcrossing and downcrossing method. The applicability of the developed program to the data of 0.2 second interval observed by using the WaveGuide Radar installed on HeMOSU-1 was examined. Tidal level variation removal and zero crossing time estimation were determined by linear or quadratic interpolation. It was judged that the Goda method was appropriate for calculating individual wave height, and the method proposed in this study seems to be improved through subsequent research. Due to the fineness of the sample, it can be seen that characteristics of representative waves are different from the results calculated by zero upcrossing and downcrossing method.
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문제 정의
최근 해상풍력단지 건설, 조류 에너지 개발 등 연안역 개 발에 대한 관심이 고조되면서 파랑 및 조석 등 연안 기본적 환경에 대한 검토가 필요하다. 대상해역의 파랑을 측정함으로써 파랑의 제원을 산정하는 것이 연안공학자 및 해양학자가 수행하는 파랑관측의 목적이다. 파랑관측 자료는 항만의 정비, 해안보전, 해역의 이용 및 개발에 관련된 시설이나 구조물의 계획, 설계, 시공 등을 실시하기 위해 필요한 기초로 사용되고, 호안의 파손과 같은 다양한 재해에 대한 파랑의 영향을 해석함으로써 그 원인 규명 및 대책안을 수립한다.
본 논문에서는 MATLAB 언어를 이용하여 개별파 분석 프로그램을 개발하였다. 영점상향 교차법과 영점하향 교차법을 이용하여 1) 평균해면 보정, 2) 영점 교차 시간 산정, 3) 개별파고 산정, 4) 자료 관측기간 변화 등의 기능을 수행할 수 있다.
본 연구에서는 수치해석 및 프로그래밍 환경을 제공하는 MATLAB을 사용하여 파고 자료를 분석하는 개별파법 프로 그램을 개발하고, 해상기상탑 HeMOSU-1호의 파랑자료를 활 용하여 그 적용성을 검토하였다.
가설 설정
, 1994; IAHR, 1986), ② 관측치만을 사용하는 경우 실제 최대치를 과소평가할 수 있기 때문에 2차원 식을 이용하여 내삽한 결과를 사용하는 방법(Goda, 2000), ③ 본 연구에서 제안한 방법으로, 정현파형으로 가정하여 半波(half wave) 를 대상으로 최적 추정하는 방법을 사용하였다. 이 방법은 영점교차 시점 사이에 있는 수면변위 정보를 파형을 구성하는 자료 일부로 가정하고, 정현 파형으로 피팅(fitting)하여 개별 파고를 산정하는 방법으로 오차제곱합을 최소로 하는 파고를 추정하여 사용하였다. 이중 문제가 되는 파랑은 반파 주기가 1초 이하인 파랑으로 반파가 1개 존재하는 경우에는 이를 포함하고, 연속해서 2개 존재하는 경우에는 1개의 파랑으로 통합하여 평가하였다.
제안 방법
9(a)는 polyfit 내장함수를 이용하여 조석성 분을 제거한 자료를 이용하여 선형 및 2차원 내삽한 결과이다. 2종류의 결과가 일치하여 향후 선형 내삽한 결과를 이용하여 분석을 수행하였다. Fig.
Fig. 10(a)는 1) 최고 및 최저 관측치만을 사용하는 기존의 방법(Range method), 2) 2차원 식을 이용하여 내삽하는 방법(Goda method), 3) 정현파형으로 가정하여 半波(half wave)를 대상으로 최적 추정하는 방법(This study)을 사용하여 분석한 결과를 도시하였다. Fig.
Fig. 4에서 보는 바와 같이 해모수 1호는 4개의 강관파일에 의해 지지되는 자켓 기초에 사각 트러스 타워를 설치하였으며 평균해수면 기준으로 약 100 m 높이까지 바람정보를 관측할 수 있도록 설계하였 다.
2.5 프로그램 개발
개별파 분석 프로그램은 MATLAB R2017a 환경을 바탕으로 작성하였다. MATLAB 프로그램은 이미 많은 분야에서 자료를 보다 쉽게 분석할 수 있도록 그래프와 다양한 함수를 제공하는 수치해석프로그램으로써 정교한 그래프 체계를 구축 할 수 있다.
다양한 파랑 관측자료가 수집되면 다음 단계로 사전처리를 수행하게 된다. 관측 자료의 경우 이상 및 결측 여부를 파악하여, 이들 자료는 전 자료와 비교하여 분석에 사용하였다.
4에서 보는 바와 같이 해모수 1호는 4개의 강관파일에 의해 지지되는 자켓 기초에 사각 트러스 타워를 설치하였으며 평균해수면 기준으로 약 100 m 높이까지 바람정보를 관측할 수 있도록 설계하였 다. 기상타워에는 8개 높이 지점에 풍속계와 풍향계를 설치 하여 10분 간격으로 풍속과 풍향을 관측할 수 있도록 하였다.
2초로 다른 장비 에 비하여 관측간격이 짧다. 따라서 관측간격 변화에 따른 파랑정보 비교분석을 위하여 30분간의 자료를 대상으로 Table 3과 같이 5가지 경우에 대하여 분석을 수행하였다. 자료는 HeMOSU1 2013년 11월 26일 자료를 대상으로 분석을 수행하였다.
이 방법은 영점교차 시점 사이에 있는 수면변위 정보를 파형을 구성하는 자료 일부로 가정하고, 정현 파형으로 피팅(fitting)하여 개별 파고를 산정하는 방법으로 오차제곱합을 최소로 하는 파고를 추정하여 사용하였다. 이중 문제가 되는 파랑은 반파 주기가 1초 이하인 파랑으로 반파가 1개 존재하는 경우에는 이를 포함하고, 연속해서 2개 존재하는 경우에는 1개의 파랑으로 통합하여 평가하였다. 3개가 연속 존재하는 경우는 처음 2개 파랑은 무시하고 1개 파랑만 포함하여 검토하였다.
8(b)는 polyfit 함수와 detrend 함수를 이용하여 경향을 제거한 자료의 밀도함수를 도시한 결과로, 서로 잘 일치하고 있다는 것을 알 수 있다. 이처럼 polyfit와 detrend 함수를 사용한 결과는 거의 동일하여 향후에는 polyfit만을 사용하여 분석을 수행하였다.
평균 해면으로 보정된 자료는 영점상향(혹은 하향) 교차시간을 산정하여야 하며, 본 연구에서는 선형 혹은 2차원으로 내삽하였다. Fig.
해모수 1호에 설치된 레이더(WaveGuide Radar)를 사용하여 관측된 시간간격 0.2초 자료를 대상으로 개발된 프로그램의 적용성을 검토하였다. 영점 상향 및 하향 교차법으로 산정한 대표파 특성은 Table 4와 같다.
대상 데이터
6은 현장에 설치된 WaveGuide 전경이다. 관측기간은 2013년 11월 26일부터 2014년 4월 23 일까지로 시간간격은 0.2초이다.
이 개수를 2n 보다도 약간 크게 하면 차후 스펙트럼의 계산이 편리하다. 본 연구에서는 30분 자료를 대상으로 분석을 수행하였다.
따라서 관측간격 변화에 따른 파랑정보 비교분석을 위하여 30분간의 자료를 대상으로 Table 3과 같이 5가지 경우에 대하여 분석을 수행하였다. 자료는 HeMOSU1 2013년 11월 26일 자료를 대상으로 분석을 수행하였다.
데이터처리
조석성분을 제거하기 위하여 MATLAB 함수인 polyfit와 detrend 함수를 사용하여 평균 해면으로 보정하였다.
조석성분을 제거하기 위하여 MATLAB 함수인 polyfit와 detrend 함수를 사용하여 평균 해면으로 보정하였으며, 1차 및 2차 식으로 보정한 결과는 동일하였다. 영점 교차 시간은 선형 혹은 2차원으로 내삽하였다.
이론/모형
영점 교차 시간은 선형 혹은 2차원으로 내삽하였다. 개별 파고 산정은 1) 최고 및 최저 관측치만을 사용하는 기존의 방법(Range method), 2) 2차원 식을 이용하여 내삽하는 방법(Goda method), 3) 정현 파형으로 가정하여 半波(half wave)를 대상으로 최적 추정하 는 방법(This study)을 사용하였으며, Goda method이 적정한 것으로 판단되었다. 본 연구에서 제안한 방법은 차후 후속 연구를 통하여 개선할 여지가 있는 것으로 판단된다.
따라서 관측자료를 대상으로 선형 혹은 포물형 보정을 수행하여 조석성분을 제거한다. 본 연구에서는 MATLAB 함수인 detrend와 polyfit 함수(MathWorks, 2017)를 사용하여 평균 해면으로 보정하였다. Detrend 함수는 선형으로 경향을 제거하며, polyfit 함수는 다항식 커브를 이용하여 내삽을 수행한다.
본 연구에서는 개별 파고 산정을 위하여 ① 최고 및 최저 관측치만을 사용하는 기존의 방법(Range method)(Hoekstra et al., 1994; IAHR, 1986), ② 관측치만을 사용하는 경우 실제 최대치를 과소평가할 수 있기 때문에 2차원 식을 이용하여 내삽한 결과를 사용하는 방법(Goda, 2000), ③ 본 연구에서 제안한 방법으로, 정현파형으로 가정하여 半波(half wave) 를 대상으로 최적 추정하는 방법을 사용하였다. 이 방법은 영점교차 시점 사이에 있는 수면변위 정보를 파형을 구성하는 자료 일부로 가정하고, 정현 파형으로 피팅(fitting)하여 개별 파고를 산정하는 방법으로 오차제곱합을 최소로 하는 파고를 추정하여 사용하였다.
성능/효과
영점 상향 및 하향 교차법으로 산정한 대표파 특성은 Table 4와 같다. 통계적으로 영점상향교차법과 영점하향교차법은 같고, 대표파의 파고와 주기도 변함이 없어야 하나, 실제로는 샘플의 유한성 등으로 인하여 2가지 방법으로 산정한 대표 파고 및 주기가 상이하다는 것을 알 수 있다. 특히 Hmax와 #의 경우 관측간격에 관계없이 편차가 크다.
후속연구
이는 관측간격을 줄임에 따라, 단주기 파랑의 개수가 증가하기 때문에 발생한 결과이다. 따라서, 단파 처리기법을 검토하여 관측간격변화에 따른 일관성을 유지할 수 있도록 프로그램을 개선하는 후속 연구가 필요하다.
개별 파고 산정은 1) 최고 및 최저 관측치만을 사용하는 기존의 방법(Range method), 2) 2차원 식을 이용하여 내삽하는 방법(Goda method), 3) 정현 파형으로 가정하여 半波(half wave)를 대상으로 최적 추정하 는 방법(This study)을 사용하였으며, Goda method이 적정한 것으로 판단되었다. 본 연구에서 제안한 방법은 차후 후속 연구를 통하여 개선할 여지가 있는 것으로 판단된다.
10(c)에서 본 연구에서 제안한 방법은 기존 Range method에 비하여 편차가 크게 발생하는 것을 볼 수 있다. 이 방법은 적은 자료를 사용하여 정현파로 가정하는 과정에서 다른 2가지 방법에 비하여 크거나, 작게 산정하는 파고가 많기 때문으로 사료되며, 차후 연구에서는 반파를 대상으로 하지 않고, 완전한 1개의 정현파를 대상으로 하여 추정하는 방법 등을 검토하여야 할 것으로 사료 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
개별파법는 어디에 활용되는가?
, 1994). 개별파법은 유의파법, 최대파법, 확률분포법 등으로 활용되며, 스펙트럼법은 개별파법과의 관계를 이용하여 방파제 설계, 해양 구조물의 응답해석, 파랑변형 수치모형 등에 사용된다. 천해역의 경우 쇄파 등의 파랑변형으로 인하여 개별파법을 사용하는 것이 적절하다(Mizuguchi, 1982; Buckley et al.
연안역 개 발에 대한 관심이 고조되면서 어떠한 검토가 필요한가?
최근 해상풍력단지 건설, 조류 에너지 개발 등 연안역 개 발에 대한 관심이 고조되면서 파랑 및 조석 등 연안 기본적 환경에 대한 검토가 필요하다. 대상해역의 파랑을 측정함으로써 파랑의 제원을 산정하는 것이 연안공학자 및 해양학자가 수행하는 파랑관측의 목적이다.
파랑관측 자료는 어디에 활용되는가?
파랑관측 자료는 항만의 정비, 해안보전, 해역의 이용 및 개발에 관련된 시설이나 구조물의 계획, 설계, 시공 등을 실시하기 위해 필요한 기초로 사용되고, 호안의 파손과 같은 다양한 재해에 대한 파랑의 영향을 해석함으로써 그 원인 규명 및 대책안을 수립한다. 또한 계류선박이나 항행 선박 혹은 해양시설을 관리 · 운용하는데 있어서의 안전 확보, 효율적인 운영을 위한 자료로 활용된다.
참고문헌 (15)
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