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문제 정의
- 본 연구에서는 2012년 서해안에 내습한 태풍 볼라벤(Bolaven)에 대해 JMA-MSM 예보기상장과 JTWC best track에서 제공하는 파라미터를 이용하여 생성한 기상장(이후부터 ‘JTWC best track 기상장’으로 간략히 표기)을 이용하여 폭풍해일과 파랑을 수치모의하고, 계산된 해일고와 파고를 관측치와 비교하여 해일 및 파랑 수치모형의 재현성과와 수치모의에 사용된 기상장 신뢰도를 평가해보고자 한다.
- 폭풍해일과 파랑 수치모의 시 바닥마찰과 기타 모든 경험 상수는 원래 ADCIRC와 unSWAN에서 제공하는 기본 값을 조정하지 않고 그대로 사용하였다. 본 연구에서는 우리나라 서해, 남해, 동해의 전 해역에 고르게 분포한 파고 부이 관측자료와 조위 관측자료를 입수하고 수치모의 계산치와의 비교를 통해 각종 기상장의 전반적인 시공간적 신뢰도를 평가하였다.
- 10을 이용하였다. 이 수치모형들의 자세한 지배방정식과 수치 기법에 대해서는 다양한 연구논문 등을 통해 잘 정립되어 있으므로 생략한다. 본 연구에서 사용된 ADCIRC와 unSWAN의 과거 version과의 가장 큰 차이는 강풍 시 바람의 에너지 전달 계수인 항력계수 Cd가 과거 version에 비해 크게 약화되었다는 점이다.
- 2012년도에는 파고 부이가 널리 보급되지 않아 관측자료가 많지 않으므로 당시 입수 가능한 파고 관측 자료는 거의 다 비교에 사용되었다. 이들 중 남해 동부와 동해의 관측점 들은 태풍 영향이 크지 않았으나 각 기상장의 시공간적 신뢰도를 평가할 목적으로 포함하였다.
제안 방법
- 총 173,202개의 요소와 총 93,486개의 절점을 사용하였다. Fig. 5는 수치모의 결과와 관측치를 비교하는 정점의 위치를 보여주는 바, 폭풍해일에 대해서는 태풍의 강풍 영역인 제주도 해역과 서해 해안에 위치하는 주요 항을 포함하여 남해안과 동해안의 항만 등 총 14개 정점에서 관측된 조위 관측 기록으로부터 예상조위를 제거한 순수 폭풍해일 시계열(KHOA, 2012)과 수치모의 결과를 비교하였으며, 파랑에 대해서는 해양조사원과 기상청에서 운영하는 외해 및 연안 파고부이 관측점 및 Jeong(2017)의 독자적인 파고 관측점 등 총 13개 정점에서 관측된 유의파고를 수치모의 결과와 비교하였다. 2012년도에는 파고 부이가 널리 보급되지 않아 관측자료가 많지 않으므로 당시 입수 가능한 파고 관측 자료는 거의 다 비교에 사용되었다.
- 3에 표시된 태풍 경로는 JMA-MSM 기상장에는 일본 기상청의 최적경로인 RSMC 경로를, JTWC-BT 기상장에는 JTWC에서 제공하는 경로를 각각 표시하였다. JMA-MSM 풍속은 10분 지속 풍속인 반면 JTWC-BT로부터 구한 풍속은 1분 지속 풍속이므로 10분 지속 풍속으로 변환하여 도시하였다. 그림에 보인 바와 같이 JMA-MSM의 기압장과 바람장이 JTWC-BT에 의한 것보다 영향범위가 훨씬 넓고 태풍 외곽인 배경장에서의 기상 변화도 나타난다.
- 따라서 파랑장에 대한 관측치와의 비교를 통해 바람장의 신뢰성을 먼저 파악하고 나면, 후속되는 폭풍해일 수치모의에서 기상장과 수치모의의 정밀도 검증 시 기압장의 기여도를 따로 평가할 수 있어 편리하다. 그러므로 파랑 수치모의를 먼저 수행하고 관측치와 비교하여 평가한다.
- 다음으로는 바람장에 대한 평가가 이루어진 상태에서 기압장의 신뢰도를 평가하기 위해 폭풍해일 수치모의를 수행하고 관측치와 비교하였다. Fig.
- 본 연구의 폭풍해일 수치모의와 파랑 수치모의에 사용되는 JTWC-BT 바람장은 폭풍해일 수치모형인 ADCIRC의 option에서 NWS를 기본형인 8(Symmetric vortex model)로 선택하고 Table 1의 정보를 입력하여 폭풍해일 수치모의를 수행한 다음, ADCIRC에서 생성해준 기본형 바람장 파일을 파랑 수치모형인 unSWAN에 공급하여 파랑을 수치모의 하였다. 또한 Suh and Kim(2012)에서 사용한 동적 비대칭 바람장을 얻기 위해 ADCIRC에서 제공하는 보조 프로그램인 ASWIP.F 에 Table 1의 정보를 넣어 Table 2에 보인 바와 같은 추가적인 정보를 얻고, 이 추가 정보를 ADCIRC에 option NWS=19 (Dynamic asymmetric model)를 선택하여 입력한 다음, 기본형과 같은 방법으로 unSWAN과 바람장을 공유하여 파랑 수치모의를 수행하였다. JMA-MSM 기상장과 JTWC-BT에 대한 자세한 정보는 각각 http://www.
- 이 기상장은 해양수산부(2019)에서 전국 심해설계파 산출을 위한 태풍 시의 파랑 추산에 사용되어 그 타당성이 확보된 바 있다. 또한 비교를 위해 미국 합동태풍경보센터(JTWC, Joint Typhoon Warning Center)에서 제공하는 best track(이후부터 JTWC-BT로 간단히 표기) 정보를 이용한 기압장과 바람장을 이용한 수치모의도 수행하였다. JTWC-BT 정보는 태풍 이동경로를 축으로 하여 해역을 4개 구역으로 나누고 각 구역마다 풍속이 34 knot, 50 knot, 64 knot가 되는 반경 및 최대풍속과 중심기압 및 태풍의 영향반경 그리고 배경기압 등을 제공하여 좀 더 현실적인 바람장을 구할 수 있도록 개선되었다.
- 본 연구에서는 2012년 8월 제주도 서쪽 해상을 지나 서해안에 내습하여 제주도와 서해 남부해안에 큰 피해를 입힌 태풍 볼라벤에 의한 폭풍해일과 파랑을 수치모의하고, 관측치와의 비교를 통해 기상장(기압장과 바람장)의 신뢰도를 평가하였다. 기상장으로는 3차원 기상 수치모의에 의해 산출된 일본 기상청의 JMA-MSM 예보 기상장과 소수의 태풍 정보만으로 기상장을 간편하게 생성하는 미국합동태풍경보센터의 JTWC best track 기반 기상장을 사용하였다.
- html)된다. 본 연구에서는 예보 기상장의 3시간마다 주어지는 각 3일간의 첫 3시간 자료만을 추출하고 이를 연결하여 1시간 간격의 기상장을 생성하여 수치모의에 사용하였다. 이렇게 생성된 기상장은 재분석 기상장과 거의 동일한 수준임을 확인하였으며, 현장 실무에의 적용에는 무리가 없을 것으로 판단된다.
- Table 1은 태풍 볼라벤이 우리나라 해상에 영향을 미치기 시작하는 2012년 8월 27일 12:00시(UTC) 이후의 JTWC-BT 정보이다. 본 연구의 폭풍해일 수치모의와 파랑 수치모의에 사용되는 JTWC-BT 바람장은 폭풍해일 수치모형인 ADCIRC의 option에서 NWS를 기본형인 8(Symmetric vortex model)로 선택하고 Table 1의 정보를 입력하여 폭풍해일 수치모의를 수행한 다음, ADCIRC에서 생성해준 기본형 바람장 파일을 파랑 수치모형인 unSWAN에 공급하여 파랑을 수치모의 하였다. 또한 Suh and Kim(2012)에서 사용한 동적 비대칭 바람장을 얻기 위해 ADCIRC에서 제공하는 보조 프로그램인 ASWIP.
대상 데이터
- 본 연구에서 폭풍해일을 수치모의하기 위한 수치모형으로 Luettich et al.(1992, 1994)에 의해 개발되어 전 세계적으로 널리 보급된 ADCIRC ver.53.04를 선정하였다. ADCIRC는 파동방정식 형태의 연속방정식을 채택한 천수방정식을 지배방정식으로 하는 유한요소모형으로 기압과 바람 변화에 의한 폭풍해일은 물론이고, 조석과 조류 등의 해수유동과 하천 흐름 등의 천수 흐름을 해석할 수 있다.
- 본 연구에서는 2012년 8월 제주도 서쪽 해상을 지나 서해안에 내습하여 제주도와 서해 남부해안에 큰 피해를 입힌 태풍 볼라벤에 의한 폭풍해일과 파랑을 수치모의하고, 관측치와의 비교를 통해 기상장(기압장과 바람장)의 신뢰도를 평가하였다. 기상장으로는 3차원 기상 수치모의에 의해 산출된 일본 기상청의 JMA-MSM 예보 기상장과 소수의 태풍 정보만으로 기상장을 간편하게 생성하는 미국합동태풍경보센터의 JTWC best track 기반 기상장을 사용하였다. 폭풍해일 수치 모형으로는 유한요소모형인 ADCIRC를, 파랑 수치모형으로는 역시 유한요소모형인 unSWAN의 최신 버전을 이용하였다.
- 예보 기상장은 매 3시간마다 향후 3일간의 예보 기상장을 산출하여 1시간 간격으로 제공하며, 재분석 기상장은 지나간 기간의 기상을 재분석하여 1시간 간격으로 제공한다. 예보 기상장은 무료로 제공(http://database.rish.kyoto-u.ac.jp/arch/jmadata/data/gpv)되나, 재분석 기상장은 1개월 단위로 유료로 제공(http://www.jmbsc.or.jp/jp/online/c-onlineF.html)된다. 본 연구에서는 예보 기상장의 3시간마다 주어지는 각 3일간의 첫 3시간 자료만을 추출하고 이를 연결하여 1시간 간격의 기상장을 생성하여 수치모의에 사용하였다.
- 이 연구의 대상으로 선정한 2012년의 태풍 볼라벤은 제주도 서쪽을 통해 북상하면서 제주도 서귀포항 외곽 방파제에 큰 피해를 입히고, 계속 북상하여 2011년 태풍 무이파에 의해 파괴된 가거도항 방파제에 연이어 피해를 입힌 바 있다. Fig.
- 4는 폭풍해일과 파랑을 수치모의하기 위한 유한요소 망을 보여준다. 총 173,202개의 요소와 총 93,486개의 절점을 사용하였다. Fig.
- 태풍 볼라벤 통과 시 폭풍해일과 파랑을 수치모의하기 위한 입력 기상장으로 일본 기상청(Japan Meteorological Agency)에서 제공하는 JMA-MSM 예보 기상장을 사용하였다. JMAMSM 기상장은 일본과 한국을 포함하는 주변 해역을 대상으로 하는 지역 기상장으로서, 초기인 2002년에는 약 10 km 격자로 운영되다가 2006년부터는 5 km 격자로 세분하여 1시간 간격의 상세한 기상장을 제공하고 있다.
이론/모형
- 또한 unSWAN을 이용한 파랑 수치모의 시 Komen et al.(1984)의 바람 에너지 전달 관계식을 선택하였다.
- 기상장으로는 3차원 기상 수치모의에 의해 산출된 일본 기상청의 JMA-MSM 예보 기상장과 소수의 태풍 정보만으로 기상장을 간편하게 생성하는 미국합동태풍경보센터의 JTWC best track 기반 기상장을 사용하였다. 폭풍해일 수치 모형으로는 유한요소모형인 ADCIRC를, 파랑 수치모형으로는 역시 유한요소모형인 unSWAN의 최신 버전을 이용하였다. 폭풍해일과 파랑 수치모의 시 바닥마찰과 기타 모든 경험 상수는 원래 ADCIRC와 unSWAN에서 제공하는 기본 값을 조정하지 않고 그대로 사용하였다.
- ADCIRC는 파동방정식 형태의 연속방정식을 채택한 천수방정식을 지배방정식으로 하는 유한요소모형으로 기압과 바람 변화에 의한 폭풍해일은 물론이고, 조석과 조류 등의 해수유동과 하천 흐름 등의 천수 흐름을 해석할 수 있다. 한편 파랑 재현을 위한 수치모형으로는 Delft University에서 개발하고 수많은 현장에 적용되어 검증이 된 유한요소모형인 unSWAN ver.41.10을 이용하였다. 이 수치모형들의 자세한 지배방정식과 수치 기법에 대해서는 다양한 연구논문 등을 통해 잘 정립되어 있으므로 생략한다.
성능/효과
- 또한 비교를 위해 미국 합동태풍경보센터(JTWC, Joint Typhoon Warning Center)에서 제공하는 best track(이후부터 JTWC-BT로 간단히 표기) 정보를 이용한 기압장과 바람장을 이용한 수치모의도 수행하였다. JTWC-BT 정보는 태풍 이동경로를 축으로 하여 해역을 4개 구역으로 나누고 각 구역마다 풍속이 34 knot, 50 knot, 64 knot가 되는 반경 및 최대풍속과 중심기압 및 태풍의 영향반경 그리고 배경기압 등을 제공하여 좀 더 현실적인 바람장을 구할 수 있도록 개선되었다. Table 1은 태풍 볼라벤이 우리나라 해상에 영향을 미치기 시작하는 2012년 8월 27일 12:00시(UTC) 이후의 JTWC-BT 정보이다.
- 그림에 보인 바와 같이 JMA-MSM의 기압장과 바람장이 JTWC-BT에 의한 것보다 영향범위가 훨씬 넓고 태풍 외곽인 배경장에서의 기상 변화도 나타난다. JTWC-BT에 의한 기상장 중에서 기본형은 영향반경과 최강풍속 등 모든 면에서 약하게 나타났으며, 비대칭형은 기압의 영향범위나 풍속의 강도가 기본형에 비해 크게 증가하였으나 JMA-MSM에 비하면 약하며, 특히 태풍 경로의 좌측 가항 해역의 풍속이 매우 약하다. 어느 기상장이 더 현실적인지는 각 기상장을 이용하여 폭풍해일 및 파랑 수치모의를 실시하고 그 결과를 관측치와 비교하여 판단할 수 있다.
- 그림에 보인 바와 같이 JMA-MSM 바람장을 이용한 경우 초기에는 파고가 약간 과대평가되었으나 전반적으로 파고가 잘 재현되었음을 알 수 있다. 그러나 JTWC best track 바람장을 이용한 경우 태풍 영향권이 좁고 풍속이 약해 태풍 중심으로부터 멀리 떨어질수록 계산된 파고가 과소평가되었다.
- 9는 제주도 해안과 전라남도 남해안에 위치하는 서귀포, 성산포, 제주, 거문도, 고흥 발포항과 광양항에서 태풍 볼라벤 내습 시 관측된 폭풍해일고의 시계열과 JMA-MSM 기상장 및 JTWC best track 정보를 이용한 기상장을 사용하여 ADCIRC 수치모형에 의해 계산된 폭풍해일고 시계열을 비교한 것이다. 그림에 보인 바와 같이 JTWC best track 기상장은 태풍 영향권이 협소하여 태풍 중심으로부터 멀리 떨어질수록 전반적으로 폭풍해일이 과소평가되었다. 반면에 JMA-MSM 기상장을 사용하면 태풍 영향 기간 이전부터 태풍이 통과한 이후의 전 기간에 대해 관측치와 매우 잘 일치하는 결과를 보인다.
- 따라서 태풍 볼라벤에 대한 기상장 재분석 시 이러한 경향을 고려하면 재분석된 기상장의 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로 덕적도 파고 부이에서의 파고를 비교해보면 JMA-MSM 바람장을 사용한 경우가 JTWC best track 바람장을 이용한 경우보다 전반적으로 관측치에 더 근접하게 나타났다. 서해상의 3개 정점에서 관측된 파고 시계열을 살펴보면 모두 파고의 첨두가 2번 나타나는 공통점이 있다.
- 먼저 바람장의 신뢰도를 평가하기 위해 바람 만에 의해 결정되는 파랑에 대해 관측치와 계산치를 13개 정점에서 비교한 결과, 3차원 JMA-MSM 기상장은 태풍이 직접 통과하는 서해상의 강풍 영역에서 파고가 과대평가되었다. 그러나 태풍 경로에서 어느 정도 벗어난 남해안과 동해안의 넓은 해역에 걸쳐 파고 부이 관측 자료를 잘 재현하였다.
- 그러나 태풍 경로에서 어느 정도 벗어난 남해안과 동해안의 넓은 해역에 걸쳐 파고 부이 관측 자료를 잘 재현하였다. 반면 JTWC best track 기반 기상장은 태풍의 영향 해역이 JMA-MSM 보다 협소하여 대부분의 해역에서 파고가 과소평가되었다. 전반적으로는 JMA-MSM 예보 바람장이 JTWC best track 바람장 보다 파고 재현에 있어서 좀 더 우수한 결과를 준다.
- 이상의 파랑 수치모의와 관측치와의 비교를 통해 태풍 볼라벤 내습 시 우리나라 모든 해역에서 JMA-MSM 바람장의 신뢰성이 높음을 알 수 있었다. 반면 JTWC의 best track에 의한 바람장은 영향 반경이 실제보다 작아 태풍 중심으로부터 멀리 떨어질수록 그 신뢰도가 낮아짐을 알 수 있었다.
- 이 수치모형들의 자세한 지배방정식과 수치 기법에 대해서는 다양한 연구논문 등을 통해 잘 정립되어 있으므로 생략한다. 본 연구에서 사용된 ADCIRC와 unSWAN의 과거 version과의 가장 큰 차이는 강풍 시 바람의 에너지 전달 계수인 항력계수 Cd가 과거 version에 비해 크게 약화되었다는 점이다. 과거 SWAN ver.
- 이는 JTWC best track에 의한 바람장의 영향권이 실제보다 협소하여 서해로 통과하는 태풍으로부터 멀리 떨어진 동해상에는 거의 영향을 미치지 못하기 때문이다. 이상의 파랑 수치모의와 관측치와의 비교를 통해 태풍 볼라벤 내습 시 우리나라 모든 해역에서 JMA-MSM 바람장의 신뢰성이 높음을 알 수 있었다. 반면 JTWC의 best track에 의한 바람장은 영향 반경이 실제보다 작아 태풍 중심으로부터 멀리 떨어질수록 그 신뢰도가 낮아짐을 알 수 있었다.
- 그러나 JMA-MSM 바람장도 재분석을 통해 개선할 필요성이 있다. 한편 14개 항만에서 관측된 폭풍해일과 수치모의 결과를 비교한 결과, 3차원 JMA-MSM 기상장은 태풍 경로 상의 육지와 바다 등의 지형과 선행 배경 기상장이 잘 반영되어 태풍 통과 전후의 전 기간에 걸쳐 폭풍해일 시계열을 잘 재현한 반면, JTWC best track 기상장은 태풍 자체에 의한 기압과 바람 정보만 제공하므로 태풍 영향 구역 내에서만 영향을 미쳐 해일고의 시간적 변화 등 전반적인 추세를 반영하지 못하는 등 한계가 있었다.
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