수압식 파고계(WTG)로 관측한 파고가 저파랑 환경에서 저평가되는 문제가 제기되어 왔으며 이 자료를 보정하여 관측오차를 줄이는 것은 WTG 실측자료를 사용해 항만정온도 기준을 개선하는데 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 네 지점에서 관측한 AWAC 및 부이식 파고계(Waverider buoy) 자료를 사용하여 동일 지점에서 관측한 WTG 유의파고를 보정하였다. 먼저 저파랑 조건 하에서 WTG 유의파고(Hm0) 값이 저평가되는 경우에도 유의파고와 첨두주기의 곱인 WTG HT는 저평가되지 않고 AWAC 및 부이식 파고계의 HT와 선형관계를 유지함을 발견하였으며, 이 선형성을 적용하여 WTG HT와 Hm0 간의 분포를 대표하는 3차 함수를 각 지점 별로 산정하였다. 이 함수를 사용하여 저파랑 임계파고로 설정한 0.7 m 이하의 WTG Hm0를 보정하였으며, 그 결과 보정된 WTG Hm0와 AWAC 및 Waverider buoy Hm0의 선형관계가 향상되었고 저평가되었던 파고도 상당부분 개선되었음을 확인하였다. 본 연구 결과를 적용하면 HT의 선형성이 유지되는 타 지역의 WTG 관측 파고를 보정하는 일과, 나아가 보다 정확한 실측자료를 제공해 해당 항만의 개선된 정온도 기준을 마련하는 일에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
수압식 파고계(WTG)로 관측한 파고가 저파랑 환경에서 저평가되는 문제가 제기되어 왔으며 이 자료를 보정하여 관측오차를 줄이는 것은 WTG 실측자료를 사용해 항만정온도 기준을 개선하는데 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 네 지점에서 관측한 AWAC 및 부이식 파고계(Waverider buoy) 자료를 사용하여 동일 지점에서 관측한 WTG 유의파고를 보정하였다. 먼저 저파랑 조건 하에서 WTG 유의파고(Hm0) 값이 저평가되는 경우에도 유의파고와 첨두주기의 곱인 WTG HT는 저평가되지 않고 AWAC 및 부이식 파고계의 HT와 선형관계를 유지함을 발견하였으며, 이 선형성을 적용하여 WTG HT와 Hm0 간의 분포를 대표하는 3차 함수를 각 지점 별로 산정하였다. 이 함수를 사용하여 저파랑 임계파고로 설정한 0.7 m 이하의 WTG Hm0를 보정하였으며, 그 결과 보정된 WTG Hm0와 AWAC 및 Waverider buoy Hm0의 선형관계가 향상되었고 저평가되었던 파고도 상당부분 개선되었음을 확인하였다. 본 연구 결과를 적용하면 HT의 선형성이 유지되는 타 지역의 WTG 관측 파고를 보정하는 일과, 나아가 보다 정확한 실측자료를 제공해 해당 항만의 개선된 정온도 기준을 마련하는 일에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
It has been reported that the wave heights measured by Wave and Tide gauges (WTG) have been underestimated, and thus it is important to improve its measuring accuracy for enhancing estimation of harbor tranquility. In this study, the significant wave heights from WTG were calibrated using measured d...
It has been reported that the wave heights measured by Wave and Tide gauges (WTG) have been underestimated, and thus it is important to improve its measuring accuracy for enhancing estimation of harbor tranquility. In this study, the significant wave heights from WTG were calibrated using measured data from AWAC and Waverider buoys moored at the same four locations with the WTG. It was observed that the product of significant wave height and peak wave period, HT, was not underestimated but linearly proportional between the measurements by two instruments. This linearity was applied to develop 3rd order polynomial functions that best represented the relationship between HT and significant wave heights measured by WTG. These functions were then applied to calibrate the WTG significant wave heights that were lower than 0.7 m, the critical value established for the low waves in this study. The results showed that the linearity between the AWAC (or Waverider buoy) and calibrated wave heights were improved, and the magnitude of underestimated WTG wave heights were increased to be more realistic. The results of this study are expected to be effectively applied for other data sets obtained by WTG only, to increase the observation accuracy of WTG and to improve the estimation of harbor tranquility.
It has been reported that the wave heights measured by Wave and Tide gauges (WTG) have been underestimated, and thus it is important to improve its measuring accuracy for enhancing estimation of harbor tranquility. In this study, the significant wave heights from WTG were calibrated using measured data from AWAC and Waverider buoys moored at the same four locations with the WTG. It was observed that the product of significant wave height and peak wave period, HT, was not underestimated but linearly proportional between the measurements by two instruments. This linearity was applied to develop 3rd order polynomial functions that best represented the relationship between HT and significant wave heights measured by WTG. These functions were then applied to calibrate the WTG significant wave heights that were lower than 0.7 m, the critical value established for the low waves in this study. The results showed that the linearity between the AWAC (or Waverider buoy) and calibrated wave heights were improved, and the magnitude of underestimated WTG wave heights were increased to be more realistic. The results of this study are expected to be effectively applied for other data sets obtained by WTG only, to increase the observation accuracy of WTG and to improve the estimation of harbor tranquility.
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문제 정의
또한 N은 파랑 주기에 따라 변할 수 있으며 장주기파의 경우 N > 1이 되며 반면에 주기가 감소하면 N < 1이 되는 경향을 보인다고 보고하였으나 이에 대한 자세한 원인은 제시하지 않았다. 그러나 이 결과는 본 연구에서 제기된 문제인 저파랑 조건 하에서 WTG 관측 파고가 저평가되는 것과 비슷한 발견으로, 본 연구 역시 특별히 저파랑 조건하에서 적합한 보정계수를 산출하는 데 그 목적이 있다.
따라서 WTG를 사용하여 측정한 파고가 부정확할 경우 이것을 토대로 산정된 항만가동율의 정확도 역시 저감되어 항만의 효율적 가동에 지장을 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 향후 보다 정확한 항만 내 파랑자료를 제공하기 위한 방편으로 WTG 관측 파고를 보정할 수 있는 한 방안을 제시한다. 이를 위해 동해안의 네 지점에서 WTG와 동시에 관측한 AWAC 및 Waverider buoy 자료를 사용하여 보정 기준으로 삼았다.
본 연구에서는 수압식 파고계(WTG)로 관측한 파고자료를 보정하여 그 정확성을 향상시키는 방법을 제시하였다. WTG의 관측파고는 저파랑 조건 하에서 AWAC이나 Waverider buoy로 측정한 파고에 비해 저평가되는 문제점이 제기되어 왔다.
여기서는 선형파 이론을 통해 파랑에 의한 압력을 해수면 변화로 전환하는 과정을 소개하고, 이를 토대로 수압식 파고계의 관측 오차 가능성을 살펴본다. 해수면 아래에서 측정되는 압력은 공기압(Air pressure)을 무시하였을 경우 정수압(Hydrostatic pressure)과 동적 압력(Dynamic pressure)의 합으로 구해지며, 다음 식으로 표시될 수 있다.
가설 설정
본 연구에서는 저파랑-단주기 조건 하에서 WTG로 측정된 유의파고가 과소평가되고, 반면에 첨두주기는 과대평가된다는 관측 결과를 토대로 다음과 같은 가설을 수립하였다.
제안 방법
4개 지점 모두에서 사용한 수압식 파고계 WTG는 매 30분마다 0.5초 간격으로 약 17분간 획득한 2,048개의 시계열 자료를 토대로 스펙트럼 분석법을 통해 유의파고(Hm0)와 첨두주기(Tp)를 계산하였다. A1 및 A2에서 측정한 AWAC과 B1, B2에서 측정한 Waverider buoy 역시 WTG와 동일한 조건으로 시계열 자료를 생성하였으며 이를 토대로 유의파고와 첨두주기 및 평균파향(Dirmn)을 계산하였으며 각 장비별 자료측정에 관한 정보는 Table 2에 나열하였다.
5초 간격으로 약 17분간 획득한 2,048개의 시계열 자료를 토대로 스펙트럼 분석법을 통해 유의파고(Hm0)와 첨두주기(Tp)를 계산하였다. A1 및 A2에서 측정한 AWAC과 B1, B2에서 측정한 Waverider buoy 역시 WTG와 동일한 조건으로 시계열 자료를 생성하였으며 이를 토대로 유의파고와 첨두주기 및 평균파향(Dirmn)을 계산하였으며 각 장비별 자료측정에 관한 정보는 Table 2에 나열하였다.
7 m)를 적용하여 WTG에서 관측한 파고 중 임계값보다 높은 파랑 이벤트를 선별하였다(Hm0 > Hm0, Cr). 그리고 선별된 Hm0에 해당하는 WTG의 HT 값을 구하고 이 둘의 분포를 계산하였다. Fig.
본 연구에서는 총 네 지점에서 관측한 AWAC과 Waverider buoy 자료를 WTG 자료와 비교하여, 서로 다른 두 장비에서 측정한 유의파고와 첨두주기가 저파랑 조건에서 각각 저평가 되거나 고평가되지만 이 둘의 곱(HT)은 일정함을 발견하였다. 그리고 이 결과를 적용하여 WTG에서 관측한 HT와 유의파고의 분포를 구하고 다시 이 분포를 대표하는 다항식을 계산하여 임계파고(Hm0, Cr)로 설정한 0.7 m 이하의 WTG 파고값을 보정하였다. 그 결과 보정된 WTG 유의파고와 AWAC 및 Waverider buoy의 유의파고의 선형 관계가 향상되었으며 저평가되었던 파고값도 상당부분 개선되었음을 확인하였다.
단, 그림에서 나타난 바와 같이 이런 오차는 유의파고가 낮을 경우에 주로 발생하며 파고가 증가함에 따라 점점 작아진다. 따라서 본 연구에서는 파고의 오차보정을 0.7 m 이하의 저파랑(Hm0, Cr = 0.7 m)에만 국한하였다. 항만 및 어항 설계기준·해설(Ministry of Oceans and Fisheries, 2017)에는 정박지의 초대형선(대형 돌핀 및 Sea berth를 이용하는 50,000톤급 이상의 선박)의 하역한계파고로 0.
먼저 3.2절에서 설명한 것처럼 보정하고자 하는 저파랑의 임계파고(Hm0, Cr = 0.7 m)를 적용하여 WTG에서 관측한 파고 중 임계값보다 높은 파랑 이벤트를 선별하였다(Hm0 > Hm0, Cr).
위 가정에 따라 WTG에서 측정한 유의파고와 첨두주기를 결합한 모수(Parameter)인 HT = Hm0 × Tp의 분포 특성을 고찰하였다.
위에서 설정한 가설이 검증됨에 따라 본 절에서는 WTG에서 측정한 HT 관측값을 사용하여 Hm0 관측값을 보정하는 방법 및 결과를 제시한다.
항만 및 어항 설계기준·해설(Ministry of Oceans and Fisheries, 2017)에는 정박지의 초대형선(대형 돌핀 및 Sea berth를 이용하는 50,000톤급 이상의 선박)의 하역한계파고로 0.7~1.5 m를 제시하고 있어 본 연구에서는 저파랑 임계파고를 0.7 m로 적용하였고 이는 항만정온도 개선이라는 연구목적에도 부합한다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 관측 자료는 후포(A1), 영일만(A2), 포항신항(B1) 및 부산항 신항(B2) 인근의 총 4개 지점에서 측정하였다(Fig. 1). 이 중 A1과 A2에는 WTG와 함께 Nortek사의 AWAC을 설치하여 수압식 파고계의 자료를 보정하였으며, B1 및 B2 지점에는 WTG와 함께 Datawell사의 Waverider buoy를 설치하여 자료를 보정하였다.
1). 이 중 A1과 A2에는 WTG와 함께 Nortek사의 AWAC을 설치하여 수압식 파고계의 자료를 보정하였으며, B1 및 B2 지점에는 WTG와 함께 Datawell사의 Waverider buoy를 설치하여 자료를 보정하였다.
따라서 본 연구에서는 향후 보다 정확한 항만 내 파랑자료를 제공하기 위한 방편으로 WTG 관측 파고를 보정할 수 있는 한 방안을 제시한다. 이를 위해 동해안의 네 지점에서 WTG와 동시에 관측한 AWAC 및 Waverider buoy 자료를 사용하여 보정 기준으로 삼았다.
성능/효과
7 m 이하의 WTG 파고값을 보정하였다. 그 결과 보정된 WTG 유의파고와 AWAC 및 Waverider buoy의 유의파고의 선형 관계가 향상되었으며 저평가되었던 파고값도 상당부분 개선되었음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 사용한 방법을 적용하면 WTG만을 사용해 측정한 다른 지역의 파고값도 보정할 수 있으며 그 관측 정확도가 유의미하게 향상될 수 있을 것으로 판단된다.
예를 들어 AWAC이나 Waverider buoy의 관측 주기가 5초인 경우 WTG의 관측값은 네 지점 모두 5초 이상으로 고평가된 것을 알 수 있다. 따라서 Fig. 2와 Fig. 3에서 발견된 결과를 종합해 보면 파고와 주기가 모두 작은 저파랑 조건 하에서 WTG 관측값은 AWAC이나 Waverider buoy 자료에 비해 유의파고는 저평가되는 반면 첨두주기는 고평가되는 것으로 판단할 수 있다.
이에 대한 또 다른 근거는 식(6)에서 나타난 바와 같이 Kz에 의한 오차가 발생한다면, 이는 동일지역에서 관측되는 자료에 대해 파고 및 주기에 무관하게 모든 파랑 영역에서 동일하게 작용할 것이다. 따라서 본 연구에서와 같이 서로 다른 수심의 관측 장비에서 단주기 파랑 조건 하에서만 저평가되는 WTG 관측 오차는 Kz에 기인한 것은 아닌 것으로 판단할 수 있다.
60 m의 범위인 경우가 많다. 따라서 본 연구의 관측 지점 수심(14.5~24.5 m)을 고려할 때 z/d 값이 1에 가까워서 이 원인에 의한 오차는 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
이런 이유로 30 m 이상의 깊은 수심에서는 WTG 파고계의 사용을 가능한 한 억제하며 대신 AWAC 또는 Waverider buoy 파고계를 주로 사용하는 경향이 있다. 본 연구에서 WTG 자료 보정에 사용한 네 곳의 관측 지점 수심은 14.5~24.5 m로 Kz에 의한 오차 범위가 허용 한계를 초과하지 않을 것으로 판단된다. 이에 대한 또 다른 근거는 식(6)에서 나타난 바와 같이 Kz에 의한 오차가 발생한다면, 이는 동일지역에서 관측되는 자료에 대해 파고 및 주기에 무관하게 모든 파랑 영역에서 동일하게 작용할 것이다.
본 연구에서는 총 네 지점에서 관측한 AWAC과 Waverider buoy 자료를 WTG 자료와 비교하여, 서로 다른 두 장비에서 측정한 유의파고와 첨두주기가 저파랑 조건에서 각각 저평가 되거나 고평가되지만 이 둘의 곱(HT)은 일정함을 발견하였다. 그리고 이 결과를 적용하여 WTG에서 관측한 HT와 유의파고의 분포를 구하고 다시 이 분포를 대표하는 다항식을 계산하여 임계파고(Hm0, Cr)로 설정한 0.
후속연구
예를 들어 본 연구에서는 두 개의 관측 장비에서 측정한 자료를 모두 사용하여 식(9)의 회기곡선을 산출하였다. 그러나 두 장비 간 오차가 적은 자료를 선별하여 이를 토대로 회기곡선을 계산하고, 그 결과를 오차가 큰 자료의 보정에 적용하는 등 보정 절차를 세밀화하면 그 정확성이 향상될 수 있을 것이다. 또한 Fig.
다만 본 연구에서 항만 및 어항 설계기준·해설(해양수산부, 2014)에서 제시된 하역한계파고를 토대로 하여 0.7 m로 적용한 저파랑 임계파고(Hm0, Cr) 값의 기준에 대해서는 향후 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
또한 흐름이 존재할 경우 동적 압력에 변화를 가져와 압력계를 통해 측정한 파고에 변화가 발생할 수 있다. 다만 이 두 가지 요인에 의한 변화는 서로 상쇄작용을 발생할 수 있으며 정확한 영향은 보다 면밀한 연구가 필요한 것으로 제기되었다. 그 외 2차 압력항 및 비선형파 효과에 의한 오차는 본 연구의 자료를 통해 구분하기 어려우나 위에서 제기한 보정계수는 실험에 기반한 경험값(Empirical value)으로서 따라서 본 연구에서 시도하고 있는 관측 자료에 기반한 파고 측정값 보정은 이상의 효과들을 포함하는 것으로 판단할 수 있다.
그 결과 보정된 WTG 유의파고와 AWAC 및 Waverider buoy의 유의파고의 선형 관계가 향상되었으며 저평가되었던 파고값도 상당부분 개선되었음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 사용한 방법을 적용하면 WTG만을 사용해 측정한 다른 지역의 파고값도 보정할 수 있으며 그 관측 정확도가 유의미하게 향상될 수 있을 것으로 판단된다.
이에 대한 정확한 원인은 아직 파악되지 않았으나 Table 1에 나와 있듯이 이 지역의 관측 수심이 타 지역보다 얕은 것을 알 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 정밀한 분석을 통해 보정에 필요한 모수에 수심 등 다른 요인을 추가하여 절차 및 수식을 보다 세분화시키는 작업도 필요할 것으로 판단된다.
마지막으로, 본 연구에서는 파고가 증가함에 따라 관측된 HT는 선형으로 y = x 직선에 부합하게 증가한다는 가정에 근거하여 자료를 분석하였는데 본 연구결과를 보다 광범위하게 적용하기 위해서는 보다 많은 지역에서 관측한 자료를 통하여 이 가정을 입증하는 것이 요구된다. 또한 향후 연구에서는 보정 오차를 줄일 수 있도록 보정 방법을 보다 정밀화하는 것이 필요하다. 예를 들어 본 연구에서는 두 개의 관측 장비에서 측정한 자료를 모두 사용하여 식(9)의 회기곡선을 산출하였다.
마지막으로, 본 연구에서는 파고가 증가함에 따라 관측된 HT는 선형으로 y = x 직선에 부합하게 증가한다는 가정에 근거하여 자료를 분석하였는데 본 연구결과를 보다 광범위하게 적용하기 위해서는 보다 많은 지역에서 관측한 자료를 통하여 이 가정을 입증하는 것이 요구된다. 또한 향후 연구에서는 보정 오차를 줄일 수 있도록 보정 방법을 보다 정밀화하는 것이 필요하다.
예를 들어 보정에 필요한 AWAC 자료 없이 WTG 자료만 존재하는 경우라도 HT가 선형으로 증가한다는 가정을 적용하면 저파랑 환경의 파고값을 보정할 수 있으나 이 때 Hm0, Cr을 어떻게 결정하는 지에 따라 다항식의 계수값이 변할 것이고 보정의 정확성도 변할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 Hm0, Cr 값을 변수로 하여 여러 차례 분석을 시행한 후 다항식 계수값이 안정화되는 Hm0, Cr 값을 채택한다면 보다 범용적으로 적용 가능한 기준을 제시할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
논란이되는 수압식 파고계의 단점은 무엇인가?
20세기 중반에 도입된 수압식 파고계(WTG: Wave and Tide Gauge)는 현재까지도 천해의 파랑자료를 측정하는데 널리 쓰이는 관측 장비 중 하나이다. 그러나 해저면에서 측정한 해수압을 선형파 이론(Linear wave theory)을 적용하여 파고로 전환하는 WTG 자료의 정확성은 오랜 기간 논란의 대상이 되어왔다. 대표적인 예로 미육군공병단에서 발간한 보고서(US Army Corps of Engineers, 1984)는 WTG로 관측한 파고가 파랑 주기가 감소함에 따라 함께 감소하는 결과를 제시하여, 특히 단주기 파랑 조건 하에서 WTG로 측정한 파고가 과소평가될 수 있음을 경고하였다.
해수면 아래에서 측정되는 압력은 어떻게 구해지는가?
여기서는 선형파 이론을 통해 파랑에 의한 압력을 해수면 변화로 전환하는 과정을 소개하고, 이를 토대로 수압식 파고계의 관측 오차 가능성을 살펴본다. 해수면 아래에서 측정되는 압력은 공기압(Air pressure)을 무시하였을 경우 정수압(Hydrostatic pressure)과 동적 압력(Dynamic pressure)의 합으로 구해지며, 다음 식으로 표시될 수 있다.
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