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문제 정의
- 본 연구에서는 레이더 자료와 결합한 이류모델을 통해 산정된 예측강우의 적용성 평가를 위한 입력자료로 3개의 호우사상을 선정하였다. 각 호우사상은 2003년 7월 9일～10일(Case I), 2004년 7월 3일～4일(Case II), 2006년 7월 18일(Case III)이다.
- 본 연구에서는 홍수예보와 같은 수문학적 활용 측면에서 요구되는 강우선행시간 확보를 위해 단시간 예측강우의 활용 측면에서 레이더 자료와 이류모델을 활용한 초단 시간 강우예보의 적용성을 평가하였다. 이를 위해 최소자승법으로 레이더 강우를 추정하고, 추정된 강우를 이류모델의 초기장으로 활용하였다.
- 이에 본 연구에서는 홍수예보를 위한 단시간 예측강우의 활용 측면에서 강우의 발달쇠약을 고려할 수 있는 기상레이더 정보와 결합된 이류모델을 활용하여 초단시간 강우예보의 국내 적용성을 평가하고자 한다. 2절에서는 본 연구에서 적용한 이류모델의 레이더 강우예측 방법과 초기장으로 사용한 실황강우 산정 방법 및 평가 방법을 정리하였으며, 3절에서는 강우예측의 사례연구 결과를 제시하고 정확도를 평가하였으며, 결론 및 향후과제는 4절에 제시하였다.
가설 설정
- 산정된 매개변수 C1～C9가 2～3시간 동안 지속된다고 가정하고 앞으로의 강우강도 예측을 수행한다. 예측계산은 특성곡선의 역추적법을 이용한다.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 홍수예보를 위한 단시간 예측강우의 활용 측면에서 강우의 발달쇠약을 고려할 수 있는 기상레이더 정보와 결합된 이류모델을 활용하여 초단시간 강우예보의 국내 적용성을 평가하고자 한다. 2절에서는 본 연구에서 적용한 이류모델의 레이더 강우예측 방법과 초기장으로 사용한 실황강우 산정 방법 및 평가 방법을 정리하였으며, 3절에서는 강우예측의 사례연구 결과를 제시하고 정확도를 평가하였으며, 결론 및 향후과제는 4절에 제시하였다.
- 또한 레이더 예측강우와 지상관측강우의 비교를 통해 레이더 예측강우의 정확도를 정성적·정량적으로 평가하고, 유역기반 홍수예보의 활용 측면을 고려하여 중랑천 유역을 대상으로 단시간 예측강우의 유역평균강우량을 산정하여 평가하였다.
- 또한, AWS와 레이더 강우의 비교를 통해 발생할 수 있는 자료관측 특성 및 분해능으로 인한 평가결과의 오차를 최소화하고자 동일한 시공간 분해능을 갖는 레이더 예측 강우와 동일 시간에 해당되는 실제 레이더 실황강우를 비교하였으며, 그 결과는 다음 Figs. 8 and 9와 같다.
- 이류모델을 통해 산정된 레이더 예측강우의 성능을 검증하기 위해 2절에서 제시한 정성적 및 정량적 평가 방법에 따라 AWS 관측강우와 레이더 예측강우를 비교하였다. 또한, 본연구에서는 이류모델로 산정된 예측강우 적절성을 평가할 때 평가결과에 영향을 미칠 수 있는 레이더 관측반경으로 인한 감쇄 등의 오차요인을 배제할 수 있도록 관악산과 진도 레이더 자료의 유효관측반경을 120 km 이내로 고려하여 선행시간이 30분～4시간인 이류모델의 레이더 예측강우를 정성적으로 평가하였다. 다음 Figs.
- 본 연구에서는 이류모델의 초기장으로 활용되는 레이더 강우 산정을 위해 각 호우사상별 반사도 Z (mm6/m3) 자료와 강우강도 R (mm/h) 자료 사이의 관계식을 구하였다(Krajewski and Smith, 2002; Morin et al., 2003). 기존의 레이더 강우산정에 관한 연구들에서는 일반적으로 다음 Eq.
- 본 연구에서 레이더 강우추정을 위해 사용한 자료는 기상청에서 운영 중인 관악산(KWK) 레이더와 진도(JNI) 레이더에서 관측된 레이더 반사도 자료 (UF 형식)와 각 레이더 관측반경에 존재하는 613개 AWS를 통해 관측된 1분 강우강도자료이다. 신뢰도 높은 AWS 관측자료의 이용을 위해 배덕효 등(2009)이 제안한 품질검사 절차에 따라 상관계수가 0.3 이상, 강우감지 조건부확률이 0.2 이상인 AWS가 레이더와 AWS 관측치 사이의 일치성을 갖는다고 판단하여 이상의 값을 갖는 AWS를 선정하였으며, 이를 이용하여 각 호우사상별, 기상레이더 종류별 이류모델의 적용을 통해 호우특성 및 기상레이더 특성에 따른 예측 정확도에 대한 분석을 가능하도록 하였다.
- 1과 같다. 우선 10분 UF 자료를 통해 10분 CAPP자료를 구하고, 1분 강우강도의 AWS 자료를 구축한다. 산정된 AWS와 레이더 반사도 자료 중 품질검사를 통해 보다 정확한 Z-R 관계식 산정을 위해 강우계와의 상관계수가 0.
- 2보다 작은 지점자료는 제외하였다. 이들 자료를 통해 최소자승법을 이용하여 매 10분마다 Z-R 관계식을 산정하고, 산정된 관계식을 적용하여 실시간 레이더 강우를 산정한다. 이렇게 매 10분간 산정된 레이더 강우결과를 이류모델의 입력자료로 넣어주면 30분 간격으로 30분에서 4시간까지 선행하여 강우를 예측한다(배덕효, 2007).
- 이류모델을 통해 산정된 레이더 예측강우의 성능을 검증하기 위해 2절에서 제시한 정성적 및 정량적 평가 방법에 따라 AWS 관측강우와 레이더 예측강우를 비교하였다. 또한, 본연구에서는 이류모델로 산정된 예측강우 적절성을 평가할 때 평가결과에 영향을 미칠 수 있는 레이더 관측반경으로 인한 감쇄 등의 오차요인을 배제할 수 있도록 관악산과 진도 레이더 자료의 유효관측반경을 120 km 이내로 고려하여 선행시간이 30분～4시간인 이류모델의 레이더 예측강우를 정성적으로 평가하였다.
- 홍수예보의 활용을 위한 유역기반의 예측강우 활용성을 평가하고자 중랑천 유역을 대상으로 초단시간 예측강우의 유역평균강우량을 산정하였다. 이를 위해 관악산 레이더 자료를 사용하여 레이더 사이트 반경을 중심으로 계산된 예측강우와 레이더 실황강우 자료에서 중랑천 유역에 해당되는 지점을 추출하였다. 다음 Figs.
- 본 연구에서는 매칭된 레이더 강우 예측치와 관측치 사이의 양적 관계와 품질을 평가하기 위해 현업에서 사용하고 있는 강우예보모델의 검증기법을 적용하였다(최지혜등, 2005). 이를 위해 레이더 추정 강우량 자료와 해당 시간에 관측된 자동기상관측장비시스템(Automatic Weather Stations, AWS) 강우량자료의 품질을 비교하여 레이더 추정강우의 정확도를 평가하고자 한다. 평가는 얼마나 맞았는가를 판단하는 정성적인 평가와 얼마나 정확한가를 판단할 수 있는 정량적 평가로 나눌 수 있으며, 이 두 방법 모두 오차에 대한 정보를 제공한다.
- 홍수예보의 활용을 위한 유역기반의 예측강우 활용성을 평가하고자 중랑천 유역을 대상으로 초단시간 예측강우의 유역평균강우량을 산정하였다. 이를 위해 관악산 레이더 자료를 사용하여 레이더 사이트 반경을 중심으로 계산된 예측강우와 레이더 실황강우 자료에서 중랑천 유역에 해당되는 지점을 추출하였다.
대상 데이터
- 2006년 7월 18일의 호우사상은 북태평양 고기압의 확장과 태풍 빌리스와 태풍 개미에 의한 수증기유입으로 장마전선이 정체·활성화되어 발생한 호우사상이다. 본 연구에서 레이더 강우추정을 위해 사용한 자료는 기상청에서 운영 중인 관악산(KWK) 레이더와 진도(JNI) 레이더에서 관측된 레이더 반사도 자료 (UF 형식)와 각 레이더 관측반경에 존재하는 613개 AWS를 통해 관측된 1분 강우강도자료이다. 신뢰도 높은 AWS 관측자료의 이용을 위해 배덕효 등(2009)이 제안한 품질검사 절차에 따라 상관계수가 0.
데이터처리
- 평가는 얼마나 맞았는가를 판단하는 정성적인 평가와 얼마나 정확한가를 판단할 수 있는 정량적 평가로 나눌 수 있으며, 이 두 방법 모두 오차에 대한 정보를 제공한다. 본 연구에서는 정성적인 평가 항목으로 정확도(forecast accuracy, ACC), 편이(Bias score, BIS), 강우감지확률(Probability of Detection, POD), 오보율(False Alarm Ratio, FAR), 임계성공지수(Critical Success Index, CSI), 정량적인 평가 항목으로는 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE), 상관계수(Correlation coefficient, CORR)를 사용하였다.
이론/모형
- 강우예측이란 이 강우강도면의 변화 예측이라 할 수 있으며, 이류모델에서는 다음 Eq. (4)와 같은 형태를 갖는 강우강도변화의 지배방정식을 강우모델로 사용하였다.
- 강우의 정량적인 평가는 강우의 정확한 위치와 강우량 추정 능력의 척도로 사용되며 본 연구에서는 RMSE, 상관계수를 사용하였다. RMSE는 추정치와 관측치의 차이를 제곱근하여 평균을 취한 것으로 편이(bias), 해상도(resolution), 불확실도(uncertainty)에 따라 좌우되는 강우추정 정확도의 척도로 가장 많이 사용되는 요소이다.
- 강우의 정성적인 평가는 추정강우와 관측강우 존재 유무의 행렬로 이루어진 강우분할표(Rain Contingency Table)에 기초한다. Table 1은 모형의 추정 능력과 추정에서 발생하는 오차의 종류를 알려준다.
- 본 연구에서는 매칭된 레이더 강우 예측치와 관측치 사이의 양적 관계와 품질을 평가하기 위해 현업에서 사용하고 있는 강우예보모델의 검증기법을 적용하였다(최지혜등, 2005). 이를 위해 레이더 추정 강우량 자료와 해당 시간에 관측된 자동기상관측장비시스템(Automatic Weather Stations, AWS) 강우량자료의 품질을 비교하여 레이더 추정강우의 정확도를 평가하고자 한다.
- 상관계수는 추정치와 관측치 간의 차이의 일치성을 측정하는 계수이며, -1에서 1의 값을 가지며 완벽한 값은 1이다. 본 연구에서는 상관계수를 이용한 정확도 평가 기준은 기상청(류상범, 2002)의 일반적인 기준을 따랐다
- 이들 a, b를 결정하는 방법에는 구름 속 물방울의 직경분포(Drop Size Distribution)를 이용하는 방법과 지상의 우량계 관측값을 이용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 후자의 방법을 이용하였으며, 최소자승법(Least-square fitting)을 이용하여 Z-R 관계식을 산정하였다.
- 가 2～3시간 동안 지속된다고 가정하고 앞으로의 강우강도 예측을 수행한다. 예측계산은 특성곡선의 역추적법을 이용한다. 이류모델 Eqs.
- 본 연구에서는 홍수예보와 같은 수문학적 활용 측면에서 요구되는 강우선행시간 확보를 위해 단시간 예측강우의 활용 측면에서 레이더 자료와 이류모델을 활용한 초단 시간 강우예보의 적용성을 평가하였다. 이를 위해 최소자승법으로 레이더 강우를 추정하고, 추정된 강우를 이류모델의 초기장으로 활용하였다. 또한 레이더 예측강우와 지상관측강우의 비교를 통해 레이더 예측강우의 정확도를 정성적·정량적으로 평가하고, 유역기반 홍수예보의 활용 측면을 고려하여 중랑천 유역을 대상으로 단시간 예측강우의 유역평균강우량을 산정하여 평가하였다.
성능/효과
- 이는 Case III의 경우 태풍의 소강 이후의 약한 강우사상이므로 레이더의 강우 감지가 약화되는 경향이 발생한 것으로 판단된다. FAR은 평균적으로 2시간 이내에서 0.5 이하로 나타났으며, 예측 시간이 경과함에 따라 FAR이 증가하여 예측의 정확도가 감소하는 것을 확인하였다. 마지막으로 CSI는 평균적으로 0.
- 5 이상의 결과를 나타내어 레이더 예측강우의 활용 가능성을 확인할 수 있었으며, 예측시간에 따른 RMSE 증가 추세를 AWS 비교 결과보다 명확하게 확인할 수 있었다. 각 레이더 사이트별로 동일한 강우사상을 적용하였으나 레이더 사이트별로 직접적인 영향을 미친 호우의 형태 및 특성이 달라 본 분석을 통해서는 C-band와 S-band 기상레이더 관측의 기계적인 특성차이를 뚜렷이 확인할 수는 없었다.
- 6～7 및 Table 4와 같다. 관악산 레이더와 진도 레이더의 대부분 사례에서 예측 강우량과 관측 강우량의 공간분포 일치정도를 나타내는 상관계수가 예측시간에 따라 감소하는 것을 볼 수 있었다. 관악산 레이더의 세 강우사상에 대한 예측강우와 AWS 관측강우와의 상관계수는 평균적으로 선행 1시간 0.
- 관악산 레이더와 진도 레이더의 대부분 사례에서 예측 강우량과 관측 강우량의 공간분포 일치정도를 나타내는 상관계수가 예측시간에 따라 감소하는 것을 볼 수 있었다. 관악산 레이더의 세 강우사상에 대한 예측강우와 AWS 관측강우와의 상관계수는 평균적으로 선행 1시간 0.55에서 선행 4시간 0.17로 감소하였다. 진도 레이더의 세 강우사상의 평균 상관계수는 선행 1시간은 0.
- 09로 감소하였다. 또한 RMSE는 관악산 레이더와 진도 레이더 모두 관측 강우량에 비해 크게 산출되었으며, RMSE의 선행시간에 따른 증가율이 평균적으로 관악산 레이더는 0.8 mm 이상, 진도 레이더는 3.9 mm 이상 증가하는 경향을 보였다.
- 6 이상으로 높게 나타났는데 이는 강한 강우강도를 갖는 호우사상의 특성과 이류모델의 강우현상 빈도 과다추정 경향이 POD에도 영향을 준 것으로 판단된다. 또한 분석오류를 보완하기 위해 FAR을 함께 고려한 결과, 평균적으로 2시간 이내에서 0.35 이하로 나타나 ACC와 POD와 유사하게 강한 강우빈도를 갖는 강우 현상에 대한 예측을 다소 정확하게 예측하는 것을 알 수 있었으며, 예측시간이 경과함에 따라 FAR이 증가하여 예측의 정확도가 감소하는 것을 확인하였다.
- 특히 열대 저기압 태풍 사상에 대한 예측강우의 평가결과가 다른 호우사상에 비해 높은 정확도를 나타냈는데 이는 열대 저기압과 같은 공기 덩어리가 수평으로 이동하는 이류 과정이 절대적인 기상상황에 대해 이류모델이 신뢰성이 있는 결과를 나타내는 것으로 판단되었다. 또한, 홍수예보의 활용을 위한 예측 유역평균강우의 평가 결과 관측강우에 비해 과소추정하는 경향이 있으나 평균적으로 상관계수 0.5 이상으로 비교적 정확하게 강우를 예측하는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 레이더 예측강우와 지상관측강우의 비교를 통해 레이더 예측강우의 정확도를 정성적·정량적으로 평가하고, 유역기반 홍수예보의 활용 측면을 고려하여 중랑천 유역을 대상으로 단시간 예측강우의 유역평균강우량을 산정하여 평가하였다. 레이더 예측강우의 정성적 평가 결과, 각 호우사상의 특성별로 절대치의 차이가 있으나 관악산 레이더와 진도 레이더 대부분의 사례에서 예측강우는 평균적으로 0.6 이상의 정확도와 0.7 이상의 POD를 나타내었으며, CSI는 강한 강우 사상인 경우 0.6 이상으로 높게 나타났으며, FAR는 3시간이내에서는 0.4 이하로 나타나 다소 정확하게 예측하는 것을 알 수 있었다. 정량적 평가 결과, 예측강우와 AWS 관측강우와의 상관계수는 평균적으로 관악산 레이더와 진도 레이더의 선행 1시간 예측강우가 대부분 0.
- 5 이하로 나타났으며, 예측 시간이 경과함에 따라 FAR이 증가하여 예측의 정확도가 감소하는 것을 확인하였다. 마지막으로 CSI는 평균적으로 0.32～0.52 범위 내에서 예측시간이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인하였다.
- 본 결과를 통해 레이더 예측강우의 수문학적 활용성을 확정적으로 우수하다고 평가할 수는 없으나 예측강우의 상관계수를 포함한 정량적 통계치가 실제 호우 사상을 일부 구현할 수 있을 정도의 정확도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 특히, Figs.
- 본 연구에서는 사례연구 및 평가결과를 통해 레이더와 이류모델을 이용한 초단시간 예측강우의 국내 활용성을 확인할 수 있었다. 다만 향후 보다 다양한 사례연구 및 수문모델과 레이더 예측강우의 결합을 통하여 이류모델의 수문학적 측면의 평가가 보완되어야 하며, 초기장의 정확도에 의존하는 이류모델 예측강우의 정확도 개선을 위해 레이더 실황강우의 정확도 개선에 관한 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 8 and 9와 같다. 비교결과, 관악산 레이더와 진도 레이더 예측강우는 1시간 이내의 예측에서 평균적으로 상관계수와 정확도 모두 0.5 이상의 결과를 나타내어 레이더 예측강우의 활용 가능성을 확인할 수 있었으며, 예측시간에 따른 RMSE 증가 추세를 AWS 비교 결과보다 명확하게 확인할 수 있었다. 각 레이더 사이트별로 동일한 강우사상을 적용하였으나 레이더 사이트별로 직접적인 영향을 미친 호우의 형태 및 특성이 달라 본 분석을 통해서는 C-band와 S-band 기상레이더 관측의 기계적인 특성차이를 뚜렷이 확인할 수는 없었다.
- Table 5는 중랑천 레이더 예측 유역평균강우를 통계적으로 분석한 것으로 선행시간이 증가할수록 AWS 관측강우와의 정확도 및 상관성이 감소하고 양적 편차가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 세 강우사상의 실황 유역평균강우의 AWS 관측 유역평균강우와의 평균 상관계수는 0.61, 예측 유역평균강우의 상관계수는 선행 예측시간이 증가할수록 0.58에서 0.52으로 감소하며, 평균적으로 RMSE는 1.54 mm에서 1.78 mm로 증가하였으며, 전체적으로 관측강우에 비해 과소추정하는 경향을 확인할 수 있었다.
- 우선 관악산 레이더의 각 사례에 대한 ACC를 살펴보면, 대부분의 사례에서 2시간 이내의 예측강우는 0.6 이상의 높은 정확도를 나타내었으며, 예측시간이 경과함에 따라 정확도가 낮아지는 경향을 보였다. BIS는 S-band로 교체된 후의 관악산 레이더 관측자료를 활용한 Case II 을 제외하고 대체적으로 과다 모의 경향을 보였다.
- 4 이하로 나타나 다소 정확하게 예측하는 것을 알 수 있었다. 정량적 평가 결과, 예측강우와 AWS 관측강우와의 상관계수는 평균적으로 관악산 레이더와 진도 레이더의 선행 1시간 예측강우가 대부분 0.5 이상의 비교적 좋은 상관성을 보였다. 특히 열대 저기압 태풍 사상에 대한 예측강우의 평가결과가 다른 호우사상에 비해 높은 정확도를 나타냈는데 이는 열대 저기압과 같은 공기 덩어리가 수평으로 이동하는 이류 과정이 절대적인 기상상황에 대해 이류모델이 신뢰성이 있는 결과를 나타내는 것으로 판단되었다.
- 진도 레이더의 각 사례에 대한 정성적 평가 결과를 살펴보면, 모든 사례에서 2시간 이내의 예측강우는 0.6 이상의 높은 정확도를 나타내었으며, 예측시간이 경과함에 따라 정확도가 낮아지는 경향을 보였다. BIS는 1.
- 5 이상의 비교적 좋은 상관성을 보였다. 특히 열대 저기압 태풍 사상에 대한 예측강우의 평가결과가 다른 호우사상에 비해 높은 정확도를 나타냈는데 이는 열대 저기압과 같은 공기 덩어리가 수평으로 이동하는 이류 과정이 절대적인 기상상황에 대해 이류모델이 신뢰성이 있는 결과를 나타내는 것으로 판단되었다. 또한, 홍수예보의 활용을 위한 예측 유역평균강우의 평가 결과 관측강우에 비해 과소추정하는 경향이 있으나 평균적으로 상관계수 0.
- 특히, 관악산 레이더와 진도 레이더 모두 태풍 민들레의 호우사상인 Case II에서 정성적인 평가 결과가 다른 호우 사상보다 좋은 것을 확인할 수 있는데, 이는 열대 저기압과 같은 공기덩어리가 수평으로 이동하는 이류 과정이 절대적인 기상 상황에 대해 이류모델을 통해 산정된 예측강우가 신뢰성이 있는 결과를 나타내는 것으로 판단된다.
후속연구
- 특히, Figs. 10～12에서 보여준 것처럼 강우의 이동 및 공간분포를 예측할 수 있는 단시간 강우예측 결과는 분포형 수문모형과 결합하여 활용될 수 있으며, 추후 이와 관련한 다양한 사례연구를 통해 이류모델의 수문학적 측면의 정확도 평가가 보완되어야 할 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 사례연구 및 평가결과를 통해 레이더와 이류모델을 이용한 초단시간 예측강우의 국내 활용성을 확인할 수 있었다. 다만 향후 보다 다양한 사례연구 및 수문모델과 레이더 예측강우의 결합을 통하여 이류모델의 수문학적 측면의 평가가 보완되어야 하며, 초기장의 정확도에 의존하는 이류모델 예측강우의 정확도 개선을 위해 레이더 실황강우의 정확도 개선에 관한 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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