[논문]고정밀 수문레이더 기반 스마트 도시홍수 감시기술 추진현황과 전망

채효석; 이규원; 황의호; 한건연; 유완식; 이동률; 성장용; 백창현

문제 정의

2). Theme 2에서는 레이더 관측망, MTSAT 위성, 지상 관측망을 이용하여 국지성 호우와 강풍 발생 등의 극한 기상 관측 및 예측을 목표로 추진되었다. 특히, X 밴드 및 C 밴드로 구성된 총 13대의 레이더를 이용하여 관측망을 구축하여 국지성 호우를 관측하였으며, 수치예보(Numerical Weather Prediction; NWP)모델을 이용하여 강우 및 기상 예측을 수행하여 홍수 예·경보 활용에 관한 연구가 수행되었다(그림 6.
본 장에서는 도시홍수 관리를 위한 고정밀 수문레이더의 활용방안에 대해 선진국의 기술동향을 살펴보고자 한다. 현재 미국과 일본을 중심으로 레이더망 구축 및 도시지역 국지성 호우 탐지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이와 관련한 세부 기술 동향은 다음과 같다.
CASA-ERC 프로젝트는 고정밀 수문레이더를 이용하여 대형 레이더(WSR-88D)에서 관측이 어려운 저층 및 국지성 호우 관측과 예측 등의 정밀성을 확보하기 위해 4개 대학(메사추세츠 대학, 오클라호마 대학, 콜로라도 주립대학, 푸에르토리코 대학), 산업체 및 정부기관 등이 참여하였다. 이 프로젝트의 주요한 목적으로는 여러 대의 분산된 레이더를 이용하여 네트워크를 구축하고 협력하여 최적의 관측전략 및 저층 기상탐사를 하는 것이다(그림 3.1). 프로젝트 초기에는 4대의 고정밀 수문레이더를 배치 및 네트워크를 구축하여 데이터를 획득하였으며, 최종단계에는 고정밀 수문레이더를 16〜20기로 확장하는 것을 목표로 추진하였다.
도시홍수 피해를 경감하기 위해서는 치수사업 등과 같은 구조적인 대책도 필요하지만, 도시홍수 예·경보를 통한 대비시간의 확보 등과 같은 비구조적인 대책도 중요하며, 이에 도시홍수 예·경보를 통한 선행시간 확보를 위한 국민 맞춤형 도시홍수 감시·예측 시스템 구축에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이에 본고에서는 도시홍수 관리를 위한 고정밀 수문레이더의 활용방안에 대해 선진국의 기술 동향을 살펴보고, 수재해 정보플랫폼 융합기술 연구단에서 고정밀 수문레이더 구축 및 운영을 통한 한국형 수재해 대응기술 개발을 목표로 수행 중에 있는 스마트 도시홍수 감시기술개발 현황과 사례를 소개하고자 한다.

제안 방법

1과 같이 Theme 1 “Studies on extreme weather with dense meteorological observations”, Theme 2 “Development of the extreme weather early detection and prediction system”, Theme 3 “Social experiments on extreme weather resilient cities”로 구성되어 추진되었다. Theme 1에서는 국지성 호우를 유발할 수 있는 대류세포의 생성, 발달 및 소멸 과정을 이해하고, 홍수와 산사태 등과 같은 자연재해를 유발할 수 있는 국지성 호우의 매커니즘을 밝히기 위해 도쿄 도시지역을 대상으로 다양한 기상관측 센서의 설치 및 운용을 수행하였다(그림 6.2). Theme 2에서는 레이더 관측망, MTSAT 위성, 지상 관측망을 이용하여 국지성 호우와 강풍 발생 등의 극한 기상 관측 및 예측을 목표로 추진되었다.
3). Theme 3에서는 긴급대응, 하천관리, 사회기반시설, 교육 등 4가지 분야에 Theme 2에서 산출된 정보를 어떻게 적용하고 활용하면, 사회에 효과적이고 적절히 사용할 수 있는지에 대한 실험을 수행하여 피해저감 효과 등을 검증하고, 현재의 방재 수행체계 등을 평가하였다(그림 6.4).

대상 데이터

1). 프로젝트 초기에는 4대의 고정밀 수문레이더를 배치 및 네트워크를 구축하여 데이터를 획득하였으며, 최종단계에는 고정밀 수문레이더를 16〜20기로 확장하는 것을 목표로 추진하였다. 이를 통해 기존의 대형레이더로는 탐지가 어려운 저층 탐지에 대해 초고속 스캔을 통하여 고분해능 자료를 빠르게 획득하여 국지성 강우에 대비하여 도시홍수 경보시스템 구축과 강우 추정 및 초단기강우예보의 예측능력을 향상시켰으며, 시·공간적인 고해상도 관측능력 뿐만 아니라 도입비용 및 운영관리에 있어 경제성 측면 또한 효용성을 검증하였다(그림 4.

성능/효과

5 km 이상의 강우관측을 중심으로 운영됨에 따라 저층강우의 탐지 및 변동성 관측에 취약하다. 또한 고정밀 수문레이더는 수문학적으로 중요한 공간해상도(100m) 및 시간해상도(1〜1.5분) 관측이 가능하여 강우의 추정을 보다 정확하게 수행 가능하며, 집중호우에 대한 도시침수 및 사면재해 대응 등에 기존 대형 레이더에 비해 효율적인 것으로 사료된다(표 1).
이를 통해 기존의 대형레이더로는 탐지가 어려운 저층 탐지에 대해 초고속 스캔을 통하여 고분해능 자료를 빠르게 획득하여 국지성 강우에 대비하여 도시홍수 경보시스템 구축과 강우 추정 및 초단기강우예보의 예측능력을 향상시켰으며, 시·공간적인 고해상도 관측능력 뿐만 아니라 도입비용 및 운영관리에 있어 경제성 측면 또한 효용성을 검증하였다(그림 4.2).
이를 계기로 고정밀 수문레이더가 도시지역을 중심으로 설치되고 있으며, 현재 39기의 고정밀 수문레이더를 설치하여 방재활동에 활용하고 있다. 일본 고정밀 수문레이더는 공간 분해능 250m, 시간 분해능 1분으로 기존의 대형 레이더의 공간 분해능 1km, 시간 분해능 5분과 비교하여 고해상도의 자료를 제공함을 알 수 있으며, 그림 1은 일본 전역에 설치된 39기의 고정밀 수문레이더 현황을 나타내며, 기존 대형 레이더와의 비교를 통해 고해상도 관측이 가능함을 확인 가능하다.

후속연구

또한, 현 정부 국정목표인 “국민안전과 생명을 지키는 안심사회“ 실현을 위한 핵심적인 기술 개발과 함께 미래성장동력 신산업 육성, 자연재해 예보시스템, 맞춤형 수문기상정보 서비스 등의 국민 맞춤형 재해정보 제공 기술력 등 재난·재해에 체계적으로 대응하기 위한 기술 확보에 중점 투자가 필요하다. 나아가, 국가 전략사업으로 추진 중인 스마트시티 구축 사업은 도시민의 안전을 확보하는데 스마트통합재해 관리시스템은 필수적인 요소이며, 본 연구에서 추진 중인 고정밀 수문레이더를 이용한 실시간 도시 국지성 호우 모니터링 및 ICT 기반 지능화된 홍수 감시 시스템 등은 홍수예방 및 선제적 대응의 핵심 솔루션으로 중요한 역할을 수행 할 것으로 기대된다.
특히, 고정밀 수문레이더와 기존 대형 레이더의 연계를 통해 강우의 오차구조를 규명하고 오차가 최소화된 최적의 융합강우를 생성하고 있으며, 변분론적 방법과 대형 레이더의 합성을 통한 레이더 기반의 실황예보(3시간)을 제공하기 위해 강우 Case별 정확도, 통계적 오차 등 정량적 검증 및 평가를 수행하고 있다. 또한, 고정밀 수문레이더 기반 실시간 수문정보 자료를 활용한 스톰 규모의 초단기 구름분해능 예측모델 개발을 통해 고분해 강우예측(6시간)을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 고정밀 수문레이더는 기존 대형 레이더 관측망이 제공하지 못하는 저층(1km 내외) 강우 등 고분해능 자료를 제공함으로써 구름분해능 예측모델의 입력자료(초기장)의 개선효과를 기대할 수 있다.
고정밀 수문레이더 기반 도시홍수 감시시스템의 운영을 위해 4가지 핵심 요소기술을『고정밀 수문레이더 실증테스트베드 운영기술』,『고정밀 수문레이더 수문정보 생성 및 자료동화 기술』,『실시간 지역 수재해 정보예측 기술』, 『스마트 도시홍수 감시시스템 기술』로 설정하여 국제 최고수준의 독자기술 확보를 목표로 추진 중에 있다. 또한, 본 과제를 통해 세계 최고 수준의 원천기술을 확보하고, 현재까지 개발된 기법을 이용하여 대국민 서비스 및 활용 가능한 수재해 정보제공 플랫폼을 구축하고 있다. 또한 국토교통부(하천운영과, 홍수통제소), 지차체(서울시, 부산EDC) 등 공동활용 및 실용화 방안을 위한 협의가 진행되고 있으며, 이번 홍수기 시범운영을 통해 문제점 분석 및 보완을 통해 현업화를 추진 중에 있다.
이를 위해 국가 R&D 사업 일환으로 고정밀 수문레이더기반 도시홍수 감시시스템 구축 연구가 착수되었으며, 향후 개발된 기술을 기반으로 하여 도시홍수 피해가 빈번하게 발생하고 있는 지자체를 중심으로 적용 및 확산하는 계기가 되기를 기대한다.
이를 위해 단시간에 침수 상황을 신속히 예측·평가 가능한 기술개발이 필요한 실정이며, 이에 다양한 강우 강도에 따른 시나리오 별 위험배수분구 도시침수해석 결과를 사전에 데이터베이스화하여 자료지향형(data-driven) 도시홍수 예측기법을 개발하였으며, 고정밀 수문레이더 기반 강우 예측정보로부터 침수위험도를 제시함으로써 도시지역 수재해 피해 배수 분구 별 홍수경보 발령 등 신속한 방재대응 및 예방에 기여할 것으로 기대된다.
고정밀 수문레이더는 미국 RXM-25 모델 Magnetron 타입으로 관측반경 40km, 공간분해능 100m 및 시간분해능 1분이 가능하다. 최적운영기술 확보로 서울시 및 수도권에 대한 고정밀 관측이 가능함으로써 도시지역 재해 예경보 시스템이 보다 정확하고 상세화될 것으로 기대된다. 고정밀 수문레이더 기반 도시홍수 감시기술 연구에 관한 상세한 현황과 계획은 본고 4장에 제시하였으며, 그림 2는 고정밀 수문레이더 현황과 계획 등을 나타내고 있다.
향후, 완성된 시스템은 국토부, 행안부, 지자체 등 국가 재해관리 전담기관에서 활용이 가능하며, 도시홍수 피해가 빈번하게 발생하고 있는 동남아시아, 남미 등 다양한 해외기관에 기술이전 및 수출도 가능할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CASA-ERC은 어떤목표로 설립되었는가?	CASA-ERC (Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere-Engineering Research Center) 저층 기상의 관측 및 예측 정확도 향상을 위하여 고정밀 수문 레이더 개발을 목표로 2003년 9월 미 국립 과학 재단의 후원으로 설립되었다. CASA-ERC 프로젝트는 고정밀 수문레이더를 이용하여 대형 레이더(WSR-88D)에서 관측이 어려운 저층 및 국지성 호우 관측과 예측 등의 정밀성을 확보하기 위해 4개 대학(메사추세츠 대학, 오클라호마 대학, 콜로라도 주립대학, 푸에르토리코 대학), 산업체 및 정부기관 등이 참여하였다.
	레이더란?	레이더(Radio Detection And Ranging)는 목표물을 향해 전파를 발사해서 목표물로부터 되돌아오는 전파의 강도와 목표물까지의 거리를 측정하는 기기이다. 목표물의 위치는 안테나의 방향과 고도각 그리고 송신전파와 반사파의 시간 간격으로부터 알 수 있다.
	단시간에 침수 상황을 신속히 예측·평가 가능한 기술개발이 절실히 요구되고 있는 이유는?	하지만 실시간 침수예측정보를 생산하기 위해서는 기상모델과 침수해석 모델의 정확도에 대한 이슈를 논외로 하더라도 모의시간에 대한 문제가 발생하며, 도시지역의 시·공간적 집중성으로 인해 지상 우량계 및 대형레이더에 의한 적절한 조기대응을 수행하기는 어려운 실정이다. 최근 컴퓨팅 환경의 발전으로 모의시간의 단축에 따른 대응 가능한 수준이 향상되고 있지만, 계산시간을 요하는 침수예측에서는 조기대응에 필요한 선행시간을 확보하고 도시 침수상황을 예측 및 대응하기란 매우 어려운 실정이다. 따라서 단시간에 침수 상황을 신속히 예측·평가 가능한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.

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