경험모의기법을 통해 국내 서남해안의 조석과 해일특성을 고찰하였다. 그 결과 인천, 군산, 목포, 완도 등은 조석지배해역이고 여수, 통영, 부산 등은 해일지배해역으로 구분되었다. 조석지배해역에서는 태풍해일이 발생하지 않아도 50년 이하의 빈도를 갖는 극치해면고가 형성될 수 있는 반면 해일지배해역에서는 10년 빈도에서만 태풍해일 없이 극치해면고가 형성될 수 있는 양상을 보이고 있다. 각 해역에서 빈도별로 평균적인 상황으로 어느 정도의 조위에 어느 정도의 해일이 겹쳐 극치해면고가 형성되는지 고찰한 결과 이 역시 해역별로 구분되는 특성을 보이고 있다. 이와 함께 설계조위 산정을 위한 세 가지 방법을 비교고찰한 결과 약최고고조위방법은 과다설계의 우려가 매우 큰 비현실적인 결과를 보이고 있으며, 확률분포함수방법은 대형태풍이 소조기나 저조시 발생할 경우 해당자료가 결과에 반영되지 않거나 매우 축소된 결과가 도출될 우려가 있다는 단점이 있다. 이러한 단점들을 해결함과 동시에 서해안과 같이 조석이 지배적인 해역에 적합한 방법으로 경험모의기법의 적용성을 확인하였다.
경험모의기법을 통해 국내 서남해안의 조석과 해일특성을 고찰하였다. 그 결과 인천, 군산, 목포, 완도 등은 조석지배해역이고 여수, 통영, 부산 등은 해일지배해역으로 구분되었다. 조석지배해역에서는 태풍해일이 발생하지 않아도 50년 이하의 빈도를 갖는 극치해면고가 형성될 수 있는 반면 해일지배해역에서는 10년 빈도에서만 태풍해일 없이 극치해면고가 형성될 수 있는 양상을 보이고 있다. 각 해역에서 빈도별로 평균적인 상황으로 어느 정도의 조위에 어느 정도의 해일이 겹쳐 극치해면고가 형성되는지 고찰한 결과 이 역시 해역별로 구분되는 특성을 보이고 있다. 이와 함께 설계조위 산정을 위한 세 가지 방법을 비교고찰한 결과 약최고고조위방법은 과다설계의 우려가 매우 큰 비현실적인 결과를 보이고 있으며, 확률분포함수방법은 대형태풍이 소조기나 저조시 발생할 경우 해당자료가 결과에 반영되지 않거나 매우 축소된 결과가 도출될 우려가 있다는 단점이 있다. 이러한 단점들을 해결함과 동시에 서해안과 같이 조석이 지배적인 해역에 적합한 방법으로 경험모의기법의 적용성을 확인하였다.
Tide-surge characteristics of the West/South domestic coasts were analyzed with a tool of EST (empirical simulation technique). As a result, stations of Incheon, Gunsan, Mokpo and Busan are categorized as tide-dominant coasts, while Yeosu, Tongyoung and Busan are as surge-dominant coasts. In the tid...
Tide-surge characteristics of the West/South domestic coasts were analyzed with a tool of EST (empirical simulation technique). As a result, stations of Incheon, Gunsan, Mokpo and Busan are categorized as tide-dominant coasts, while Yeosu, Tongyoung and Busan are as surge-dominant coasts. In the tide-dominant coasts, extreme sea level of less than 50-yr frequency is formed without typhoon-surge, while only 10-yr extreme sea level is formed in the surge-dominant coasts. As the results of casual condition of extreme sea level formation considering the relative degree of surge on tide, the regional characteristics were detected also. Three methods for estimating the design tide level were compared. The AHHW method shows an unrealistic outcomes of the concern of over estimate design. Furthermore, the probability distribution function method has been concerned as causing missing data if a huge typhoon occurs in a neap tide or a low tide. To cope with these drawbacks, the applicability of the EST method is proved to be suitable especially in tide-dominant coasts.
Tide-surge characteristics of the West/South domestic coasts were analyzed with a tool of EST (empirical simulation technique). As a result, stations of Incheon, Gunsan, Mokpo and Busan are categorized as tide-dominant coasts, while Yeosu, Tongyoung and Busan are as surge-dominant coasts. In the tide-dominant coasts, extreme sea level of less than 50-yr frequency is formed without typhoon-surge, while only 10-yr extreme sea level is formed in the surge-dominant coasts. As the results of casual condition of extreme sea level formation considering the relative degree of surge on tide, the regional characteristics were detected also. Three methods for estimating the design tide level were compared. The AHHW method shows an unrealistic outcomes of the concern of over estimate design. Furthermore, the probability distribution function method has been concerned as causing missing data if a huge typhoon occurs in a neap tide or a low tide. To cope with these drawbacks, the applicability of the EST method is proved to be suitable especially in tide-dominant coasts.
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문제 정의
따라서 약최고고조위를 사용함에 수반되는 발생확률의 문제와 최대해일고가 발생하는 시점에 관련된 문제 등으로 인해 기존방법으로 설정한 설계조위는 국내현실에 부적합한 측면이 있다. 또한 조석과 해일이 해면고에 미치는 상대적인 영향성이 해역별로 큰 차이가 있는 국내 조석특성을 감안하여본 연구에서는 확률분포함수방법과 약최고고조위방법 등에 의한 설계조위 산정의 한계점을 규명하고자 한다. 궁극적으로 이러한 한계점을 극복하기 위한 방안으로 Kang et al.
2)번 방법의 일종으로 몬테칼로 시뮬레이션 기법을 적용하여 가상적인 수백년 내지 수천년 자료를 모의발생시키는 방법인 경험모의기법(empirical simulation technique; EST)이 있다. 본 연구에서는 EST방법을 사용하여 국내 조석환경에 따른 극치해면고 산정의 지침을 제시하고자 하며, 더 나아가 확률분포함수방법과 약최고고조위방법의 한계점 역시 지적하고자 한다.
제안 방법
이와 같이 본 연구에서 제시한 EST 방법은 관측자료가 축적되어 있지 않은 곳에서도 기본적인 조화상수와 빈도별 해일고만 갖춰져 있을 경우 상기 방법들의 문제점이 모두 해결될 수 있는 방법이다. EST, 확률분포함수방법, 그리고 약최고고조위방법 등 세 가지 방법을 각각 적용한 결과 및 비교고찰한 내용을 다음 절에 제시하였다.
관측기간을 초과하는 재현기간을 갖는 극치해면고를 산정하기 위해서는 향후 대형태풍이나 슈퍼태풍의 발생가능성을 염두에 두어야 하므로 관측된 수십년의 제한된 트레이닝세트 외에 추가적인 가상태풍이 포함되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 가상태풍을 트레이닝세트에 포함시키기 위하여 국토해양부(MLTMA, 2010)에서 제시한 인천(IC), 군산(GS), 목포(MP), 완도(WD), 여수(YS), 통영(TY), 부산(BS) 등 7개 조위관측소 지점의 Table 1과 같은 빈도별 태풍해일고 산정결과를 차용하였다. 과거 수십년치의 관측된 태풍해일고 자료를 중복시켜 트레이닝세트를 200년 자료로 확장함과 동시에 차용된 100년 빈도 및 200년 빈도 해일고 자료를 하나씩 포함시킴으로써 미래 발생가능한 추가적인 가상태풍을 포함하는 200년 기간으로 확장된 트레이닝세트를 구성할 수 있다.
앞서 제시한 EST 방법으로 가상적인 1,000년간 시뮬레이션을 시행한 후 상위 5번째, 10번째, 20번째, 33번째, 100번째 순위를 각각 200년 빈도, 100년 빈도, 50년 빈도, 30년 빈도, 10년 빈도의 극치해면고로 산정하였다. 이러한 시뮬레이션을 20회 반복한 후 그 평균치를 최종적인 해당 빈도값으로 산정하였는데, 7개 지점의 중간에 위치한 완도에서의 빈도별 20회 시뮬레이션을 시행한 결과 중 일부를 극치해면고(extreme sea level; ESL)와 이를 구성하는 각 성분인 고조위(high water; HW), 태풍해일고(typhoon surge; TS), 비태풍 해일고(non-typhoon surge; NS) 등으로 구분하여 Table 2에 예시하였다.
각 빈도별 극치해면고 산정을 위해 1,000년간 시뮬레이션을 20번 반복하여 평균값으로 극치해면고를 산정한 것은 주지한 바와 같다. 이때 20번의 극치해면고 및 그 구성성분은 매번 약간씩 달라지게 되는데 그 평균값을 대표적인 상황으로 간주하여 해당빈도에서 극치해면고 구성성분을 분석하였다.
앞서 제시한 EST 방법으로 가상적인 1,000년간 시뮬레이션을 시행한 후 상위 5번째, 10번째, 20번째, 33번째, 100번째 순위를 각각 200년 빈도, 100년 빈도, 50년 빈도, 30년 빈도, 10년 빈도의 극치해면고로 산정하였다. 이러한 시뮬레이션을 20회 반복한 후 그 평균치를 최종적인 해당 빈도값으로 산정하였는데, 7개 지점의 중간에 위치한 완도에서의 빈도별 20회 시뮬레이션을 시행한 결과 중 일부를 극치해면고(extreme sea level; ESL)와 이를 구성하는 각 성분인 고조위(high water; HW), 태풍해일고(typhoon surge; TS), 비태풍 해일고(non-typhoon surge; NS) 등으로 구분하여 Table 2에 예시하였다.
이를 위해 EST 방법이 적용된 결과인 Table 3을 토대로 작성된 각 조위관측소의 빈도별 극치해면고를 조석 및 해일(태풍 + 비태풍)의 두 가지 성분으로 구분하여 약최고고조위(AHHW)와 함께 Fig. 3에 제시하였다. 이를 통해 각 지역에서 극치해면고가 형성되는 평균적인 상황은 다음과 같이 정리된다.
전절에 기술한 동일한 방식으로 완도를 포함한 7개 지역에서 20회 산정한 빈도별 극치해면고 및 극치해면고를 형성하는 고조위 성분, 태풍해일 성분, 비태풍해일 성분 등에 대한평균치와 표준편차를 Table 3에 제시하였다. EST 방법이 갖고 있는 장점 중의 하나가 극치해면고 산정을 위해 여러 번의 시뮬레이션을 통해 평균치와 표준편차를 구할 수 있어 산정된 수치의 신뢰수준별 값의 범위를 설정할 수 있다는 점(Kang et al.
확률분포함수방법의 특성분석을 위한 근거자료로 국내에서 발생한 역대태풍 중 남해안에 가장 큰 해일고를 유발했던RUSA(0215)와 MAEMI(0314) 태풍에 의한 상륙지점 부근의 조위관측치를 수집하여 분석하였다. 태풍 RUSA(0215)는 소조기에 발생하여 상륙지점 인근인 여수와 통영 모두 해당연도의 최고극조위에도 미치지 못하는 결과를 보인 반면 대조기에 발생한 MAEMI(0314)의 경우 두 지점에서 모두 해당연도의 최고극조위를 기록하고 있다.
대상 데이터
고조위 자료는 해당 조위관측소의 한시간 관측자료로부터 조화분석을 통해 얻어진 분조로부터 20년치를 미리 발생시킨다. 이 중 임의로 일년치의 고조위 자료를 선택하게 되는데 여기에는 일조부등, 대소조, 계절조뿐 아니라 달의 공전평면과 관련된 18.6년 주기까지 포함되도록 하였다. 비태풍 해일고 역시 Kang et al.
이론/모형
(2012)이 제안한 ‘조석이 지배적인 해역에 적용가능한 EST기법’을 적용한 극치해면고 산정방법을 제시하였다.
본 연구에 적용한 EST 방법은 Kang et al.(2012)이 적용한 방법과 거의 동일한 방법인 바, 먼저 1년치의 고조위를 추출한 후 비태풍해일고와 태풍해일고를 가산함으로써 연중 최고해면고를 추출하게 된다.
즉, 95% 신뢰구간은 평균값(μ)에서 2배의 표준편차(σ)를 가감한 범위인 바, 95% 신뢰구간의 최대값 또는 최소값이 되도록 평균에 2배의 표준편차를 가감한 결과를 제시함으로써 탄력적인 결과제시 및 해석이 가능해진다. 이렇게 평균값으로 산정한 극치해면고와 95% 신뢰구간 범위의 극치해면고를 확률분포함수방법(Jeonget al., 2008) 및 약최고고조위방법(AHHW method)으로 산정한 결과와 함께 Fig. 4에 제시하였다. 약최고고조위방법에서빈도별 해일고는 국토해양부의 수치실험결과(MLTMA, 2010)인 Table 1에 제시된 수치를 준용하였다.
성능/효과
10년, 30년, 50년, 100년, 200년 각 빈도의 20회 평균한 극치해면고(ESL)는 각각 449 cm, 455 cm, 459 cm, 469 cm, 488 cm로 산정되었으며, 성분별 평균값은 고조위(HW)가 각각 426 cm, 428 cm, 425 cm, 414 cm, 385 cm이고 태풍해일고(TS)는 각각 4 cm, 6 cm, 15 cm, 48 cm, 103 cm, 평균적인 비태풍해일고(NS)는 각각 19 cm, 21 cm, 19 cm, 7 cm,0 cm로 나타나고 있다. 또한 50년 빈도에서는 20회 반복시행(표에는 7회만 제시됨)에서 106 cm의 태풍해일을 포함하여 총 5번(표에는 2번만 제시됨)의 태풍해일고가 포함되었을 뿐 나머지 15회에서는 순수하게 고조위 및 비태풍해일고만으로 극치해면고가 형성되고 있음을 볼 수 있다.
EST 방법을 통해 국내 서남해안 7개 지점에서의 조석과 해일특성을 고찰한 결과 서해안 및 서남해안에 위치한 인천, 군산, 목포, 완도 등은 30년 이하 빈도에서 조석기여율이 90%를 상회하고 있는 조석지배해역이며, 여수, 통영, 부산 등 남동해안에 위치한 지역에서는 30년 이상의 빈도에서 50% 정도의 조석기여율과 50% 이상의 해일재현율을 보이는 해일지배해역임을 시사하고 있다. 조석지배해역에서는 태풍해일이 발생하지 않아도 50년 이하의 재현기간을 갖는 극치해면고가형성될 수 있는 반면 해일지배해역에서는 10년 재현기간에서만 태풍해일 없이 극치해면고가 형성될 수 있는 양상을 보이고 있다.
2에 제시하였다. TCR과 SRR은 서로 반비례하는 경향을 보이고 있으며 재현기간이 길어질수록 TCR은 감소하고 SRR은 증가하는 경향을 보이고 있다. 또한 TCR > SRR인 영역은 조석지배해역, TCR < SRR인 영역은 해일지배해역과 대체적으로 일치하는 경향을 보이고 있다.
각 지역에서 극치해면고가 형성되는 평균적인 상황을 살펴보면 조석지배해역에서 50년 빈도 이하의 경우 약최고고조위를 크게 초과하는 조위조건에 20 cm에 미달하는 작은 해일 고가 겹쳐 극치해면고가 형성되고 있으며 100년 빈도 역시 약최고고조위 수준의 조위조건에 10년 빈도에도 미달하는 태풍해일고가 겹쳐진 상황을 보이고 있다. 200년 빈도의 경우에도 약최고고조위에 다소 미달하는 조위조건에 10~30년 빈도 정도의 태풍해일이 겹쳐 극치해면고가 형성되고 있다.
즉, 50년 이하의 경우 극치해면고 중 조석이 차지하는 비율이 매우 높을 뿐 아니라 해일이 발생하더라도 극치해면고에 반영되는 비율은 30%에도 미달하는 정도이며, 100년 빈도 이상인 경우에도 조석이 차지하는 비율은 높은 수준을 유지하고 있는 상태에서 해일이 극치해면고에 반영되는 비율은 60%를 초과하고 있어 그림에서 보듯이 대부분 ‘Tide dominant’ 영역에 위치하고 있다. 따라서 이 지역에서는 기존의 확률분포함수방법이나 약최고고조위방법보다 조석이 실제적으로 반영되는 EST 방법이 훨씬 효율적이라 평가된다. 해일지배해역(YS/TY/BS)의 경우 10년 빈도에서만 0.
또한 TCR > SRR인 영역은 조석지배해역, TCR < SRR인 영역은 해일지배해역과 대체적으로 일치하는 경향을 보이고 있다.
EST 방법을 통해 국내 서남해안 7개 지점에서의 조석과 해일특성을 고찰한 결과 서해안 및 서남해안에 위치한 인천, 군산, 목포, 완도 등은 30년 이하 빈도에서 조석기여율이 90%를 상회하고 있는 조석지배해역이며, 여수, 통영, 부산 등 남동해안에 위치한 지역에서는 30년 이상의 빈도에서 50% 정도의 조석기여율과 50% 이상의 해일재현율을 보이는 해일지배해역임을 시사하고 있다. 조석지배해역에서는 태풍해일이 발생하지 않아도 50년 이하의 재현기간을 갖는 극치해면고가형성될 수 있는 반면 해일지배해역에서는 10년 재현기간에서만 태풍해일 없이 극치해면고가 형성될 수 있는 양상을 보이고 있다.
즉, 95% 신뢰구간은 평균값(μ)에서 2배의 표준편차(σ)를 가감한 범위인 바, 95% 신뢰구간의 최대값 또는 최소값이 되도록 평균에 2배의 표준편차를 가감한 결과를 제시함으로써 탄력적인 결과제시 및 해석이 가능해진다.
즉, 완도에서 극치해면고가 형성되는 대표적인 상황은, 50년 이하 빈도의 경우 태풍해일이 발생하지 않아도 고조시 비태풍 해일고만으로도 가능함을 확인할 수 있다. 태풍해일 없이 10년, 30년, 50년 빈도 극치해면고가 발생하는 18번, 17번, 15번 경우의 고조위 평균값은 각각 427 cm, 430 cm,433 cm 정도로 완도항의 약최고고조위인 400 cm에 비해 27~33 cm나 높은 상태에서 비태풍해일고가 겹쳐 극치해면고가 형성되고 있다.
즉, 평균해면을 기준으로 할 때 극치해면고 중 조석이 차지하는 비중에 비해 해일이 차지하는 비중이 약간 더 큰 것으로 나타나고 있으며 발생된 해일이 극치해면고에 반영되는 비율은 50%를 상회하는 정도를 보이고 있어 그림에서 보듯이 50년 빈도 이상에서는 ‘Surge-dominant’ 영역에 분포되어 있다.
후속연구
또한 설계조위 산정을 위한 세 가지 방법을 고찰한 결과 약최고고조위방법은 조석이 지배적인 서해안은 물론이고 남해안에서도 과다설계의 우려가 매우 큰 비현실적인 결과를 보이고 있어 조위와 해일의 발생확률 및 결합확률을 반영하는 개선안이 도출되지 않는 한 실무에서의 사용은 지양되어야 할 것이다. 확률분포함수방법은 조석과 해일이 함께 발생하는 기존 자료로부터 극치해면고를 산정하므로 자료기간이 충분할 경우 결과에 대한 신빙성이 매우 높은 방법이지만 대형태풍이 소조기나 저조시 발생할 경우 해당자료가 결과에 반영되지 않거나 매우 축소된 결과가 도출될 우려가 있기에 해일지배해역에 적용할 경우 세심한 주의가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
확률분포함수방법은 어떤 방법인가?
극치해면고 산정방법으로 널리 사용되고 있는 확률분포함수방법은 관측기간이 최소 25년 이상인 곳에 적용이 가능한 방법(Pugh, 2004)이며 매년 한 개 정도의 연고극조위 자료만 사용하므로 자료의 낭비가 심할 뿐 아니라 큰 규모의 해일이 소조기나 저조시 발생할 경우 결과에 전혀 반영되지 않을 수 있어 소수의 이상치 자료에 매우 민감하다는 단점이 있다(Toro et al., 2010).
극치해면고 산정방법으로 널리 사용되고 있는 방법은?
극치해면고 산정방법으로 널리 사용되고 있는 확률분포함수방법은 관측기간이 최소 25년 이상인 곳에 적용이 가능한 방법(Pugh, 2004)이며 매년 한 개 정도의 연고극조위 자료만 사용하므로 자료의 낭비가 심할 뿐 아니라 큰 규모의 해일이 소조기나 저조시 발생할 경우 결과에 전혀 반영되지 않을 수 있어 소수의 이상치 자료에 매우 민감하다는 단점이 있다(Toro et al., 2010).
확률분포함수방법의 단점을 대체하는 방법으로 근래에 사용되는 방법은?
, 2010). 근래에는 이를 대체하는 방법으로 EST 방법(Scheffner et al., 1999)과 같이 과거사상을 비모수적 방법으로 해석하는 방법이 널리 사용되고 있다.
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