온라인 역사관파랑특성 및 관측방법 (Ⅱ)
- 조회 : 10341
- 등록일 : 2018-01-30
운용해양예보연구센터 임학수 책임연구원
3. 파랑관측 및 분석
3.1 파랑 관측장비
파랑은 다양한 방법으로 관측할 수 있다. 전통적으로 많이 사용하는 방식인 해수면 위에 떠서 파고, 파향, 주기를 관측하는 부이식 파고계(wave radar buoy)와 해저면에 설치하여 관측하는 수압식 파고계(pressure wave recorder) 또는 초음파식 파고계(accoustic wave recorder)가 있다. 또한, 종합해양과학기지와 같이 해수면 위 플랫폼이나 선박에 설치하여 파랑을 측정하는 MIROS Wave Radar 등이 있다. 과거부터 연안 파랑의 관측에 많이 사용한 수압식 파고계는 해저면 부근의 파고계 설치점에서 수압 변위을 측정하여 해수면 변위로 변환하는 방식이다. 장비가 작고 설치가 간단하여 많이 사용하였으나 수위기록을 얻기 위해 수압기록을 변환하는 단점과 파향을 관측할 수 없는 한계가 있다. 연안에서 수심 약 40m 이내 해저면에서 설치하는 초음파식 파랑계는 3개 이상의 음파센서에서 초음파를 발사해 반사되어 돌아오는 시간차로부터 파고, 파향, 주기를 구하는 방식이다. 초음파식 파랑유속계는 수층별 유속과 유향도 함께 관측할 수 있어 최근에 많이 사용하고 있다. 수심 등 관측장비 설치조건 및 용도에 따라 관측방법을 결정할 수 있으며, 관측장비의 특성은 다음과 같다.
3.1.1 수압식 파고계
3.1.2 가장 전통적인 방법으로 해저면에 설치된 센서로 수압을 계측한 후 장주기 성분을 제거한 수면변위 성분을 분석하여 파랑을 관측한다. 장비의 구조가 단순하며 저렴한 장점이 있으나 주기가 짧은 파랑에 대해서는 감도가 떨어지는 단점을 가지고 있다.
3.1.3 초음파식 파고계 (해수면 설치형)
종합해양과학기지와 같이 해수면 위 플랫폼이나 선박에 설치하여 파랑을 관측하는 방법으로 해수면 위에 설치된 센서에서 초음파를 송신하고 해면에서 반사된 초음파를 수신하여 파랑을 계측한다.
3.1.4 초음파식 파고계 (해저면 설치형)
연안에서 수심 약 40m 이내에 주로 사용하며 해저면에서 설치된 3개이상의 음파 센서에서 초음파를 송신하여 수면에서 반사된 초음파를 수신하여 파랑을 계측한다. 최근에 가장 많이 사용되는 방법으로 자세한 사항은 아래에서 기술하기로 한다.
3.1.5 부이식 파고계 (가속도 계측형)
일반적인 부이식 파고계는 해수면을 떠다니면서 표면의 움직임을 부이 내부에 설치된 가속도 센서를 통해 파랑을 계측한다.
원격탐사식 파고계 (인공위성, 영상분석)
3.2 파랑 관측방법 (초음파식 파고계)
3.2.1 계류형 관측방법
해저면에 계류하여 해수면의 파랑과 수층별 유속을 동시에 관측하는 초음파식 파랑유속계는 미국 RD Instrument사의 ADCP와 노르웨이 Nortek AS사의 AWAC이 대표적으로 많이 사용되고 있다. 초음파식 유속계측 센서를 사용하여 해저면에 프레임과 같이 계류하여 매 10분 또는 지정한 시간마다 반복하여 0.5∼1 m 수심 간격으로 층별 유속과 유향을 측정하며, 매 20분 또는 지정한 시간마다 표층에서의 파랑(파고, 파향, 주기)을 관측한다.
연안용 음파식 파랑유속계 AWAC은 1 MHz (수심 20 m 이내) 또는 600 kHz (수심 40 m 이내)의 음파 센서 3개가 동시에 음파강도를 측정하고 도플러 효과를 이용해 흐름의 크기와 방향을 관측하며, AST (Acoustic Surface Tracking) 기법으로 해수면 변위 (또는 조위)를 정밀하게 측정한다. 파고와 주기뿐만 아니라 파향도 정확하게 관측함으로써, 파고와 주기만 측정하는 수압식 파고계와 AST 기능 없이 압력값 위주로 파랑 정보를 관측했던 ADCP보다 성능이 우수하여 최근 우리나라 서해, 남해, 동해 연안에서 파랑과 흐름을 동시 관측하는 경우에 많이 사용되고 있다 (Lim, 2016, Lim et al., 2016). 또한, AWAC은 유속센서와 함께 압력센서와 수온센서를 부착하고 있어 유속관측과 동시에 해수면 조위와 해저면 수온도 관측한다. 그림 1은 해양수산부 R&D인 ‘연안침식 대응기술 개발’ 과제의 일환으로 해운대 해역에서 AWAC (600 kHz)를 이용하여 파랑을 집중 관측한 위치와 기간을 보여주고 있다.
그림1. AWAC을 이용한 해운대 연안 파랑 및 유속 집중관측
3.2.2 실시간 관측방법
태풍에 의한 월파, 폭풍해일 또는 지진해일 등 연안재해를 적극적으로 대응하기 위해 실시간 파랑관측의 중요성이 증대되고 있다. 외해에서 실시간 파랑관측은 Wave-Radar Buoy나 파랑센서를 탑재한 대형 Buoy에 위성통신 모듈을 설치하여 파랑센서에서 관측된 파고, 파향, 주기 정보를 실시간으로 전송받는다. 반면에, 연안에서는 Wave Processing 모듈을 포함한 ADCP나 AWAC을 프레임에 설치하고, 음파식 모뎀(acoustic modem) 2대를 해저면 AWAC 프레임과 해수면 부이에 탑재하여 실시간으로 관측·처리한 파랑, 유속, 압력, 수온 정보를 설정한 시간마다 센서에서 부이 테이터 로거에 무선으로 전송하고, 부이에서 CDMA나 위성을 이용하여 실시간으로 육상 자료저장 서버에 전송할 수 있다. 그림 2는 해양수산부 R&D인 ‘운용해양(해양예측) 시스템 연구’ 과제의 일환으로 2012년 12월부터 2013년 10월까지 여수해역에서 AWAC 실시간 연안항만 해양관측시스템이 시범적으로 구축되어 운영되었다 (Lim et al., 2013).
그림2. AWA을 이용한 여수 실시간 연안 파랑 및 유속 관측시스템
3.3 파랑 분석방법
파랑의 분석은 통계적인 기법을 이용하여 관측된 파랑자료에서 최대파, 유의파, 평균파 등에 해당하는 파고, 파향, 주기를 추출하여 관측지점에서의 파고 대 파향 또는 파고 대 주기에 대한 분포를 찾아서 빈도분석과 극치분석에 사용한다. 또한, Signal processing과 Spectrum analysis 기법으로 주기에너지 및 주기파향에너지를 산정할 수 있다. 그림 3은 해운대 수심 22m 지점(BS2)에서 2013년 7월 25일부터 2015년 9월 14일까지 관측된 파랑자료에서 유의파고, 첨두파향, 첨두주기의 시계열과 주요 태풍의 파랑정보를 보여주고 있다. 그림 4는 BS2 지점에서 동일기간에 관측된 유의파고와 첨두파향 자료로부터 계절별 첨두파향 및 유의파고 분포를 보여주고 있다. 표 1은 BS2에서 동일기간에 관측된 파랑자료로부터 분석한 유의파고 대 첨두파향 및 유의파고 대 첨두주기 분포가 제시되어 있다.
그림3. 해운대 수심 22m 지점(BS2)에서 2013년 7월 25일부터 2015년 9월 14일까지 관측된
유의 파고, 첨두파향, 첨두주기 및 주요 태풍 관측정보
(a) Spring (March, April, May)
(b) Summer
(June, July, August)
(c) Fall (Septermber, October, November)
(d) Winter (December, January, February)
그림4. 해운대 수심 22m 지점(BS2)에서 2013년 7월 25일부터 2015년 9월 14일까지 관측된 자료로 분석한 계절별 파향 및 유의파고 분포
표 1. 해운대 수심 22m 지점(BS2)에서 2013년 7월 25일부터 2015년 9월 14일까지 관측된 자료로 분석한 파고 대 파향 및 파고 대 주기 분포
| DirTp Hs(m) | N | NNE | NE | ENE | E | ESE | SE | SSE | S | SSW | SW | WSW | W | WNW | NW | NNW | Sum(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| < 0.5 | 0.3 | 0.2 | 0.4 | 1.2 | 8.2 | 8.8 | 4.2 | 5.3 | 9.5 | 2.5 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | 42.1 |
| 0.5~1.0 | 0.1 | 0.0 | 0.1 | 1.0 | 14.4 | 11.1 | 2.0 | 2.4 | 11.6 | 1.8 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 44.5 |
| 1.0~1.5 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.2 | 3.5 | 2.3 | 0.4 | 0.5 | 2.2 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 9.1 |
| 1.5~2.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.9 | 1.2 | 0.1 | 0.1 | 0.5 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 2.8 |
| 2.0~2.5 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.3 | 0.5 | 0.0 | 0.1 | 0.2 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 1.1 |
| 2.5~3.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.2 |
| 3.0~3.5 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 |
| Sum(%) | 0.4 | 0.2 | 0.4 | 2.4 | 27.3 | 24.0 | 6.7 | 8.4 | 24.1 | 4.4 | 0.5 | 0.3 | 0.2 | 0.3 | 0.1 | 0.2 | 100.0 |
| Tp(s) Hs(m) | 2~3 | 3~4 | 4~5 | 5~6 | 6~7 | 7~8 | 8~9 | 9~10 | 10~11 | 11~12 | 12~13 | 13~14 | Sum(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 미만 | 1.9 | 6.2 | 8.2 | 6.7 | 6.7 | 5.1 | 3.3 | 1.6 | 1.1 | 0.7 | 0.2 | 0.1 | 41.8 |
| 0.5~1.0 | 0.1 | 1.6 | 6.3 | 11.3 | 7.8 | 6.0 | 3.7 | 2.6 | 2.0 | 2.3 | 0.7 | 0.2 | 44.8 |
| 1.0~1.5 | 0.0 | 0.0 | 0.3 | 1.8 | 2.3 | 1.7 | 0.8 | 0.8 | 0.5 | 0.8 | 0.2 | 0.0 | 9.2 |
| 1.5~2.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.3 | 0.8 | 0.6 | 0.4 | 0.1 | 0.3 | 0.1 | 0.0 | 2.8 |
| 2.0~2.5 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.2 | 0.2 | 0.3 | 0.2 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | 1.1 |
| 2.5~3.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.0 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | 0.2 |
| 3.0~3.5 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.1 | 0.0 | 0.0 | 0.1 |
| Sum(%) | 2.1 | 7.8 | 14.8 | 20.0 | 17.1 | 13.8 | 8.6 | 5.9 | 3.9 | 4.4 | 1.3 | 0.3 | 100.0 |
수심 40 m 이내의 연안에서 광범위하게 사용되는 AWAC (600 kHz)를 이용하여 파랑을 관측하면 2 Hz (0.5초)로 최소 20분마다 2048개 (17.07분간) 또는 최대 50분마다 4800개 (40분간) 파랑자료를 관측할 수 있다. 압력자료와 AST자료를 이용하여 Wave Signal Processing과 Spectra Analysis 방법을 사용하면 0.02∼0.49 Hz (50∼2초) 사이의 0.01초 마다 48개 주기와 0∼356도 사이의 4도 마다 90개 파향에 대해 주기파향스펙트럼 값을 산정할 수 있다. 그림 5는 2013년 10월 8일 22시 AWAC으로 관측한 태풍 다나스에 의한 최대 유의파고 관측시 (BS3, Hs: 3.36 m, DirTp: 190°, Tp: 12.9 s) BS3, BS1, BS2 지점에서의 주기파향스펙트럼을 비교하였다.
(a) BS3 (수심 8m)
(b) BS1 (수심 15m)
(c) BS2 (수심 22m)
그림 5. 2013년 10월 8일 22시 AWAC으로 태풍 다나스에 의한 최대 유의파고 관측시 (BS3, Hs: 3.36 m, DirTp: 190°, Tp: 12.9 s) (a) BS3, (b) BS1, (c) BS2 지점에서의 주기파향스펙트럼 비교.
References and Recommended Readings
1. Dean, R.G. and Dalrymple R.A., 1991. Water wave mechanics for engineers and scientist. World Scientific, Singapore.
2. Nielsen, P., 1992. Coastal bottom boundary layers and sediment transport. World Scientific, Singapore, 324p.
3. Nielsen, P., 2009. Coastal and estuarine processes. World Scientific, Singapore, 343p.
4. Lim, H.S., Chun, I.S., Kim, C.S., Park, K.S., Shim, J.S. and Yoon, J.J., 2013.
High-resolution operational coastal modeling system for the prediction of hydrodynamics in Korea using a wave-current coupled model. Journal of Coastal Research, SI65, pp. 314-319.
5. Lim, H.S., 2016. Analysis of wave and current in Haeundae coastal waters. Journal of Coastal Disaster Prevention, 3(2), pp.59-66.
6. Lim, H.S., Chun, I.S., Shim, J.S. and Kim, C.S., 2016. Wave-induced current simulated by wave-current coupled model in Haeundae. Journal of Coastal Research, SI75, pp.1392-1396.