1. 서 론
우리나라는 그동안 많은 홍수관리 대책을 추 진하여 인명과 재산피해의 경감성과를 달성하였 다. 그러나 기후변동의 심화로 계획을 초과하는
빈번한 홍수에 의해 1998-2007년의 10년간 한 강수계 388명, 낙동강수계 210명 및 금강수계 44명이 사망하였고, 2002-2006년 기간에 연간 2.7조원 홍수피해가 지속적으로 발생하고 있다.
또한 겨울철에는 극심한 폭설로 과거와 다른 교 통대란과 농작물 피해 등이 심화되고 있다. 이 런 자연재난에 따른 사회적 인식은 국가과학기술 위원회가 실시한 대국민 설문조사 결과에 나타나 고 있다. 가장 피해우려가 높은 재난은 호우와 홍수(39.4%)로 나타났으며 재난 대비 인프라 구 축(71%)과 재난 예측·대응 기술 등 과학 기술 개발(67.3%)을 다른 정책에 비해 중요하게 생각 하고 있는 것으로 나타났다.
기존의 지상 관측소를 이용한 호우 및 폭설 관 측은 관측소가 산재되어 빈번한 돌발 홍수와 폭 설이 언제, 어느 곳에 발생하는가의 감시가 매우 곤란하여 인명 및 재산 피해가 가중되고 있다.
이러한 돌발 자연재해를 예방하고 그 피해를 줄 이기 위하여 홍수 및 폭설의 발생 지역과 시간을 적확하게 사전 예측하고 이를 경보할 수 있는 기 술의 개발이 필요하다. 재해방지를 위해서는 시 간과 공간적으로 얼마나 자세하면서 적확한 정보 를 제공하느냐가 중요한 사항이다. 특히 돌발 홍 수·폭설 피해를 예방하기 위하여 지역적으로 상 세한 고해상도 초단기 예보의 중요성은 증대되고 있으며 6시간 이내에 시작과 종료가 발생하는 돌
KICT 수문레이더의 설치 및 홍수·폭설 재해관리 연구
이 동 률｜
한국건설기술연구원 수자원연구실 연구위원
한 명 선｜
한국건설기술연구원 수자원연구실 전임연구원
박 희 성｜
한국건설기술연구원 수자원연구실 수석연구원
임 상 훈｜
한국건설기술연구원 수자원연구실 연구위원
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발재해 특성상 지상 관측소에 의한 예·경보는 비효율적일 수 있다. 최근 레이더는 고해상도 초 단기 관측에 용이하여 재해 예보의 중요한 수단 으로써 각광받고 있으며, 최근 이중편파 기술을 이용한 수문레이더의 개발로 소규모 지역의 상세 한 집중호우, 홍수, 폭설의 예측이 가능하게 되 어 세계적으로 많은 연구가 추진되고 있다.
본고는 한국건설기술연구원(KICT)에서 설치 한 X-밴드 수문레이더와 이를 이용하여 추진하 고 있는 홍수·폭설 재해관리 플랫폼개발 연구사 업을 소개하고자 한다.
2. X밴드 이중편파 소형레이더의 특성
수십년간 실무에서 이용된 단일편파 레이더는 반사도의 관측만이 가능함에 따라 반사도-강우 관계를 이용한 경험적인 방법으로 오차가 큰 강 우 추정 자료를 생산할 수밖에 없었다. 그러나 최 근 이중편파 레이더 기술의 발전으로 수평과 수 직 편파의 관측이 가능해짐에 따라 반사도 외에 도 차등반사도, 위상편이, 비차등위상, 교차상관 계수 등 다양화된 변수를 활용할 수 있게 되었다.
이러한 기술의 발전에 발맞추어 미국 Next Generation Weather Radar(NEXRAD), 유럽 Operational Programme for the Exchange of Weather Radar Information(OPERA) 등 세계 주요 레이더 네트워크를 중심으로 단일편파 레이더를 이중편파레이더로 교체하는 사업이 진 행되고 있다. 우리나라 또한 국토교통부, 기상청, 공군 등 실무기관을 중심으로 장비 교체 및 업그 레이드를 통해 보다 활용성 높은 양질의 수문 데 이터를 확보하기 위한 사업이 진행되고 있다.
현재 국내외 실무에서 일반적으로 쓰이는 레 이더는 대형 S 밴드 레이더로, 200-300km에 이르는 장거리 관측에 적합하기 때문에 태풍과 같은 거대 강우현상의 관측에 유리하다. 그러나
지상으로부터 1km 이하에 이르는 저고도 및 고 해상도(3분 이하, 500m 이하) 관측이 요구되는 국지성 호우/폭설 관측에는 지구의 만곡에 따른 기기 자체의 근본적인 제약을 가지고 있다. 또한 대형레이더는 5-10분의 장시간 관측주기 시간해 상도를 가지며, 중장거리(100km 이상)에서 1km 이상의 공간해상도를 가지기 때문에 지역 단위의 상세화된 관측에 기술적 한계를 보인다.
그러나 동일 지역에 대해 복수개의 소형레이더 로 이루어진 네트워크를 구성함으로써 비용 및 설 치, 운영 측면에서의 이점은 물론, 저고도 관측이 가능하고 2분 이하, 100m 이하의 고해상도 자료 를 제공할 수 있기 때문에 대형 레이더의 지형적 제약성 및 시공간적인 저해상도를 극복하기 위한 방안으로써 제시되고 있으며, 이에 따른 최근 관 련 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있다 (McLaughlin 등, 2005; National Research Council, 2005). 우리나라의 경우, 국토의 대부 분을 이루는 서울 등 도심지역 및 강원도 등 산 악 지역에 대한 효율적인 관측이 가능하기 때문 에 그 적용성이 매우 높다. 실제 현업에 쓰이고 있는 기상청 대형 레이더 관측망은 대구, 광주 지역 등 대도시에서 저층관측이 어렵고 관측 사 각지역이 존재하는 등의 단점이 있으며, 국토교 통부 대형 레이더 관측망은 동해안 지역을 중심 으로 형성되는 관측 사각지역의 보완을 목적으로 기존 대형 레이더 외에 추가적으로 5대의 소형 X 밴드 레이더를 설치할 계획이다.
3. KICT X밴드 이중편파 소형레이더 설치 및 시험운영
3.1 설치개요
한국건설기술연구원에서는 수문 레이더의 세 계적 기술 발전 추세에 따라 국제적인 선도기술
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을 확보하기 위한 관련 사업을 적극적으로 추진 하고 있다. 우선 연구인프라 사업을 통해 최신형 레이더인 소형 X밴드 이중편파 레이더를 설치, 운영함으로써 소형 이중편파 강우레이더 시스템 운영 기반을 구축하고자 하였다. 레이더 장비 모 습 및 제원은 그림 1, 표 1과 같으며, 2013년 7월 에 한국건설기술연구원에 설치되어 시험 운영 중 이다. 그림 2는 설치장소인 한국건설기술연구원 을 중심으로 관측반경 30km이 적용되었을 때의 관측범위 및 차폐를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 다. 현 설치 위치에서 서울 주요 지역 등 대도시 및 고양시, 파주시 등 중소도시에 대한 고해상도 관측이 가능해져 도시지역에 대한 재해 예경보 시스템이 보다 정확하고 상세화될 것으로 기대된 다. 또한 임진강 유역의 관측이 용이해짐에 따라 유역 규모 수문순환 분석 및 예측 정확도가 향상
될 수 있으며, 북동부 산지지형에 대한 관측을 통해 다양한 환경 조건에 대한 강우·강설 모의 가 가능해질 것으로 전망된다.
X밴드 이중편파 소형레이더의 설치과정은 다 음과 같은 단계로 추진되었다. 첫번째가 해당주 파수 전파 사용허가를 취득하는 것이고, 두번째 가 사용자들을 위한 현지교육 수료 및 현지 생산 공장에서 FAT(Factory Acceptance Test)를 수행하는 것이다. 마지막으로 국내 현장 설치 후 최종점검인 SAT(Site Acceptance Test)를 진 행하고 전파(주파수) 준공절차를 처리하는 것이 다.
3.2 전파(주파수) 허가
국내에서 소형레이더를 설치하기 위해서는 먼 저 장비 주파수에 대한 사용 승인이 필요하다.
우리나라의 경우 전파는 국가가 소유하는 형태이 고, 각 사용자가 국가에 해당 주파수대역 및 사 용기간을 임대받는 형식이다. 레이더 주파수 사 용 승인을 위해서는 지역전파관리소(일산의 경우 서울전파관리소)에 해당주파수에 대한 무선국 허 가신청을 해야 하며, 이를 방송통신위원회 주파 수 정책과에서 주파수 사용허가 부분을 심의하고 승인한다. 무선국 허가신청서는 신청인과 설치장 소, 기기주파수, 피크파워 등을 적시하여 신청한
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표 1. KICT 수문레이더 제원
항목 제원
제조사 Ridgeline Instruments(RLI)
제조국가 미국
모델명 RXM-25
Type Magnetron Power 8KW(per channel)
관측반경 50km
펄스폭 660-1000ns
중량 633kg
안테나 크기 2.4m
Scan speed(max) 10rpm
그림 1. KICT 수문레이더 그림 2. KICT 수문레이더의 관측범위 및 차폐지도
다. 또한 같은 주파수 허가 요청이라도 무선국의 경우, 관측국과 실험국 2종류가 있다. 관측국은 2년마다 갱신하고 실험국은 1년마다 주파수 사 용허가를 갱신한다. 주파수 사용허가 기간으로 인해 일반적으로 관측국보다 실험국의 사용승인 이 용이한 편이며 장비 수입 및 설치 일정을 고 려하여 둘 중 하나를 신청한다. 레이더의 수입 및 설치 일정이 촉박하면 우선 실험국으로 신청 한 다음 관측국으로 전환하는 것이 적절하다. 본 연구원의 수문레이더는 9.4GHz 대역의 경인 지 역 실험국으로 주파수를 요청하여 주파수 사용승 인을 얻었다.
3.3 수문레이더 사전 교육 및 FAT
레이더 구입시 대부분 제조사에서 구매기관의 운영자에게 레이더 운영을 위한 기본 교육을 제 공한다. 본 레이더의 경우 미국 판매사인 RLI에 서 주관한 교육을 수료하였으며 교육 내용을 구 분해 보면 기상학과 전자공학을 기초로 하는 레 이더 기본이론 교육과 설치예정인 레이더의 운영 방법 교육을 중심으로 구성되어 있다.
레이더 교육 이후, 미국 현지 공장에서 구매예 정인 레이더의 FAT(현지 검수)를 진행하였다.
안테나, 페데스탈, 트랜스미터 등의 레이더 중요 부품별 조립 상태를 확인하고, 공장 근처의 Field Test 장소에 직접 설치하여 정상 작동여부
를 점검하였다. 이 때 다양한 PPI 및 RHI 스캔 을 수행하며 이중편파 관측변수가 정상적으로 관 측되는지 점검하였다. 이러한 전반적인 하드웨어 및 소프트웨어 점검시 사전에 작성한 FAT 점검 리스트를 이용하여 진행한다(그림 3, 4).
3.4 SAT 및 전파준공
미국 현지에서 FAT가 완료된 후 레이더 일체 를 선박을 이용하여 한국(부산)으로 운송하였다.
부산세관에서 관세 및 부가세 등을 납부하여 통 관절차를 완료한 후, 컨테이너를 이용하여 설치 장소(경기도 일산)으로 최종 운송하여 설치를 위 한 사전작업을 마무리 하였다.
레이더는 옥외 레이더장치와 실내 구동시스템 으로 구성되며 옥외 레이더장치와 실태 구동시스 템은 광케이블로 연결된다. 옥외 레이더 장치를 설치 장소인 한국건설기술연구원 신관 옥상에 설 치하기 위하여 레이더가 도착하기 전 이미 구조 물 안전진단을 수행하였고, 레이더 설치시 구조 물의 안전에 문제가 없음을 확인하였으며, 시설 공사, 전기공사, 광케이블 공사를 먼저 마무리하 였다. 한국건설기술연구원 신관 옥상에 레이더 설치 시, 미국 제작사 전문가 2인이 파견되어 설 치하였다. 설치 순서는 지상에서 레이더 전체를 조립하고, 크레인을 이용하여 옥상으로 옮긴 후, 옥상에 일체화 작업을 한후 전기, 광케이블을 연
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그림 3. 미국 현지 FAT 진행모습 그림 4. FAT 진행시 관측결과
결하는 순서로 진행하였다. 그런 다음에 전산실 에 레이더 구동서버를 설치하고 서버네트워크 설 정작업을 하여 실질적인 설치 작업을 완료하였다 (그림 5, 6, 7).
설치 완료된 이후 제작사 전문가들이 최종테 스트를 수행하였으며, 정상적으로 작동된다고 판 단되어 구매자, 국내판매자, 장비제작자들이 입 회한 가운데 SAT를 진행하였다. SAT의 경우 앞 에서 언급한 FAT와 설치장소만 다를 뿐 레이더 중요부품 조립상태, 하드웨어 정상 기동여부, 관 측변수의 정상적 관측 및 표출 등에 있어 검수내 용은 동일하다.
레이더 구매자와 판매자간의 레이더 설치와 관련 준공이 마무리된 이후에 전파준공 절차를 통해 레이더의 정상설치 여부를 국가에 의해 확 인받아야 한다. 전파준공의 경우 레이더 사용자 가 사전에 승인받은 주파수에 맞게 장비를 설치 하고 운영하는지 최종 승인하는 절차이다. 주파
수 사용자가 국가기관일 경우 지역전파관리소에 서 받고, 그 외의 경우 한국전파진흥원에서 진행 한다. 전파준공절차는 전파준공 담당자가 현장을 방문하여 주파수 신청시 작성하였던 설치장소와 주파수측정 장비를 이용하여 레이더에서 방사하 는 전파를 관측하여 신청 주파수 대역이 맞는지 확인하는 작업을 수행한다.
3.5 수문레이더의 시험 운영
KICT 수문레이더 시스템 설치는 7월 15일 시 작하여 25일에 완료 되었다. 완료 후 장마의 영 향으로 발생한 호우사상에 대하여 다양한 수평관 측(PPI)과 연직관측(RHI)을 수행하였다. 그림 8 은 7월 22일 13시 39분 남동쪽으로 지나가는 강 우사상에 대한 수평관측 결과를 보여준다. 관측 반경은 40 km이고 빔폭은 빔폭은 1.4°, 거리해 상도는 약 60m이다. 왼쪽부터 차례대로 반사도
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그림 5. 지상에서 레이더 조립
그림 6. 크레인을 이용하여 s레이더 이동
그림 7. 옥상에서 레이더 연결 작업
Reflectivity Velocity Copolar Correlation Differential Phase Spectral Width 그림 8. KICT 수문레이더 PPI 관측 결과
(Reflectivity), 시선속도(Velocity), 상관계수 (Copolar Correlation Coefficient), 차등위상 (Differential Phase), 스펙트럼폭이다.
그림 9는 강우를 RHI로 7월 23일 13시 44분 에 관측한 결과로 2∼3km의 저층강우와 층운형 강우에 대한 자세한 구조를 보여주고 있다. 그림 9의 결과로부터 약 15-25 km 사이에 강한 저층 강우가 존재함을 알 수 있으며 이는 저고도 관측 의 중요성을 말해 준다.
그림 10은 한국건설기술연구원에서 R을 이용 해 자체 제작한 것으로서 레이더 영상과 지형 및 하천, 서울의 위치를 같이 도시한 것이다. 레이 더 영상은 7월 23일 13시 31분에 관측한 자료로 왼쪽은 반사도이고, 오른쪽은 R-Kdp관계식을
이용하여 강우강도로 환산한 그림이다. 남동쪽 강우 중심의 경우 순간 강우강도가 35mm/hr 정 도로 높았다.
4. KICT 수문레이더 기반 홍수·폭설 재해 관리 연구
수문레이더의 설치로 재해관리의 연구 및 응 용을 위한 기반 인프라 시설을 구축하는 데 이어 한국건설기술연구원은 적확한 홍수 및 폭설의 실 시간 추정, 예측 및 경보 기술 개발을 목표로 2013년부터 총 5년간의 연구사업을 추진하고 있 다. 기초기술 분야에서는 수문레이더의 안정적이
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Reflectivity Velocity Differential Phase 그림 9. KICT 수문레이더 레이더 RHI 관측 결과
반사도
그림 10. 7월 23일 호우사상의 반사도와 강우량
강우강도
고 효율적인 최적 운영 방안과 이를 통한 양질의 자료 생산 방안에 대한 연구가 이루어지고 있다.
핵심기술 분야에서는 레이더 관측자료를 이용하 여 기초 및 응용분야에 쓰일 수문변수를 정확하 게 추정하고, 이를 바탕으로 소규모 지역을 고해 상도로써 짧은 시간 간격으로 예측할 수 있는 기 술을 개발하고자 한다. 레이더 관측자료 기반의 신뢰성 높은 고해상도 수문변수가 생산되면 이를 입력자료로 이용함으로써 다양한 지역 및 유역 규모에 적용되는 실시간 고해상도 홍수예측모형 을 개발할 것이다. 최종적으로 개발되는 홍수예 측모형은 실무에 적용됨으로써 보다 정확한 재해 예경보에 주로 활용될 전망이다. 마지막으로 응 용기술 분야에서는 기초 및 핵심기술 분야에서 개발된 주요 수문인자 및 재해 예·경보 정보 서 비스를 제공하기 위한 연구가 이루어진다. 최근 그 이용률이 가장 높은 웹 및 모바일 환경에서 적용 가능한 주요 정보 표출 기술과 시스템 연계 기술의 개발이 이루어질 것이다.
5. 결 론
기존의 지상 관측소를 이용한 호우 및 폭설 관 측은 관측소가 산재되어 빈번한 돌발 홍수와 폭 설이 언제, 어느 곳에 발생하는가의 감시가 매우 곤란하여 인명 및 재산 피해가 가중되고 있다.
이들 재해를 예방하기 위하여 홍수 및 폭설의 발 생 지역과 시간을 적확하게 사전 예측하고 이를 경보할 수 있는 기술의 개발이 시급하다. 한국건 설기술연구원에서는 세계적인 추세에 발맞추어 첨단 소형 X밴드 이중편파 레이더를 설치하고 이를 이용한 신뢰성 높은 수문변수의 생산을 목 표로 하는 연구개발사업을 진행하고 있다. 본 연 구를 통해 세계적인 수준의 고해상도·고정확도 혹수 및 폭설 추정·예측 시스템이 구축되며, 이 시스템을 기반으로 유역 특성을 고려한 상세공간 홍수예측 기술, 위성, 레이더 및 지상 수문관측 정보 수집, 분석 및 관리 통합 시스템 등의 개발 이 이루어질 것이다. 도한 본 연구를 통해 수재 해 방지를 위한 정부출연연구기관으로써의 사회
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표 2. 수문레이더 기반 재해관리 연구 사업 수행 내용
연구범위 핵심요소기술 연구내용
레이더 자료 ·기술 검증 및 개발을 위한 자료 구축
생산 및 X 밴드 이중편파 ·생산자료를 이용한 자료 처리 및 운영 고도화 기술 운영기술 개발 수문레이더 운영 ·고품질 격자강우량 생산 기술 개발 및 자료 생산
(기초기술) ·첨단 연구인프라 확보
·첨단기술의 지속적 개발을 위한 전문인력 양성
·레이더 자료를 이용한 고효율 정량적 강수량 추정기술 개발
·레이더 자료합성기술 개발
수문레이더 활용 ·목적별 상세합성 격자강수량 생산기술 개발
호우/폭설 추정 ·레이더 및 수치기상모형자료를 이용한 고정확도 정량적 강수량 예측기술 개발 고정확도 및 예측 시스템 ·레이더와 수치모형자료 합성예측기술 개발
예측기술 개발 ·도시방재를 위한 수문레이더 활용 호우/폭설 예측 시스템 (핵심기술) ·수문, 기상자료 고속처리기술 개발
수문레이더 기반 ·수문레이더 기반 고해상도 홍수해석모형 개발 실시간 고해상도 ·유역 특성별 고해상도 홍수해석기술 개발
홍수예측모형 ·다중공간해상도 홍수해석, 예측 기술 개발
·수문레이더 기반 실시간 홍수해석시스템 개발 및 적용 실시간 수문레이더 활용 ·레이더 자료 표출 기술
활용기술 개발 웹 및 모바일 ·모바일 연계 및 전송 표출 기술 (응용기술) 경보 플랫폼 개발 ·모듈 및 시스템 연계 기술
적 책무를 수행함과 동시에 사전 홍수/폭설 경보 로 재해로 인한 직간접피해를 절감시킬 수 있을 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 한국건설기술연구원 주요사업(수문 레이더 기반 홍수예경보 및 폭설 추정 플랫폼 개 발)의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
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참고문헌
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2. Collier, C.G. (1989). Applications of Weather Radar Systems-A guide to uses of radar data in meteorology and hydrology, Ellis Horwood Limited, England.
3. McLaughlin, D.J., Chandrasekar, V., Droegemeier, K., Frasier, S., Kurose, J., Junyent, F., Philips, B., Cruz-Pol, S., and Colom, J. (2005). Distributed Collaborative Adaptive Sensing (DCAS) for Improved Detection, Understanding, and Prediction of Atmospheric Hazards, 9th Symposium on Integrated Observing and Assimilation Systems for the Atmosphere, American Meteological Society.
4. National Research Council (2005). Flash Flood Forecasting Over Complex Terrain:
With an Assessment of the Sulphur Mountain NEXRAD in Southern California, National Academy Press.
