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폭풍해일고 및 연안 침수범람에 관한 수치실험 연구

Numerical Experiments for Storm Surge Height and Coastal Inundation

초록/요약

본 논문에서는 다양한 수치실험 연구를 통하여 폭풍에 의한 해일고 및 해일침수범람의 발생 및 이에 대한 모의에 있어서 영향을 주는 각 요소 기술에 대한 적용성을 살펴보았다. 그리고 그 적합성이 검증된 요소기술을 적용하여 주요 태풍에 대해 정밀한 폭풍해일고와 해일침수범람을 산출하였다. 연구의 성과는 기후 및 해양의 환경변화에 따른 연안재해를 저감하기 위한 재난예측 시스템의 구축에 있어서 반드시 필요한 요소라고 할 수 있는데, 본 연구를 통해 수립된 기반기술을 연안 침수범람의 예측시스템에 최종적으로 활용함을 목표로 연구를 수행하였다. 해일 및 침수범람에 대한 수치실험에는 3차원 가변격자 유한체적모형 FVCOM을 적용되었다. 먼저 폭풍에 의한 해일고의 변이 특성을 모의함에 있어서 반드시 살펴보아야 할 조밀한 격자망 선정의 중요성, 2차원 및 3차원 모형간의 특성 비교, 조석의 조건에 따른 폭풍해일고의 변동성, 저면 마찰계수 변화에 따른 침수범람역의 영향 등을 살펴보았다. 이를 통해 침수역에서의 저면 마찰계수가 고려된 정밀격자의 3차원 조석-해일 결합모형의 정확성 및 적용성을 확인하였다. 이어서 과거 남해안의 큰 해일피해를 입힌 주요 8개 태풍에 대한 폭풍해일고를 산출하고 주요 조위관측소의 실제 관측 자료와 비교하여 그 정밀도를 검증하였으며, 각 태풍에 의한 최대 해일침수 범람역을 산정하였다. 수치모의 결과는 관측된 해일고, 침수범위 및 침수심을 정확히 재현하여 해일범람 모형으로서의 그 적용성을 확인할 수 있었다. 각 태풍의 주요 인자에 대한 폭풍해일고의 민감도 평가는 태풍의 강도(풍속), 최대풍 반경, 진행 속도, 이동 경로 등의 요소에 대하여 실시하였다. 그리고 각 주요 인자의 변동에 따른 해일침수범람의 민감도도 동시에 평가하였다. 그리고 미래에 발생 가능한 최대의 폭풍해일고 및 해일침수 범람역을 산출하기 위하여 가상 시나리오에 의한 해일범람을 검토하였다. 이를 위하여 미래의 기후변화 요소를 고려하여 발생 가능한 최대 강도의 태풍 시나리오를 구성하고, 최대 폭풍해일고의 분포 및 해일침수범람의 가능역을 추정하였다. 각 시나리오별 가상태풍은 태풍 Maemi의 경로를 따르게 하였고 그 강도만 변경되게 설정하였다. 모의결과, 마산에서 약 300cm가 넘는 최대 폭풍해일고가 산출되었는데, 이는 재기년도 200년의 폭풍해일고 통계치를 약 20cm 가량 상회하는 결과이다. 이러한 최대 가능태풍을 선정하여 최대 해일고를 산출하는 수치실험 연구는 특정해역에서의 극치 설계고의 값을 산정해야 하는 경우에 좋은 활용방안이 될 수 있다. 본 연구에서 산출된 해일범람 모형에 의한 정밀 해일고 및 침수범람역의 공간분포는 관측 자료에 의한 침수역 분포를 정확히 재현하였다. 따라서 정확한 해상풍의 공간분포에 대한 정보를 활용할 수만 있다면, 빠른 시간 내에 해일범람 등의 모의를 통한 연안재난피해 예측시스템의 구축에 있어서 그 활용도가 매우 높다고 할 수 있으며, 해안침수예상도의 제작을 위한 활용도 가능할 것으로 본다.

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목차

요 약 문

제 1 장 서 론
1.1 연구의 배경 및 목표
1.2 연구의 내용
1.3 국내외 연구동향
1.4 해양환경의 변화에 따른 연안 침수범람의 위험성 증가

제 2 장 폭풍해일범람 모형 수립
2.1 FVCOM 모형
2.1.1 기본 지배방정식
2.1.2 표층 및 저층 경계조건
2.2 격자의 구성
2.3 수심 자료
2.4 조석 검증
2.5 태풍 해상풍 산출
2.6 해일고 관측 자료의 검토

제 3 장 수치모형에 대한 세부 요소별 적용성 평가
3.1 격자 크기에 따른 평가
3.2 2차원, 3차원 모형 간의 평가
3.3 조석-해일 상호작용 영향 평가
3.4 저면 마찰계수의 영향 평가
3.5 해수면의 승하강, 도파 및 월파의 영향
3.5.1 해수면의 승하강(wave set-up & set-down)
3.5.2 도파(wave run-up)
3.5.3 월파(wave over-topping)

제 4 장 폭풍해일고 및 연안 침수 범람역 산출
4.1 폭풍해일고 산출 및 검증
4.1.1 8개 시나리오 태풍의 선정 및 폭풍해일고 산출
4.1.2 태풍 Maemi의 관측 결과
4.1.3 태풍 Maemi 폭풍해일고 산출 결과
4.2 연안 침수 범람역 산출
4.2.1 정밀 지형도의 작성
4.2.2 태풍 Maemi(2003) 사상
4.2.3 태풍 Agnes(1957) 사상
4.2.4 태풍 Sarah(1959) 사상
4.2.5 태풍 Thelma(1987) 사상
4.2.6 태풍 Dinah(1987) 사상
4.2.7 태풍 Faye(1995) 사상
4.2.8 태풍 Saomai(2000) 사상
4.2.9 태풍 Rusa(2002) 사상
4.2.10 침수 범람을 모의한 8개 태풍 간의 가능 최대 범람역 비교

제 5 장 외력요소에 따른 민감도 평가
5.1 모의 시나리오 선정
5.2 해상풍 강도에 따른 평가
5.3 최대풍 반경에 따른 평가
5.4 진행 속도에 따른 평가
5.5 이동 경로에 따른 평가
5.6 민감도 평가 결과 요약

제 6 장 기후변화를 고려한 가상태풍에 의한 해일범람 모의
6.1 기후변화를 고려한 가능 최대태풍 강도의 추정
6.1.1 강도한계치 추정 모형
6.1.2 기후변화를 고려한 최대 가능 태풍강도 추산
6.2 가상태풍에 의한 최대 해일고 및 해일범람 모의
6.2.1 폭풍해일 산출 모형 수립
6.2.2 격자망 구성
6.2.3 최대 폭풍해일고의 비교
6.2.4 최대 침수범람역의 비교
6.3 수치모의 결과 요약

제 7 장 결 론

참고문헌

Abstract

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