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문제 정의
- 기후변화가 앞으로 어떻게 진행될지는 정확히 예측하기는 어렵지만, 과거에 비해 더 강력한 해안재난의 가능성이 제기되고 있는 만큼 이에 대한 방재시설과 방재대책의 수립을 위한 장기적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한 향후 다양한 기후변화 시나리오에 따른 연안침수예상도 등의 재해도를 작성하는데 있어서도 본 연구의 결과를 활용하고자 한다.
- 이러한 가능 최대태풍의 실제 발생 확률은 매우 낮지만 연안에 위치한 발전소 등의 주요 시설물의 설계에는 방재차원에서 이러한 극한 요소까지 고려되어야 할 필요성이 있다. 본 연구에서는 이러한 미래의 가능 최대 태풍강도가 적용된 태풍이 내습할 경우, 얼마나 큰 폭풍해일고가 분포하게 될 지를 수치모델로 모의하여 검토하였다. 이를 위하여 과거 우리나라에서 가장 큰 폭풍해일에 의한 피해를 준 태풍 Maemi를 기준으로 폭풍해일고를 산정하고, 태풍 Maemi의 경로와 앞에서 제시한 기후변화 시나리오 20C3M, 1PCTTO 2X, 1PCTTO 4X에 따른 최대강도가 적용된 태풍특성(최저중심기압)을 기존의 태풍 정보에 조합하여 가상태풍을 선정하고, 이에 따른 폭풍해일고의 특성을 비교하였다.
- 본 연구에서는 태풍의 발생에 있어서 열역학적 최대 한계이론을 적용한 강도한계치 추정 모델을 이용하여 대기 중 이산화탄소 농도에 따른 미래의 기후변화 시나리오에 따라 동북아 해역의 지역별 가능 최대태풍의 강도를 추정하였다. 각 기후변화 시나리오에 따른 태풍의 가능 강도는 최저중심기압 및 최대풍속의 공간분포로 제시하였다.
제안 방법
- [1992], Thompson and Cardone[1996] 등의 연구에 소개되어 있다. FVCOM 모형에서 사용되는 풍속에 대한 항력계수 CD는 Large and Pond[1981]가 제안한 식을 다음과 같이 수정하여 사용하였다.
- Table 4의 좌측에는 각 시나리오에 따른 4개 조위 관측지점에서의 모의된 폭풍해일고의 최대값과 태풍 Maemi 모의시의 최대값 결과에 대비한 증가율을 제시하였으며, 우측에는 국토해양부[2010]에서 추산한 재귀년도 별 폭풍해일고를 비교하여 나타내었다. Fig.
- 본 연구에서는 태풍의 발생에 있어서 열역학적 최대 한계이론을 적용한 강도한계치 추정 모델을 이용하여 대기 중 이산화탄소 농도에 따른 미래의 기후변화 시나리오에 따라 동북아 해역의 지역별 가능 최대태풍의 강도를 추정하였다. 각 기후변화 시나리오에 따른 태풍의 가능 강도는 최저중심기압 및 최대풍속의 공간분포로 제시하였다. 산출된 가능 최저중심기압 및 최대풍속의 공간분포를 살펴보면 시나리오 상의 대기 중 이산화탄소의 증가분에 따라 가능 강도도 급격히 증가하는 것으로 나타났다.
- 강도한계치 추정을 위한 미래의 장기간 기후 모델자료는 IPCC(유엔정부간 기후변화위원회)의 4차 보고서[2007]의 기후변화 시나리오를 모의한 독일의 MPI-M(Max Planck Institute for Meteorology)의 결과를 사용하였다. 각 시나리오에 따라 추정된 태풍의 최대 가능 강도의 결과는 최저중심기압 및 최대 풍속의 공간분포로 제시하였다. 그리고 각 시나리오별로 발현 가능한 최대의 강도를 가지는 가상태풍이 내습 시 얼마나 큰 폭풍해일고를 발생시킬 수 있는지에 대한 수치실험을 진행하였다.
- 각 시나리오에 따라 추정된 태풍의 최대 가능 강도의 결과는 최저중심기압 및 최대 풍속의 공간분포로 제시하였다. 그리고 각 시나리오별로 발현 가능한 최대의 강도를 가지는 가상태풍이 내습 시 얼마나 큰 폭풍해일고를 발생시킬 수 있는지에 대한 수치실험을 진행하였다. 가상태풍의 경로는 남해해역에서 과거의 기왕 최대태풍의 극값을 경신한 태풍 Maemi의 것을 이용하였다.
- 태풍의 강도는 최저중심기압과 최대풍속으로 표시할 수 있은데, 기후변화에 따른 태풍강도의 변화를 예측하는 것은 쉽지 않다. 기후모델에서 태풍강도를 충분히 모의하지 못하기 때문에, 기후모델에서 모의된 해수면온도와 기온의 연직구조로부터 태풍의 강도를 추정하고자 한다.
- 또한 시나리오별로 발생 가능한 최대강도의 가상태풍을 선정하여 각각의 폭풍해일고를 산출하였다. 이를 위하여 각 시나리오별로 산출된 태풍강도의 공간분포로부터 과거 남해 동부역에 최대의 폭풍해일고 피해를 입힌 태풍 Maemi의 경로를 따르는 시나리오별 가상태풍을 설정하여 폭풍해일고 산출 수치모의를 수행하였으며, 각각의 추정된 폭풍해일고를 비교검토하였다.
- IPCC 4차 보고서에서는 여러 종류의 기후변화 시나리오를 제시하고 있으며, 동일한 시나리오에 따라 전세계의 약 22개의 연구소에서 기후변화예측 모델을 수행하여 그 결과를 WDC(World Data Center for Climate, Hamburg) 웹페이지에 공유하고 있다. 본 연구에 적용된 IPCC의 기후변화 시나리오는 그 중에서 3가지 경우로서 지구온난화에 대한 직접적인 지표로서 온실효과에 대한 기여도가 가장 높은 이산화탄소의 농도변화에 따른 기후변화를 모의한 것이다(Table 1).
- 여수, 마산, 부산 등은 태풍 Maemi 내습 시 조위의 상승과 함께 큰 폭풍해일고가 관측된 주요 지역이다. 본 연구에서는 이들 지역에 대한 과거의 태풍 Maemi에 의한 폭풍해일고를 산출하고, 앞서 Table 3에서 제시한 각 기후변화 시나리오에 의한 가상태풍 조건으로 산출한 폭풍해일고의 결과와 비교하였다. 지역적인 변동성의 시간변화를 알아보기 위해 Fig.
- 또한 시나리오별로 발생 가능한 최대강도의 가상태풍을 선정하여 각각의 폭풍해일고를 산출하였다. 이를 위하여 각 시나리오별로 산출된 태풍강도의 공간분포로부터 과거 남해 동부역에 최대의 폭풍해일고 피해를 입힌 태풍 Maemi의 경로를 따르는 시나리오별 가상태풍을 설정하여 폭풍해일고 산출 수치모의를 수행하였으며, 각각의 추정된 폭풍해일고를 비교검토하였다.
- 본 연구에서는 이러한 미래의 가능 최대 태풍강도가 적용된 태풍이 내습할 경우, 얼마나 큰 폭풍해일고가 분포하게 될 지를 수치모델로 모의하여 검토하였다. 이를 위하여 과거 우리나라에서 가장 큰 폭풍해일에 의한 피해를 준 태풍 Maemi를 기준으로 폭풍해일고를 산정하고, 태풍 Maemi의 경로와 앞에서 제시한 기후변화 시나리오 20C3M, 1PCTTO 2X, 1PCTTO 4X에 따른 최대강도가 적용된 태풍특성(최저중심기압)을 기존의 태풍 정보에 조합하여 가상태풍을 선정하고, 이에 따른 폭풍해일고의 특성을 비교하였다.
- 본 연구에서는 기후변화 시나리오에 따라 미래에 발생 가능한 태풍의 최대강도를 추정하기 위하여 태풍발생에 있어서의 열역학적 최대한계이론을 적용하였다. 이를 통하여 미래의 수온상승과 기온의 수직 성층분포변화를 고려한 동북아 해역의 지역별 가능 최대 태풍의 강도를 추정하였다. 강도한계치 추정을 위한 미래의 장기간 기후 모델자료는 IPCC(유엔정부간 기후변화위원회)의 4차 보고서[2007]의 기후변화 시나리오를 모의한 독일의 MPI-M(Max Planck Institute for Meteorology)의 결과를 사용하였다.
- 가상태풍의 경로는 남해해역에서 과거의 기왕 최대태풍의 극값을 경신한 태풍 Maemi의 것을 이용하였다. 이를 통해 미래의 기후변화 시나리오에 따라 발생 가능한 강력한 태풍에 의한 여수, 마산, 부산 등 남해안의 주요 연안지역에서의 최대 폭풍해일고의 변동성을 살펴보았다.
- 본 연구에서는 이들 지역에 대한 과거의 태풍 Maemi에 의한 폭풍해일고를 산출하고, 앞서 Table 3에서 제시한 각 기후변화 시나리오에 의한 가상태풍 조건으로 산출한 폭풍해일고의 결과와 비교하였다. 지역적인 변동성의 시간변화를 알아보기 위해 Fig. 6에서와 같이 각 관측지점에서의 폭풍해일고 변화양상을 도시하였다.
- 폭풍해일고의 계산은 조석-흐름 상호작용에 의한 비선형성을 고려하기 위하여 폭풍해일과 조석을 동시에 고려하여 수치모의한 결과에서 조석만을 모의한 결과를 빼주어 산출하였다. 개방경계에서의 조석조건은 NAO99b/NAO99jb(Mastsumoto et al.
대상 데이터
- 그리고 각 시나리오별로 발현 가능한 최대의 강도를 가지는 가상태풍이 내습 시 얼마나 큰 폭풍해일고를 발생시킬 수 있는지에 대한 수치실험을 진행하였다. 가상태풍의 경로는 남해해역에서 과거의 기왕 최대태풍의 극값을 경신한 태풍 Maemi의 것을 이용하였다. 이를 통해 미래의 기후변화 시나리오에 따라 발생 가능한 강력한 태풍에 의한 여수, 마산, 부산 등 남해안의 주요 연안지역에서의 최대 폭풍해일고의 변동성을 살펴보았다.
- 이를 통하여 미래의 수온상승과 기온의 수직 성층분포변화를 고려한 동북아 해역의 지역별 가능 최대 태풍의 강도를 추정하였다. 강도한계치 추정을 위한 미래의 장기간 기후 모델자료는 IPCC(유엔정부간 기후변화위원회)의 4차 보고서[2007]의 기후변화 시나리오를 모의한 독일의 MPI-M(Max Planck Institute for Meteorology)의 결과를 사용하였다. 각 시나리오에 따라 추정된 태풍의 최대 가능 강도의 결과는 최저중심기압 및 최대 풍속의 공간분포로 제시하였다.
- 폭풍해일고의 계산은 조석-흐름 상호작용에 의한 비선형성을 고려하기 위하여 폭풍해일과 조석을 동시에 고려하여 수치모의한 결과에서 조석만을 모의한 결과를 빼주어 산출하였다. 개방경계에서의 조석조건은 NAO99b/NAO99jb(Mastsumoto et al.[2000])의 단기 해양 조석 모델 결과에서 제공되는 조화상수 중 주요 8개 분조를 사용하였다.
- 관측자료는 국립해양조사원의 1분 조위자료를 사용하였으며, 원자료에서 추산 조위값을 빼주어 비조위 성분을 추출하고, 이를 폭풍해일고의 관측값으로 적용하였다. FVCOM 모델에 의한 태풍 Maemi의 폭풍해일고 산출 결과를 보면 마산에서는 관측 최대값에 비해 각각 2 cm가 크게 산출되었고, 여수 및 부산에서는 각각 2 cm, 4 cm가 작게 산출되었다.
- 본 연구에서는 강도한계이론을 적용한 동북아 해역의 가능 태풍 강도를 추정하였는데, 이를 위한 입력 데이터는 독일 MPI-M(Max Planck Institute for Meteorology)의 ECHAM5 기후모델을 통해 산출되는 각종 기후변화 시나리오 별 결과 자료를 이용하였다. 수치 계산은 강도한계치 추정 모델을 이용하여 각 격자별로 계산이 수행되며, 해수면 온도와 연직 기압, 기온 및 혼합비 등의 수직 대기분포 정보가 입력 자료로 쓰이게 된다.
이론/모형
- 본 연구에서는 기후변화 시나리오에 따라 미래에 발생 가능한 태풍의 최대강도를 추정하기 위하여 태풍발생에 있어서의 열역학적 최대한계이론을 적용하였다. 이를 통하여 미래의 수온상승과 기온의 수직 성층분포변화를 고려한 동북아 해역의 지역별 가능 최대 태풍의 강도를 추정하였다.
- 강도한계치 추정 이론의 장점은 해수면 온도와 대기 온습도의 연직 자료 등을 이용하여 태풍 강도의 한계치를 직접 계산할 수 있다는 것이다. 본 연구에서는 동북아 일대에서의 가능 최대 태풍 강도를 Emanuel[1995]이 제시한 강도한계치 추정 모델을 이용하여 미래의 기후변화 시나리오(IPCC[2007])에 따라 산출하였다.
- 폭풍해일고 산출을 위한 외력으로서 해상풍과 기압장에 대한 공간분포장이 필요한데, 본 연구에서는 태풍 파라미터 모델인 CE(U.S. Army Corps of Engineers) 해상풍 모델을 이용하여 태풍시 바람과 기압장을 산출하였다. CE 해상풍 모델의 주요 입력 파라미터에는 태풍의 중심위치, 최저중심기압, 최대풍 반경 등이 포함된다.
- 폭풍해일고의 산정에는 삼각형 가변격자망을 사용하는 3차원 유한체적모형 FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model, Chen et al.[2004, 2006])이 적용되었다. FVCOM은 유한차분모델 또는 유한요소모델과는 다른 적분형태의 지배방정식을 갖는데 유한차분법의 흐름계산을 이용하여 수치적으로 계산하며, 유한요소법과 같은 삼각형 격자망를 이용한다.
성능/효과
- 관측자료는 국립해양조사원의 1분 조위자료를 사용하였으며, 원자료에서 추산 조위값을 빼주어 비조위 성분을 추출하고, 이를 폭풍해일고의 관측값으로 적용하였다. FVCOM 모델에 의한 태풍 Maemi의 폭풍해일고 산출 결과를 보면 마산에서는 관측 최대값에 비해 각각 2 cm가 크게 산출되었고, 여수 및 부산에서는 각각 2 cm, 4 cm가 작게 산출되었다. 이는 태풍시의 바람장을 재현하는데 적용되는 기상 파라미터의 관측치에 여러 오차요인이 존재하기 때문인데, 전반적인 폭풍해일고 변화 양상은 잘 모의되는 것으로 나타났다.
- 우선 시나리오 별 최대해일고 산출 결과를 보면 여수, 마산 등 태풍의 진로에 가까이 위치한 관측지점에서의 해일고 상승률이 상대적으로 크게 나타났다. 가상태풍에 의한 폭풍해일고의 최대치를 비교해보면, 태풍 Maemi 시의 폭풍해일고에 비해 1PCTTO 2X 시나리오의 경우 여수에서 105 cm(63%), 마산에서 80 cm(38%), 그리고 부산에서는 27 cm(34%)의 해일고 상승이 가능할 것으로 모의되었다. 또한 1PCTTO 4X 시나리오의 경우 여수에서 109 cm(65%), 마산에서 92 cm(43%), 그리고 부산에서는 29 cm(36%)의 해일고 상승이 나타났다.
- 이는 태풍시의 바람장을 재현하는데 적용되는 기상 파라미터의 관측치에 여러 오차요인이 존재하기 때문인데, 전반적인 폭풍해일고 변화 양상은 잘 모의되는 것으로 나타났다. 각 기후변화 시나리오에 따른 폭풍해일고의 전반적인 시간 변화 양상은 각 시나리오별로 달리 적용된 최저중심기압의 분포에 따라 최대해일고의 산출 결과가 크게 나타났다.
- 각 조위관측 지점에서의 기후변화 시나리오에 따른 가상태풍에 의한 최대해일고 분포는 태풍 Maemi의 모의 결과에 비하여 각 시나리오 별로 여수에서 78~110 cm (46~65%), 마산에서 36~92 cm (17~43%), 그리고 부산에서는 4~29 cm (4~36%)의 최대 상승을 나타내었다. 특히 마산의 경우 미래의 기후변화 시나리오가 고려된 가능 폭풍해일고의 최대값은 기존 연구에서 산출된 재귀년도 200년 확률의 폭풍해일고를 최대 19 cm 상회하는 것으로 나타났다.
- 기후변화 시나리오에 따른 각 지점에서의 최대해일고 값을 Table 4의 우측에 제시한 국토해양부[2010]의 연구에서 추산된 각 재귀년도별 폭풍해일고의 값과 비교하여 보면 태풍 Maemi의 경우 마산에서 재귀년도 50년을 상회하는 태풍이었음을 알 수 있고, 20C3M 시나리오는 재귀년도 100년, 1PCTTO 2X와 1PCTTO 4X의 경우는 재귀년도 200년을 각각 7 cm, 19 cm 정도로 상회하는 수준임을 보여주고 있다. 여수의 경우 20C3M 시나리오는 재귀년도 50년, 1PCTTO 2X와 1PCTTO 4X의 경우는 재귀년도 100년의 폭풍해일고를 상회하는 수준을 나타내었다.
- 또한 부산에서는 모든 기후변화 시나리오에 따른 폭풍해일고 결과가 재귀년도 50년의 값에 못미치는 것으로 나타났는데, 이는 태풍 Maemi가 부산을 내습한 대표 태풍이 아니었으며, 어느 정도 거리를 두고 지나갔기 때문으로 보인다. 따라서 본 연구에서의 태풍 Maemi의 경로를 활용한 결과는 특히 마산 인근해역에 대한 가능 최대 폭풍해일고 값을 제시해 줄 수 있다고 할 수 있다. 이와 함께 특정 해역에서의 가능 최대 해일고의 추산을 위해서는 그 해역에서의 과거 최대 폭풍해일고를 일으킨 태풍 등의 경로를 활용할 수 있다.
- 우리나라 남해 및 동해의 분포를 살펴보면 20C3M 시나리오의 경우 약 940~950 hpa의 최저중심기압과 60~70 m/s의 최대풍속이 나타나고, 1PCTTO 2X 시나리오의 경우 약 920~930 hpa의 최저중심기압과 70~80 m/s의 최대풍속, 그리고 1PCTTO 4X 시나리오의 경우 약 910~930 hpa의 최저중심기압과 75~85 m/s의 최대풍속이 추정되었다. 또한 황해에서는 최대풍속 분포가 남해 및 동해의 경우와 비슷한 범위를 보이지만, 최저중심기압의 경우 20C3M 시나리오의 경우 약 930~970 hpa, 1PCTTO 2X 시나리오의 경우 약 900~940 hpa, 그리고 1PCTTO 4X 시나리오의 경우 약 900~920 hpa이 추정되어 남해 및 동해에 비해 약 10~20 hpa 더 낮은 분포를 나타내는 것으로 추정되었다.
- 각 기후변화 시나리오에 따른 태풍의 가능 강도는 최저중심기압 및 최대풍속의 공간분포로 제시하였다. 산출된 가능 최저중심기압 및 최대풍속의 공간분포를 살펴보면 시나리오 상의 대기 중 이산화탄소의 증가분에 따라 가능 강도도 급격히 증가하는 것으로 나타났다.
- 우선 시나리오 별 최대해일고 산출 결과를 보면 여수, 마산 등 태풍의 진로에 가까이 위치한 관측지점에서의 해일고 상승률이 상대적으로 크게 나타났다. 가상태풍에 의한 폭풍해일고의 최대치를 비교해보면, 태풍 Maemi 시의 폭풍해일고에 비해 1PCTTO 2X 시나리오의 경우 여수에서 105 cm(63%), 마산에서 80 cm(38%), 그리고 부산에서는 27 cm(34%)의 해일고 상승이 가능할 것으로 모의되었다.
- 2에는 본 연구에서 강도한계치 추정모델로 추정한 각 시나리오별 최대가능태풍 강도의 공간분포를 나타낸 것이다. 태풍강도는 최저중심기압과 최대풍속으로 구분하여 나타냈으며, 대기 중 이산화탄소 농도치에 비례하여 20C3M, 1PCTTO 2X, 1PCTTO 4X 시나리오 순으로 더 낮은 최저중심기압과 더 높은 최대풍속이 분포하는 것으로 추정되었다. 우리나라 남해 및 동해의 분포를 살펴보면 20C3M 시나리오의 경우 약 940~950 hpa의 최저중심기압과 60~70 m/s의 최대풍속이 나타나고, 1PCTTO 2X 시나리오의 경우 약 920~930 hpa의 최저중심기압과 70~80 m/s의 최대풍속, 그리고 1PCTTO 4X 시나리오의 경우 약 910~930 hpa의 최저중심기압과 75~85 m/s의 최대풍속이 추정되었다.
- 각 조위관측 지점에서의 기후변화 시나리오에 따른 가상태풍에 의한 최대해일고 분포는 태풍 Maemi의 모의 결과에 비하여 각 시나리오 별로 여수에서 78~110 cm (46~65%), 마산에서 36~92 cm (17~43%), 그리고 부산에서는 4~29 cm (4~36%)의 최대 상승을 나타내었다. 특히 마산의 경우 미래의 기후변화 시나리오가 고려된 가능 폭풍해일고의 최대값은 기존 연구에서 산출된 재귀년도 200년 확률의 폭풍해일고를 최대 19 cm 상회하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 기후변화가 앞으로 어떻게 진행될지는 정확히 예측하기는 어렵지만, 과거에 비해 더 강력한 해안재난의 가능성이 제기되고 있는 만큼 이에 대한 방재시설과 방재대책의 수립을 위한 장기적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한 향후 다양한 기후변화 시나리오에 따른 연안침수예상도 등의 재해도를 작성하는데 있어서도 본 연구의 결과를 활용하고자 한다.
- 왜냐하면 어떠한 재귀년도를 적용할 것인지 결정하기 쉽지 않을 뿐만 아니라, 극치분석에 의한 값이 과거의 해양 조건이 미래에도 동일하게 작용할 것이라는 가정 하에 추산된 것이기 때문에 재귀년도가 늘어날수록 신뢰성이 떨어지고 기후변화를 고려하지 못하는 단점을 갖고 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서의 기후변화 시나리오가 고려된 최대가능태풍에 의한 최대 폭풍해일고의 산출은 특정 지역에서의 폭풍해일고의 극치값을 추산하는 여러 방안 중 하나로서 그 활용성이 있을 것으로 본다.
- 따라서 이상과 같은 미래의 기후변화 요소가 고려된 최대가능 태풍에 의한 피해는 얼마나 막대할 것인지에 대해서 그 위험성을 충분히 판단할 수 있다. 특히 연안에 위치하는 발전소나 가스시설 등의 주요 시설물의 경우에는 발생 가능한 극한의 외력 조건에 대해서도 안전성을 확보할 수 있도록 설계되어야하는데, 이에 대해 기후변화 시나리오를 고려한 태풍강도의 증가를 폭풍해일고의 산출에 반영한 본 연구는 태풍에 의한 가능한 폭풍해일고의 극값을 추정할 수 있는 좋은 방안이 될 수 있다.
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