1.서 론

최근 전세계적인 기후변화 영향으로 해수면상승, 이상기 상현상, 폭풍 및 강력한 태풍 내습 등으로 인해 발생한 고파 랑은 우리나라 연안에 많은 피해를 입히고 있다. 이러한 파 랑특성 변화에 대응하고 피해를 최소화하기 위해서는 우리 나라 연안에 영향을 미치는 파랑의 특성 및 경향성을 면밀 히 파악해야 한다. 관심해역의 정량적인 파랑특성을 분석하 기 위해서는 연안역 근처에서 수집한 장기간의 파랑관측자 료가 필수적이다. 특히 침식원인규명이나 대책공법 수립, 이 안류예측 등을 위해서는 파고 정보뿐만 아니라 파향자료도 매우 중요한 요소이지만 고가의 파랑관측기기의 확보, 관측 수심의 한계, 장비유실위험 및 유지관리 고비용 등의 여러 가지 문제로 인하여 파랑관측 시 통상적으로 파고만을 관측 하는 경우가 많다. 최근 들어 연안역에서 파향을 포함한 파 랑관측이 수행되고 있으나, 관측기간이 대부분 1개월 내외 로써 그다지 길지 않으며 파고 및 파향의 정량적인 통계분 석이 유의미한 값을 갖도록 통계적인 분석을 수행하기에는 역부족이다.

한편, 우리나라 기상청에서는 2001년 동해부이를 시작으 로 포항부이, 거제부이 등 외해역에 실시간 파랑관측부이를 설치하여 지속적으로 확대 구축 중에 있으며, 국립해양조사 원에서는 KOGA(Korea Ocean Gate Array) 파랑관측부이를 기 반으로 국가해양관측망을 구축, 운영 중에 있다. 하지만 이 러한 파랑관측부이는 연안과는 이격된 외해역에 위치하고 있고 그 관측정점수가 많지 않아 연안에서의 파랑특성이나 경향성을 논하기에는 한계가 있으며, 침식원인규명 및 대책 수립 등에는 그 활용이 제한적이다.

파랑후측모델링과 관련 연구로 Lee and Jun(2006)은 과거의 기상자료로부터 바람장을 구하고 파랑을 추산하는 역추산자 료(hindcast data) 생성시스템을 구축하고 1979년~2003년까지의 ECMWF(European Center for Medium range Weather Forecasts; 유럽중규모예보센터) 바람자료와 HYPA(HYbrid PArametrical) 모델을 사용하여 파랑자료를 산출하고, 극치해석을 통하여 16방위별 및 재현빈도별 심해파 조건을 제시한 바 있다. Chun et al.(2014)은 동계 폭풍파랑에 대하여 파랑후측모의실 험을 수행하여 관측결과와의 비교를 통해 그 적용성을 검토 한 바 있으며, Kang et al.(2015)은 ECMWF 바람자료를 이용하 여 파랑후측모델링을 수행하고, 파랑관측부이에서 결측된 자료의 공백을 메우는데 파랑후측모델링 자료가 활용될 수 있음을 제시하였다.

본 연구에서는 가용한 14년간의 ECMWF 바람자료를 이용 해 파랑후측모델링을 수행하여 장기간의 연안 파랑자료를 생산하고, 주 권역별 통계분석을 수행하여 연안파랑의 장기 경향성을 분석하였다.

2.파랑후측모델링

2.1.사용 모델

연안 파랑후측모델링(wave hind-casting modelling)을 수행하 기 위하여 적용한 수치모델은 네델란드 Deltares에서 개발한 SWAN(Simulation WAves Nearshore) 모델(Booij et al., 1999)로 파랑에너지의 천수(shoaling), 굴절(refraction), 회절(diffraction), 흐름, 바람에 의한 에너지 생성, 백파(white capping), 쇄파 (wave breaking) 등에 의한 에너지감쇠, 파랑간의 4차 비선형 현상, 바닥마찰 등을 모의할 수 있어 주어진 바람과 해저면 및 해류조건으로부터 연안역, 호수 및 하구 등에서의 파랑 계산이 가능하다. 이 모델의 기본방정식은 파동의 작용 평 형방정식(Wave action balance equation)이며, 사용되는 파랑에 너지의 원천항(Source term)에 따라 제1세대, 제2세대, 및 제3 세대 모델로 분류된다.

SWAN 모델의 지배방정식은 식(1)과 같이 파작용 평형방 정식을 사용한다(Hasselmann et al., 1973).

위 식에서 N = S(f,θ)/σ는 파작용 밀도이고, S(f,θ)는 방향 스펙트럼밀도이다. σ = w − k → • U →는 흐름의 속도U → 로 움직 이는 좌표에서의 각주파수이고, c_x, c_y, c_σ, c_θ는 각각 x, y, σ, θ 에서의 위상속도이다. 평형방정식의 우변 S 는 파랑의 생성, 감소 및 비선형 상호작용 등에 의한 파에너지 밀도(wave energy density)를 나타내는 항을 식(2)와 같이 포함한다.

여기서, S_ln, S_ds, S_nl은 각각 바람에 의한 에너지 유입, 백파 와 저면마찰 및 쇄파 등에 의한 에너지 소산과 성분파간의 비선형 상호작용을 나타낸다.

본 연구에서 활용한 SWAN 모델에 대한 상세 정보는 매 뉴얼(The SWAN team, 2016)을 참고하기 바란다.

2.2.모델 구축 및 실험조건

우리나라 연안의 파랑경향성을 분석하기 위한 파랑후측 모델링 수치모의 계산영역은 서해 및 남해, 동해 전역을 포 함한 영역으로 경도 및 위도 방향으로 각각 120°E ~150°E, 22.4°N ~47.6°N으로 격자개수 600 × 504로 구축하여, Kang et al.(2015)에서 적용하였던 모델 영역과 동일한 영역으로 구축 되었다. 모델의 격자해상도는 일반적으로 제공되는 바람입 력자료의 해상도가 0.1°(약 10 km) 이상인 것을 감안하여, 계 산 시간 및 모델 재현성을 고려한 0.05°(약 5 km) 해상도의 격자망을 구축하였다(Fig. 1). 해안선 및 수심은 국립해양조 사원에서 발행하는 최신수치해도 자료를 사용하였으며, 해 도상의 수심을 보간하여 각 격자점의 수심을 추출하였다. 우리나라 서/남해와 같이 조차가 큰 지역에서는 변화하는 수위를 고려하여 수치모델링을 수행하는 것이 바람직하나, 본 연구에서는 파랑후측모델링을 이용한 파랑의 경향성을 분석하는 것으로 한정하여 실제 변화하는 수위조건을 고려 하지 않고, 격자형태로 수치화된 조석모델결과의 평균해면 값을 본 모델의 각 격자점에 맞게 재보간하여 각 격자점의 수위조건을 약최고고조위로 재산출하여 적용하였으며, 실제 흐름과 파의 상호작용 또한 고려하지 않았다.

본 연구에 적용한 SWAN 모델은 파향 및 주파수에 대한 2 차원 파랑스펙트럼 모델로 파향은 10° 간격으로 36방위로 분 할하였으며, 주파수는 0.0464 ~1 Hz로 40개로 분할하였다. 파랑 스펙트럼은 Hasselmann et al.(1973)이 북해 파랑관측자료를 기 반으로 만든 JONSWAP 파랑스펙트럼 첨두계수의 통상적인 3.3을 적용하였으며, 쇄파지수는 기본값인 0.73을 적용하였다. 파랑후측모델링의 수치모의에 적용된 바람 경계조건으로는 ECMWF에서 제공하는 2001년~2014년의 14년간 고해상도 최 신바람자료를 적용하였다. 바람자료의 시간간격은 6시간이고 공간해상도는 0.5° ~ 0.125°로 자료구축시기에 따라 공간해상도 에 차이가 있으며 자세한 설명은 Table 1에 제시하였다.

2.3.모델 검증

파랑후측모델링 결과를 검증하기 위하여 2014년도에 대 해, 덕적도(DJD), 칠발도(CBD), 마라도(MRD), 거문도(GMD), 포항(PH)의 기상청 5개 관측부이 정점과, 해운대(HUD), 울릉 도북서(UL-NW)의 국립해양조사원 2개 관측부이 정점, 총 7 개 정점에 대하여 관측값과 모델값을 비교 및 분석하였으며 (Fig. 2), 이는 Kang et al.(2015)에서 제시한 시계열 검증 정점 중에서 동해안의 포항과 울릉도북서 관측부이 정점을 추가 검증한 분석 결과이다.

정량적인 분석방법은 RMSE(Root Mean Squared Error)와 상 관계수(correlation coefficient, r)를 적용하였다.

여기서, Y_com과 Y_obs는 모델값과 관측값이며, Y_com과 Y_obs 는 각각 모델값과 관측값의 평균을 나타낸다.

비교결과 관측정점에 따른 차이는 있으나, 상관계수는 0,76 이상이며, RMSE는 지역별 최소 약 0.3 m에서 최대 0.5 m 이하로 분석되었다.

하지만 이와 같은 오차발생원인과 유의파고 재현성에 대 한 모델 정확도를 검토하기 위해 Kang et al.(2015)에서 제시 한 시계열 검증 정점 중에서 Fig. 3과 같이 해운대(HUD)는 A·B·C지점, 칠발도(CBD)는 D·E·F지점에 대해 유의파고에 따 른 풍·향속의 변화를 관측값과 계산값의 유의파고 시계열 결과로 비교·분석하였다. 분석결과, 해운대(HUD)에서 유의 파고의 관측값과 계산값이 유사하게 재현된 B·C지점에서는 풍·향속의 재현성 또한 높게 나타나고 있으나, A지점처럼 유의파고의 재현성이 낮은 부분에서는 풍향은 유사하게 재 현하고 있으나 풍속의 재현성은 낮게 나타났다.

이러한 결과는 칠발도(CBD) 정점인 D·E·F지점에서도 유 사하게 나타나고 있으며, F지점에서도 유의파고의 재현성이 낮으면 풍속의 재현성 또한 낮음을 확인할 수 있어, 유의파 고의 재현성은 풍향보다는 풍속의 영향을 많이 받고 있음을 확인할 수 있다. 즉 이러한 결과를 토대로 모델의 정확성을 높이기 위해서는 재현성 높은 바람입력 자료가 중요함을 확 인할 수 있다. 본 연구에서 사용한 바람자료의 해상도는 0.5° ~0.125°, 시간간격은 6시간 간격으로 유의파고의 최대치를 재현하는데 다소 한계성이 포함되어 있어 모델의 정확도에 영향을 주는 것으로 판단되며, 향후 바람자료의 해상도 및 조밀한 시간간격의 자료를 적용한다면 좀 더 만족할 만한 결과를 얻을 수 있으리라 사료된다.

3.파랑 경향성 분석

우리나라 연안의 파랑특성 및 경향성을 분석하고자 2001 년~2014년의 파랑후측모델링 결과에 대해 통계적 분석을 실 시하였다.

파랑특성 변화분석의 정점(Point)은 2015년 남해안권역 연안 침식실태조사 보고서(Ministry of Oceans and Fisheries, 2015)에서 침식우심등급(C[우려], D[심각]등급)으로 평가된 지역들을 나 타낸 정점이며, 각 정점 분포에 따라 Fig. 4와 같이 서해북부 (D1), 서해중부(D2), 서해남부(D3), 남해서부(D4), 제주연안(D5), 남해중부(D6), 동해남부(D7), 동해중부(D8), 동해북부(D9) 9개 의 권역별로 구분지어 파고 및 파향의 통계적 분석을 실시하 였다.

우선 각 권역별로 2013년 평균 파향에 대해 살펴보면 서해 안에 위치한 도메인(Domain) D1~D3은 W, WNW, NW방향의 파향이 우세하고, 남해안에 위치한 도메인 D4와 D6은 S, SSW방향의 파향이 우세하다. 그리고 제주해역에 포함되는 도메인 D5는 제주해역 특성상 NNW, SSW, ENE계열의 파향 이 분포하고 있으며, 동해안에 포함되는 도메인 D7~D9는 NNE, NE계열의 파향이 우세하게 나타나고 있다(Fig. 5).

파랑의 통계적 분석방법은 파랑후측모델링으로 산출된 1 시간 간격 파고자료를 추출하여, 매 연도별로 각 권역별 2 m 이상 유의파고 출현율을 계산하였다. 비교 정점 숫자 및 지 역적인 특색에 따른 차이는 있으나, 출현율 분석결과 제주 도 해역(D5)에서 2 m 이상 고파랑 출현율이 최소 3.83 %, 최 대 7.10 %, 평균 5.78 %로 고파랑 출현빈도가 권역별 가장 높 게 나타났으며, 서해남부(D3)에서 최소 0.58 %, 최대 1.64 %, 평균 1.09 %로 고파랑 출현빈도가 권역별 가장 낮게 나타났 다. 권역별 고파랑 출현빈도 평균은 최소 0.89 %, 최대 3.08 %, 평균 1.90 %며 연평균 증가율은 0.082 %/year을 보이고 있다 (Table 2).

전 권역별로 2 m 이상 고파랑 출현율의 연도별 변화를 Fig. 6에 제시하였다. 각 권역별로 연도에 따른 파랑강도 변화의 차이는 있으나, 과거에 비해 최근 파랑강도 증가 경향성이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

향후 파랑강도가 증가하는 경향성 및 특성을 보다 더 구 체적이고 정량적으로 판단하기 위해서는, 각 권역별 지역에 따라 고파랑이 발생하는 원인에 대해 태풍 및 풍랑주의보 발생 횟수 등 방대한 기상정보의 분석을 통한 비교 검토 및 비교정점에 대한 지역적 특색을 분석하여 보다 구체적이고 정량적인 파랑경향성 도출이 가능하다. 또한 침식 규명을 위한 연안지역에서의 정확도 높은 파랑 특성을 분석하기 위 해서는 적용 가능한 고해상도 바람입력자료에 대한 기관별 자료 분석을 수행하여 정확도 높은 바람입력자료를 사용하 고, 고해상도 격자를 구성하여 수심에 따른 파랑 특성 또한 고려한다면 보다 유의미한 결과 도출이 가능하다.

4.결 론

본 연구에서는 연안역에서 파랑특성 및 경향성분석을 위 하여 바람자료를 이용한 파랑후측모델링을 수행하여 장기 간 파랑자료(2001~2014년)를 생산하고 검증하였으며, 이를 통 계분석하여 해역별 2 m 이상의 고파랑의 출현율에 대한 장기 경향성을 분석하였다.

수치모델링 결과의 검증을 위해 기상청 및 국립해양조사 원의 파랑관측부이 자료를 후측모델링 결과와 비교하였다. 비교결과 태풍 및 폭풍에 의해 고파랑 발생 시 국지적으로 과소 또는 과대평가되는 지역이나 기간이 일부 있으나 전반 적으로 파고 시계열의 경향성이 잘 일치하고, 정량적인 검 증결과 관측값과 모델값의 상관계수는 0.76 이상이며, RMSE 는 정점별 평균 0.5 m 이하로 분석되었다.

파랑후측모델링 결과에 대한 연도별 2 m 이상의 고파랑 출 현율에 대한 통계분석을 실시하여 우리나라 연안 권역별 파 랑특성을 파악한 결과, 권역별 2 m 이상 고파랑 출현빈도는 평균 1.90 %로 분석되었으며, 제주도 해역에서는 평균 5.78 % 로 고파랑 출현빈도가 권역별 가장 높게 나타났고, 서해남 부에서 평균 1.09 %로 고파랑 출현빈도가 권역별 가장 낮게 나타났다. 2 m 이상의 고파랑 발생빈도는 모든 해역에서 증 가하는 경향을 보였으며, 연도별 2 m 이상 고파랑 발생빈도 는 전 권역에 대해서 0.082 %/year의 증가속도를 보이는 것으 로 나타났다.

이러한 고파랑의 증가경향은 보다 장기적인 경향성분석이 요구되어지며 향후 지속적인 자료축적과 수치모델링 검토 를 통하여 보다 정량화되어야 할 것으로 사료된다. 이러한 연안파랑 경향성분석 자료는 최근 기후변화에 따른 파랑의 특성 변화 및 연안역에서의 침식방지구조물의 방재 설계를 위한 기초자료로 사용이 가능하다.