해양파

해양파(海洋波)는 넓고 큰 바다의 잔물결과 큰 물결을 말한다. 해양파랑(海洋波浪)이라고도 한다.

개요

바람이 해면 위를 지속적으로 불 때 생기는 풍랑과 다른 해역에서 발생한 풍랑이 전파되거나 바람이 멈출 때 생기는 너울을 총칭하여 파랑이라 한다. 파도라고도 하며, 풍랑과 혼용하기도 한다. 풍랑은 마루가 뾰족하고 둥근 모양의 골을 가지며 파장과 주기는 비교적 짧으나, 너울은 마루가 둥글고 파장이 길다. 파랑이 연안에 접근하여 수심이 파장의 반 이하인 얕은 곳으로 오면, 파장은 짧아지고 파고가 높아져 부서지는 쇄파가 된다. 파랑은 빛과 같이 반사·굴절·회절의 성질을 가지고 있다. 풍랑의 크기는 바람의 속도, 바람의 지속시간, 바람이 불어온 거리에 의해 결정된다. 바람이 강하고 불어온 거리가 길수록 풍랑은 크게 인다. 바람이 불기 시작한 초기에는 파도 속도가 바람 속도보다 느리지만 바람이 계속 불어옴에 따라 파도 속도가 증가하여 힘을 받으면 나중에는 바람 속도보다 파도가 더 빨라진다. 그 후에 바람이 멈추거나 바람이 부는 해역을 떠나면 너울로 바뀐다. 파랑은 물 입자가 거의 움직이지 않고 같은 곳에 머물러 있으면서 해수 자체가 이동해 가는 것은 아니고 단지 파랑에너지가 전달될 뿐이다.

파랑의 물 입자는 작은 궤도를 이루며 원운동을 하며, 마루에서는 진행 방향으로 운동하고, 골에서는 반대 방향으로 운동한다. 물 입자의 궤도지름은 표면에서는 파고와 같으며, 수심이 1/9 파장씩 깊어짐에 따라 반으로 줄어든다. 마루의 최소내각이 120°, 파고가 1/7파장을 넘으면 해파는 부서진다. 또한, 해양파랑예측은 예측된 기상자료로부터 파랑의 특성과 변화를 예측하는 것을 말한다. 초기에는 파고, 파장, 바람의 속도, 바람의 지속시간 및 취송거리 등으로부터 경험적인 관계식을 통해 예측 파랑을 도출하였다. 이후 파랑의 스펙트럼으로부터 파를 많은 성분으로 분류하여 파랑모델(wave model)에서 계산하고, 또 고도계(altimeter)나 해수면 산란계(scatterometer)에서 관측한 풍속과 파고의 정보를 자료동화(data assimilation)기법을 이용하여 예측 모델에 함께 이용함으로써 예측의 정확도를 높이기 위한 노력을 계속하고 있다. 파랑예측과 달리 파랑추산(wave hindcasting)은 과거의 기상자료를 이용하여 파랑의 특성을 추산하는 것을 의미한다.

파랑

파랑의 구조

파랑(wave, 波浪)은 풍랑, 너울 등 바다 표면부에서 일어나는 물결을 통칭하는 말로, 파도(波濤)라고도 한다. 바다의 표면에서 일어나는 물결에 대한 통칭으로, 파도라고도 한다. 다양한 요인으로 발생하지만, 바람에 의한 것이 대부분이며, 이 경우에는 풍파(風波, wind wave) 또는 풍랑(風浪)이라 부르기도 한다. 바람 이외의 요인으로는 해저에서의 지진·화산 활동이나 달과 태양의 인력 및 중력 등이 작용할 수 있다.

파랑은 바다에서 일어나는 대표적인 파동(波動) 운동으로, 바닷물의 상태 변화가 일어날 때 그 변화가 물결 모양으로 주변으로 퍼져 나가는 현상을 가리킨다. 해수 자체는 이동하지 않고 단지 파랑에너지가 전달되는 과정이라 할 수 있다. 파랑에서 가장 높은 점을 마루 또는 파정(波頂)이라 하며, 가장 낮은 점을 골 또는 파저(波底)라고 한다. 골에서 마루까지의 높이를 파고(波高)라고 하고, 마루에서 마루까지의 거리를 파장(波長) 또는 파랑의 주기(週期)라고 한다. 파랑은 원 모양의 궤도운동의 형태를 띠는데, 물 입자들이 마루에서는 전진 방향으로, 골에서는 반대 방향으로 움직이는 방식으로 궤도운동을 한다. 이러한 물입자의 궤도는 수심이 깊어짐에 따라 점차 작아지다가 일정 수심 이하에서는 파랑이 일어나지 않게 된다.

파랑은 발생하여 소멸하기까지의 구간을 구분해 볼 수 있는데, 바람의 영향을 직접적으로 받는 영역을 풍랑 또는 풍파라 한다면, 바람의 영향권을 벗어나 파고가 낮아지고 파장이 길어지는 잔잔한 영역을 너울 또는 스웰(swell)이라 부른다. 이러한 너울이 해안에 가까이 오면서 물의 궤도운동이 해저와의 마찰로 인해 전진속도가 느려지고 파장이 짧아지면서 부서지는 영역을 쇄파(碎波, breaker) 또는 연안쇄파라고 한다. 풍랑에서의 파랑은 일반적으로 마루가 뾰족하고 파장이 비교적 짧지만, 너울은 마루가 둥글고 파장이 길다. 넓은 바다에서는 이 둘이 합쳐져 복잡한 해면 양상을 띠지만, 바람이 약할 경우 뚜렷이 구별되어 나타나기도 한다.

파랑은 해안지역에 주기적인 영향을 주어 해안지형을 형성하는 중요한 요인이 된다. 해안을 침식시키기도 하며, 침식과정에서 발생한 모래나 암석 입자들을 운반 및 퇴적시키는 작용을 하기도 한다. 대표적인 해안 침식지형인 해식애, 해식동, 파식대, 시 아치(sea arch), 시 스택(sea stack) 등과 해안 퇴적지형인 사빈, 사주(砂洲), 사취(砂嘴) 등이 파랑의 작용에 의해 만들어진 것들이다. 또한 파랑은 오늘날 에너지로서도 각광을 받고 있다. 파랑 작용이 활발한 곳에 구조물이나 장치 등을 설치하여 전기를 얻는 파력 발전(波力發電)이 그것이며, 이는 화석에너지를 대체할 신재생에너지원의 하나로 이용되고 있다.

파랑모델

파랑모델(sea wave model)은 기상 예측장(해상풍)을 활용하여 해상의 유의파고, 파향, 파주기 등 해상의 날씨를 예보하기 위하여 수행되는 모델을 의미한다. 파랑을 예보하는 것을 파랑예보(wave forecasting)라고 한다.

해수면에서 일어나는 현상 중 인간의 해상 활동에 크게 영향을 미치고 있는 파랑의 발생 및 성장 기작에 관한 내용들은 그 동안 체계적으로 연구되어 왔다. 해상 상태를 결정하는 가장 큰 요인은 풍파(wind wave)와 너울(swell)로서 이들은 해양의 에너지 분포 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다.

해상에서 풍파와 너울에 의해 발생되는 파고를 예측하는 방법은 일정한 해역의 풍속과 파고에 대한 경험적인 관계를 사용하여 1940년대에 처음 시도되었다. 그 후에 파고 예측을 위한 많은 연구가 진행되어 현재 해양에서의 파랑 발생 모사는 파고, 파장, 파주기 및 파향 등의 여러 파랑 인자들에 대한 스펙트럼 분석 방법에 기반을 둔 파랑모델이 사용되고 있다. 스펙트럼 분석 방법은, 해수면에서의 파랑 발생이 단순하지 않기 때문에 파고, 파장, 주기 및 파향이 서로 다른 여러 가지의 규칙적인 성분파로 서로 겹치거나 간섭하는 양상을 가지므로, 해수면 파의 성질을 여러 가지 사인 파(sinusoidal wave)로 분해하여 각기 다른 주파수, 진폭 및 위상의 성질을 파악하는 방법이다. 파랑에너지 평형방정식에 근간을 둔 제1세대 파랑모델(선형모델)과 제2세대 파랑모델(파라미터 모델)을 거쳐 제3세대 파랑모델(비선형모델)로의 급격한 발전은 급속한 컴퓨터 계산 능력 향상과 더불어 파랑 예측의 정확성을 한층 높여 주었다.

제1세대 파랑모델

제1세대 파랑모델은 파랑 스펙트럼을 나타내는 함수 중에서 바람으로부터의 에너지 입력과 내부 마찰 등에 의한 에너지 손실만을 고려한 모델이다. 이 모델은 수치계산이 비교적 간단하다는 장점이 있지만 파 에너지의 큰 부분을 차지하는 성분파 사이의 에너지 교환을 과소 추정하고 바람의 압력을 과대 추정하는 근본적인 결함을 지니고 있다.

제2세대 파랑모델

제2세대 파랑모델은 성분파 사이의 비선형 에너지 교환을 불연속적인 각 성분파에 대하여 계산하지 않고 스펙트럼의 형태를 파라미터로 표현된 식으로 가정하여 계산하는 모델로서 대표적인 것으로는 HYPA (Hybrid Parametrical Prediction) 등이 있다. 이 모델은 가정된 스펙트럼의 형태가 실제 스펙트럼의 형태와 잘 일치하는 경우, 매우 효과적으로 사용될 수 있지만, 적용하고자 하는 해역의 스펙트럼 형태가 가정에서 벗어나게 되면 오차가 커지는 단점이 있다.

제3세대 파랑모델

제3세대 파랑모델은 이러한 제1, 제2세대 파랑모델의 문제를 해결하기 위하여 스펙트럼의 형태와 원천항의 형태에 가정을 도입하지 않고 스펙트럼의 발달을 재현한 모델이다. 이 모델은 불연속적인 모든 성분파 사이의 비선형 상호작용에 대한 에너지 수송을 파라미터화하지 않고 직접 계산하기 때문에, 적용에 제한은 없지만 많은 계산이 필요하므로 수행시간이 길어지는 단점이 있다

기상청의 파랑모델

기상청에서 운영하고 있는 파랑예측시스템은 제3세대 파랑모델인 WaveWatch-III 모델에 기반을 둔 25 파수 36 파향의 스펙트럼 해상도를 갖고 있다. 파랑예측시스템의 공간 해상도는 전지구 0.5°(약 50km), 지역 (1/12)°(약 8km) 그리고 연안 (1/120)°(1km)이고 모델은 각각 252시간, 87시간과 72시간 예보장을 생산한다.

참고자료

• 〈해양조사 용어사전〉, 《국립해양조사원》
• 〈해양파랑예측〉, 《지구과학사전》
• 〈파랑〉, 《두산백과》
• 〈파랑모델〉, 《기상학백과》

같이 보기

• 파랑
• 바다
• 물결
• 풍랑
• 바람
• 파도
• 너울
• 파장
• 파고
• 기상청
• 해수면
• 파랑모델
• 기상자료

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