Abstract
This paper presents the development of the probability density function applicable for wave heights (peak-to-trough excursions) in finite water depth including shallow water depth. The probability distribution applicable to wave heights of a non-Gaussian random process is derived based on the concept of the maximum entropy method. When wave heights are limited by breaking wave heights (or water depth) and only first and second moments of wave heights are given, the probability density function developed is closed form and expressed in terms of wave parameters such as $H_m$(mean wave height), $H_{rms}$(root-mean-square wave height), $H_b$(breaking wave height). When higher than third moment of wave heights are given, it is necessary to solve the system of nonlinear integral equations numerically using Newton-Raphson method to obtain the parameters of probability density function which is maximizing the entropy function. The probability density function thusly derived agrees very well with the histogram of wave heights in finite water depth obtained during storm. The probability density function of wave heights developed using maximum entropy method appears to be useful in estimating extreme values and statistical properties of wave heights for the design of coastal structures.
최대 엔트로피 방법을 이용하여 강한 비정규분포과정의 특성을 갖는 비선형 불규칙 파고의 확률밀도 함수를 유도하였다. 파랑의 파고가 쇄파고(또는 수심)에 의해 제한되고 파고의 1, 2차 모멘트만 주어졌을 경우, 유도된 확률밀도함수는 $H_{b}$ (쇄파고), $H_{m}$(평균파고), $H_{rms}$(파고의 제곱평균평방근)의 매개변수로 폐합형(closed form)으로 표시된다. 파고의 3차 이상의 모멘트가 주어진 경우에는 최대 엔트로피를 갖는 확률밀도함수의 매개변수를 구하기 위해서 비선형 적분 방정식 계를 Newton-Raphson 방법을 이용하여 수치적으로 구하였다. 최대 엔트로피 방법을 이용하여 유도된 파고의 확률밀도함수를 비정규분포의 특성이 강한 실측자료와 비교하였다. 실측자료는 폭풍시 중간수심과 천해에서 측정된 쇄파고에 가까운 자료로서 강한 비선형 불규칙 파랑의 특성을 지니며, 이 경우에도 유도된 확률밀도함수가 측정된 파고의 막대그래프와 잘 일치하였다. 강한 비선형 불규칙파의 특성을 갖는 파랑의 파고일 경우에도 파고의 1, 2차 모멘트만으로도 파고의 분포를 잘 나타낼 수 있었다. 최대 엔트로피 방법을 이용하여 구해진 파고의 확률분포함수는 해안구조물의 설계파를 결정하는 극치파고분포와 파고의 통계적인 특성을 추정하는데 매우 유용하게 이용될 수 있다.
