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.

역산이론을 이용한 연안 수질모형의 매개변수 추정

조홍연(Cho, Hong-Yeon),조범준(Cho, Bum-Jun),정신택(Jeong, Shin-Taek) 한국해안해양공학회 2005 한국해안해양공학회 논문집 Vol.17 No.3

모형의 지배방정식에서 정의되는 대표적인 매개변수는 유역 및 대기로부터의 오염부하량,퇴적물로부터의 오염물질 용출부하량, 확산계수, 반응계수 등으로, 직접적인 관측이 곤란할 뿐만 아니라 많은 관측비용을 필요로 한다. 본 연구에서는 매개변수를 포함한 오염물질 수지방정식을 구성하고, 구성된 선형 연립방정식을 이용하여 계산된 농도분포자료와 관측된 시계열 농도턱포자료를 이용하여 계산한 질량변화량의 차이를 최소화하는 역산문제를 구성하여 모형의 매개변수를 추정하는 방법을 제시하였다. 이 방법을 이용하여 천수만, 울산만(울산항)해 역에서 관측된 연직방향 농도분포 자료를 이용하여 연직 확산계수 및 대기로부터의 오염부하량, 퇴적물로부터의 오염물질 용출부하량, 확산·반응에 의한 오염물질 변화량 등을 추정하였으며, 추정 매개변수는 시기적으로 변동이 크게 나타났다. 한편, 관측자료와 추정매개변수를 이용한 계산결과를 비교한 결과, RMS 오차는 괄측자료 범위의 5.0% 이하, 일치지수는 0.95 이상으로 본 방법을 이용한 매개변수 추정결과의 신뢰성은 우수한 것으로 파악되었다. Typical water quality (WQ) parameters defined in the governing equation of the WQ model are the pollutant loads from atmosphere and watersheds, pollutant release rates from sediment, diffusion coefficient and reaction coefficient etc. The direct measurement of these parameters is very difficult as well as requires high cost. In this study, the pollutant budget equation including these parameters was used to construct the linear simultaneous equations. Based on these equations, the inverse problems were constructed and WQ parameter estimation method minimizing the sum of squared errors between the computed and observed amounts of the mass changes was suggested. WQ parameters, i.e., the atmospheric pollutant loads, sediment release rates, diffusion coefficients and reaction coefficient, were estimated using .this method by utilizing the vertical concentration profile data which has been observed in Cheonsu Bay and Ulsan Port. Values of the estimated parameters show a large temporal variation. However, this technique is persuasive in that the RHS (root mean square) error was less than 5.0% of the observed value ranges and the agreement index was greater than 0.95.

연안해역 퇴적물 입도정보 추정오차 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),김창일(Kim, Chang-Il),오영민(Oh, Young-Min) 한국해안해양공학회 2006 한국해안해양공학회 논문집 Vol.18 No.2

백령도 용기포항 연안해역에서 2004년 6월에 채취한 총 90개 퇴적물을 분석하여 추정된 정보를 기준격자정보로 하여, 내삽기법과 퇴적물 추출 밀도변화에 따른 추정 퇴적물 입도분포 정보(중앙입경(D50) 등)의 변화를 분석하였다. 격자정보 추출방법에 의한 절대편차의 표준편차는 자료수가 많은 6월에는 8.0 {mu}m 정도, 적은 경우인 11월은 10{mu}m 이상으로 분석되었다. 표본추출밀도에 따른 격자내용과 기준격자정보를 비교하여 추정한 절대편차의 통계정보는, 표본의 수가 감소할수록 절대편차의 평균오차는 증가하는 경향을 보인다. 연구사업에서 요구되는 퇴적물 정보의 정확도(절대편차 평균기준) 수준이 10% 이하인 경우에는 50개정도의 표본이 적당한 수준으로 파악되었다. 이 경우의 표본추출밀도는 용기포항 연안해역 격자정보 전환 면적(5.9 km²)을 기준으로 50개 정도를 적용하는 경우, km²당 9개 정도이다. The change pattern of the sediment grain size distribution information (median grain size(D50)) due to some gridding method and sampling density is analyzed with reference to the grid information estimated by the 90 sediment samples which was collected in the coastal water off the Baengnyeongdo Island, in June 2004. The standard deviation of absolute deviation (AD) estimated the selected gridding method shows 8.0 {mu}m at June, 2004 and 10 {\mu}m November, 2004. The estimated statistical information of absolute deviation in comparison with the grid information of reference and changed sampling density shows that the AD mean error trends increase as the number of samples decrease. The AD mean error is below 10% in the case of the information estimation using 50-sample with reference to the 90-sample information. In this case, the sampling density is suggested as about 9 sediment samples per km², at coastal zone in Yoggipo port in the condition of the study area is 5.9 km².

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.

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%.

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.

전달함수 모형을 이용한 포항신항 내·외의 외중력파 특성 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),정원무(Jeong, Weon Mu),오상호(Oh, Sang-Ho) 한국해안해양공학회 2014 한국해안해양공학회 논문집 Vol.26 No.3

주기가 약 1~3분인 외중력파는 항만 내의 계류선박의 거동해석 및 연안 표사이동 해석에 직접적인 영향을 미치는 인자이다. 먼 바다의 유의미한 외중력파가 항만으로 전파되어 증폭될 경우 대형선박의 하역작업을 중단시켜 경제적인 손실을 유발할 수 있다. 본 연구에서는 포항신항의 항외 및 항내에서 약 5년 동안 동시 관측한 파랑 자료에 대한 통계분석 및 전달함수를 사용하여 항만 외부로부터 내부로의 외중력파 전파특성을 분석하였다. 전파 특성분석은 외중력파의 파고가 0.1 m 이상이 되는 사상만을 이용하였다. 통계적인 특성분석 결과, 항만 내부의 파고분포는 외부와 유사한 반면 주기분포는 항만 외부보다 분산이 컸다. 전달함수의 매개변수는 각각의 사상에 대하여 최적 추정하였다. 항만 내부의 파고 추정 평균 RMS 오차는 0.013 m 수준이었다. 추정 매개변수는 외중력파의 파고, 주기 및 파향의 선형조합 정보와 강한 상관관계가 있었다(R = 0.95). 본 연구에서 제안한 전달함수는 사전 예측된 외중력파 정보를 이용하여 항만 내부의 외중력파 정보를 빠르고 간단하게 추정할 수 있으므로 예상하지 못한 항만이용 제한에 따른 피해를 저감할 수 있을 것으로 기대된다. Infra-gravity waves (IGWs) with a period of 1~3 minutes are a factor that directly influences the motion analysis of moored ships inside a harbor and longshore sediment transport analysis. If significant levels of IGWs from far seas are transferred to a harbor and amplified, they may cause downtime of large ships and induce economic loss. In this study, transfer characteristics of the IGWs intruding from outside to inside Pohang New Harbor were analyzed using statistical analysis and transfer function of wave data measured at both outside and inside the harbor for around 5 years. Transfer characteristic analysis was limited to events where IGWs had wave heights above 0.1 m. The wave height distribution of inside the harbor was similar to that of outside the harbor, while the wave period variance of the former was larger than that of the latter. The parameters of the transfer function was optimally estimated according to each event. The estimated average RMS error of the wave height inside the harbor was around 0.013 m. The estimated parameters had a strong correlation with the linear combination information of IGW wave height, period, and direction (R = 0.95). The transfer function suggested in this study can quickly and easily estimate information on IGWs inside the harbor using IGW information predicted beforehand, and is expected to reduce damage due to unexpected restrictions on harbor usage.

속초 연안의 파랑환경 변화양상 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),정원무(Jeong, Weon-Mu),백원대(Baek, Won-Dae),김상익(Kim, Sang-Ik) 한국해안해양공학회 2012 한국해안해양공학회 논문집 Vol.24 No.2

속초 연안에서 관측한 장기간의 파랑자료를 이용하여 다양한 파랑환경 특성을 분석하였다. 파랑환경 분석 결과 발견된 대표적인 특성은 다음과 같다. 파고 및 주기의 평균에 대한 변동계수는 각각 0.11, 0.02 정도로 주기 평균의 변동계수가 매우 낮은 것으로 파악되었다. 또한 변동주기 성분분석결과 1년 주기성분이 우세하였으며, 변동 범위는 0.24 m, 주기는 0.56초로 파악되었다. 계절 변동범위도 연간 변동범위보다 약 2배 정도 크다. 한편 파고 및 주기자료의 확률밀도함수를 추정한 결과, 단주기파의 파고 및 주기는 대수정규분포와 GEV 분포함수와 유사하며, 장 주기파의 경우, 파고는 대수정규분포, 주기는 GEV 분포함수와 유사하지만, KS 검정결과는 모두 기각으로 판정되었다. 파고 및 주기자료는 AR(3) 모형으로 추정된다. 파랑 강도를 분석한 결과는 연속 지속시간의 평균 및 최대지 속시간은 파고의 멱함수(power function) 함수로 감소하였으며, 전체 지속시간은 지수함수 형태로 감소하는 양상을 보였다. 또한 속초연안 환경은 전형적인 파랑 우세환경으로 파악되었다. Exploratory data analysis was carried out by using the long-term wave climate data in Sokcho coastal zone. The main features found in this study are as follows. The coefficient of variations on the wave height and period are about 0.11 and 0.02, respectively. It also shows that the annual components of the wave height and period are dominant and their amplitudes are 0.24 m and 0.56 seconds, respectively. The amount of intra-annual variation range is about two times greater than that of the inter-annual variation range. The distribution shapes of the wave data are very similar to the log-normal and GEV(generalized extreme value) functions. However, the goodness-of-fit tests based on the KS test show as "rejected" for all suggested density functions. Then, the structure of the timeseries wave height data is roughly estimated as AR(3) model. Based on the wave duration results, it is clearly shown that the continuous and maximum duration is decreased as a power function shape and the total duration is exponentially decreased. Meanwhile, the environment of the Sokcho coastal zone is classified as a wave-dominated environment.

일본 미카와만의 시간적인 성층변화 양상 분석

조홍연(Cho, Hong-Yeon),조봉식(Cho, Bong-Sik) 한국해안해양공학회 2010 한국해안해양공학회 논문집 Vol.22 No.3

일본 미카와만의 연안 모니터링 부이에서 연속 관측한 수온 및 염분자료를 이용하여 성층의 시간적인 변화 양상을 분석하였다. 분석결과 우선 성층은 뚜렷하고 우세한 1년 주기의 변화 양상을 보이고 있으며, 표층과 저층의 밀도차이로 정의되는 성층강도는 강도가 증가할수록 발생빈도는 기하급수적으로 감소하는 양상을 보이는 것으로 파악되었다. 한편 성층강도의 발생빈도 분포는 정규분포 형태와는 다른 대수 정규분포 또는 지수분포 형태에 보다 근접한 것으로 파악되었다. 수온과 염분의 분산도 분석결과, 저층은 직선 형태의 변화 양상을 보이고 있으나 표층은 곡선 또는 고리(loop) 형태의 변화양상을 보이고 있는 것으로 파악되었다. 한편 성층강도 추정오차를 분석한 결과, 월 4회 관측빈도의 자료를 이용한 오차범위는 본 연구에서와 같이 관측부이의 1일 연속자료를 이용한 오차범위보다 4.45배 이상 증가하는 것으로 파악되었다. Analysis on the temporal variation of the stratification is carried out by using the continuous water temperature and salinity data observed in the coastal monitoring buoy in Mikawa Bay, Japan. The main analysis results are as follows. The stratification pattern have an obvious and dominant 1-year period variation and the occurrence frequency (days) are exponentially decreased as the stratification intensity (SI) defined as the density difference between surface and bottom layers linearly increases. The frequency distribution function of the SI is presumably close to the log-normal function type or exponential function type. From the water temperature and salinity scatter diagram analysis, the line and loop type patterns are shown in the bottom and surface layers, respectively. In addition, the analysis of the SI estimation show that the error bound in case of using the weekly-monitoring data is about 4.45 times greater than that in case of using the continuous (daily) monitoring data.

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.