[논문 리뷰] A Reanalysis of the October 2016 "Meteotsunami" in British Columbia with Help of High-Frequency Radars and Autoregressive Modeling

Baptiste Domps, Julien Marmain외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 14.

earthquake and tectonic studiesEarth and Planetary Sciences참고 문헌 20인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 고주파 레이더(HFR) 데이터와 최대 엔트로피 방법(MEM)을 활용한 새로운 자기회귀 모델링 기법을 사용하여 2016년 10월 캐나다 브리티시 컬럼비아의 '기상 tidal wave'(meteotsunami)를 재분석한다. 이는 짧은 통합 시간 동안의 해류 추정을 향상시키기 위한 것이다. 분석 결과, 대기 전면과 관련된 급격한 수면 해류 전면이 확인되었으며, 이는 프라우드먼 공진을 배제하고 실제로는 기상 tidal wave가 아닌 스톰 서지가 원인임을 지지한다.

ABSTRACT

On October 14th, 2016, the station of Tofino (British Columbia, Canada) issued the first ever real-time tsunami alert triggered by a coastal High-Frequency Radar system, based on the identification of abnormal surface current patterns. The detection occurred in the absence of any reported seismic event but coincided with a strong atmospheric perturbation, which qualified the event as meteo-tsunami. We re-analyze this case in the light of a new radar signal processing method which was designed recently for inverting fast-varying sea surface currents from the complex voltage time series received on the antennas. This method, based on an Auto-regressive modeling combined with a Maximum Entropy Method, yields a dramatic improvement in both the Signal-to-Noise Ratio and the quality of the surface current estimation for very short integration time. This makes it possible to evidence the propagation of a sharp wave front of surface current during the event and to map its magnitude and arrival time over the radar coverage. We show that the amplitude and speed of the inferred residual current do not comply with a Proudman resonance mechanism but are consistent with the propagation of a low-pressure atmospheric front and wind vectors as revealed by satellite imagery. This indicates that the event that triggered a tsunami alert is more likely a storm surge than a true meteo-tsunami. Beyond this specific case, another outcome of the analysis is the promising use of oceanographic radars as proxy's for the characterization of atmospheric fronts.

연구 동기 및 목표

• 고주파 레이더(HFR) 신호 처리 기법을 고도화하여 2016년 10월 브리티시 컬럼비아 해안의 이상 현상을 재해석하기.
• 해류 유사 현상의 물리적 메커니즘에 대한 모호함을 해결하기 — 프라우드먼 공진인지 스톰 서지인지.
• 고주파 레이더를 실시간 대기 전면 탐지용 대체 측정 수 Mittel로 사용할 수 있는지 검증하기.
• 초단기 해류 추정을 향상시켜 조기 쓰나미 경보 응용에 기여하기.
• HFR 데이터를 인공위성 및 기상 관측 자료와 융합하여 다중원천 이벤트 특성 분석 수행하기.

제안 방법

• HFR 전압 시간 시리즈에 시간에 따라 변하는 자기회귀(AR) 모델을 적용하여 매우 짧은 통합 시간 동안의 표면 해류를 추정한다.
• 신호 대 잡음비와 스펙트럼 해상도를 향상시키기 위해 AR 모델링과 최대 엔트로피 방법(MEM)을 조합한다.
• 잔여 해류에 대한 변화점 탐지 기법을 사용하여 해류 전면의 도착 시간과 진폭을 정밀하게 특정한다.
• 도착 시간 차이를 이용하여 레이더 커버리지 범위 전체에 걸쳐 해류 전면의 전파를 매핑한다.
• GOES-15 인공위성 영상 및 GFS 모델 데이터로부터 유도된 대기 전면 속도와 레이더에서 유추된 해류 전면 속도를 상관 분석한다.
• 프라우드먼 공진 가능성 여부를 평가하기 위해 Froude 수 조건을 검토하며, 장파 속도와 전면 속도를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2016년 10월 브리티시 컬럼비아의 '기상 tidal wave' 사건의 물리적 메커니즘은 무엇인가 — 프라우드먼 공진인지 스톰 서지인지?
• RQ2 고주파 레이더와 고도화된 신호 처리 기법을 통해 대기 전면의 빠른 영향을 해양 표면 해류에 감지하고 특성화할 수 있는가?
• RQ3 유추된 표면 해류 전면의 속도와 진폭은 장파 속도 및 대기 전면 속도와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 해류 전면이 바람 힘의 변화와 기압 강하와 같은 기상 조건과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 HFR 데이터가 실시간으로 대기 전면을 감지하고 추적하는 데 신뢰할 수 있는 대체 측정 수 Mittel이 될 수 있는가?

주요 결과

• HFR로 유도된 해류 전면의 속도는 약 65 km/h로, 약 100 km/h인 장파 속도보다 뚜렷하게 낮아 프라우드먼 공진을 배제한다.
• GOES-15와 GFS 데이터로부터 유도된 대기 전면 속도 약 75 km/h가 레이더로 유추된 전면 속도와 밀접하게 일치하여 직접적인 대기력에 의한 강하 메커니즘을 지지한다.
• Froude 수(Fr ≈ 0.87)는 '쓰나미 생성 가능 범위'(0.9 < Fr < 1.1)를 벗어나 있어 프라우드먼 공진이 원인일 가능성은 더욱 배제된다.
• NOAA 부이에서 기록된 약 25 hPa의 기압 강하가 25 cm의 해수면 상승과 일치하며, 이는 관측된 20 cm의 tidal gauge 진동과도 부합한다.
• 해류 전면의 진폭과 시기적 특성은 공진파 증폭이 아닌 표면층의 바람 스트레스와 스토크스 드리프트에 의해 가장 잘 설명된다.
• 통합 분석 결과, 이 사건은 진정한 기상 tidal wave가 아니라 스톰 서지임을 확인하였으며, 이는 HFR가 지진성 쓰나미 신호와 대기성 쓰나미 신호를 구분하는 데 있어 매우 유용하다는 점을 시사한다.