흔히 자연재해는 인간의 탐욕에 의한 자연이 주 는 경고라고 할 수 있다. 그 경고 앞에 인간은 한 없이 작은 존재일 수 밖에 없다. 최근 도시화가 증 가하면서 지구의 평균 기온이 0.85℃ 상승하는 등 전 지구 평균기온 증가 추세가 지속되고 있다. 이 와 같은 기후변화에 따른 이상기후 현상 또한 발 생빈도, 강도, 공간분포, 지속기간에 있어 그 크기 와 정도가 점차 증가되고 있다 (이상기후보고서, 기상청 2013). 1970년대를 기점으로 전 세계적으 로 자연재해 발생 건 수가 증가하고 있는 추세를 보이고 있는 가운데, (이상기후와 자연재해(2015) 中, 김병욱) 기후 변화에 의해 발생하는 자연재해
중 수문기상학적인 홍수, 태풍이 상당한 비중을 차지하고 있다(ISDR, Disaster Risk Reduction :2007 Global Review). 태풍은 매해 여름철 강 한 바람과 폭풍우를 동반하며 인간의 삶에 직접적 또는 간접적 영향을 미치고 있다. 더군다나 연안 지역의 도시화 및 인구집중이 심화되고 있는 점은 그 영향력의 심각성을 더하고 있다. 2013년 필리 핀을 강타한 태풍 HAIYAN은 최대풍속 379km/
h(미국 합동태풍경보센터 (http://www.usno.navy.
mil/JTWC) 기준)를 기록하며 약 12,000명의 사 상자와 약 15조원의 경제 손실을 발생시킨 최악의 재난으로 기록된다(그림 1). 우리나라 역시 태풍에 의한 피해가 꾸준히 발생하였다. 국민안전처 2016 년 재해연보에 따르면 최근 20년간 한반도에서 발 생한 자연재해 중 태풍 루사, 매미가 상당한 피해 규모를 기록하며 큰 비중을 차지했다. 이러한 태 풍은 지난 100년간 1936년 이름없는 태풍 3693 호, 1959년 태풍 사라(SARAH), 1972년 태풍 베 티(BETTY), 2002년 태풍 루사(RUSA), 2012년 볼라벤(BOLAVEN)등 끊임없이 한반도를 강타했 다. 이 중 1936년 태풍 3693호는 무려 1,232명의 사상자를 기록하였고, 2002년 태풍 루사는 5조 1,479억원의 재산피해를 발생시키며 상당한 경계 적 손실을 야기시켰다. 이처럼 인간이 제어할 수 없는 자연재해 앞에서 우리는 이상기후 현상을 일 으키는 요인을 줄이려는 노력과 함께 자연현상에 이 칠 우 ●●●
고려대학교 건축사회환경공학부 석사과정
[email protected] 손 상 영 ●●●
고려대학교 건축사회환경공학부 조교수
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대한 이해와 해석 및 예측 기법 개발에 노력을 기 울여 피해를 최소화 하여야 한다.
국내외의 많은 학자들은 태풍의 심각성과 중요 성을 인지하여 피해를 줄이고자 하는 연구를 진 행되어 왔다. 태풍과 같이 거대 영역에서 발생하 는 자연현상은 다양한 근사조건에 근거한 수치 모델을 사용한다. 국내 연구사례로는, 서승원 등 (2012)은 태풍 바람장의 대칭, 비대칭형을 비교하 여 ADCIRC모형을 통한 서해 항만권역 해일고를 산정하였고(그림 2), 강주환 등(2012)은 MIKE21 모형을 이용하여 태풍 매미의 특성변화에 따른 경 남해역의 해일 전파양상 고려하였다. 또한 박선 중 등(2009)는 상용 해수유동 모형 MIKE21 모형 의 범람모의를 평가하기 위해 월류량 산정기법을 적용한 해일 범람모형과 함께 마산만의 태풍 매미 내습시 범람을 모의하였다(그림 3). 그리고 국외의 연구사례를 소개하면, Dietrich 등(2011)은 SWAN
과 ADCIRC 결합 모형을 사용하여 파랑과 폭풍해 일의 통합 모델링을 수행하였다. 이처럼 현재 국 내외적으로 다양한 수치모형을 활용하여 폭풍해일 모의에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서 는 최근 국제적으로 다양한 분야의 연구에 적용되 어, 우수성과 범용성을 인정받았지만 아직 한반도 에 대한 폭풍해일 연구사례가 부족한 Delft3D를 사용하고자 한다. 사용하고자 하는 Delft3D의 최 신버전은 네덜란드 Deltares사에서 개발되어 2011 년 공개된 모형으로, 폭풍해일 이외 지진 해일, 해 안 침식, 오염물 확산, 부유물 이송 등 다양한 분 야에 적용할 수 있어 국제적으로 범용성을 인정받 았다. Delft3D에서는 수치해를 구하기 위한 수치 기법으로 유한차분법(Finite Different Method) 을 사용하고 있으며, 수심방향의 변화는 좌표계 에 기반하여 표현하고 있다. 또한 모형 내에는 다 양한 물리적 효과를 고려할 수 있는 장치가 추가 되어 있다. 예를 들면 와동 점성에 근거한 수직 난 류 점성과 확산성을 고려한 난류모델이 포함되어 있으며, 조간대 조건을 추가할 수 있는 기능도 내 재되어 있다.
그림 1. 2013년 슈퍼태풍 Haiyan 내습시 발생한 3m 파랑에 의해 폐허가 된 선박(Source: AP)
그림 3. 태풍 매미에 의한 마산만의 최대 침수 영역, (왼편)MIKE 21 (가운데)IND-model (오른편)마산 침수지도, (박선중 등(2009))
그림 2. 대칭 및 비대칭 바람장 적용에 따른 서해연안의 해수면 변화(서승원 등(2012))
이처럼 다양한 장점을 지닌 Delft3D를 이용한 연구가 국제적으로 활발히 진행되고 있으며 본 기
사에서는 폭풍해일을 중심으로 그 일부를 소개하 고자 한다. Suarez 등(2014)은 Delft3D를 이용
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하여 2013년 필리핀을 강타한 태풍 Haiyan의 해 안 범람을 모의하였고, Vatvani 등(2012)은 멕 시코만에서 폭풍해일과 파랑을 Delft3D를 이용 하여 동시 모의하였다(그림 4). 또한 Cuadra 등 (2014)은 Delft3D에 태풍 Haiyan을 적용하여 세 부에서의 침수지도를 작성하였다. 한편, 폭풍해 일 뿐만 아니라 지진해일에 관한 연구도 소개하면, Gelfenbaum 등(2011)은 2009년 남태평양에서 발생한 지진을 대상으로 Delft3D를 이용하여 미 국 사모아에서의 범람 및 부유물 이송에 대해 모 의하였다. 이처럼 Delft3D는 다양한 분야에서 사 용되고 있는 모형이지만 국내 폭풍해일 적용에 대
한 연구는 진행되고 있지 않다. 따라서 국제적 범 용성과 모형의 정확성 및 효율성을 인정받고 있는 Delft3D모형을 복잡다단한 해안지형과 불규칙한 수심으로 이루어진 한반도의 태풍모의에 적용 및 검증함으로써, 향후 우리나라 태풍재해예측 및 방 재대책 수립시 적극적으로 활용할 수 있다.
폭풍해일 모의에 활용하고자 하는 Delft3D내 해 수유동모듈인 FLOW의 기본방정식은 비압축성 유 체의 연속방정식 (식 1)과 난류흐름의 운동 방정식 중 수평방향 유속에 관한 수심적분방정식(식2-3) 으로 구성된다.
그림 4. 허리케인 Katrina의 바람장과 유의파고 (Vatvani 등 (2012))
(1)
(2) 여기서, 는 시간, 는 구면 좌표계의 수
평축, 는 기본수준면위의 수심(m),
는 각 방향 격자의 수심들을 선형 곡선으로 바꾸 는 계수, 는 기본수준면하의 수심(m), 는
방향의 평균속도 , 는 정수압과 발
산량 , 은 각각 단위부피
당 국부적인 생성량, 소멸량 이다.
그림 5. 태풍 매미 경로 (기상청)
(4)
여기서, 은 태풍 중심으로부터 거리 , 는 Coriolis 계수, 은 공기의 밀도 , 은 중심기압과 대기압력 이다.
Delft3D를 이용한 한반도 폭풍해일 모의를 위
해 2003년 태풍 매미(MAEMI)를 적용하였다(<
그림 5>). 태풍경로를 포함하기 위한 광역 격자 는 한국과 일본을 포함하는 영역으로 구성하였고, 관심영역인 여수와 마산을 포함하는 상세격자 도 출을 위해 총 4개의 다중격자로 구성되는 격자시 스템을 적용하였다. 이로써 태풍 영향권에 해당 하는 전 해역 계산시 정확도 및 계산 효율성을 향 상시킬 수 있었다(그림 6). 격자크기는 제 1영역
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에서 33.3km이고, 순차적으로 1/3씩 줄어들어 11.1km, 3.3km, 1.1km로 구성하였다(<표 1>). 참 고로, 격자크기는 향후 50m까지 상세화할 계획이 다. 수심 데이터는 30-arc-sec 크기의 GEBCO 08을 사용하였으며(그림 7), 모형의 안정성을 확 보하기 위해 CFL조건을 만족하는 시간간격을 각 격자별로 설정하였다. 태풍 입력 정보는 기상청 (www.KMA.go.kr)에서 3시간 간격의 태풍경로, 중심기압, 최대풍속을 이용하였으며, Holland’s Model(1980)에 적용하여 바람장을 산출하였다.
모형의 검증을 위해 최종격자에서 산출된 1분 간 격의 모의결과와 2003년 태풍 MAEMI 내습 시 여 수조위관측소에서 관측된 해일고를 비교하였다.
(그림 8)은 수치모의에 의한 격자별 수위 변화 및 바람장을 나타낸다. 전체 모의기간 동안의 최대 해일고 발생 시간과 최대 해일고가 관측값과 비슷 한 양상을 보이고 있으나(그림 9), 최대 해일고가 발생하고 난 후 물이 빠지는 시간에서의 오차가 발생한다. 이는 추후 Nesting을 통해 상세한 격자 를 구성하여 보완할 계획이다.
현재의 연구결과를 보완하기 위해서 추가적으 로 정확한 수심데이터를 확보하는게 우선적으로 그림 6. 다중격자시스템에 의한 격자 구성
그림 7. GEBCO 08 Bathymetry Data, (http://www.gebco.net/)
그림 8. 태풍 MAEMI 내습 시 수위 변화와 바람장 모의 결과
그림 9. 여수 조위관측소 관측값과 모의결과 간의 수위 비교
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중요하다. 현재 국토지리정보원의 30m 해상도의 DEM과 국립해양조사원의 수치해도가 수평, 수 직적 기준점이 통합되지 않아 기준점 통합 작업을 실시하고, 세밀한 수심데이터를 확보하여 정확성 을 높일 계획이다. 지금까지 구성된 4개 격자 지 형자료의 기준점 통합 작업을 통해 얻은 수심데이 터를 이용함으로써 추가적으로 상세한 수심격자를 구성할 수 있다. 이처럼 대상영역에 대한 수심격 자를 상세히 작성하면 보다 정확한 모의 및 결과 도출이 가능할 것으로 판단된다. 또한 상세역에서 육상측의 정확한 수심데이터를 확보한 후 범람 모 의를 실시하여 태풍 내습시 발생하는 범람역과 침
수흔적도를 비교할 계획이다. 앞서 모의한 결과는 태풍 매미에 의해 발생하는 해일고 모의 결과값 이다. 하지만 태풍시 강한 바람 및 기압변화와 함 께 집중호우가 동반되기때문에 이로 인한 범람 가 중효과가 추가적으로 고려되어야 한다. 즉 연안에 위치한 도시의 경우 태풍시 호우에 따른 유출로 인해 하천범람이 발생하고 해측에서는 기압변화 및 강풍에 의한 해일피해가 동시에 일어난다. 따 라서 보다 신뢰도 높은 폭풍해일 범람모의를 위해 서는 하천범람효과를 정량적으로 고려해볼 필요가 있다. 즉, 전통적인 폭풍해일 범람모의 방법에 하 천범람효과를 추가함으로써 하천과 연결되어 있는 Layer No.
1 33,330m 7,050m 60s
2 11,110m 5,660m 24s
3 3,330m 2,303m 12s
4 1,110m 1,750m 3s
그림 10. 폭풍해일 및 외수범람을 고려한 수치모의
참고문헌
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J.C. Dietrich, M. Zijlema, J.J. Westerink, L.H. Holthuijsen, C. Dawson, R.A. Luettich Jr., R.E. Jensen, J.M. Smith, G.S. Stelling, G.W. Stone., (2011) Modeling hurricane waves and storm surge using integrally-coupled, scalable computations. Coastal Engineering, 58, pp. 45-65
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