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상세유한요소격자에서 비대칭 경도풍과 파랑모형이 고려된 서해안의 태풍해일모의
Typhoon Surge Simulation on the West Coast Incorporating Asymmetric Vortex and Wave Model on a Fine Finite Element Grid
서승원*·김현정**
SeungWon Suh* and Hyeon Jeong Kim**
요 지 :서해안에 영향을 미치는 폭풍해일 모의를 위해 비대칭 태풍바람장, 조석 및 파랑의 복합적 현상이 동시에
고려되어 북서태평양까지 확장된 동일한 상세유한요소격자상에서 수행되었다. 비대칭형 태풍 경도풍은 JTWC에서 제 공하는 Best track의 4분면 풍속반경 자료 등이 조석유동모형 pADCIRC에 입력되고 파랑모형 unSWAN과 동적 결 합되어 병렬클러스터에서 계산된다. 태풍 곤파스(TY1007)에 적용한 모의실험에서 이어도 관측기지의 파랑자료 및 우 리나라에 근접한 시간에 관측된 주요 검조소에서의 해수면자료와 매우 잘 일치하는 만족스러운 결과가 도출되었다.
비대칭형 경도풍 고려로 태풍상륙 이남에서 국부적인 해일고 상승이 두드러지게 모의되어 본 연구에서 제안한 방 법은 폭풍해일로 인한 해안저지대 및 주요시설물 범람대비 등 연안재해관리에 유용하게 활용될 수 있다.
핵심용어 :폭풍해일, 비대칭 태풍, best track, ADCIRC, unSWAN
Abstract : In order to simulate storm surge for the west coast, complex physics of asymmetrical typhoon wind vortex, tide and wave are simultaneously incorporated on a fine finite element mesh extended to the North Western Pacific sea. Asymmetrical vortex based on maximum wind radii for each quadrant by JTWC’s best tracks are input in pADCIRC and wave stress is accounted by dynamic coupling with unSWAN. Computations performed on parallel clusters. In hindcasting simulation of typhoon Kompasu(1007), model results of wave characteristic are very close with the observed data at Ieo island, and sea surface records at major tidal stations are reproduced with satisfaction when typhoon is approaching to the coast. It is obvious that increasing of local storm surges can be found by introducing asymmetrical vortex. Thus this approach can be satisfactorily applied in coastal hazard management against to storm surge inundation on low level area and major harbor facilities.
Keywords : storm surge, asymmetric typhoon wind, best track, ADCIRC, unSWAN
1. 서 론
우리나라에 주로 영향을 주는 태풍은 북서태평양에서 발생 하며 해마다 3.1개의 태풍(기상청 국가태풍센터, 2011)이 하 계에 집중되어 발생한다. 태풍이 서해를 통과할 경우 강한 풍 속에 의한 피해가 크게 나타나며 동해를 통과하는 태풍의 경 우 강우로 인한 피해가 큰 특징을 갖는다(안 등, 2008). 미해 군연구소(Naval Research Laboratory, NRL)에서 1945년부 터 2010년까지 66년간 우리나라에 영향을 미친 태풍 중 목 포항 중심 333 km(180 nmi) 영역을 통과한 89개에 대하여 분석한 결과(http://www.nrlmry.navy.mil/port_studies/thh-nc/
korea/mokpo/text/index.htm)에 따르면 여름철 7, 8월에 발생 하여 이동하는 경로와 9월부터 이듬해 6월까지 이동하는 경로
가 Fig. 1(a), (b)에서 보는 것처럼 상이한 것으로 나타난다.
7, 8월에는 서해로 북상하는 경로가 다수 있는 반면, 9월부 터는 이동경로가 남해안쪽으로 전향하는 것을 볼 수 있다. 이 와 같은 이유는 태풍이 발생하여 북상하면서 해수온도 변화 가 이동경로에 영향을 주기 때문으로 판단된다. 그러나 시기 에 관계없이 우리나라 서남단으로 내습하는 태풍의 주된 풍 향을 분석한 Fig. 1(c)에 따르면, SSW향이 57.3 %, WSW향 이 23.6 %로 대부분을 차지한다. 지난 50년간의 태풍의 진 로변화 경향과 최근의 피해상황을 함께 고려하여 한반도에 영 향을 주는 태풍의 발생 특성을 분석한 연구(박 등, 2006)에 따르면 북서태평양에서 발생하는 태풍의 수는 감소하는 경향 을 보이지만 한반도에 영향을 주는 태풍은 오히려 증가하고 있는 것으로 분석된다. 이들은 한반도에 영향을 주는 태풍의
*군산대학교 해양건설공학과 교수(Corresponding author : SeungWon Suh, Department of Coastal Construction Engineering, Kunsan National University, Daehak-ro 1170, Kunsan, Jeonbuk 573-701, Korea. [email protected])
**군산대학교 대학원 해양산업공학과 석사과정(Department of Ocean Science & Engineering, Kunsan National University)
유형을 7가지로 분류하는데, 이중에서 서해를 통과하는 경우 는 Fig. 1(d)와 같이 3가지 유형으로 구분된다. 서해연안에 영 향을 미친 태풍 중 큰 피해를 미친 태풍으로는 2000년 발생한 12호 태풍인 Prapiroon과 2010년 발생한 7호 태풍인 Kompasu 이 대표적인 예이며, 이들의 분석에 따르면 각각 Type 1과 6 에 해당된다.
과거 내습하였던 태풍 중 일례로 Fig. 2에서 보는 바와 같 은 곤파스와 프라피룬 태풍 형태는 이동경로 및 진행방향에 관계없이 우하단에서 태풍 중심쪽으로 강한 풍속이 나타나는 강한 와동 구조를 가지는 것을 알 수 있다. 태풍이 서해로 북 상하면 우리나라 서해안은 태풍의 우반경에 놓이게 되고 이 와 같은 태풍의 풍속 구조에 기인되어 상륙지점 이남지역에 서는 해일범람 특성이 달라지므로 실제적인 태풍의 형태와 풍 속반경을 이용한 바람장 모사가 폭풍해일 모의에 매우 중요 하다. 그러나 태풍 해일모의와 범람모의를 시도한 국내의 여러 연구 (김 등 2007; 문 등, 2007; 박 등, 2010; 천 등, 2008; 정·김, 2011)들 대부분은 태풍구조를 단순한 대칭의
동심원으로 가정한 Holland(1980)의 식에 따른 대칭형 와 (symmetric vortex)로 간주하지만, 실제의 태풍은 이와 다른 바 람장 속성을 가진다. 실제 태풍 이동시 기상영상 등을 통해 살펴본 바람장 형태는 이동하면서 반시계 방향으로 회전하 면서, 편향된 기압장 배치 및 이동 진행방향의 위치에 따라 풍 향 및 풍속이 크게 달라지며 비대칭성을 나타내고 있다.
Xie et al.(2006)는 기존 Holland 식의 대칭형 가정 제한점 을 개선하기 위한 시도를 하였는데, 태풍 중심으로부터 외향 방향의 거리에 따라 지수함수적으로 감소되는 비대칭 경도풍 분포식을 제안하였다. 국내의 태풍해일에 관한 기존연구들은 조석과 태풍을 고려하여 연안에서 발생하는 폭풍 해일고와 저 지대 범람역의 정밀한 수치모의를 위해 둥지형(Nesting) 등 상세한 격자간격을 사용함에도 불구하고, 해면응력을 모사하 는데 있어 태풍을 단순한 대칭의 동심원으로 가정함으로써 실 제와는 거리가 있는 제한사항이 있었다.
태풍에 의한 해일범람 영향을 분석하기 위해서는 이와 같 이 태풍의 정확한 모사도 중요하지만, 대기-순환-파랑이 동일 Fig. 1. Analyses of (a) Typhoon tracks affecting to Mokpo area in July and August, (b) September to June that passed within 180 nmi of Mokpo during the period 1945-2010 for all 89 tropical storms and typhoons. (c) Directions of approach, numbers of storms approaching from each octant are circled, and percent figures are percentages of total sample approaching from that octant. (http://
www.nrlmry.navy.mil) and (d) Typical tracks of Typhoons affecting to the west coast by Park et al.(2006).
격자체계에서 일체로 처리되는 것이 중요하다. 이유는 이질 적인 대기모형과 유동모형을 접합하는데 있어 내부적인 이산 화 과정 및 Fig. 3(a)에 보는 바와 같이 격자체계가 서로 다
르기 때문에 대기정보를 유동모형에 보간 할 때 오차가 발생 될 가능성이 크다는 것이다. 동일한 차분방법을 적용한다 하 더라도 세부영역에 관한 폭풍해일 모의를 위해서 둥지형태로 Fig. 2. Selected satellite images of (a) Typhoon Komasu(1007) and (b) Prapiroon(0013).
Fig. 3. Grid structures of meteorological and hydrodynamic simulation using (a) different grids and (b) same grids. Left panel shows the whole north western pacific(NWP) region and right panel indicates zoomed in Gyunggi Bay.
세분화된 격자(nesting grid)를 이용하는 경우 기상모의와 해 상모의의 격자체계 상이성으로 오차 발생의 개연성이 다분히 있다. 따라서 가능하면 대기-해양 모의에는 Fig. 3(b)에 보이 는 바와 같은 동일 격자체계를 사용하는 것이 바람직하다. 본 연구는 이와 같은 오차를 최소화 하기 위해 태풍 이동경로에 대한 경위도 위치, 중심기압, 각 계급별 풍속 등의 정보가 상 세하게 기록된 태풍경로인 Best track을 대기모사의 기본자 료로 하고, 해역을 이산화하고 표현하는 상세격자체계상에 이 를 직접 투영시켜 해면경계에서 시간에 따른 태풍응력 변화 를 능동적으로 표현하도록 하였다. 본 논문에서는 태풍에 의 한 폭풍해일 모의를 효율적으로 수행하기 위해, 태풍의 발원 지를 포함하는 북서태평양까지 확장한 격자체계에서 비대칭 태풍 바람장이 고려된 해수순환과 파랑 효과가 수행되어해석 한 성과가 제시된다. 이 연구 결과의 일부는 이어지는 연구 (서·이, 2012)인 서해연안의 항만권역에 인공적으로 축조된 직립안벽에 대한 범람 모의의 기본적인 외력 구동모형으로 이 용된다.
2. 폭풍해일 수치모의
2.1 유한요소모형과 격자체계
우리나라 서해연안에서의 폭풍해일 모의에는 복잡한 경계 처리와 함께 대기와 해양에서의 긴밀한 상호작용이 중요하며 부가적으로 계산의 효율성 등이 고려되는 것이 타당하다. 근 래에는 연안을 수십 m로 상세히 해상한 수백만 또는 수천만 개에 이르는 절점에 이르는 유한요소격자체계의 연산이 가능 한 병렬클러스터가 기업 연구소와 대학교 연구실에 보급되고 있는 추세로 고성능의 컴퓨팅 환경이 조성되고 있다. 본 연 구에서는 이러한 사항을 고려하도록 하였으며, 선행된 연구 (서·김, 2011)에서 구축한 상세유한요소 격자체계인 NWP- G57K 격자체계를 토대로 하였다. 최소격자간격은 연안에서
약 100 m, 최대격자는 개방경계에서 160 km이다. 수치모의에 사용한 모형은 ADCIRC(Luettich et al., 1992)모형에 병렬화 가 추가된 pADCIRC(Chippada et al., 1996) ver. 49.21이다.
폭풍해일 모의를 위해 NWP-G57K를 METIS ver 4.0.1을 사 용하여 당 연구실에서 구축한 병렬클러스터 64개 프로세서에 적합하도록 분할하였으며, 각 프로세서당 900여 개의 절점과 1600여개의 요소를 포함하도록 하였다. 또한 수치모형의 계 산시간 단축을 꾀하고자 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터에서 보유하 고 있는 TACHYON II (SUN B6275)를 병행 사용하여 효 율성을 극대화 하도록 노력을 기울였다.
2.2 조석모의
서해연안의 정밀 조석모의 연구가 본 연구진의 선행연구 (서·이 2007)에 의해 시도된 이후, 후속 연구(서·김, 2011) 에서는 성능이 향상된 인텔 서버급 쿼드코어 cpu 8개를 사 용한 32core를 갖는 병렬클러스터를 구축하여 황해를 포함한 확장해역에서의 조석 산정에 만족스러운 결과를 나타낸 바 있 다. 금번 연구에서는 병렬클러스터의 계산향상을 위해 32core 를 추가하고 이들 클러스터간 통신 성능이 개선되도록 Mellanox Technologies사의 InfiniBand를 장착한 시스템을 사용함으로 써 대상해역을 64개의 분할된 영역으로 나누어 계산의 효율 성을 높일 수 있었다. 조석모의의 신뢰성을 높이기 위해 북서 태평양을 포함한 광역 개방경계조건은 FES2004(Lyard et al., 2006)로부터 추출한 주요 8분조(M2, S2, K1, O1, N2, P1, K2, Q1)의 진폭과 위상각을 입력하였다(서·김, 2011). 또한 정밀 한 최신 수심자료 사용이 계산 정확도를 높일 수 있어 본 연 구에서는 선행연구에서 적용한 전지구 1분 간격의 수심자료 인 ETOPO1과 우리나라 연안을 30초 간격으로 상세 해상한 KorBathy30s을 적용하였다. 모형에 적용된 해저 조도계수는 선행연구(서·이, 2007)에서 고려한 수심에 따라 달라지는 0.0021~0.0023의 값을 적용하였다.
Fig. 4. Simulated (a)tidal amplitude and (b)phases for the 4 major tidal constituents, M2, S2, K1, O1 on NWP-G57K grid structure compared to KORDI data marked with filled square and IHO data marked with blank square (Suh and Kim, 2011).
조석모의를 수행한 기본적인 이유는 모형의 검증을 위한 목 적과 함께 실시간 예보목적 경우 태풍이 없는 평상시에 조석 모의가 진행되다가 특이 기상인 태풍이 북서태평양에 발생하 게 되면 이때부터 공간적 시간적으로 변화되는 기압장을 고 려한 해일모의를 신속하게 진행하기 위함이다. 따라서 조석 모의시 통상적으로 취하는 cold start에 따른 수치적 불안정을 제거하고 현실적인 조석을 재현하기 위해 태풍이 예견되는 15 일 이상을 사전모의 하는 Hot start 방법을 적용하였다. 아울 러 태풍이 주로 내습하는 하계(7-9월)에는 수온 상승으로 인 한 해수밀도의 변화로 평균해수면이 상승하므로 이를 고려하 기 위해 국립해양조사원(info.khoa.go.kr)에서 제공하는 해수 면 성과표로부터 추출한 태풍 Kompasu 내습시기인 2010년 8월의 서해연안 주요 지역의 해수면 상승치인 목포 16 cm, 군 산 18 cm, 인천 17 cm를 반영하였다. 이와 같은 조석모의의 개선사항에 대한 결과는 후술하는 태풍모의 결과에서 그 차 이점을 살펴볼 수 있는데, 2011년도에 수행한 국토해양부 한 국해양과학기술진흥원(2011) 과제 수행결과에 비해 금번 연 구에서 적용한 방법이 수월한 것으로 나타났다.
북서태평양 확장영역 조석모의에 대한 조석 산정 결과는 선 행연구(서·김, 2011) 결과와 대체로 동일하다. 여기서는 결 과 중 일부인 반일분조에 대한 조석검증 결과를 Fig. 4에 제 시한다. 우리나라 연안 96 개의 관측소 검조자료(한국해양연 구원, 1996)와 국제수로기구(IHO)의 153 개 관측소의 관측 치와 모델치를 비교한 결과는 광범위한 해역에서 진폭의 RMS오차가 0.138 m, 위상의 RMS오차는 20.53 deg로 조석 수동역학을 잘 재현하고 있는 것으로 해석된다.
2.3 비대칭 태풍 바람장
수치모형을 이용하여 폭풍해일 피해를 모의하는 경우 태풍 이 해면응력 변화를 유발하여 해면이 상승되므로 태풍 이동 의 중심위치, 최대풍속반경, 이동속도 등 제반 정보가 중요함 은 주지의 사항이다. 태풍해일 모사에 관한 국내 연구 중 몇 몇(전 등, 2001; 이 등, 2007; 국토해양부 한국해양연구원, 2010)은 태풍의 중심위치, 중심기압, 최대풍속 반경 등을 주 요변수 인식하고 이들의 산정방법에 대한 방안을 제시하거나 해일모의에 이용한 바 있다(이 등, 1990; 문·오, 2003). 과 거 태풍사상에 대한 파라메타 산정은 기상자료 및 해상부이 관측자료 등으로부터 적절한 방법을 통해 추정하여 실제 태 풍의 이동경로에 따른 해면기압 변화와 해일고 등을 평가하 고 있지만, 기본적으로 태풍 파라메타를 동심원으로 가정한 Holland식(1980) 또는 Fujita식에 근거하여 모사를 실시하고 있다.
실제 태풍 이동시 기상영상 등을 통해 관측된 태풍의 바람 장 배치는 대부분 비대칭성을 나타내고 있어 편향된 기압장 배치 및 이동 진행방향의 위치에 따라 풍향 및 풍속이 크게 달라진다. Xie et al.(2006)은 이와 같은 불합리성을 개선하 기 위해 태풍중심으로부터 외향방향의 거리에 따라 지수함수
적으로 감소되는 Holland(1980) 식을 수정하여 최대풍속이 태 풍 방위각에 따라 달라지는 식(1)과 같은 비대칭 경도풍 분 포식을 제안하였다.
(1)
여기서 기압 P는 태풍 중심으로부터의 반경 r과 방위각 θ 에 따라 변화되고, Pc, Pn는 각각 태풍 중심 및 태풍영향을 받지 않는 주변기압이고, Rmax는 최대풍속반경인데 태풍 주 위의 방위각에 따라 달라진다. Xie et al.(2006)은 최대풍속 을 방위각의 함수인 다항식으로 수정하였는데, 실제로는 미 국 국립허리케인센터(NHC)의 예보에 적합하게 4분면의 최 대풍속 값이 계산에 이용된다. 이 압력변화 식으로부터 태풍 중심에서 거리 r에서 접선방향의 비대칭 경도풍속 Vasym이 식(2)처럼 유도되어, 식(3)으로 표현되는 대칭형의 풍속 Vsym
과 형태를 달리한다.
(2)
(3)
여기서 A, B는 태풍규모를 표현하는 파라메타로, B는 식(4) 와 같이 표현되는 태풍꼴의 경사정도를 중심으로부터 외향 방향으로 나타내는데 1~2.5 사이의 값 범위에 있는 태풍 형 상변수이다(Mattocks and Forbes, 2008).
(4)
여기서 ρa는 공기밀도, e는 자연대수의 밑으로 2.7183, f는 코리올리 계수를 나타낸다. WR은 저면 경계층의 영향으로 풍 속이 저감되는 영향이 고려되는 계수 (wind reduction factor) 이다. Holland(1980)의 대칭형 경도풍 계산식과 달리 Xie et al.(2006)이 제안한 비대칭 경도풍 산정식에서는 태풍의 방 위각에 따른 태풍의 최대풍속 반경 Rmax가 고려되어 비대 칭형으로 바람장을 표현한다. 바람장을 비대칭으로 고려하면 폭풍해일의 범람 양상이 달라지게 되는데, Mattocks and Forbes(2008)는 2006년에 미국 North Carolina 연안에 피해 를 입힌 Hurricane Ophelia에 대해 이와 같은 비대칭의 변 형된 식을 적용하여 기존 대칭 와동으로 고려한 바람장 결 과보다 실측자료에 근접한 우수한 결과를 제시하고 있다.
현재 태풍에 관한 가용한 정보는 우리나라 기상청과 일본 동 경에 위치한 WMO 산하기관인 RSMC(Regional Specialized Meteorological Center)에서 제공하는 10분 평균된 풍속, 풍 속별 장단축 반경 등에 관한 정보와 하와이에 위치한 미공군 과 해군의 합동 태풍경보센터인 JTWC(Joint Typhoon Warning Center)에서 제공하는 1분 평균된 풍속, 풍속별 NE, SE, SW,
P r θ( , ) P= c+(Pn–Pc)exp–[Rmax( ) rθ⁄]B
Vasym B ρa
--- Rmax( )θ ---r
⎝ ⎠
⎛ ⎞B(Pn–Pc)exp–[Rmax⁄r]B rf ----2
⎝ ⎠⎛ ⎞2 + rf
----2
⎝ ⎠⎛ ⎞ –
=
Vsym AB P( n–Pc)exp(–A r⁄( )B) ρ⁄(arB) rf ----2
⎝ ⎠⎛ ⎞2 + rf
----2
⎝ ⎠⎛ ⎞ –
=
B [(Vmax–VT) WR⁄ ]2ρae Pn–Pc ---
=
NW 4분면에 대한 자료 등이 있다. Table 1에 이들 자료의 일부분이 제시된다. 태풍 Kompasu(1007)에 대해 JTWC 와 RSMC 두 기관의 Best track자료 중 2010년 9월 1일 12:00(UTC)이 발표한 자료를 살펴보면, JTWC에서는 34 kt, 50 kt, 64 kt 각 풍속별 4분면의 반경이 제시되는데 비해, RSMC 자료는 30 kt와 50 kt 풍속에 대한 장축 방향과 반경 그리고 단축반경이 제시되고 있다. 위치는 동일하지만 중심 기압에서 다소 차이가 있으며 RSMC 자료는 상대적으로 장 축 방향 특성이 불명확하다. JTWC와 NHC에서는 허리케인 이 육지에 상륙하는 시점을 허리케인의 중심이 아닌 34 kt 반 경이 육지에 닿는 시각을 의미하는 것으로 34 kt 반경의 중 요성을 제시하고 있으나, RSMC나 우리나라 기상청에서는 관 례상 30 kt(15 m/s), 50 kt(25 m/s) 의 범위를 제공한다(권 등, 2008). RSMC 자료를 JTWC 자료와 동질화 시키기 위해 Best track 풍속으로부터 34 kt 와 64 kt 바람정보를 산출하는 알고리즘을 제시하는 연구(원 등, 2008)도 있다. 2001-2010
년까지 우리나라 서남해안을 통과하는 태풍 16개에 대한 JTWC의 Best track을 분석하면, 열대성 저기압으로부터 발 생된 태풍이 북상하면서 초기에는 대칭의 와 형태를 보이나 평균적으로 북위 23도 이북에서는 비대칭 형태를 나타내며, 황 해에 접어들면서 비대칭성이 강해지는 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 태풍해일 모사를 위해 JTWC의 Best track을 이용하는데, 이유는 태풍의 4분면에 대 한 풍속반경이 제공되기 때문이다.
서해안에 영향을 미친 태풍에 대하여 당시의 위성영상자료 와 대칭형 모사 그리고 본 연구에서 제시하는 비대칭형 모사 를 통한 상호비교를 위해 먼저 태풍 Kompasu에 대해 검토 한다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 태풍 이동경로 중 특정시 간 2010년 09월 01일 04:50(UTC)에 관측된 위성사진에서 소용돌이는 대칭이 아닌 형태가 확연하다. 대칭형과 비대칭 형으로 바람장을 모사하는데 따른 정성적인 비교를 위해 Fig. 6에 평면적인 풍속장이 대비되며, 태풍진로방향 및 횡방 Table 1. Comparison of best tracks of the Typhoon Komapsu released by Joint Typhoon Warning Center(JTWC) and Regional Specialized
Meteorological Center(RSMC)
JTWC best track
Column 7: Latitude of the eye Column 8: Longitude of the eye
Column 9: Maximum sustained wind speed in knots(1 minute averaged) Column 10: Minimum sea level pressure in MB
Column 12: Wind intensity in knots of the radii defined in the record (34, 50, 64 or 100 knots) Column 14-17: Radius of specified wind intensity for quadrants 1, 2, 3, 4 in NM 0
Column 18: Background pressure in MB
Detailed information can be found at http://www.nrlmry.navy.mil/atcf_web/docs/database/new/abrdeck.html RSMC best track
Column 4: Latitude of the eye Column 5: Longitude of the eye
Column 6: Minimum sea level pressure in MB
Column 7: Maximum sustained wind speed in knots(10 minute averaged)
Column 8: Direction of the longest radius and longest radius of 50 kt wind or greater Column 9: The shortest radius of 50 kt
Column 10: Direction of the longest radius and longest radius of 30 kt wind or greater Column 11: The shortest radius of 30 kt
Detailed information can be found at
http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/Besttracks/e_format_bst.html
향으로의 정성적 비교는 Fig. 7에 대비되어 나타냈으며 정량 적 비교는 Table 2에 제시된다. 비대칭모사를 통해 재현된 태 풍의 바람장은 이와 같은 경향이 더욱 두드러지게 나타남을
알 수 있다. 즉, 대칭형태로 표현된 경도풍의 경우 태풍 이 동속도가 반영된 영향으로 우반경 중 NE의 4분원 방향을 제 외하고는 태풍 눈을 중심으로 표현된 각 기압동심원에서 접 Fig. 5. (a) Satellite image of Typhoon Kompasu at 2010/09/01/ 04:50 UTC released by NASA’s Earth observing system data and information
system EOSDIS, http://earthdata.nasa.gov) (b) reproduced wind vortex at the same time by asymmetric vortex algorithm.
Fig. 6. Comparison of the wind field produced by (a) symmetric and (b) asymmetric vortex for Typhoon Kompasu approaching to Mokpo area at 14:00 UTC on September 1, 2010.
Table 2. Wind speed and direction comparison on the longitudinal direction(line L) and transverse direction(line T) for the typhoon Kompasu simulation by different wind vortex approach
L1 L2 L3
Symmetric Asymmetric Symmetric Asymmetric Symmetric Asymmetric
Wind Speed(m/s)
T1 14 10 23 22 22 25
T2 15 11 0 10 30 33
T3 13 13 20 23 19 23
Wind Direction(o)
T1 106 100 61 78 21 41
T2 167 197 268 342 347 7
T3 228 285 274 310 314 340
선방향인 반시계방향의 풍향이 대체적이다. 그러나 비대칭 경 도풍의 풍속은 위성영상에서 살펴본 것과 같이 전체적으로 거 대한 반시계방향의 소용돌이가 태풍 눈으로 집중되며, 태풍 우반경 특히 4분원 SE방향에 해당되는 우반경의 풍속과 풍 향이 현저히 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과 는 앞서 언급한 NRL의 자료인 Fig. 1에 보이는 남서남에서 북동북향으로 진입되는 태풍의 풍속방향과 잘 일치되는 경향 을 보인다.
바람장 모사형태에 따른 태풍 진행방향 및 횡방향에 대한 단면별 풍속을 비교 분석하면, 비대칭 경도풍의 경우 태풍의 우반경에서 최대 4 m/s 이상의 큰 풍속이 발생하는 것으로 분 석되며 풍향 또한 동심원으로 회전하는 대칭형과 확연히 구 분되는 방향성을 보인다. 따라서 이러한 비대칭형 경도풍 특 성에 기인되어 서해로 북상하는 태풍해일 모의경향은 태풍의 우반경 특히 진행 후미의 우반경에 놓이게 되는 서해연안에 서 대칭형 경도풍을 이용한 경우와는 다른 상대적으로 큰 해 일고가 발생될 가능성을 잘 재현할 수 있을 것으로 평가된다.
2.3 비대칭 바람-순환-파랑 모형 결합
폭풍해일고 예측의 정확도 및 신뢰성을 높이기 위해서는 앞 서 검토한 태풍바람장의 실제와 가까운 비대칭형 모사, 이형 적인 격자체계 보간에 따른 오차해소를 위한 동일 상세격자 에서 바람장이 표현된 유동모의 그리고 태풍 이동에 따라 발 생된 해면응력에 기인된 파랑효과를 동시에 고려해야 한다.
그러나 근래에 발표된 국내의 대부분 연구들 중 일부를 제외 하고는 폭풍해일고 추산에 조석과 파랑의 상호작용을 고려하
지 않거나 단순 풍속의 함수로 간주하는 등 파랑과 유동의 비 선형성이 동시에 서로 긴밀하게 고려되지 못하였다. 파랑에 의한 응력이 바람장이 직접 해면에 전단응력으로 영향을 주 는 것에 비해 크지는 않지만, 서로 다른 격자상의 계산결과 를 보간하는 방법(최·엄, 2000; 문·오, 2003; 김 등, 2007;
천 등, 2009)은 동일 상세격자망을 이용한 결과에 비해 많은 차이가 발생할 개연성이 있다.
태풍에 의해 발생된 해일을 예측하기 위해서는 해파가 완 전히 발달한 것을 가정하는 선형적인 해표면 계산식보다 파 랑모델을 이용하여 응력계수를 직접 계산하는 것이 필요하다 (문·오, 2003). 따라서 본 연구에서는 파랑모델이 직접적으 로 유동모형과 접합되는 것을 고려하였는데, 파랑모형으로는 국내에서도 잘 알려진 정규격자체계 파랑모형 SWAN의 개 선된 형태로 유한요소격자에서 구동되는 unSWAN(Zijlema, 2010)을 택하였다. 이 방법은 파랑과 유동모형이 동일한 유한 요소격자를 사용함으로써 서로 다른 격자 이용시 발생되는 수 치적인 보간 오차가 없으며 계산 효율이 높은 장점이 있다.
이 두 모형이 동적으로 결합되는 과정은 바람장이 고려된 유 동모형인 pADCIRC 모형에서 계산된 조위, 유속이 unSWAN 모형으로 전달되면 radiation stress를 계산하여 pADCIRC 모 형으로 전달하고 이 과정이 반복되면서 상호 모형의 정보가 교환되면서 계산되는 방법이다(Dietrich, 2010; Dietrich et al., 2011). 이러한 긴밀한 상호결합과 동일격자를 이용한 폭풍 해 일모의는 기존 국내 연구들과 접근과는 다른 높은 신뢰성과 수월성을 제공할 수 있다.
결합모형의 타당성을 검토하고 태풍에 의한 파랑의 변동 특 Fig. 7. Comparison of wind speed for symmetric and asymmetric vortexes at selected cross sections along the typhoon track(lines L) and
transverse direction(lines T).
성을 살펴보고자 2010년 7호 태풍 Kompasu의 이동시기인 8/30~9/3 기간에 대해 이어도 종합해양과학기지에서 기록된 파고 및 주기와 본 모형결과를 비교하였고, 결과를 Fig. 8에 도시하였다. 결과를 분석하면 유의파고에 대한 계산 결과는 관측자료와 매우 잘 일치하고 있으며, 파 주기는 관측치 11.83 s에 비해 10.18 s 로 다소 낮은 값이 계산되었지만 비 교적 잘 일치하는 만족스러운 결과가 도출되고 있다. 따라서 본 연구에서 시도한 북서태평양으로 확장된 NWP-G57K 상 세 유한요소 격자체계에서 비대칭 태풍 경도풍 모사가 적용 된 유동모형인 pADCIRC 그리고 파랑모형인 unSWAN이 동 적으로 결합되어 우수한 결과를 제공하므로 실제 적용성이 인 정된다.
3. 폭풍해일 재현 및 토의
3.1 폭풍해일모의
본 논문에서는 대기-해양 고려시 이질적인 격자체계 적용 에 따른 오차를 없애기 위해 북서태평양까지 확장된 해역을 포함한 상세 유한요소인 비정규형 격자를 사용하고, 태풍의 특성이 반영된 비대칭 경도풍이 조석모형의 해면응력 계산에 적용되며, 파랑에 의한 방사응력까지 동시에 동일격자에서 계 산되어야 하는 일련의 과정이 제시되고 있다. 복합적 특성들 을 고려한 연안 해일고 산정을 위해, 우리나라안에 영향을 준 태풍 중 2000년 발생한 태풍 Prapiroon(0012)과 2010년 서 해연안으로 상륙한 태풍 Kompasu를 대상 태풍으로 선정하 여 모의하였다. 이동경로는 Fig. 9에 제시되며, 태풍의 풍속 4분면에 대한 반경을 제공하는 JTWC의 Best track 정보가 2001~2010년까지 제한적으로 제공되고 있기 때문에 본 연구 에서는 RSMC에서 제공하는 최대풍속의 방향과 장반경, 단 반경을 포트란 변환 프로그램을 작성하여 JTWC에서 제공하 는 형태인 각 4분면 방향별로 나누어 재구성하는 방법을 적 용하였다. 즉, 태풍 Prapiroon 4분면에 대한 풍속 반경은 RSMC에서 제공하는 Best track에서 제공하는 풍속반경 정보 로부터 변환한 자료를 이용하여 모의하였다. 대칭/비대칭 경
도풍 모사에 따른 해면변위 특성을 살펴보기 위해 상세 유한 요소 격자체계에서 수행하였으며 모의된 결과 중 일부를 Fig.
10와 11에 제시하였다.
모의 결과가 제시된 평면적 해면분포를 분석해보면 Fig. 10 에서 보는 바와 같이 태풍이 상륙하기 전 연안역에서 조위 증 가가 나타나는데, Prapiroon의 경우 옹진반도 상륙 전 강한 풍속으로 인해 경기만 일대에 조위가 증가되어 나타난다. 대 칭 또는 비대칭 바람장 적용에 따른 결과비교를 고찰하면, 비 대칭 바람장으로 모사한 경우에 대칭으로 모사한 경우보다 고 조위 범위가 넓게 분포되는 것을 알 수 있다. 태풍 Kompasu 경우 상륙직전 바람장 특성 반영효과가 결과가 확연하게 구 분되며, 그 이유는 Prapiroon 보다 비대칭성이 더 큰 태풍 구 조에 기인하는 것으로 판단되다. 이와 같이 비대칭성 바람장 적용 결과 천수만 내측에 0.5 m 이상의 해일고 증가가 나타 난다. 즉, 경기만으로 상륙한 Kompasu 경우 서해연안을 따 Fig. 8. Comparison of observed significant wave height and period for Typhoon Kompasu at Ieo island shown in Fig. 9 and simulated results
by using pADCIRC and unSWAN coupling scheme.
Fig. 9. Typhoon tracks of the Prapiroon(0012) and Kompasu(1007) according to JTWC and RSMC.
라 태풍이 북상하면서 해면응력이 태풍의 주풍향인 북동북향 으로 영향을 미치고 여기에 파랑응력도 함께 가미되어 상륙 지점 직하에 위치한 천수만에 상대적으로 많은 해수가 밀려 올라간 것 결과로 추론된다.
태풍 이동에 따른 서해 연안의 주요 항만 검조소에서 조위 를 비교한 결과가 Fig. 11에 표현되는데, 태풍 상륙시점을 전 후한 고조와 저조시가 노란색 및 연두색 점선의 사각형으로 표시된다. Prapiroon을 모의한 결과를 분석하면, 태풍이 한반 도를 통과한 9월 1일 인천에서 고조시의 상황을 관측치와 비 교하여 비교적 만족스럽게 재현하고 있다. 태풍 Kompasu 모 의 결과도 태안반도를 거쳐 경기만 지역을 통과한 9월 2일 이후 인천의 저조시 상황을 매우 잘 재현하고 있는 것으로 평
가된다. 이러한 경향은 태풍의 우반경에 놓인 목포 군산에서 도 유사하다. 검조소의 시간별 관측자료와 계산자료를 비교 하면 대칭 바람장에 비해 비대칭 바람장 모의가 보다 관측자 료에 근접하고 있는 것을 알 수 있다. 전반적으로는 태풍 Prapiroon을 모의한 결과보다 Kompasu 결과가 실제 자료와 거의 근사하게 재현되고 있는데, 그 이유는 금번 연구에서는 선행과제(국토해양부, 2011)에서 충분히 고려하지 못하였던, 여름철 열팽창에 의한 해면상승 효과 및 충분하지 않았던 hot start 모의시간의 연장으로 개선된 결과가 나타난 것으로 판단 된다. 이러한 비대칭 바람장의 특징은 이어지는 연구(서·이, 2012)인 태풍으로 인한 범람모의시 폭풍 해일고에 대한 신뢰 성을 부여할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 10. Sea surface elevations (m) and wind velocities (m/s) comparison between (a) symmetric and (b) asymmetric wind vortex for the Prapiroon (upper panel) and Kompasu (lower panel).
3.2 토의
태풍을 연구한 선행된 국내 연구들에서는 Fujita 또는 Holland (1980)등의 이론식을 이용한 대칭형 바람장 모사가 주를 이루고 있다. 그러나 실제로는 태풍이 발생하면 중심부 의 저기압 변화와 주변 해수 온도에 따른 불규칙 이동으로 황 해에 접근하면 해면상승과 응력 변화에 따라 비선형적인 수 위 변화를 일으키며, 우리나라 해안으로 접근하면서 조석과 태풍의 상호 작용으로 조위상승과 함께 발달된 파랑의 영향 으로 해일을 발생시키게 된다. 본 논문에서는 변형된 Holland 경도풍 모사에 따른 특성을 검토하고자 서해안에 영향을 미 쳤던 태풍 중 Prapiroon과 Kompasu에 대하여 대칭형 및 비 대칭형 바람장 모사에 따른 영향과 해일고 분포 특성을 검토 하였다.
선행된 국내 연구 중, 전 등(2001)은 태풍의 형태를 재현 하기 위해서 태풍 파라메타 모델과 PVM모델로 태풍의 중심 을 원점으로 이동식 격자시스템을 적용하고, 태풍의 중심 부 근에서는 2 km 간격으로 조밀하게 격자를 설정하고 중심에 서 멀어질수록 2배씩 격자간격이 커지도록 한 둥지형 격자 (Nested grid) 시스템을 이용하여 태풍을 정밀 재현하는 방법 을 제시하였다. 그렇지만 이들 역시 기상과 해상의 상이한 격
자투영과정에서 발생하는 오차가 수반되는 제한사항을 피할 수는 없었다. 문 등(2007)은 MIKE 21의 CYWIND를 이용 하여 태풍 진행시간에 따라 모든 격자점에서 압력 및 풍속장 을 계산하고 계산된 압력 및 풍속장을 수동역학 모듈에 적용 하여 태풍에 의한 해일고를 계산하여 목포항의 범람모의에 적 용하였고, 문·오(2003)는 정확한 폭풍해일 예측을 위해서 결 합 모형을 통해 해일고 산정을 시도 하였으며, 파랑모델인 WAVEWATCH-2와 해양순환모델 POM을 접합하여 파랑과 조석의 영향을 결합 모형을 통해 태풍의 간접적인 영향에 의 한 해일의 변동까지도 재현할 수 있음을 제시한 바 있다. 그 러나 이들의 연구는 수동역학모형과 태풍을 표현하는 기압변 동 모형구조가 Fig. 3(a)에서 보는 바와 같이 서로 상이한 격 자체계에서 운용되어 이들을 접합하는 과정에서 수치적 오차 발생 가능성으로 신뢰성이 떨어진다.
본 논문에서는 태풍 바람장 모사에 JTWC에서 제공하는 4 분면 최대풍속반경 정보를 이용하여 실제에 가까운 비대칭형 경도풍을 재현하여, 2010년 발생한 Kompasu 태풍모의에서 상륙 인근지점인 인천 검조소 자료와 비교하여 상당히 근접 한 해일고가 재현됨을 확인할 수 있었다. 기존 대칭형 모의 에 비해 비대칭형 고려는 태풍이 우리나라 서해안 관통시 상 Fig. 11. Comparison of observed vs. simulated time history of selected tidal stations (a) Incheon, (b) Kunsan and (c) Mokpo for typhoon Prapiroon
and Kompasu by using pADCIRC with unSWAN incorporating symmetric wind vortex (blue) and asymmetric vortex (red).
륙지점 이남에서 국부적으로 높은 해일고가 발생될 개연 가 능성이 다분하여 이에 따른 연안재해관리가 특별히 필요할 것 으로 판단된다. 이러한 평가를 위해서는 태풍 기본정보를 포 함하고 있는 자료인 Best track의 신뢰성이 우선 검토되어야 하는데, RSMC와 JTWC의 풍속산정 방법이나 태풍의 중심 위치 등 두 기관이 태풍을 보는 관점이 서로 다르기 때문에 차이가 발생한다. 비대칭 바람장 모사를 이용한 해일피해 연 구를 위해서는 태풍 바람장의 4분면 정보가 필요하지만, JTWC에서 제공하는 자료는 2001~2010년의 태풍에 국한되 어 JTWC에 비해 많은 기록을 보유하고 있는 RSMC의 Best track 정보를 보완하여 사용하는 것이 적절할 것으로 판단 된다. 본 연구에서는 태풍 Prapiroon에 대한 RSMC의 장단 축 반경에 기반한 자료를 JTWC의 4분면 자료형태로 변환기 법을 적용하였지만, 확실성에 대한 평가가 충분히 이루어지 지 못한 제한 사항이 있을 수 있다. 따라서 향후의 연구에서 는 두 기관 best track의 상이한 정보를 보완하여 태풍을 모 사할 수 있도록 하는 방안이 강구되어야 할 것이다.
본 연구에서는 정밀조석 산정이 해일모의에 있어 매우 중 요함을 알 수 있었다. 특히 여름철에 주로 발생하여 피해를 입히는 태풍 특성과 연계된 해석으로 평균해면상승 고려와 조 석모의시 충분한 hot start 기간의 필요성이 해석결과의 신뢰 성을 높이는데 필수적임이 언급되었다. 또한 공간적으로 상 이한 조도계수 적용에 대한 고려가 피력된 연구(서, 2011)에 서 지적한 바와 같이 우리나라 서해안과 같은 대조차 해역에 서 모의결과의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 동일 수심이라 하더라도 공간적으로 다른 적정 조도계수의 적용이 필수적이 다. 여기에서는 언급되지 않았지만 18.6년 주기의 조석을 고 려하기 위한 nodal factor가 대부분 모의에서 상수로 취급되 어 모의기간에 관계없이 일정한 값으로 취해지나 우리나라 서 해안과 같은 대조차 해역에서는 모의시점과 그 시간 경과에 따른 새로운 인자 반영 영향이 무시할 수 없는 것으로 나타 나고 있는데, 이에 대한 연구는 후속 논문에서 논의될 예정 이다.
4. 결 론
서해연안을 내습하는 태풍으로 인한 해일모의 신뢰성 제고 를 위해 북서태평양으로 확장된 상세유한요소에서 비대칭 바 람-순환-파랑의 상호작용이 함께 고려되어 해석되었다. 동일 상세격자 사용은 이질적인 격자 또는 조격자와 세격자 혼합 및 서로 다른 모형 결합시 발생하는 수치 오류를 최소화 하 는 방법으로 인식된다. 태풍은 해수 유동모형의 기본방정식 인 운동량 방정식의 해면응력 계산에 지대한 영향을 미치는 데, 본 연구에서는 기존 Holland의 대칭형 와동으로 모사된 비현실성을 극복하고자 Xie et al.(2006)이 제안한 비대칭형 와가 고려되었다. 또한 해면 응력 변화에 영향을 미치는 파 랑에 의한 응력이 유한요소격자에서 수행되는 unSWAN모형
을 통해 계산되어 해수 유동모형인 pADCIRC에 전달되며 여 기서 계산된 수심과 유속이 파랑모형으로 전달되는 동적결합 방법이 적용되어 이 모든 영향이 동일 상세유한요소에서 동 시에 병렬 계산되는 시스템이 구축되었다.
구축된 모형의 조석재현은 매우 만족스러우며, RMS 오차 에 평가에 따르면 우리나라 서해안과 중국 동해안 및 일본에 위치한 검조소에서 관측된 M2, S2, O1, K1 분조의 진폭과 위 상각이 0.138 m와 20.53 deg 이내에서 상호 일치한다. 파랑 에 의한 응력을 계산하는 모형 결과도 이어도에서 관측한 자 료와 비교하면 유의파고는 관측치 8.1 m에 비해 계산치 9.4 m 로 1.3 m의 차이를 보이며, 주기도 1.65 s 이내의 오차 내에 서 파랑특성이 모두 매우 만족스럽게 재현된다.
전반적으로 비대칭 경도풍으로 모사된 태풍과 파랑이 함께 고려된 계산결과는 실제와 매우 부합된 결과를 제공한다. 서 해연안에 피해를 준 태풍 Prapiroon과 Kompasu에 대한 후측 을 통해 대칭/비대칭 경도풍의 특성을 확인할 수 있었으며, 본 연구에서 취한 JTWC의 best track 자료에 기반한 비대칭 경 도풍을 적용한 2010년 태풍 Kompasu는 대칭형 경도풍을 적 용한 결과와 달리 서해 전반에 상당한 해일고 증가 가능성을 나타내고, 태풍상륙 지점 인근 인천검조소에서 관측된 조위 2.96 m와 모의된 2.98 m가 거의 일치되어 매우 만족스럽게 조 위를 재현하고 있다. 태풍상륙지점 직하 천수만에서는 비대 칭형 바람장의 주 풍향인 북동북향하는 응력과 파랑의 응력 부가에 기인되어 0.5 m 이상 해일고가 대칭형 모사에 비해 크 게 나타난다. 따라서 본 연구에서 접근한 비대칭와동이 고려 된 태풍의 바람장, 파랑에 의한 해면응력이 해수순환의 수동 역학모형에 동적으로 결합되어 동일한 상세유한요소에서 모 의 방법은 향후 우리나라 해일범람에 의한 재해평가 및 관리 에 매우 유용하게 활용될 수 있다. 아울러 대조차 해역에서 조석모의 신뢰성을 제고하도록 접근한 결과와 함께 서남해안 에 실시간으로 운용된다면 평상시 조석 및 조류의 해황 현황 예보(nowcasting)에 이어 특이기상인 태풍 발발시 동적결합 된 기상-해황 모의가 신속하게 이루어져 단시간 및 장시간의 예보에 효과적으로 적용될 수 있을 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 첨단항만건설기술개발사업(과제명: 항 만권역 태풍 및 지진해일 재해 대응체계 구축)의 연구비 지 원에 의해 수행되었습니다.
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원고접수일: 2011년 5월 1일 수정본채택: 2012년 5월 9일 게재확정일: 2012년 5월 10일
