[논문]강풍위해지도 개발 및 활용 방안에 관한 연구

이영규; 이승수; 함희정

doi:10.9798/kosham.2011.11.3.001

강풍위해지도 개발 및 활용 방안에 관한 연구
A Study on Development and Utilization of Wind Hazard Maps 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.11 no.3, 2011년, pp.1 - 8

이영규 ((주)큐버솔루션 방재기술혁신팀) , 이승수 (충북대학교 토목공학부) , 함희정 (강원대학교 건축공학과)

초록
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본 연구에서는 지리정보기반의 강풍위해지도를 개발하였으며, 이는 지표조도모형, 지형할증모형, 균일강풍지도로 구성된다. 지표조도모형은 지표조도가 지표풍에 미치는 영향을 반영하기 위해서 개발되었다. 지형에 의한 풍속할증을 반영하기 위하여 지형 할증모형을 개발하였다. 지형에 의한 풍속할증은 건축구조설계기준(2005)을 채용하여 산정하였다. 균일강풍지도는 기상자료를 이용한 빈도분석법과 태풍 시뮬레이션을 통하여 개발되었다. 본 연구에서 개발한 강풍위해성 평가방법을 통한 강풍위해지도가 강풍에 의한 손실, 피해 및 보험료율 산정에 적용될 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a wind hazard map over Korea peninsula based on geographical information is developed, which consists of the surface roughness model, the topographical effect model and the homogeneous wind model. The surface roughness model is assessed to evaluate the effect of the surface roughness on the wind field near ground. The topographical effect model is assessed to quantify the effect of the speed-up caused by topology, which is calculated by adopting the topographical effect factor in Korea building code (2005). The homogeneous wind map is created either by a frequency analysis method for meteorological data or a typhoon simulation. The results show that the wind hazard map can be applied to the determination of insurance premium as well as the assessment of loss and damage.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같은 태풍의 이동경로와 반경 500 km에 이르는 태풍 크기에 비해 부산시 영역은 아주 작은 영역이라는 사실로부터, 부산시 전역이 동일한 지표조도와 지형으로 이루어졌다면, 부산시 전역에서 거의 동일한 풍속이 계측되어야 한다는 가설을 세울 수 있다. 따라서 관측풍속을 본 연구에서 제안하는 지표조도모형과 지형할증모형을 이용하여 보정함으로써 균일풍속을 추정함으로써 개발된 모형의 적용성을 보이고자 하였다.
본 연구에서 개발한 지표조도모형과 지형할증모형의 적용성을 검증하기 위하여 2003년 태풍 매미의 경우에 대하여 검토하였다. 그림 6(a)에 보이는 것과 같이 2003년 14호 태풍 MAEMI는 부산의 좌측으로 부산과 평행하게 약 60 km 떨어져서 이동하였다.
본 연구에서 균일강풍지도는 풍향이 고려되지 않은 연최고풍속이나 태풍 시뮬레이션을 이용한 극한 풍속을 기반으로 개발되었다. 최종 결과로 요구되는 8 방향 풍향에 대한 위해성 평가를 고려할 때 풍향별 극한 풍속 산정이 고려되어야 하나, 현재 기상청에서는 풍향별 연최고풍속이 제공하고 있지 않아 현실적으로 불가능하며 향후 연최고풍속의 풍향별 빈도를 고려한 산정 과정에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서 태풍 MAEMI(2003)의 관측풍속을 이용하여 지표조도모형과 지형할증모형의 적용성을 검증하였으며, 강풍 위해지도 결과를 이용하여 시설물별 강풍 손실도 평가 활용, 시설물별 강풍 피해액 산정 활용, 시설물별 보험료율 산정에 활용 방안의 예시를 보였다. 특히, 강풍위해지도와 비닐하우스의 취약성 곡선을 이용하여 손실도 평가의 예를 보였으며, 이 외 다른 시설물에 대해서도 시설물에 해당하는 취약성 곡선을 이용하여 강풍으로 인한 손실, 피해 및 보험료율 산정에 활용될 수 있을 것이다.
2009, 엄정아 등 2010)이 제시된 바 있다. 본 연구에서는 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 수집한 대분류 토지피복지도(2000)를 활용하는 방법으로 지표조도 영향을 평가하였다. 이 토지피복지도는 Landsat 영상을 분석하여 제작된 것으로 공간 해상도는 30 m×30 m이며, 수역 · 시가화지역 · 나지 · 습지 · 초지 · 산림 · 논 · 밭의 8가지 구분으로 구성되어 있다.
본 연구에서는 지역특성을 반영한 강풍위해성 평가를 위하여 강풍위해지도를 개발하였다. 강풍위해지도는 지표조도모형, 지형할증모형 그리고 균일강풍지도의 세 요소의 결합으로 개발되었다.
이에 본 연구에서는 지표조도상황과 지형이 풍속에 미치는 영향을 국가 차원에서 구축하고 있는 토지피복지도와 수치고도모형의 지리정보를 기반으로 평가하여 지역적 강풍위해성을 평가하는 기법을 제시하고자 한다. 본 연구에서는 풍속에 영향을 미치는 지역특성을 반영한 강풍위해지도(Wind Hazard Map, WHM)를 개발 한다. 풍속에 영향을 미치는 지역특성 인자로 지표조도가 풍속변화에 미치는 영향과 지형에 의한 풍속할증 영향을 고려하였다.
공기 흐름이 급경사면, 둑, 능선, 절벽, 언덕을 타고 지날 때 풍속이 할증될 수 있다. 이 분야에 대한 많은 연구는 1970년대와 1980년대, 풍력발전과 풍력단지의 최적 입지를 선정하기 위하여 수행되었다. 이와 같은 연구로 인하여 완만한 경사를 갖는 지형에서의 풍속을 예측하는 수준이 향상되었다.
이와 같이 각 요소 기술은 설계 기술의 측면에서 각각 연구된 바 있으나, 이를 결합한 지역적 강풍위해성 평가 기법에 대한 연구는 매우 미흡한 단계라고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 지표조도상황과 지형이 풍속에 미치는 영향을 국가 차원에서 구축하고 있는 토지피복지도와 수치고도모형의 지리정보를 기반으로 평가하여 지역적 강풍위해성을 평가하는 기법을 제시하고자 한다. 본 연구에서는 풍속에 영향을 미치는 지역특성을 반영한 강풍위해지도(Wind Hazard Map, WHM)를 개발 한다.

가설 설정

U(real)은 관측지점에서 관측된 10분 평균풍속을 나타내며, K_zt는 지형할증모형으로부터 산출된 지형할증계수, z₀는 지표조도모형으로부터 나온 조도길이, H_a는 풍속계의 높이를 말한다. 부산(159) 지점에서의 풍속계 높이는 17.8 m로 명시적이지만, 그 외 관측지점의 풍속계 높이 정보는 가용하지 않은 관계로 10 m 높이로 가정하였다. U/K_zt는 관측풍속을 지형할증계수로 나누어 줌으로써 평지에서의 풍속을 얻는 과정을, 대수 법칙 풍속 분포식으로부터 구한 u_*는 마찰속도를 각각 나타낸다.
중분류 토지피복지도를 이용하여 비닐하우스의 면적은 알 수 있으나 어떤 종류의 비닐하우스 시설이 있는지에 대한 정보는 알 수 없다. 비닐하우스의 모든 영역이 07-단동-08의 내재해형 비닐하우스 시설물로 운영되고 있다고 가정한다면 제주 지역의 피해를 산출할 수 있다.
그림 6(a)에 보이는 것과 같이 2003년 14호 태풍 MAEMI는 부산의 좌측으로 부산과 평행하게 약 60 km 떨어져서 이동하였다. 이와 같은 태풍의 이동경로와 반경 500 km에 이르는 태풍 크기에 비해 부산시 영역은 아주 작은 영역이라는 사실로부터, 부산시 전역이 동일한 지표조도와 지형으로 이루어졌다면, 부산시 전역에서 거의 동일한 풍속이 계측되어야 한다는 가설을 세울 수 있다. 따라서 관측풍속을 본 연구에서 제안하는 지표조도모형과 지형할증모형을 이용하여 보정함으로써 균일풍속을 추정함으로써 개발된 모형의 적용성을 보이고자 하였다.
풍속에 영향을 미치는 지역특성 인자로 지표조도가 풍속변화에 미치는 영향과 지형에 의한 풍속할증 영향을 고려하였다. 지표조도에 의한 영향을 지표조도모형(Surface Roughness Model, SRM)으로 지형에 의한 풍속할증 영향을 지형할증모형(Topographical Effect Model, TEM)으로 개발하고 두 모형은 서로 독립적으로 작용하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

풍속할증계수는 풍향에 따라 지형을 2차원 경사지나 산지로 모델링하고 지형의 특성을 정의하는 매개변수로서 고도, 경사 및 평가 대상 위치를 수치고도모형(DEM)에서 추출하였다. DEM을 통한 풍속할증계수 활용 방법(소방방재청 2009, 이영규 2010)을 통하여 8방위 풍상측에 대한 지형할증모형을 개발하였는데, 그림 2는 그림 1과 마찬가지로 서풍이 부는 경우의 지형할증모형을 보여준다. 산 지형 대부분에서 지형에 의한 풍속할증 영향이 평가되고 있음을 확인할 수 있다.
3 m의 세 개의 영역으로 산정되었는데 이는 근사적으로 건축구조설계기준(대한건축학회 2005)의 지표면조도구분 (노풍도) D, C, B에 각각 해당한다 (이영규 등 2008, 소방방재청 2009, 이영규 2010). 건축구조설계기준 (대한건축학회, 2005)에 의하면 지표조도평가를 위한 풍상측 영향범위는 시설물 높이의 30배 거리를 설정하도록 되어있으나, 본 연구는 특정 시설물에 대한 풍속 평가가 아니므로 지상고도 10 m를 기준으로 강풍위해성평가를 고려할 때 호주의 구조설계기준(Standard Australia, 2002)에서 제시한 바와 같이 1 km로 설정하였다.
지형할증모형은 강풍에 영향을 미치는 지역특성 중 지형에 의한 풍속할증 영향을 평가하기 위한 모형으로, 지형에 의한 풍속 할증량은 풍속할증계수의 개념을 채용하여 8방위 풍상측에 대하여 우리나라 전역에 대하여 평가하였다. 균일강풍지도는 빈도분석법에 의한 균일강풍지도와 태풍 시뮬레이션에 의한 균일강풍지도의 보수적 추정을 통하여 개발되었다.
이에 대한 여러 가지 원인중 하나는 지역별, 시설물 유형별 풍수해에 대한 위해 및 위험이 정량적으로 평가되지 못한 것으로 지적되어왔다. 그러나 본 연구를 통하여 강풍위해지도를 확보함으로써 풍수해 보험요율 산정의 기반을 확보하였다.
먼저 극한 풍속의 산정에 있어서 국내에서는 하영철 등(1998)은 1951~1995년 기간의 풍속 자료와 극한 분포를 이용하여 100년 재현기대풍속에 대한 기본풍속분포도를 작성하였는데, 풍속 시계열의 동질화를 위하여 1972년을 기준으로 이전과 이후의 관측지점의 지표조도를 구분하는 작업을 수행하였다. 또한 기상관측소가 산중턱이나 정상에 위치하여 지형에 의한 풍속할증이 일어나는 지점에 대해서는 해발높이 및 주변 지표면 상황에 따라 지표면으로부터의 유효높이를 고려하여 높이에 따른 풍속의 보정을 행하였다. 이 연구결과는 건축물 하준 기준 및 해설(대한건축학회 2000)과 건설교통부 고시건축구조설계기준(대한건축학회 2005)에 사용되고 있다.
방향성을 갖는 지표조도모형과 지형할증모형의 격자기반의 GIS 연산을 수행하면 지표조도모형과 지형할증모형이 결합된 8개 구성요소의 복합모형이 산출된다. 복합모형의 각 격자는 8개의 값을 갖게 되는데 방재분야에 활용될 목적으로 보수적 접근으로 최대값으로만 구성된 복합모형을 생성하였다.
이 토지피복지도는 Landsat 영상을 분석하여 제작된 것으로 공간 해상도는 30 m×30 m이며, 수역 · 시가화지역 · 나지 · 습지 · 초지 · 산림 · 논 · 밭의 8가지 구분으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 Wieringa(1992, 1993)의 연구를 이용하여 토지피복지도 구분에 따른 지표조도 요소의 가중치를 부여하고 8 방위 풍상 측에 영역에서의 가중치의 산술평균을 통하여 대표 지표조도를 평가하였다. 대표 지표조도는 z₀ = 0.
본 연구에서는 우리나라의 기상학적 여건을 고려하여 연최고풍속 시계열을 이용한 통계학적 빈도 분석을 통한 재현기간풍속 추정 기법과 태풍 시뮬레이션에 의한 재현기간풍속 추정 기법 모두를 적용하여 강풍을 추정하고, 위해성평가의 관점에서 비교하여 상대적으로 높은 풍속을 재현기간풍속으로 산정하였다 (이영규와 이승수 2008). 그림 3은 50년과 100년 재해기간에 해당하는 균일강풍지도를 보여주고 있다.
본 연구의 강풍위해지도의 활용 방안으로 풍수해의 취약한 농가 시설물(비닐하우스, 축사, 잠사)의 피해 가능성 (위험도)을 추정하였다. 이를 위하여 기 개발된 강풍취약도 함수를 이용하였다 (소방방재청 2009).
이를 위하여 기 개발된 강풍취약도 함수를 이용하였다 (소방방재청 2009). 예로서 강풍취약도가 대수정규(Log-normal) 분포식으로 추정될 수 있는 07-단동-8 내재해형 비닐하우스를 이용하였으며, 피해 상태 1(Damage State 1, DS1)은 시설물의 20% 이상이 파괴될 확률, 피해 상태 2(DS2)는 시설물의 50% 이상, 피해 상태 3 (DS3)은 시설물의 80% 이상이 파괴될 확률로 정의하였다.
강풍위해지도는 지표조도모형, 지형할증모형 그리고 균일강풍지도의 세 요소의 결합으로 개발되었다. 지표조도모형은 강풍에 영향을 미치는 지역특성 중 지표조도에 의한 영향을 평가하기 위한 모형으로, 지표조도 z0가 0.005 m, 0.07 m, 0.3 m 인 세 구분으로 이루어져 있으며 8방위 풍상측에 대하여 우리나라 전역에 대하여 평가하였다. 지형할증모형은 강풍에 영향을 미치는 지역특성 중 지형에 의한 풍속할증 영향을 평가하기 위한 모형으로, 지형에 의한 풍속 할증량은 풍속할증계수의 개념을 채용하여 8방위 풍상측에 대하여 우리나라 전역에 대하여 평가하였다.
본 연구에서는 풍속에 영향을 미치는 지역특성을 반영한 강풍위해지도(Wind Hazard Map, WHM)를 개발 한다. 풍속에 영향을 미치는 지역특성 인자로 지표조도가 풍속변화에 미치는 영향과 지형에 의한 풍속할증 영향을 고려하였다. 지표조도에 의한 영향을 지표조도모형(Surface Roughness Model, SRM)으로 지형에 의한 풍속할증 영향을 지형할증모형(Topographical Effect Model, TEM)으로 개발하고 두 모형은 서로 독립적으로 작용하는 것으로 가정하였다.

대상 데이터

내재해형 비닐하우스의 내풍설계강도는 재현기간 30년을 기준으로 설계 및 제작되도록 하고 있으며 (농촌진흥청, 2008), 본 논문에서는 폭 8.2 m, 높이 3.5 m로 내재해형 단동 비닐하우스 가운데 가장 대형인 07-단-08 내재해형 비닐하우스를 손실도 평가의 예로 제시하였다. 이 결과 그림 7에서는 50년 재현기간 강풍위해지도를 이용한 07-단동-08 내재해형 비닐하우스의 손실도 분포를 보여준다.

이론/모형

시설물별 피해액을 평가하기 위해서는 시설물별 재고량과 시설물의 위치 정보가 필요하다. 본 연구에서는 환경부에서 제작한 중분류 토지피복지도를 활용하였다. 중분류 토지피복지도는 23항목으로 구성되어 있으며, 농업지역의 경우, 논, 밭, 비닐하우스, 과수원, 기타재배지의 항목으로 구성되어 있다.
본 연구의 강풍위해지도의 활용 방안으로 풍수해의 취약한 농가 시설물(비닐하우스, 축사, 잠사)의 피해 가능성 (위험도)을 추정하였다. 이를 위하여 기 개발된 강풍취약도 함수를 이용하였다 (소방방재청 2009). 예로서 강풍취약도가 대수정규(Log-normal) 분포식으로 추정될 수 있는 07-단동-8 내재해형 비닐하우스를 이용하였으며, 피해 상태 1(Damage State 1, DS1)은 시설물의 20% 이상이 파괴될 확률, 피해 상태 2(DS2)는 시설물의 50% 이상, 피해 상태 3 (DS3)은 시설물의 80% 이상이 파괴될 확률로 정의하였다.
지형에 의한 풍속할증 영향은 건축구조설계기준(대한건축학회 2005)에서 제시하고 있는 풍속할증계수(지형계수)를 통하여 평가되었다. 풍속할증계수는 풍향에 따라 지형을 2차원 경사지나 산지로 모델링하고 지형의 특성을 정의하는 매개변수로서 고도, 경사 및 평가 대상 위치를 수치고도모형(DEM)에서 추출하였다.

성능/효과

위 세 가지 모형은 격자기반의 GIS 자료로 생성되며, 지표 조도모형과 지형할증모형은 8방위 풍상측에 대해서 산출물이므로 8개의 구성요소로 이루어져 있으며 균일강풍지도는 풍향에 관계없이 개발되었다. 방향성을 갖는 지표조도모형과 지형할증모형의 격자기반의 GIS 연산을 수행하면 지표조도모형과 지형할증모형이 결합된 8개 구성요소의 복합모형이 산출된다.
이 결과 최대복합모형과 균일강풍지도의 GIS 연산을 수행하여 풍향에 무관한 강풍위해지도가 작성되는데 그림 4는 지역특성을 고려한 50년과 100년 재현기간에 대한 강풍위해지 도를 보여준다. 전체적인 특징은 균일강풍지도의 특성이 반영되어 고위도 지역으로 갈수록 강풍위해가 작아지고, 산악지대는 지형할증계수의 영향으로 강풍위해가 크게 나타나고 있으며, 해안선 주변 지역은 지표조도영향으로 강풍위해가 크게 나타나는 지역적 특징 또한 보이고 있다.
8 m/s의 편차가 나타나고 있다. 표본의 수가 적어 확률적으로 단정하기 어려우나 관측풍속에 비해 본 연구에서 개발한 모형을 통하여 지형 및 지표조도의 영향이 상당부분 보정됨을 확인할 수 있다.

후속연구

본 연구에서 균일강풍지도는 풍향이 고려되지 않은 연최고풍속이나 태풍 시뮬레이션을 이용한 극한 풍속을 기반으로 개발되었다. 최종 결과로 요구되는 8 방향 풍향에 대한 위해성 평가를 고려할 때 풍향별 극한 풍속 산정이 고려되어야 하나, 현재 기상청에서는 풍향별 연최고풍속이 제공하고 있지 않아 현실적으로 불가능하며 향후 연최고풍속의 풍향별 빈도를 고려한 산정 과정에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서 태풍 MAEMI(2003)의 관측풍속을 이용하여 지표조도모형과 지형할증모형의 적용성을 검증하였으며, 강풍 위해지도 결과를 이용하여 시설물별 강풍 손실도 평가 활용, 시설물별 강풍 피해액 산정 활용, 시설물별 보험료율 산정에 활용 방안의 예시를 보였다. 특히, 강풍위해지도와 비닐하우스의 취약성 곡선을 이용하여 손실도 평가의 예를 보였으며, 이 외 다른 시설물에 대해서도 시설물에 해당하는 취약성 곡선을 이용하여 강풍으로 인한 손실, 피해 및 보험료율 산정에 활용될 수 있을 것이다.
이와 같이 시설물의 재고와 위치 정보를 알 수 있다면 시설물별 강풍 손실도를 활용하여 시설물별 피해를 산출할 수 있다. 피해 산출의 결과는 시설물 설계 기준에 반영되는 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지표조도모형을 개발하는 목적은 무엇인가?	본 연구에서는 지리정보기반의 강풍위해지도를 개발하였으며, 이는 지표조도모형, 지형할증모형, 균일강풍지도로 구성된다. 지표조도모형은 지표조도가 지표풍에 미치는 영향을 반영하기 위해서 개발되었다. 지형에 의한 풍속할증을 반영하기 위하여 지형 할증모형을 개발하였다.
	지형 할증모형을 개발한 이유는 무엇 때문인가?	지표조도모형은 지표조도가 지표풍에 미치는 영향을 반영하기 위해서 개발되었다. 지형에 의한 풍속할증을 반영하기 위하여 지형 할증모형을 개발하였다. 지형에 의한 풍속할증은 건축구조설계기준(2005)을 채용하여 산정하였다.
	강풍이 갖는 잠재적인 위해성을 정량적으로 어떻게 평가하였는가?	강풍 위해성 평가를 위해서는 지역별로 발생 가능한 극한 풍속을 산정하고 지표의 영향 및 지형의 영향을 고려하여야 하는데, 이와 관련한 국내외의 연구는 다음과 같다. 먼저 극한 풍속의 산정에 있어서 국내에서는 하영철 등(1998)은 1951~1995년 기간의 풍속 자료와 극한 분포를 이용하여 100년 재현기대풍속에 대한 기본풍속분포도를 작성하였는데, 풍속 시계열의 동질화를 위하여 1972년을 기준으로 이전과 이후의 관측지점의 지표조도를 구분하는 작업을 수행하였다. 또한 기상관측소가 산중턱이나 정상에 위치하여 지형에 의한 풍속할증이 일어나는 지점에 대해서는 해발높이 및 주변 지표면 상황에 따라 지표면으로부터의 유효높이를 고려하여 높이에 따른 풍속의 보정을 행하였다. 이 연구결과는 건축물 하준 기준 및 해설(대한건축학회 2000)과 건설교통부 고시건축구조설계기준(대한건축학회 2005)에 사용되고 있다. 한편 미국의 경우 Vickery 등(2000a, 2000b)은 미국 대서양에서 발생하는 허리케인의 전체 이동경로에 대한 경험적 진로 모형을 개발하여 미국 전역에 대한 허리케인 위험 시뮬레이션을 수행하였으며, 이 결과는 미국의 건축물 설계기준인 “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”(ASCE 2005)의 기본풍속으로 사용되고 있다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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