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제안 방법
- 기존 및 새로운 모형은 3시간 단위의 북미지역 재분석(North American Regional Reanalysis, NARR)자료를 모형의 구동을 위한 기상자료로 이용하였다. 모형의 초기조건을 위해서는 1999년의 NARR자료로 모형을 1년간 3회 반복 구동하여 안정화시킨후, 2000년 1년간의 모의결과를 실측치와 비교하였다.
- 본 연구에서는, 지표면 물흐름 모의를 위한 1차원 확산모형과 지표하 물흐름 모의를 위한 3차원 VAST모형이 결합되어 개발된 지표면-지표하 연계 물흐름 모형을 기존 육지수문모형에 적용하고, 개선된 모형을 사용하여 시험유역에서의 모의 결과를 실측치와 비교하였다. 연계모형내 각 흐름방정식의 해를 구하기 위하여 각각의 수식에 적합한 혼합된 수치해석법을 적용하였다.
- 이 새로운 지표면-지표하 연계 물흐름 모형은 최근의 지표 모형중에 하나인 CLM의 기존 1차원 수리수문부분을 대체하게 된다. 새로운 모형이 결합된 CLM에서 지형에 의한 수문 예측영향을 평가하기 위해 오하이오 계곡주변의 시범유역을 선정하여 새로운 모형 및 기존모형의 하천수문곡선을 미국 지질조사소(US Geological Survey; USGS)의 실측치와 비교 분석하였다. 기존 및 새로운 모형은 3시간 단위의 북미지역 재분석(North American Regional Reanalysis, NARR)자료를 모형의 구동을 위한 기상자료로 이용하였다.
- 새로운 지표면-지표하 연계 물흐름 모형은 지표하 종방향 및 횡방향 토양수분 흐름, 그리고 지표수 흐름 등 각 흐름성분 해석을 위해 다양한 수치해석법을 적용한 후, CLM의 기존 수리수문 모의부분을 대체하여 새로운 육지수문모형으로 개발되었다. 새로운 육지수문모형(CLM_NEW)는 기존의 모형(CLM_OLD)과 함께, 오하이오 계곡부의 유역면적 27,060 km2인 시험유역에 2000년도 북미지역재분석 기상자료를 이용하여 적용되었다.
- 본 연구에서는, 지표면 물흐름 모의를 위한 1차원 확산모형과 지표하 물흐름 모의를 위한 3차원 VAST모형이 결합되어 개발된 지표면-지표하 연계 물흐름 모형을 기존 육지수문모형에 적용하고, 개선된 모형을 사용하여 시험유역에서의 모의 결과를 실측치와 비교하였다. 연계모형내 각 흐름방정식의 해를 구하기 위하여 각각의 수식에 적합한 혼합된 수치해석법을 적용하였다. 3차원 체적평균 토양수분 이송방정식은, 시간 분할법에 의해 먼저 종방향 흐름이 완전음해법으로 해석된 후 횡방향 흐름을 양해법으로 계산하게 된다.
- 총 연직방향 흐름함수 FZk는 예측모의 변수인 토양수분함량 θk에 대한 고차원의 비선형함수이기 때문에 식 (5)를 직접 풀기 위해서는 반복계산이 요구되므로, 계산의 효율을 위해 비선형항들을 2차항 정밀도의 Taylor 전개를 사용하여 선형화하였다.
대상 데이터
- 새로운 모형이 결합된 CLM에서 지형에 의한 수문 예측영향을 평가하기 위해 오하이오 계곡주변의 시범유역을 선정하여 새로운 모형 및 기존모형의 하천수문곡선을 미국 지질조사소(US Geological Survey; USGS)의 실측치와 비교 분석하였다. 기존 및 새로운 모형은 3시간 단위의 북미지역 재분석(North American Regional Reanalysis, NARR)자료를 모형의 구동을 위한 기상자료로 이용하였다. 모형의 초기조건을 위해서는 1999년의 NARR자료로 모형을 1년간 3회 반복 구동하여 안정화시킨후, 2000년 1년간의 모의결과를 실측치와 비교하였다.
- 새로운 지표면-지표하 연계 물흐름 모형은 지표하 종방향 및 횡방향 토양수분 흐름, 그리고 지표수 흐름 등 각 흐름성분 해석을 위해 다양한 수치해석법을 적용한 후, CLM의 기존 수리수문 모의부분을 대체하여 새로운 육지수문모형으로 개발되었다. 새로운 육지수문모형(CLM_NEW)는 기존의 모형(CLM_OLD)과 함께, 오하이오 계곡부의 유역면적 27,060 km2인 시험유역에 2000년도 북미지역재분석 기상자료를 이용하여 적용되었다. 두 모형 모두에서 매개변수의 보정과정 없이 기존문헌에서 제시된 값들을 사용하여 모의된 일유출량은 시험유역내의 한 USGS 유량관측소의 실측결과와 비교되었다.
- 새로운 지표면-지표하 연계 물흐름 모형으로 강화된 육지수문모형(CLM_NEW)은 기존의 모형(CLM_OLD)과 함께 시험 유역인 아팔레치산맥 주위의 오하이오 계곡유역에 시험적용되었다. 그림 1은 현재 북미지역 지역기상모형(Regional Climate Model, RCM)에서 사용하고 있는 30 km 크기의 계산망중의 일부로서, 가로 240 km(8×30 km) 및 세로 300 km(10×30 km)의 크기를 가지며, 대부분 낙엽성 활엽수 및 복합적인 산림지대로 이루어진 대상유역의 계산망을 보여준다.
- html)의 하천망과 잘 일치함을 보여준다. 지형고도, 암반깊이, 토양성분함유율, 토지피복특성, 식생피복비율, 엽면적지수, 그리고 Albedo관련계수 등의 지표경계조건들 (Surface Boundary Condition; SBC)은 Liang 등(2005)이 구축한 북미지역의 자료를 이용하였고, 기압, 기온, 비습도, 풍속, 지상기압, 강수량, 장단파 복사열 등의 기상자료는 북미기상모형망 축척의 일관성있는 장기간 자료를 제공하고 있는 NARR자료를 사용하였다. 임의의 초기조건으로 인한 영향을 최소화하기 위하여 각 모형들은 1999년의 NARR기상자료로 3회 연속 예비구동된 후, 육지수문모형에서 지형특성에 의한 횡방향 물흐름의 영향을 살펴보기 위해 2000년의 NARR기상자료에 의해 기상모형과의 상호작용없이 off-line 상태에서 실행되었다.
데이터처리
- 새로운 육지수문모형(CLM_NEW)는 기존의 모형(CLM_OLD)과 함께, 오하이오 계곡부의 유역면적 27,060 km2인 시험유역에 2000년도 북미지역재분석 기상자료를 이용하여 적용되었다. 두 모형 모두에서 매개변수의 보정과정 없이 기존문헌에서 제시된 값들을 사용하여 모의된 일유출량은 시험유역내의 한 USGS 유량관측소의 실측결과와 비교되었다. 모의결과, 모형에서 심층지하수 흐름, 기저유출 및 하도유출 부분이 고려되지 못하여 실측치보다 큰 첨두유출을 보이지만, 지표면-지표하 물흐름 상호 연동관계와 지표수 흐름추적이 고려된 새로운 모형의 결과가 유출수문곡선의 예측도를 크게 향상시킨 것으로 나타났다.
이론/모형
- 3차원 체적평균 토양수분 이송방정식은, 시간 분할법에 의해 먼저 종방향 흐름이 완전음해법으로 해석된 후 횡방향 흐름을 양해법으로 계산하게 된다. 1차원 확산방정식의 해석은 시간 및 공간적으로 2차항의 정확도를 가지는 MacCormack 유한차분법을 사용한다.
- 효율성있는 VAST 방정식의 풀이를 위해, 종방향 흐름을 완전 음해법으로 계산한 다음, 횡방향 흐름에 양해법을 적용하는 시간분할 수치해석법을 사용하였다. VAST 방정식을 다시 표현하면 다음과 같다.
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