지면 모형의 소개

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1. 서론

수자원 분야의 관리 및 영향평가, 재해 방재대 책 수립 등을 위하여 지면모형활용의 필요성이 강 조되고 있다. 특히 기후변화의 영향이 수자원 분 야에서 더욱 도드라지게 나타나며 이에 대한 관리 및 예측의 수요 또한 높아지고 있다. 더욱이 가뭄, 홍수, 산사태 등의 재해는 국민들의 생활과 매우 밀접하게 연결되어 있어 수자원 관리에서 지면 모 형을 어떻게 효율적으로 활용할 것인지에 대한 연 구는 필수적이다. 이미 해외 유수의 정부 및 연구 기관에서는 지면 모형을 가뭄, 홍수 등의 예보에 활용하고 있으며, 관련 정보를 국민들에게 공개하 여 실생활에서도 적용이 가능하도록 제공하고 있

다. 그러나 국내의 경우에는 아직까지 국가 기관 에서 지면모형의 결과를 적용하여 국민들에게 적 극적으로 공개한 사례가 없기 때문에 지면 모형의 활용방안에 대한 전반적인 검토가 필요하다. 또한 온실가스의 영향으로 발생하는 기후변화에 대한 영향이 한반도에서의 가뭄, 폭염, 폭우, 폭설 등 의 극한 재해의 발생 빈도가 높아지게 함으로써, 지면 모형과 미래 시나리오를 이용하여 국내 정책 및 기상 변화 대비에 적극적으로 활용하는 것이 필요하다.

지면 모형은 물수지 및 에너지수지 지배방정식 을 기반으로 사용자 정의 변수 및 기상인자로 구 성된 입력자료를 활용하여 수문기상 인자들에 대 해 현실적이고 신뢰할 수 있는 모의 결과를 산출 하는 것을 목적으로 한다. 수자원 분야에서는 지 면 모형을 통하여 전지구 혹은 지역 규모에서의 수문기상인자 모의를 실시하고 검증된 인자들을 수문순환 예측 및 분석에 적용함으로써 큰 틀에서 의 수문 정책 결정 등에 활용한다. 또한 모형의 결 과를 활용하여 수문순환을 해석함으로써 전지구 수자원 가용량의 시공간 변화 등을 체계적으로 해 석할 수 있다(국토교통과학기술진흥원, 2012). 이 는 지역규모에 비하여 상대적으로 낮은 해상도의 기후인자들을 활용하여 모의를 수행하며, 전 지구 규모의 특성을 반영하고자 하기 때문에 기후인자 들에 대한 일반적인 이해를 통해서만 수행이 가능

지면 모형의 소개

최 민 하

성균관대학교 수자원전문대학원 부교수

[email protected] 김 다 은

성균관대학교 수자원전문대학원 박사후연구원

[email protected]

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하다. 그러나 지역적 규모의 모의 수행에서는 그 지역 특성을 반영하기 위하여 특수성이 고려된 고 해상도의 정확도 높은 기후 자료를 획득하는 것이 매우 중요하다. 다시 말해 지표면과 대기 사이의 물과 에너지 순환을 평가하고 이해하기 위해서는 지역적 특성이 고려된 정확도 높은 물리적 관측 자료가 필수적이며, 이를 통해 모형의 신뢰할 수 있는 결과를 획득하는 것이 필수적이다(Kustas 등, 1996; Moulin 등, 1998).

따라서 지면 모형을 국내에 적용하기 위해 기후 인자 및 수문기상인자들의 특성을 이해하고 적용 가능한 능력이 선행되어야하며, 이를 종합적으로 고려하여 결과를 해석할 수 있어야 통합된 분석 및 적확한 정책 제시가 가능하다. 이를 위해 본 기 고문에서는 지면 모형에 대한 간략한 소개 및 지 면 모형에 활용되는 입력 자료에 대하여 소개하고 자 한다. 이를 위해 지면 모형의 개요 및 지면 모 형에 가장 많이 활용되는 입력자료 특성 및 지면 모형의 활용 현황들을 아래에 기술하였다.

2. 지면 모형(Land Surface Model; LSM)

지면 모형이란 지표면과 대기 사이의 상호작용 을 모의하기 위해 개발된 것으로 모멘텀, 에너지, 수증기, 이산화탄소 등의 다양한 인자들의 교환에 대하여 해석한다. 이를 통해 수문기상인자들에 대 한 시공간적 변동성 분석이 가능하며 다양한 규모 에서의 수문해석에 활용된다. 지면 모형은 크게 물수지 및 에너지 수지 방정식을 기반으로 하고 있으며, 각각의 방법은 독립적으로 모의를 수행한 다. 또한 지면 모형은 식생의 영향, 태양복사, 눈, 토양의 영향, 탄소 및 인간 활동에 대한 영향들을 포함하여 모의를 수행한다. 그림 1은 지면 모형의 기본 개념을 나타낸 것으로 식생층, 토양층으로 구성되어 있고 크게 물수지와 에너지수지로 구분 된 것을 확인할 수 있다.

현재의 지면모형은 독자적으로 활용되거나 다 양한 모형들과 결합하여 전지구 모형의 일부로서 활용되고 있다. 그림 1은 IPCC가 소개하고 예측

그림 1. Land Surface Model(LSM)의 기본 개념(https://ral.ucar.edu/)

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한 기후모형의 발전 과정이다. 가장 처음으로 1970 년대에 대기모형이 개발되었으며, 대기모형 중 지 표의 경계조건 모의를 위해서 양동이모형(Bucket model)을 활용하는데 이 모형이 지면모형의 시초 라고 할 수 있다. 양동이모형은 지표를 양동이라고 가정하여 물을 부었을 때 양동이가 차는 것은 강수 시 토양수분이 증가하는 현상을 의미하며, 양동이 가 물로 가득 차서 넘치는 것은 토양수분이 포화되 어 지표로 흐르는 유출(runoff)을 의미한다. 이렇 게 단순한 모형을 시초로 하여 지면모형이 개발되 었으며, 1980년대 중반부터는 식물의 영향을 고려 한 현재와 비슷한 개념의 독자적인 지면모형이 개 발되어 활용되고 있다. 1990년대 이후에는 해양모 형, 탄소순환모형들이 순차적으로 결합되며 현재 의 전지구순환모형, 기후모형으로 발전되어 왔다.

앞서 설명한 바와 같이 지면모형은 대기모형의 정확도 확보를 위하여 개발되었는데 특히 기후대

가 변화하는 지역에서는 정확도 높은 지표경계조 건을 모의하는 것이 대기모형의 정확도에 매우 큰 영향을 미친다. 그러나 지면 모형은 단독으로도 매우 활용도가 높으며, 특히 미국의 가뭄 예측에 대표적으로 활용되고 있다.

지면 모형을 활용하여 수문기상인자 모의를 수 행하기 위해서는 앞서 언급한 바와 같이 먼저 정 확도 높은 강제입력자료 및 신뢰할 수 있는 매개 변수 확보가 필수적이다. 따라서 보편적으로 가 장 많이 활용되는 자료로는 지상관측(In-situ) 자료, 위성관측자료, 자료동화기법을 통해 다양 한 관측자료가 융합된 자료 등이 있다. 특히 최근 에는 광범위한 지역에 대한 모의를 수행하기 위 하여 NASA Gorddard Space Flight Center의 Hydrological Sciences Laboraory에서 개발된 Land Information System(LIS)의 자료를 다양한 분야에 활용하고 있다.

그림 2. 기후 모형의 과거, 현재, 미래 발전 과정(IPCC TAR, 2001)

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3. 모형의 강제입력자료

지면모형을 구동하기 위해서는 강제입력자료가 필요하다. 태양복사에너지, 강수량, 대기온도, 바 람세기, 대기압, 습도 등의 기상인자들을 강제입 력자료로 활용하며 이외에도 모의 결과의 정확도 를 높이기 위한 위치정보, 토양성분, 강제자료 측 정높이, 토지피복 등의 지표의 초기 상태 값을 입 력자료로 사용한다. 아래는 지면모형 구동을 위해 활용가능한 대표적인 자료들이다.

3.1 지상관측자료

지점규모의 연구에서 지면모형의 강제입력자료 로 가장 활용도가 높은 것이 지상관측자료이다.

특히 전구타워 플럭스 관측망인 FLUXNET에서는 지표와 대기 사이의 연직플럭스 교환을 측정 및 정량화하고, 그 과정에서 발생하는 난류 변수들을 산정하는 방법인 에디공분산(Eddy Covariance) 기법을 기반으로 지표와 대기 사이에서 교환되는 에너지 및 수문기상학적 변수들(수증기, 이산화탄

소, 메탄, 에어로솔 등)을 정량화하여 제공하고 있 다(Hong et al. 2009). 그림 3은 FLUXNET에는 대륙별로 다양한 육상생태계를 대표하는 플럭스 네트워크가 활성화되어 있으며(i.e. AmeriFlux, CabonEurope, AsiaFlux) 현재 500개 이상의 플 럭스 타워를 통해 관측된 자료를 제공하고 있다 (권효정 등, 2007). Choi et al. (2010), Kim et al. (2016) 등은 국내 플럭스 타워의 자료를 지면 모형의 강제입력자료로 활용하여 수문기상인자를 모의하였다.

지상관측 자료는 플럭스 타워를 통하여 직접 관 측을 수행한다는 장점이 있으나, 공간적인 제약이 있는 것이 단점이다. 특히 광역에 대한 관측을 수 행하기 위해서는 촘촘한 관측망이 필요하나 경제 적인 제약으로 인하여 그러한 관측망을 구축하는 것이 현실적으로 불가능하다.

3.2 위성데이터

공간에 대해 제약이 있는 실측자료와는 달리 공 간 제약성이 낮은 인공위성 원격탐사 기술을 활용

그림 3. 에디공분산 기법을 활용하여 플럭스 교환을 관측하는 플럭스 타워 개략도(http://www2.ffpri.affrc.go.jp/)

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하여 광범위한 지역에 대해 관측을 수행하고 있 다. 다양한 국가에서 단독 혹은 연합으로 우주 개 발을 추진하기 위하여 운영하는 NASA, JAXA, ESA 등의 기구에서는 인공위성을 개발하고 발사 하여 운용하고 있다. 인공위성은 관측된 정보를 기반으로 각각의 알고리즘을 활용하여 관측된 인 자들에 대해 산정하며, 이를 검증하여 배포한다.

각 기관에서 관측/제공하는 기후인자들을 지면 모 형의 강제입력자료로 활용가능하며, 관측된 식생 정보, 토양정보 등을 초기입력 값으로 이용할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 공간제약이 적은 것 이 장점으로 꼽히나 상대적으로 해상도가 낮거나 고해상도 자료의 경우에는 고비용이 드는 것이 단 점이다.

3.3 Land Information System

LIS는 위성자료, 지상관측자료를 통합하여 고 성능의 지면모형에 강제하여 최적화된 지표면 상 태와 플럭스를 생산하기 위해 개발된 소프트웨

어 프레임워크로 전 지구에 대한 정보를 산출하여 배포하고 있다. LIS는 Noah, Noah-MP, CLM, VIC, CABLE 등의 대표적인 지면모형을 활용하 며 LIS과 연계된 대표적인 시스템으로는 Global Land Data Assimilation System(GLDAS), North(NLDAS), NCA-LDAS, Fews net Land Data Assimliation System 등이 있다. 지표자 료동화 기법은 위성 및 지상 관측자료를 통합하 여 고해상도의 지표 변수를 산출하는 것으로 이 는 불확실성이 높은 지표면에 대한 추정 대신 통 합된 자료를 성능이 검증된 지면 모형에 강제시 켜 지표 변수를 산출한다(임윤진 등., 2010). 여기 서 대기모형과 분리된 독립적인 지면모형을 활용 하며 이 중 지면모형의 산출결과 이전의 기상인자 들은 지면모형의 강제입력자료로 활용하거나 지면 모형의 산출결과는 레퍼런스 데이터로 활용하여 모형의 검증자료로 사용된다 (Kim et al., 2016;

Khan et al., 2018). 특히 LIS에서 제공하는 자 료는 수자원 응용 프로그램, 수치기상연구 등에

그림 4. Land Informaton System(LIS) modes of operation(https://lis.gsfc.nasa.gov/)

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적용가능하다(https://ldas.gsfc.nasa.gov/). 그 림 4는 LIS의 운용 절차를 나타내고 있다. LIS에 서는 다양한 방법으로 획득된 관측 자료를 최적 화 및 불확실성 추정을 통해 매개변수를 산출하고 Ensemble Kalman Filter(EnKF) 및 Ensemble Kalman Smmother(EnKS) 등의 자료동화 방법 을 이용하여 지면 상태를 나타내는 인자를 결정한 다. 그리고 기상인자들은 지면모형의 강제입력자 료로 활용하여 물과 에너지 플럭스 등을 산정한 다. 자료동화 데이터는 지상관측자료와 위성자료 의 단점을 개선하였으나 현재에도 해상도를 개선 하기 위한 연구가 계속 진행 중이다.

4. 지면모형의 활용 현황

지면모형은 독립적으로 활용되어 증발산, 토 양수분, 유출 등의 수자원 분야의 주요 인자들 을 산출하여 수자원관리에 적극 활용되어 오고 있다. 이와 함께 에너지 플럭스들을 가뭄 및 수 재해 관련 예측 및 분석에 활용하고 있다. 또 한 지면모형은 확장성이 뛰어나 앞서 설명한 바 와 같이 Weather Research and Forecasting model(WRF), Unifed Model(UM) 등의 기상수치 모형을 포함한 다양한 모형과 결합하여 구동할 수 있다(김광섭 등., 2016).

미국 기상청 기후예보센터에서는 4가지의 지면 모형을 활용하여 미국전역의 수문순환을 해석하 고 유출인자를 가뭄예보에 활용하고 있다(국토교 통과학기술진흥원, 2012). 특히 미국의 Climate Prediction Center(CPC)에서는 지면모형의 산 출물을 가뭄정보 생산에 사용하고 있으며, Snow Pack Telemetry(SNOTEL)에서는 수문모형을 활 용하여 유출량을 산정하고 이를 가뭄지수의 입 력자료로 활용한다. 또한 National Centers for Environmental Prediction(NCEP) 등에서는 기 후예측, 환경 모델링, 허리케인 예측 등을 수행하

고 있으며 특히 예측 분석에 지면 모형을 적극 활 용하고 있다.

국내에서는 수자원 관리를 위한 유출 분석 시 수 문 모형을 활용하고 있지만 현재까지는 본 기고문 에서 소개하고 있는 지면 모형의 활용이 상대적으 로 미흡하다. 따라서 지면 모형을 통해 산출된 수 문기상 인자를 활용할 수 있는 방안에 대한 논의가 필요하다. 또한 해외의 지면 모형 활용 방안을 참 고하여 수자원 분야의 예보 및 정책 개선에 반영함 으로써 한반도의 지역적 특성을 고려한 수자원 관 리에 유용하게 활용될 수 있다고 판단된다.

5. 맺음말

지면모형은 지표와 대기 사이의 물/에너지 교환 을 모의하기 위하여 개발된 것으로 수자원 분야의 관리 및 미래예측 등의 다양한 목적을 달성하기 위하여 독립적으로 혹은 타 모형과 연계하여 활용 가능하다. 특히 모형을 통하여 수문기상인자의 모 의를 수행하기 위해서는 활용 목적에 맞는 적절한 강제입력자료 및 매개변수를 선택하는 것이 매우 중요하다. 가장 많이 쓰이는 자료로는 지상관측 자료, 위성 자료, 자료동화 기법을 활용하여 생산 된 자료 등이 있으며, 현재에도 자료의 질을 개선 하기 위한 연구가 진행되고 있다. 국외에서는 지 면 모형을 활용하여 수자원 분야의 재해 예보 및 정책 결정에 활용하고 있으나 국내에서의 지면 모 형의 활용은 아직 미흡한 실정이다. 국제적인 추 세에 발맞춰 지면 모형을 다양한 분야에서 활용함 으로써 타 방법과의 연계를 통해 수자원 관리 및 재해 예보/예측의 정확성을 개선하고 한계점을 보 완하고자 하는 보다 실질적인 연구가 필요할 것으 로 판단된다. 이를 통해 기존의 예보 정확성을 개 선하고 재해대책수립에도 적극 활용될 수 있을 것 이며 이를 통해 기존 수자원관리 및 예측의 단점 또한 극복할 수 있을 것으로 사료된다.

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국토교통과학기술진흥원 (2012). 기후변화 시나리오에 따른 수자원 적응전략 수립 연 구 기획.

김광섭, 임윤진, 조현곤 (2016). 가뭄예보를 위한 지면모형의 활용성 분석, 한국수자원 학회지, 한국수자원학회, Vol. 49, No. 9, pp. 63-69.

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http://www2.ffpri.affrc.go.jp/

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Kustas, W.P., Humes, K.S., Norman, J.M., and Moran, M.S. (1996). Single- and dual-source modeling of surface energy fluxes with radiometric surface temperature, Journal of Applied Meteorology , Vol. 35, No. 1, pp. 110-121.

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참고문헌