Issue
1. 1세부과제 소개 1.1 연구책임자 인사말
“새로운 첨단기술 기반의 고분해능 수문정보 생성 및 예측 기술 개발”
최근들어 빈번히 발생하고 있는 국지성 도시홍수 를 정확하게 탐지 및 예측하지 못하여 피해가 속출 하는 사례가 늘어나고 있습니다. 이는 기존의 우량 계망 및 대형 레이더 관측망을 기반으로 한 도시홍 수예측의 한계와 돌발홍수를 조기탐지하고 분석할 수 있는 새로운 첨단기법의 강우 관측망(X-밴드 이 중편파레이더망) 및 이와 현존하는 관측망의 통합 활용 필요성을 시사하고 있습니다. 이처럼 X-밴드
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이 규 원 ●●●
경북대학교 천문대기과학과 교수 [email protected]
민 기 홍 ●●●
경북대학교 천문대기과학과 조교수 퍼듀대학교 지구대기과학과 겸임교수 [email protected]
정 성 화 ●●●
경북대학교 천문대기과학과 박사 [email protected]
유 철 상 ●●●
고려대학교 토목공학과 교수 [email protected]
이 동 률 ●●●
한국건설기술연구원 연구위원 [email protected]
권 병 혁 ●●●
부경대학교 천문대기과학과 교수 [email protected]
김 광 섭 ●●●
경북대학교 토목공학과 교수 [email protected]
X-Net 기반 수문정보 생성 및 예측 기술 개발 연구 소개
이중편파레이더망과 현존하는 관측망(자동기상관측 장비(AWS), Microwave Link, 대형레이더 등)을 통 합한 종합 관측망을 X-Net (eXpanded Network) 이라 명명합니다. 또한 X-Net과 다양한 위성센서 에서 산출되는 강우정보를 통합하여 처리하는 통합 응용시스템의 부재 또한 수재해 관리 효율성 저하 의 주요 요인입니다. 또한 이들 통합 정보를 해석할 수 있는 융·복합 및 빅 데이터 기술을 접목한 수문 정보 생성기술과 홍수예측에 적합한 동적 자료동화 시스템의 구축과 운영이 절실히 필요한 실정입니다.
이러한 요구에 따라 “X-Net 기반 수문정보생성 및 예측기술 개발”을 위한 전문가팀을 구성하여 국토교 통부 물관리연구사업에 참여하게 되었습니다.
1세부 과제는 기후변화와 급변하는 도시환경 변 화에 따른 수재해 양상의 변화에 능동적으로 대 처하기 위한 새로운 첨단기법인 X-Net을 기반으 로 높은 시·공간 분해능의 고품질 수문정보를 생 성하고 이를 예측에 활용하기 위한 첨단 기술개발 에 역점을 두고 있습니다. 1세부과제는 이를 위해 5가지 핵심기술로 “X-Net 실증 테스트베드 운영 기술”, “Microwave Link를 활용한 수문정보 생성 기술”, “X-Net 실증 테스트베드 구축을 통한 수
문정보 생성 및 자료동화 기술”, “앙상블 수문예측 기술”, “X-Net 합성기술 개발”을 선정하고 국제 적 수준의 독자기술 확보를 목표로 5개 국내전문 기관 (한국건설기술연구원, 부경대학교, 경북대학 교, 인하대학교, 고려대학교)과 1개 해외전문기관 (the Polytechnic University of Catalonia: UPC, 스페인)을 연구진으로 구성하였습니다. 1-1세세부 와 1-2세세부에서 추진하는 X-밴드 이중편파레이 더망 테스트베드로 구축 및 Microwave Link 활용 기술 개발을 통하여 국내에 현존하지 않는 신개념의 강우관측기술을 확보할 계획입니다. 1-3세세부는 자연과학 및 공학을 아우르는 다학제간 전문가 그룹 을 구성하여, 학제간 융합과 통섭을 통해 과제의 완 성도를 높이고자 하였습니다. 이를 위해 기상/강우 레이더팀, 수치모델링팀, 수문팀, 공간통계팀의 4 개 그룹으로 구성된 융·복합 연구진을 구성하였습 니다. 이와 같이 1세부에 포함된 국내·외 6개 기관, 약 55여명의 참여연구진은 향후 4년 9개월의 연구 수행기간 동안 상호 긴밀하게 협업하여 독보적인 기 술과 세계적인 연구성과를 도출할 수 있도록 최선을 다해 노력할 것입니다.
<1세부 조직도 및 연구진>
■ (1-1세부) X-Net 실증 테스트베드 운영기술 개발
■ (1-2세부) Microwave Link를 활용한 수문정보 생성기술 개발
■ (1-3세부) X-Net 실증 테스트베드 구축을 통한 수문정보 생성 및 자료동화 기술 개발
■ (국내위탁) 앙상블 수문예측기술 개발
■ (국제공동) X-Net 합성기술 개발
2. 연구내용 2.1 연구목적 및 배경
현재 수재해 예방을 위해 활용하고 있는 강우의 시공간 정보는 크게 지상우량계와 강우레이더 관측 망 추정강우에 의존하고 있다. 지상우량계는 공간 분포가 일정하지 않고, 지점 관측의 한계가 있고 근 본적인 유지보수의 비효율성이 항상 문제로 대두되 어 왔다. 한편, 기존의 대형 강우레이더는 넓은 영역 에 대해 균일한 수평해상도(~1km)의 강우분포자료 를 제공하지만, 한반도 복잡지형의 영향을 최소화하 기 위해 설치위치(대부분 1km 이상의 산 정상)가 높 아 하층강우의 탐지/변동성 관측에 취약하며 실제 지상강우와의 오차를 내포하고 있다. X-Net 실증 테스트베드, Microwave Link, 선박용 소형 레이더 를 이용하여 지상에서 수 미터 ~ 수백 미터 이내의 관측 사각지대(산악, 도심 지역 포함)에 대한 혁신 적인 지상강우 추정방법을 제시함으로써 이같은 한 계를 극복하고자 한다. 이에 실증테스트베드 구축, Microwave Link 및 선박용레이더 활용, 고분해능 통합 강우생성, 기상 및 수문모델과의 연계 등 고분 해능자료의 종합적인 기상/수문학적인 활용을 통하 여 도시 수재해 및 돌발홍수 등에 효과적으로 대응 할 수 있는 기술을 개발 및 확보하고자 한다.
2.2 연구 내용
1세부과제에서는 X-Net 테스트베드 구축 및 관
측을 통해 기존의 대형 강우레이더망이 제공하지 못 하는 시공간 분해능이 높은 수문인자를 산출하고, 국가규모 국토관측센서로 산출할 수 있는 다양한 강 우자료와 X-Net 강우자료를 통합하여 융합 강우량 을 추정하고 오차 모형을 설계하고자 한다. 또한, 현 재 기술 대비 시공간 해상도가 3~5배 향상된 고분 해능 X-Net 자료를 모델에 직접 입력할 수 있는 전 처리기술 및 자료동화기법을 개발하여 예측기술을 향상시키고 이를 국산화하여, 이를 통한 수치 모델 의 초기장 및 역학장을 개선하고자 한다. 다른 한편 으로는 수재해 예측 기술을 개선하기 위해서는 강우 레이더, 지상관측망 등 통합 관측망 자료를 활용한 동적 자료동화 시스템 구축이 필수이다. 통계기반 및 물리기반 모형 정보의 통합 블랜딩 기술을 홍수 예측에 활용함으로써 기존의 홍수 예측 정보를 개선 하고자 한다.
1세부과제의 최종 연구목표인 “고품질 고분해능 수문정보 생성 및 예측 기술 개발”을 위한 각 세부과 제별 연구목표를 요약하면 다음과 같으며 연구체계 와 연차별 로드맵은 각각 그림 1, 2와 같다.
연차별 로드맵에 따라 세부연구에서 단위과제 별로 살펴보면, 1-1세세부 과제에서는(연구책임 자: 한국건설기술연구원 이동률 박사) “X-Net 실 증 테스트베드 운영기술”을 개발하고자 X-Net 실 증 테스트베드 운영을 통해 독자적인 운영기술 확 보를 통해 이중편파레이더 운영지침을 수립하며, X-Net 이중편파레이더의 품질관리기술을 개발할 예정이다. 이와 관련된 기술은 현재 미국, 일본 등 몇몇 레이더 운영 선진국에서만 보유하고 있으며,
<1세부 최종 연구목표>
최근 유럽 등에서 관련 기술 확보에 노력을 기울이 고 있는 첨단기술이다. 특히 1-1세부에서 산출된 고품질의 X-Net자료가 1세부를 포함한 타세부의 가장 기초자료로 제공되므로 1-1세부의 역할이 매 우 중요하다.
1-2 세세부 과제는(연구책임자: 부경대학교 권병 혁 교수) 세계 최고의 인프라를 갖추고 있는 우리나 라 Microwave link(ML)관측망과 소형 선박용레이 더를 개조하여 시·공간 고해상도의 국지 강우정보 생성기술을 개발할 예정이다. ML 관측망의 신호감 쇠 특성을 활용하면 높은 시간분해능(1분이내)으로 지상 수십미터 이내의 지표 부근의 수문정보를 제공 할 수 있다. ML은 특히 도심내 관측사각 지역 및 도 심저층의 정량적 수문정보를 제공할 수 있는 장점 을 가지므로 도심 수재해 예방을 위한 첨단 기술이 다. 이와 함께 선박용으로 개발된 저전력 이동형 소 형 레이더를 개조하여 테스트베드 영역에서 운영하 여 저층의 관측사각지대 강수 신호 탐지 및 반사도 산출 기술 개발하고 시공간 고해상도의 국지 강우정 보 생성 기술 개발할 예정이다.
1-3세세부는(연구책임자: 경북대학교 이규원 교
수) 수도권에 2~3대의 X-band 이중편파레이더로 구성된 X-Net 실증 테스트베드를 국내 최초로 구 축하고, 고품질 이중편파레이더 자료를 기반으로 X-Net 기반 고해상도 수문정보 생성기술을 개발할 예정이다. 특히 공간통계팀과의 연계를 통해 멀티 센서(X-Net, 대형레이더, AWS)로부터 추정된 개 별 강우의 오차구조를 규명하고 오차가 최소화된 최 적의 융합강우를 생성할 것이다. 또한 국내 최초로 X-Net기반 실시간 수문정보 자료를 활용한 스톰규 모의 초단기 구름분해능 예측모델개발을 통해 고분 해능의 수문정보 예측기술을 획득할 계획이다. 특히 고분해능 X-Net 자료의 활용을 위해 고분해능 모 델초기장 및 분석장 산출을 위한 기술을 개발할 예 정이다. 이렇게 산출된 고분해능 강우 생성 및 예측 정보의 수문학적 자료동화기술 개발을 통해 X-Net 기반 자료동화 모형의 수재해 예측 활용성을 분석하 고 물리 및 비물리기반 모형의 Super Ensemble 기 술을 개발할 계획에 있다.
1-4세세부 과제(연구책임자: 고려대학교 유철상 교수)는 비물리 기반 통계적 수문예측모형을 개발, 예측강우의 목적지향 가중기법 및 통계적 가중기법 그림 1. 1세부과제의 수행 체계
개발, 수문예측 앙상블 멤버 생성기술을 개발을 목 표로 하고 있다. 이를 위해 Hidden Markov Chain, WGR, Short-Noise Process, 비선형 Clark 비선 형 단위도 등을 기반으로 한 홍수유출 예측모형들을 개발할 예정이다. 그리고 강우과정의 간헐성과 강우 자료의 비정규성을 고려한 강우장 모의방법 개발할 계획이다. 예측강우의 목적지향 가중기법 개발 및 통계적 가중기법과의 비교, 평가를 수행할 계획에 있다.
국제공동연구(연구책임자: Dr. Marc Berenguer,
UPC)은 inverse 기법을 이용하여 비균질 레이더망 (S, C, X 밴드 관측망)에서 레이더간의 상이한 오 차구조와 감쇠를 최소화한 3차원 반사도 합성기법 을 개발하고자 한다. 해당 기법은 레이더 기상학 분 야에서 현재까지 개발된 3차원 합성 반사도 작성기 법 중 가장 우수한 기법으로 평가되고 있다. 본 과제 를 통해 해당 기법에 대한 원천기술을 확보하고, 현 재까지 개발된 기법의 현업적용의 한계를 본 과업을 통해 세계 최고수준의 기술을 확보하고자 한다.
그림 2. 1세부과제 연차별 로드맵
3. 결론
1세부과제를 통해 최종적으로 얻고자 하는 결과는 다음과 같다.
• 서울지역(예상 실증테스트베드)에 고해상도 X밴
드 이중편파레이더 테스트베드 관측망(X-Net) 구축 및 현업운영.
• 설계 강우량을 초과하는 강우사상 및 대규모 홍수 에 대비하기 위해 X-Net 기반의 관측체계 선진 화와 개선된 관측자료를 활용한 기상-수문-수리
과정을 통합, 예측할 수 있는 기술개발
• X-Net에서 획득된 높은 해상도의 수문정보를 기 상강우예측모델 및 수재해 모델과의 연계를 통하 여 신개념의 수재해 대응기술 확보.
• X-Net, 강우/기상레이더, 지상관측망 등 통합 관 측망 자료를 활용한 동적 자료동화 시스템 구축.
• X-Net 연계 Super Ensemble 홍수예측기술 개 발.
1세부과제가 성공적으로 완수되면 X-Net을 활용 한 홍수예측 및 시스템 운용에 관한 세계 수준의 기 술력을 자체 확보할 수 있게 된다. X-Net을 기반 으로 한 고분해능 강우정보 및 예측기술을 확보하 며, 이와 더불어 홍수예측 개선이 이루어져 재해경 감 및 예방에 기여할 것이다. 민·관·학 연계의 선 진 재해 및 재난 방재시스템을 구축하여 방재산업을 육성하고, 도시 수방능력이 향상됨에 따라 경제 산 업적 도시역량 강화를 꾀할 것이다. 특히 X-Net은 기존의 레이더 관측망이 제공하지 못하는 저고도 대 기경계층(~1.5 km 이하) 자료와 다양한 변수(대기 수상체 유형, 입자크기분포, 연직속도 등)의 고분해 능 자료를 제공함으로써 모델 입력 자료(초기장)의 개선효과를 기대할 수 있다. 나아가, X-Net, 강우/
기상레이더, 지상관측망 등 통합 관측망 자료를 활 용하여 수문학적 동적자료동화 시스템을 구축하고, X-Net과 연계한 Super Ensemble 홍수예측기술을 개발할 예정이다. 신속·정확한 홍수예측이 예상되 는 바, 매년 최소 수십억 원 이상의 직, 간접적 피해 예방과 관련 산업의 수요 창출이 증진될 것이다.
국내 최초로 시도되는 Microwave Link와 선박용 소형 레이더를 이용한 저층강우추정를 추정하여 세 계 최고 수준의 우리나라 무선통신 인프라를 통한 새 로운 기술적 연구적 가치를 창출할 수 있다. 한편, 기 존의 인프라(Microwave line, 선박용 소형 레이더) 를 적극 활용함으로써 비용절감 효과를 기대할 수 있 다. 또한 전자통신산업과 선박해양산업 측면에서는 기존 산업 인프라의 활용성을 증대시킬 수 있다.
1세부에서 개발될 X-Net기반 기술은 지방자치단
체 예산규모에서 독자적인 재해예측시스템의 구축 을 가능하게 한다. 도심 수재해에 있어 지상우량계 및 강우레이더 관측망의 사각지대를 보완하고, 도 시홍수 예보를 위한 고분해능 저층 수문정보 산정기 술 개발에 활용할 수 있다. 또한, 지상 수문정보 예 측 뿐만 아니라 구름 내 입자에 대한 분포, 평균 구 름입자 크기, 수농도, 역학 정보 등의 활용이 가능하 다. 이와 함께 X-Net 기반 앙상블 수문예측 기술은 돌발홍수 예·경보의 기본 모형으로의 활용뿐만 아 니라, 산지, 평지 및 도시유역을 대상으로 한 확률기 반 수문예측 앙상블 멤버 생성기술 개발 및 지역 특 성을 고려한 홍수예경보 시스템 구축에도 기여할 수 있을 것이다.
4. 맺음말
1세부는 국내 최초로 구축되는 최첨단 X-Net을 기반으로 도시 수재해 대응기술을 개발해야하는 선 구자적 역할을 직면하고 있으며, 이를 통해 수재해 로부터 2000만 서울 및 수도권(예상 실증테스트베 드) 시민의 안전을 확보해야만 하는 막중한 책임을 지니고 있다. 1세부의 연구진들은 이러한 책임을 가 슴깊이 새기고 과업의 성공적인 완수를 위해서 향후 4년 9개월이라는 연구기간 동안 여러 관련기관 및 관계자들의 고언과 충고를 열린 자세로 경청해야만 할 것이다. 이와 함께 1세부 참여연구원들은 서로 긴밀하게 협업하여 계획한 성과를 모두 이루어 내도 록 최선의 노력을 다할 것이다. 이를 위하여 국내외 기상, 수문, 하천관련 전문가들의 지속적인 관심과 아낌없는 조언을 바라는 바이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(14AWMP-B079364-01)에 의해 수행되었습 니다
