해운대의 파랑 및 흐름 구조의 특성파악을 위한 현장 관측실험

도기덕(Kideok Do),유제선(Jeseon Yoo),이희준(Hee Jun Lee),도종대(Jong-Dae Do),진재율(Jae-Youll Jin) 한국해안해양공학회 2015 한국해안해양공학회 논문집 Vol.27 No.4

본 연구에서는 사질 해안인 해운대 해수욕장을 대상으로 수리·퇴적 작용의 동적구조 규명에 필요한 현장 관측실험을 수행하였다. 연안에서 발생하는 계절별 파랑 및 수리 현상을 정량적으로 파악하기 위하여, 동계 및 하계 집중 관측기간 중 해안선의 법선 방향으로 3개 정점 및 해안선 방향으로 3개 정점 등 공간적으로 여러 정점에 파랑 및 층별 유속 관측장비를 설치하였다. 파랑 관측자료의 분석결과, 동계에는 동해안으로부터 입사하는 E계열 파랑이 대부분이며, 하계에는 S계열과 ESE 계열이 공존하는 분포를 가지고 있다. 대상 해역에서 유속의 공간적 분포는 전체적으로 주 흐름방향이 동계와 하계에 조석운동의 영향으로 동서방향으로 형성되어 있다. 심해역에서 천해역로 갈수록 연안지형의 영향으로, 유속의 세기는 약해지며 유속의 방향은 해안선 및 등수심선과 나란하게 변형되어 나타나고 있다. 본 연구를 통하여 제시된 파랑 및 흐름 등 수리특성에 관한 기초 분석자료는 동 기간에서 측정된 모래이동량 및 지형변화 관측자료와 연계하여, 대상 해역의 침퇴적 정도를 정량적으로 산출하는데 활용될 수 있다. Field observations were conducted to collect hydrodynamic and morphological data, which are needed to account for mechanisms of bathymetry changes caused by physical forcings, in Haeundae beach. In order to quantitatively describe characteristics of wave transformations and current patterns in space in winter and summer, in-situ sensors for measuring waves and current profiles were installed at three locations in the cross-shore direction and also three locations in the along-shore direction. As for the results of wave measurements, waves with main direction from the east dominate in winter while waves are incident from the S and the ESE in summer. Analysis of current data reveals that currents over the study domain are considerably influenced by a pattern of tidal motions, thereby, mainly oscillating in the direction of tidal currents, i.e., east-west directions, in both winter and summer. Currents tend to be influenced by local bathymetry in the shallow water region, with the direction changed along the depth contours and the magnitude reduced as they approach the shoreline. The results analysed from the hydrodynamic data through this study can be further combined with the morphological and bathymetry data, leading to the quantification of seasonal sediment transport rates and sand budget changes.

기상청 현업 예보 바람자료를 이용한 동해안 동계 파랑 예측 재현도 연구

도기덕(Kideok Do),김진아(Jinah Kim) 한국해안해양공학회 2018 한국해안해양공학회 논문집 Vol.30 No.5

본 연구에서는 동해안의 너울성 고파랑 예측하기 위해 기상청 현업 예보 바람자료를 입력장으로 하여 파랑수치모델(SWAN)을 수립 및 최적화하고 동해안 동계 파랑의 예측 재현도를 평가하였다. 파랑 모델은 연안역에서의 파랑 변형을 모의하기 위해 네스팅 기법을 적용하였으며, 백파 에너지 소산항을 개선하여 너울성 파랑을 모의하였다. 수치실험을 위한 입력 바람장으로는 기상청 현업 기상예보모델인 RDAPS 및 LDAPS 자료를 사용하였다. 모의된 파랑에 대한 정확도 비교 · 평가를 위해 ECMWF 재분석 바람자료와 KIOST 운용해양시스템의 WRF 예측바람자료를 이용한 파랑모델링 및 기상청 현업 파랑예보모델 결과와 연안 및 외해 4개 관측정점의 파랑 관측자료를 이용하였다. 기상청 현업 기상예보모델을 입력바람장으로 이용한 경우 연안에서는 유의파고, 첨두주기 및 평균파향이 모두 가장 낮은 RMSE와 가장 높은 상관계수를 가졌으며, 외해에서는 모든 수치실험 결과가 관측자료와 전반적으로 잘 일치하였다. 백파항을 수정한 SWAN 모델과 기상청 현업 기상예보모델을 사용할 경우 급격하게 발생하는 고파랑 재현은 개선이 필요하지만 비교적 겨울철 폭풍파를 잘 재현하고 있다. The predictability of winter storm waves using KMA’s operational wind forecasts has been studied to predict wind waves and swells in the East coast of Korea using SWAN. The nested model were employed along the East coast of Korea to simulate the wave transformation in the coastal area and wave dissipation term of whitecapping is optimized to improve swell prediction accuracy. In this study, KMA’s operational meteorological models (RDAPS and LDAPS) are used as input wind fields. In order to evaluate model accuracy, we also simulate wind waves and swells using ECMWF reanalysis and KIOST WRF wind and they are compared with the KMA’s operational wave model and the wave measurement data on the offshore and onshore stations. As a result, it has the lowest RMSE and the highest correlation coefficient in the onshore when the input wind fields are KMA’s operational meteorological forecasts. In the offshore, all of the simulate results shows good agreements with similar error statistics. It means that it is very feasible to use SWAN model with the modified whitecapping factor and KMA’s operational meteorological forecasts for predicting the wind waves and swells in the East coast of Korea.

SWAN을 이용한 동해안의 재해성 파랑 예측을 위한 수치모의

손봉교(Bongkyo Son),도기덕(Kideok Do) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.10

동해안에서 발생하는 재해성 파랑은 크게 태풍에 의해 발생하는 폭풍파와 겨울철에 발생하는 너울성 고파랑으로 구분된다. 본 연구에서는 3세대 파랑 수치모델인 SWAN(Simulated WAves Nearshore)을 사용하여 동해에서 발생하는 재해성 파랑을 수치 모의하였다. 서로 다른 기상 조건에서의 파랑 예측정확도를 비교하기 위해, 태풍 발생 시기인 여름철과 겨울철로 구분하여 모의 기간을 선정하였다. 입력 바람장은 기상청의 기상 예측 모델 RDAPS와 일본기상청의 JMA-MSM, 그리고 유럽중기예보센터의 재분석자료인 ERA5의 기상자료를 사용하였다. 모델의 계수보정은 관측연구를 통해 개선된 지배방정식의 원천항인 ST6를 사용하여 수행하였다. 또한 동해 연안으로 전파되는 파랑을 수치 모의하기 위해 네스팅 기법을 적용하였다. 이를 통해 입력 바람장 및 모델의 계수에 따른 재해성 파랑 예측의 정확도를 분석하였다. Two types of hazardous waves, classified as storm waves by a typhoon and high-like swell waves in winter, occur in the East sea. In this study, the third-generation numerical wave model SWAN(Simulating WAves Nearshore) was used for simulating hazardous waves in the East sea. The summer and winter seasons are chosen as simulation periods to assess prediction accuracy in different weather conditions. Sea surface wind data of RDAPS, JMA-MSM, and ERA5 were used as input wind forcing. Parameter calibration was performed using ST6 based on field-observation research. Furthermore, the nested model was applied for simulating waves in coastal areas of the East sea. In conclusion, the prediction accuracy of hazardous waves was analyzed with different input wind forcing and model parameters.

태풍 마이삭과 하이선에 의한 한반도 폭풍파 수치모의

손봉교(Bongkyo Son),도기덕(Kideok Do) 한국연안방재학회 2022 한국연안방재학회지 Vol.9 No.1

In this study, we simulated storm waves induced by typhoon Maysak and Haishen in the Korean peninsula by using the third-generation numerical wave model SWAN(Simulating WAves Nearshore). We used the sea-surface wind data of KMA(Korea Meteorological Agency)’s operational meteorological model RDAPS(Regional Data Assimilation Prediction System), and JMA(Japan Meteorological Agency)’s weather forecast model JMA-MSM(Meso-Scale Model) as input forcing of the numerical wave model. In addition, the wind field of the tropical cyclone was established with JTWC(Joint Typhoon Warning Center)’s best track data for the storm wave simulation. We used two different source term options, which consider other physics of energy generation by wind and dissipation by whitecapping. Validation of the simulation result was conducted over statistical analysis with the observation data from KMA and KHOA(Korea Hydrographic and Oceanographic Agency)’s buoys. As a result, the whole scenario tended to overestimate significant wave height. The simulation result by using RDAPS as input forcing outperformed the result by using JMA-MSM. It denoted that the performance of a wave model depends on the accuracy of input forcing wind. The wind field by JTWC’s best track data was not suitable compared with the meteorological numerical model. ST6 simulated the wave height higher than Komen’s source term. However, Komen s source term simulated storm waves better than ST6 in this study, and further researches under various conditions are required to evaluate ST6 for the storm waves simulation. In the simulation of wave period parameters, it was hard to estimate the accuracy of the model, and other approaches are necessary for the evaluation.

폭풍파랑에 따른 해빈과 호형 사주 지형변화 현장 관측 및 XBeach 모델 민감도 분석

진혁(Hyeok Jin),도기덕(Kideok Do),장성열(Sungyeol Chang),김인호(In Ho Kim) 한국해안해양공학회 2020 한국해안해양공학회 논문집 Vol.32 No.6

호형 사주는 동해안에서 흔히 분포하는 지형특징으로 고파랑시를 제외하고 리드미컬한 형상을 지속적으로 유지한다. 하지만, 2019년 9, 10월에 동해안에 직 간접적 영향을 미친 연속적인 4개의 태풍으로 인해 해안선과 평행한 연안사주가 형성되었고 해안선 부근에 침식과 퇴적이 반복되는 패턴을 보였지만 전반적인 해안선 후퇴가 발생하였다(약 2m). 이와 같은 연속적인 폭풍파랑으로 인한 지형변화와 각 폭풍(NE-E 입사파) 이벤트의 영향을 모의하기 위해 폭풍 사상시 해빈의 침식 모의에 널리 사용되는 XBeach를 사용하였다. 개선된 XBeach 수치모의를 위해 최신 계수보정 연구 동향에 따라 계수보정이 실시되었으며, 이로부터 도출된 최적의 계수 값을 수치 모의에 적용하였다. 모델의 입력값으로 사용된 파랑, 조석 및 폭풍 사상 전후 수심 자료와 최적의 계수 값을 활용한 결과, 해안선 부근의 침식 및 퇴적 반복패턴(BSS = 0.77(침식 단면), 0.87(퇴적단면))과 해안선과 평행한 연안 사주의 형성을 성공적으로 모의하였다. 각 태풍의 최대 입사파고 도달 시 수치 모의된 전체 퇴적물 이동 벡터 및 지형변화 분석결과, 입사파향이 호형 사주의 거동에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 유의파고 크기뿐만 아니라 고파랑의 지속시간 또한 퇴적물 이동량의 중요한 요인으로 판단 된다. 하지만 모델링 결과, 내측 쇄파대(inner surfzone)의 지형변화 및 연안 사주의 마루의 정확한 위치 예측을 위해서는 추가적인 보정과정이 필요함을 시사한다. Crescentic sand bar in the coastal zone of eastern Korea is a common morphological feature and the rhythmic patterns exist constantly except for high wave energy events. However, four consecutive typhoons that directly and indirectly affected the East Sea of Korea from September to October in 2019 impacted the formation of longshore uniform sand bar and overall shoreline retreats (approx. 2 m) although repetitive erosion and accretion patterns exist near the shoreline. Widely used XBeach to predict storm erosions in the beach is utilized to investigate the morphological response to a series of storms and each storm impact (NE-E wave incidence). Several calibration processes for improved XBeach modeling are conducted by recently reported calibration methods and the optimal calibration set obtained is applied to the numerical simulation. Using observed wave, tide, and pre & post-storm bathymetries data with optimal calibration set for XBeach input, XBeach successfully reproduces erosion and accretion patterns near MSL (BSS = 0.77 (Erosion profile), 0.87 (Accretion profile)) and observed the formation of the longshore uniform sandbar. As a result of analysis of simulated total sediment transport vectors and bed level changes at each storm peak Hs, the incident wave direction contributes considerable impact to the behavior of crescentic sandbar. Moreover, not only the wave height but also storm duration affects the magnitude of the sediment transport. However, model results suggest that additional calibration processes are needed to predict the exact crest position of bar and bed level changes across the inner surfzone.

대조차해안에서의 지형변화 특성 파악을 위한 현장관측 및 수치모델링

전현정(Hyunjung Jun),장태수(Tae Soo Chang),도기덕(Kideok Do) 한국연안방재학회 2021 한국연안방재학회지 Vol.8 No.2

This study investigated the sediment transport and bed level change in the macro-tidal beach using field observation and numerical modelling. The study area is Sinduri beach, located on the west coast of Korea, which developed a large scale multi-sand bar with a tidal range of 5 to 7 m. The multi-sand bar is destroyed in the high-wave conditions (winter) and developed in the low-wave conditions (summer), which have different characteristics from the wave-dominated beach. Therefore, this study measured the wave level, current, and bed level change using ADCP (Acoustic Doppler Current Profilers) and VRS-GSP (Virtual Reference Station Global Positioning Systems) to investigate the mechanism of the multi-sand bar formation. Then, this study simulated sediment transport and bed level change, coupled with the Delft3D-FLOW and Delft3D-WAVE model. The numerical results show that sediment transport and bed level change dominantly occurred under the shore-normal wave condition and tend to develop a multi-sand bar. However, the destruction of the multi-sand bar was not reproduced. Delft3D-FLOW model is based on the two-dimensional depth-averaged shallow water equation and it is not applicable to simulate the wave-induced current near the seabed. Also, the aeolian sediment transport by north-west wind can not involve in the numerical simulation.

해운대의 겨울철 파랑 및 흐름에 대한 평면 2차원 수치모델링

유제선(Jeseon Yoo),Cilia Swinkels,도기덕(Kideok Do) 한국해안해양공학회 2016 한국해안해양공학회 논문집 Vol.28 No.6

겨울철 해운대 해역에서 발생하는 파랑 및 흐름에 대한 공간적 변화특성을 살펴보기 위하여, 평면 2차원 파랑변형 모델(SWAN)과 수심평균 2차원 해수유동 모델(Delft3D)을 사용하여 수치실험을 수행하였다. 2014년 2월 중 해운대 여러 정점에서 관측한 현장자료를 사용하여 수치모델을 검증하였다. 두 모델의 보정결과로부터 발견된 파랑 및 흐름의 특징 중 하나는, 해저면에 곳곳에 돌출되어 자리잡고 있는 암반지형의 영향으로 파고 및 파향 뿐만 아니라 유속 및 유향도 만내로 들어올수록 외해역과 다르게 크게 변형되어 나타난다는 것이다. 두 모델의 커플링을 통하여 겨울철 입사파를 고려한 연안 해수유동 모델링 결과, 해안선 인근 천해에서는 겨울철에 발생하는 동쪽(E)계열의 입사파의 영향으로 파고가 높을수록 동에서 서로 흐르는 연안류도 크게 발달하고 조석에 의한 조류의 세기는 상대적으로 약한 것으로 나타났다. In order to investigate characteristics of waves and currents varying in space in the Haeundae coast in winter, numerical simulations by using a 2-D spectral wave model(SWAN) and 2-DH hydrodynamic model(Delft3D) were carried out in this study. The results of numerical simulations were validated with the field data collected at several different locations in the study area in February, 2014. From the numerical simulations, it was found that waves and currents were significantly influenced in terms of direction and magnitude by bottom topography characterized by straggling rock crops covered with sea grasses. The coupling of SWAN and Delft3D models also revealed that alongshore currents directing from the east to the west were developed in the nearshore, due to the influence of larger waves with the main incident direction from the east.

독도 MIROS Wave Radar를 이용한 파랑관측 및 품질관리

전현정(Hyunjung Jun),민용침(Yongchim Min),정진용(Jin-Yong Jeong),도기덕(Kideok Do) 한국해안해양공학회 2020 한국해안해양공학회 논문집 Vol.32 No.2

해양에서의 파랑관측은 부이나 압력계 등을 이용하여 수면변위를 관측하는 직접관측방법과 Radar를 이용하여 관측하는 원격관측방법으로 구분된다. 직접관측방법은 정확도가 높지만, 악기상 시 파손 및 유실 위험이 크며 외해 설치 시 많은 유지 보수비용이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 반면 Radar와 같은 원격관측방법은 장비를 육지에 계류하여 유지관리가 용이하지만 직접관측방법과 비교하면 정확도가 다소 낮은 단점이 있다. 본 연구에서는 원격파랑관측자료의 품질을 개선하기 위해 독도에 설치되어 운영 중인 MIROS Wave and Current Radar(MWR) 관측자료의 수집 및 분석을 하였으며, 이를 기상청에서 운영 중인 해양파고부이(CWB)의 관측자료와 비교하였다. 그리고 MWR 관측자료의 품질을 개선하기 위해 1) MIROS사에서 개발한 필터(Reduce Noise Frequency, Phillips Check, Energy Level Check)의 복합적인 사용(최적필터; Optimal Filter), 2) OOI(Ocean Observatories Initiative)에서 개발한 Spike Test 알고리즘(Spike Test) 그리고 3) 유의파고-주기 관계식을 이용한 새로운 필터(H-Ts QC)를 사용하여 신뢰도가 낮은 이상자료(Noise; 시계열 자료 중 급격하게 자료가 발산하여 정상자료가 아닌 것으로 판단되는 자료)의 제거 및 보정을 수행하였다. 결과적으로 3가지의 품질관리기법을 적용한 MWR의 파랑관측자료는 유의파고에 대해서는 일정 부분 신뢰도를 가지지만 유의파주기에서는 여전히 오차가 존재하며 이에 대한 개선이 요구된다. 또한, MWR의 파랑관측자료는 3m 이상의 고파랑에서는 CWB와 다소 양상이 달라지는 한계가 발생하므로 이를 위한 장기간의 원격파랑관측 자료의 수집과 분석, 그리고 필터 개발 등에 관한 지속적인 연구가 필요하다. Wave observation is widely used to direct observation method for observing the water surface elevation using wave buoy or pressure gauge and remote-sensing wave observation method. The wave buoy and pressure gauge can produce high-quality wave data but have disadvantages of the high risk of damage and loss of the instrument, and high maintenance cost in the offshore area. On the other hand, remote observation method such as radar is easy to maintain by installing the equipment on the land, but the accuracy is somewhat lower than the direct observation method. This study investigates the data quality of MIROS Wave and Current Radar (MWR) installed at Dokdo and improve the data quality of remote wave observation data using the wave buoy (CWB) observation data operated by the Korea Meteorological Administration. We applied and developed the three types of wave data quality control; 1) the combined use (Optimal Filter) of the filter designed by MIROS (Reduce Noise Frequency, Phillips Check, Energy Level Check), 2) Spike Test Algorithm (Spike Test) developed by OOI (Ocean Observatories Initiative) and 3) a new filter (H-Ts QC) using the significant wave height-period relationship. As a result, the wave observation data of MWR using three quality control have some reliability about the significant wave height. On the other hand, there are still some errors in the significant wave period, so improvements are required. Also, since the wave observation data of MWR is different somewhat from the CWB data in high waves of over 3 m, further research such as collection and analysis of long-term remote wave observation data and filter development is necessary.

파랑후측에서 나타난 동해 파랑기후의 선형추세

김기호(Kim, Kiho),장찬주(Jang, Chan Joo),최원근(Choi, Wonkeun),도기덕(Do, Kideok),유제선(Yoo, Jeseon) 한국연안방재학회 2019 한국연안방재학회 학술발표대회 논문집 Vol.2019 No.1

파랑후측을 이용하여 40년(1979~2018) 동안의 동해 99 백분위수 유의파고, 첨두주기, 그리고 첨두파향을 분석하였다. 99 백분위수 유의파고와 첨두주기 월평균은 겨울이 여름에 비해 크며, 남동쪽 해역으로 갈수록 증가하였다. 99 백분위수 유의파고와 첨두주기는 동해 전체에서 대체로 증가추세를 보였으며, 특히 일본 연안인 남동쪽에서 증가추세가 크게 나타났다. 첨두파향은 겨울에는 북서계열 파가 우세하였으며, 여름에는 남동계열 파가 우세하였다. 하지만, 남동, 남서해역에서는 첨두파향이 일정하게 나타났다.