확장형 Boussinesq 방정식의 유한요소모형 개발

우승범(Woo Seung-Buhm),이종인(Lee Jong In),김영택(Kim Young Taek) 대한토목학회 2003 대한토목학회 학술대회 Vol.2003 No.10

확장형 Boussinesq 방정식의 유한요소모형 개발

우승범,최영광,윤병일,Woo, Seung-Buhm,Choi, Young-Kwang,Yoon, Byung-Il 한국해양학회 2007 바다 Vol.12 No.3

A finite element model is developed for the extended Boussinesq equations that is capable of simulating the dynamics of long and short waves. Galerkin weighted residual method and the introduction of auxiliary variables for 3rd spatial derivative terms in the governing equations are used for the model development. The Adams-Bashforth-Moulton Predictor Corrector scheme is used as a time integration scheme for the extended Boussinesq finite element model so that the truncation error would not produce any non-physical dispersion or dissipation. This developed model is applied to the problems of solitary wave propagation. Predicted results is compared to available analytical solutions and laboratory measurements. A good agreement is observed. 장파와 단파의 거동을 동시에 모의할 수 있는 확장형 Boussinesq 방정식에 대한 유한요소모형을 개발하였다. 3차 공간 미분항을 처리하기 위한 추가변수를 도입하고 Galerkin 가중잔차방법을 적용하여 모형을 수립하였으며, 시간적분방법으로 Adams-Bashforth-Moulton Predictor Corrector 기법을 적용하여 비물리적인 수치분산이나 수치소산 현상을 줄일 수 있도록 하였다. 이 개발된 모형을 검증하기 위해 고립파가 전파하는 문제에 적용을 하였다. 개발된 모형을 적용한 결과 이론해 또는 수리실험 결과에 매우 양호한 일치를 보였다.

3차원 수치모델을 활용한 시화호 조력발전소 전면해역의 조사

우승범(Seung-Buhm Woo),김종욱(Jongwook Kim),송진일(Jinil Song),이찬규(Chan Kyu Lee),박정식(Jeong-Sik Park),배윤호(Yoon Ho Bae) 한국신재생에너지학회 2015 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

한강하구 염하수로 주변에서의 조석·조류 비대칭과 창·낙조 우세 분석

윤병일,우승범,Yoon, Byung-Il,Woo, Seung-Buhm 한국수자원학회 2012 한국수자원학회논문집 Vol.45 No.9

한강하구 염하수로 주변의 조석 조류 변형과 창 낙조 우세를 분석하기 위해서 4개 정점에서 동기간에 관측한 조류자료와 기 관측된 조석자료를 분석하였다. 조석 및 조류의 변형 정도는 $M_4/M_2$ 진폭비를 분석한 결과 상류로 갈수록 증가하며, 조석의 상대 위상차($2M_2-M_4$)를 계산하면 모든 정점의 값이 $180^{\circ}C$ 이하로 창조 우세를 보여준다. 그러나 조류자료의 통계분석 결과를 보면 조석 조화상수의 상대 위상차 결과와는 다르게 최강 평균 낙조가 창조에 비하여 강하게 나타나며, 정조시각을 이용하여 창조, 낙조 지속시간을 계산하면 낙조 지속시간이 길게 나타난다. 각 조류 관측정점의 주축 방향 유속성분의 상관도를 분석한 결과 인천항 이후 염하수로 북쪽입구까지는 상관도 값이 0.9 이상으로 높게 나타났다. 조류 분석결과에서 보여지는 낙조가 우세하고 낙조 지속시간이 긴 형태의 원인을 분석하기 위해서 조화분해 결과를 재구성하였다. 주 분조($M_2$)와 천해 분조($M_4$)를 결합하면 창조가 우세하고 낙조 지속시간이 긴 전형적인 창조우세 형태의 곡선이 나타난다. 그러나 이 곡선에 조류 성분의 산술 합으로 계산한 비 조류성분(잔차류)의 값을 더하면 낙조가 강해지고 낙조 지속시간이 긴 형태로 나타난다. 즉, 천해분조에 의해서 발생하는 상류방향의 흐름을 극복하는 담수와 하구 비선형 효과에 의해서 생성되는 장주기 조류성분과 같은 낙조방향의 평균적인 흐름이 존재하기 때문에 독특한 낙조심화 현상이 염하수로에서 나타난다. Han River estuary (HRE) is located at the middle of the western coast of Korea, and tidal currents were measured at 4 stations in this estuary during the winter season, and previously observed tide data was analyzed. The results of amplitude ratio of $M_4/M_2$ showed that increasing upward to estuary in the HRE. Tide harmonic constants of relative phase $2M_2-M_4$ represent flood dominance, with under 180 degree. But this method has a limit of analysis that typically based on the non-linear distortion of the tidal current in tidal lagoon system where freshwater discharge is assumed to be relatively small. The results of statistically tidal current data indicated that ebb current velocity would be great unlike tide data. Ebb and flood duration time is calculated by slack time of tidal current showed that ebb duration time is longer than flood. The results of correlation of analysis show high value (0.9) between tidal current stations from Incheon harbor to north entrance of Yeomha channel. We reconstructed to find the reasons for the features of ebb dominance the results of harmonic analysis. As major component ($M_2$) in combination with shallow water component ($M_4$), the tidal curve was presented flood dominance that has a flood current is stronger. However, these curve were changed to ebb dominance add up the non-harmonic components that had ebb direction flow by calculated tidally averaged current. The characteristic of enhancement on ebb is showed around the Yeomha channel in the HRE, because averaged flow which acts seaward such as long-term tidal current components due to non-linear effect and freshwater which overcome the flood current.

웹서비스와 스마트폰앱을 이용한 연안해양모델 예측자료의 시각화시스템 구현

김형우,구본호,우승범,이호상,이양원,Kim, Hyung-Woo,Koo, Bon-Ho,Woo, Seung-Buhm,Lee, Ho-Sang,Lee, Yang-Won 한국공간정보학회 2014 한국공간정보학회지 Vol.22 No.2

최근 해양레포츠 산업이 블루오션으로 떠오르고 있는데, 해양레포츠는 조류, 수온, 염도 등과 같은 다양한 환경조건에 영향을 받기 때문에 관측자료 뿐만 아니라 모델 예측자료도 매우 필요한 정보이다. 본 연구에서는 연안해양모델인 FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model)에서 산출된 예측자료를 웹 및 스마트폰을 통해 제공하는 시각화시스템을 구현하였다. 이를 위하여 FVCOM 자료에 내삽과 샘플링 등의 전처리를 하여, 조위, 수온, 염도의 래스터 이미지와 조류(유속, 유향)의 벡터 데이터베이스를 구축하였고, 스프링 프레임워크(Spring Framework)를 활용하여 REST(Representational State Transfer) 기반의 API(Application Programming Interface)를 제공하는 웹서비스를 구축하였다. 또한 데이터베이스 자료를 데스크톱 및 이기종의 스마트폰에 탑재시킴으로써 크로스플랫폼(cross-platform) 시각화 환경을 실현하였다. Ocean leisure sports have recently emerged as one of so-called blue ocean industries. They are sensitive to diverse environmental conditions such as current, temperature, and salinity, which can increase needs of forecasting data as well as in-situ observations for the ocean. In this context, a Web-based geovisualization system for coastal information produced by model forecasts was implemented for use in supporting various ocean activities. First, FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model) was selected as a forecasting model, and its data was preprocessed by a spatial interpolation and sampling library. The interpolated raster data for water surface elevation, temperature, and salinity were stored in image files, and the vector data for currents including speed and direction were imported into a distributed DBMS(Database Management System). Web services in REST(Representational State Transfer) API(Application Programming Interface) were composed using Spring Framework and integrated with desktop and mobile applications developed on the basis of hybrid structure, which can realize a cross-platform environment for geovisualization.

한강하구 수로별 순 수송량과 대·소조기 변화에 따른 염하수로의 순 수송량 변동에 관한 수치해석적 연구

윤병일(Yoon, Byung-Il),우승범(Woo, Seung-Buhm) 한국해안해양공학회 2012 한국해안해양공학회 논문집 Vol.24 No.4

경기만과 한강하구를 유기적으로 연결한 고해상도 격자시스템의 EFDC수치모델을 이용하여 한강하구 수로별 순 수송량을 연구하였다. 수치모델의 모의기간은 2009년 5월부터 8월까지 총 124일 동안 모의하였으며, 담수 유입량은 모의 기간 동안 실제 한강과 임진강의 담수량을 입력자료로 사용하였다. 수치모델 결과는 관측된 조석 조화상수를 이용하여 보정 작업을 수행하였고 조류 관측자료를 이용하여 검증하였다. 강화 북쪽수로와 염하수로에서 평수기 담수량이 유입되는 30일 동안의 순 수송량을 계산하면, 염하수로와 강화 북쪽수로를 통해서 경기만으로 유출되는 수송량은 56:44의 비율로 나타났다. 평수기 30일 동안에 염하수로로 유입된 순 수송량의 방향은 세어도 인근 지역까지 하류 방향이고, 인천항 전면과 영종대교 인근 지역의 순 수송량은 상류 방향으로 나타났다. 영종대교 인근 해역에서 하류와 상류 방향에서 유입된 순 수송량의 수렴대가 형성되고 강화도와 영종도 사이의 수로를 통해서 서쪽으로 유출된다. 염하수로의 대 소조기 변동에 따른 순 수송량의 변화를 비교하기 위하여, 대 소조기 각 4 조석주기 동안의 결과를 분석하였다. 외해에서 유입되는 순 수송량과 하구 상류에서 유출되는 순 수송량의 수렴대 위치가 대 소조기 변동에 따라서 상류 또는 하류로 이동되며, 서쪽으로 유출되는 위치가 다르게 나타난다. 대조기에 비하여 소조기 때 수렴대의 위치가 상류 방향으로 이동되는 이유는 1)대조기 때 수위의 증가에 의한 강화도와 영종도 사이의 수로를 통한 유출량 증가, 2)대조기 때 상류와 하류의 해수면 차이에 의한 하류 방향으로 순압력 증가, 3)소조기 때 혼합 작용의 감소에 의한 주 수로의 상류 방향으로의 경압력 증가라고 판단된다. The EFDC model with find grid resolution system connecting the Gyeong-Gi bay and Han River estuary was constructed to study on spring-neap variability of net volume transport at each channel of the Han River estuary. The simulation time of numerical model is 124 days from May to August, 2009 with freshwater discharge at Han, Imjin and Yeseong River. The calibration and verification of model results was confirmed using harmonic components of water level and tidal current. The net volume transport was calculated during 30 days with normal freshwater conditions at Seokmo channel and Yeomha channel around Ganghwado. The ebbing net volume transport of 44% and 56% is drained into Gyeong-Gi bay through Yeomha and Seokmo channel, respectively. The ebbing net volume transport nearby Seodo at Yeomha channel convergence flooding net volume transport at Incheon harbor, and drain (westward direction) through channel of tidal flat between Ganghwado and Yeongjongdo to the Gyeong-Gi bay. The averaged net volume transport during 4 tidal cycles was compared to variation of spring-neap periods of the Yeomha channel. The convergence position is moved up- and down-ward according to spring-neap variability. The movement of the convergence zone is appeared because 1) increasing of discharged rate tidal flat channel between Ganghwado and Yeongjongdo at the spring period, 2) The growth of barotropic forcing with downward direction at the spring tide, and 3) The strength of the baroclinic pressure gradient is greater than spring with mixing processes.

시화호 조력발전소 운영에 의해 발생하는 조류 변동성 및 총 수송량 연구

박정식(Jeong-Sik Park),우승범(Seung-Buhm Woo),김종욱(Jongwook Kim),송진일(Jinil Song),이찬규(Chan Kyu Lee) 한국신재생에너지학회 2015 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

염하수로 인근에서 조석 변형과 장주기 조류성분의 변동 특성

송용식(Song, Yong-Sik),우승범(Woo, Seung-Buhm) 한국해안해양공학회 2011 한국해안해양공학회 논문집 Vol.23 No.5

경기만과 같이 지형이 복잡하고 조차가 큰 해역에서는 활발한 물질순환이 나타난다. 이러한 물질순환에 영향을 주는 장주기 흐름은 다양한 외력에 의하여 형성되며 시공간적으로 독특한 특성이 나타난다. 본 연구에서는 경기만에 위치하는 인천항부터 잠실수중보 사이에서 동기간에 관측된 조위와 유속자료를 분석하여 장주기 조류성분의 주기적인 변화 특성과 발생 기작을 파악하였다. 염하수로와 한강하구에서는 배조나 복합조와 같은 비선형분조의 증가로 인하여 조석파의 변형이 발생하고 이에 따른 평균해면 상승이 나타난다. 경기만으로부터 한강으로 전파하는 조석파는 수로폭과 수심이 크게 감소하는 염하수로로 진입하면서 급격히 변형되어 저조위와 평균해면이 상승하며, 상류로 갈수록 조석변형이 커진다. 이러한 조석변형은 조차가 큰 대조기에 증가하고 조차가 작은 소조기에 감소하며 주기적인 변동을 나타내는데, 이는 장주기 조석성분인 M_sf 분조로 해석될 수 있다. 조석변형의 공간적 차이에 의해 발생하는 해면 경사는 대조-소조의 주기와 동일한 주기를 보이며 대조기에 증가한다. 해면 경사의 장주기 변동에 반응하여 조류의 장주기 변화가 나타난다. 이러한 장주기 조류성분은 상류에서 크게 증가하여 한강하류인 전류리 인근에서는 주요 분조인 S₂ 분조보다 크게 나타난다. The mass transport is very complicated at the area which has the macro tide and complex geometry such as Gyeonggi bay. Especially, the long period current has a strong influence on the estuarine ecosystem and the long-term distribution of substances. The long period current is caused by several external forcing, whose unique characteristic varies spatially and temporally. The variation characteristics of long period current is analysed and its generation mechanism is studied. The tidal nonlinear constituents such as overtide and compound tide are generated due to nonlinear interaction and it causes mean sea level setup. The tidal wave propagating up into estuary is transformed rapidly by decrease of cross-sectional area and depth. Therefore the mean sea level is getting rise toward upriver. The high and low tide level is similar between down-river(Incheon) and up-river(Ganghwa) during neap tide when the tidal deformation is decreased. The tidal phase difference between two tidal stations causes a periodic fluctuation of sea level difference. The low water level of Ganghwa station during spring tide does not descend under EL(-)2.5 m, but the low water level of Incheon fall down under EL(-)4.0 m. The variation of tidal range and its sea level are increased during spring tide. It is found that the long period current M_sf is quite similar to that of sea level difference between the two tidal stations. It means that the sea surface inclination caused by the spatial difference of tidal deformation is important forcing for the generation of long period current.

조석 전파 특성을 활용한 한강하구 주요 수로의 지형학적 수렴과 바닥 마찰 간의 관계에 대한 연구

윤병일(Yoon, Byung-Il),우승범(Woo, Seung-Buhm) 한국해안해양공학회 2011 한국해안해양공학회 논문집 Vol.23 No.5

경기만 해역에 위치한 한강하구역은 연안개발 압력이 지속적으로 대두되는 상황임에도 불구하고 하구 순환 흐름에 대한 기본적인 연구가 충분히 수행되지 못하였다. 한강하구의 해양학적 현상에 대한 이해를 위해서는 이 지역의 가장 큰 외력 조건인 조석의 전파 특성을 이해하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 조석 관측 자료와 수치모델 결과를 이용하여 한강하구의 주요 수로별 조석 전파 특성을 분석하였다. 각 수로의 조석 전파 특성은 hyper-synchronous 형태를 보여주었으며, 각 수로에서의 조석 전파 특성은 수로 형태의 지형학적 수렴정도와 마찰에 의해서 가장 크게 영향을 받는 것으로 판단된다. 이상적인 수로에서 수렴 항과 마찰 항의 균형 정도를 비교하는 해석 해를 분석한 결과는 각 물리적 인자의 영향 정도가 주요 수로 별로 차이가 나타남을 보여주었으며, 염하수로에서 수렴 항 대비 마찰 항의 비율이 석모수로 보다 약 4배 정도 크게 나타났다. 이러한 영향으로 염하수로에서 최대 진폭이 나타나는 위치는 석모수로에 비하여 하류에서 나타났으며, 정점 간의 단위 거리당 진폭 감소 비율과 위상의 증가율이 석모수로에 비하여 염하수로에서 크게 나타났다. 조석 전파 특성을 활용하여 한강하구 주요 수로를 분류하면 모든 수로에서 hyper-synchronous 형태를 보여주지만, 상대적으로 염하수로는 마찰의 영향이 석모수로에 비하여 크게 나타난다. The basic research of the estuarine circulation at Gyeong-Gi bay has not been well studied up to now, although coastal development pressures have been continuously increased. To understand the oceanographic phenomena at the Han River estuary, it's essential to understand the propagation characteristic of tidal wave which is the strongest external forcing in this region. In this study, we investigate the tidal wave propagation characteristics along the 3 major channels using observation data and numerical model. It is found that 3 channels are all hyper-synchronous and the most important physical factor controlling the tidal wave propagation is topographical convergence of estuary shape and friction. The result of analytic solution at ideal channel considering the topographical convergence and friction show that the contribution of physical role of convergence and friction varies at 3 different channel. And the ratio of convergence and friction at Yeomha channel is four times larger than Seokmo channel. Because of this effect, the location of maximum amplitude at Yeomha channel is showed up downward than Seokmo channel. The ratio of decreasing amplitude and increasing phase per unit distance between stations is bigger than Seokmo channel. Although 3 major channel show a hyper-synchronous pattern, Yeomha shows more frictionally dominant channel and Seokmo channel is more dominantly affected by convergence effect.

한강하구 염하수로 주변의 조석변화에 따른 염분분포와 담수와의 상관관계

윤병일(Yoon, Byung-Il),우승범(Woo, Seung-Buhm) 한국해안해양공학회 2012 한국해안해양공학회 논문집 Vol.24 No.4

하구 및 감조 하천의 염분분포는 조석, 담수, 바람 그리고 지형적 효과와 같은 다양한 외력의 작용과 시스템의 결합에 의해서 독특한 특성을 보인다. 연안 및 하구지역에서 염분구조의 특성을 이해하는 것은 해양학적, 수질 생태학적 그리고 공학적 문제를 접근할 때 반드시 필요하다. 2007년 5월부터 6월까지 약 50일 동안 한강하구 염하수로의 남쪽과 북쪽입구 부근에서 수로방향의 염분분포를 파악하기 위해서 표층 염분을 관측하였다. 장기간의 염분 관측자료를 분석한 결과 장 단기적인 조석 변동과 담수에 따라서 염분의 변화가 뚜렷하게 나타났다. 담수유입량의 계절적 변화에 따른 염하수로의 주축방향 염분분포의 특성을 국립수산과학원의 국가해양관측망 자료를 분석하여 제시하였다. 담수유입량과 염분분포의 관계를 비선형 회귀식을 사용하여 제시하였고, 조석과 담수유입량 그리고 지형적 영향을 고려한 염분침입 거리의 경험식을 제시하였다. 지형학적 영향까지 고려한 염분침입 거리의 경험식과 기존 문헌자료의 염분분포를 비교할 때 연구지역의 염분분포는 조석, 담수의 영향과 함께 지형적 영향에 의해서도 염수침입 한계 지점 및 염분분포의 구조적 특성이 변한다. Salinity distribution in estuary and tidal river is presented by many parameters including tidal forcing, river discharge and geographical effect. Understanding the characteristics of salinity structure is very important in the aspect of water-quality, ecological, and engineering viewpoint. Field measurement was carried out to study the distribution of salinity structure at 2 surface stations at Yeomha channel in the Han River estuary. The results of short- and long-term salinity change according to short and long tidal variability is investigated. For analyzing the axial salinity distribution at Yeomha channel, the salinity data from NFRDI is used in this study. The relationship between freshwater discharge and salinity distribution is represented through the nonlinear regression equation. The empirical equation for salt intrusion length scale, including tide, river discharge, and topographical effect is presented. As the comparison of empirical equation and existing data collected in study area, the characteristic of salt intrusion length and salinity distribution is changed by tide, fresh water, and geographical effect.