파랑우세 해빈 및 조석우세 해빈의 관측자료를 이용한 CSHORE 모형 검증

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 건설환경공학부, 2014. 8. 서경덕.해안침식은 연안에서 지속적으로 발생하는 문제이며, 파랑과 흐름의 복합적인 현상에 의한 모래이동에 의해 발생한다. Cross-shore 방향 수치모델인 CSHORE는 폭풍 시 발생하는 연안 및 사구침식을 예측하기위해 개발되었다. 최근에서는 해안선 수직 방향과 수평방향의 모래이동을 고려할 수 있도록 확장하였으며, 이를 통해 다수의 라인에 대한 지형 변화를 동시에 예측할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 확장된 CSHORE 모형을 파랑우세 해빈인 Bethany Beach의 관측자료와 조석 우세 해빈인 만리포 해빈의 관측자료를 이용하여 검증하였다. 본 연구에서는 미국 델라웨어 주에 위치한 Bethany Beach에서 양빈 후 발생한 침식 현상을 지형, 파랑 및 조석자료를 이용하여 CSHORE 모델을 검증하였다. 지형관측은 2007년 9월부터 2010년 9월까지 11개의 cross-shore line에 대해 총 7번 수행되었으며, 이 기간 중 2008년 5월과 2009년 11월에 두 건의 폭풍으로 인하여 많은 모래가 유실되었다. 본 연구에서는 양빈이 수행되지 않은 두 건의 침식 기간과 한 건의 퇴적 기간에 발생한 모래 이동량을 CSHORE 모델을 이용하여 계산하였다. Bethany 해빈의 지형변화는 폭풍 시 높은 파고로 인하여 발생하는 offshore 방향의 유사이동에 의해 대부분 발생하였으며, 상대적으로 해안선 평행 방향의 모래 이동 변화량은 지형변화에 미치는 영향이 미비하였다. 본 연구에서는 관측 지형자료를 이용하여 수치모델을 보정하였으며, 이를 통해 2 건의 폭풍에 의한 침식을 잘 재현하고 있다. 본 연구에서는 추가적으로 만리포 해안에서 관측된 파랑, 유속 및 모래 농도자료를 이용하여 CSHORE 모델의 파랑 및 흐름 모듈과 지형 변화 모듈을 검증하였다. 파랑 관측은 해안선에 수직 방향에 위치한 9개의 지점에서 수행되었으며, 유속 및 유사이동은 이 중 해안선에 근접한 1개 지점에서 관측하였다. 관측된 유속을 해안선에 수직 방향과 평행 방향으로 분리한 후, parabolic과 logarithmic 분포를 이용하여 수심평균 유속을 추정하였다. 관측된 모래농도는 exponential과 power-law 분포를 사용하여 수직 방향 변화를 추정하였으며, 이 중 상대적으로 바닥에서의 모래 농도를 정확하게 추정하는 power-law 분포를 이용하여 연안에서 부유된 모래의 총 량을 계산하였다. CSHORE 모델은 고파랑에 의해 발생하는 offshore 방향의 유속은 잘 재현하지만, 해안선 평행 방향으로 발생하는 유속은 관측치와 차이를 보인다. 이는 해안선 평행 방향으로 발생하는 유속이 파랑이 아닌 조석에 의해 큰 영향을 받기 때문이다. CSHORE 모델은 만리포와 같이 조석이 큰 지역에서도 부유되는 모래의 총량을 잘 재현하고 있다. 이는 CSHORE 모델에서 각각의 해안선 수직 방향 라인을 따라 파랑 및 흐름을 계산하고 이를 이용하여 지형 변화를 예측하는 접근방법이 합리적임을 보여주고 있다.Beach erosion is a chronic problem for many coastal communities and occurs by sediment transport caused by combined action of wave and current. The cross-shore numerical model CSHORE has been developed to predict storm-induced beach and dune erosion. Recently it has been extended to predict not only cross-shore but also longshore transport of sediment so that it can be used to calculate the change of multiple beach profiles. This study validates the CSHORE model by using field data on wave-dominated beach (Bethany Beach) and macro-tidal beach (Mallipo Beach). Firstly, the erosion of the nourished Bethany Beach in Delaware is examined using available beach profile, wave and tide data. The beach profile data were obtained along 11 cross-shore lines seven times during September 2007 to September 2010. The nourished beach was attacked by two severe storms in May 2008 and November 2009. The CSHORE model is used to estimate the cross-shore and longshore sediment transport during the two erosion periods and one accretion period with no nourishment. The alongshore gradient of the longshore sand transport volume causes erosion of the Bethany Beach but the majority of the erosion above MSL during the two storms is predicted to have been caused by the offshore sand transport. The numerical model calibrated using the field data from the straight beach is shown to reproduce the profile changes during the two erosion periods with similar accuracy but cannot explain the measured alongshore variability adequately. Secondly, this study validates the CSHORE model by using the hydrodynamic and sediment transport data obtained in Mallipo Beach. Wave observation was carried out at nine stations located almost linearly in cross- shore direction. The velocity and sand concentration were observed at one station near the shoreline. The observed velocity is separated into cross-shore and longshore components, and the depth-averaged velocity is estimated by using curve-fitted profiles (parabolic and logarithmic profiles). The vertical distribution of sand concentration was fitted to exponential and power-law profiles and the total suspended sediment volume was calculated by using the power-law profile. The CSHORE model reproduces the measured offshore velocity caused by large waves but the longshore velocity shows a big difference from the observed values. The CSHORE model reproduces large suspended sediment volume even in the areas with large tides such as Mallipo Beach. This shows that the approach of CSHORE for calculating hydrodynamic variables along each cross-shore line and estimating suspended sediment volume through an empirical formula is reasonable.CHAPTER 1 . Introduction --------- 1 1.1 Motivation and Background --------- 1 1.2 Research Objectives --------- 4 1.3 Structure of Thesis --------- 7 CHAPTER 2 . Numerical Model, CSHORE ---------8 2.1 History of CSHORE Model --------- 8 2.2 Wave and Current Model --------- 11 2.3 Beach Profile Model --------- 17 CHAPTER 3 . Verification Using Field Data on Wave-dominated Beach --------- 22 3.1 Description of Bethany Beach --------- 22 3.2 Beach Profile and Wave Data --------- 28 3.3 Comparison Between Measured and Computed Beach Profiles --------- 46 3.4 Sensitivity of Sand Diameter and Curved Shoreline Effect --------- 60 CHAPTER 4 . Verification Using Field Data on Macro-tidal Beach --------- 67 4.1 Field Data of Mallipo Beach --------- 67 4.2 Data Analysis --------- 76 4.2.1 Cross-shore Velocity --------- 76 4.2.2 Longshore Velocity --------- 81 4.2.3 Sediment Concentration --------- 85 4.3 Comparison with Numerical Model CSHORE --------- 91 4.3.1 Significant Wave Height --------- 91 4.3.2 Cross-shore and Longshore Velocity --------- 105 4.3.3 Suspended Sediment Volume --------- 109 4.3.4 Comparison between Measured and Computed Beach Profiles --------- 113 CHAPTER 5 . Conclusion and Future Work --------- 122 5.1 Conclusion --------- 122 5.2 Future Work --------- 125 REFERENCES --------- 127Docto

Wave Attenuation over a Porous Bottom of Finite Depth

학위논문(석사) --서울대학교 대학원 :건설환경공학부, 2009.2.Maste

A Study on the Predictability of Eastern Winter Storm Waves Using Operational Wind Forecasts of KMA

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 예측 바람자료를 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 평균 파향이 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.22Nkc

동해안 너울성고파랑 예측을 위한 파랑 모델 최적화

본 연구에서는 겨울철 동해 연안에서 월파 및 침식 등의 피해를 유발하는 너울성 고파 랑을 사전에 인지하고 이로 인한 영향을 최소화하기 위해 기상청 현업 예보모델에서 생산하는 바람자료를 시공간 입력장으로 하여 파랑모델을 수립하고 예측 재현도를평가하였다. 바람입력 자료는 기상청 지역예보모델(RDAPS)와 국지예보모델(LDPAS)의 결과를 이용하였으며, 파랑수 치모델은 네덜란드 Delft 공과대학에서 개발된 3차원 풍파모형인 SWAN(Simulating WAves Nearshore)을 이용하여 동해안에 구축하였다. 이때, 연안역에서의 발생하는 수심의 변화가 파랑 에 미치는 영향을 정밀하게 고려할 수 있도록 네스팅 기법을 적용하였으며, 장주기 너울성 파랑을 성공적으로 재현하기 위해 백파 에너지 소산항을 개선하여 수치모의를 수행하였다. 수치모의 기간 은 2015년 겨울철에 동해안에 피해를 주었던 너울성 장주기 파랑을 재현하였으며, 그 결과를 연안 2개 정점과 동해안 외해에 위치한 2개의 해양관측부이의 파랑 관측자료와 비교하였다. 그리고 바 람 입력 자료에 따른 민감도를 분석하기 위해 CMWF ERA-interim 재분석 자료 및 운용해양예보 시스템 WRF 예측자료를 바람 입력장으로 이용하여 모의를 수행한 후, 현재 기상청에서 예보 중인 지역파랑모델 (CWW3, Regional Wave Model) 결과와 상호 비교하였다. 본 연구에서는 각각의 파랑 모의 케이스에 대한 모델의 재현도를 정량적으로 비교 및 분석하기 위해 유의파고, 첨두주기 및 평균파향에 대한 관측 정점별로 통계 분석을 수행하였다. 그 결과를 분석해보면, 유의파고의 경우에는 본 연구에서 구축한 수치모의 결과가 가장 낮은 RMSE 및 가장 높은 상관계수를 보였다2

Quality Enhancement of Wave Data Observed by Radar at the Socheongcho Ocean Research Station

Ocean Research Stations (ORSs) is the ocean platform type observation towers and measured oceanic, atmospheric and environmental data. These station located on the offshore area far from the coast, so they can produce the data without land effect. This study focused to improve the wave data quality of ORS station. The wave observations at ORSs are used by the C-band (5.8 GHz, 5.17 cm) MIROS Wave and Current Radar (MWR). MWR is convenient to maintenance and produce reliability wave data under bad weather conditions. MWR measured significant wave height, peak wave period, peak wave direction and 2D wave spectrum, so it’s can provide wave information for researchers and engineers. In order to improve the reliability of MWR wave data, Datawell Waverider Buoy was installed near the one ORS (Socheoncho station) during 7 months and validate the wave data of MWR. This study found that the wave radar tend to be overestimate the low wave height under wind condition. Firstly, this study carried out the wave Quality Control (QC) using wind data, however the quality of wave data was limited. So, this study applied the four filters (Correlation Check, Direction Filter, Reduce White Noise and Phillips Check) of MWR operating software and find that the filters effectively improve the wave data quality. After applying 3 effective filters in combination, the RMSE of significant wave height decreased from 0.81m to 0.23m, by 0.58m and Correlation increased from 0.66 to 0.96, by 0.32, so the reliability of MWR significant wave height was significantly improved.33Nkciothe

해운대 해수욕장에서의 모래이동 및 지형변화

해운대와 같이 양 끝 단이 Headland로 막힌 포켓형 모래해안은 우리나라에서 흔하게 볼수 있는 해변의 형태이지만, 양 끝단의 수심 변화로 인항 해안에서 발생하는 모래 이동 및 지형변화를 예측하기에는 쉽지 않다. 본 연구에서는 파랑 관측자료, 지형관측자료 및 2차원 지형변화 모델인 XBeach를 활용하여 포켓형 모래해안에서 발생하는 모래이동 및 지형변화에 대한 연구를 수행하였다.본 연구의 대상 해역인 해운대 해수욕장은 1.4 km의 사질해안으로 연간 이용객이 1,500만명에 이르는 국내제 1의 해수욕장이다. 한국해양과학기술원에서는 해운대 전면 수심 약 23m 지점에 AWAC 1를 계류하여 파랑관측을 수행하였으며, 지형의 경우에는 해안선에 수직방향으로 총 27개의 라인을 설정하여 관측을 수행하였다. 2014년 6월부터 10월까지 해운대에 내습한 폭풍은 총 4건으로 본 연구에서는 폭풍 후 지형변화를 관측하였다. 이 기간 동안 폭풍은 1~2 일이며 최대 유의파고는 2.5 ~ 4.0 m 이다.2차원 지형변화 모델인 XBeach는 폭풍 시 평균 해수면 위에 위치한 사구에서의 모래이동 및 지형변화를 예측하기 위해 개발되었다. 폭풍 시 발생하는 사구 침식은 대부분 장주기 파랑에서 발생하게 되며, XBeach 모델은 이를 정밀하게 해석하기 위해 2차원 비선형 천수방정식을 활용하여 장주기 파랑을 따로 연산하는 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 2차원 지형변화 모델인 XBeach를 활용하여 포켓형 모래해안에서 발생하는 모래이동 및 지형변화를 수치모의 하였다. 모의 결과 해운대 해수욕장의 서측에서의 지형변화는 비교적 잘 예측하고 있으나, 동측에서 발생하는 침식 및 퇴적 패턴은 성곡적으로 재현하지 못하고 있다. 이는 해운대 료 및 2차원 지형변화 모델인 XBeach를 활용하여 포켓형 모래해안에서 발생하는 모래이동 및 지형변화에 대한 연구를 수행하였다.본 연구의 대상 해역인 해운대 해수욕장은 1.4 km의 사질해안으로 연간 이용객이 1,500만명에 이르는 국내제 1의 해수욕장이다. 한국해양과학기술원에서는 해운대 전면 수심 약 23m 지점에 AWAC 1를 계류하여 파랑관측을 수행하였으며, 지형의 경우에는 해안선에 수직방향으로 총 27개의 라인을 설정하여 관측을 수행하였다. 2014년 6월부터 10월까지 해운대에 내습한 폭풍은 총 4건으로 본 연구에서는 폭풍 후 지형변화를 관측하였다. 이 기간 동안 폭풍은 1~2 일이며 최대 유의파고는 2.5 ~ 4.0 m 이다.2차원 지형변화 모델인 XBeach는 폭풍 시 평균 해수면 위에 위치한 사구에서의 모래이동 및 지형변화를 예측하기 위해 개발되었다. 폭풍 시 발생하는 사구 침식은 대부분 장주기 파랑에서 발생하게 되며, XBeach 모델은 이를 정밀하게 해석하기 위해 2차원 비선형 천수방정식을 활용하여 장주기 파랑을 따로 연산하는 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 2차원 지형변화 모델인 XBeach를 활용하여 포켓형 모래해안에서 발생하는 모래이동 및 지형변화를 수치모의 하였다. 모의 결과 해운대 해수욕장의 서측에서의 지형변화는 비교적 잘 예측하고 있으나, 동측에서 발생하는 침식 및 퇴적 패턴은 성곡적으로 재현하지 못하고 있다. 이는 해운대2

Wave Data Quality Enhancement of Remote Sensing at the Socheongcho Ocean Research Station (S-ORS)

2003년 태풍 관측과 해양연구를 위해 이어도 종합해양과학기지가 최초로 구축되 이후, 2009년 신안 가거초 종합해양과학기지, 2014년 웅진 소청초 종합해양과학기지가 완공되었다. 본 연구에서는 과학기지에서 생성되는 물리관측 자료 중 파랑자료의 품질 개선에 대한 연구를 수행하였다. 현재 우리나라의 외해에서 수행되는 파랑 관측은 대부분 부이 플랫폼을 기반으로 하며, 기상청 및 국립해양조사원을 중심으로 수행되고 있다. 부이플랫폼을 이용한 직접적인 해수면 변위 관측은 정확도가 높지만, 선박과의 충돌, 악기상 시 유실, 파손 및 고장등으로 인한 유지보수비용이 발생하게 된다. 이러한 연유로, 우리나라에 구축된 3개의 해양과학기지에서는 부이 플랫폼이 아닌 레이더식 파랑관측장비를 이용하여 장기 파랑 관측 시계열을 생산하고 있지만, 바람이 작고 파고가 낮은 환경에서 발생하는 오차로 인해 파랑 연구에 활용한 사례는 제한적이다. 이러한 연유로 본 연구에서는 해양과학기지에서 생산되는 파랑 자료의 과학적인 활용을 위해 소청초 과학기지 인근에 Datawell Waverider Buoy를 계류하여 신뢰도가 높은 파랑자료를 수집하였으며, 이를 과학기지에서 생산되고 있는 원격파랑관측장비 자료와 비교 및 검증을 수행하였다. 소청초 과학기지에 설치되어 운영되고 있는 원격 파랑 관측 장비는 노르웨이 MIROS사의 제작한 Wave and Current Radar (모델명:SM-050, MK3, 이하 MWR)이며, 이는 파고, 주기 및 파향에 대한 정보를 생산함과 동시에 2차원 파랑 스펙트럼에 대한 정보도 안정적으로 수집할 수 있다. 베르겐 해양연구소(Norwegian Meteorological Institute, 이하 NMI)의 해양에보센터는 2001년 노르웨이의 5개 플랫폼에2

Linear trend of significant wave height in the East Sea inferred from wave hindcast

We simulated in the East Sea SWH and wind speed during 40-year (1979~2018) by using SWAN wave model with ECMWF reanalysis wind data. In December, the maximum of SWH monthly mean was located in the southeastern part while those of wind speed was located in the eastern part, due to the fetch length is longer. Trends of the 99th percentile SWH in August increased in the western part in contrast with decreased in the southeastern part. The trends of 99th percentile wind speed also showed similar with 99th percentile SWH. In December, both monthly mean and 99th percentile of the SWH showed an increasing trend in the southeastern part. Additionally, trend of the 99th percentile was greater than those of monthly mean. Our results suggested that the regional trend difference of SWH is mainly due to fetch length and extreme atmosphere condition such as typhoon.1

Introduction of research cooperation between KIOST and Deltares in developing the technique to predict coastal erosion

Since early 1970s, coastal structures of vqrious types and dimensions such as fishing ports, offshore breakwaters and seawalls associated with coastal roads have been steadily constructed along the Korean coastline.2

파랑후측에서 나타난 동해 파랑기후의 선형추세

파랑기후의 변화는 연안 침식과 연안 구조물 파괴 등 연안 환경에 많은 영향을 준다. 최근 우리나라 동해안에 고파랑에 의한 피해가 증가함에 따라 고파랑 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 연안 환경에 파고와 함께 영향을 주는 파의 주기와 방향에 대한 연구는 상대적으로 부족하다. 따라서 본 연구에서는 SWAN 파랑모형과 ERA-Interim 재분석 바람자료를 이용하여 40년(1979∼2018) 기간의 파랑을 재현하였으며, 이를 통해 동해에서 99 백분위수 유의파고, 첨두주기, 첨두파향을 분석하였다. 재분석 바람자료는 ERA-Interim에서 제공하는 자료 중 가장 고해상도인 1/8° 바람자료를 사용하였으며, 모형의 수평해상도는 남북, 동서 방향 모두 1/25° 격자로 구성하였다. 분석 결과 99 백분위수 유의파고와 첨두주기의 장기(40년) 평균은 남동쪽 해역으로 갈수록 증가하는 비슷한 공간분포를 보이며, 이러한 공간분포는 겨울철 장기 평균과 비슷한 공간분포를 나타낸다. 이는 겨울 공간분포가 장기 공간분포에 크게 영향을 준다는 것을 의미한다. 첨두파향의 장기 평균은 강한 북서풍의 영향으로 동해 남동쪽 해역에서 북서계열의 파가 우세하며, 서쪽으로 갈수록 반시계방향으로 변화하여 우리나라 연안에서는 남동∼북동계열의 파가 나타났다. 동해는 계절별 풍향 변화가 크기 때문에 풍향에 크게 영향을 받는 파향 역시 뚜렷한 계절변동을 보인다. 하지만 동해 남서쪽 해역인 포항 연안에서는 북동∼남동계열의 파가, 동해 남동쪽 해역인 일본 연안에서는 북서계열의 파가 연중 지속된다. 99 백분위수 유의파고와 첨두주기는 동일하게 동해 대부분의 영역에서 증가하는 추세를 보이며, 특히 동해 남동쪽 해역에서 가장 크게 증가한다.2