한국해안 해양공학회논문집 /ISSN 1976-8192(Print), ISSN 2288-2227(Online) Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 26(1), pp. 41~48, Feb. 2014 http://dx.doi.org/10.9765/kscoe.2014.26.1.41 태풍볼라벤 (1215) 의서해안폭풍해일분석 Storm Surges in West Coast of Korea by Typhoon Bolaven (1215) 서승남 *, ** 김상익 *** Seung Nam Seo*, ** and Sang Ik Kim*** 요지 : 태풍볼라벤의폭풍해일을분석하기위해단순한해석적모형들을사용하여서해안발생한폭풍해일의주요원인을조사하였다. 여기서사용된단순한해석적모형은볼라벤의실제현상을정확하게재현할수는없으나, 폭풍해일에내재된주요물리현상의설명에는충분하였다. 수심이상대적으로깊은섬에발생한폭풍해일은태풍에동반된바람보다는저기압에의한해면상승이주도적으로작용하였다. 천해인연안지역에서는저조시에 1m 이상의해일고가관측되었고이는주로바람에의해발생된것이다. 핵심용어 : 태풍볼라벤, 폭풍해일, 한국서해안, 해석해 Abstract : To analyze the surface elevation data of Typhoon Bolaven, simple analytical models are employed to investigate major causes of the storm surges in the west coast of Korea. Although the simple models cannot reproduce the storm surges by Typhoon Bolaven accurately, they are able to provide sufficient evidence of physical processes involved in the storm surges. Surges in islands located at deeper water were mainly driven by typhoon low pressure rather than associated winds. In contrast, bigger storm surge heights more than 1m were recorded in shallow coastal areas during low tide, which were dominantly produced by typhoon winds. Keywords : Typhoon Bolaven, Storm surge, Korea west coast, Analytical solutions. 1. 서론 태풍볼라벤 (BOLAVEN, 태풍번호 : 1215) 은 2012년에북서태평양에서발생한 15번째태풍으로중심기압이 910 hpa 까지도달했던슈퍼태풍이며, 한반도에영향을준세번째태풍이다. 태풍볼라벤은앞서발생하여근접한위치에서함께이동한제14호태풍덴빈과서로영향을주고받는후지와라효과로인해서, 중국으로서진하는초기예상진로가바뀌어한반도로북서진하게되었다. 이태풍으로인해우리나라에서 19명이숨지는인명사고와동반된강풍으로인해상당한농작물피해가발생하였다. 특히전라남도완도군에서최대순간풍속이 51.8 m/s를기록해강풍으로는 2007년의태풍나리이후가장강한태풍이었고, 전라남도신안군흑산도에서는해면기압이 961.9 hpa로지상에서관측된최저해면기압으로는 7위로기록되었다. 또한북위 28.4도에서중심기압이 935 hpa, 북위 30.5도에서도중심기압이 945 hpa을유지하는등상당한고위도지역에서도 매우강 한세력을유지했으며황해도에상륙한후온대저기압으로약화되어러시아극동지 방으로진출하였다. 태풍볼라벤은 Fig. 1에보인바와같이서해상을 2012년 8월 28일통과하면서연안에상당히높은폭풍해일을발생시켰다. 동반된강풍으로인해우리나라조위관측소가운데 13 개소에서 100 cm 이상의해일고가관측되었고, 최대해일고는고흥에서 167.6 cm이고인천에서도 151.5 cm를기록하였다. 이는 Chu (1987) 가조사한 1980대이전에발생한폭풍해일의최대해일고 109 cm를상회한다. 최근지구온난화에의한해수면온도의상승은태풍의강도를증가시키고동반된풍속도같이강해져해일고가증가하는경향이있다. 한편, 지난반세기이상한반도에상륙한태풍을분석한 Choi et al.(2012) 은 1980년초반이후의태풍은그이전에비해태풍상륙빈도가급증하였으며, 북태평양고기압이남서쪽에위치한이전에는한반도서해안중북부에상륙한반면, 이후에는북태평양고기압이좀더북동쪽에위치하여서해남부와남해안에상륙한다는점을밝혔다. 이두기간의태풍진로차이에따른시사점은이전태풍들은한반도상륙전중국대륙을경유하여강도가약화된반 * 한국해양과학기술원연안개발 에너지연구부 (Corresponding author: Seung Nam Seo, Coastal Development & Ocean Energy Research Division, Korea Institute of Ocean Science & Technology, Ansan 426-744, Republic of Korea, Tel.: +82-31-400-6331, Fax: +82-31-400-5823, snseo@kiost.ac). ** 한국해양대학교해양과학기술전문대학원 (Ocean Science & Technology School, Korea Maritime and Ocean University, Busan 606-791, Republic of Korea, snseo@kiost.ac). *** 한국해양과학기술원연안재해 재난연구센터 (Coastal Disaster Research Center, KIOST, Ansan 426-744, Republic of Korea, sikim@kiost.ac). 41
42 서승남 김상익 Fig. 1. Typhoon Bolaven track 2012.8.19~2012.9.1) from Tropical Research Center web site. 면에, 이후의태풍은바다위를지나면서충분한에너지를공급받아강도가강해진경향이뚜렷함을자료로입증하였다. 위의두가지요인으로한반도에상륙하는태풍의강도가유지되거나강화될것으로보이며이로인한해일고역시증가할것으로예상된다. 해일은연안저지대에범람과침수를야기시켜많은인명과재산의손실을야기시킨다. 과거폭풍해일에대한기록으로는 1970년방글라데시에서사이클론 Bhola에의해최대 50 만명사망자가발생하였고, 2005년미국루이지아나를덮친허리케인 Katrina는사망자 1800여명과재산손실 1080억불의막대한피해를입혔으며, 2013년필리핀중부를통과한태풍 Haiyan은 5700명사망자와 24억불피해를남겼다 (Wikipedia, 2013). 그래서많은국가에서해일에의한피해를줄이기위한방법의하나로수치모형에의한해일예보체계를운용하고있다. 많은수치모형들이국내외에서개발되어사용되고있으며한국해양과학기술원에서는 Lee et al.(2008) 의모형을사용하여 72시간이전예보를평시에는매 12시간, 태풍시에는 3시간간격으로발표하고있다. 기상청에서는 POM (Mellor, 1998) 에기반을둔폭풍해일모형을개발하여예보에활용하고있으며 You and Lee(2010) 는국내외수치모형개발현황과기상청수치예보모형을소개하였다. Suh et al.(2012) 는 SLOSH 모형 (Jelesnianski et al., 1992) 과 ADCIRC 모형 (Blain and Rogers, 1998) 을기상예보와연동하여준실시간예보를위한선행연구를수행하였다. 미국에서는허리케인에의한폭풍해일예보에 SLOSH 모형을사용하고있으며, 허리케인예보의부정확성은 SLOSH 계산에오류를발생시킨다. 또한 SLOSH 모형의단점으로는해일에동반된파랑의영향과홍수시흐름에대한영향을충분히고려하지않은모형의한계를들수있다. 이러한단점을감안하여최근에는유사한허리케인에대한수많은 SLOSH 계산결과를이용한확률론적인방법으로구한 Maximum Envelopes of Water (MEOWs) 과 Maximum of MEOWs (MOMs) 를사용하여예보한다 (National Hurricane Center, 2013). 폭풍해일에대한수치모형의예측은다른방법보다훨씬정확하나, 위에기술한단점들이개선보완되어야보다정확한예보가가능하다. 본논문에서는서해를통과한볼라벤의자료를분석하고해안에서발생한폭풍해일을단순한해석적모형들을사용하여내포된주요현상을해석하고자한다. 사용된해석적모형은특수한가정하에서만성립하기때문에실제현상을모두재현할수는없으나, 볼라벤폭풍해일에내재된주요물리현상을설명할수있음을보이고자한다. 본연구에서는일정한바람이지속적으로해안에불때형성되는해면상승효과와일정한수심위를일정한속도로움직이는이동성저기압에의한해면변화를대상으로이들을실측자료와비교 분석하였다. 2. 서해안지역해일자료 태풍볼라벤의자료는국립해양조사원관측소에서관측한풍향, 풍속, 기압그리고해면의 1분관측자료 (KOOFS, 2013) 로본연구에서는서남해주요 9개지역 - 이어도, 모슬포, 추자도, 대흑산도, 영광, 군산, 어청도, 대산그리고인천의자료를분석하였으며 Fig. 2에위치를나타내었다. 제시된자료는 8월 27일 00시부터 8월 29일 24시까지 3 일간의자료이며, 조위예측은해양조사원에서관측한해면자료 (2011/07/27 ~ 2012/07/31) 를조화분해하여산출한해양조사원예보자료를사용하였고이로부터해일고를산출하였 Fig. 2. Location of tide stations for storm surge produced by typhoon Bolaven (2012).
태풍 볼라벤 (1215)의 서해안 폭풍해일 분석 43 다. 국립 해양조사원에서 생산한 모든 관측자료 (KHOA, 중심 궤적으로부터 오른쪽에 위치한 모슬포, 추자도, 영광, 군 2012)에는 매우 빠른 진동이 불규칙하게 나타나 자료의 대표 산 그리고 인천은 궤적으로부터 떨어진 거리에 따라, 태풍이 적인 경향을 나타내기 위해 주위 31개 자료를 이용하여 구 지나기 전 비교적 강한 바람 (약 10 m/s 이상)은 동남동풍에 한 이동평균값을 사용하였다. 서 동남풍이 불고 지난 후에는 서남서풍에서 남서풍이 불어 자료는 Fig. 3~5에 도시되었고, 여기서 관측소의 모든 자료 태풍중심은 이들 지역 왼편에서 남에서 북으로 지나간 것을 는 위의 이동 평균한 값을 사용하여 그래프로 나타내었다. 해 알 수 있다. 바람자료에 따라 어청도의 태풍궤적을 추정하면 면기압은 파란색으로, 풍속은 녹색 점선으로, 조위 예보치는 검 태풍중심은 어청도를 서에서 동으로 지나갔으며, 대산의 경 은색으로 그리고 해일 높이는 빨강색으로 각각 표시하였다. 또 우에는 북북서에서 남남동으로 통과한 것으로 나타나 Fig. 1 한 그림의 상부에 도시된 바람벡터로부터 풍향을 알 수 있다. 의 궤적과는 차이가 있다. 그림에 도시된 풍향은 북풍은, 남풍, 동풍 그리고 서 풍 으로 각각 나타내었다. 남해상에 있는 이어도, 모슬포 그리고 추자도는 섬에 또는 암초 위에 위치한다. 관측소의 자료는 Fig. 3에 나타내었고 관 바람자료와 기압자료로부터 태풍중심의 이동궤적을 추적하 측소 주변의 해저는 비교적 수심이 깊다. 태풍 중심은 이어 면 이어도와 대흑산도는 태풍중심이 지나기 전에는 동풍이 불 도 관측소를 28일 00시에 지나 추자도에 06시도 도달한 것 고 지난 후에는 서풍이 불었기 때문에, 이는 태풍중심이 관측 으로 보이며, 이어도에서는 태풍 중심이 통과할 때 저조이었 소를 남에서 북으로 통과한 것임을 나타낸다. Fig. 1의 태풍 으나 추자도에서는 저조에서 고조 사이에 통과하였다. 해일 은 태풍중심이 통과하기 전에 발생하였다. 해면은 서서히 상 Fig. 3. Predicted tide level, storm surge, wind speed and direction and atmospheric pressure at locations in Korea west coast during the passage of typhoon Bolaven (2012) - Ieodo, Moseulpo and Chujado. Fig. 4. As for Fig. 3, but for Daeheuksando, Youngkwang and Kunsan outer port.
44 서승남 김상익 승하여최고해면부근에서는이동평균을사용했음에도불구하고자료에는빠른진동을보인다. 이빠른진동은섬이외의지역에서는관찰되지않았으며, 파랑의효과 (wave setup) Fig. 5. As for Fig. 3, but for Uhcheongdo, Daesan and Inchon. 에의한것으로추정된다. 서해남부에위치한대흑산도, 영광그리고군산에서관측한결과는 Fig. 4에도시하였다. 대흑산도에서태풍중심은저조에서고조사이에, 군산에서는고조에통과하였다. 대흑산도의경우최대해일고는태풍중심통과전에발생하였으나, 해안지방에서는중심통과후에나타났다. 영광과군산에서최대해일고는저조시에나타났으며최대해일고가속한해면이상승하는봉우리의폭은섬의경우와달리좁은것이특징이다. 서해중부에위치한어청도, 대산그리고인천에대한결과는 Fig. 5에나타내었다. 태풍중심은이구역을고조시에통과하였고, 섬인어청도에서는태풍중심통과와그전후세개의해면이상승한봉우리가나타났으며통과후의봉우리에서약하지만빠른진동을볼수있다. 그리고해안지역에서는저조시에최대해일고가발생하였다. 태풍중심이통과할때주변기압과의차이로인한해면상승과최대해일고가발생한때의자료를 Table 1에정리하였다. 뒤에보이겠지만, 정지한저기압의중심기압이표준기압보다 1hPa 내려가면해면은약 1cm 상승하는것을역기압법칙이라하며 (Doodson, 1924) 이로부터계산한해면상승을나타내었다. 역기압해면상승보다작은해면관측은이어도, 영광과군산에서나타났으며, 영광의경우를제외하면해일고와정지저기압에의한해면상승의비가 0.5~2 범위에속해태풍중심이통과시에는역기압법칙에의한해면상승이주도적으로작용한것으로분석된다. 영광과군산의경우태풍중심궤적으로부터떨어져있어태풍중심이관측소를지날때풍향이완만하게변하였고통과전에는이안풍성분이포함된남동풍이수시간에걸쳐불었다. 또한고조시에태풍중심이통과하여해면상승이크지않게된것으로추정된다. 뒤에기술한 Proudman 증폭식은일정수심위를일정한속도로움직이는이동성기압장에대한식으로, 볼라벤은평균속도 40 km/h로서해를통과하고이동경로상의수심은일정하지않았지만, 태풍볼라벤의경우에도증폭식을사용하 Table 1. Atmospheric pressure, sea surface rise by inverse barometric law, surge height and time for various observatories when the lowest atmospheric pressure passes and the maximum surge height occurs. These are obtained from moving averaged data Observatory pressure (hpa) At the lowest atmospheric pressure passing Sea surface rise (cm) Surge height (cm) Time (dd hh:mm) pressure (hpa) At the maximum surge height Sea surface rise (cm) Surge height (cm) Time (dd hh:mm) Ieodo 949.3 63.7 47.2 28 00:30 983.6 29.4 91.9 27 15:20 Moseulpo 973.9 39.1 51.4 28 03:51 975.2 37.8 57.1 28 03:50 Chujado 971.8 41.2 63.7 28 06:15 982.3 30.7 74.1 28 01:50 Daeheuksando 963.7 49.3 54.2 28 08:06 972.7 40.3 75.1 28 05:39 Youngkwang 973.8 39.2 6.5 28 08:47 996.2 16.8 115.4 28 19:10 Kunsan 979.7 33.3 20.4 28 10:25 997.0 16.0 121.2 28 19:24 Uhcheongdo 975.5 37.5 65.3 28 11:30 975.6 37.4 65.9 28 11:26 Daesan 980.1 32.9 40.8 28 13:48 991.5 21.5 108.6 28 21:12 Inchon 980.1 32.9 43.9 28 14:24 991.8 21.2 146.6 28 22:22
태풍볼라벤 (1215) 의서해안폭풍해일분석 45 여해면상승을개략적으로설명할수있다. 그리고기압차에의한해면상승이주도적인경우에도바람에의한해면변화의부차적인효과가존재하며이를고려하면실제관측치에더근접하게된다. 최대해일고가발생한시점에서역기압법칙에의한해면변화는작아 0.1~0.7의범위에속한다. 그러나, 섬지역에서는이비율이비교적높아 0.3이상이나해안에서는대략 0.15 정도로작다. 이로부터섬은주변수심이깊고해안가에서해저경사가급하기때문에, 바람에의한해면상승이해안지역보다작은것으로분석된다. 앞에서언급한바와같이섬에서최대해일고는태풍중심이통과하기전이나통과시에발생하였고해안에서는태풍중심이통과한후에발생하였다. 해안에위치한관측소에서는수심이낮은저조시에최대해일고가발생하였으나연안범람은보고되지않았다. 특히해안에서는 1m 이상의아주높은해일고가발생하였으나이로인해연안범람또는연안구조물에는피해가발생하지않았다. 연안구조물의설계를위해극치해면을추정할때 Jeong et al.(2008) 과같이최극관측조위를사용하는경우에는볼라벤의해면자료는작기때문에제외되게된다. 한편 Suh et al.(2009) 과같이우리나라에영향을준태풍으로부터폭풍해일고자료를산출하여극치해석을하는경우, 구조물설계와무관한볼라벤자료가포함되어극치해석에영향을주게된다. 이절에서분석한해면자료에내포된물리적특성을이해하기위해주요현상만을고려한단순화된미분방정식의해와그의미를조명하고자한다. 우선일정한수심위를일정한속도로이동하는기압장에의한해면변화에대한식을유도하여이동성기압장에의한해면변화를살펴본후, 지속적이고일정한바람이상당한거리에불어상승한해면이거의정상상태를이룰때지배방정식과그해를다음절에서구하고실측자료와연관하여해석하고자한다. 3. 이동성기압장에의한해면변위해석해 주변기압과의기압차강도 P a 의이동성기압장에의해생성된해면변위을기술하기위해선형천해방정식으로부터유도된기존해석해를본논문의목적에따라재구성하고자한다. 수심을 h, 해면변위를 η 그리고연관된평균유속을 u로표기하고외력의방향을 x축으로정한 1차원문제를대상으로한다. 천해조건으로부터수중위치 z에서의압력은 P = ρg( η z) + P a 로표현되고, 비선형항과크기가상대적으로작은응력항을무시한수심평균한평면 1차원천해방정식은 Eq. (1) 로주어진다 (Dean & Dalrymple, 1984). η ( uh) ------ + ------------- = 0 t x ----- u g η ------ 1 t x ρ -- P a = -------- x + ------------------------------------ ρ( h + η) τ zx z = η τ zx z= h (1.a) (1.b) Eq. (1) 에서 u는수심평균한유속이고, Eq. (1.b) 은응력항을포함하여연안에서수심변화에따른해면변위를검토하기위한것이다. Eq. (1) 로부터수심이일정한해역을일정한 속도로움직이는기압장에의해생성될때나타나는장파의증폭인 Proudman resonance (Proudman, 1953) 를유도한후, 지속적으로부는바람에의한연안에서의해면변화즉폭풍해일의해면상승을간단한식으로나타내고자한다. 3.1 Proudman 증폭 수심이깊은지역에서는 Eq. (1.b) 의해저와해면의전단응력항들이상대적으로작아무시할수있으며또한수심이일정한해역에서외력 P a 가일정한속도 U로움직이는경우를상정한다. 이때에는이동좌표계 ξ = x Ut를사용하는것이편리하고, 고정좌표계의미분을이동좌표계의미분으로바꾸기위해 Chain rule을적용하면 Eq. (2) 를얻는다. ---- = ----- ----- ξ = U-----, ----- ----- ξ = ----- = ----- (2) t ξ t ξ x ξ x ξ 한정된크기를갖는이동성저기압에의해생성된해수운동의범위는유한하기때문에관련운동방정식의경계조건은 다음과같다. η = u = P a = 0, as ξ (3) Eq. (2) 를 (1.a) 에대입하고조건 (3) 을이용하면유속은 Eq. (4.a) 가된다. u η = -- U h (4.a) Figs. 1~3에도시된바와같이섬에서발생한폭풍해일의해면진폭은평균 50 cm, 평균주기는 2일로파형경사가아주작은선형장파이다. 이러한파랑의유속은 Eq. (4.a) 에나타낸것과같이저기압이동속도에비해아주작다. 해면과해저면에서의전단응력항을무시한 Eq. (1.b) 에 (2) 를대입하고조건 (3) 을이용하여해면은 Eq. (4.b) 가된다. hp η a ρ = ---------------- U 2 gh (4.b) 여기서고려한섬들의최강조류유속이 2kts 정도이고, 볼라벤의평균이동속도 40 km/h를고려하면비선형항에서생성되는조류유속에의한기여는무시할수있다. 천해장파의파속은 C = gh로주어지며, 이동속도가천해파속에근접하면해면의높이가무한히증가하는 Proudman 공진이발생한다. 이경우 Eq. (4.a) 로부터유속역시커지므로, 식유도에서작다고가정한비선형항은더이상무시할만큼작지않게된다. 따라서 Eq. (4.b) 는해면이한계이상커지면성립하지않으며, 이동속도가파속에근접하면비선형항과응력항
46 서승남 김상익 이포함된식이사용되어야한다. 만일이동속도가점차느려져정지한상태에이르면 Eq. (4.b) 의해면은 Eq. (5) 가된다. η P = ----- a ρg Eq. (5) 가의미하는바는기준해면기압과차인기압강도가 1 hpa (= 1000 dyn/cm 2 ) 감소하면해면은약 1cm 상승하는역기압법칙 (inverse barometer rule) 이다. 결국정지상태의저기압은해면을끌어올리며, 고기압은해면을강하시킨다. 더욱이역기압법칙은수심과는무관함을알수있다. Eq. (4.b) 에서이동속도가천해파속보다늦으면 U < C, 해면과기압장은위상이상반되어저기압은해면을끌어올리나고기압은해면을강하시킨다. 한편 U > C의경우는해면과기압장이위상이같아고기압은해면을끌어올리나저기압은해면을강하시킨다. 이동성저기압에의한해면과정지저기압에의한해면 (η s ) 의비는 Froude 수, Fr = U/C로간단히표현된다. ---- η gh ---------------- 1 = = -------------- η s gh U 2 1 Fr 2 Fig. 6는 Eq. (6) 의절대값을나타낸것으로이동속도가매우빠르면증폭비는 0으로접근한다. 기압장의이동속도는연안이나해상에서큰차이는보이지않는점을감안하면이경우는파속이감소하는수심이낮은천해에해당된다. 결국천해인연안에서는이동성기압장에의한증폭비는아주작게된다. 앞절에서도언급한바와같이, 태풍중심통과시관측점에서의실측해일고와역기압법칙에의한해면변화의비가영광과군산을제외하면 0.5~1.5 내의범위에있다. 이경우에는이동성기압장에의한해면변화가주도적인요인임을반증한다. 그리고실측해일고가극히낮은영광의경우해안선은거의직선이고, 연안의수심이아주낮으며저조에서고 (5) (6) 조사이에태풍중심통과하여 Froude 수가 2보다큰것으로추정된다. Eq. (6) 으로부터영광의경우태풍중심이통과할때해면이강하하게되었으며그밖의요인들이더해져해일고가더낮아진것으로분석된다. 3.2 지속적인바람에의한해면상승 연안지역에바람이육지쪽으로불면표층부근의물이해안으로이동하여국지적으로쌓여, 해면이높아지게된다. 바람이상당시간동안지속되면바람에의한해면상승과해면변위에의한수압의기울기가서로균형을이루는평형상태에도달하게된다. 이때해면부근의해수는바람에의한전단력을받아육지쪽으로이동하나, 해저면부근의해수는표층이동량만큼외해로빠져나가해면의변화가없게된다. 결국수심평균한유속은 0이된다. 한편기압분포에따른기압경사로바람이생성되고이는해면에서전단력을발생시키므로기압경사력은해면전단응력에포함되거나전단력에비해아주작은것으로분석된다. 그러면 Eq. (1.b) 은 Dean and Dalrymple (1984) 이보인바와같이 Eq. (7) 로간략하게된다. 그리고저면전단력은저층유속의함수이나, 수심평균유속이 0이므로, 이를표층전단응력에포함시킨환산비 n으로나타낸다. g η τ zx ------ z = η τ zx z= h nτ ------------------------------------ zx ( η) = = -------------------, n 1 τ zx( h) = (7) x ρ( h + η) ρ( h + η) + ---------------- τ zx ( η) 표층전단력의환산비 n의값은 1.15~1.3으로주어진다 (U.S. Army, Coastal Engineering Research Center, 1977). 바람이취송거리 l의해역에일정하게불고, 수심이일정하거나또는수심경사가일정한단순한경우에는 Eq. (7) 로부터해석해를구할수있다 (Dean & Dalrymple, 1984). 먼저수심이일정하여 h 0 이고일정수심이시작되는 x =0에서는해면상승이없는경우, 해는 Eq. (8) 이된다. η( x) ---------- 1 2Ax nτ = + --------- 1, A zx ( η)l = ------------------ (8) h 0 l 2 ρgh 0 여기서매개변수 A는단위폭당거리 l에가해지는환산전단력과수심 h 0 에의한정수압력의비이다. 이변수가커지면해면도같이증가하게되며, 수심이낮으면이변수는커진다. 결국환산전단력이일정한경우수심이낮을수록해면이상승하게된다. 수심경사가일정하고 x = l에해안선이위치한경우 h(x) = h 0 (1 x/l) 이를 Eq. (7) 에대입하면정리하면 ( h + η) ------------------- ( h + η) ( h + η) η 0 nτ + ---- zx ( η) = ----------------- x l ρg (9) Eq. (9) 에서미지수 h + η 를새로운변수로치환하여풀고, 위의경계조건을사용하면해 (10) 을얻게된다. Fig. 6. Amplification of surface elevation by moving atmospheric disturbance with speed U. ---- η Aln 1 x l η h 0 = h ----------------------- 0 1 A (10)
태풍볼라벤 (1215) 의서해안폭풍해일분석 47 경우를대상으로정해얻었지만, 이동성기압장에의한해면변화의주요현상을설명할수있다. Table 1에정리한바와같이수심이깊고일정한경우에는해면증폭비는주로 Proudman 증폭으로결정된다. 최저기압발생시섬지역에서해면은이어도경우를제외하면역기압법칙의해면보다상승하여관측지점의파속이저기압이동속도보다작음을암시한다. 그리고일정한바람이상당시간동안지속되는천해의경우에는해면을상승시키는전단력과해면을평탄화하려는정수압력의비인매개변수 A의값이크면해면의상승도커지게된다. 해저경사가크거나혹은바람이강하면이변수의값이커진다. 4. 결론 Fig. 7. Water level rise due to constant onshore wind blow. 해 (10) 은 Dean & Dalrymple (1984) 의해에수심함수를대입하여정리한것으로해면변위를구하는데보다편리하다. 매개변수 A와변수 x l가주어지면해면 η h 0 는반복법으로구할수있고여기서는 Newton-Raphson 방법을사용하여해면상승비를 Fig. 7에나타내었다. 취송거리가길어지면해면도상승하며, 수심이일정한해역보다는해저면이경사진해안에서해면의상승이두드러진다. A값이클수록해면도상승하며이값은바람이강하거나, 수심이낮거나또는수심경사가클수록커진다. 태풍볼라벤에의한최대해일고발생시역기압법칙에의한해면변위와최대해일고의비는섬지역에서는대략 0.5이고암초인이어도에서는 0.3으로해안지역의 0.15보다는상당히높다. 이는수심이상대적으로깊은섬에서는기압차에의한해면변위가해일고의상당부분을점하는것으로해석할수있다. 한편관측소가위치한해안의수심은낮고완만하며저조시에최대해일고가발생하여발생시점의수심이가장낮았다. 그래서약한바람에서도해면이상당히상승한것으로분석되며이는 Eq. (10) 의해석해의결과와도일치한다. 3.3 이동성기압장에의한해면변위특성이동성기압장의기압분포로부터형성된기압경도력이바람을생성함으로써해면에전단력으로힘을가한다. 즉기압분포와해면전단력은밀접한관계가있어주어진조건에따른이들의크기에따라이가운데하나만을운동방정식에서고려할수있다. 예를들면, 수심이깊으면수심평균한해면전단력이상대적으로작아기압경도력이주도적인외력의인자가된다. 반면에평균전단력이일정한경우라도수심이점차감소하는천해의경우에는전단력이해면변화를좌우하게되며이는태풍볼라벤에의한해일고자료의특성과도일치한다. 앞절에서유도한해석해는주어진조건들이아주단순한 태풍볼라벤은 2012년 8월 28일이어도를지나서해를통과하면서연안도서에상당한높이의해일을발생시켰고, 서남해에위치한 9개의조위관측소의해면, 풍향 풍속과기압자료를분석하여동반된해일의특성을분석하였다. 매 1분의실제관측기록에포함된 high frequency 자료를제거하여대표적인경향을나타내기위해 30분이동평균자료를생산하였다. 이를이용한시계열그래프들을제시하였으며, 조위예보는국립해양조사원의자료를사용하였다. 여기서는이동평균한자료를이용하였기에실제해일고와는약간의차이를보인다. 모든관측소에대한태풍중심이통과한시점의자료와최대해일고발생시점의자료를분석하여, 주변수심이깊은섬에서는기압차에의한해면변화가발생해일고에대략 50% 또는그이상으로나타나이효과가해일발생에주도적으로작용한것으로분석된다. 한편, 해안에위치한관측소는주변수심이낮고완만하여바람에의한해면상승이두드러져발생해일고에 80% 이상점유한것으로나타났다. 영광이북해안의해일고는매우높아 1m를상회하였으나, 저조에발생하여실제해면은높지않았고연안범람도발생하지않았다. 태풍볼라벤의자료에대한분석을토대로발생한폭풍해일의주요원인을파악하기위해단순한해석적모형들을사용하였다. 여기서사용된해석적모형은특수한가정하에서만성립하기때문에실제현상을정확하게재현할수는없으나, 관측자료와상호분석하여폭풍해일에내재된주요물리현상을이해하는데는충분함을입증하였다. 일정수심위를일정한속도로움직이는기압장에의한 Proundman 공진과이로부터유도되는역기압법칙에따른해변변위는섬에서발생한해일을적절하게나타낸다. 일정한수심또는경사의해안에육지쪽으로일정하게부는바람이상당시간지속되면바람에의한전단력과해수면의경사에의한정수압력이서로균형을이룰때까지해면이상승한다. 이러한바람에의한해면상승은수심이낮은지역에서현저하며, 수심경사가급할수록상승이커진다. 태풍볼라벤의경우는해안선에직각인
48 서승남 김상익 바람성분은비교적약하였으나, 저조시의낮은수심으로상당히높은해면고가나타났으며이는바람에의한해면상승이주도적인요인임을자료와연관하여입증하였다. 감사의글 본연구는해양수산부국가연구개발사업 운용해양 ( 해양예보 ) 시스템연구 (2단계) 와한국해양과학기술원주요사업 선형산란파에대한계단형근사법 과 재해성파랑의특성분석및예측기술개발 의연구비지원에의해수행되었습니다. 참고문헌 Blain, C. A. and Rogers, E. (1998). Coastal tidal prediction using the ADCIRC-2DDI hydrodynamic finite element model. Formal Report NRL/FR/7322-98-9682, Naval Research Laboratory, Stennis Space Center, MS. Choi, K.-S., Cha, Y.-M. and Kim, T.-R. (2012). Decadal Change of Frequency in Korea Landfalling Tropical Cyclone Activity, Jour. Korean Earth Science Society, v. 33, no. 1, p. 4958 (in Korean). Chu, K. S. (1987). On the strom surges and tsunami occurred in the coast of Korea. Korea Hydrographic Office (in Korean). Dean, R.G. and Darlymple, R.A. (1984). Water wave Mechanics for Engineers and Scientists. Prentice-Hall Inc., Eaglewood Cliffs, N.J. Doodson, A.T. (1924). Meteorological perturbations of sea level and tides, Geophys. Suppl. R. Astron. Soc., 1, 124~127. Jelesnianski, C. P., Chen, J. and Shaffer, W. A. (1992). SLOSH: Sea, lake and overland surges from hurricanes. NOAA Technical Report NWS 48. Silver Spring, MD: Dept. of Comm. NOAA. Jeong, S.T., Kim, J.D., Ko, D.H. and Yoon, G.L. (2008). Parameter Estimation and Analysis of Extreme Highest Tide Level in Marginal Seas around Korea. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol. 20, No. 5, pp. 482~490 (in Korean). Korea Hydrographic and Oceanographic Administration (2012). The 15th Typhoon Bolaven in 2012. Oceanic Abnormal Phenomena Report 2012, Vol. 2a. Korea Ocean Observing and Forecasting System (2013). Korea Hydrographic and Oceanographic Administration website, http:/ /www.khoa.go.kr/koofs/kor/observation/obs_real_map.asp. Lee, J. C., Kwon, J.-I., Park, K.-S. and Jun, K.-C. (2008). Calculations of Storm Surges, Typhoon Maemi. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol. 20, No. 1, pp. 93~100. Mellor, G. L. (1998). Users guide for a three dimensional primitive equation, numerical model. Program in Atmospheric and Oceanic Sciences. Princeton University, Princeton, N.J. National Hurricane Center (2013). Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes (SLOSH). http://www.nhc.noaa.gov/surge/ slosh.php. Proudman, J. (1953). Dynamical Oceanography. Wiley, New York. Suh, K.D., Yang, Y.C., Jun, K.C. and Lee, D.Y. (2009). Extreme Sea Level Analysis in Coastal Waters around Korean Peninsula Using Empirical Simulation Technique. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol. 21, No. 3, pp. 254~265 (in Korean). Suh, S.W., Lee, H.Y., Kim, H. and Park, J. (2012). Near Real-time Immediate Forecasting of Storm Surge Based on Typhoon Advisories. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol. 24, No. 5, pp. 352~365 (in Korean). Typhoon Research Center (2013). Previous typhoons - individual search, TRC web page. www.typhoon.or.kr U.S. Army, Coastal Engineering Research Center (1977). Shore Protection Manual. U.S. Government Printing Office, Washington, D.C. Wikipedia (2013). Strom surge. http://en.wikipedia.org/wiki/ Storm_surge. You, S. H. and Lee, W.-J. (2010). A Study of Storm Surges Characteristics on the Korean Coast Using Tide/Storm Surges Prediction Model and Tidal Elevation Data of Tidal Stations. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Vol. 22, No. 6, pp. 361~373 (in Korean). 원고접수일 :2013년 12월 12일수정본채택 :2014년 1월 14일게재확정일 :2014년 2월 27일