해양모니터링 자료의 장기결측 보충 기법

조홍연(Hong-Yeon Cho),이기섭(Gi-Seop Lee),이욱재(Uk-Jae Lee) 한국해안해양공학회 2021 한국해안해양공학회 논문집 Vol.33 No.6

해양모니터링 자료에서 빈번하게 발생하는 장기결측구간의 자료 보충기법을 제안한다. 제안하는 방법은 결측구간의 장기변동 추세 성분과 단기변동 잔차성분을 추정하여 조합하는 방식으로 결측구간의 미지 정보를 추정한다. 이 방법을 이용하여 울릉도 해상부이 자료의 수온 항목, 약 1개월 정도의 장기결측 구간의 자료를 보충하였으며, 부이에서 관측하는 자료 항목에 대해서도 결측 보충을 수행하였다. 보충된 자료는 항목에 따라 차이를 보이지만 변동양상이 적절하게 재현되는 것으로 파악되었다. 이 방법은 추세추정과 잔차 반영에 따른 편향오차와 분산오차가 발생하지만, 장기결측으로 인한 통계적인 측도 추정의 편향오차는 크게 절감하는 것으로 파악되었다. 결측보충 모형의 추정 RMS 오차의 평균과 90% 신뢰구간은 각각 0.93, 0.35~1.95 범위이다. Technique for the long-gap filling that occur frequently in ocean monitoring data is developed. The method estimates the unknown values of the long-gap by the summation of the estimated trend and selected residual components of the given missing intervals. The method was used to impute the data of the long-term missing interval of about 1 month, such as temperature and water temperature of the Ulleungdo ocean buoy data. The imputed data showed differences depending on the monitoring parameters, but it was found that the variation pattern was appropriately reproduced. Although this method causes bias and variance errors due to trend and residual components estimation, it was found that the bias error of statistical measure estimation due to long-term missing is greatly reduced. The mean, and the 90% confidence intervals of the gap-filling model’s RMS errors are 0.93 and 0.35~1.95, respectively.

한반도 연안 조위자료의 결측 양상

조홍연(Cho, Hong-Yeon),고동휘(Ko, Dong-Hui),정신택(Jeong, Shin-Taek) 한국해안해양공학회 2011 한국해안해양공학회 논문집 Vol.23 No.6

우리나라 연안 조위자료의 결측양상을 분석 제시하였다. 결측구간은 결측정보지시행렬을 이용하여 전체적인 결측양상을 파악할 수 있도록 도시하였으며, 시간적 공간적인 결측비율도 분석하여 제시하였다. 전반적으로 조위의 결측비율은 낮은 수준이나, 결측이 특정 조위관측소에 집중되는 경향을 보이고 있다. 또한 연속적인 결측자료 발생간격에 대한 자기상관함수를 분석한 결과, 조위자료의 결측은 무작위적으로 발생하고 있는 것으로는 파악되었다. The missing data patterns of tidal elevation data in Korean coasts are analysed and provided. The missing interval of the data is displayed for all stations using the missing data indicator matrix in order to identify the overall missing pattern. The spatial and temporal missing rates are also estimated. The total missing rate of tidal elevation data is low. However, most of the missing is mainly derived from just 1 or 2 specific stations. The autocorrelation function of the consecutive missing interval data also shows that the missing interval occurs randomly.

계절별 염분 자료를 이용한 아산만 연안의 담수 영향범위 추정

조홍연(Cho, Hong-Yeon),조범준(Cho, Beom-Jun),김상준(Kim, Sang-Jun) 한국해안해양공학회 2008 한국해안해양공학회 논문집 Vol.20 No.2

아산만 유역에 건설된 배수갑문 운영양상을 분석하였으며, 유역의 강수량과 배수갑문을 통하여 배출되는 담수량의 결정계수는 0.77~0.89 범위로 비교적 높은 상관관계를 보이는 것으로 파악되었다. 아산만 해역의 염분농도를 분석한 결과 강한 조석의 영향으로 뚜렷한 성층화 현상은 나타나지 않았으며, 유역 유출량과 염분농도의 결정계수는 대산 4 지점을 제외하고는 0.49~0.62 범위로 나타났다. 한편 염분 농도 평균과 표준편차는 강한 상관관계(결정계수 = 0.9936)를 보이는 것으로 파악되었으며, 담수 영향정도가 평균과 더불어 염분의 표준편차에도 직접적으로 반영되고 있는 것으로 판단된다. 염분농도의 평균 및 표준편차를 이용한 담수 영향범위의 정량적인 기준을 적용하여 분석한 결과, 아산 2~4 지점, 대산 1 지점이 아산만 유역의 직접적인 담수 영향범위로 파악되었다. This study analyzes a general pattern of the gate operation at the Asan bay seadikes and its effects on salinity. The coefficient of determination between precipitation and released freshwater from gate operation turns out to be 0.77-0.89. A stratification is not shown in the analysis of the salinity in upper and lower layers at the Asan bay because of strong tidal effects, and the coefficient of determination between runoff and salinity is in the range of 0.49-0.62 except station Daesan 4. Salinity observations from 8 stations show mean and standard deviation are highly correlated (coefficient of determination=0.9936), and both mean and standard deviation are influenced by freshwater. Eventually it is found that stations Asan 2 to 4 and Daesan 1 are within the regions of the freshwater influences.

적조모형의 분류 및 성능평가 기법

조홍연,조범준,Cho, Hong-Yeon,Cho, Beom Jun 한국해안해양공학회 2014 한국해안해양공학회 논문집 Vol.26 No.6

적조에 관한 관심이 고조되면서 적조모형 개발에 관한 연구가 활발하게 지속적으로 추진되어 다양한 적조모형이 개발 적용되고 있는 실정이다. 적조는 연안생태환경 및 양식어업에 직접적인 피해를 주며, 모형을 이용한 적조 발생 및 이동양상의 정확한 예측결과는 사전 피해저감 대책수립 및 관리에 활용할 수 있기 때문에 모형의 예측 성능평가도 중요하다. 그러나 적조모형은 적조생물을 포함하는 생태모형 또는 환경생태모형이라는 유사한 용어가 명확한 구분 없이 사용되고 있어 혼동을 유발하고 있다. 각각의 모형은 유사한 용어를 사용한다 할지라도 모형의 개발 목표, 구조와 예측성능에서 차이가 나기 때문에 적절한 기준에 근거한 분류와 오차분석에 근거한 모형의 성능평가가 요구된다. 따라서 본 연구에서는 다양한 적조 모형의 구조 및 요소모형을 고려한 분류기준을 제시하고, 분류된 적조모형의 구조를 고려한 장 단점 및 한계를 제시하고, 모형 활용과정에서 실질적으로 가장 중요한 정량적인 성능평가(오차평가) 기법을 제안한다. 모형의 성능평가는 모형의 보정 및 검정과정으로 분류하여 제시하였다. 제시된 기준이나 기법은 모형의 불확실성을 고려한 정책결정 및 대책수립, 환경관리에 기여할 것으로 판단된다. A number of algal bloom models (red-tide models) have been developed and applied to simulate the redtide growth and decline patterns as the interest on the phytoplankton blooms has been continuously increased. The quantitative error analysis of the model is of great importance because the accurate prediction of the red-tide occurrence and transport pattern can be used to setup the effective mitigations and counter-measures on the coastal ecosystem, aquaculture and fisheries damages. The word "red-tide model" is widely used without any clear definitions and references. It makes the comparative evaluation of the ecological models difficult and confusable. It is highly required to do the performance test of the red-tide models based on the suitable classification and appropriate error analysis because model structures are different even though the same/similar words (e.g., red-tide, algal bloom, phytoplankton growth, ecological or ecosystem models) are used. Thus, the references on the model classification are suggested and the advantage and disadvantage of the models are also suggested. The processes and methods on the performance test (quantitative error analysis) are recommend to the practical use of the red-tide model in the coastal seas. It is suggested in each stage of the modeling procedures, such as verification, calibration, validation, and application steps. These suggested references and methods can be attributed to the effective/efficient marine policy decision and the coastal ecosystem management plan setup considering the red-tide and/or ecological models uncertainty.

조위자료의 확률밀도함수 추정

조홍연(Hong, Yeon Cho),정신택(Jeong, Shin Taek),오영민(Oh, Young Min) 한국해안해양공학회 2004 한국해안해양공학회 논문집 Vol.16 No.3

우리나라 연안 조위자료의 확률밀도함수 형태로 쌍봉형 정규분포 함수 형태를 제안하였다. 빈도분포 해석은 국립해양조사원에서 제공하는 인천, 군산, 목포, 제주, 여수, 마산, 가덕도, 부산, 포항, 속초 검조소의 1시간 간격 조위자료를 사용하였다. RMS 오차 및 결정계수R² 값을 비교ㆍ분석한 결과, 조위자료의 확률밀도함수로 본 연구에서 제안한 쌍봉형 함수가 기존에 사용하던 정규분포형 함수보다 더 적합한 함수로 파악되었다. 본 연구에서 제안된 함수의 매개변수는 Newton 방법을 수정한 Levenberg-Marquardt 방법으로 추정하였으며, 추정된 매개변수는 분석지점 검조소 자료의 비조화 상수와 밀접한 관계가 있는 것으로 파악되었다. Double-peak normal distribution function was suggested as the probability density function of the tidal elevation data in Korean coastal zone. Frequency distribution analysis was carried out using hourly tidal elevation data of the ten tidal gauging stations, i.e., Incheon, Kunsan, Mokpo, Cheju, Yeosu, Masan, Gadeokdo, Pusan, Pohang, and Sokcho which were served through the Internet Homepage by the National Ocean Research Institute. Based on the RMS error and R² value comparison analysis, it was found that this suggested function as the probability density function of the tidal elevation data was found to be more appropriate than the normal distribution function. The parameters of the double-peak function were estimated optimally using Levenberg-Marquardt method which was modified from the Newton method. The estimated parameters were highly correlated with the non-tidal constants of the tidal gauging stations.

조위의 확률밀도함수 변화에 따른 평균 및 표준편차 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),정신택(Jeong, Shin-Taek),이길하(Lee, Khil-Ha),김태헌(Kim, Tae-Heon) 한국해안해양공학회 2010 한국해안해양공학회 논문집 Vol.22 No.4

해안 구조물의 신뢰성 설계과정에서 조위자료를 정규분포로 가정하여 설계를 수행하는 경우가 빈번하다. 그러나 조위 자료는 쌍봉형 정규 분포 형태를 따르기 때문에 설계과정에서 등가 정규분포 개념에 근거하여 등가평균 및 등가표준편차를 추정하게 되며, 이 과정에서 정규분포를 가정한 경우의 추정 평균 및 표준편차와는 다른 추정오차가 발생하게 된다. 본 연구에서는 쌍봉형 정규분포 형태를 따르는 조위에 대하여 등가평균 및 등가표준편차를 추정하고, 정규분포를 가정하여 추정한 평균과 표준편차와 비교하였다 그 결과, 등가 매개변수 추정오차는 조위조건과 조위의 크기에 따라 크게 변하고 있는 것으로 파악되었다. 인천의 경우, ±400cm 조건에서 등가평균 및 등 가표준편차 추정편차는 각각 100 cm 이상, 80~100 cm 정도로 파악되었으며, 조석이 약한 포항에서는 ±60cm 조건에서 모두 2~4 cm 정도의 작은 추정 편차를 보이고 있는 것으로 파악되었다. In the process of the probabilistic-based design on the coastal structures, the probability density function (pdf) of tidal elevation data is assumed as the normal distribution function. The pdf shape of tidal elevation data, however, is better-fitted to the double-peak normal distribution function and the equivalent mean and standard deviation (SD) estimation process based on the equivalent normal distribution is required. The equivalent mean and SD (equivalent parameters) are different with the mean and SD (normal parameters) estimated in the condition that the pdf of tidal elevation is normal distribution. In this study, the difference, i.e., estimation error, between equivalent parameters and normal parameters is compared and analysed. The difference is increased as the tidal elevation and its range are increased. The mean and SD differences in the condition of the tidal elevation is ±400cm are above 100 cm and about 80~100 cm, respectively, in Incheon station. Whereas, the mean and SD differences in the condition of the tidal elevation is ±60cm are very small values in the range of 2~4 cm, in Pohang station.

강릉 주문진항 염도, 탁도 및 응존산소 농도 변화양상 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),김창일(Kim, Chang-Il),이달수(Lee, Dal-Soo),한동준(Han, Dong-Jun) 한국해안해양공학회 2007 한국해안해양공학회 논문집 Vol.19 No.4

주문진항에서 2002년부터 2005년까지 월별로 관측한 일반 수질항목의 정점별, 계절별 변화 양상을 분석하였다. 분석항목은 수온, 염도, pH, SS, DO 항목이다. 일반수질항목의 상층·하층 변화는 뚜렷한 차이를 보이지 않는 것으로 파악되었다. 반면, 계절별 농도변화는 수온 및 DO 농도는 뚜렷한 변화양상을 보였으나, SS 항목 등은 불규칙한 양상을 보이고 있는 것으로 파악되었다. 또한, 지점별, 월별 자료를 영역별, 연도별로 평균하여 해수교환시설 및 하수종말처리시설의 수질개선효과를 정량적으로 분석하였다. 분석 결과, SS농도변화는 하수종말 처리시설 가동에 의한 영향이 매우 미미하게 반영되었으며, 해수교환시설에 의한 영향은 영역 1, 2 각각 26%, 16% 정도의 명확한 농도저감효과를 보이고 있는 것으로 파악되었다. 한편, DO 농도는 하수종말 처리시설 가동 후, 주문진항 내부영역에서 10% 내외로 농도가 저하되는 효과를 보였으나, 해수교환시설 건설 후에는 오히려 10% 내외 증가되는 양상을 보이고, 2005년도 DO 농도는 2002년도에 비하여 변화가 없는 것으로 파악되어 10% 내외의 DO 농도변화는 하수처리장 및 해수순환시설 설치효과로 파악하는 것보다는 자연적인 연변화 범위로 판단하는 것이 적절할 것으로 사료된다. It was analysed that spatial and temporal change patterns of general water quality constituents were measured monthly from 2002 to 2005 in Jumunjin Harbour. The measured constituents are temperature, salinity, pH, SS and DO. Concentration difference of upper lower layer for general water quality constituents was small. Temperature and DO concentration show the clear difference at temporal concentration change pattern, but SS, pH and salinity have irregular change pattern. Also, water quality improvement effect of seawater exchange facilities and sewage treatment plants is analysed quantitatively using averaged spatial and temporal data set. From this result, it is found that effect of sewage treatment plants is small and seawater exchange facilities at zone 1 and 2 is clear concentration reduction effect to be about 26% and 16%, respectively. After sewage treatment plants operation, DO concentration reduced about 10% at inner zone of Jumunjin Harbour, the other side, after seawater exchange facilities concentration DO concentration increased about 10%. DO concentration at 2005 estimated little than that of 2002, it is concluded that a yearly change of DO concentration has about 10%.

관측간격에 따른 COD 오염부하 추정오차 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),조범준(Cho, Beom-Jun),김영호(Kim, Young-Ho) 한국해안해양공학회 2007 한국해안해양공학회 논문집 Vol.19 No.3

낙동강 하구둑 지점의 1일 수량 및 COD 농도 관측자료를 이용하여 산정한 오염부하량을 기준(기준 오염부하량)으로 하여 관측간격에 따른 월별 및 연별 COD 추정 오염부하 변화와 수량 및 수질변화를 분석하였다. 수량 및 수질 변화비율을 이용한 영향인자 분석결과, 오염부하 양상은 흐름 강주도형(오염부하 추정에 흐름의 영향이 매우 큰 경우)으로 파악되었다. 또한, 관측간격 변화에 따른 추정 오염부하를 분석한 결과, 평균은 관측간격에 따라 큰 차이를 보이고 있지는 않으나, 표준편차가 관측일수가 증가함에 따라 뚜렷한 증가양상을 보인다. 월평균 수량 및 수질자료를 이용하여 추정한 오염부하량은 평균적으로 100% 정도, 특히 하계에는 300~400% 정도의 추정오차가 발생할 수 있는 것으로 파악되었다. 따라서, 월평균 자료를 이용한 오염부하 추정은 신뢰수준이 매우 낮기 때문에 적어도 10~20일 이내의 관측간격 자료를 이용하여 추정하는 것이 권장되며, 하계의 수량은 1일 간격이 필수적이며, 수질농도는 5~7일 정도의 관측간격이 요구된다. The change patterns of the water quanity, water quality(WQ, exclusively COD in this study) and monthly / annual pollutant loads(PL) estimated using the daily effluent discharges and WQ measurement data are analyzed in the Nakdong river estuarine seadike. The contribution factor defined by the ratio of the water quantity range and WQ range shows that the PL pattern in this estuary is classified as the strongly flow(water quantity)-dominated situation. The estimated PL(EPL)s with respect to the increasing sampling periods, e.g., 2-days, 5-days, 7-days, and so on, show that the mean values of the EPLs remain nearly same, whereas the standard deviations of the EPLs have an obvious increasing trend. The PL values using the monthly-averaged water quantity and WQ measurement data could have approximately 100% estimation error in annual mean and 300~400% estimation errors in summer season because its confidence level is relatively low. It is recommended that the PL should be estimated using at least 10~20 day interval data sets and also the water quantity(river discharges) and WQ should be measured at the intervals of at least 1 day interval and 5 to 7 days, respectively in summer.

시화호 및 인천연안의 COD 오염부하량 추정기법

조홍연(Cho, Hong-Yeon),조범준(Cho, Bum-Jun) 한국해안해양공학회 2006 한국해안해양공학회 논문집 Vol.18 No.3

연안해역의 COD 항목 농도관리를 위해서는 유역 COD 오염부하량 조사 추정이 필요하나 현재 유역에서의 발생 오염부하량 추정식이 BOD 기준으로 제시되어 있는 실정이다. 해역 오염총량관리를 수행하기 위한 COD 오염부하량 추정식 개발은 많은 관측 및 시간이 소요될 것으로 예상된다. 본 연구에서는 시화호 및 인천 연안유역의 하천 및 공단배수 COD 농도, BOD 농도 비율 변화분석을 수행하였으며, 분석결과를 이용하여 COD 오염부하량 추정기법을 제시하였다. COD 오염부하량 추정은 기존의 BOD 오염부하량 원단위를 이용하여 추정한 방법에 환산계수를 곱하는 방법으로, 환산계수는 평균 + [1~3 범위의 안전계수] ×표준편차로 계산할 수 있다. 본 연구결과에 의하면 시화호 및 인천연안의 COD 오염부하량 추정 환산계수는 안전계수 1, 2, 3인 경우 각각 1.7, 2.3, 2.9로 추정되었다. For the concentration management in COD parameters, it requires the measurement and estimation of the COD pollutants load (hereinafter PL) in the watershed. The estimation method of the PL, however, is provided only based on the BOD parameters. The development of COD PL estimation schemes is expected to execute total PL management in coastal zone and needs to more observation and much time. This study provides COD PL estimation schemes using statistical information about ratio analysis with COD & BOD concentration of rivers and drainages of an industrial complex in Lake Shiwha and Incheon Coastal Zone watershed. The COD PL is computed with ease by multiplying the conversion factor, which is calculated as the sum of the average and 1 to 3 (safety factors) times standard deviation. The conversion factor of Lake Shihwa and Incheon Coastal Zone is estimated as 1.7, 2.3 and 2.9 with respect to the safety factor 1, 2, and 3, respectively.

분석기간의 길이에 따른 동해안 비조석성분의 통계적 특성변화 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),정신택(Jeong, Shin-Taek),조범준(Cho, Beom-Jun),윤종태(Yun, Jong-Tae) 한국해안해양공학회 2007 한국해안해양공학회 논문집 Vol.19 No.2

동해안 검조소 조위자료를 이용하여 비조석 성분을 추출하고, 추출된 비조석 성분을 이용하여 통계적인 특성 분석을 수행하였다. 분석대상 검조소는 속초, 묵호, 후포, 포항, 울산, 울릉도이며, 분석기간을 1년부터 가용한 자료기간까지 증가시켜 가며 비조석 성분의 분산 및 왜곡도 계수의 통계정보(최대값, 최소값, 평균, 표준편차) 변차를 분석하였다. 또한, 분석기간에 따른 통계정보의 변화범위를 분석한 결과, ±5% 범위의 분산 신뢰구간을 확보하기 위하여 필요한 분석기간은 전체적으로 12년 이상 정도로 파악되었으며, ±0.1 범위의 왜곡도 계수 신뢰구간 확보에 필요한 분석기간은 울릉도의 6년 이상을 제외하고는 모두 12년 이상으로 파악되었다. 한편, 자기상관함수 및 스펙트럼 분석을 수행한 결과, 절대적인 변화량에 차이는 있으나 변화경향은 모든 지점이 매년 유사한 것으로 파악되었다. Statistical characteristic analysis was carried out using the non-tidal components computed by the harmonic analysis of the tidal elevation data in East coast. The tide gauging stations included in this study are the Sokcho, Mukho, Hupo, Pohang, Ulsan and Ulreungdo stations. In this study, the variance and skewness coefficient (SC) information changes, i.e., the max. value, min. value, mean and standard deviation of the variance and SC, are compared and analysed in detail by the various analysis periods increased from one year to the maximum available period. Based on the result of the statistical information (SI) range analysis, the minimum analysis period required in order to satisfy the confidence interval of the ±5% range of the variance and the ±0.1 range of the SC is suggested as the 12 years, except the Ulreungdo stations. The auto-correlation and spectral density change patterns show the very similar shapes in every stations even though the absolute values are a little bit different each other.