[논문]기후예측모형(WRF)을 이용한 HEC-HMS 모형 적용

백종진; 정용; 최민하

기후예측모형(WRF)을 이용한 HEC-HMS 모형 적용
Application of HEC-HMS Model using Weather Research Forecast(WRF) Model 원문보기

백종진 (한양대학교 건설환경공학과) , 정용 (한양대학교 건설환경공학과) , 최민하 (한양대학교 건설환경공학과)

기후변화는 전 세계적으로 많은 관심을 얻고 있으며 그로 인한 재산과 인명피해의 증가가 우려되고 있다. 기후변화에 대해 가장 취약한 부분은 수자원분야이며 수자원 활용의 극대화를 위하여 여러 예측방법이 활용되고 있다. 본 연구에서는 기상변화의 예측 및 모델링 기법 중 하나와 수문모델의 융합 기법을 활용하였다. 선행 연구에서는 레이더 강우자료와 지상 우량계의 강우자료로 여유추정시간에 대한 단기 예측만이 가능하게 하였는데 이 방법은 조금 더 여유 추정시간을 증가 시키는 장점이 있다. 이 연구에서는 여유추정시간의 증가에 대한 정확성을 검증하기 위하여 청미천 유역을 대상으로 연구를 실시하였다. 연구 방법으로는 ArcGIS와 Arc-View을 사용하여 대상유역의 Curve Number (CN) 값을 추출하고, 강우예측모형인 Weather Research Forecast (WRF) - Advanced Research WRF (ARW) 결과자료와 과거 강우자료의 비교 검증을 통하여 모형의 적용성을 평가하였다. 두 자료는 HEC-HMS의 입력자료가 되며, 이를 바탕으로 지역 유출량 산정 및 지표면 유출 모의를 통한 강우-유출현상을 검토 자료로 활용할 수 있다. 본 연구를 바탕으로 청미천 유역 지표면에서의 강우-유출모의를 개선하여 대상유역의 현상을 보다 유사하게 나타내고자 하였으며, 이와 함께 WRF-ARW 모형을 통하여 여유추정시간의 증가를 모색하고 지역강우 모형이 대한민국 지형의 잘 어울리는 최적화된 매개변수들의 조합을 알아내고 그의 적용현실성을 평가하고자 한다.

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문제 정의

본 연구에서는 집중형 모델과 분포형 모델의 유출에 대한 모의·검토를 하며, The Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model (MM5)의 발전형인 WRF-ARW 모형의 강우자료를 사용하여 강우시의 유역의 지표면 유출을 모의하여 강우-유출 현상에 최적화된 매개변수를 찾아내는데 있다.
본 연구에서는 집중형 모형과 분포형 모형을 이용하여 지점 강우와 WRF 모델을 사용하여 분포된 WRF 모델에서의 강우자료를 비교·검증하는데 목적이 있다.

제안 방법

수평 격자는 Arakawa C 격자 체계를 사용하고, 연직 격자는 Eulerian 질량 좌표계 (mass-based terrain following coordinate)를 이용한다. 이류항에 대해서는 6차 중심 차분법을 도입하며, 플럭스 형태의 진단방정식을 사용하여 질량, 운동량, 엔트로피, 스칼라량을 보존한다.
청미천 유역의 1:25,000 수치지도를 이용하여, Terrain Dataset으로 Triangulated Irregular Networks (TIN)를 구성한 다음(그림 1) Digital Elevation Model (DEM) 자료 (그림 2)를 통해, 청미천 유역의 각각의 흐름방향도, 유량누적, 하천의 정의, 하천분할 등 Arcview기반의 HEC-GeoHMS를 통해서 CN값을 산정 (그림 3)하고, Modclark 방법으로 정의하여 유역을 1000 m × 1000 m 격자 구조 (그림 4)로 HEC-HMS에 적용한다 (그림 5).

대상 데이터

본 연구 대상이 되는 지역은 남한강 하류의 청미천 유역으로 선정하였다. 한강의 제 1지류인 청미천은 농업유역으로 경기도 이천시 장호원읍과 여주시 점동에 걸쳐 분포하고 있다.

이론/모형

ModClark 모형은 집중형 Clark 강우-유출 모형에서 사용하고 있는 기본적인 개념 원리를 기초로 하여 격자구조 등의 강우자료의 모의를 가능하도록 하였다. ModClark에서는 유역을 격자 형태로 분할하여 각각의 격자면적과 해당격자로부터 유역출구까지의 이동거리로 나타낸다.
WRF 모델은 완전 압축성 비정수계 (Fully compressible non-hydrostatic)이며, 수치계에서 3차 적분법 (Runge-Kuuta split-explicit) 을 사용한다. 수평 격자는 Arakawa C 격자 체계를 사용하고, 연직 격자는 Eulerian 질량 좌표계 (mass-based terrain following coordinate)를 이용한다.
WRF 모델은 완전 압축성 비정수계 (Fully compressible non-hydrostatic)이며, 수치계에서 3차 적분법 (Runge-Kuuta split-explicit) 을 사용한다. 수평 격자는 Arakawa C 격자 체계를 사용하고, 연직 격자는 Eulerian 질량 좌표계 (mass-based terrain following coordinate)를 이용한다. 이류항에 대해서는 6차 중심 차분법을 도입하며, 플럭스 형태의 진단방정식을 사용하여 질량, 운동량, 엔트로피, 스칼라량을 보존한다.

성능/효과

레이더 강우를 이용한 유출모의에 대한 연구로는 김병식 등 (2008)은 레이더 강우자료로 Vflo^TM 모형과 ModClark 모형을 사용하여 임진강 유역에 모의하였다. 두 모형 다 좋은 결과를 나타내었고, 미계측 지역에 효과적인 유출모의를 하기 위해서는 보다 좋은 공간자료가 필요하다고 시사하였다. 이와 같이 여러 연구와의 융합을 통한 연구들이 진행되고 있다.

후속연구

본 연구에서는 집중형 모델과 분포형 모델의 유출에 대한 모의·검토를 하며, The Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model (MM5)의 발전형인 WRF-ARW 모형의 강우자료를 사용하여 강우시의 유역의 지표면 유출을 모의하여 강우-유출 현상에 최적화된 매개변수를 찾아내는데 있다. 차후 정확한 격자형 구조와 유역 내의 지형인자를 산출하여 유역 내의 현상을 강우-유출 현상을 향상 시킬 수 있을 것이다.

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