A Study of Storm Surge and Tidal Current Induced by the Typhoon on the South Sea

(1)

한국해안․해양공학회 학술발표논문집 (2009)

2009년 11월 5일-11월 6일

제18권, pp. 144-147

남해안지역의 태풍으로 인한 이상조위 및 유속변화에 관한 연구

A Study of Storm Surge and Tidal Current Induced

by the Typhoon on the South Sea

강신중

1 _{, 신문섭}

2 _{, 이정만}

3 Kang Sin Jung

1 , Shin Moon Seup

2 , Lee Jeong Man

3 1. 서 론

해수면은 여러 원인에 의해 변위를 일으키며 이러

한 해면운동을 그 주기에 따라 분류를 하는데 일반

적으로 주기가 20~30초 이상의 파랑을 장주기파라

한다. 이러한 장주기파는 항만 내에서 볼 수 있는

해면진동(부진동: secondary harbor oscillation),

해저 지진이나 화산폭발 등에 의해 일어나는 지진해

일(tsunami), 태풍에 의한 폭풍해일(storm surge),

천체운동에 따른 주기적 해수면 변동을 하는 조석으

로 분류 되며, 조석과 같은 주기적 해면운동은 해수

순환 및 갯벌 형성 등의 순기능을 하는 반면 지진

및 폭풍해일의 경우 연안 범람과 침수와 같은 연안

재해를 발생시키기도 한다.

특히 남해안 주변의 연안역 일대는 매년 태풍

에 의한 막대한 피해를 입고 있으며, 1959년 14

호 태풍「Sarah」부터 1987년 5호 태풍「Thelm

a」, 2002년 15호 태풍「Rusa」, 2003년 14호 태

풍「Maemi」에 이르기까지 해를 거듭할수록 태풍

규모 및 재해규모 면에서 각종 기록을 경신하며

그 영향력이 커지고 있다.

본 연구는 지구온난화로 인해 태풍의 규모가 더

욱 강력해지고 있는 기상상황 하에서 태풍내습으로

인한 재해예보 및 피해저감 방지 대책을 수립하는

데 필요한 보다 정도 높고 다양한 기초자료를 제공

하기 위해 기상조 와 천문조를 동시에 고려한 수치

계산을 통하여 태풍「Maemi」내습시 남해안지역의

유동변화 및 이상조위 등을 고찰하고자 한다.

기존의 연구는 지역적으로 연안역에 대한 연구

및 이상조위(수직운동)에 대하여만 수행되어 왔

으나, 본 연구에서는 태풍시 유동변화(수평운동)

를 분석하여 태풍내습시 해수순환 및 국부세굴

등에 대한 향후 연구의 기초자료를 제공하고자

한다.

2. 연 구 내 용

본 연구는 태풍내습으로 인한 재해예보 및 피

해저감 방지 대책을 수립하는데 필요한 보다 정

도 높고 다양한 기초자료를 제공하기 위해 한반

도(남해안)에 많은 영향을 미쳤던 태풍「Maemi」

내습시의 기상 및 조석자료를 이용하여 천문조

및 기상조를 동시에 고려할 수 있는 수치모델인

Mike21의 HD모듈(Hydrodynamic Module)과 CYWIND

모듈을 이용하여 태풍으로 인한 남해안지역의 유

동변화 및 이상조위 등을 고찰하였다.

유동모델 계산결과를 주요대상지역(부산, 마

산, 통영, 거문도)의 관측자료와 비교하여 유동

장 재현을 검증하였으며 태풍내습시의 유동 및

조위변화를 분석하기 위해 일본 기상청(JMA

Japan Meteorological Agency)에서 관측한 관측

기록(이동경로, 최대풍속, 반경, 기압)을 기초로

바람 및 기압장을 생성하였고, 이를 기 검증된

유동장에 적용하여 태풍내습시 유동변화와 이상

조위에 대한 분석을 하였다. 이상조위의 계산결

과는 국립해양조사원의 1시간 검조기록과 비교

1 _{㈜세광종합기술단 해안개발연구소 연구원}

2 군산대학교

토목환경공학부 교수

3 _{(㈜세광종합기술단 해안개발연구소 책임연구원}

(2)

검증하였다.

3. 모델수립 및 검증

3.1 적용모델의 지배방정식

3.1.1 Mike21 HD Module

본 연구에 사용하는 해수유동 모형은 하구, 만

그리고 연안지역에서 바람마찰과 기압의 영향을

고려하여 수위변화와 흐름을 모의하는 수치모형

으로 비정상 상태의 수심 평균된 2차원 흐름을

재현하는 프로그램인 Mike21 HD Module을 이용하

였다.

연속방정식 :

∂

η

∂t

+

∂( hu)

∂x

+

∂( hv)

∂y

= 0

X 방향의 운동방정식 :

∂u

∂t

+ u

∂u

∂x

+ v

∂u

∂y

- fv=

- g

∂

η

∂x

+ A

h

(

∂

2 _u

∂x

2 +

∂

2 _u

∂y

2

)

+

τ

x

h

+

γ

w

VV

x

h

-

_ρ

1 w

∂

∂x

( P

a

)

Y 방향의 운동방정식 :

∂v

∂t

+ u

∂v

∂x

+ v

∂v

∂y

+ fu =

- g

∂

η

∂y

+ A

h

(

∂

2 v

∂x

2 +

∂

2 v

∂y

2

)

+

τ

_y

h

+

γ

_w

_VV

_y

h

-

_ρ

1 w

∂

∂y

( P

a

)

여기서,

γ

w

: 바람마찰계수

_{V, V}

x

, V

y

(x,y,t)

: x, y 방향의 풍속

_P

a

(x,y,t)

: 대기압

3.1.2 Mike21 CYWIND Module

본 Module은 태풍의 이동경로, 관측기록과 수

심장을 이용하여 이동경로에 따른 시계열별 바람

장 및 기압장을 재현하는 Parameter Model 로써,

입력 Parameter는 경로에 따른 발생시간, 좌표,

최대풍속, 반경, 중심기압, 대기압이 사용된다.

태풍에 의해 생성되는 바람장은 회전성분 속도

와 이동성분 속도로 구분되어 산정되며, 태풍 중

심점부터 거리 R에서

V

r

= V

max

⋅

(

_R

R

m

)

7 ⋅ exp

(

7

(

1 -

R

m

))

for R < R

m

V

r

= V

max

⋅ exp

(

( 0.0025R

m

+ 0.051)

(

1 -

_R

R

m

))

for R≥ R

m

V

t

=- 0.5V

f

⋅(- cos (

φ

))

V = V

r+ V

t

P = P

c

+ ( P

n

- P

c

)⋅ exp

(

-R

m

R

)

로 산정된다.(DHI, 2001)

여기서,

R

: 반경(km)

Rm

: 최대풍속 반경(km)

Vf

: 이동속도(m/sec)

Vmax

: 최대풍속(m/sec)

Vr

: 태풍반경 R의 회전성분 속도(m/sec)

P

: 태풍 반경R의 기압(hPa)

Pc

: 중심 기압(hPa)

Pn

: 외부 기압(hPa)

φ

: 최대바람선과 태풍중심이 이루는 각

3.2 계산결과 및 검증

먼저 비태풍시의 유동모델수립 후 유동장에 대

한 주요 관측지점의 관측자료와 검증을 하였으

며, 기 검증된 유동장에 태풍의 이동에 따른 기

압 및 바람장을 생성하여 태풍내습시의 유동장을

재현하였다.

태풍내습시에 대한 검증은 국립해양조사원에서

관측한 1시간 조석관측 자료를 이용하여 태풍내

습시의 이상조위와 위상을 비교･검증을 하였다.

3.2.1 해수유동모델 검증

Fig. 1. 조위 관측지점 위치도

Table 1. 관측조위 조석조화상수

비교

지점

부 산

마 산

통 영

거문도

조화

상수

분조

H

(cm)

Phase

(°)

H

(cm)

Phase

(°)

H

(cm)

Phase

(°)

H

(cm)

Phase

(°)

M

2 40.0 232.8 58.2 241.4 79.6 248.4 89.7 269.8

S

2 18.9 261.3 27.6 268.6 37.0 275.9 40.1 294.7

K

1 4.4 137.1 8.1 157.1 14.7 172.6 23.4 193.0

O

1 1.6 112.2 4.4 131.7 9.7 149.4 16.8 171.2

(3)

9/8/03 9/9/03 9/10/03 9/11/03 9/12/03 9/13/03 9/14/03 9/15/03 9/16/03 9/17/03 9/18/03

Date

-0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75

T

id

a

l E

levati

on(m)

Prediction Calculation

BUSAN

Fig. 2. 부산 조위 및 위상비교

9/8/03 9/9/03 9/10/03 9/11/03 9/12/03 9/13/03 9/14/03 9/15/03 9/16/03 9/17/03 9/18/03

Date

-1 -0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1

T

id

a

l E

levati

on(m)

Prediction Calculation

MASAN

Fig. 3. 마산 조위 및 위상비교

9/8/03 9/9/03 9/10/03 9/11/03 9/12/03 9/13/03 9/14/03 9/15/03 9/16/03 9/17/03 9/18/03

Date

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

T

id

a

l E

levati

on(m)

Predictoun Calculation

TONGYEONG

Fig. 4. 통영 조위 및 위상비교

9/8/03 9/9/03 9/10/03 9/11/03 9/12/03 9/13/03 9/14/03 9/15/03 9/16/03 9/17/03 9/18/03

Date

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

Ti

da

l E

le

v

a

ti

o

n

(m

)

Predictoun Calculation

GEOMUNDO

Fig. 5. 거문도 조위 및 위상비교

3.2.2 태풍내습시 모델 검증

9/12 12hr

9/13 0hr

9/12 6hr

9/12 18hr

Date

-0.6

-0.3

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8 T

idal E

levati

o

n

(m)

Measured Calculation

BUSAN

Fig. 6. 태풍내습시 부산 조위 및 위상비교

9/12 12hr

9/13 0hr

9/12 6hr

9/12 18hr

Date

-1.4

-0.7

0

0.7

1.4

2.1

2.8

3.5 T

idal E

levati

o

n

(m)

MASAN

Fig. 7. 태풍내습시 마산 조위 및 위상비교

9/12 12hr

9/13 0hr

9/12 6hr

9/12 18hr

Date

-1.5

-0.75

0

0.75

1.5

2.25

3 T

idal E

levati

o

n

(m)

TONGYEONG

Fig. 8. 태풍내습시 통영 조위 및 위상비교

9/12 12hr

9/13 0hr

9/12 6hr

9/12 18hr

Date

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2 T

idal E

levati

o

n

(m)

GEOMUNDO

Fig. 9. 태풍내습시 거문도 조위 및 위상비교

3.2.3 태풍내습에 의한 유속변화

태풍이 내습하면 기압 및 바람에 의한 이상조

위 이외에 조류의 흐름에도 많은 영향을 미치게

된다. 기존의 연구가 이상조위에 대해 초점을 맞

춰 이루어지면서 흐름의 변화에 대해서는 연구가

이루어지지 않았다. 본 연구에서는 태풍내습으로

인한 유속변화를 고찰하여 보기로 한다.

다음의 <fig 10.>~<fig 11>은 태풍과 비태풍시

의 유속차(유속차 ＝｜태풍내습시유속-비태풍시

유속｜)분포를 나타낸 것이다.

유속분포 변화를 살펴보면 태풍의 위치에 따른

바람방향과 조류의 흐름방향에 따라 유속의 변화

가 심한 것을 알 수 있다. 남해안지역의 흐름유

형은 창조시 동에서 서쪽으로 낙조시 서에서 동

쪽으로의 흐름을 나타내며, 태풍의 바람은 반시

계방향으로 불게 된다. 이에 따라 남해안지역에

태풍「Maemi」가 접근하면서 바람에 의해 유속이

증가하였고, 창조시의 흐름과 바람방향의 일치에

의해 유속증가가 가속화 되었다. 태풍이 지나가

면서 지역적으로 바람의 방향이 바뀌며 유속증가

세가 둔화 되었고, 태풍이 빠져나간 후 점점 정

상상태로의 수렴을 보이기 시작하였다.

(4)

37 26421-1 -10-0 -4 -8 -5 -22567788 810 13 16 19 25 30 33 36 38 37 37 38 38 38 40 44 49 52 54 58 61 63 65 67 67 66 63 60 57 52 43 30 144 47 -4 -3 -4 -5 -5 -6 -5 -04711 14 17 20 21 22 22 23 23 25 26 27 29 32 34 36 38 39 39 40 41 41 43 44 47 50 54 56 59 61 63 64 65 65 64 62 59 56 52 48 41 32 24 18 28 57 -6 -3 -3 -2 -3 -3 -13710 13 16 18 20 21 23 24 25 26 27 29 30 32 34 35 37 38 40 41 41 43 43 44 45 46 48 51 54 56 58 60 62 63 64 64 63 61 58 56 53 50 44 39 34 270 -5500233 711 14 15 18 20 21 22 23 25 27 27 29 31 33 35 37 38 39 40 41 42 43 44 46 46 47 47 48 50 52 54 57 59 60 62 63 63 62 62 60 58 55 53 51 47 44 45 47 11 4 -11 131146710 14 17 18 20 22 23 24 24 25 27 28 29 32 35 37 40 41 42 42 43 44 45 47 47 48 48 48 49 50 51 53 56 58 59 60 62 62 62 61 60 59 57 55 54 52 50 49 52 60 673 34 29 26 27 38 24 22957910 12 16 19 21 23 24 25 26 26 26 27 29 31 33 35 39 42 43 43 44 45 47 48 49 50 50 50 50 50 50 51 53 55 57 57 58 60 62 62 61 60 59 58 56 54 53 52 51 52 56 61 66 57 12 12 14 17 18 17 15 15 11 12 15 16 17 20 22 24 25 26 26 27 28 29 29 30 32 35 37 39 42 45 46 46 46 49 50 51 52 52 52 51 51 51 51 52 53 56 58 57 58 61 62 62 61 60 58 57 55 53 52 51 51 53 57 60 58 56 54 29 14 511 15 17 17 16 16 17 20 23 22 24 27 28 28 28 28 29 31 32 32 33 35 37 39 41 43 46 48 49 49 50 52 53 54 54 54 53 52 51 51 51 51 53 56 59 59 59 61 62 62 61 60 58 56 55 53 51 51 51 53 56 57 52 55 56 43 15 714 18 19 20 21 22 25 27 28 28 31 33 32 32 31 32 33 34 36 37 38 39 41 43 45 47 49 51 52 53 54 54 56 56 56 56 55 53 52 51 50 51 53 58 63 63 61 62 62 61 61 60 58 56 54 53 52 51 52 54 55 56 56 58 56 51 30 12 17 21 23 25 27 28 29 32 33 35 37 39 38 36 35 35 37 38 41 43 43 44 47 48 49 50 52 53 55 56 57 57 57 58 58 57 56 55 53 51 50 51 55 62 67 66 62 61 61 61 61 60 58 57 55 54 54 53 53 54 55 57 59 59 57 55 52 -1 17 21 25 28 31 33 33 34 37 39 42 44 46 43 40 39 39 41 43 46 50 51 50 52 52 52 53 55 59 59 60 60 59 60 60 60 58 57 55 54 52 52 53 58 64 68 67 63 61 61 61 61 60 58 57 56 55 54 54 54 54 56 58 61 60 59 57 54 48 24 26 32 34 37 37 38 39 42 44 47 51 52 47 44 43 43 45 48 51 60 65 58 59 56 56 59 62 69 65 66 65 64 64 63 62 59 58 57 55 54 54 55 59 65 69 68 64 60 60 61 60 59 58 57 57 56 55 55 55 55 56 60 63 64 61 56 55 49 13 30 33 38 40 42 43 44 45 47 48 50 57 58 51 49 49 50 51 51 54 73 101 70 65 60 60 65 65 78 71 73 73 71 69 67 64 61 59 58 57 55 55 55 59 66 70 69 65 59 60 62 61 59 58 57 57 57 57 56 56 56 57 60 64 68 66 59 61 55 28 36 38 42 46 48 51 51 49 50 49 50 58 65 59 55 55 55 55 54 51 46 31 65 55 68 77 77 83 80 82 83 79 75 71 67 62 60 59 57 56 56 57 61 68 72 70 65 60 61 65 62 59 59 57 57 59 60 58 57 57 57 60 60 65 69 65 68 65 52 38 42 46 52 54 57 61 52 50 49 50 59 80 75 59 59 60 64 66 61 38 -4 116 81 70 79 85 83 97 88 91 91 88 83 77 71 65 61 59 58 57 57 60 66 68 71 70 65 62 64 67 64 60 62 57 59 62 62 60 58 58 58 59 58 62 67 68 75 90 639 38 43 49 51 55 53 79 52 53 54 44 15743 57 62 67 70 73 74 77 96 93 89 84 87 90 94 98 96 98 98 96 90 83 76 67 61 60 59 60 61 64 67 65 66 66 62 61 64 66 64 62 62 60 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-2 35 67 53 51 45 51 72 76 69 67 67 68 67 65 58 27 19 17 15 13 51 18 324 31 45 52 49 46 72 48 5842 41 53 58 61 55 79 53 46620 27 37 47 38970 56 53 50 47 44 48 56 50 33 53 47 55 75 88 61 28 23 4 -0 51 42 54 50 49 80 74 65 64 65 64 65 61 51 16 137624 185 451 26 24 19 59 15 48 95 54 58 34 37 63 43 20 56 19 817 17 44 17 92 38 38 35 36 51 76 69 45652 54 69 58 19 -9 44 7 17 55 42 50 35 47 49 58 60 63 63 63 60 52 7 5312 19 22 35 16 24 306 100 61 60 29 -12 42 6924 23 42 15 24 22 30 43 53 63 43 35 52 44 15 58 14 -5 24 15 26 29 34 36 28 41 44 53 64 62 61 61 53 2 3591037 -0 12 32 46 19 49 412 19 664-9 18 28 41518 32022 16 11 18 39 16 33 27 37 79 37 40 1 1 -0711 20 27 33 42 32 47 74 64 59 61 50 -4112 16 -2511 37 25 25 19 28 53 65 14 -3 20 -1 39 17 -4 17483 14 10 24 24 194 18 110 34 29 28 36 34 15 -5 56 61 56 49 -37178410 32 -0 12 34 -3 56 47 -20 818 710 -4 13 11 11 -0419 38 34 17 126-0 2 19 321 4 22 56 53 42 16 20380128 8 45 31 -18 24 15 16 -9 13 -1 33 82 32 485 8-7 15 16 10 -0 25 37 11 3 20 42 40 46 33 19 -6 -13 153 25 41 29 -16 220124 -1 10 36 48 5 18 17 5-1 -5 -7 -21112 28 -2 -30 0 47 30 18 10 10 -2 23 11 15 23 6 22 29 12 33 3-6 188311 265 -3 630 -1 22926 21 911 727 61 420 -1 7 7 26 -2 728 -18 -34 4 6-5 -1 29 10 10 18 -0 63 6 -2 -6 1 -18 -32 -12 63 103 -1 1 4

0km 10km 20km

0

40

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520

560

592 JEJUDO

JINDO

GOHEUNG

YEOSU

MASAN

BUSAN

UNIT : cm/sec

Fig. 10. 태풍과 비태풍시의 유속차 - 2003/9/12 18:00(단위:cm/sec)

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