Estimation of the Lowest and Highest Astronomical Tides along the west and south coast of Korea from 1999 to 2017

Tidal datums are key and basic information used in fields of navigation, coastal structures' design, maritime boundary delimitation and inundation warning. In Korea, the Approximate Lowest Low Water (ALLW) and the Approximate Highest High Water (AHHW) have been used as levels of tidal datums for depth, coastline and vertical clearances in hydrography and coastal engineering fields. However, recently the major maritime countries including USA, Australia and UK have adopted the Lowest Astronomical Tide (LAT) and the Highest Astronomical Tide (HAT) as the tidal datums. In this study, 1-hr interval 19-year sea level records (1999-2017) observed at 9 tidal observation stations along the west and south coasts of Korea were used to calculate LAT and HAT for each station using 1-minute interval 19-year tidal prediction data yielded through three tidal harmonic methods: 19 year vector average of tidal harmonic constants (Vector Average Method, VA), tidal harmonic analysis on 19 years of continuous data (19-year Method, 19Y) and tidal harmonic analysis on one year of data (1-year Method, 1Y). The calculated LAT and HAT values were quantitatively compared with the ALLW and AHHW values, respectively. The main causes of the difference between them were explored. In this study, we used the UTide, which is capable of conducting 19-year record tidal harmonic analysis and 19 year tidal prediction. Application of the three harmonic methods showed that there were relatively small differences (mostly less than ±1 cm) of the values of LAT and HAT calculated from the VA and 19Y methods, revealing that each method can be mutually and effectively used. In contrast, the standard deviations between LATs and HATs calculated from the 1Y and 19Y methods were 3~7 cm. The LAT (HAT) differences between the 1Y and 19Y methods range from -16.4 to 10.7 cm (-8.2 to 14.3 cm), which are relatively large compared to the LAT and HAT differences between the VA and 19Y methods. The LAT (HAT) values are, on average, 33.6 (46.2) cm lower (higher) than those of ALLW (AHHW) along the west and south coast of Korea. It was found that the S_a and N₂ tides significantly contribute to these differences. In the shallow water constituents dominated area, the M₄ and MS₄ tides also remarkably contribute to them. Differences between the LAT and the ALLW are larger than those between the HAT and the AHHW. The asymmetry occurs because the LAT and HAT are calculated from the amplitudes and phase-lags of 67 harmonic constituents whereas the ALLW and AHHW are based only on the amplitudes of the 4 major harmonic constituents.

서해안과 남해안에서 1999년부터 2017년까지 최저와 최고 천문조위 계산

조석현상이 뚜렷한 연안에서 항해, 연안 구조물 설계, 해양영토 획정, 침수범람 예보 등을 위하여 여러 조위 기준면들(tidal datums)이 사용된다. 우리나라 수로학 분야와 해안공학 분야에서는 수심을 측량하는 기본 수준면(datum level)으로 약최저저조위(ALLW)를 사용하고, 해안선과 안전수직높이(vertical clearances) 기준면으로는 약최고고조위(AHHW)를 사용하고 있다. 그러나 최근에 미국, 호주, 영국을 포함하여 국제적으로는 최저 천문조위(LAT)와 최고 천문조위(HAT)를 기본 수준면과 안전수직높이의 기준면으로 사용하고 있다. 이 연구에서는 서해안과 남해안 9개 조위 관측소에서 19년(1999-2017년) 동안 1시간 간격으로 관측한 해수면 높이 자료를 '19년 벡터평균 분석', '19년 연속 분석', '1년 연속 분석' 방법으로 각각 1분 간격으로 19년간 예측한 조위로부터 LAT와 HAT를 계산하였다. 이 연구에서는 19년 연속 관측자료의 조석 조화분해와 19년 연속 조석 예측에 모두 적합한 UTide 프로그램을 사용하였다. 각 조위 관측소에서 '19년 벡터평균 분석'과 '19년 연속 분석' 방법으로 각각 계산한 LAT 또는 HAT 값들의 차이는 대부분 ±1 cm 미만으로 큰 차이를 보이지 않았으며, 이 두 방법은 서로 거의 일치하는 결과를 생산하였다. 반면에 각 조위 관측소에서 19년간 연속 관측한 자료를 연별로 19개로 나누어 각각 1년 자료씩 조석 조화분해한 후 각각 19년간 조위를 예측한 '1년 연속 분석' 방법은 서로 크게 다른 19개의 LAT와 HAT 값들을 산출하였으며, 그 19개들의 표준편차는 3~7 cm이었다. '1년 연속 분석' 방법으로 구한 이들 값들은 '19년 연속 분석' 방법으로 산출 값과 비교하면 서해안과 남해안에서 LAT는 -16.4~10.7 cm의 차이를 보였으며, HAT는 -8.2~14.3 cm의 차이를 보였다. 계산된 LAT와 HAT를 ALLW와 AHHW와 정량적으로 비교했을 때, 서해안과 남해안에서 LAT는 ALLW보다 평균적으로 46.2 cm 더 낮았으며, HAT는 AHHW보다 평균적으로 33.6 cm 더 높았다. 이러한 차이에 가장 크게 기여하는 분조는 ALLW와 AHHW 계산에 고려되지 않은 진폭이 비교적 큰 S_a와 N₂ 분조이었다. 또한 천해분조가 강하게 발달한 내만에서는 M₄와 MS₄ 분조가 추가적으로 그 차이에 상당히 기여하였다. LAT와 ALLW 간 차이와 HAT와 AHHW 간 차이가 같지 않은 이유는 ALLW와 AHHW를 계산할 때는 주요 4대 분조의 진폭만을 사용하지만 LAT와 HAT를 계산할 때는 실질적으로 67개 분조의 진폭뿐만 아니라 지각도 사용하기 때문이다.