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문제 정의
- 본 연구에서는 서남해 연안역에서 해양환경변화를 예측하고 그 영향을 면밀히 파악하기 위해 모든 분조를 포함한 완전한 형태의 조석 재현식을 도입하였다. 현재 해수유동에 관한 보편적인 수치실험에서는 주요 4대 분조를 활용하거나 그 외에 몇 개의 부가적인 분조를 필요에 따라 사용하는 경우가 일반적인데 이에 따른 해수유동의 계산결과는 해당해역의 조석 특성을 고려하여 재현되었다고 하기에는 다소 무리가 있다고 할 것이다.
- 현재 해수유동에 관한 보편적인 수치실험에서는 주요 4대 분조를 활용하거나 그 외에 몇 개의 부가적인 분조를 필요에 따라 사용하는 경우가 일반적인데 이에 따른 해수유동의 계산결과는 해당해역의 조석 특성을 고려하여 재현되었다고 하기에는 다소 무리가 있다고 할 것이다. 이와 관련하여 많은 시간과 시행착오적 계산의 반복을 줄이고 위와 같은 문제점을 보완하기 위해 본 연구에서는 30일 정도의 관측에서 얻어지는 27개의 주요분조와 8개의 상대분조를 모두 적용하여 조석을 재현하였다. 이때 본 연구에서는 천문과 관련된 절점변조진폭 f, 위상보정인자 u 및 천문인수 V를 고려한 것을 실조석(Real Tide)이라 하고, 고려하지 않은 것을 간이조석(Simple Tide)이라 정의한다.
제안 방법
- Fig. 1에서 St. P1으로부터 서측으로 약 10 km 떨어진 초록색 원으로 표시된 파고부이(KMA, 2017)의 파랑자료와 육상의 구시포항과 계마항 사이에 초록색 원으로 표시된 조위관측소(KHOA, 2017)에서 동기간의 바람 자료를 취득하여 수치 모형 실험결과와 기상조간의 관계를 파악하였다.
- 1에서 빨간색 원으로 표시된 곳은 국립 해양조사원의 조위관측소를 의미하는데 이곳에서 관측한 주변 해역의 총 5지점의 4대분조에 대한 조석 조화상수 값을 참고하여 진폭과 위상의 비를 선정하였다. 개경계역이 넓어 한점의 값으로 개경계에서 모든 Cell의 수위 결정이 어려울 경우 두 점 이상의 알려진 값으로부터 선형보간하여 반복 계산을 통해 선정된 최종 개경계의 입력값을 부여하였다.
- 그리고 조석 · 조류의 계산치와 관측치를 상관계수 및 RMS 오차를 통해 검증한 후 재현 정도 및 조석잔차류의 진행양상을 분석하여 그 적용성을 토의하였다.
- 육상부의 경계는 간석지가 발달되어 있는 경우 수위의 변화에 따라서 폐경계의 위치가 변동될 수 있는 이동경계를 취하고 있고 외해와 접한 개경계에서의 경계조건은 반복계산을 통하여 선정하였으며 수위나 유속에 의한 제어가 가능하도록 구성되어 있다. 그리고 해수유동 재현에 사용된 수치 모형의 계산결과는 수심적분된 형태의 결과이므로 현장 관측치는 중층의 값을 사용하여 그 결과를 비교하였다.
- 이때 본 연구에서는 천문과 관련된 절점변조진폭 f, 위상보정인자 u 및 천문인수 V를 고려한 것을 실조석(Real Tide)이라 하고, 고려하지 않은 것을 간이조석(Simple Tide)이라 정의한다. 본 연구와 같이 실조석을 고려한 경우에 대한 계산정도를 판단하기 위하여 실조석과 간이조석에 대해 해수유동 수치모형 실험을 수행하였는데, 실험의 절차는 주요 4대분조 만을 고려한 Case 1, 8개의 주요분조를 고려한 Case 2 그리고 27개의 주요분조 및 8개의 상대분조를 모두 적용한 Case 3로 나누어 각각 계산하였다. 그리고 조석 · 조류의 계산치와 관측치를 상관계수 및 RMS 오차를 통해 검증한 후 재현 정도 및 조석잔차류의 진행양상을 분석하여 그 적용성을 토의하였다.
- 세부사항을 살펴보면, 주요 4대분조만을 고려한 Case 1, 8개의 주요분조로 구성된 Case 2 그리고 30일 조석관측에서 얻을 수 있는 27개의 주요분조와 8개의 상대분조를 포함한 Case 3으로 분류된다. 아울러 구성된, 각 Case를 바탕으로 계산결과에 대한 조석의 재현성을 검토하고 관측치와 계산치 사이에서 RMS 오차를 산정하여 두 변수의 상관도를 나타내었다.
- 우리나라 서남해 연안역에서 해수유동을 재현하기 위해 모든 분조와 절점변조진폭 및 천문과 관계된 상수를 적용하여 실조석을 재현하였다. 정확도가 가장 우수한 Case 3을 해수유동 수치모형 실험에 적용한 결과, 2016년 추계에 조석 상관계수는 0.
- , 2019). 조석은 하얀색 원으로 표시된 St. P1에서 2016년 추계와 2017년 춘계에 약 30일 동안 관측되었으며, 관측기기인 FlowQuest(LinkQuest Inc., USA)는 자료를 매 10분 간격으로 자기기기록하도록 설정되었다(Table 1). 취득된 조석관측자료는 영국의 해양연구소(Proudman Oceanographic Laboratory, Permanent Service for Mean Sea Level)에서 Bell et al.
대상 데이터
- K-3411과 No. K-3451 등을 적용하였다(Fig. 1). 대상해역의 경계조건은 Fig.
- 1과 같이 빨간색 영역으로 표시된 개경계 5개의 점에서 절점변조진폭 f와 위상보정인자 u, 그리고 천문 인수 V를 고려한 완전한 형태의 식과 앞서 검증된 Case 3의 실조석에 의한 수위 변화를 주었다. 모형해역의 개경계 값을 입력하기에 앞서 Fig. 1에서 빨간색 원으로 표시된 곳은 국립 해양조사원의 조위관측소를 의미하는데 이곳에서 관측한 주변 해역의 총 5지점의 4대분조에 대한 조석 조화상수 값을 참고하여 진폭과 위상의 비를 선정하였다. 개경계역이 넓어 한점의 값으로 개경계에서 모든 Cell의 수위 결정이 어려울 경우 두 점 이상의 알려진 값으로부터 선형보간하여 반복 계산을 통해 선정된 최종 개경계의 입력값을 부여하였다.
- , USA)는 자료를 매 10분 간격으로 자기기기록하도록 설정되었다(Table 1). 취득된 조석관측자료는 영국의 해양연구소(Proudman Oceanographic Laboratory, Permanent Service for Mean Sea Level)에서 Bell et al.,(1999) 등에 의해 개발된 TASK - 2000(Tidal Analysis Software Kit)을 사용하여 조석조화분해를 하였고 분석된 자료는 총 27개의 주요분조와 8개의 상대분조로 구분된다.
이론/모형
- 서남해 연안역에서 실조석에 의한 해수유동 재현에 사용된 수치모형은 DIVAST(Falconer, 1976; Falconer and Owens, 1987; Falconer, 1991)의 Code를 기본적으로 이용하여 물체에 의한 유수저항을 적용할 수 있도록 수정한 모형(Jeong et al., 2019; Cho et al., 2010; Park, 2004; Park et al., 1998; Lee and Park, 1995)을 사용하였다. 이때 사용된 기본방정식 및 구성은 3차원 Navier - Stokes 방정식과 연속방정식을 수심적분된 형태로 나타내었으며, 식(3)~(5)와 같다.
성능/효과
- 2016년 추계와 동일한 방법으로 분석한 2017년 춘계에 해수유동 수치모형 실험결과는 Table 9와 같으며, 관측치와 계산치의 조석 상관계수는 0.984로 매우 정확하였고 유속의 U성분과 V성분은 0.958과 0.914의 상관도로 이때 평균 상관도는 0.936을 보이며 조석과 조류의 검증 모두 우수한 결과를 나타내었다(Fig. 10). 이와 동기간에 발생한 파랑 및 기상자료는 Fig.
- 2017년 춘계에 간이조석에 의한 재현결과는 Fig. 3과 같으며, Table 4와 같이 Case별 상관계수와 RMS 오차를 살펴보면 주요 4대분조만을 고려한 Case 1에서 상관계수 0.890, RMS 오차 0.497, Case 2에서 상관계수 0.871, RMS 오차는 0.536로 오차가 증가하는 결과를 보였고 27개의 주요분조와 8개의 상대분조를 모두 적용한 Case 3의 상관계수는 0.873, RMS 오차는 0.529로 나타났다.
- 914로 나타났다. V성분의 상관계수는 U성분보다 다소 낮은 결과를 보였는데 그 이유는 파랑 및 바람의 기상자료에서 최대유의파고 4.1 m, 최대풍속 13.1 m/s의 강풍이 불어온 것이 오차의 원인으로 판단되었다. 이에 대한 2016년추계에 유속과 파고에 대한 상관계수는 0.
- 413으로 나타나 분조의 수가 늘어남에도 불구하고 오차는 줄어들지 않았으나, 조위의 진폭은 증가하여 관측치와의 상관도는 미소하게 증가하였다. 그리고 27개의 주요분조와 8개의 상대분조를 모두 적용한 Case 3의 상관계수는 0.935, RMS 오차는 0.434로 나타났는데 이것은 오히려 계산치가 관측치에 비해 과대평가되어 그 오차가 증가하는 결과를 나타내었다(Fig. 2).
- 또한, 유속성분 U와 V의 RMS 오차와 풍속을 UW 성분과 VW 성분으로 나누어 분석한 결과에서도 2016 추계에 파고와의 상관계수는 각각 0.067과 0.179이었고 풍속과 상관계수는 각각 0.008과 0.075로 나타났으며, 유속 U와 풍속 UW 성분과 유속 V와 풍속 VW 성분에 대한 상관계수는 각각 0.037과 0.027로 나타났다.
- 4 m/s로 북풍과 남풍의 바람이 주를 이루었다. 설정된 계산영역은 지형적으로 북풍과 남풍이 불어올 때 파고가 커지는 경향을 보였고 북풍이 불면 V성분과 남풍이 불면 U성분의 오차가 커지는 결과를 나타내었다.
- 실조석으로 재현된 해수유동 계산결과는 2016년 추계 대조기의 최대유속은 창조류시 1.15 m/s, 낙조류시 1.04 m/s로 나타났고, 소조기의 최대유속은 창조류시 0.61 m/s, 낙조류시 0.54 m/s를 보였다. 2017년 춘계 대조기의 최대유속은 창조류시 0.
- 실조석으로 재현한 2017년 춘계의 계산결과는 Table 6과 같으며, 주요 4대분조만을 고려한 Case 1에서 상관계수 0.951, RMS 오차 0.335, Case 2에서 상관계수 0.992, RMS 오차 0.134로 2016년 추계와 같이 계산결과가 우수하였고 27개의 주요 분조와 8개의 상대분조를 모두 적용한 Case 3의 상관계수는 1.000, RMS 오차는 0.001 나타나 Case 3에서 관측치와 계산치의 정확도가 매우 높았다. 실조석으로 재현한 계산결과를 간이조석으로 재현된 계산결과와 비교해보면 Case 1의 RMS 오차는 0.
- 001 나타나 Case 3에서 관측치와 계산치의 정확도가 매우 높았다. 실조석으로 재현한 계산결과를 간이조석으로 재현된 계산결과와 비교해보면 Case 1의 RMS 오차는 0.048로 감소폭의 차이가 미미하였으나, Case 2와 Case 3의 경우 분조의 수가 더해짐에 따라 RMS 오차는 각각 0.249와 0.432로 주요 4대분조를 고려한 Case 1보다 큰 감소폭을 보였다.
- 실조석을 고려한 각분조 구성에 따른 Case별 잔차류 흐름을 살펴보면, 주요 4대분조만을 고려한 Case 1의 잔차류는 평균 0.022 m/s, 방향은 173°로 관측치보다 0.017 m/s 느리고 동측으로 19°의 오차가 발생하였고 8개 주요분조를 사용한 Case 2의 잔차류는 평균 0.028 m/s, 방향은 177°로 관측치보다 0.011 m/s 느리고 동측으로 15° 치우쳤으며, 27개의 주요 분조와 8개의 상대분조를 적용한 Case 3의 잔차류는 평균 0.049 cm/s, 방향 195°로 계산치가 관측치보다 평균 0.01 m/s 빠르고, 서쪽방향으로 3°의 오차로 진행양상이 관측치와 가장 유사하게 나타났다(Fig. 12).
- 이러한 기상현상은 본 연구의 해수유동 수치모형 실험에서 고려하지 못하므로 관측치와 계산치의 유속성분 상관도와 RMS 오차에 영향을 미칠 수 있다. 여기서, 실조석으로 재현된 해수유동 계산결과에서 유속 V성분의 상관계수는 0.811로 U성분의 상관계수 0.954보다 0.143 작은 결과를 보였는데, 그 원인은 Fig. 8과 같이 초록색 테두리 영역으로 표시된 해당 시기와 Fig. 9와 같이 동시간에 관측된 기상조의 변수가 그 원인인 것으로 판단되었다.
- 058이었다. 이상과 같이 기상조 비교검증 결과에서 언급한 U성분과 V성분의 오차에 대한 원인은 기상이 변수로 작용한다는 점을 제시할 수 있었다.
- 우리나라 서남해 연안역에서 해수유동을 재현하기 위해 모든 분조와 절점변조진폭 및 천문과 관계된 상수를 적용하여 실조석을 재현하였다. 정확도가 가장 우수한 Case 3을 해수유동 수치모형 실험에 적용한 결과, 2016년 추계에 조석 상관계수는 0.998, 유속은 U성분 0.954, V성분 0.811로 나타났고 2017년 춘계의 조석 상관계수는 0.984, U성분 0.958, V성분 0.914로 나타났다. V성분의 상관계수는 U성분보다 다소 낮은 결과를 보였는데 그 이유는 파랑 및 바람의 기상자료에서 최대유의파고 4.
후속연구
- 앞서 계산된 간이조석의 계산치는 관측치와의 오차가 비교적 크게 나타나 실해역에 사용하기에는 다소 무리가 있어 이러한 문제점을 보완하기 위해서는 앞서 언급한 식 (1)과 같이 절점변조진폭 f와 위상보정인자 u, 그리고 천문인수 V를 고려한 실조석을 도입하여 조석을 재현할 필요가 있다(Fig. 4 와 Fig. 5). Table 5와 같이 2016년 추계 실조석 재현의 결과는 Case 1에서 상관계수 0.
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