사업개요

K-14-SG-04-R 초고성능컴퓨팅기반국가현안대응체계구축 (Building Response System for National-wide Issues Based on High-performance Supercomputer) 미래창조과학부

제출문 미래창조과학부장관귀하 본보고서는미래창조과학부정부출연금에서지원하는 한국과 학기술정보연구원운영사업 중 초고성능컴퓨팅기반국가현안 대응체계구축 " 과제의보고서로제출합니다. 2014. 12 주관연구기관명 : 한국과학기술정보연구원주관연구책임자 : 슈퍼컴퓨팅서비스센터장조민수연구원 : 지구환경지원팀안준언, 육진희, 이지우, 장동민, 이승훈슈퍼컴퓨팅인프라운영실우준슈퍼컴퓨팅사용자지원실강지훈, 성진우, 권오경슈퍼컴퓨팅서비스통합실함재균, 이승민고성능바이오컴퓨팅팀안인성, 유석종, 한영만, 강효진, 김현식, THAI QUANG TUNG, 이명화 - i -

보고서초록 과제관리번호 대과제명 해당단계연구기간 2014.01.01.~ 2014.12.31 단계구분 1 / 5 국가초고성능컴퓨팅기반구축및이용활성화 연구사업명 연구책임자 연구기관명및소속부서명 세부과제명 과제명 영문 조민수 한국과학기술정보연구원슈퍼컴퓨팅서비스센터 초고성능컴퓨팅기반국가현안대응체계구축 Building Response System for National-wide Issues Based on High-performance Supercomputer 총 : 22명정부 : 3,300,000 천원해당단계해당단계내부 : 14명기업 : 천원참여연구원수연구비외부 : 8명계 : 3,300,000 천원 참여기관명 한국해양과학기술원한국천문연구원 국제공동연구상대국명 : 미국상대국연구기관명 : NCAR 위탁연구 연구기관명 : 세종대 연구기관명 : 동국대 연구기관명 : 건국대 연구책임자 : 배덕효 연구책임자 : 박상훈 연구책임자 : 임상범 요약 연구결과를중심으로개조식 자이내 보고서 기상 해양 수문분야시나리오기반의사결정지원시스템개발및시범서비스 o 공군기상단과협력하여태풍재해시작성기상의사결정지원시나리오개발 - 태풍내습에따른신속한의사결정수행으로군피해최소화및작전대비태세유지능력확보 재해 재난대응의사결정지원시스템구축을위한전략및시스템설계 o 기상 해양 수문분야의재해대응의사결정에필요한정확한예측자료제공을위한예측모델링시 스템구축 병렬 / 분산가시화시스템을이용한 3 차원과학적가시화시스템개발 o 태풍, 해일, 홍수범람등에관련된지구환경빅데이터를실감영상으로분석하고표출하여직관적인이 해도향상을통한의사결정지원 기상 해양 수문분야재해대응을위한정확한예측자료생산 o 태풍예측을향상시키기위해서일반적인모델들에서고려하지못하는정확도높은태풍초기화, 고해상도격자, 강풍물리과정모수화등을고려할수있는태풍전용예측모델개발 o 해일예측을향상시키기위해서확장가변체계의고해상도조석 조류모델및해양모델개발 o 범람예측을향상시키기위해서기상 해양 수문모델연계를위한수문모델개발연구 o 미국 NCAR와공동연구추진을통한차세대 MPAS에대한고해상도기상모델수행 색인어 각 개이상 한글 재해, 재난, 슈퍼컴퓨팅, 의사결정지원시스템 영어 Calamity, Disaster, Supercomputing, Decision Support System - ii -

요약문 제목 초고성능컴퓨팅기반국가현안대응체계구축 Ⅱ 연구사업의목적및필요성 - 국가재난관리시스템강화를통해국민들이각종재난으로부터안전한삶을구현할수있는각종지원활동필요 국가초고성능컴퓨터활용과육성에관한법률 제정및기본계획수립을통한국민삶의질향상, 국가위기관리등관련과제추진 - 과학기술을통한국가당면사회이슈를해결하고, 사회복지 안전, 빅데이터및초고성능컴퓨팅등의활용을국정과제로추진 초고성능컴퓨팅은재난 재해예측을통한국민삶의질향상, 국방 에너지 자원등국가위기관리, 사회문제해결을위한핵심인프라임에도활용미흡한상황 Ⅲ 연구개발의내용및범위 - 모니터링데이터현업활용시나리오개발 - 지구환경변화모니터링데이터공유를위한국가표준화전략수립 - iii -

- 기상 해양 물대상모니터링데이터선정 - 데이터베이스기반모니터링데이터수집 / 저장체계설계 지구환경변화모델링 / 시뮬레이션시스템설계 ( 기상 ) - 기상 해양 물예측모델링 / 시뮬레이션시스템요구사항분석및기술로드맵작성 - 초고성능컴퓨팅기반기상예측모델링 / 시뮬레이션시스템구조설계 - 기상관련자료분석에대한요구사항분석및기술로드맵작성 - 초고성능컴퓨팅 / 고성능네트워크 / 웹기반의분석시스템구조설계 국가재해 재난대응의사결정지원체계설계 ( 기상-해양 -물) - 기상 해양 물분야국가재해 재난대응의사결정지원시나리오개발 Ⅳ 연구개발결과 Ⅴ 연구개발결과의활용계획 - iv -

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목차 제 장사업개요 제1절목적및필요성 1 1. 목적 1 2. 배경 1 3. 필요성 2 제2절국내외동향 4 1. 국외재해대응통합관리시스템현황 4 2. 국내재해대응통합관리시스템구축동향 8 제3절추진전략및방법10 핵심고객및니즈 추진전략및방법 제4절기대효과 13 기술적효과 사회적효과 제 장재해 재난대응의사결정지원시스템구축 제1절재해 재난대응의사결정지원시스템개요 14 의사결정지원시스템구성 의사결정지원을위한테스트베드구성 제2절재해대응의사결정지원통합관리시스템개발 17 시스템개발의최종목표 재해대응의사결정지원시스템연구현황분석 작전기상지원시스템 제3절연구개발결과의활용방안 38 기술적측면 경제 산업적측면 활용방안 제4절참고문헌 40 - vi -

제 장태풍 해일 국내독자 예측기술실용화연구 제1절연구의필요성및목적 41 제2절국내외기술개발현황 43 국내기술개발동향 국외기술개발동향 제3절연구개발수행내용및결과 46 개요 하계현장조사및관측결과 국내독자해일모델연구 태풍 해양모델수립 제4절목표달성도및관련분야에의기여도 72 목표달성도 관련분야에의기여도 제5절연구개발결과의활용계획 76 해양조사분야 수치모델링분야 제6절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 78 스페인제 회해양연구워크샵 관측정보 스페인제 회해양연구워크샵주요세션 제7절참고문헌 80 제 장지구환경변화분석정보제공시스템개발 제1절연구의필요성및목적 81 연구배경 연구개발의필요성 연구의목적 제2절국내외기술개발현황 84 국내기술개발동향 선진국연구개발동향 제3절연구개발수행내용및결과 93 - vii -

개요 가강수량 총전자량정보제공시스템개발 분석정보제공 제4절목표달성도및관련분야에의기여도 124 목표달성도 연구결과의관련분야기여도 제5절연구개발결과의활용계획 126 국가자연재해감시시스템으로활용 기상분야연구와연계활용 우주기상연구와연계활용 제6절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 128 컨퍼런스 제7절참고문헌 131 제 장의사결정지원을위한태풍전용예측모델원형개발 제1절연구의필요성및목적 133 연구개발의필요성및배경 연구의목표및내용 제2절국내외기술개발현황 135 국내기술개발동향 선진국연구개발동향 국내외의연구현황 제3절연구개발수행내용및결과 138 태풍전용진로 강도예측역학모델원형개발 태풍전용파랑예측모델원형개발 태풍 파랑접합예측모델개발을위한기술조사 제4절목표달성도및관련분야에의기여도 168 목표달성도 연구결과의관련분야기여도 제5절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 170 - viii -

컨퍼런스 제 6 절참고문헌 173 제 장홍수대응의사결정을위한수문모델개발및구축 제1절연구의필요성및목적 175 연구개발의배경 연구개발의필요성 연구의목표및내용 제2절국내외기술개발현황 179 국내기술개발동향 선진국연구개발동향 제3절연구개발수행내용및결과 184 기상 해양모델과수문모델의연계해석방법도출 수문모델조사및검토 대상지역선정및기초자료수집 수문모델구축및활용성평가 제4절목표달성도및관련분야에의기여도 235 목표달성도 연구결과의관련분야기여도 제5절연구개발결과의활용계획 237 제6절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 238 제7절참고문헌 239 - ix -

표차례 시스템하드웨어스펙 오퍼레이션분류 공군기상단모델수행현황 모델의단계별입 출력자료갯수및크기비교 초기자료체크 모델의단계별입 출력자료갯수및크기비교 모델수행 모델수행단계에서로그파일의오류판단가능한단어검색 단계별입 출력자료갯수및크기비교 초기자료체크 단계별입 출력자료갯수및크기비교 초기자료체크 모델수행단계에서의로그파일의오류판단가능한단어검색 년 월동중국해북부해역관측개요 에서의조석조화분석결과 북서태평양해양순환모델의특징 기상연구를위한국가별 관측망및자료처리운영현황 차년도연구목표세부성과지표및핵심스펙 모듈명과해당모듈의기능및개발언어 가강수량 총전자량정보제공시스템을구성하는서버들의특징 설치서버들의하드웨어사양세부목록 정보제공시스템이사용하는관측망에포함된천문 연 관측소목록 정보제공시스템이사용하는관측망에포함된국토지리원관측소목록 가강수량 총전자량정보제공시스템가동률분석기간 관측자료별수집률현황 천문 연 자료처리결과 현황 와 관측값비교 총전자량산출정밀도검증 국제분석센터검증방법기준 태풍너구리자료처리방법내용 태풍나크리자료처리방법내용 고흥집중호우자료처리방법내용 - x -

태풍강도에있어해양의열적구조의역할에대한기술조사목록 - xi -

그림차례 메인화면 방사선유출실험모델 인터페이스 화면 국토해양재난종합상황관리시스템 의사결정지원시스템전체구성도 시스템렉구성및설치모습 시스템구성도 작전기상분류 작전계획수행단계 재해대응의사결정시스템데이터흐름도 영향평가알고리듬 작전기상지원시스템 작전계획 작전기상지원시스템 작전운영 통합관리시스템구성도 공군기상단작업모니터링시스템 년 월동중국해관측정점위치도 관측은수온 염분 해수샘플 의공간조사와해류계 와수온염분연속기록계 설치를통한모니터링자료획득및 와난류 관측반복고정점조사 설치위치 정점 에서 시간동안 반복 시간간격 관측한결과로부터계산한난류운동에너지소산율 ε 과연직확산계수 붉은색일수록혼합이강함을의미함 ε와 는 스케일임 검은실선은밀도 간격 를나타내었음 년 월중순해양열용량 우측그림 관측점서부는서쪽에서저층냉수의유입으로열용량이작으며 동쪽은대마난류로인해상대적으로열용량이큼 년 월말 좌측 최대열용량이 에달함 - xii -

추계 관측점과제주연안조석관측지점 및 관측점 지점 제주남부 개관측점 중 에서조석관측결과 상 및관측해일고 하 년 월마이크로웨이브 적색 와 관측치간의수심별비교 위 및 년 층별관측치와마이크로웨이브 간의비교 아래 년풍웡전파시기인 월 일 월 일간 변화 계산방식및정확도검증위한남해영역격자망 위 및진도서측세월호침몰해역격자망구성도 아래 진도해역창조 위 및낙조 아래 시조류특성 부이관측점 위 과 관측점 아래 에서의모델및관측치비교 분조의지각분포 분조의조류타원특성 북서태평양조석 해일격자망시스템 적색점선표기는경기만및진도인근영역을나타내며 오른쪽에경기만북동부해역중한강 임진강영역의상세격자망도를제시 북서태평양 분조진폭및지각 해양 태풍결합모델의개념도 태풍블랜딩시스템의순차개념도 태풍블랜딩계산의예 기관별실시간태풍경로예측및 자료를이용한 예측결과 기관별실시간최대풍속예측치와 예측결과 기관별실시간중심기압예측치와 예측결과 기관별 태풍너구리의경로예측정확도및 와 모델결과를활용한 예측결과 기관별 태풍너구리의최대풍속예측정확도및 와 모델결과를활용한 예측결과 기관별 태풍너구리의중심기압예측정확도및 와 모델결과를활용한 예측결과 자료를이용한 시뮬레이션결과 좌 태풍경로 우 중심기압 - xiii -

자료에보거싱기법을이용한 시뮬레이션결과 좌 태풍경로 우 중심기압 에포함된 상 재분석자료 하 자료에포함된 를이용한 태풍계산결과 재분석자료의 를이용한 태풍계산결과 년국가별수해건수 통계국 전지구관측시스템 의관측분야 지구관측 진단 이해연구개발과정 한반도 가강수량모니터링 좌 과태풍사례분석 우 한반도 좌 및동북아 우 총전자량맵산출 천문 연 홈페이지 좌 국내상시관측망운영현황 우 국립전파연구원 지수표출맵 프로젝트에서사용하는상시관측망분포 국제망분포 좌 및 관측소의가강수량정보 우 지역망분포 좌 및 관측소의가강수량정보 우 년현재 관측망분포 우주기상이미치는영향 실시간전지구총전자량맵 시스템웹페이지 좌 와아이폰응용 우 시스템소프트웨어도식도 새서버시스템의하드웨어구성서버도식도 가강수량 총전자량정보제공시스템최종설계 가강수량및총전자량정보제공시스템설치 가강수량 총전자량정보제공시스템에서사용하는국내상시관측망 의일반적인자료처리기능흐름도 기반가강수량산출순서도 관측소수신기 값 수직방향총전자량계산을위한 총전자량산출순서도 관측소별 관측자료일일수집률현황첫번째 - xiv -

관측소별 관측자료일일수집률현황두번째 관측소별기상자료일일수집률현황 의 자료현황및수집현황 관측소개수에따른자료수집및자료처리소요시간 대전관측소의 값비교 수원관측소의 값비교 추정파라미터표준편차값들의히스토그램 추정파라미터표준편차값들의히스토그램 관측소별 현황 대전과수원은 결과도함께비교되어있다 남 북방향 상 동 서방향 중 수직방향 하 와 관측값 상 두값의차이 하 태풍너구리통과시기의국내관측소가강수량변화모습 태풍나크리통과시기의국내관측소가강수량변화모습 고흥집중호우시기의가강수량수치와실제 분강우량값 고흥집중호우시기전국 분강우량분포도 기상청 위성에서관측된태양 선플럭스변화 위성에서관측된프로톤플럭스변화 년 월 일대전 관측소총전자량시간변화 년 월 일대전 관측소총전자량시간변화 년 월 일과 일대전 관측소총전자량변화비 - xv -

- xvi -

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임진강유역도 좌 하천망도 우 - xviii -

전지구 상좌 자료 전지구토지피복 상우 하 - xix -

제 절목적및필요성 목적 정보통신기술발전의핵심인프라인초고성능컴퓨팅인프라와과학지식및첨단기술의융합으로발전하고있는미래예측기술을이용 재해 재난의위험을완화시키는데필요한다양한정보를종합적으로수집 생산 분석할수있는국가위기관리의사결정지원체계구축 배경 국가초고성능컴퓨터활용및육성에관한법률 제정및기본계획수립을통한국민삶의질향상 국가위기관리등관련과제추진 과학기술을통한국가당면사회이슈를해결하고 사회복지 안전 빅데이터및초고성능컴퓨팅등의활용을국정과제로추진 국가 사회적현안및글로벌이슈등에대한대응방안의제시필요성증가 과학기술을활용한삶의질향상 국가적 사회적현안및범지구적문제해결을위한시책수립 추진근거마련을위해 년에 과학기술기본법 의 과학기술을활용한사회문제해결 에관한규정 제 조 항 신설 연구개발활동은기술개발 산업혁신위주에서과학기술을통한공공및사회문제해결까지포괄하는것으로확장 국가 사회적현안및글로벌이슈등에대한대응방안의제시필요성증가 과학기술을활용한삶의질향상 국가적 사회적현안및범지구적문제해결을위한시책수립 추진근거마련을위해 년에 과학기술기본법 의 과학기술을활용한사회문제해결까지포괄하는것으로확장 부처간 산학연협력 학제간연구활성화 출연 연 간 협력등은창조경제의원동력으로인식 각부처대통령업무보고등 기상 해양 물관련관측자료들의원활한확보를위하여기상 해양 물관련자료들을직접적이고독립적으로관리하고있는기관과 가보유하고있는 인프라를이용하여연계활용할수있는범부처자료공유협력관계를구축 우주기상감시기술및집중호우감시기술개발 한국천문연구원 - i -

태풍 해일국내독자예측기술개발 한국해양과학기술원 국가슈퍼컴퓨팅인프라구축및활용 한국과학기술정보연구원 초고성능컴퓨팅은재난 재해예측을통한국민삶의질향상 국방 에너지 자원등국가위기관리 사회문제해결을위한핵심인프라임에도활용미흡한상황 안전복지 자연재해예측 국가안보등관련초고성능컴퓨팅활용확대를통한전문분야 기상 해양 농업등 별협력과융합필요 필요성 국정과제연계성 초고성능컴퓨팅을활용한공공 민간서비스확대와이를통한 서비스산업육성지원필요 국정전략전략 창조경제전략 국민안전 과제 과제 과제 국정과제과학기술을통한창조경제기반조성총체적인국가재난관리체계강화기상이변등기후변화적응 국가재난관리시스템강화를통해국민들이각종재난으로부터안전한삶을구현할수있는각종지원활동필요 기후변화가국가적위기로급부상하면서기후변화에대한감시 예측능력확보 기후변화로인한질병관리 생태변화에대한대응필요 최근우리나라주변기상 해양 수문에서인적재난 자연재해로인한많은인명피해와큰재산피해를초래한사고가빈번히발생 년 월 일에충청남도태안군만리포에서북서쪽 해상에서발생한유조선허베이스피리트 호와크레인부선삼성 호가충돌하면서유조선탱크에있던원유가태안인근해역으로유출된사고 년 월 일에백령도근처해상에서발생한해군초계함 천안 천안함 이침몰된사고 년 월 일에일본미야기현센다이동쪽 해역에서발생한초대형지진에의한지진해일과지진의여파로 년 월 일에후쿠시마제 원자력발전소가정지되어방사능이누출된사고 이러한대형의사고에서민관군에서공통적으로필요로했던것은사고지역의기상 해양상태를현재는물론가까운미래에대해서도파악할수있도록필요로하는시점에정확하고상세한해양기상관측 예측정보임 - ii -

기상청의파랑및폭풍해일예측시스템은정해진시간에정해진해역에대한예보를목적으로구축된시스템이기때문에사고가갑자기발생했을때에특정해역에서특정시간대에필요로하는예측정보를즉각적으로생산하여제공하는데에는한계가있음 천안함사고이후에미래의잠재적인위협에능동적으로대응하기위하여해양과기상예측모델이연계된국지정밀예측시스템을슈퍼컴퓨터를기반으로구축 운영할필요성이제안됨 차보고서에의하면지구평균기온이최대 도상승하고해수면이최대 상승할것으로예측되며 지구평균기온이 도상승하면최대 만명이홍수위험에처하는것으로보고됨 지구온난화로지구평균기온최대 도상승 해수면최대 상승 지구평균기온 도상승 최대 만명홍수위험 즉 자연재해의발생빈도와규모도증가할것으로예측되고있는가운데우리나라는지구평균보다지구온난화에의한기후변화의영향을더욱크게받고 자연재해로인한피해규모도더욱커질것이라고예상됨 따라서지구환경변화의감시 이해 예측능력을향상시켜재해로인한피해규모를최소화하고장기적인관점에서사전에대응책을마련할수있도록초고성능컴퓨팅 슈퍼컴퓨팅 기반의지원체계의구축이필요 - iii -

제 절국내외동향 국외재해대응통합관리시스템현황 웹 기반태풍위원회태풍재해정보시스템 태풍위원회는아시아태평양경제사회위원회 와세계기상기구 의공동후원하에조직된정부간기구로써아시아와태평양지역의태풍으로인한생명과물질손상의손실을최소화하고기술교류및공동협력증진을목적으로설치된기관임 회원국으로는대한민국 일본 중국 태국 필리핀 홍콩 마카오 말레이시아 베트남 라오스 캄보디아 북한 싱가포르 미국등 개국가가포함됨 년태풍위원회방재워킹그룹 의멤버들은태풍위원회회원국을위한다양한열대사이클론과관련된재난의효율적인데이터공유도구를설립하기로합의함 본사업의목적은피해예측 피해조사및복구지원기능을통해피해를평가하기위해정확하고신속한시스템을취득하고태풍위원회내에재해데이터및정보를공유할수있는통합정보시스템을구축하기로함 워킹그룹은 년 태풍위원회태풍재해정보시스템 라는웹사이트 를설립함 메인화면 - iv -

의기능은크게 태풍정보검색 과 유사태풍정보검색 으로나눌수있음 태풍정보검색은과거태풍의경로및중심기압정보를포함하고있으며 사용자가직접태풍을검색하는등의수동적인부분을모두제외시켰으며 정보를연계하여태풍리스트를선택하거나표준화된 파일을입력하여검색할수도있음 실시간온라인의사결정지원시스템 실시간온라인의사결정지원시스템 은원자력발전소사이트주변으로부터유럽전역에미치는범위를대상으로하는오프사이트비상시대응을위한방사능물질의농도를실시간으로모니터링하여사고발생시의사결정을지원하는시스템임 프로젝트의목적은 범유럽적용가능한포괄적인통합의사결정지원시스템을개발하기위해 기존의의사결정지원시스템최고의기능과향후개발을통합하기위한공통프레임워크를제공하기위해 대중의이해및오프사이트응급조치의동의를얻고결정과정에서투명성을제공하기위해 돌발적사고의경우에대비해데이터모니터링 결과의예측등방면에서국가간의커뮤니케이션을제고 시스템의개발과사용을통해유럽에영향을미칠수있는미래의사고에보다일관되고통일된대처를하기위함 이러한목적을달성하기위해 프로젝트는 년부터시작되었고점차확장되어현재유럽연합 에속한 개나라의 개기관에서함께프로젝트에참여하고있음 국가또는지역핵긴급센터가장기적관리및오염지역의복원을포함하는사고 방출전 방출중및이후 의모든단계에서일관된지원을제공하며 대기로방출된물질의분산및증착은중첩체인및분산모델을사용하여예측 최대 일까지 방사선유출실험모델 - v -

프로젝트의목적은민간단체나정부기관에비상상황에서협업적의사결정기능을제공하기위한소프트웨어인프라설계및위기설계와위기관리기능을제공하는웹기반의통합된소프트웨어서비스툴셋개발하는것임 유럽연합 개국의 개기업이참여해진행함 다양한정보를활용하여위기관리자들에게보다나은모니터링기능을제공하고잠재적 실제위험을감소시키며특히중요한인프라에부과된위협에대해더욱효율적으로대응하도록함 는데이터베이스모듈 지리정보시스템 심볼처리 모델링 시뮬레이션 메시징 결정지원 자원관리 보고지원등의세부모듈로구성됨 일반적인시나리오및상황을해결하는방법절차를작성 유지및최적화할수있음 이를보장하기위해특정데이터베이스스키마는 특정데이터베이스와외부시스템을모두접근하도록개발함 기존의소프트웨어패키지를통합을위한기본으로사용하고 geospace 데이터융합을통하여조직적, 다른영토적및운영영역에서표준화된 IT 환경에서소프트웨어를만들어통합 시스템은조직이나기관의정보환경에설치하고표준화메시징을통해다른시스템과상호운용할수있음 또한하위시뮬레이션시스템은다양한시나리오를설계 최적화및통합하는기능을지원하며위기관리자에대한교육에기여함 개발된 프레임워크는현장에설치하여산업지역에서의화재 테러공격 홍수등 가지시나리오에서실제로테스트수행함 - vi -

다양한종류의재난에대해포괄적인솔루션을제공하기위해대만방재과학기술센터 는비상운영센터의사결정지원시스템 을구축함 인터페이스 시스템은재난뉴스및예측 비상대응및구조시스템으로써다른정부기관의태풍정보를통합하여제공함 에서는 개이상의데이터세트를통합하여대만의 차례태풍에대한데이터가적용되어있으며 의사결정자는시간인식기능을통하여서로다른시간대에서의재해상태를보다쉽게이해할수있게되었음 태평양재해센터 는전세계재해위험과생명 재산및경제에미치는영향을줄이기위해노력하는응용과학 정보기술센터임 는재해완화 개선 대응 혁신 글로벌다중위험재해모니터링을통해복구 조기경보및의사결정지원시스템뿐만아니라 위험및취약성평가 모델링및시각화 운동지원및용량향상에최선의서비스를제공함 에서운영하는 는전세계적으로재난관리의사결정자에대한상황인식 의사결정지원및정보교환기능을제공하는통합플랫폼임 - vii -

화면 는신뢰할수있는세계적기상및지질학적기관에서피드를지속적으로모니터링하여지속적으로하자이벤트의정확한실시간보고를확보함 의사결정자는신뢰할수있는알림서비스를기반으로모바일장치또는자신의이메일에조기경보알림을전달받을수있으며전문가들은모바일응용프로그램인터페이스에서지원하는간단한프로세스를통해분석및상황보고서를빠른시간내에공유할수있음 에서운영하는 는전세계적으로재난관리의사결정자에대한상황인식 의사결정지원및정보교환기능을제공하는통합플랫폼임 국내재해대응통합관리시스템구축동향 국가재난관리정보시스템 전체시스템은소방민원정보시스템 국가재난정보센터 지진재해대응시스템 중앙및재난관리시스템 상화전파시스템 재난정보공동활용시스템 통합연계시스템 시스템 시도긴급구조표준시스템 소방인원정보시스템으로구성 재난관리책임기관이분산보유관리하고있는재난관련정보를범국가적으로공동활용함으로써정부의재난관리역량제고 재난대응기관들이긴밀한업무협조체계기반마련 - viii -

국토해양재난종합상황관리시스템 국토교통부 국토해양분야의모든재난발생시예방및대응에신속하고효율적으로대처하기위하여국토해양부와소속 산하기관 도로 철도 항공 수자원 해양분야 에서개별적으로운영중인재난및시설물안전관리시스템을연계 통합하고첨단화하여종합상황관리가가능토록구축 국토해양부본부및소속 산하기관재난담당자 기관 간재난 위기 발생보고 전파등종합적인재난업무를지원함으로써국토해양재난 안전사고 에대한신속 정확한보고 전파 대응 분석 지원등을가능하게해줌 국토해양재난종합상황관리시스템 - ix -

제 절추진전략및방법 핵심고객및니즈 핵심고객국민공군기상청 국립기상연구소수자원공사 한강홍수통제소국립재난안전연구원 고객니즈분석 재난 재해 국가안보 사회현상등국가현안에대한실질적대응을통해행복과안전등삶의질향상및생명과재산보호 군작전지역에서의정확한의사결정에필요한기상 해양관측데이터수집및고해상도기상 해양예측모델수행을위한계산자원과모델수행결과의 차원가시화요구 국지성집중호후 산사태 강설 홍수등도시 농림기상 기후변화를예측하고대응하기위하여고해상도국지기상모델수행을위한관측데이터수집및계산자원제공 모델수행결과의 차원가시화요구 태풍 집중호후 홍수등기상 기후변화를예측하고대응하기위하여고해상도수문모델수행을위한관측데이터수집및계산자원제공 모델수행결과의 차원가시화요구 재난 재해감시체계구축및재난정보서비스구축을위한자료공유및의사결정지원시스템구축을위한기술협력요구 추진전략및방법 추진전략 국가현안중에서자연현상변화로인한위기대응의사결정지원체계구축을시작으로 초고성능컴퓨팅을활용하여각종국가현안및사회문제해결전략제시함 - x -

기상 해양 물관련관측자료들의원활한확보를위하여해양 기상 물관련자료 들을직접적으로독립적으로관리하고있는기관과 가보유하고있는 인프 라를이용하여연계활용할수있는범부처자료공유협력관계를구축함 사업내용별추진전략및방법 연구사업내용 지구환경변화모니터링데이터 관리시스템설계 추진전략및방법 모니터링데이터의생산 가공 저장 분배 공유 검색에이르는일련의처리과정에서유관기관의협력을요청 모니터링데이터의중요도 획득가능성에따라단계별로다루어질모니터링데이터의종류를분류 전지구관측시스템동통인프라구성요소를고려하여설계 기상 해양 물분야유관기관과시나리오공동개발지구환경변화모델링 시뮬레이션 기상 해양 물분야전문가부터요구사항도출및로드맵공동작성시스템설계 기상 슈퍼컴퓨터 데이터저장장치 전문가등을고성능네트워크로연동하여구조설계 지구환경변화모니터링데이터 표출시스템설계 기상 해양 물 기상 해양 물분야유관기관과분석시스템을위한시나리오개발 기상분야의사결정자로부터요구사항도출및로드맵공동작성 초고성능컴퓨팅 고성능네트워크 웹기반의분석시스템구조설계 - xi -

국가재해 재난대응의사결정지원체계설계 기상 해양 물 집중호우 전파장애상시감시시스템고도화서 남 해역격자망구성및해일모델수립태풍 해양결합모델수립입력 검증위한하계동중국해현장조사 핵심고객기관 공군 기상청 수자원공사 과의협력을통하여의사결정시스템분석및요구사항분석 기존의사업수행결과를활용한서비스위주의사업추진 천문 연 이수행한기초기술연구회협동과제 기반집중호우 전파장애 지각변동상시감시기술개발 를통해확보한연구성과를현업적용을위하여효과적으로적용할수있도록함 국내 상시관측망조밀화및국외관측망확장 하드웨어측면 을위한준비작업수행과추정기법최적화 소프트웨어측면 적용을위한기반확보를통해기보유기술을보완 개선함으로써효율적인연구개발 국내 관측망의가강수량산출에필요한기준점주변의기상정보를추정하기위해기상청으로부터표면기상관측자료수집 가변격자시스템채용하여한반도서해 남해역최적디자인 조석모델 층및 층해일모델결합개발 태풍파레메터모델연계 태풍모델 중적합모델수립 보거싱기술연계 수립해양모델 와해양모델 검토후적합모델수립 태풍 해양모델결합 해양조사선이어도호활용 심해잠수팀활용 검증된 형태장비투입 새롭게개발된 사 구입투하 - xii -

제 절기대효과 기술적효과 과학기술혁신 기개발된초고성능컴퓨팅서비스기술들을통합하여계산자원과데이터자원 가시화자원과 원격협업장치를연결하여새로운서비스를구현 지구온난화등으로자연재해피해규모와빈도수가증가하게되어자연재해방재를위한즉각대처를위한의사결정시스템은수요가많아질것으로예측됨 국가차원의지구환경변화모니터링데이터공유를위한국가표준화수립 예측모델링및시뮬레이션통합운영시스템 원격협업및상호작용가시화도구를통합하여재난대응에필요한서비스를개발및운영함으로써자연재해대응에효과적인의사결정시스템기술의혁신을이룸 사회적효과 국민삶의질향상 재난 재해 국가안보 사회현상등국가현안에대한실질적대응을통해국민행복과안전등국민삶의질향상에기여 더나아가 경제 금융 에너지등의분야에대한중장기예측및진단을통해미래전략수립 국가위기관리대응강화등국가역량제고 치안 사법 행정정보 국방등국민편의와직결된공공서비스분야활용을통해국민삶의질향상 정확하고상세한태풍 해일예측시스템구축에기여하여잠재적인막대한인적 경제적손실에기여할수있는현업모델로의발전기대 국가위기관리 국방 에너지등국가안위와직결된문제의해결 미래전략수립 선제적대응등에활용 초고성능컴퓨팅수치예보분석을활용한실시간재해및기후변화예측시스템구축으로재난 재해국가위기관리능력제고 출연 연 간융합연구를통한공군작전체계지원및국가자연재해대응력향상에기여 창조산업육성 초고성능컴퓨터와산업의융합을통해기존산업을뛰어넘는신시장을개척할수있는창조산업육성 산 학 연개방형공동기술개발과서비스제공을통해과학기술새로운산업육성을통한일자리를창출하고 문화컨텐츠산업과의융합을통해새로운부가가치를창출하여창조경제의성장엔진역할수행 - xiii -

제 절재해 재난대응의사결정지원시스템개요 의사결정지원시스템구성 기상 해양 물재해대응의사결정지원시스템의기본적인구조는자료수집분배시스템 수치모델링시스템 자료표출시스템 개의서브시스템으로구성되며또한각각의시스템을통합관리할수있는통합시스템이구축되어하드웨어인프라및플랫폼서비스의유기적인통합을통한의사결정지원서비스를제공함 의사결정지원시스템전체구성도 의사결정지원시스템을구성하는 개의서브시스템중초고성능컴퓨팅인프라를직접적으로활용하게뒬예측모델링시스템은기상 해양 물분야수치모델링수행을통하여예측자료를생성하게되며생산되는예측자료결과들은다시자료수집분배시스템으로등록되어자료표출시스템을통하여가시화되거나 다시수치모델링의입력자료로활용되어예측자료의정확도향상을위하여이용됨 또한의사결정지원통합시스템을통하여지원되는시나리오별정보로재가공되어의사결정자에게제공됨 예측모델링시스템에서수행되는기상 해양 물수치모델들은재해 재난에대한보다정확하고빠른예측을위하여고해상도수행뿐만아니라최적병렬화를통한빠른수행시간을목표로함 - 14 -

자료수집분배시스템은재해 재난에대한정책적의사결정을위해필요한예측자료생산을위해필요한기본자료들을수집하고각각의자료들을예측모델링시스템과자료표출시스템으로분배하는기능을수행 수집되는자료는기상 해양 물관련관측자료와예측모델링시스템에서생산되는예측자료와기상청 해양조사원 한국천문연구원등의타기관에서생산되어제공하고있는분석자료임 기상 해양 물관련관측자료들의원활한확보를위하여기상 해양 물관련자료들을직접적독립적으로관리하고있는기상청 해양조사원 항공우주 연 등과연계활용할수있도록범부처자료공유협력구축을통하여수행 한국천문연구원과한국해양과학기술원과의협동연구를통하여각기관이보유하고있는 기반집중호우 전파장애 지각변동상시감시기술과지구온난화환경에서강화되는태풍해일예측기술의고도화를통하여보다정확한예측자료를수집 자료표출시스템은자료수집시스템을통해수집되는관측 예측 분석자료들을 차원과학적가시화기술및빅데이터실감가시화기술을통하여의사결정자들의전문성과관계없이보다직관적인정보전달을통한정확한이해와의사결정을도출하도록함 의사결정지원을위한테스트베드구성 차년도시범서비스를위하여구축된 시스템하드웨어스펙은다음표와같음 예측자료생산을위한예측자료표출을위한시스템구조계산자원계산자원프로세서 종류가속기 노드당가속기수 노드당 코어수 노드당 시스템하드웨어스펙 가속기 이론성능 가속기 총노드수 노드당메모리 노드당디스크용량 내부연결네트워크 이론성능 전체 - 15 -

시스템렉구성및설치모습 - 16 -

제 절재해대응의사결정지원통합관리시스템개발 시스템개발의최종목표 재해대응의사결정지원통합관리시스템은기본적으로 기반사회간접자본 구축사업으로 사이버인프라 구축관점에서의추진이요구됨 의사결정에대한프로세스의분석을토대로재해대응의사결정지원통합관리시스템구축정책의하위요소들에대한소망성과실현성에대한평가를통해실제수용가능한기술수요를도출하고 요구사항과기술의상호연계적분석을통해시장성 산업성 응용성이높은시작품을개발하는것이핵심관건임 재해대응의사결정지원통합관리시스템개발은시민의생활과안전뿐만아니라국가안보적인측면에도직접적으로영향을미치게됨 따라서신중한접근이요구되며 이러한관점에서정책적 기술적으로적합한분야부터단계적검증및도입이요구됨 본시스템의수요자의요구사항및기술제공가능성측면모두에서재해대응의사결정지원분야에서선행검증및도입이바람직함 이를토대로타분야확산전략이가능함 위와같이현존하는재해대응의사결정지원시스템의문제점을보완하고국민뿐만아니라국방업무와같은특수상황에대응하기위해기존의재해대응의사결정지원시스템을유기적으로연동하여사용자들이쉽고편리하게시스템을사용할수있는 재해대응의사결정지원통합관리시스템개발 이필요함 이를활용하여의사결정자에게빠르고정확한정보를제공하여신속히재해에대해대응을할수있도록하는것 재해대응의사결정지원통합관리시스템의주요특징과기능은다음과같음 재해대응의사결정지원통합관리시스템은관측시스템 예측시스템및자료표출시스템을포함하며각시스템에의해제공되는주요기능을통합하여재해대응의사결정을지원 관측시스템은주기적으로외부기관으로부터데이터를수집하여 표준데이터포맷으로저장하며외부시스템과의연동을지원하도록데이터검색기능을제공 통합관리시스템은관측시스템에서저장한원시데이터를분석 예측모델에따라해당입력자료로연결 예측시스템은전처리과정을통해관측시스템에서데이터를검색하여모델에맞는 - 17 -

입력자료포맷으로처리하여제시 데이터분석 예측은슈퍼컴퓨터에서분산처리를거쳐결과를얻음 예측시스템은후처리과정을통해분석 예측을통해얻은데이터를분석데이터저장소에저장하며외부시스템과의연동을지원하도록분석데이터검색기능을제공 자료표출시스템은분석 예측을통해얻은분석데이터를직관적으로표현하여사용자에게보여주기위해우선예측시스템에서분석데이터를검색하여도표 그래프 등시각화방식에따라데이터처리를진행 시각화방식에맞게처리된데이터는시각화데이터저장소에저장하며시각화방식에따라사용자인터페이스에적용 시스템구성도 재해대응의사결정지원시스템연구현황분석가 연차별재해대응의사결정지원시스템대상 현재재해대응의사결정시스템은 년계획중처음 년에대한계획을수립하여수혜대상기관으로공군기상단 수자원공사 재난안전연구원을선정하여진행하고있음 연차별지원대상은다음과같음 - 18 -

차년 공군기상단 차년 공군기상단 차년 수자원공사 재난안전연구원 차년에수혜대상기관으로선정된공군기상단의재해대응의사결정지원시스템대상범위는다음과같음 작전기상 관측 임진강범람 예측 나 작전기상 공군기상단의작전기상은실질적으로공군의작전을수행하는데필요한기상에대한정보를제공하는데있으며 작전기상은다음과같이나눠져있음 작전계획 예측 영향평가 작전운영 위성사진 영향평가 작전기상분류 재해대응의사결정시스템은작전계획과작전운영부분을통합하여사용자에게정보를 제공함 - 19 -

작전계획 작전계획은공군의작전계획단계에서작전을언제수행할수있는지에대한정보를제공하는데목적이있음 작전계획단계에서는모델을통해얻어진결과를기반으로분석과정과영향평가과정을통해기상을예측하고결과를재해대응의사결정시스템에전달함 작전계획의주요단계로는 모델의입력자료로사용될 모델 데이터 기반관측자료와 모델의결과값을분석하고이미지화하는단계와영향평가단계가있음 작전계획수행단계 관련기관 건국대학교 공군기상단 동국대학교 천문연구원 모델수행 모델을수행하기위해필요한 가지입력자료중하나로 모델을수행함 수행기관 - 20 -

기반관측자료수집 모델을수행하기위해필요한 가지입력자료중하나로천문연구원에서가강수량정보와초전자량정보를 기반으로관측된자료를수집함 수집된자료는자료분석과정을통해 모델의입력자료로사용됨 수행기관 천문연구원 모델수행 외부에서수집된 자료 모델수행을통해나온결과 기반관측자료를초기입력자료로사용하여 모델을수행함 모델의결과는건국대학교에서수행하는영향평가과정과공군기상단에서수행하는결과값에대한분석과정과이미지화과정을거처재해대응의사결정시스템에표출됨 수행기관 - 21 -

분석및이미지화 모델에서수행한결과를분석하여공군의작전계획단계에서활용할수있는 형태로이미지화하여재해대응의사결정시스템에제공함 수행기관 공군기상단 영향평가 기상모델수행결과를기반으로영향평가를실시하고이를재해대응의사결정지원시스템을통해임무에대한수행가능여부와기상상황에대한정보를조종사에게제공해주는것을목표로함 수행기관 건국대학교 작전운영 작전운영은작전운영시실시간으로변화하는정보를즉각적으로반영하여작전에활용할수있도록하는것을목표로함 작전운영에서활용된정보는 위성사진 영향평가이있음 재해대응의사결정시스템에서위의 가지정보를종합하여표출할수있도록구성되어있음 관련기관 건국대학교 공군기상단 동국대학교 - 22 -

은 의약자로조종사가작전을수행하면서직접눈으로관측한기상에대한정보를실시간으로전달해주면이를바탕으로실시간기상에대한정보를 을이용하여기상정보를업데이트하고작전을수행할조종사에게기상에대한정보를제공함 수행기관 동국대학교 위성사진 실시간위성사진을제공하여작전을수행할조종사에게기상에대한정보를제공함 이미지파일로재해대응의사결정지원시스템에제공 수행기관 공군기상단 - 23 -

영향평가 기상모델수행결과를기반으로영향평가를실시하고이를재해대응의사결정지원시스템을통해임무에대한수행가능여부와기상상황에대한정보를조종사에게제공해주는것을목표로함 작전중에운영되는시스템으로실시간으로변하는기상상황에대한정보를반영하기위해운영자는임무수행여부와기상상황에대한정보를업데이트할수있도록설계됨 수행기관 건국대학교 다 임진강범람 태풍이나해일발생시임진강이어떻게범람할것인지를예측하고정보를제공하는데목적이있음 관련기관 제주대학교 동국대학교 그린시뮬레이션 태풍및해일 태풍과해일에대한시뮬레이션을수행하고해당결과를표출해주는역할을담당하며 태풍 해일 와제주대학교 태풍 에서수행함 한국해양과학기술원 - 24 -

기상청자료를바탕으로 해양모델을수행하고결과물을 에서자체개발한해일 태풍모델에서사용하여해일과태풍에대한시뮬레이션을수행함 수행된결과파일을동국대학교와 그린시뮬레이션에서개발한자료표출시스템에제공하여자료를표출함 제주대학교산학협력단 모델을통해태풍의진로와강도를시뮬레이션하고이를동국대학교와 그린시뮬 레이션에서개발한자료표출시스템에제공하여자료를표출함 수행기관 제주대학교 동국대학교 그린시뮬레이션 범람 현재범람에대한시뮬레이션을실행할모델에대한검증작업을수행중임 세종대에서자체개발한범람시뮬레이션모델은현재윈도우기반으로개발되어있어본사업에서활용할클러스터에서실행이불가능한상황임 수행기관 세종대학교 동국대학교 그린시뮬레이션 라 데이터흐름도 재해대응의사결정시스템현황분석을기반으로데이터흐름도작성을 와같이수행하였음 데이터흐름을파악하고향후자료교환시스템을통해데이터들이유기적으로수집 분배될수있도록시스템을구성하여 재해대응의사결정지원통합관리시스템을구축해나갈것임 - 25 -

재해대응의사결정시스템데이터흐름도 작전기상지원시스템 공군의항공작전을수행을위한기상지원시스템은크게두부분으로나누어져있음 작전기상영향평가를위한프로그램과영향평가를가시적으로보여줄수있는작전기상지원시스템으로이루어져있음 작전기상의사결정은다음과같은프로세스로이루어지고있으며작전기상의사결정지원을위해서는실시간관측및초단기예보가필요함 항공작전영향 영향요소정량적 최단시간 항공기 요소감시 / 식별 분석및판단 정보지원 / 보고 귀환 / 전개결정 가 작전기상지원시스템 작전기상영향평가프로그램분석 작전기상영향평가를위한프로그램분석을다음과같이진행 대상코드 항공작전 작전기상영향평가 수치예보자료출력코드 수정내용 반복되는부분수정 등같은구조로반복되는부분 및영향평가기준을외부파일로분리 - 26 -

작업내용 반복되는부분이영향평가기준에의해영향데이터를만들어내는코드 indexend = 99 do n = 0, 48 do i = 0, ${PNUM2} 알고리즘 1 알고리즘4 vindex=40 vindex2=0 if (vis(i,n).ge.xxx.and. vis(i,n).le.xxx ) then vindex=41 vindex2=1 end if if (vis(i,n).lt.xxx ) then vindex=42 vindex2=2 end if chindex=50 chindex2=0 if (chgt(i,n).ge.xxx.and.chgt(i,n).le.xxx ) then chindex=51 chindex2=1 end if windex=30 windex2=0 if (windvel(i,n).ge.xxx.and.windvel(i,n).le.xxx) then windex=31 windex2=1 end if if (windvel(i,n).gt.xxx ) then windex=32 windex2=2 end if vindex=40 vindex2=0 if (vis(i,n).ge.xxx.and. vis(i,n).le.xxx ) then vindex=41 vindex2=1 end if if (chgt(i,n).lt.xxx ) then chindex=52 chindex2=2 end if index = 0 if (index.lt.vindex2) then index = vindex2 end if if end if (index.lt.chindex2) then index = chindex2 indexarray(0,i,n+2) = index detailarray1(i,n*3+2) = vindex detailarray1(i,n*3+3) = chindex detailarray1(i,n*3+4) = indexend if ( vis(i,n).lt.xxx ) then vindex=42 vindex2=2 end if chindex=50 chindex2=0 if ( chgt(i,n).ge.xxx.and. chgt(i,n).le.xxx ) then chindex=51 chindex2=1 end if if ( chgt(i,n).lt.xxx ) then chindex=52 chindex2=2 end if index = 0 if (index.lt.windex2) then index = windex2 end if if (index.lt.vindex2) then index = vindex2 end if if (index.lt.chindex2) then index = chindex2 end if indexarray(8,i,n+2) = index detailarray9(i,n*4+2) = windex detailarray9(i,n*4+3) = vindex detailarray9(i,n*4+4) = chindex detailarray9(i,n*4+5) = indexend end do end do detailarray2(i,n*3+3) = chindex detailarray2(i,n*3+4) = indexend - 27 -

영향평가알고리듬 작전기상영향평가를위한프로그램은 개의오퍼레이션으로이루어져있으며 아래와같이크게 가지의알고리즘으로분류할수있음 오퍼레이션분류 오퍼레이션 비고 알고리즘 알고리즘 알고리즘 에 추가 알고리즘 알고리즘 에 추가 알고리즘 알고리즘 알고리즘 에 연산부분추가 코드실행에필요한입력파일 경도위도입력파일 입력데이터샘플로 시간데이터라도필요함 출력파일형식 포트란으로된날짜계산프로그램 값은 부터 까지 코드실행에필요한라이브러리 라이브러리 혹은 로검색가능 - 28 -

작전기상지원시스템 작전기상지원시스템의 이는크게작전계획과작전운영으로구성되어있으며 작전계획과작전운영은한화면에각각의탭으로구성되어있음 작전계획의경우임무지역을남한공역 사격장포함 남한공군기지 북한공군기지로나눠구성하였으며 기본적으로각각의지도 남한지도 북한지도 를바탕으로지도위에해당작전의영역을표시하였음 작전계획의남한공역의경우그림과같이작전이이루어지는공역을나누고각각의공역을클릭하면아래부분에슈퍼컴퓨터를기반으로생성된예측자료를기반으로영향평가를실시한향후현재일부터 일간의결과값이표시됨 작전기상지원시스템 작전계획 하루는 시간단위로나뉘어서표시되며 표시는 단계색깔 초록색 노란색 빨간색 로이루어지고있으며 작전가능시초록색으로 제한적작전가능시노란색 작전불가능시빨간색으로표시됨 노란색이나빨간색으로표시된부분에대해서는해당색깔로표시되게된데이터가같이표시되어짐 하루는 시간단위로나뉘어서표시되며 표시는 단계색깔 초록색 노란색 빨간색 로이루어지고있으며 작전가능시초록색으로 중간단계로노란색 작전불가능시빨간색으로표시됨 화면의오른쪽부분은공역예보에대한데이터를자료관리시스템을통해얻어서같이표시하고있음 - 29 -

남한공군기지와북한공군기지에대해서도남한공역과같이해당기지를선택했을때영향평가를통한데이터가아래부분에표시되도록되어있으며작전가능여부에대해서 단계색깔 초록색 노란색 빨간색 로이루어지고있음 작전운영은현재작전을운영하는데필요한기상정보를제공하는데목적을가지고 를구성하였으며 현재작전을수행하는데필요한관측데이터를제공하고있음 제공되는데이터는현재시간을기준으로 시간에대한데이터를제공함 작전운영 에서는작전계획과마찬가지로임무지역을남한공역 사격장포함 남한공군기지 북한공군기지로나눠구성하였으며 기본적으로각각의지도 남한지도 북한지도 를바탕으로지도위에해당작전의영역을표시하였음 작정운영은작전계획과다르게작전지역이나기지를선택했을때현재의기상상황에대한데이터가아래쪽에 단계색깔 초록색 노란색 빨간색 로이루어지고있으며 색깔의의미는작전계획과마찬가지로작전가능시초록색으로 중간단계로노란색 작전불가능시빨간색으로표시됨 작전운영중시시각각바뀌는기상상황을반영하기위해아래에표시된데이터를운영자가변경가능하게구성하였음 그림에서보듯이필요시운영자는 단계의색깔을바뀔수있으며 이에대한정보를입력하여실시간으로 에반영하여작전운영에효율성을높이도록구성하였음 작전기상지원시스템 작전운영 나 재해대응의사결정지원통합관리시스템 현존하는재해대응의사결정지원시스템의문제점을보완하고국민뿐만아니라 국방업무와같은특수상황에대응하기위해기존의재해대응의사결정지원시스템 - 30 -

을유기적으로연동하여사용자들이쉽고편리하게시스템을사용할수있는 재해대응의사결정지원통합관리시스템개발 본시스템을활용하여의사결정자에게빠르고정확한정보를제공하여신속히재해에대해대응을할수있도록하는것임 재해대응의사결정지원시스템은크게자료관리시스템 예측시스템 자료표출시스템등의 가지시스템으로구성됨 재해대응의사결정지원시스템에있는 개의시스템을유기적으로연동하여자동적으로수행하게하여 보다빠르고정확한결과를얻을수있음 통합관리시스템구성도 자료관리시스템은메타데이터서버 자료수집 분배 관리서버 저장장치로구성되어있음 메타데이터서버는메타데이터를관리하는서버로 메타데이터정의 메타데이터등록 메타데이터검색 외부사이트메타데이터검색으로이루어져있음 구성요소 자료수집 분배 관리서버는다음과같은워크플로우방식으로구현되어있음 - 31 -

자료수집서버 자료수집서버는 를이용하여외부시스템과연계하여자료를받아들이는서버로자료수집방법에는 과 방법이존재함 재해대응의사결정지원시스템에서의자료수집서버의기능은외부시스템과연계하여예측시스템에서필요로하는자료를수집하는역할과예측시스템과자료표출시스템을통해결과물로생성되는자료들을수집하는역할을담당하고있음 수집방식은외부시스템에서 서버의지정된위치에자료를업로드하는방식 수집방식은서버에서주기적으로외부시스템에접근하여데이터를 서버로가져오는방식 자료수집서버를활용하기위한선행조건은자료수집을위해메타데이터등록이우선진행되어야하며등록된메타데이터와 방식의수집위치혹은 방식의룰이연결되어야함 자료분배서버 자료분배서버는외부에서요청한자료를해당기관 서버에전송해주는역할을하며 본재해대응의사결정지원시스템에서는예측시스템의모델에서필요로하는초기값을찾아전송해주는역할과사용자들에게예측시스템의결과값 또는자료표출시스템의결과값을제공해주는역할을하고있음 현재존재하고있는시스템은자료분배서버와예측시스템이유기적으로연동되지않아관리자가파일을자료분배서버에서수동으로다운로드받아직접예측시스템에업로드하는방식으로이루어졌음 이방식을관리자의관여없이자동적으로자료를주고받을수있는시스템을위해 를정의하고관련프로그램작성을당해연구기간에마무리할예정임 자료관리서버는자료를정리하여해당자료구조에저장하는기능과분배를위한자료처리기능을담당하고있음 재해대응의사결정지원시스템에서는예측시스템의입력값으로들어가는자료에대해사용자가원하는포맷으로변경시켜주는자료처리를담당하고있으며 또한자료수집서버를통해수집된자료들을 저장장치에저장하고관리하는역할 메타데이터서버와자료수집 분배관리서버는각각패키징될예정임 - 32 -

현재 저장장치는 로구성되어있으며향후더많은저장장치가구성될예정이지만현재로는모델을통해생성되는데이터를모두저장하기에는무리가있어필요한자료만저장하는방식으로진행 예측시스템은재해대응의사결정지원을위해모델을수행하고예측결과를자료표출시스템을통해의사결정자에게전달되어의사결정을하는데기본자료로활용됨 예측시스템에서수행될모델은 가지기상모델 해양모델 수문모델이있으며각각의모델은해당실행과정을통해예측결과를생성하게되며생성된예측결과는자료관리시스템의자료수집서버를통해자료가저장됨 저장된자료는자료표출시스템을위해자료처리가이루어지고 이를자료표출시스템의입력자료로활용함 자료관리시스템 예측시스템 자료표출시스템간의자료전송을위해공통된 를구성하여지원할예정임 자료표출시스템 자료표출시스템은예측시스템에서생성된예측자료를기반으로 시각화를통해재해대응의사결정을위한기본자료로활용됨 본시스템의현재문제점으로는대용량입력자료를다루는문제가있으며 이를해결하기위해예측시스템의예측자료로부터필요한데이터만추출해저장 전송할수있도록해야함 다 공군기상단작업모니터링시스템 수행모델분석 현재실행하고있는 와 의두가지기상모델수행에관한현황파악 공군기상단모델수행현황 모델 모델 주기 일 회수행 일 회수행 수행시작시간 수행소요시간 약 분 약 분 소요계산자원 - 33 -

모델수행단계 모델실행단계총 개의세부단계로구성있음 모델의출력파일체크는모델수행의 개의단계마다수행해야함 후처리과정 모델의출력파일을이용하여예보자료를이미지형태출력과정 후처리과정은이미지를생성하는프로그램들로구성되어있으므로프로그램갯수및생성이미지수가다수이므로에러체크포인트도다수임 모델수행단계 초기자료다운로드 초기자료수신 입력파일체크 전처리과정 모델실행 출력파일체크 영역 수행 영역 표출 총 종 개 후처리과정 후처리출력파일 고해상도화 체크 영역 수행 영역 표출 총 종 개 고해상도화 영역 수행 영역 표출 총 종 개 모델단계 초기자료 다운로드 초기자료수신 입력파일체크 전처리과정 모델실행 출력파일체크 모델수행 표출 총 종 개 후처리과정 후처리 출력파일체크 - 34 -

모델오류판단 모델의각단계마다오류판단근거는단계별입 출력자료갯수및크기 비교와모델수행단계에서의로그파일의오류판단가능한단어검색이있음 초기자료체크단계에서의입 출력자료갯수및크기비교는다음과같음 모델의단계별입 출력자료갯수및크기비교 초기자료체크 단계 자료내용 자료명 비고 용량비규칙적임 시각 예보시각 초기자예보갯수 총예보시간 료체크 자료 연월일시 용량비규칙적임 매회 개 시각 예보시각 총예보시간 시간간격 연 숫자 자리 월 일 숫자 자리 표기 모델수행단계에서의입 출력자료갯수및크기비교는다음과같음 모델의단계별입 출력자료갯수및크기비교 모델수행 단계세부단계결과파일명에러판단단어 연 월 일 시용량규칙적임 개수 총예보시간 시간간격 모델 수행 각 개씩 각 개씩 연 숫자 자리 월 일 시 숫자 자리 표기 총예보시간 총예보시간 시간단위 공군설정 시간 시간 시간 시간간격 예보시간간격 시간단위 공군설정 시간 시간 시간 - 35 -

모델수행단계에서로그파일의오류판단가능한단어검색을다음과같음 모델수행단계에서로그파일의오류판단가능한단어검색 단계세부단계로그파일명에러판단단어 모델 수행 번호 모델오류판단 단계별입 출력자료갯수및크기비교와모델수행단계에서는로그파일의오류 판단가능한단어검색이있음 단계별입 출력자료갯수및크기비교 초기자료체크 단계 자료내용 자료명 비고 시각 용량규칙적임 매회 개씩 파일크기 초기자료시그마분석자료 시각 파일크기체크 시그마분석자료 시각 시각 시각 시각 예보시각 총예보시간 시간간격 연 숫자 자리 월 일 숫자 자리 표기 용량비규칙적임 매회 개씩 단계별입 출력자료갯수및크기비교 초기자료체크 단계세부단계결과파일명에러판단단어 모델수행 없음 예보시각 예보시각 용량비규칙적임 개수 총예보시간 시간간격 총예보시간 총예보시간 시간단위 공군설정 시간 시간간격 예보시간간격 시간단위 공군설정 시간 - 36 -

모델수행단계에서의로그파일의오류판단가능한단어검색 단계세부단계로그파일명에러판단단어 모델 수행 없음 모니터링표출 구성 안 공군기상단작업모니터링시스템 모델선택메뉴 종선택구성 또는동시표출 모델초기시각선택메뉴 시간선택표출또는한화면내모두시간표출 에러정보표출 표출화면내로그파일내에러정보모두표출 스크롤바생성 모델수행단계 모델은총 단계로구성되어있으므로세부단계필요 - 37 -

제 절연구개발결과의활용방안 기술적측면 재해대응의사결정지원시스템구축사업에활용가능한사이버인프라기술을좀더이상적으로개발하는데있어서융합적인연구를토대로계획을수립하고추진체계를확립하여창조경제를창출하는데크게기여할것임 발전된통합시스템환경을구축하기위해해당분야의응용연구자들과관련기술이접목하여기술개발을이루고있으며 이를통해우리의실생활에특히인간의삶과매우밀접한환경에적용할수있는기술을개발하여융 복합기술개발분야에롤모델의역할을통해융 복합기술개발및연구에기여할것임 재해대응의사결정지원통합관리시스템은지원장비와복잡한프로그램들을효율적으로관리하기위한사용자들의자원활용과서비스에대한고민사항을해결할수있도록다양한프로그램간의연계 데이터의관리및분배 서버간의부하분배 보안등을더욱안정되게운영할수있도록서비스를제공하여관련시스템의표준으로의역할을할것임 재해대응의사결정지원통합관리시스템은관련시스템의표준으로의역할을총해다른유사시스템들과연계활용한다면서로간의자료해석의상승효과뿐만아니라관련분야기술발전에중추적인역할을할것임 경제 산업적측면 의사결정지원을위한기능개발의중복성및각시스템간정보제공방식의비효용성 서로이질적인정보제공방식 을재해대응의사결정지원통합관리시스템을통하여감소시켜 인력 시간 자원등낭비의발생을최소화하여이로인한경제적손실을막을수있음 통합관리시스템은의사결정자에게필요한정보를정확하고도직관적으로제공함으로써재해상황에대해신속하게대응할수있도록지원하여재해로인한손실을최대한줄일수있으며국방차원에서도국가의안보를강화하고재산을자원을지키는데일조함으로써경제적손실을적극최소화할수있음 기상 해양 물에대한재해상황에신속하게대응하기위해개발된통합관리시스템은타분야에적용할수있는범용시스템으로개발 운영및검증될것인바타분야에적용하여중복개발을피할수있으며이로써인적 시간적 물질적자원낭비를줄일수있음 - 38 -

활용방안 국방업무는국민의재산권이나생명뿐만아니라한국가의경쟁력에도많은영향을끼치는분야로빠르고정확한재해에대한정보를의사결정자에게제공하기위해재해대응의사결정지원통합관리시스템을구축하여현재독립적으로운영되고있는시스템들을통합적으로관리활용할수있는체계를확립하며 이를통해운영자의개입을최소화하여휴먼에러의확률을현저하게줄이면서도더빠르고정확한정보를생산해낼수있는서비스를제공하여 국가경쟁력을향상시키고미래과학기술및창조경제역량을제고시킬수있을것임 세계적으로기상관측데이터에대한표준을이루고있는 표준데이터포맷을사용하여국내에있는유사시스템과의연동뿐만아니라해외에있는시스템과의유기적인연동이가능하며 이를통해국가과학기술발전과경쟁력에기여할수있을것임 분석 예측을통해얻은데이터를직관적으로표현하여사용자에게보여줄수있도록분석데이터를검색하여도표 그래프 등시각화등여러방식으로표출하여재해대응을위한의사결정시보다빠르고적확하게판단할수있어국민의생명이나재산을지킬수있으며 효율적인국방업무를통해국가안보를더욱튼튼히할수있을것임 현재기상청이나소방방제청과같은유관기관에존재하는시스템및데이터를유기적으로재해대응의사결정지원통합관리시스템과연동하여활용할수있는체계를구축하여국방업무뿐만아니라타분야로의확산을통해유사시스템의중복개발을막고재해에보다효율적으로대처할수있을것임 선도기술확보를통한재해대응의사결정지원통합관리시스템의세계적비교우위의점유와미래첨단서비스의선도를토한고부가가치를창출할것임 - 39 -

제 절참고문헌 국가재난관리정보시스템 국토교통부 재해대응지원시스템 실시간온라인의사결정지원시스템 비상운영센터의사결정지원시스템 재해정보시스템

제 절연구의필요성및목적 연구의필요성 태풍과 지진기인및태풍기인 해일은대표적인해양재해현상임 태풍에대한진로 강도및바다에서의해일에대한사전 일내지 일전의정확한예측은예견되는피해를최소화하기위해대표적으로필요한정보임 태풍의강도는해양을통과하면서주고받는열에너지의정도에따라정해지며 이는해양의열적구조를잘예측해야함을뜻함 년대이후미국에서부터해양 태풍 대기 결합모델이개발되기시작하였으며 태풍진로 강도만을정확하게예측하기위해지역해모델이개발되고있음 태풍에의한해일을예측하기위해서는태풍예측정보가정확하여야하며 특히태풍진로예측의정확도가해일예측의오차크기를지배함 태풍기인해일고예측의정확도를높이기위해서는 해양과태풍결합모델에기반한태풍정보개선과관련된요소 해일예측의공간해상도향상이수반되어야하며 컴퓨터계산능력이증대됨에따라공간적인정밀도증대 신속한예측자료생산요구도증대되고있음 각국이고유한모델개발에노력하고있는상황에서우리도이분야모델의독자적인개발역량구축과지속적인모델개발 개선은매우필요 태풍예측정보를제공하는태풍모델에서초기태풍장을산출하는기법은태풍모델링중핵심기법이고 태풍 해양결합모델의정확도와관련된분야로서 선행연구를통해기술자립을이루지못한분야임 이와같이핵심분야에서기술자립을위한연구개발노력이특히필요한시점임 - 41 -

연구의목적 독자적인기술을기반으로효율적인태풍해일모델을개발하고자하며 이는해양 태풍결합모델의입력자료와의연계를통해수행 태풍기인해일모델은특히북서태평양해역내한반도주변해역에대한하나의효율적인최적격자망을통해예측하고자함 관련주요모델링분야에서원천기술개발과축적을부차적인목표로함 해양 태풍결합태풍모델및태풍파라메터모델과연계한독자태풍해일모델시스템개선 개발 - 한반도주변최적격자망기반태풍해일예측시스템검증 서비스 구체적인연구목표로는 태풍기인해일모델은국내독자수치모델링기술을기반으로북서태평양내한반도해역을효율적으로구성한모델링시스템구축 수립된모델은과거태풍사례에대한모델링을통해검증하며 검증및초기자료등을확보하기위하여본사업기간동안동중국해해양조사를실시 - 42 -

제 절국내외기술개발현황 국내기술개발동향가 태풍 해양결합모델모델분야 최근 기간중에한국해양과학기술원에서는태풍 해양모델접합연구를통해미국 태풍모델과 모델을기반으로한모델에독자수립한해양모델을접합 태풍전용모델을개발함 연구를통해 결합태풍모델과 결합태풍모델개발성공 한국 일본 미국의 개태풍을대상으로한 시간진로오차는약 내외이나해양과학기술원연구결과는 시간예보가약 수준으로크게향상된결과를제시 년이후 해양과학기술원에서는 해양모형 과 대기모형 에기반한 지역기후접합모형 을개발중이고 이로부터한반도주변해미래전망초기결과를전지구기후모형 와비교등의관점으로연구를수행중 년현재공주대학교태풍연구센타의경우태풍을따라자동으로이동하는 중둥지기능모델 태풍모델과 모델을개발하여기상청에현업예보용으로공급하고있으며 향후주요연구목표로자료동화와해양모델과의결합필요성에대해인식 기상청에서는영국전구기상모델 모델 을 하여 이의결과를태풍진로파악등에대표적으로이용하고 기상청태풍센터에서는단기태풍예보모델로 해상도 시간예보 진로예측 과 해상도 시간예보 강도와진로예보 를사용중 결합모델의핵심요소중하나는태풍모델에서초기태풍을부여하는태풍보거싱기술인데 개발될필요성이있고 현재독자운용되지못하고있는실정이므로 향수기술의개선및자체기술확보가필수 나 해일분야 태풍매미이후 기상청 기상연구소에서는 년에광역의고해상도 도 의폭풍해일모델을개발하여현업에활용하고있고 모델영역확대및네스팅기법도입에따라연안해상도를수백 수준까지향상 년대후반이후국립해양조사원에서해일예측을위한모델개발 하지만 대부분외국개발코드를기본으로하며 수치모델코드의개발이라는원천기술개발과기술 - 43 -

축적측면에서매우취약한상태 다 해양조사 태풍전후해양모니터링유동관측 분야 태풍전후해양특성관측은해양과학기술원이동중국해에서실시한해양조사가대표적 년하계조사기간 와 를계류시킴 년나리 년태풍 및 년태풍 시영향을담은자료를획득 유동특성과혼합층변화정보는태풍예측의정확도를평가하고해양모델을개선하는데핵심자료임 태풍전후에동중국해에서 등을이용한유동장과동시에수온 염분연직구조에대한관측정보획득은향후얻어져야할해양정보의핵심적인요소로판단됨 국외기술개발동향가 태풍 해양결합모델모델분야 미국은국가허리케인센터 에서허리케인진로및강도예측을하고있으며 진로예측과강도예측에다양한종류의수치모형을이용하고있음 초기부터근래까지평가에서가장발달된형태의 모델도 년에서야해양모델결합을성공하여예측에활용하고있음 모델에이어 년후반부터 와다양한해양모델을접합한모델개발에많은연구가진행되었으며 최근에는 모델과대등한수준혹은그이상의좋은결과를보이는것으로평가되고있음 미 연안변화연구를위해개발된접합모형 대기 해양 파랑 퇴적물 모형간의정보가 라는 를통해상호간에교환되는방식으로진행 대서양에서발생하는열대폭풍의생성과발달과정중에나타나는대기 해양상호작용을이해하기위해 을접합 접합모형 를이용한 접합모형 는 로바람응력과열속을주고 로부터해수표층온도를받음 접합모형은이상화된허리케인과관련된연구에서사용되고있음 을이용한 접합시스템개발중 - 44 -

생지화학모형 접합시스템개발 프랑스 센터 접합모형 는 모형에서얻은바람장에의해표층응력을받음 스페인 예측시스템 서지중해연안지역의해양을예측하고 열대저기압의대기 해양상호작용을연구하기위해 시스템을사용 나 해일분야 일본기상청해일모델은 식등태풍파라미터모형으로계산된태풍을이용하고 일본과한반도일부를포함한해역 남북 동서 을대상으로 해상도는 분 간격으로동서방향 약 남북방향 약 로써총격자수는 백만개정도에달하는계산을수행 영국 해일모델은 년부터해일예보모델을운용하며 해상도의기상모델과연계되어있음 다 해양조사 태풍전후해양모니터링유동관측 분야 미국에서태풍내습 시간전진로에기상 해양뜰개투하하여부이를이용하여투하후수시간후부터해양 기상정보를수신하는시스템을운용하고있음 내습수일전해양구조자료확보를위해항공기이용하여 를투하 활용중 이자료로해양정보파악하고해양모델의초기조건에활용중 - 45 -

제 절연구개발수행내용및결과 개요 본연구사업의 차년도주요내용은크게 개분야로대별되며 동중국해하계해 양조사 국내독자해일모델개발및수립분야및태풍 순환모델수립분야로구성됨 하계현장조사및관측결과가 수온 염분현장관측및분석 해양조사개요 년추계 월 일 일간동중국해해양조사를통하여 제주남측및위도 해역에서 조사 계류조사 난류관측등을수행하였다 관측기간중태풍풍웡의내습에도불구하고전반적으로목표하고자하는현장관측자료를수집함 년 월동중국해관측정점위치도 관측은수온 염분 해수샘플 의공간조사와해류계 와수온염분연속기록계 설치를통한모니터링자료획득및 와난류 관측반복고정점조사 수온염분분포및 관측결과 수온과염분의동서단면수직구조에서표층의저염수와저층의난류수에의해수심 층에강한성층구조가보이며 표층에서 층까지비교적균질한혼합층이나타남 - 46 -

반복관측에서얻어진수온 염분 밀도 연직시어 분포로부터 시어는혼합층에서강하게나타났고 수온약층에는약하지만 수온약층하부에서해저면에가까울수록크게나타남 성층이형성된 층에서는소산율과확산계수가작게나타났지만 혼합층과성층하부 해저면 에서는높게나타남 소산율은성층수심대에서 정도이고 혼합층과성층하부에서는 정도로그차이는약 정도로나타났으며 확산계수는성층수심대에서 정도이고 혼합층과성층하부에서 정도로그차이는약 정도로나타남 년 월동중국해북부해역관측개요 해양열용량특성 아래그림은해양열용량으로단위면적당해수 의열에너지를제시 좌측그림은 년태풍나리내습전관측시 월하순에관측된결과로최대열용량은 으로상당히큰값을보임 멕시코만에서 년태풍카트리나등이 등급으로강화된주원인이멕시코만내따뜻한난류수괴때문으로해양열용량은약 에달하였으므로나리가동중국해해양을통과하면서크게감쇄되지않은이유중하나 년 월 일사이관측된결과는 가 이하로매우작아 어떤태풍도이해역을지나면서크게약화될것임을예상할수있음 - 47 -

설치위치 정점 에서 시간동안 반복 시간간격 관측한결과로부터계산한난류운동에너지소산율 ε 과연직확산계수 붉은색일수록혼합이강함을의미함 ε와 는 스케일임 검은실선은밀도 간격 를나타내었음 년 월중순해양열용량 우측그림 관측점 서부는서쪽에서저층냉수의유입으로열용량이작으며 동쪽은대마난류로인해 상대적으로열용량이큼 년 월말 좌측 최대열용량이 에달함 나 조석 해조류관측및분석 조석관측및분석 월 일부터 월초중순까지제주도서측 남측 동측연안 개지점에서태풍통과시의해일고를관측하기위하여조석관측기를계류시킴 태풍풍웡의세기가약하여대체로해일고는최대 이하였음 - 48 -

추계 관측점과제주연안 조석관측지점 및 관측점 지점 제주남부 개관측점 중 에서조석관측결과 상 및 관측해일고 하 - 49 -

에서의조석조화분석결과 - 50 -

해조류관측결과 단면 상의관측점 수심 에서의 관측결과와관측기계류를전후에실시한관측결과를분석 월 일 시부터 시까지관측점 에서의 관측결과인 성분을도시하였는데 바닥에서약 수심까지의자료가획득됨 관측기계류후에 관측및밀도부력진동수결과 예 월 일 시 분관측 도제시 유속 성분의경우 같은북향 의흐름 이더라도혼합층을경계로유속 가크게나타나는데 혼합층아래에 가크게나타남을시사하고 연직난류계수가약 수심층을경계로크고작게나타나는특성과부합 전반적으로관측기간동안에해수구조에따른부력진동수는약 초이나바람이나다른요인에의해보다장주적인내부파가발생하는특성을보임 월 일동안태풍풍웡으로인한바람으로인해내부파가발생하였음을시사 태풍시기의내부파의존재와혼합특성이이후의혼합특성에어느정도영향을주었나는현재까지자료로는그영향이뚜렷해보이지않음 다 해양초기조건 마이크로웨이브 분석 관측자료중상부혼합층자료와마이크로웨이브자료를비교한결과 상부 층의혼합층성격을마이크로웨이브파가정확도 내에서재현하고있는것을확인 자료의해양초기조건활용성 태풍풍윙이내습하기전인 월 일 좌상 과양쯔강까지북상한시기인 월 일 좌하 의표층마이크로웨이브 변화자료는태풍모델의원웨이 혹은투웨이 자료로활용할경우매우효율적인방법이될수있음 - 51 -

년 월마이크로웨이브 적색 와 관측치간의수심별비교 위 및 년 층별 관측치와마이크로웨이브 간의비교 아래 년풍웡전파시기인 월 일 월 일간 변화 - 52 -

국내독자해일모델연구가 개요 조석 해일 재현및예측을위한음해법 를활용한수치모델을국내독자연구를통해개발하고 효율적인격자시스템으로구성된한반도연안해역에서의 조석 해일 을예측하는모델을개발함 조석모델을검증하여조석 조류의재현성을확인하는실험을실시한결과를제시하고 한반도주변과북서태평양을연계한하나의효율적인최적격자망시스템으로구성하는전략과금년도에구성한격자시스템개발내용을기술 년 월 일발생한세월호침몰해역에서의조류계산을통해조류계산의정확도롤평가 이를통해연안역에서의조류예측을위한해상도에대해개략적인평가와기준을삼을수있는근거를마련나 독자해일모델시스템수립 조석 조류모델정확도실험 음해기법을채용한조석 조류계산코드를테스트하기위하여연구기간중발생한세월호침몰인근해역에대한조류재현실험을실시 격자망은대한해협을포함하며 외측격자망은 도에서한반도남서부해역및남해해역은 약 로구성된격자망으로진도인근및대차수로와맹골수도의조류를충분히재현 계산방식및정확도검증위한남해영역격자망 위 및진도서측 세월호침몰해역격자망구성도 아래 대체로울돌목의명량수도 장죽수도 거차 맹골수도의흐름이아주강한것으로나 타나 일반적으로알려진조류흐름을잘재현 - 53 -

진도해역창조 위 및낙조 아래 시조류특성 부이관측점과 관측점 세월호지점 에서의약 주일간계산치와관측치비교한결과 부이관측점에서의계산치와관측치는대체로발부합하였으나 관측점에서는창조시 적색점선영역 에는잘일치하나낙조시는상당한차이를보임 관측치에는 형태의특성이나타난다 와류로인해나타날수있는전형적인특성이나관측치와계산치가차이가나는이유는 아래침몰한선박의영향내지는와류의시간변동성이적절히재현되지못한탓으로볼수있음 - 54 -

부이관측점 위 과 관측점 아래 에서의모델및관측치비교 - 55 -

진도해역조석파는남동쪽에서북서로향하는 등조시도를제시하였고 조류특성 을이해하기위한조류타원계산을통해남동 북서향류가지배적임을파악 분조의지각분포 분조의조류타원특성 부이관측점과 관측점간의특성차에대해서말하자면 조위의시간차는수분에국한되나조류의경우최강유속이나타나는시간차가약 분에달하는것으로나타남 이는좁은공간에서의조류공간변동성을시사하는것으로향후조류예측시고려해야할사항으로판단 - 56 -

북서태평양조석 해일모델수립 아래그림은북서태평양 해일 조석 모델격자망수립결과이며 격자수는 여만 개격자로구성됨 북서태평양조석 해일격자망시스템 적색점선표기는경기만및진도인근 영역을나타내며 오른쪽에경기만북동부해역중한강 임진강영역의상세격자망도를제시 북서태평양 분조진폭및지각 - 57 -

또한북서태평양해역중경기만북동부해역격자망으로서한강과임진강영역을정밀격자로구성한결과를제시 한강최상류경계는팔당댐까지이며 임진강최상류는적성으로서각각의유량이추후입력조건이됨 하천의수심및하천경사는기존자료를활용하였으나임진강해역은특히접적지역으로기초자료가매우부족한형편이기때문에 모델수립후세련화단계를거쳐야할필요성이있음 격자망은실제실용적인측면에서충분여부는태풍시소요시간 연안에서의정확도등을통해재평가예정 고도위성자료를분석하여 전체북서태평양해역을대상으로한조석모델에개방경계입력자료로활용예정 다 태풍파라메터모델 해일모델연계 태풍파라메터모델연계 일반적인확장가변격자시스템에대한일반적인알고리즘을반영하여등방격자상의바람및기압장을임의의확장가변형시스템으로변환하는시스템을완성 바람에의한해양반응실험은태풍에의해해양상층에서발생하는관성류에대한온난화가정실험을실시 고려하는바람및기압장은일차적으로관측된 이나예측된태풍진로및대표거리에서풍속정보를활용하여태풍파라메터모델을적용 기준년도인 년조건과비교하여 년즉 년후같은바람조건에서상부관성류의크기변화를보면 기준년도에비해상층밀도변화에따라혼합층의유동이시간에따라급격하게악화된것을알수있음 온난화실험에서부력진동수는약 감소 등방격자상태풍나리연계실험 해상도등방격자상의북서태평양해역에서태풍나리에대한실험을실시하여바람장과기압장을해양모델에결합하여태풍이동중국해해역을통과한 주기 주기 주기후의결과를산출 이실험은파라메터모델로산출된바람장에의해상층혼합층에서산출된준관성류를모의하기위한실험으로모델반응및바람장과해양장의결합적정성을파악하기위하여실시 본실험은해양의경우상부층과하부층을구분할수있는이층모델 을사용 준관성류의에너지는수평혹은수직방향으로증가할것이며 이로인해상층의내 - 58 -

부관성류는급격히감소될것을예상됨 준관성류의감쇄시간스케일은약 감소하며 이는대략경향상의일치를보임 이러한태풍응로인한상층준관성류특성으로부터기상장돠해양모델의결합은적절히수행되었음을알수있음 태풍 해양모델수립가 해양모델수립 북서태평양해양순환모델 북서태평양순환모델은 에서개발하여배포한 에기반하여개발 격자체계를사용하고있으며정수압근사와 근사를채택하고있음 기본적으로수직으로 격자체계를적용하고있으나해면근처에서해면고도의변화에의한격자가가변적으로달라지는 격자체계를적용할수있음 연안역에서수심변화를고려한 격자또한사용할수있으나격자변환에따른수치적인오류를보정하기위한고차원방안들이마련되어있지않아적용하는데어려움이있음 북서태평양의중규모에디변동성을모의하기위해아래표와같이해양순환모델을구성함 조석혼합모수화방법 은조석에의한순압류가해저면의거칠기에의해난류에너지로바뀌고이것이다시수층내의혼합을유발한다고가정 따라서조석에의한수직혼합은순압류의크기와바닥거칠기에의해서결정할수있다고생각함 북서태평양해양순환모델의특징 - 59 -

개방경계조건은 지역해양순환모델을수립하기위해서는필수적인요소임 개방경계조건은크게세가지요소에적용되는데 첫째는수온및염분등능동적또는수동적추적자를위한경계조건 둘째는해면고도및순압류를위한경계조건그리고마지막으로경압류를위한경계조건임 그중에서도 은추적자와해면고도를위한경계조건을다루었으나해면고도를경계조건으로입력하였을경우 개방경계에서비정상적인순압류의섭동이일어나는것을발견하여이를완화하기위하여순압류를직접입력하는개방경계조건을마련함 개방경계조건을위해서는 의방사조건을적용하였음 개방경계입력을위한자료는한국해양과학기술원의전지구재분석자료 로부터얻었으며수온과염분그리고순압류자료를개방경계에처방함 가 의전구자료이기때문에모델격자로내삽하여개방경계에해당하는자료를따로저장하여불러들이도록함 자료동화및재분석자료 해양 태풍결합모델을이용하여태풍의강도를예측하고자할때 해양의초기장이강도에미치는영향이큰것으로알려져있음 따라서해양의초기장을현실에가깝도록재구성해주는것이필수적이며이를위해자료동화기법을적용함 자료동화는그기법에따라계산비용과성능이크게좌우되는데 본연구에서는저렴한계산비용에비해성능이큰것으로알려진 를적용하였음 는앙상블칼만필터와수학적으로는비슷하지만여러개의앙상블수치모델로부터배경오차공분산을얻는앙상블칼만필터와는달리과거수행결과로부터앙상블멤버들을얻어배경오차공분산을계산하기때문에수치모델적분시간을크게줄일수있다는장점이있음 비록역동적인배경오차공분산을고려할수는없지만통계적인역학을반영한배경오차공분산은고려할수있음 인공위성고도계센서로부터관측되는전지구해면고도자료는해양의열용량과해류에따른역학을반영하기때문에해양자료동화에있어중요한자료로인식되고있지만 지오이드에러등에의한불확실성이크기때문에이를동화하는데어려움이있음 따라서본연구에서는해면고도변이를동화하는방안을적용하였음 북서태평양해양모델의특성과 를적용하여생산된재분석자료는 쿠로시오의이안과동한난류의이안등서안경계류를현실에가깝게모의함 특히쿠로시오등서안경계류는높은열용량을갖는수괴들을북쪽으로이류시키기때문에향후해양 태풍결합모델에의해모의되는태풍의강도에크게영향을미칠것이고 해양 태 - 60 -

풍결합모델의해양초기장으로입력되어태풍강도예측의정확도향상에기여할것임 서안경계류에의한난류의이류뿐만아니라해양의중규모에디변동성은태풍강도예측에민감하게영향을미치는것으로알려져있는데 한반도주변의태풍강도에영향을미치는에디변동성을파악하기위해서향후동중국해및쿠로시오해역에서정량적인분석을수행예정 동해에서에디변동성은현실에가깝게모의하고있지만 쿠로시오가지나는해역에서전반적으로에디변동성을과소평가하는경향을보임 이는향후고해상도의개방경계조건의처방과깊은수심까지의해면고도변이동화등민감도시험을수행하여개선예정 북서태평양순환모델과자료동화체계를이용하여해양장을초기화하며향후해양 태풍결합모델에입력함으로태풍의강도예측의정확도를향상시키는연구를수행할것임 해양재분석체계로부터해양초기장을입력받아약 일간해양모델이구동하게되며이때 시간간격의대기재분석자료를처방하게됨 이를태풍모델과결합하여 일간의태풍강도예측을수행할예정 해양 태풍결합모델의개념도 - 61 -

나 태풍모델수립 결합자코딩 중규모기상모델인 를이용하여태풍시뮬레이션을수행하게되면 태풍의세기및진로예측에높은정확도의결과를도출하지못하는경우가많이발생 중규모기상예측모델 의계산에서물리적인현상인태풍의발달 감소과정은일부예측이가능하나 현업에서가장중요한진행속도와진로에대한예측정밀도가부족한경우연안에서의바람의세기나상륙위치및상륙시간등을정확히예측하지못함으로연안피해의원인인폭풍해일의정확한예측을하지못하게됨 이를해결하기위해 태풍의위치및세기에관한정보는태풍예보에신뢰성을가지고있는기상청등의기관에서발표하는자료를이용하고 계절풍등의배경자료는기상모델의결과를이용하여두자료를합성 블랜딩 하는기법을사용 평상시는중규모기상모델 를이용하여바람및기압장을생성하고 태풍이발생하게되면 의계산결과에서태풍을제거한배경장에태풍예측자료 진로및세기등 를이용한태풍모델의태풍바람장을합성 블랜딩 하여바람및기상장을생성 이렇게생성된바람및기상장은파랑 순환및해일모형에이용 태풍블랜딩시스템의순차개념도 - 62 -

태풍블랜딩계산의예 태풍모델 기관별태풍너구리진로및강도예측시뮬레이션 기관별 태풍너구리 경로예측자료를실시간으로확보하고그자료들의정확도를태풍이지나간뒤에 과검토 자료는 의디지털태풍자료를이용하였다 각기관에서예측하는태풍경로와 실시간모델예측결과인 자료를이용한 예측결과를나타내는데 모두비슷한오차를보이고있음 각경로의색상은예측당시의시간을나태나며 월 일부터 일까지 시간간격으로예측자료를검토함 기관별예측자료와는달리 모델의경로를보면모델계산초기조건으로인한태풍이동의불안정이보임 이는 기법을이용하여해결가능할것으로보이며 태풍초기에는경로차이가심하나중반이후로는비교적잘예측하고있음 전반적으로초반의예측은류큐열도를따라북동쪽으로진출하는것으로나타났으나 실제로는좀더서쪽으로진출하여동중국해의중앙을가로질러서편서풍으로영향으로일본큐슈지방으로우향하였음 또한 의예측을제외하고는중반 일 의예측에는편서풍의영향인진로우향이늦게나타나는패턴을보임 후반 일 의예측부터는진로를잘예측하고있음 태풍강도에대한예측은최저중심기압과최대풍속을이용하여비교 자료를이용한 계산은총 일간계산을수행하였고 시간간격으로자료를추출하여기관별실시간예측치와비교를수행하였다 계산이초기치를제외 - 63 -

하고는다른기관의예측과비교하여가장정확한경로와 의 데이터와근접한중심기압을예측하고있음 초기치는 자료를단순히내삽한값과동일하므로약하게입력되었으나 계산이진행되면서급격히실제태풍의세기에근접한값으로수렴 의계산의경우태풍의발달 세기가강해짐 및감쇄 세기가약해짐 가관측값과비교해서상당히비슷한속도로진행되나 기관에서발표한예측값들은태풍의발달이더디게진행되며 감쇄또한천천히진행되는패턴을보이고있음 기관별실시간태풍경로예측및 자료를이용한 예측결과 년내습태풍너구리의경우 개기관 별경로 풍속 중심기압예측결과와본연구에서수행한 결과를제시 경로오차의경우 기관별로 시간오차는 시간오차는약 의경로오차를보여비슷한수 - 64 -

준임을보이고있음 자료를이용한 예측결과가상대적으로정확한결과를보이는데 다른 개기관과유사한결과를보이고있음 반면 의기상수치모형인 모형의자료를이용하여 를계산해보았으나 자료를이용한 예측결과보다좋은결과를보여주지못하였음 향후여러태풍에대해평가를해야일반적인결론을도출할수있을것으로보임 기관별실시간최대풍속예측치와 예측결과 - 65 -

기관별실시간중심기압예측치와 예측결과 기관별 태풍너구리의경로예측 정확도및 와 모델결과를활용한 예측결과 - 66 -

기관별 태풍너구리의최대풍속 예측정확도및 와 모델결과를활용한 예측결과 기관별 태풍너구리의중심기압 예측정확도및 와 모델결과를활용한 예측결과 - 67 -

최대풍속및중심기압에대한오차를보면 모델의결과의오차가크게나타나는데 이는모델초기불안정때문으로추정되며 기법으로극복이가능할것으로보임 최대풍속의경우 모델의결과는기관의예측치중가장정확한 의예측자료와비슷한오차로우수한결과를보여주고있으며 중심기압의경우 의예측치보다더욱우수한결과를보여주고있음 자료를이용한태풍매미 후측시뮬레이션 예측모델결과가아닌재분석자료인 자료를이용하여태풍매미후측시뮬레이션을수행 자료의정확도는과거 년전 의계산자료이므로높지않으므로이자료만이용하여 를계산하는경우 태풍의강도가현저히작게계산됨 이를보완하기위해 자료에태풍보거싱기법을수행하여태풍강도를높여준후 계산을수행하여태풍의강도의정확도를향상시킬수있었음 자료를그대로이용한 시뮬레이션결과로부터 태풍의경로뿐만아니라태풍의강도의정확도도현저히떨어짐을알수있음 태풍매미는오키나와를지날때최소기압이 정도의강력한태풍이나 의결과에는아주약한저기압으로되어있고 계산을수행하였을때는 정도로산정되었음 또한약한저기압의경우저기압의중심을찾기가상대적으로힘들게되어경로또한완만한경로를나타내기가어려움 자료를이용한 시뮬레이션 결과 좌 태풍경로 우 중심기압 - 68 -

태풍보거싱기법을이용하여 에가상적인태풍 를삽입하여계산을수행 태풍보거싱은가상적인태풍을삽입하게되어역학적으로불안정한상태이므로계산초기에는불안정한태풍이동경로와태풍세기또한진동을겪는패턴을보임 보거싱을할때가상적으로삽입되는태풍 의세기또한중요한역할을하는데 의 에나타나있는중심기압의 를삽입하는경우 의계산결과는상당히강력하게계산되어 의세기로삽입할때관측치와가장비슷한계산치가도출되었음 자료에보거싱기법을이용한 시뮬레이션결과 좌 태풍경로 우 중심기압 초기계산안정도향상을위한 기법을시범적용하였으며 표층경계조건의중요한요소인해면온도 의변화에따른결과모델결과를비교 조건에따른 시뮬레이션은두가지로수행되었는데 자료에포함된 와 재분석자료의 를이용하여계산함 - 69 -

에포함된 상 재분석자료 하 기법을적용함으로써초기계산안정도는현저히향상 의개선에따라경로면에서약간의향상은보이나 태풍의세기면에서크게차이가나타나지않았음 의조건보다초기및배경장이되는 자료의정확도가태풍의예측에서는더욱중요하다고판단됨 - 70 -

자료에포함된 를이용한 태풍계산결과 재분석자료의 를이용한 태풍계산결과 - 71 -

제 절목표달성도및관련분야에의기여도 목표달성도가 해양조사 월 일 일간동중국해해양조사를통하여 제주남측및위도 해역에서 조사 계류조사 난류관측등을성공적으로수행 태풍내습시해일고관측을위하여제주남측연안에설치한조석관측를통하여관측기간중해일고의높이가 이하였음을밝힘 관측을통하여태풍위력을상실한풍웡과해양의반응결과형성되는표층및연관수온전선의움직임으로인해간헐적인내부파의발생가능성을관측 관측을통하여 상부혼합층자료와마이크로웨이브자료를비교한결과상부 층의혼합층성격을마이크로웨이브파가정확도 내에서재현하고있다는것을확인 나 독자 조석 해일 모델링분야 한반도주변연안에서의 조석 해일 을예측하기위한독자적으로개발한예측모델링시스템을구축하기위하여모델개발 테스트및북서태평양해역에대한격자구성 수심투입 외해경계조건분석 획득등의분야에서수행한과업을통해전체적으로성공적으로목표를달성 개발된조석코드의파라메터에따른조석 조류현상재현을위하여연구기간발생한세월호침몰사건에대해조류재현성확인실험수행 동거차도남측에남조류시강력한와류가발생한다는것을국내최초로재현하고코딩된수치모델이성공적으로현상을재현하고있는것을확인 조류의공간다양성원인조사를위해조류타원의시간과조석파의진행시간을활용하여세월호지점과조사원부이관측점간의조류지각이약 분에이르는것을확인 북서태평양전역에대한격자망구성 전체격자수는 여만개에달하며 연안의해상도는최대 수준으로정밀한격자망으로구성함 북서태평양모델의남측경계는북위 도 동쪽으로는동경 도까지확대하여전체적으로어느방향에서든 일전태풍이영역내에위치하도록하여해일 일예보가가능하도록하였음 외해경계지점에대한경계조건을분석 획득하였으며 북서태평양조석모델수립을위한기본단계를구축 대체로이분야목표를성공적으로달성한것으로생각함 - 72 -

다 태풍 해양순환모델링분야 본연구분야에서태풍모델과해양모델각각수립하는연구를수행 태풍모델은 태풍모델을수립하였고해양모델은북서태평양에대하여 를이용한해양모델수립 모델을 자료를이용하여비교한결과 기상청혹은 예측결과와비슷한경로및강도오차를보임 해면온도 의변화에따른모델결과를비교하면 조건에따른 두가지시뮬레이션결과 자료에포함된 와 재분석자료의 를이용하여계산 초기효과가크지않은것으로나타남 해양조사과정에서상부혼합층의수온이마이크로웨이브관측치와평균적인오차가약 내로서정확한자료로확인되었기때문에차년도에는 초기자료를이용한원웨이결합모델을실시하고투웨이결합가능성도확인할예정 북서태평양해양모델의특성과 를적용하여생산된재분석자료의 년 월과 년 월의표층수온과해류를산출한결과 쿠로시오의이안과동한난류의이안등서안경계류를현실에가깝게모의하는등성공적으로해류를모의 쿠로시오등서안경계류는높은열용량을갖는수괴들을북쪽으로이류시키기때문에향후해양 태풍결합모델에의해모의되는태풍의강도에크게영향을미칠것으로예상되며 이분야검증을실시 생산되는북서태평양해양재분석자료는해양 태풍결합모델의해양초기장으로입력되어태풍강도예측의정확도향상에기여할것임 북서태평양순환모델의중규모에디변동성모의성능을살펴보기위하여동해울릉분지에서 를이용하여관측된 수심의수온과재분석자료의 수온을비교한결과 난수성울릉에디를관측에가깝게모의하여 목표로한현재재현을성공적으로달성한것으로판단됨 관련분야에의기여도가 해양조사분야 월 일 일간동중국해해양조사를통하여 제주남측및위도 해역에서 조사 계류조사 난류관측등을성공적으로수행하여 관련자료를확보 조석 해일자료는해일모델검증분야에기여할것으로예상되며 관측결과및 관측결과는동중국해난류혼합 내부파발생전파기작에대 - 73 -

한특성을파악하는데기여할것으로예상됨 마이크로웨이브 자료는동중국해혼합층두께인 층의혼합층성격을파악에매우유용하게활용 기여할수있을것으로예상 마이크로웨이브로관측한 내의정확도확인은본자료의가치를잘나타냄 나 독자 조석 해일 모델링분야 개발된조석코드가 월 일세월호침몰사건에대응하여모델의조류재현성을확인하였으며 이들자료의분석을통해조류의공간다양성의원인이무엇이며 이를확인하기위한방법을제시함 향후우리나라연안에서나타나는조류의공간성을감안한조류예측에기본적인정보를산출하는데기여할것으로예상됨 특히특정지점의조류예측정보가필요한경우 어느영역내의자료가필요한가에대한가이드라인을설정할수있는근거가되는연구로커다란기여를할것으로예상됨 북서태평양전역을대상으로구성하였으며 여만개에달하고 연안의해상도는최대 수준으로정밀한격자망으로구성한모델링시스템은향후해일모델의전략연구방향이어떤방향이어야하는가를제시하는연구로서기여할것으로예상됨 현재기상청해일모델이다단계네스팅모델로구축되어있다는점을감안할때 하나의격자시스템으로구성된모델링시스템은이분야모델링기법의진전에크게기여할것으로예상됨 다 태풍 해양순환모델링분야 모델을 자료를이용하여비교한결과 기상청혹은 예측결과와비슷한경로및강도오차를보이거나우월한것으로나타남 이를통해 모델의최적기상경계및입력자료는 모델이상대적으로양호하다는점을확인하였으며 향후연구자에좋은참고가되는기여가될것으로판단됨 해양조사과정에서상부혼합층의수온이마이크로웨이브관측치와평균적인오차가약 내로서정확한자료로확인되었기때문에차년도에는 초기자료를이용한원웨이결합모델모델링은이분야연구방법에커다란진보를이루어낼가능성을시사함 본연구에서는이분야연구기법개발을통해단순히모델링결합기법이아닌관측자료를활용하는기법으로개발하고자함 북서태평양해양모델의특성과 를적용하여생산된재분석자료의 년 월과 년 월의표층수온과해류를산출한결과 쿠로시오의이안과동한난류의이안등서안경계류를현실에가깝게모의하는등성공적으로해류를모의함 이같 - 74 -

은성과는해양순환모델링분야에크게기여할것으로예상됨 구체적으로자료동화기법을이용한해양순환모델이상대적으로양호한연구결과 를산출하는방법임을제시하는효과가있을것으로예상됨 - 75 -

제 절연구개발결과의활용계획 해양조사분야 년추계동중국해해양조사를통하여 제주남측및위도 해역에서얻어진 조사 계류조사 난류관측자료는해일모델및태풍모델의입력 초기 검증자료로활용할예정 제주도남측연안의검조및해일자료역시모델검증에활용할예정 및 관측자료는상기해역의난류특성및내부파특성연구를위한논문의기초자료로활용할예정 마이크로웨이브 자료는태풍모델의초기자료로활용할예정 동중국해를제외한북서태평양해역에서의검증은 자료를활용하며 이를통해검증한자료역시태풍모델의초기화자료로활용할예정 수치모델링분야가 독자 조석 해일 모델링분야 진도인근세월호침몰과관련하여실험한모델결과는상기해역의조류재현성을확인하였으며 이들자료의분석을통해조류의공간다양성의원인규명을위한자료로활용 특히연안에서나타나는조류의공간성을감안한조류예측에기본적인정보를산출하기위해조류예측정보가필요한경우 어느영역내의자료가필요한가에대한가이드라인을설정할수있는근거연구로활용될수있을것임 북서태평양전역을대상으로구성한해일모델은차년도에북서태평양해일모델링실험의기본정보로활용할예정 년풍위의경우매우약한태풍으로약한태풍하에서해일발생정확도를검증할예정이며 제주도남측관측결과를검증기본자료로활용할예정 나 태풍 해양순환모델링분야 본 차년도를통해수립된 모델과 북서태평양모델은차년도태풍 해양결합을위한기본모델로활용할예정 마이크로웨이브자료가상부혼합층을 평균적인오차가약 내로서 정확히반영하므로태풍모델을이용하여 결합모델의입력자료로활용할예정 특히 - 76 -

모델은근래강한태풍에대한투웨이결합을위한모델로사용가능한지를검토하는기본모델로사용할예정 북서태평양해양모델의특성과 를적용하여생산된재분석자료는궁극적으로해양모델과태풍모델을결합하기위한기본해양장으로활용할예정 지속적인자료동화기법의개선으로자료의질은개선되고있기때문에자료는연구기간중계속업데이트될예정 - 77 -

제 절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 스페인제 회해양연구워크샵 관측정보 년 월스페인바르셀로나에서제 회국제해양연구학술대회 가개최되었으며 에참석 이중특기할만한관측프로그램으로 는전세계해양케이블관측프로그램을계획하고있음 전세계대양에상업적으로이용되고있는통신해저케이블에해양센서를부착하여자료를수십년내에생산하고자하는계획이수립되고있음 케이블관측을통한심해저해양관측이가져올과학적인유익과다른해양관측 예를들어 위성관측등에접목되었을때의파급효과가클것으로예상됨 이미해저통신케이블을이용한관측모델이제안되었으며 에서호주시드니에서미국캘리포니아까지매설하는해저케이블에센서를장착할계획이며 년부터서비스될것으로예상됨 향후수집된해양자료들은위성관측자료의보정과해양예보및기후예측에활용도가클것으로예상됨 상기자료들은동중국해영역이포함되는경우전천후관측이시행될것으로예상되어태풍당시의다양한해양자료를확보하는데크게도움이될것으로예상됨 스페인제 회해양연구워크샵주요세션 에서주요연구세션은 변화하는극지기후시스템 온난지역해 미래에대한실험실 연안및해양의저산소와저 환경 해양학 양식 해양생태시스템관리를위한모델링의새로운지평선 새로운기술을통한해양과정이해의변화 해양생물다양성과경향은 으로서한마디로나타내면대부분온난화환경에서해양이해를위한세션들임 해양학연구의방향성을어디에두고임해야할지를시사 아울러이들연구는장기적인연구프로그램이되어야함을시사 나 로대표되는기술등이소개되었고 대표적으로최근각광받는 글라이더연구가자세히소개되었고 관측영역이확대되고있는데인상을받음 국내에서도글라이더연구를위한센터가경북대주도로설치되고연구원내에서도방위센터를중심으로해군사업에제한적활용이되고있으나연구프로그램 - 78 -

과결부된기기활용이절실하다고느낌 북서지중해에서하계성층이나타나는특정점에서 형광관측 난류관측 등을사용하여 상층수온 상승에따라 수온약층아래존재하는 심층동물성플랑크톤최대층 이깊어진다는관측결과를설명 온난화가진행되면 가상승하고 이깊어지며아울러 층이깊어진다는일련의예상과정을설명 온난화에따라동물성플랑크톤최대층이성층특성변화와함께어떻게변할지를예상하게해주는좋은연구로판단 동중국해에서의수온약층거동과동물성플랑크톤움직임과관련하여의미있는참고자료가될것으로예상됨 - 79 -

제 절참고문헌 - 80 -

제 절연구의필요성및목적 연구배경가 자연재해증가로지구관측의중요성부각 자연재해로인하여전세계적으로피해가급증하고있으며 이에따른사회적비용이증가하고있으며실제 통계국은지난 년간재난발생건수가약 배증가했다고발표 특히 지구온난화와같은전지구적인이상기후현상에의하여전세계에서수해 기상재해건수가급격히증가 년국가별수해건수 통계국 나 지구관측을위한전지구관측시스템 구현 정부간국제기구인지구관측그룹 은분산 중복된지구관측시스템의통합을위해전지구관측시스템 이라는 년이행계획을실행중이며 특히 재난재해 기후 날씨 물등대한관측분야에대한국제적인관심을확인할수있음 - 81 -

전지구관측시스템 의관측분야 우주측지기술은모든지구관측정보들의기준틀을마련하는측면에서 구현에 핵심적인역할을할수있음 연구개발의필요성 현업에적용가능한물관련재해및우주기상분석정보체계개발 연구배경에서본바와같이태풍이나돌발집중호우에의한물관련재해비중이높아지고있으며 방송 통신 기상 해양위성의활용이보편화됨에따라우주기상예보의필요성에대한인식이확산되고있음 따라서집중호우 전파장애와같은재해를상시감시하고생활 우주기상에필요한정보를현업에서적시에활용케하는체계개발이시급함 우주측지기술활용도증가 우주측지기술로생성된고품질위치및시간정보는지구내외부의물리적 역학적프로세스를이해하는데기여하고지도 항법 시각동기등의현대사회의유지에꼭필요한기술을제공함 특히 지구시스템관측을통해집중호우나전파장애같은자연재해예측및감시기술을제공할수있으므로지구관측을위한우주측지인프라확충및자료처리 분석기술확보가필요함 - 82 -

지구관측 진단 이해연구개발과정 연구의목적 기상또는물과관련된자연재해에대응하기위하여한반도지역에최적화된 기반의수증기량및총전자량산출을통해집중호우와전파장애에대한상시감시체계를개발하는것을최종목표로함 한반도집중호우 전파장애상시감시시스템고도화 한반도대기수증기량 총전자량추정최적화기술개발 기상 물재해대응을위한 기반지구환경변화분석정보제공 최종목표달성을위한 차년도목표는집중호우 전파장애상시감시시스템을고도화하는것으로 년에걸쳐이루어지며 차년도에서는 가강수량 총전자량정보제공시스템을개발하고국내상시관측망조밀화준비와다양한관측자료수집체계개발및수집서버를구축함 한반도집중호우 전파장애분석정보제공을위한웹서버재설계및개선 국내상시관측망조밀화사전준비와 및기상자료수집서버구축 또한분석된정보들을 의사결정지원시스템에제공함 - 83 -

제 절국내외기술개발현황 국내기술개발동향가 대류층연구개발동향 한국천문연구원은우주측지기술을이용한지구변화및자연재해감시관련연구개발을수행해왔으며핵심인프라를운영하고있음 주요경험 국토해양부수탁과제 우주측지통합활용시스템개발 수행 연구회협동연구과제 기반집중호우 전파장애 지각변동상시감시기술개발 수행 한반도 가강수량모니터링 좌 과태풍사례분석 우 한반도 좌 및동북아 우 총전자량맵산출 - 84 -

국제 데이터센터 및국내상시관측망운영 개소 천문 연 홈페이지 좌 국내상시관측망운영현황 우 현기술상태의취약성 과제종료로인한웹서비스중지및현업적용한계 현업적용을위해 관측자료조밀화및확충필요 한반도에최적화된추정기술및최신모델미적용 공군 천문연 국과연 전파연 전자통신연은 년전파교란협의체를결성하여인위적 및자연적국내 전파교란에대한기술교류를통해각기관의연구결과및 활용에관한논의를수행하고있음 나 전리권연구개발동향 국립전파연구원은이천과제주에설치된이온존데관측자료를이용하여최적주파수실황서비스를시행중으로 현재국내항공사 군 수헙등의사용자들에게서비스하고있음 또한국내 여개 관측소자료를실시간으로수집하여한반도상공총전자량맵서비스를하고있으며강릉 이천 대전 광주 제주에서 신틸레이션관측소를각각운영하여그결과를웹을통해서비스하고있음 주요경험 우주전파교란상시감시체계구축 사업수행중 현재 - 85 -

현기술상태의취약성 총전자량맵관련과제종료로인한 수신기및위성하드웨어바이어스의지속적보정한계 현업적용을위해 관측자료조밀화및확충필요 한반도에최적화된내 외삽보정모델미적용 국립전파연구원 지수표출맵 선진국연구개발동향가 대류층연구개발동향 우주측지기술에기반을둔대류층감시기술은 신호를이용한가강수량산출기술이대표적으로실제로태풍 집중호우와같은자연재해의감시와예보를위해다양한기상정보및대기모델들과함께가강수량정보를활용하는연구가활발함 특히 전지구적인분포를가지고 시간관측이가능하다는장점때문에 기반가강수량을악기상예측및대기모델의초기값으로활용하는등의기상현업에적용하기위한연구가많이이루어지고있음 이는이미 년 의조사결과드러났는데 미국을비롯한 개국에서우주측지기반가강수량정보를활용중이며자체관측망과자료처리시스템을보유하고있음 - 86 -

기상연구를위한국가별 관측망및자료처리운영현황 국가 기관 프로젝트 관측소개수 자료처리주기 미국 분 미국 시간 시간 분 독일 분 벨기에 시간 체코 분 일본 분 프로젝트 미국 의 는 년세계최초의기상연구용 관측망을구축하고 일기예보 기후감시 위성센서검증등에 를활용하기위한연구를시작하였음 현재에는 개의타기관관측소를포함하여총 개의상시관측소로구성된관측망을사용하고있으며 웹페이지상에서준실시간 분 으로누적가강수량 정보와라디오존데정보를제공하고있음 이프로젝트를통해생산된분석정보는수치예보모델과의자료동화를통해수치예보정확도와지역날씨예보및항해예보를향상시키며 추가적으로북미지역몬순실험 프로젝트와대기수증기량을이용한대기복사측정프로그램이진행되고있음 프로젝트에서사용하는상시관측망분포 - 87 -

프로그램 은 프로그램을통해 가 년에구축한국제 관측망 을사용하여대기중의가강수량과전리권의총전자량그리고기타기상및측지정보를준실시간으로생성하고있으며현재는국제망과지역망으로구분하여 이운영되고있음 국제망 총 여개의 관측소로구성되어있으며 일단위로가강수량및기상정보등이웹서비스형태로제공되고있음 국제망분포 좌 및 관측소의가강수량정보 우 지역망 미국및카리브해지역에위치한 여개의관측소로구성되어있으며가강수량및 기상정보등을 시간주기로산출하고있음 지역망분포 좌 및 관측소의가강수량정보 우 - 88 -

은기상현업적용을위해 지연량과가강수량추정정보를 멤버들에게준실시간으로제공하는프로젝트로현재유럽 개국이참여하고있으며 개이상의 관측소가운용되고있음 각관측소마다천정방향총지연량 과누적가강수량 값을확인할수있으며관측소의색은분석정보지연시간을나타내며 녹색은지연시간이 시간이내 빨간색은 시간이상을의미함 년현재 관측망분포 독일의 는 의분석센터중하나로서독일지역망과몇개의유럽관측소를포함한 개의관측소에대한가강수량정보를 분마다산출하고있음 기에의 에서는 개의 관측망을사용하여 시간간격으로 를제공하고있으며 최근악천후 감시및예보를위해다중 를이용하는연구를진행중임 체코의 역시악천후감시및예보를위해 소프트웨어를개발하여실시간으로 를추정하고있으며 년 월 개의 관측소를사용하여 와비교한결과 의바이어스와 의표준편차를보였음 - 89 -

나 전리권연구개발동향 우주환경의급격한변화와이상현상은 와같은항법시스템과전력망및위성통신시스템등에치명적인장해를유발하는자연재해로우주환경감시와예보의중요성이날로증가하고있음 우주기상이미치는영향 최근들어우주측지기술은전리권감시기술에주로활용되며전리층의전자밀도정보는위성통신등의전파환경에절대적영향을주는우주환경을분석하는데핵심적인정보로우주환경의급격한변화에기인한자연재해의방재를위한핵심기술중하나임 와 양기관모두독자적으로전세계 관측망의관측자료를활용하여총전자량맵모델을개발하였음 의경우 분간격의전지구 을제공하여전리권환경과전리권폭풍등을감시하는데활용하고있음 의경우격자기반의총전자량과위성및 상시관측망의 정보를산출하여제공하고있음 - 90 -

실시간전지구총전자량맵 준실시간전리층전자밀도맵산출및제공기관 준실시간또는실시간으로전리권전자밀도맵을산출하고 이를제공하는기관에는대표적으로 영국 와 미국 가있음 영국 의 은 관측망의 관측데이터를이용하여실시간으로영국및전지구 맵을산출하고 이를 을통해웹서비스를제공 미국 는 와공동으로 등의우주환경정보를실시간으로제공하고있으며 특히최근엔애플의아이폰 을통해 를운영중임 시스템웹페이지 좌 와아이폰응용 우 - 91 -

일본 일본은 년부터국제민간항공기구 를통해아시아 태평양지역 총전자량정보를수집하여해당지역의국제표준 총전자량및신틸레이션맵서비스를추진중임 회의자료 현재 우리나라와중국을제외한아태지역국가들의 총전자량자료수집을완료하고 참여국가중자료를제공한국가들에한하여자료를제공할예정임 아태지역 총전자량제공서버는일본의 전자항법연구소 에서운영할예정이며대부분의전지구총전자량맵이 기준국자료들을사용하지만 총전자량맵은 상시관측망자료이외에도일본 호주 미국 인도 태국 캄보디아등아태지역국가들이개별적으로운영하고있는지역 관측망자료를사용하기때문에기존의총전자량맵보다해상도가매우높은자료를제공할것으로예상됨 대만등 프로젝트 대만 미국 독일 브라질 아르헨티나 등은전리권분야의심층적인연구수행을위해저궤도위성전파신호엄폐 자료를활용하여전지구전리권전자밀도의수직분포정보를제공하고있음 는지상 총전자량정보가갖지못하는수직분포변화를추적할수있어전리권기상연구이해를향상시키고있음 - 92 -

제 절연구개발수행내용및결과 개요 집중호우 전파장애상시감시시스템고도화를목표로 차년동안연구개발한내용과 그결과를 가강수량 총전자량정보제공시스템개발 각종자료수집체계개발 분석정보에대한품질평가크게 개의나누어기술함 차년도연구목표세부성과지표및핵심스펙 성과지표 가중치 목표달성도 가중치 핵심스펙 성과지표목표치 검증방법 가강수량및총전자량정보제공시스템구축완성도 자료처리및정보제공서버분리설계 건 서버간정합성시험및관측망확장성능시험각 회 정보제공시스템가동률 이상 국내 관측자료천문연 개소 실시간 설계 시험결과 가동률분석 수집 저장 수집자료종류및주기 기상자료 국내 시간 자료 한반도주변 주일 수집 저장 수집 저장 자료수집률 이상 수집률분석 분석정보제공주기 분 산출주기 분석정보제공수준 가강수량정밀도 총전자량정밀도 산출값의표준편차 위성관측값과비교 가강수량 총전자량정보제공시스템개발가 시스템설계 가강수량 총전자량정보제공시스템은천문 연 이자체개발한시스템소프트웨어와몇개의상용소프트웨어그리고고성능서버들로이루어져있으며 시스템이온전하게작동하기위해서는 상시관측망과같은추가적으로필요한요소들이있음 - 93 -

시스템설계는크게소프트웨어측면과하드웨어측면으로구분하여진행하였고 최종단계에서소프트웨어 하드웨어뿐만아니라외부추가요소까지포함됨 소프트웨어설계는기능별로독립적인객체가될수있도록모듈화를하였고 하드웨어설계는아래표와같이과제목표와관련하여 기능에따라서버를분리하여설계함으로써시스템의안정성및성능을확보하였음 시스템소프트웨어설계 시스템소프트웨어는 가강수량 총전자량정보제공시스템운용에필요한전반적인기능이포함되어자료수집 대류층자료처리 이온층자료처리 시스템오동작경보 자료저장을위한총 개의모듈로설계 모듈명과해당모듈의기능및개발언어 모듈명기능개발언어 자료수집 국내 관측소실시간자료수집자동화쉘스크립트 대류층자료처리쉘스크립트 가강수량정보실시간산출 포트란이온층자료처리 총전자량정보실시간산출 시스템오동작경보 모듈오작동실시간경보쉘스크립트 메시지전송자료저장 산출정보관리및저장쉘스크립트 각모듈은천문 연 이자체개발한쉘스크립트 포트란코드등으로구성되며 필요에 따라상용소프트웨어와연동되며각모듈은독립적인함수또는객체형태를가지며 미리정의된입 출력규약을통해다른모듈과연계됨 시스템소프트웨어도식도 - 94 -

하드웨어설계 가강수량 총전자량정보제공시스템은총 대의서버로구성되며 첫번째서버는자료의수집및저장과같은내 외부의데이터통신과관련된임무를수행 두번째서버는 자료처리를통한대류층 이온층분석정보를산출 마지막서버는시스템을보완 발전시킬수있는다양한시험및검증을수행함 자료수집및저장용서버와자료처리서버를분리하여전체적인시스템성능및안정성을향상시켰고 시험및검증용서버를별도로두어시스템운용에지장이없도록설계 가강수량 총전자량정보제공시스템을구성하는서버들의특징 서버명 주임무 자료수집및저장 자료처리 시험및연구개발 착안점 보안설정및저장 용량확보 컴퓨팅속도 컴퓨팅속도 포함된 모듈 자료수집 자료저장및 시스템오동작경보 이온층자료처리 대류층자료처리 이온층자료처리 대류층자료처리 필요한 프로그램 새서버시스템의하드웨어구성서버도식도 - 95 -

시스템최종설계 가강수량 총전자량정보제공시스템은총 기의서버와 개의소프트웨어모듈 그리고몇개의상용소프트웨어로구성 가강수량 총전자량정보제공시스템최종설계 서버간에는 프로토콜을통해데이터통신이자유롭게이루어지며천문 연 방화벽에의해허가받지않은외부로부터의접근이차단되어있으며외부망을사용하여 분석센터 천문 연 상시관측망과연결되어있음 최종생산된 가강수량및총전자량정보는 에 파일형태로저장되며 에서 분마다 에접속하여 를통해파일을받음 하드웨어환경 시스템의모든서버는휴렛팩커드사의 계열의고성능서버를사용 는 모델을사용하고총 의저장용량을확보하였으며 은 모델을사용하고 의 를사용하여컴퓨팅파워를더욱높였으며 는 과동일한모델로설치 - 96 -

설치서버들의하드웨어사양세부목록 DRS DPR TEV Model HP ProLiant DL380p Gen8 HP ProLiant DL360p Gen8 HP ProLiant DL360p Gen8 CPU Intel Xeon E5-2620 v2 (2.1GHz/6-core) Intel Xeon E5-2640 v2 (2.0GHz/8-core) Intel Xeon E5-2640 (2.0GHz/8-core) HDD 512GB(SSD) 2 1TB (SAS 7.2K) 6 512GB(SSD) 2 1TB (SAS 7.2K) 2 512GB(SSD) 2 1TB (SAS 7.2K) 2 RAM 64GB 64GB 64GB 가강수량및총전자량 정보제공시스템설치 상시관측망 상시관측망은 가강수량 총전자량정보제공시스템을운용하기위해가장기본이되는 및기상관측자료를제공하며천문 연 의국내 개 상시관측소로구성된관측망을사용하고자계획하였으나 차년도관측망조밀화계획에대비하기위하여천문 연 과국토지리원의관측소일부를추가함 총 개의관측소로구성된관측망에는 개의 기준관측소 와천문 연 소속의관측소 가포함 - 97 -

천문 연 관측소중에서나로우주센터에위치한 고흥 관측소가유일하게 통신보안상의문제로실시간관측자료수집에서빠져있으며기상자료는천문 연 개모든관측소에서수집할수있음 정보제공시스템이사용하는관측망에포함된천문 연 관측소목록 구분 관측소명 소재지 위도 ( ) 경도 ( ) 고도 (m) 수신기 안테나 비고 1 BHAO 보현산 36.16 128.98 1133.2 NETR9 TRM59800.00 2 DAEJ 대전 36.40 127.37 116.8 NETR9 * TRM59800.00 IGS 3 JEJU 제주 33.29 126.46 430.2 NETR9 TRM59800.00 4 KOHG 고흥 34.45 127.52 39.6 NETR9 TRM29659.00 실시간불가 5 MKPO 목포 34.82 126.38 64.4 NETR9 TRM59800.00 6 MLYN 밀양 35.49 128.74 42.6 NETR9 TRM59800.00 7 SBAO 소백산 36.93 128.46 1369.3 NETR9 TRM59800.00 8 SKCH 속초 38.25 128.56 46.0 NETR9 TRM59800.00 9 SKMA 서울 37.49 126.92 61.7 NETR9 TRM29659.00 10 ULSN 울산 35.55 129.25 157.7 NETR9 TRM29659.00 KVN 11 YNSE 연세대 37.56 126.94 117.8 NETR9 TRM59800.00 KVN 정보제공시스템이사용하는관측망에포함된국토지리원관측소목록 구분 관측소명 소재지 위도 ( ) 경도 ( ) 고도 (m) 수신기 안테나 비고 1 CHNG 창녕 35.53 128.48 61.8 NETR8 TRM55971.00 2 CNJU 청주 36.63 127.46 93.5 NETR9 TRM59800.00 3 INCH 인천 37.42 126.69 88.5 NETR5 TRM55971.00 4 KANR 강릉 37.77 128.87 57.0 NETR9 TRM59800.00 5 KWNJ 광주 35.18 126.91 71.6 NETR9 TRM59800.00 6 NONS 논산 36.19 127.10 50.7 NETR5 TRM55971.00 7 SUWN 수원 37.28 127.05 82.3 NETR9 TRM59800.00 IGS 8 YANP 양평 37.54 127.51 71.5 NETR5 TRM55971.00-98 -

가강수량 총전자량 정보제공시스템에서사용하는국내상시관측망 나 자료처리전략및분석정보산출방법 가강수량 총전자량정보제공시스템은기본적으로 소프트웨어를사용하여 자료처리전략을구사하며자료처리결과로부터가강수량및총전자량정보를산출함 자료처리 소프트웨어 소프트웨어는스위스의베른대학에서개발한프로그램으로써미국 대학의 의 와함께세계 대고정밀자료처리소프트웨어임 년 월에현재 프로그램의전신인 버전이기존에완성된 세대 프로그램을기반으로등장하였고 년부터 년사이에는 고정밀응용분야가급격히발전함으로써 프로그램도총다섯번의대규모업그레이드가진행 년에는최초로자동화엔진을포함하는 버전이등장하였고 년 월에출시된 버전에서는 외에러시아의 위성과 의자료도처리가가능해짐 년 월에는 가 라이브러리를바탕으로구현된 버전이발표되어관측소간차분이필요없는정밀절대측위 기법과영차분네트워크자료처리를통한시계오차결정이가능 - 99 -

해졌고 의궤도외에현재활용가치가매우높은저궤도위성 의정밀궤도도결정가능해짐 가강수량 총전자량정보제공시스템에사용된버전은 년 월에발표된 버전으로오차보정과관련된최신모델들이추가되었고 모호정수결정알고리즘 도추가됨 의일반적인자료처리기능흐름도 에서는자료처리목적에따른몇가지기본전략을제공하고있으며각각의전략은확장자가 인스크립트파일을통해구현되며 그중에서가장일반적인것이정밀절대측위를위한 와이중차분을위한 임 와 는 를이용할때가장일반적인사례를가정하고만든표준자료처리전략으로여기에사용자의목적과 자료의종류등에따라사용자가직접 파일을구성할수도있고기존 파일을수정해서사용할수있음 이연구에서는 를바탕으로수정하고자료처리전략으로결정 기본적인자료처리순서는 를이용한정밀절대측위를통하여개별 관측소의초기좌표를생성하고 이를바탕으로 로구현된이중차분법을적용하여최종산출물 관측소좌표 대류층지연량등 을생성 - 100 -

가강수량산출 자료처리프로그램은 신호가대기권을통과하면서발생하는지연량을수식과모델을사용하여보정하며이과정에서선험적수치에대한보정량이결정되며 두값을합산하여천전방향의총지연량 을산출 안테나와함께설치된기상센서로부터온도 압력정보를추출하여천정방향의건조지연량 을추정하고 자료처리결과산출된 와의차이를이용해천정방향습윤지연량 을계산 는평균온도식 을사용하면 와가강수량사이의변환인자 를계산할수있어가강수량으로쉽게환산 대류층지연량은관측소연직상공의지연량으로나타낼수있으므로관측소천정방향총지연량 은식 과같이천정방향의건조지연량 과습윤지연량 의합으로표현 (1) 기반가강수량산출순서도 는대략 정도이며 이중습윤지연은 정도에불과하며 의경우 미만의오차를가지는기압계를사용하면지상관측자료만으로 오차수준으로보정할수있으므로 지상기압과관측소고도를이용한 산출방법은식 와같음 - 101 -

± (2) cos 식 의 는지상기압이며 는관측소위도 그리고 는관측소고도임 시공간적인변화가크기의 에이르는수증기의경우 지상관측만으로는정확한량을결정하기어렵기때문에보다정확한수증기분포도추정을위해서는선험적방법을이용 선험적방법에의한 는선험적건조지연량인 와선험적습윤지연량 의합으로나타낼수있으며식 과같음 (3) 여기서 는선험적지연량에대한보정항으로 자료처리과정에서추정하며일반적으로 는 를사용하며 는식 를 이용하여산출 (4) 식 의 는지상관측소의고도 를의미 식 과식 으로부터다음과같이천정방향습윤지연량을산출 (5) 천정방향습윤지연량은시선방향습윤지연량 그리고 가강수량으로환산할수있음 식 (6a) (6b) (6c) 여기서 는굴절상수와평균온도식 에의해결정되는 - 102 -

항이며식 과같음 (7) 과 은굴절지수이며 에서제시한굴절상수 과 을각각사용하였다 는수증기의비부피 로 이다 는물밀도 이며 은평균온도 임 본연구에서는평균온도결정을위하여 의평균온도식을기본으로하지만 하지현등 에발표된한국형평균온도식을사용할수도있음 총전자량산출 위성으로부터송출되는 과 신호가전리권을통과할때주파수에따른굴절률차이로인한시간지연차이가발생함에따라 총전자량 값은다음의식에의해계산됨 (8) (9) (10) 위성과수신기사이의실제거리 빛의속도 위성의시계오차 수신기의시계오차 주파수 대류권오차 다중경로오차 수신기잡음 위의식은코드기반의 계산식이므로 값이 위성과수신기에각각존재하며다음의식으로표현됨 - 103 -

(11) 위성 수신기 빛의속도 관측소수신기 값 위성과수신기사이의경로상총전자량 을천정방향총전자량 으로변환하기위해서 을사용하며 은 가전리권최대전자밀도고도에모두분포하고있음을가정함 우리모델에서는전리권최대전자밀도고도를 로가정하였으며아래의식에서볼수있듯이 에서 사상함수 은위성의고도각의함수임 cos sin (12) (13) cos (14) 지구반지름, 전리권최대전자밀도높이, 위성고도각 - 104 -

수직방향총전자량계산을위한 아래의순서도는 수신기에서관측된자료로부터 를계산하기위한 순서도로 위성궤도정보는미국 에서제공하는 초신속궤도력 파일을수집하여 산출시간에맞게내삽보간하여사용 총전자량산출순서도 다 시스템가동률 개발된 가강수량 총전자량정보제공시스템의운영안정도를파악하기위한 - 105 -

가동수준평가를수행 관측소별로 분마다가강수량과총전자량을산출하고 그정보를사용자에게제공할수있도록저장하지만 상시관측소로부터제때에 관측자료또는기상자료를받지못하면 해당하는 분동안에는가강수량또는총전자량을산출할수없으며관측자료를모두수집하였어도자료처리과정에서오류가발생할수도있으며 기타외부요인에의해서도정보제공시스템이제대로작동하지않을수있음 가동률목표는허용가능한작동오류빈도 월 일 와정기점검주기 분기 일 를고려하여 이상으로설정하였으며실제가동률은첫번째시험서비스가시작된 년 월 일부터 월 일까지에대해서분석하였음 가강수량 총전자량정보제공시스템가동률분석기간 구분 서비스기간 설 명 시험서비스 월 일 월 일 일 최초시험서비스 시험서비스 월 일 월 일 일 관측망확장후시험서비스 시험서비스 월 일 월 일 일 천문 연 전기점검후시험서비스 가동률산출방법 시험서비스기간동안가강수량및총전자량정보등이산출돼야하는횟수와실제 산출된횟수를확인하여 아래의식으로부터가동률을계산 실제산출횟수 시험기간환산총횟수 가동률분석 첫번째시험서비스 첫번째시험서비스기간 월 일 월 일 동안에는총 개의상시관측소가운용되었으며 한관측소당 분에한번씩하루에총 번의정보산출이이루어져야함 월 일을제외하고는 이상의가동률을보여주며이기간평균가동률은 로분석 월 일에는천문 연 전산실의 서버에오류가발생하여일부해외사이트접속이제한되어자료처리에필요한필수데이터를받지못해정보산출에실패하 - 106 -

였지만 정보제공시스템이발송한실시간경보메일을통해문제를인식하고복구작업에착수하여약 시간만에문제를해결 두번째시험서비스 관측망확장이완료된 월 일부터 일동안수행되었고이기간에는총 개상시관측소에대해서 가강수량과총전자량이산출되었음 월 일천문 연 정전에대해비하여미리서버를종료시킨 월 일을제외하고는전반적으로높은가동률을유지하였으며이기간평균가동률은 로분석 세번째시험서비스 천문 연 전체정전이후 월 일부터 월 일까지세번째시험서비스가수행되었으며이기간중초반 일까지는울산의기상데이터가 서버의용량포화로인하여수집되지않아계속가강수량정보가누락되면서가동률이일시감소하였음 울산과연세기상데이터는천문 연 에서관리를하고있기때문에 이러한문제를 과협의하여해결하였고 월 일에는국토지리정보원의다수관측소들과천문 연 관측소들의 자료수신이일시적으로이루어지지않아가동률이크게감소하였지만이기간평균가동률은 로분석 라 자료수집률 연구를통해수집중인자료는총 종류 관측자료 기상자료 자료 이며 모든 자료들의수집률이목표인 이상을달성함 관측자료별수집률현황 구분 2 nd 시험서비스 (14.09.19 ~ 14.10.02) 3 rd 시험서비스 (14.10.07 ~ 14.10.31) 평균 GNSS 자료수집률 (%) 98.8 99.8 99.5 기상자료수집률 (%) 97.1 96.1 96.5 RO 자료수집률 (%) 100 100 100 수집률산출방법 시험서비스기간동안수집해야하는관측자료개수와실제수집된개수를확인하여 아래의식으로부터자료수집률을계산 - 107 -

실제수집자료개수 시험기간환산총수집개수 수집률분석은현재의 개관측소에서수집을시작한 월 일부터 월 일까지 수행되었으며역시앞의가동률분석과마찬가지로 월 일부터 일까지는천문 연 정전으로인해수집률분석기간에서제외하였음 관측자료수집률분석 관측자료수집률 국내총 개상시관측소별일일 관측자료수집현황을분석하였으며전체적으로대부분 이상의높은수집률을보여주었는데특히천문 연 관측소의경우모두대부분 이상의수집률을기록하였음 국토지리정보원관측소의경우도인천을제외하고는 이상의수집률을보여주었으며가장낮은인천관측소의경우도 로과제목표인 보다높았음 관측소별 관측자료일일수집률 현황첫번째 - 108 -

관측소별 관측자료일일수집률 현황두번째 기상자료수집률 상시관측소별일일기상자료의경우국토지리정보원의 개관측소를제외한천문 연 개에서는수집되며고흥 관측소의경우실시간 관측자료수집에는빠져있었지만 기상자료는 를사용하여준실시간으로받기때문에기상자료수집률산출목록에는포함되었음 두번째시험기간마지막날에는 관측자료수집과마찬가지로천문 연 정전에대비하여미리서버를꺼두었기때문에모든관측소에서 시간정도의데이터가빠져있음 천문 연 의 서버를통한수집체계로구축되어있어는울산 과연세 를제외하고는높은수집률을보여주며전체평균적인수집률은 를달성 - 109 -

관측소별기상자료일일수집률현황 자료수집률 자료는 에서제공하는 년 월 일기준으로제공된모든자료를 수집완료하였으며현재 월 자료만을받을수있음 C D A A C 자료현황 수집현황 1 월 2 월 3 월 4 월 5 월 6 월 7 월 8 월 9 월 10 월 평균수집률 : 100% 의 자료현황및수집현황 - 110 -

분석정보제공가 분석정보제공주기 분석정보제공 준실시간 분석정보를 분또는 분마다안정적으로정보를제공하기위해서는그보다더짧은시간내에분석정보가산출되어야하며실제분석정보가산출되기위해서는필요한자료수집및자료처리가완료되어야하므로 가강수량 총전자량각각에대한소요시간을분석 분석정보제공은관측망에따라그양이다르므로관측망확정전 첫번째시험서비스 과확장후 두 세번째시험서비스 의소요시간을각각분석하였으며 관측망확장에의한추가소요시간을확인하여 차후관측소가 여개로증가했을때분석정보를산출하기위해서는어느정도의시간이소요될지도예상해봄 분석정보산출소요시간 개의관측소를사용하였을때 총 분 초만에분석정보가산출되었으며 개의관측소를사용하였을때관측소수에비례하여자료처리시간이증가하여총 분 초가소요되었지만 분마다정보를제공하는데문제가없었음 관측소 분석정보산출소요시간 8 개 18 개 관측소개수에따른자료수집및자료처리소요시간 관측망조밀화에따른소요시간예측 차년도에관측망조밀화계획에따라관측소의개수는 여개로증가할예정으로 병렬방식의자료수집시간에는변화가없을것으로예상이되지만자료처리시간 은증가할것으로예상이됨 - 111 -

이번에 개의관측소가추가되어자료처리시간이 초늘어났으므로 관측소 개당자료처리시간은 초정도가증가하는것으로보여지므로관측소가 개소가더추가되면자료처리시간역시 초가증가할것이고 결과적으로총 분 초정도가예상됨 따라서 분이내의분석정보제공을위하여 와같은좀더빠른자료처리전략으로의수정을통해자료처리시간을단축시키는노력이필요함 나 가강수량정밀도분석 가강수량 총전자량정보제공시스템이준실시간으로 분마다생산하는가강수량의정밀도에대한분석을 와의비교 분석과대기중의 를측정할수있는 관측자료를비교 분석 가지로수행 와비교 분석 에서는공식적으로 관측소들에대한 값을산출하여서비스하고있으며 이산출물을활용하여많은연구자들이연구결과를비교하고 검증하는데사용되고있음 에서제공하는값은 값이지가강수량이아니지만 값에서가강수량값은비교적간단히변환가능하므로 가강수량 총전자량정보제공시스템이가강수량을산출하기전사용한 값과 의 값을비교 분석함으로써가강수량의정밀도를간접적으로평가하였음 가강수량정밀도분석을위해 년 월 일부터 월 일까 주동안의자료처리결과로나온 값을사용하였으며 의경우 관측소에대해서만 값이제공되므로 국내 관측소인대전과수원관측소에대한 값을비교하였음 천문 연 이자료처리를통해산출한 값과 의 값의차이에대한표준편차값은약 정도로이는가강수량값으로환산했을때약 정도의오차를보이지만추가적인정밀도분석없이이결과만으로는어느 값이더정확한것인지판단할수없음 - 112 -

대전관측소의 값비교 수원관측소의 값비교 추가적인정밀도분석을위해추정된 값의표준편차값들에대해서히스토그램을분석하면천문 연 이산출한 의표준편차값이 에서평균을갖는데반하여 의경우 로천문 연 의결과가더정밀함을알수있음 이표준편차값은시스템적인오차즉 위성궤도나시계오차에의한고려는반영되지않고있기때문에이것이실제오차를의미하지는않지만 자료처리과정의일관성에관한판단자료는될수있음 추정파라미터표준편차 값들의히스토그램 추정파라미터표준편차 값들의히스토그램 상시관측소는일반적으로단기간내에거의변하지않으므로이러한성질을이용하여추정된관측소좌표의반복성을분석함으로써 자료처리결과의품질을평가할수있음 아래표는천문 연 의자료처리결과를가지고 주일마다좌표반복성을분석한것 - 113 -

으로그결과평균값은 방향으로각각 로 의 와크게차이가나지는않지만 천문 연 의반복성이더작은 범위에서이루어지는것으로확인 천문 연 자료처리결과 현황 이것은같은시기대전 과수원 관측소에대해서천문 연 과 결과를비교하면천문 연 의반복성이두배이상작은것을볼수있음 관측소별 현황 대전과수원은 결과도함께비교되어있다 남 북방향 상 동 서방향 중 수직방향 하 관측값과비교 분석 가강수량값을검증하기위해가장많이사용되는자료는 과라디오존데 의관측자료로 의경우대전국제 관측소와동일한 - 114 -

지점에실시간으로관측이이루어지고있으며 라디오존데의경우 속초 상시관측소와동일한지점에서평균 일 회관측되고있음 올해연구에서는 을사용하여 가강수량정밀도를분석하였으며라디오존데관측값과의비교는 차년도에수행할계획임 년 월 일부터 년 월 일까지 일간 을통해관측한대기수증기량과 가강수량 총전자량정보제공시스템을사용해준실시간으로산출한가강수량값을비교 두기기간측정치차이에대한 일간평균은 이고 표준편차는 로나타났으며 값은 로나타났음 와 관측값비교 강수유무 평균 표준편차 아래그림에서볼수있듯이특히 일에두기기간차이가크게나타나면서 발생하였는데이날은실제강수가있었던날로 장비특성상관측값의정확도가 떨어지며이날은제외하고차이를비교해보면 값은약 로나타났음 와 관측값 상 두값의차이 하 과거 년 월부터 년 월까지 년동안의데이터를가지고 가강수량과 관측값을분석하였으며 당시의분석자료에의하면평균 바이어스는 표준편차는 로이번 가강수량 총전자량정보제 - 115 -

공시스템을으로부터산출된 가강수량의경우와비슷한오차수준을보여주 었음 다 총전자량정밀도분석 총전자량정밀도분석은 단계로실시되었으며 단계는이종관측기사이의비교를위한총전자량맵구성으로준실시간구현을위한 분의총전자량관측정보로는한반도전체범위를맵으로구현하는것은충분하지않기때문에내 외삽보간법이필요함 일반적으로사용하는 보간법의경우물리적으로상관없는지역까지단순히기하학적으로보간하는방식으로실재의전리권환경과부합되지않아아래의식과같이격자점에서가장가까운지점의총전자량값을평균하는방법으로보간을수행함 - n, m = 위도및경도격자개수 -φ,λ= 위도및경도 - VTECij = 격자범위내의 IPP 위경도지점에서의수직총전자량값 최초보간범위는위 경도 로시작하여 까지반복수행하며만약 안에보간에필요한총전자량정보가없는경우보간을중단함 단계로보간으로구성된 총전자량값의정밀도를분석하기위해 위성의고도계관측자료로부터산출된총전자량자료 를사용함 위성과 위성의고도는다르지만플라즈마권전자밀도는전리권에비해매우희박하여두관측값사이에위성고도차에의한차이는없음을가정하였으며이는현재 국제분석센터에서정밀도비교를위해사용하는방법임 현재 가 년까지배포됨에따라 년도 년간의총전자량을계산하여비교하였으며정밀도는 로서과제목표인 보다매우낮은값을보임 - 116 -

총전자량산출정밀도검증 국제분석센터검증방법기준 비교날짜 년 월 일 시 분 년 월 일 시 분 년 월 일 시 분 년 월 일 시 분 년 월 일 시 분 평균 라 사례분석 태풍너구리 년제 호태풍너구리 는 월 일오전 시크기 중형 의열대폭풍으로미국괌남서쪽약 부근해상에서발생하여북서쪽으로이동하며세력을키워가다 월 일오전일본오키나와인근해상에서중심기압 최대풍속 강풍반경 의세력 매우강 크기 중형 의태풍으로최성기를맞이함 이후계속북서쪽으로이동하다가동중국해진출뒤급격히약화되었고 월 일오후 시에제주도서귀포남쪽약 부근해상까지접근이후북동방향으로진로가바뀌었고 일본열도남쪽해안을따라이동하면서세력이약화되다가 월 일오전에일본도쿄동북동쪽약 부근해상에서온대저기압으로변질 기상청 가강수량 총전자량정보제공시스템을사용하여관측망에대한이중차분방법으로태풍너구리발생기간인 월 일부터 월 일까지총 일간자료처리를하였음 태풍너구리자료처리방법내용 자료처리방법자료처리기간 관측소 자료처리엔진대류층모델평균온도식 이중차분방법 년 월 일 월 일대전 제주 목포 서울 - 117 -

태풍너구리사례분석을위해 월 일부터 월 일까지 일간 가강수량이 산출되었고아래그림은이기간네개의관측소에대한가강수량그래프임 태풍너구리통과시기의국내관측소가강수량변화모습 일시설명태풍위치위성사진필리핀동쪽해상에서생성된태풍너구리는대형태풍으로발전해서북상하고있다 한반도지역은 월 일태풍에밀려온비구름대 시 분가북상하고있어남부지방을덮고있다 서울을제외한관측소에서가강수량이높게추정되었다 태풍너구리는제주도남쪽해상에서우리나라에최근접한후급격하게일본방향으로진로가틀어 월 일졌다 그럼에도한반도전 시 분역은너구리영향권에포함되었다 모든관측소에가강수량이매우높게추정되었다 - 118 -

월 일 시 분 태풍너구리는저기압골로소멸되었으며 한반도전역은태풍영향권에서완전하게벗어났다 급격하게가강수량이감소하였다 태풍나크리 년제 호태풍나크리 는 월 일오전 시에크기 대형 의열대폭풍으로일본오키나와남쪽해상에서발생하여북서진하면서서서히발달해서 월 일오후 시에제주도서귀포서남서쪽약 부근해상에서최성기세력인중심기압 최대풍속 강풍반경 의세력 중 크기 대형 의강한열대폭풍으로제주도에근접하여제주도부근해상통과뒤서해에진출하면서예상보다빨리약화되어 월 일오후 시에전북군산서남쪽약 부근해상에서열대저압부로소멸 기상청 가강수량 총전자량정보제공시스템을사용하여관측망에대한이중차분방법으로태풍나크리발생기간인 월 일부터 월 일까지총 일간자료처리를하였음 태풍나크리자료처리방법내용 자료처리방법자료처리기간 관측소 자료처리엔진대류층모델평균온도식 이중차분방법 년 월 일 월 일대전 제주 고흥 목포 서울 태풍나크리사례분석을위해 월 일부터 월 일까지 일간 가강수량이 산출되었고아래그림은이기간대전 제주 고흥 목포 서울관측소에대한가강수량 그래프임 - 119 -

태풍나크리통과시기의국내관측소가강수량변화모습 일시설명태풍위치위성사진필리핀인근해상에서생성된태풍나크리는중형태풍으로발전해서북상하고있 월 일다 월 일한반도지역은 시 분태풍에밀려온비구름대가북상하면서제주 고흥 목포 대전 서울순서로가강수량이증가하고있다 태풍나크리는서해쪽으로북상하며 한반도전역에영향을미치고있다 월 일 월 일전후그래프를보면태풍이 시 분가장먼저통과한제주에서가장먼저피크가나타났고 뒤이어목포와고흥이거의동시에피크가나타났다 월 일 시경태풍나크리는저기압대로소멸하였다 이때문에대전과서울에서는뚜렷한피크가보이 월 일지않고있으며 일이후에 시 분는전국의비구름이걷히면서가강수량수치도급격히감소하는것을확인할수있다 - 120 -

고흥집중호우 월 일남부지방은집중호우로 가넘는비가내렸다 이기간고흥관측소의가강수량을산출했으며 고흥은이날 의강수량을기록 가강수량 총전자량정보제공시스템을사용하여관측망에대한이중차분방법으로고흥집중호우발생기간인 월 일부터 월 일까지총 일간자료처리를하였음 고흥집중호우자료처리방법내용 자료처리방법자료처리기간 관측소 자료처리엔진대류층모델평균온도식 이중차분방법 년 월 일 월 일고흥 아래그림은가강수량 선 과 분강수량 막대그래프 이함께표시되어있으며 가 강수량과강수량의증가 감소가함께이루어지고있으며 강수가멈추기직전가강 수량이급격히감소함을알수있음 고흥집중호우시기의가강수량수치와실제 분강우량값 아래그림은강수피크시점의 분강수량분포도 기상청 로 월 일 시고흥 일대는시간당 이상의강수가있었던것을확인할수있음 - 121 -

1: 8 월 1 일 12 시 2: 8 월 2 일 6 시 3: 8 월 2 일 12 시 4: 8 월 2 일 18 시 고흥집중호우시기전국 분강우량분포도 기상청 전리권사례 년 월 일우리나라시간 시 분 시 분 에 등급의태양흑점폭발이발생하여 시 분 시 분 까지지속됨 이이벤트의특징은 급의플레어가발생했음에도아래그림에서보듯이 선복사선증가만관측되었을뿐 프로톤이벤트와같은고에너지입자는방출되지않았다는것임 위성에서관측된태양 선플럭스변화 위성에서관측된 프로톤플럭스변화 대전 관측소에서고도각 이상의 위성관측자료로부터총전자량을 계산하여시간에따른변화를관찰태양폭발이발생하기전인 년 월 일 총전자량변화와태양폭발이발생한 년 월 일총전자량변화분석 - 122 -

년 월 일대전 관측소총전자량시간변화 년 월 일대전 관측소총전자량시간변화 태양폭발발생시간인오후 시부터지속시간인오후 시부근까지총전자량의변화는보이지않지만오후 시이후총전자량은태양폭발이발생하지않는 월 일보다약 감소함을볼수있음 이는태양폭발발생후전리권에서나타날수있는음전리권폭풍 의모습을보여주지만전리권전자밀도의변화는위도간변화나열권과의상호작용등에의해변화될수있으므로차후수치모델이나다른전리권관측기기자료를이용한자세한분석이필요함 년 월 일과 일대전 관측소총전자량변화비 - 123 -

제 절목표달성도및관련분야에의기여도 목표달성도 목표달성도내용 한반도집중호우 전파장애 분석정보제공을위한 웹서버재설계및개선 가강수량및총전자량정보제공시스템설계 자료수집및정보제공서버 기 자료처리서버 기 시험및검증서버 기 총 기로분리설계 소프트웨어모듈화설계 가강수량및총전자량정보제공시스템구축 고성능하드웨어및최신버전의자료처리엔진사용 시스템가동률 달성 가강수량및총전자량정보제공시스템시험 서버간정합성시험수행 관측망확장성능시험수행 국내상시관측망조밀화사전준비와 및기상자료수집체계개발 의사결정지원시스템에분석정보제공 자료수집 천문 연 개소 국토지리원 개소총 개소에대해서 을사용하여실시간으로 관측자료수집 자료수집률 달성 자료수집 주일단위자료업데이트확인및수집 자료수집률 달성 기상자료수집 천문 연 개관측소에대해서 를사용하여실시간으로기상관측자료수집 자료수집률 달성 분석정보제공주기 분마다 가강수량및총전자량산출 가강수량정밀도 달성 총전자량정밀도 달성 - 124 -

연구결과의관련분야기여도가 과학 기술분야 기상예보의정확도향상과기후변화연구에기여 자연재해방재를위한고정밀 자료처리및분석관련핵심기반기술확보를통하여 응용 활용연구분야의다양화와활성화유도 측지 및 활용연구기술과연계함으로써시너지효과를극대화 측지 의정확한기준점 좌표 산출및제공 측지 관측소에대한 가강수량정보산출및제공 나 경제 사회분야 국가자연재해방재와 전지구관측시스템 에연계활용가능 를비롯한국내고정밀 응용관련산업계및연구기관에고정밀 국제표준품질의 기반분석정보를제공함으로써시장창출 확대에기여함과동시에국내자연재해방재관련연구기관과의상호보완협력기반확보 국제선도급 연구기술확보와관련인프라고도화에따른국가과학기술경쟁력향상 향후구축예정인동아시아상시관측활용서비스 의인공위성기반영상정보와연계하여동아시아지역의자연재해대응에활용가능 - 125 -

제 절연구개발결과의활용계획 국가자연재해감시시스템으로활용 인적 물적자원의도시집중화현상심화에따라자연재해발생으로인한사회적비용은증가하는추세이며특히 우리나라의연평균강수량변화는장기적으로증가하는추세이며태풍과돌발집중호우의빈도수는향후더욱증가할것으로전망됨 이에 를이용한가강수량산출기술을아래와같은기상관련자연재해감시에활용함으로써예보 경보에의한대피및식량확보와같은일련의활동을통하여효과적인대응기대 태풍및악기상수치예보성능향상에기여 태풍경로에서의대기중수증기량을준실시간으로모니터링함으로써태풍의경로와예상강우예측정확도향상 가강수량정보의준실시간제공을통해국지적으로발생하는집중호우의초단기예보가능 공군비행장안개단기예보신뢰도향상으로공군작전체계지원및국가자연재해대응력향상 기상분야연구와연계활용 관측자료는라디오존데로부터얻는관측자료 하루 회 개소 시간간격 에비해시간 공간분해능이우수하여기상예보의정확도향상에기여가능 기기간 계절간편차가없고세계기준좌표계를기준으로하여장기간안정적인관측이가능하므로중 장기기후변화연구에적합 안개단기예보신뢰도향상에기여 가강수량을이용한몬순 장마시스템연구 전세계에걸쳐타기상장비에비해촘촘하게분포하고관측값의편향오차가없어기상연구에적합함 조밀화된관측망에서생성되는 가강수량정보는 차원수증기량분포를준실시간으로결정가능하게함 다양한기상이슈에대한사례분석수행을통해실제기상현상과 가강수량분석정보사이의관계연구기초자료로활용 - 126 -

우주기상연구와연계활용 관측소는현재우주기상관측기기중전세계적으로가장넓게분포되어있으며 를이용한전리권총전자량산출기술은전지구적인우주기상변화를연구하기에가장적합한수단임 태양활동에의한우주환경의변화를감시하여한반도의전파 통신장애와예 경보시스템구축에활용 - 127 -

제 절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 년 월 일부터 일까지미국패서디나에서 워크숍이개최되었으며 전반에걸친다양한최신해외과학기술정보를접할수있었으며 한반도지역가강수량산출과관련된최신연구결과를발표 가 에서는 년 월 일 를시작했으며 실시간으로항법위성의궤도와시계오차정보를제공하고있으며현재 에대해서만공식적인서비스가이루어지고있으며 는시범서비스만제공 독일 은자체적으로항법위성궤도와시계보정정보를생성하여 에제공하고있으며 는 버전의이온층전자량데이터모델 를개발하였고유럽 는 프로젝트를통해 개의상시관측소가 를사용하고있음 는좀더발전된서비스를위해 이라불리는새로운통신표준포맷을구상하고있으며이새로운포맷은 단계를거쳐최종개발이완료 단계에서는코드기반의 응용프로그램을위해위성궤도 시계보정정보 위성신호코드바이어스정보를포함하고 단계에서는단일주파수코드기반의 응용프로그램과모호정수결정을위해 정보와위성신호반송파바이어스정보가추가될예정이며마지막으로 단계에는 서비스를위해 정보와대류층지연이포함될예정임 나 전리권연구최신정보 개의 에서 를생성하고있으며 가합쳐서최종버전을생산 서비스는 에서 버전으로제공하고있으며 는시범단계이며 전리권모델인 모델은최신버전으로 버전이개발된상태임 - 128 -

다 대류층연구최신정보 라는새로운분석센터가발족되어지역데이터베이스를개발하여 년부터 년까지 개의상시관측소에대한 를생산하였으며 또한 년부터 년까지의 데이터를확보하였음 에서는 를사용하여새롭고 진보된 를생성할계획을수립하였으며 전지구적인 경향을알기위해 년부터 년까지의 데이터를분석함으로써 는밤동안의공기온도 최저온도 와더밀접한관계가있음을밝힘 박사는 의생성방법과그정밀도분석결과를발표하면서 사용프로그램및구체적인설정값을제시하였고 과 버전의성능을비교 분석하였는데 연구결과에따르면 버전에서약간의정밀도향상이있음을보여줌 박사는 방법과 방법을사용해서 를생성하고 그결과를비교분석 결론적으로 를통해서도 방법과유사한경향과정밀도가가능함을증명함 컨퍼런스 주요연구발표내용및시사점 미국 위성현황 년 월 발사 신호송신할수있는 는현재 대운영중에있음 현재 신호추가된 계획중 신호추가로향후전리권오차감소예상 기후변화로인한만년빙감소로해수면상승으로지각변위발생 미국매릴랜드주정부는도로설계및계획에기후변화를의사결정사항에반영하고자함 그린란드만년빙감소로인한멕시코만해수면상승으로지각변위발생 이를위해 의 지각변위측정기술요구됨 - 129 -

전지구적기후변화는도로등의지반시설의피해로이어질수있으므로이에대한 연구필요 악기상사전탐지를위한 가강수량 감시기술 차원토모그래피대류권관측모델 호주 선박을이용한해양 상시관측을활용하여 단독이용보다 와 함께사용하여정확도를높임 일본 변화분석을통한악기상사전탐지기술개발필요 대규모지진발생이전 수시간 수일 에매우작은지진 발생으로지각변위발생 인명및재신피해가큰지진의경보기술로서 상시지각변위감시체계및기반연구논의필요 위치결정정밀도향상을위한전리권신틸레이션연구 진폭신틸레이션발생할경우 신호손실및감쇠에의한측위정밀도저하발생 위상신틸레이션발생할경우위상이동으로 수신기에서신호감지를못함 사이클슬립과유사한효과로서측위정밀도저하로이어짐 전리권신틸레이션에의한 위치결정오차발생감소를위한연구개발필요 - 130 -

제 절참고문헌 기상청홈페이지 하지현 박관동 가강수량결정을위한한국형평균온도식비교 한국우주과학회지 홈페이지 홈페이지 - 131 -

통계국홈페이지 - 132 -

제 절연구의필요성및목적 연구개발의필요성및배경 파랑 보유초고성능컴퓨팅자원은재해 재난예측을통한국민삶의질향상 국방 에너지 자원등국가위기관리 사회문제해결특히재해 재난에관련된 현안해결 이필요하며 이에따라국가초고성능컴퓨팅자원을활용한태풍에대한수치예측기술향상노력이필요함 북서태평양에서는매년 개내외의태풍이발생하여동아시아국가에막대한사회 경제적피해를주며 평균적으로 개정도의태풍이한반도에직 간접적인영향을주며 최근태풍에의한피해가지난 년간자연재해피해중약 를차지하며 예로 년태풍 루사 는강원도지역에 조원의홍수피해를 년태풍 매미 는약 조 억원의피해를 그리고 년태풍 곤파스 는수도권지역에막대한경제적손실을야기함 또한태풍으로인한고파로방파제를비롯한연안구조물의막대한피해가발생하며 특히 최근한반도에영향을미친 년태풍 무이파 년태풍 볼라벤 과 산바 시기에는기록적인높은파고가발생하여양식장과방파제등에막대한재산피해가발생하였으며 해상에서태풍에의한높은파도는재산피해뿐만아니라인명피해또한야기함 차보고서 에따르면기후변화의영향으로자연재해의강도및빈도가더욱증가할것으로예상되며 특히한반도주변해역의기온및수온은세계평균을상회하며그로인해태풍에의한피해가증가할것으로예상됨 태풍과같은재난재해대응의사결정시스템개발에있어정확도높은태풍의진로 강도그리고해상의파랑예측이필수적이며 특히태풍예측을향상시키기위해서는정확도높은태풍초기화 고해상도격자 강풍물리과정모수화 태풍 해양접합등을고려할수있는태풍전용예측모델의개발이필요함 년설립된국가태풍센터에서전세계의수치모델결과를종합하여예보를내고있지만태풍예측을위한고유한수치모델은아직개발중에있으며 태풍의현실적모의를위해북서태평양아열대지역을포함할수있는상대적으로큰모의영역에 이내의모델해상도와인위적인태풍초기화기법이요구되기때문에 의 - 133 -

슈퍼컴퓨팅자원이반드시필요함 그리고태풍의에너지원은해상에서발생하는고온의잠열로해수면온도가태풍의강도에큰영향을미치기때문에 고정된해수면온도를사용하는것은태풍강도예측에한계가있으며태풍 해양접합모델개발이필요하며계산용량이막대하기때문에초고성능컴퓨팅자원이필요함 연구의목표및내용가 연구목표 국가초고성능컴퓨터를활용한기상 해양 물재해대응의사결정지원을위한태풍전용예측모델원형개발 나 연구내용 의사결정지원을위한태풍전용진로 강도예측역학모델원형개발 국내외태풍전용진로 강도예측역학모델기술조사 북서태평양태풍모의를위한최적모델영역설정 태풍의눈벽을모의할수있는고해상도 이하 태풍역학모델구성 태풍의중심을따라이동하는둥지격자시스템구성 한반도영향태풍에대해정확도를검증함 의사결정지원을위한태풍전용파랑예측모델원형개발 전지구 북서태평양 한반도근해에대한쌍방향둥지격자파랑예측모델구성 태풍바람입력장에따른모델민감도조사 경험식을이용한태풍바람장구성및파랑모의실험 한반도영향태풍에대해관측자료를이용하여파랑모델을검증함 의사결정지원을위한태풍 해양접합예측모델개발을위한기술조사 국내외태풍 해양상호작용에관한선행연구조사 북서태평양태풍 해양접합모델링을위한최적의해양모델및접합툴조사 이상적인조건에서태풍 해양접합효과민감도조사 - 134 -

제 절국내외기술개발현황 국내기술개발동향가 국내태풍예측모델기술개발현황 국내에서는실시간태풍예측을국가태풍센터가전담하고있으며 국가태풍센터에서는 일동안의진로 강도 영향반경을예보하는태풍분석및예측시스템 을개발및활용하고있으며 초기장을개선하여태풍을예측할수있는태풍전용모델을개발중임 연구개발대상기술태풍 해양모델의접합기술 선진국수준국내수준 미국은 년부터허리케인 해양 태풍예보시에해양모델을사용하지접합모델을현업예보에사용하고않고고정된해수면수온을사용 있음 태풍모델과파랑 해양모델의접합 미국은 년부터허리케인 파랑연구수준은아직까지기초적인 해양접합모델을현업에사용할개념정립단계임예정임 선진국 대비수준 미국은 시간간격으로항공기를 항공기와뜰개에의한태풍의관측이 이용하여허리케인내부의대기 이루어지고있지않음 태풍예보시 해양관측자료를수집하여예보 인공위성자료와육지와해상의 관측자료활용기술 에활용하고있음 또한항공기에서뜰개를허리케인 관측소자료를제외하고는거의태풍시기의관측자료활용이불가능함 전방에투하하여해양대기관측 태풍이외해에있을때관측자료를 자료를수집함 구할수가없음 태풍과같은강한풍속하에대기 해양상호작용연구를위한대 태풍시기의 규모프로그램 예 을운영 태풍의대기 해양상호작용연구는 대기 해양 중임 관측자료부재와모델접합기술의 상호작용연구 모델 관측 그리고이론에의한미흡으로시작단계에불과함 태풍의대기 해양상호작용연구 가심도깊게이루어지고있음 - 135 -

태풍 파랑 해양의예보 기술 태풍예보는전구모델에거의의존하는 미국은허리케인예보에 단계로정확성높은태풍전용모델의 접합모델뿐개발이필요함 아니라 등다양한 태풍의강도와진로예보에중요한태풍전용모델결과를활용하여해양 대기상호작용과정무시 접합예보정확성이높음 기술의미흡 관측자료부재등으로 매년모델의업그레이드가이루인해예보정확도가선진국에비해어져예보정확도가향상되고있음 떨어짐 태풍예보와더불어파랑과해일의 파랑예보는선진국수준에가까워지고실시간예보의정확도가매우높음 있으나해일예보는아직수준이낮은단계임 선진국연구개발동향가 국외태풍예측모델기술개발현황 세계적수준은현재기술안전화단계수준임 태풍을포함한열대성저기압의피해를줄이기위하여세계기상기구 는 개회원국으로구성된태풍위원회를운영하고있으며선진국가들은국가태풍센터를설립하여독자적으로태풍을실시간으로예측하고있음 미국은하와이진주만의태풍합동경보센터 와마이애미의국가허리케인센터운영하고있으며 태풍과허리케인에대해실시간으로예측하고있으며 일본은일본기상청산하의동경태풍센터에서중국은상하이태풍연구원에서각각북서태평양의실시간태풍예측을수행함 지난 여년간많은노력에의해수치모의를통한태풍진로예측은많은개선이이루어졌지만강도예측에있어많은개선점이남아있으며 미국 일본 중국 호주등현업기관들의수치모델을이용한태풍강도예측최신현황을검토가필요 의연구에서는 개기관의현업모델 전구모델 개와지역모델 개 을바탕으로각모델의북서태평양태풍강도예측능력을비교한결과 개의전구모델중 이최대풍속예측에서가장작은상대오차를보이며 지역모델의경우에는높은해상도를갖는 가상대적뛰어난성능을보임 은 년에발생한태풍들에대하여수치실험을통해 와 모델의북서태평양태풍강도예측능력을비교하였으며 역학적최기화와고해상도 모델을동시에활용한경우가가장뛰어난결과를보임 - 136 -

은 모델과다른모델간의허리케인강도예측성능을비교하였으며 상대적으로 가다른모델에비하여우수한허리케인강도예측성능을보였으며 이는상대적으로높은해상도 및허리케인에대해최적화된물리모수화를사용하였기때문임 국내외의연구현황 연구수행기관연구개발의내용연구개발성과의활용현황 기상연구소 서울대학교 대기 파랑접합모델을이용한대기 해양상호작용에서해면거칠기길이의효과에대한분석 와 을접합하여실험을하였으나해면거칠기를과도하게추정 실용화를위해서는파랑경계층모델개발이필요함 파랑 조석 해일상호작용을고려한과거태풍시기의파랑과해일의모사 파랑과해일예측연구실용화단계에는이르지못함 해양 대기상호작용연구를위한태풍내부의파랑스펙트럼관측 를이용한허리케인바람 압력 수온관측 모멘텀과에너지수지로부터강한풍속에서대기 해양플럭스추정 해양 파랑 해양접합모델로부터대기 해양플럭스추정 허리케인바람장의실시간생성 허리케인 파랑 해양접합모델을이용한허리케인예측 허리케인출현시항공기의레이다를이용한파랑의관측이실용화단계에있음 허리케인진로에 를투하하여대기 해양자료의관측이실용화단계에있음 허리케인모델의역학개선에활용 접합모델을이용한대기 해양상호작용연구에활용 실용화되지못하고연구용으로사용 항공기와관측소의자료를이용하여거의실시간으로허리케인바람장생성 실용화단계임 접합모델은최종완성단계에있으며 이모델은미국 의현업허리케인예보모델로사용될예정임 - 137 -

제 절연구개발수행내용및결과 태풍전용진로 강도예측역학모델원형개발가 모델기반태풍예측모델원형개발 모델기반태풍모델구축 중규모수치모델 는전세계적으로가장널리사용되는비정역학중규모모델로서미국국립대기과학연구소 와국립환경예측센터 의주도하에개발됨 모델은병렬컴퓨터플랫폼에효과적이고쉽게적용가능하며 모수화 자료동화 예보연구 모델간결합및실시간예보등다양한용도로활용가능하며 다양한전처리및후처리기법이포함되어있으며 약 개국에서 명이상의사용자가이용중임 는 격자계 연직좌표계는하이브리드좌표체계를사용하며 초고해상도수치모의를위해둥지격자 기법을통해다중둥지격자체계를구축할수있음 - 138 -

모델의물리과정은크게복사 지면 미세물리 적운모수화 행성경계층과정으로이루어져있고 각물리과정마다다양한방안 이있어사용자가원하는조합으로모델수행이가능함 중규모모델인 를수행하기위하여 지형 토지이용도및수평초기기상자료의전처리작업인 를수행이필요함 모델기반태풍모델개발 대부분의지역모델의초기조건으로사용되는저해상도전구분석장이나재분석자료는해상도의한계로인해태풍볼텍스의강도가실제보다약하기때문에 태풍강도예측향상을위해고해상도적용뿐만아니라초기조건의태풍볼텍스를인위적으로강화시켜주는초기화기법을많이이용함 널리쓰이는태풍초기화방법중하나가태풍보거싱기법으로기상청현업모델인 에서도사용되고있으며 경험식을이용하여관측태풍정보에맞는태풍볼텍스를생성하고이를초기장의약한태풍볼텍스와교체하는기법 태풍보거싱기법은상대적으로간단하기때문에적용이쉽지만태풍볼텍스의비대치성을표현하지못하고 생성된볼텍스와역학모델사이의역학적 물리적불일치로인하여초기충격 을야기할수있음 태풍보거싱기법의단점을극복하기위하여개발된방법이예측에사용하는역학모델을적분하여태풍볼텍스를강화시키는역학적초기화 기법으로 역학적초기화기법은볼텍스강화를위하여추가적으로예측모델을적분해야하는단점이있지만같은역학모델로볼텍스를생성하였기때문에초기충격이발생하지않고태풍볼텍스의대칭성분뿐만아니라비대칭성분까지생성할수 - 139 -

있는장점이있음 또한태풍의중심크기는 내외이기때문에정교한태풍중심역학을모의하기위해서는수 이내의모델수평해상도가필요함 본연구에서는해상도의증가및초기화개선을보완하여최첨단수치기상모델인 모델을기반으로하는태풍역학모델을개발및스펙트럴너징 자료동화등을향후추가해모델의예측성능고도화를목표로함 태풍모델의모의영역설정태풍초기화기법 태풍모델의모의영역설정 우리나라의기상청에서는 년대중반부터지역예보현업모델로 를도입하여활용하고있으며 지역예보현업모델로활용되고있는 모델은현재 수평해상도를사용하고있으며 기상청국가태풍센터에서는 을기반으로하여 에서개발한 초기화기법을적용한 를이용 은허리케인카트리나를해상도에따라 모의결과를비교한결과해상도에따라결과가상이하며 해상도결과가가장유사하게모사함 본연구에서는아래그림과같이 단계둥지격자계를이용하여각모의영역별해상도를 및 설정함 - 140 -

태풍초기화개선 태풍역학모델의초기화기법은크게 가지방법을구분하며 태풍보거싱방법 자료동화보거싱방법및역학적초기화기법임 태풍보거싱방법은경험적함수를사용하여인위적으로태풍볼텍스를생성하여기존분석장의태풍볼텍스와교체하는기법으로 기상청현업모델인 에서도사용되고있지만 상대적으로간단하기때문에적용이쉽지만태풍볼텍스의비대치성을표현하지못하고 생성된볼텍스와역학모델사이의역학적 물리적불일치하는단점을가짐 자료동화보거싱기법은종합관측자료 를수집하여이를이용한 차원변분법으로태풍볼텍스를생성하는최신기법이지만 자료동화수행에시간이추가적으로필요하고 자료동화시사용되는가정으로인하여생성된태풍볼텍스가모델과불일치하는경우가발생할수있음 역학적초기화 기법은볼텍스강화를위하여추가적으로예측모델을적분해야하는단점이있지만같은역학모델로볼텍스를생성하였기때문에초기충격이발생하지않고태풍볼텍스의대칭성분뿐만아니라비대칭성분까지생성할수있는장점을가짐 본연구에서는태풍역학모델을개발하기위하여적분초기시간전 시간동안 모델을반복적으로수행해태풍의대칭볼텍스를강화시켜주는 의역학적초기화기법을 모델에적용함 - 141 -

나 해상도증가와초기화개선영향조사 연구방법 해상도증가와역학적초기화기법의효과를파악하기위하여아래표와같이실험을수행했으며 해상도와역학적초기화기법외에는조건은모두동일함 민감도실험을적용한과거태풍사례는 년에발생한산바와즐라왓 년에발생한다나스와하이엔이며 산바와다나스는우리나라에직접적으로영향을준태풍이고 즐라왓은 년에우리나라에다가오다일본으로전향한태풍이며 하이엔은비태풍시즌에발생하여필리핀에기록적인피해를초래한태풍임 실험명 수평해상도 역학적초기화 민감도실험결과 전반적으로세실험의진로오차는그리큰차이가보이지않음 - 142 -

초기시간의경우 실험이다른실험에비하여다소적은오차를보이는데이는역학적초기화의재배치기법의영향임 시간오차의겨우 실험이가장큰오차를갖고 실험이가장작은오차를갖는데이는고해상도 모델과대규모강제작인 사이의역학적 물리적불일치문제로태풍이동에영향을주는배경장에노이즈가생성되는것과연관될수있음 이러한문제를줄이기위하여향후대규모너징 스펙트럴너징 기법의적용을검토할예정임 태풍진로예측과달리강도측면에서 실험이다른실험보다최저중심기압과최고지면풍속오차가상대적으로작은것으로나타났으며 이는해상도가증가와역학적초기화기법을적용으로인해강도예측의정확성이높아짐을의미함 태풍이매우강한시기임에도불구하고저해상도인 실험은태풍의중심에서발생하는상승기류를부드럽게모의하고나선형강수대에서발생하는상승기류와하강기류를적절히모의하지못함 반면 해상도의 실험은태풍중심에서발생하는상승기류와하강기류를현실적으로모의하고나선형강수대에서질량보존때문에나타나는상승기류구역과하강기류구역을실제와유사하게모의함 - 143 -

다 과거태풍사례에대한모델검증 검증방법 개선된모델을타기관의모델예측결과와비교함으로써모델의성능을검증하였으며 비교에는 미기상청 일기상청 일기상청 미해군 한기상청 을이용함 태풍사례에서의오차분석 및 는모든실험사례들에대한각모델의최대풍속오차 저해수면기압오차및거리오차를보여줌 의효과로인해초기오차는 가다른모델보다상대적으로정확했으며 에서 에서 에서 로좋았던초기오차를 의비슷한수준에서유지하면서모든모의기간동안 가가장정확하게최대풍속을모의하였음 도비슷한경향을보였지만초기오차가컸기때문에전체적으로 보다큰오차가발생했다 일평균최대풍속오차는 로가장뛰어난강도예측성능을보임 - 144 -

최대풍속과는다르게 과 의초기오차가가장적었지만 모델의초기오차도비슷한수준으로낮은오차를보였으며 에서 에서 로오차가가장적었으며 에서는 로 에이어네번째로좋은예측성을보임 일평균최저해수면기압오차는 로가장뛰어난최저해수면기압예측성을보임 초기오차는 가가장크지만다른모델과큰차이를보이지않음 모든모델에서시간이경과할수록오차가증가하였는데 의증가폭이가장작으며 에서 에서 로가장정확하게경로를모의하였고 에서 로 에이어세번째로정확하게모의함 일평균거리오차는 로모델들중가장정확한경로예측성을보임 - 145 -

평균 평균 평균 라 년북서태평양실시간태풍예측 북서태평양실시간태풍예측시스템 실시간예측시스템 태풍전용예측모델원형을실시간으로구동하고예측결과를웹서비스할수있는실시간예측시스템을구축함 초기장을다운로드하는과정부터웹에표출하는과정까지실시간예측시스템의구동절차에대한모식도로서크게 개의과정으로이루어져있음 북서태평양에서새로운태풍이발생하면 에서이태풍의위치와강도정보가포함된경보메세지가입수되고 실시간예측시스템이자동으로구동 모델을구동하기위해필요한초기와경계조건으로사용되는 전구분석자료와예측자료가다운로드됨 확보된 전구예측자료를전처리후 초기시간부터 시간간격으로 수행 과정에서모델에의해예측된태풍강도가관측된강도만큼강하게되면모델을이용하여 시간실시간예측이수행 예측된태풍결과를 과 를이용하여후처리하고 웹페이지에표출 - 146 -

이예측시스템은 클럭의 개코어 메모리 계산서버 대 스토리지 대 대를갖춘최신리눅스클러스터에서구동됨 규격 수량 계산서버 인피니밴드 스토리지 실시간예측시스템에의해생산된태풍예측정보는웹페이지에업로드함 - 147 -

태풍나크리의진로와강도는실시간예측시스템에서성공적으로예측하였으며아래그림은실시간예측시스템에서예측한 년 호태풍나크리사례의강수예측결과를 를이용하여표출하였음 - 148 -

태풍전용파랑예측모델원형개발가 바람모델 파랑모델의입력자료로사용되는바람장은크게전지구와북서태평양 한반도근해의두가지형태로나누어지며 전지구바람장은 의 재분석자료가사용되고북서태평양및한반도근해의바람장은 모델 을사용하는경우와 의 재분석자료를사용하는방법으로나눌수있음 모델은태풍의위치 중심기압 최대풍속등의정보를이용하여모조태풍을만드는모델로 먼저입력된태풍정보를이용하여태풍의위치 중심기압 최대풍속의정보를읽고이것을이용하여마찰력을포함한지균풍을가정하여기압과해상풍을계산 다음그림은태풍 곤파스 이가거초기지주변을통과할때의전지구및북서태평양과한반도근해의바람장을나타낸것으로 전지구바람장은해상도가낮아태풍중심부근의강한바람을잘모의하지못하는반면 모델의결과는태풍중심부근에서강한바람이잘모의되는것을보여줌 - 149 -

나 파랑모델구성 의 에서개발한 세대파랑모델인 를이용 는성분파상호간의비선형에너지전달항을명시적으로계산하며시 공간적으로변화하는해상풍및해류 조류의효과와에너지소산 해저면과의상호작용에의한분산작용까지고려함 세개의둥지격자 를사용하여양방상호작용 이가능하도록설계 모델에의해계산된유의파고는기상청에서운영중인해양기상관측부이및이어도과학기지의관측자료와 와 를이용하여비교하였음 태풍모델의검증을위하여한반도에영향을미친총 개의태풍 년곤파스 년태풍무이파 년태풍볼라벤과산바 년태풍피토와다나스 년태풍나크리와너구리에대해파랑모의결과와관측자료를비교하였음 또한인공위성고도계자료를이용한유의파고비교를위해일본에영향을미친 개의태풍 년태풍차바 년태풍로키와망온에대해서도파랑을모의하고그결과를위성자료와비교하였음 - 150 -

다 태풍곤파스와무이파시기의파랑모의및검증 개발된파랑모델을이용하여태풍곤파스와무이파시기에대해파랑수치모델을수행하였으며 최적경로자료를이용하여그린 년 호태풍곤파스와 년 호태풍무이파의이동경로및 시간간격의최대풍속을나타냄 아래그림에서기호로표시된지점은기상청부이 덕적도 외연도 칠발도 마라도 이어도그리고가거초과학기지의위치를의미함 아래그림은태풍곤파스와무이파시기에수치모델로부터계산된풍속 풍향및파고를기상청부이 덕적도 칠발도 마라도 와이어도기지자료와비교한것으로매우유사하게모사한것으로나타남 가거초기지에서는태풍곤파스가통과할때에강한바람으로인해결측되었음 - 151 -

서해에서태풍무이파시기가곤파스시기보다유의파고가더높고평균파장이더 길게나타나는것은다음과같음 첫째 무이파의강한바람장이넓은분포 - 152 -

둘째 태풍무이파가곤파스보다상대적으로느린이동속도 실제로태풍이빠르게이동할경우그이동속도가군파속도 보다크게되어공명현상으로인한파의발달이제약되며 따라서느리게이동한무이파때에파의발달이더유리하게작용한것으로사료됨 셋째 무이파는서해중심까지거의직선으로이동한것에비에곤파스는북동으로 전향하며서해로의진입했기때문임 라 태풍볼라벤 산바 덴빈시기의파랑모의및검증 년은태풍볼라벤 덴빈 산바 가연달아한반도에상륙하여우 리나라에큰피해를야기하였음 - 153 -

세태풍이한반도를통과하는기간동안연안이어도종합해양과학기지 가거초기지 황해중부부이 기상청부이 부이 국립해양조사원에서외해역의해양현상감시를위해운영하는종합해양관측부이 로부터관측된해양및기상자료를파랑모의결과와비교검증함 태풍볼라벤은해수면온도가상대적으로높아강한강도를유지하며서해상을통과하였으며 마찬가지로태풍산바는처음소형태풍으로발생하였지만이동경로상의해수면온도가높아강한세력을유지한채 한반도에영향을미침 두태풍 볼라벤 산바 의한반도통과기간동안의 재분석 바람장을이용하여태풍시기의파랑을모의하였으며 모의결과는기상청부이와황해중부부이자료를이용하여검증하였으며 전체적으로수치모델의결과는관측값과거의유사하게모의됨 시공간적으로관측자료가풍부하지않은외해에서는파랑모델의정확도를검증하는데에는한계가있기때문에태풍시기의모의결과를위성의해수면고도로부터계산된유의파고자료를이용하여검증하였음 파랑모델의검증에사용될 위성파고자료는 해상도로관측된해수면고도자료를이용하여계산되며 보다정확도가높다고알려진 로관측된위성자료를이용 - 154 -

아래그림들은각각태풍볼라벤과산바시기에모의된유의파고의공간적인분포와 위성의이동경로에따른유의파고를보여주며 태풍의중심부근뿐아니라태풍의 외곽에서도관측과모델값이거의일치함 - 155 -

파랑모의결과는쌍방향둥지격자를이용한전지구모델부터고해상도지역해모델까지연속적이고일관된파랑모의가되었고태풍중심뿐아니라외곽지역의정확도높은바람장을입력했기때문으로사료되며 인공위성의파고자료를태풍시기의파랑모델의검증에유용하게사용할수있음을밝힘 마 태풍 시기의파랑모의및검증 비교적위성트랙이태풍부근을많이지나간태풍 에대해파랑모의결과를위성추정유의파고자료와비교함 은태풍 및 의이동경로를나타내고 는모의된유의파고의공간적인분포와위성의이동경로를따른유의파고를보여줌 - 156 -

(a) Maon (b) Roke (c) Chaba - 157 -

바 태풍피토 다나스 너구리 나크리시기의파랑모의및검증 년태풍피토와다나스 년태풍나크리와너구리를수치모의하여부이자료와비교 검증함 바람이강해지고약해지는패턴은어느정도일치하였고 수치모델의유의파고결과도관측과유사한경향성을보여줌 태풍나크리시기에이어도종합과학기지의관측자료와수치모의결과를비교하였으며 이어도부근 재분석자료의바람은태풍나크리시기에강한바람을다소과소모의하였고 강한바람이후나타난약한바람은과대모의하는경향을보였으나 바람의비교결과와는달리 유의파고는관측과모의결과가상당히유사하게나타남 태풍너구리의이어도부근바람은 이하의바람을정확히모의하고그이상의 바람은과소모의하는경향을보였으며 바람에서차이가보이는결과와달리 유의 파고는상당히좋은결과를보임 - 158 -

사 바람입력장의해상도에따른파랑모델의결과비교 재분석자료의해상도에따른바람과파랑모의결과를관측자료와비교하였으며 비교에사용된해상도는전지구도메인의 도와 도격자간격의자료 년태풍볼라벤시기의바람벡터와풍속의공간분포를두가지해상도에따라비교한결과 고해상도바람장이태풍의중심부근에서풍속을크게모의함 기상부이관측자료를이용하여두해상도의바람장을비교해보면 태풍접근시에두바람의차이가매우크며 정량적으로두바람을비교하면 도해상도의바람이평균적으로약 까지 도해상도의바람보다크게모의함 관측자료와는 도해상도가 도해상도의바람보다대부분의부이에서더잘일치하는경향을보임 - 159 -

아 수치모델재분석바람장과 바람장의파랑모의비교 전지구파랑모의의경우 모델에사용되는입력장은 재분석자료를이용하나 해상도가좋고범위가작은지역파랑모의의경우에는 재분석자료를내삽하여사용하거나 모델을이용하여모조태풍바람을생성해사용함 재분석자료는태풍바람장이외에주위배경장을현실적으로모의하는장점이있으며 태풍이육지에접근하는시기에지형효과가고려된현실적인태풍모의가가능하나 공간해상도가 도정도로태풍의강한바람을모의하기에는부족함 반면에 모델을이용하여만든바람장은공간해상도가높아태풍중심의강한바람을현실적으로모의하는장점이있으나 태풍이육지에접근하는시기는 - 160 -

지형효과를고려하지못해정확도가감소하는단점이있고 태풍바람장이외에주위배경장은현실적인모의가불가능함 태풍곤파스시기의파랑수치모의결과와기상청부이관측자료를비교해보면 전체적으로태풍의강한바람이부이를지날때 재분석바람은관측보다약간과소모의하고반대로 바람은약간과대모의하는것이나타남 태풍무이파의경우앞선태풍곤파스의수치모의와는달리 재분석바람을사용하였을때 바람보다더높은유의파고를모의하는경우가있으며 모델에의해모의된바람장은태풍바람이외에주변바람장을실제와다르게모의하기때문에일부지점에서이러한현상이나타나는것으로보임 결과를종합해서분석해보면 태풍의중심부근에서는 바람장을사용하고태풍의주변에나타나는바람은 재분석바람장을사용하여새로운혼합된바람장을생성한다면태풍시기의파랑예측이개선될것으로사료됨 태풍 파랑접합예측모델개발을위한기술조사가 태풍 해양상호작용에관한선행연구조사 관측자료를이용하여 태풍강도에있어해양의열적구조의역할 을조사하기에앞서이분야의기존연구들을살펴보았으며 이러한과정은태풍강도에있어해양의열적구조의역할에대한현재연구경향을파악하고 의관측자료를효율적으로분석하는데크게기여할것으로사료됨 총 편의관련논문에대한연구주제 지역 기관은아래표와같음 번호주제참고문헌연구지역연구기관 국적허리케인 시기에관측된 대서양해양자료를통한상층해양반응 허리케인에의한상층해양반응대서양 태풍강도에있어해양의열적구조의역할에대한기술조사목록 이동하는태풍에의한상층해양반응남중국해에서태풍크로반 에의한상층해양반응 해양의상층열적구조와북서태평양에서발생한 북서태평양 북서태평양 북서태평양 - 161 -

카테고리 태풍들 이동속도의의존성수퍼태풍하이탕에의한상층해양반응에서본래존재하는해양상태의중요성해양의상층열적구조와북서태평양에서발생한카테고리 태풍들 해양특성과카테고리 태풍의강도태풍 시기의해양반응및표층수온하강에대한수치실험 북서태평양북서태평양남중국해 허리케인 에의한멕시코만해면특성의반응 대서양 허리케인 에의한해면냉각에서의열및난류에너지소산슈퍼태풍 에의한상층해양반응에있어해양초기조건의중요성쿠로시오해류와태풍나리의상호작용 대서양북서태평양북서태평양 나 이상적인조건에서태풍 해양접합효과민감도조사 접합모델민감도조사 태풍통과시강한바람에의한상층해류시어는하층의차가운해수를상층으로유입시켜해수면을냉각시키며 태풍바람에의한상층의저기압성해류는해수의발산을일으켜하층의차가운해수를상층으로용승을일으킴 태풍에의한해양의변화는결국열흐름 에영향을줘태풍자신의강도에영향을미치며 따라서태풍강도변화에대해보다정확한이해를위해서는태풍 해양상호작용에대해더자세히알아야할필요가있으며이를위해서태풍 해양접합모델이필요함 미국허리케인예보현업에서사용되고있는태풍 해양접합모델인 이하 을이용하여태풍통과시나타나는중요한해양요소들의변화와이에따른태풍의반응을조사 수치실험은해수면온도에따른태풍강도를살펴본 실험 과혼합층깊이에따른태풍강도변화를살펴본 실험 위의네가지실험과비교할비교군실험인 실험까지총 가지실험을수행함 - 162 -

태풍은대부분의에너지를현열및잠열의형태로해양으로부터공급받으며 따뜻한해수면위를지나갈때보다많은열을공급받을수있기때문에보다강한강도로발달할수있음 초기해수면온도를변화시킨 실험의결과를살펴보면초기해수면온도가 였던 실험에서는약 의해수면냉각이일어났으며초기해수면온도가 였던 실험에서는약 의해수면냉각이발생함 비교군인실험 에서는 초기해수면온도 약 의해수면냉각이발생 혼합층깊이와수온약층기울기가세실험에서모두같기때문에해수면냉각의크기는태풍강도에의해결정이되며 초기해수면온도가높았던 실험에서더강한강도로발달했으며결국다른실험들보다큰크기의해수면냉각이나타난것으로사료됨 초기혼합층깊이를변화시킨 실험의결과를살펴보면초기혼합층깊이가 였던 실험에서약 의해수면냉각이일어났으며초기혼합층깊이가 였던 실험에서는역 의냉각이발생 혼합층이깊을수록시어에의해혼합되는해수의온도가커지고결국해수면냉각이적게발생함 태풍의강도에직접적으로영향을주는인자는해수면온도이지만 태풍의발달하는과정에서해수면온도는태풍에의해냉각이되며이런냉각의정도를결정하는요소들은혼합층과같은상층해양의열적구조임 - 163 -

태풍 해양접합효과를확인해보기위해실제 년태풍 사례로 월 일 부터 시간예측수행하였으며 수행결과태풍오른쪽에강한해수면냉각과함께관성류가생기는것을확인함 두실험의강도예측시계열을확인해보면 대기모델의경우과대모의를하는것에비해접합모델의경우관측값과비슷하게모의하는것을확인 접합모델민감도조사 태풍의경로예측에비해강도예측은좀더복잡한환경요소와역학의이해를필요로하며 최근수치모델의해상도증가와모델간의결합등을통해태풍강도예측의정확도가향상되고있음 대기모델에 차원해양모델을접합하여그효과를알아보고 태풍의초기장에 - 164 -

역학적초기화방법을적용시켜민감도실험을진행함 에 해양모델이결합된태풍 해양접합모델이며 계산영역은태풍의중심위치에따라결정되는 의공간해상도를갖는고정된영역과태풍을따라움직이는 와 의 로구성 태풍예측모델의대기초기 경계조건은미국 의 자료를이용하였으며 수치실험은 년 호태풍너구리사례에적용 해양모델의초기조건은 에서개발한 의 차원수온자료를사용함 도의수평해상도와 개의연직층으로구성 자료를 모델의격자에맞게수직 수평적으로내삽하는과정이필요한데 모델의 와 자료의 의차이에의해내삽과정에문제가발생하며 이문제를해결하기위해 에서는해양으로처리되고 자료에서는육지로처리된부분을찾고그지점에서가까운지점들을찾아평균내삽하는과정을추가함 - 165 -

실험은총 가지이며 역학적초기화를수행하지않고해양모델의결합되지않은실험 역학적초기화는수행하지않으나해양모델은결합한실험 역학적초기화를수행한후 해양모델이결합되지않은대기모델만을수행한실험 역학적초기화와해양모델의결합이모두수행되는실험 검증에사용된자료는 와 최적경로자료이며 태풍의최대풍속 중심위치에대해비교함 실험결과 예측성능은해양모델이결합되지않고역학적초기화만을수행하여수치모의를수행한경우가강도모의에서가장좋은결과를보였으나 경로예측은다른결과에비해좋지못했고 해양모델을결합하여역학적초기화된대기장을사용한수치모의는물리 역학적민감도실험이진행된후에는좀더개선된예측성능이예상됨 접합모델민감도조사 을통해대륙붕이있는전형적인연안지역에태풍이상륙하는경우를모의하여태풍이지상으로접근할때태풍 해양상호작용을확인함 태풍은동쪽에서서쪽으로진행하며수온은북반구여름철전형적인수직구조로수평적으로균일하게하여실험을수행함 태풍 해양접합효과를확인해보기위해모델을 대기모델만수행 태풍 해양접합 으로나눠수행 - 166 -

수행결과 실험이연안에접근할수록 실험에비해빠르게 약화되는것으로나타남 - 167 -

제 절목표달성도및관련분야에의기여도 목표달성도 목표달성도내용 한반도집중호우 전파장애 분석정보제공을위한 웹서버재설계및개선 가강수량및총전자량정보제공시스템설계 자료수집및정보제공서버 기 자료처리서버 기 시험및검증서버 기 총 기로분리설계 소프트웨어모듈화설계 가강수량및총전자량정보제공시스템구축 고성능하드웨어및최신버전의자료처리엔진사용 시스템가동률 달성 가강수량및총전자량정보제공시스템시험 서버간정합성시험수행 관측망확장성능시험수행 국내상시관측망조밀화사전준비와 및기상자료수집체계개발 의사결정지원시스템에분석정보제공 자료수집 천문 연 개소 국토지리원 개소총 개소에대해서 을사용하여실시간으로 관측자료수집 자료수집률 달성 자료수집 주일단위자료업데이트확인및수집 자료수집률 달성 기상자료수집 천문 연 개관측소에대해서 를사용하여실시간으로기상관측자료수집 자료수집률 달성 분석정보제공주기 분마다 가강수량및총전자량산출 가강수량정밀도 달성 총전자량정밀도 달성 - 168 -

연구결과의관련분야기여도가 과학 기술분야 기상예보의정확도향상과기후변화연구에기여 자연재해방재를위한고정밀 자료처리및분석관련핵심기반기술확보를통하여 응용 활용연구분야의다양화와활성화유도 측지 및 활용연구기술과연계함으로써시너지효과를극대화 측지 의정확한기준점 좌표 산출및제공 측지 관측소에대한 가강수량정보산출및제공 나 경제 사회분야 국가자연재해방재와 전지구관측시스템 에연계활용가능 를비롯한국내고정밀 응용관련산업계및연구기관에고정밀 국제표준품질의 기반분석정보를제공함으로써시장창출 확대에기여함과동시에국내자연재해방재관련연구기관과의상호보완협력기반확보 국제선도급 연구기술확보와관련인프라고도화에따른국가과학기술경쟁력향상 향후구축예정인동아시아상시관측활용서비스 의인공위성기반영상정보와연계하여동아시아지역의자연재해대응에활용가능 - 169 -

제 절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 년 월 일부터 일까지미국패서디나에서 워크숍이개최되었으며 전반에걸친다양한최신해외과학기술정보를접할수있었으며 한반도지역가강수량산출과관련된최신연구결과를발표 가 에서는 년 월 일 를시작했으며 실시간으로항법위성의궤도와시계오차정보를제공하고있으며현재 에대해서만공식적인서비스가이루어지고있으며 는시범서비스만제공 독일 은자체적으로항법위성궤도와시계보정정보를생성하여 에제공하고있으며 는 버전의이온층전자량데이터모델 를개발하였고유럽 는 프로젝트를통해 개의상시관측소가 를사용하고있음 는좀더발전된서비스를위해 이라불리는새로운통신표준포맷을구상하고있으며이새로운포맷은 단계를거쳐최종개발이완료 단계에서는코드기반의 응용프로그램을위해위성궤도 시계보정정보 위성신호코드바이어스정보를포함하고 단계에서는단일주파수코드기반의 응용프로그램과모호정수결정을위해 정보와위성신호반송파바이어스정보가추가될예정이며마지막으로 단계에는 서비스를위해 정보와대류층지연이포함될예정임 나 전리권연구최신정보 개의 에서 를생성하고있으며 가합쳐서최종버전을생산 서비스는 에서 버전으로제공하고있으며 는시범단계이며 전리권모델인 모델은최신버전으로 버전이개발된상태임 - 170 -

다 대류층연구최신정보 라는새로운분석센터가발족되어지역데이터베이스를개발하여 년부터 년까지 개의상시관측소에대한 를생산하였으며 또한 년부터 년까지의 데이터를확보하였음 에서는 를사용하여새롭고 진보된 를생성할계획을수립하였으며 전지구적인 경향을알기위해 년부터 년까지의 데이터를분석함으로써 는밤동안의공기온도 최저온도 와더밀접한관계가있음을밝힘 박사는 의생성방법과그정밀도분석결과를발표하면서 사용프로그램및구체적인설정값을제시하였고 과 버전의성능을비교 분석하였는데 연구결과에따르면 버전에서약간의정밀도향상이있음을보여줌 박사는 방법과 방법을사용해서 를생성하고 그결과를비교분석 결론적으로 를통해서도 방법과유사한경향과정밀도가가능함을증명함 컨퍼런스 주요연구발표내용및시사점 미국 위성현황 년 월 발사 신호송신할수있는 는현재 대운영중에있음 현재 신호추가된 계획중 신호추가로향후전리권오차감소예상 기후변화로인한만년빙감소로해수면상승으로지각변위발생 미국매릴랜드주정부는도로설계및계획에기후변화를의사결정사항에반영하고자함 그린란드만년빙감소로인한멕시코만해수면상승으로지각변위발생 이를위해 의 지각변위측정기술요구됨 - 171 -

전지구적기후변화는도로등의지반시설의피해로이어질수있으므로이에대한 연구필요 악기상사전탐지를위한 가강수량 감시기술 차원토모그래피대류권관측모델 호주 선박을이용한해양 상시관측을활용하여 단독이용보다 와 함께사용하여정확도를높임 일본 변화분석을통한악기상사전탐지기술개발필요 대규모지진발생이전 수시간 수일 에매우작은지진 발생으로지각변위발생 인명및재신피해가큰지진의경보기술로서 상시지각변위감시체계및기반연구논의필요 위치결정정밀도향상을위한전리권신틸레이션연구 진폭신틸레이션발생할경우 신호손실및감쇠에의한측위정밀도저하발생 위상신틸레이션발생할경우위상이동으로 수신기에서신호감지를못함 사이클슬립과유사한효과로서측위정밀도저하로이어짐 전리권신틸레이션에의한 위치결정오차발생감소를위한연구개발필요 - 172 -

제 절참고문헌 - 173 -

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제 절연구의필요성및목적 연구개발의배경 수자원은지구물순환시스템의주요요소로써 대기및해양의순환과관계가밀접하며시공간적인변동성을가짐 즉 대기의극심한강수의영향과해수의상승은하천의통수능력초과및배수불능을야기하여홍수를발생시키기도하지만 반대로장기간의강수부족 기온상승및하상계수의증가는하천유량손실을야기하여가뭄을발생시키기도함 국내에서는이와같은수자원의변동성을극복하기위해여러구조적및비구조적대책을강구해왔으며 지속적으로그노력을기울이고있으나최근기후변화영향은수자원의극심한변동을야기해왔으며 특히과거에경험하지못한규모의집중호우및태풍등의발생으로홍수피해가급증하고있어이에대한대책마련이시급함 홍수피해를줄이기위한대표적인방법으로는미래에발생할홍수를사전에예측하는홍수예경보시스템의개발및운영이있다 는중소규모홍수에대해서는홍수조절용댐을이용하여효과적으로대응할수있지만 이례적으로큰홍수에대해서는효과를기대하기가어려우며대신잘구축된홍수예경보시스템이홍수피해의완화측면에서더효과적인방법이라고제안한바있음 통상 홍수예경보시스템은예측된강우정보와수문모델의실시간연계해석을통해홍수정보를생산하고사용자에게위험정보를제공하므로강우예측정보및수문모델의활용은홍수예측에핵심요소라볼수있으며 그중수문모델은홍수해석영역 범위및정확도등을좌우할정도로홍수예보에큰비중을차지 수문모델개발의목적은유역에서의강우 유출관계의복잡함을과학적으로더잘이해하고홍수발생시예방과대응을위한기초자료를제공하는역할 수자원의효율적인관리및이용에있음 수문모델은 년대디지털혁명이후 가 을개발한이래지금까지많은모델들이개발되어왔으며 각모델들은해석형태에따라개념적 과물리적 해석공간에따라집중형 과분포형 모의시간에따라사상형 과연속형 모델로구분및활용되고있음 - 175 -

과거에는모델의계산시간문제 지형및수문변수의구축문제로사상형 개념적및집중형모델이주를이루었으나 대상유역의변수들을동일한성질로고려한다는불확실성문제가지적되어왔음 그러나 년대이후컴퓨터성능의향상으로수문순환의연속적인해석과복잡한수치해석이가능하게되었고 을이용한토양및지형정보구축기술의발달로물리적 연속형및분포형모델이다수활용되는추세이며실제자연현상에근접한홍수량을모의하기위해기상모델뿐만아니라해양모델과연계하여조위의영향을고려하는모델개발에관심을두고있음 연구개발의필요성 우리나라는그동안물리적기반의수문모델을다수도입하여관심유역에대한홍수정보를생산하고다양한분석을수행해왔으나자체적으로모델을개발한경우는드물며 대부분국외에서개발한모델들을사용해왔음 통상 모델은개발자의의도및관심지역에따라그특성이결정된다 비록기존모델들이사용자가원하는해석을지원할지라도해석및이론적측면에서국내수문환경을적절히고려한다고장담하기어려움 더욱이일부상업적모델들은모델의구성 입력자료구축및해석방법등에대하여선행연구자료를통해파악이가능하지만 구현에대한소스코드가공개되어있지않아활용에상당히제약적이므로우리나라도자체기술로수문모델을개발할필요가있으며 이를토대로홍수예경보체계를구축할필요가있음 앞으로의수문모델은연속형및분포형해석체계이고 타모델과의연계해석이요구됨 사상형홍수해석은오프라인상의해석에있어활용성이높지만 실시간운영에있어서는매개변수및초기수문성분결정이어려운단점이있음 연속형홍수해석은모의초반에각변수들을결정한다면연속적으로수문성분이자동산정및갱신되어이와같은문제들을보완할수있음 분포형모델은정확도측면에서집중형모델보다우수하다고장담하기어렵지만인간활동및자연조건의변화에따른수문의공간적인변화에모의가가능하고홍수에관해보다많은정보들을생산할수있다는장점이있어관심을가질필요가있음 지금까지의수문모델은주로지표의상황만을고려해왔지만수자원은지구물순환요소에일부이며 하천의홍수발생도대기및해양상태와밀접한관계가있으므로 - 176 -

보다과학적인수문해석을위해서는타모델 예 대기 해양등 과의연계해석이가능한수문모델이개발될필요가있으며 이를지원할수있는기술개발이필요함 한편 홍수예경보시스템은홍수위험의선행시간확보및의사결정지원이가능하여기존재해관리분야와더불어군사작전의활용에도그필요성이증대되고있음 그예로군의도하작전실시에있어하천의유속 수심 하폭 수위의변화등은작전지역선정에반드시고려할요소로분류되는데 장은석 만약홍수위험에대한사전정보가명령권자에게전달된다면전략을수립하고계획을추진하는데있어큰이득을가져다줄것이므로연속형수문해석에따른지속적인정보생산및제공 홍수정보의다양화가요구됨 연구의목표및내용가 연구목표 홍수대응의사결정을위한수문모델을개발하고기상 해양모델과의연계해석을통해홍수위험정보를생산및제공 나 연구내용 국내외기술개발현황 수문모델개발및활용현황 기상 해양 수문연계해석 기상 해양모델과수문모델의연계해석방법도출 기상모델의해석체계및영역검토 해양모델의해석체계및영역검토 수문모델의해석영역및연계방법도출 수문모델조사및분석 국내외홍수해석을위한수문모델조사 수문모델의이론적특징및적용사례검토 주요수문모델의선정및분석 - 177 -

대상지역선정및기초자료수집 과거홍수피해현황조사 홍수해석을위한대상유역선정 관측기상및수문자료수집 지형자료 토지이용도 토양도등 수집 수문모델구축및활용성평가 수문모델의입력자료구축 수문모델의매개변수추정및평가 과거홍수기간의수문모델적용및평가 수문모델의민감도분석및평가 - 178 -

제 절국내외기술개발현황 국내기술개발동향 국내에서의분포형수문모델에대한활용사례는대부분연구에국한되어왔으며 주로 국외에서개발한사상형또는집중형모델을홍수예경보업무에활용 가 대강홍수통제소 하천의홍수예보업무를담당하는 대강 한강 낙동강 금강 영산강 홍수통제소에는홍수량예측을위한수문모델로 년 가제안한저류함수모델을이용 이모델은사상형및개념적모델로계산절차가간편하고홍수유출의비선형성을고려할수있는방법으로알려져있음 저류함수모델은효율적인홍수예보를위해그동안초기구축단계에비해많이개선되어왔으나 호우사상별매개변수추정 초기수문조건설정문제 유역의수문반응이복잡하고분석기간이긴경우에모델의정확도가떨어지는단점이있음 배덕효와정일문 또한 기상예측정보의불확실성및수문모델과의연계해석기술부족으로인해주로감시업무만을수행하고있는실정임 - 179 -

나 주 한국수력원자력공사 주 한국수력원자력공사에서는 개발전용댐 화천 춘천 의암 청평등 의수에너지발전확보및이 치수기안정적물관리기여를위해 수력발전소발전및수계운영설비보강사업 을통해웹기반의실시간수계운영시스템 을개발 이시스템은발전용댐수계운영모델을구축하고과학적이고합리적인댐운영을통한수자원의합리적이용을도모하였다는측면에서가치가높지만예측강우자료의오차와유출해석모델의불확실성은댐운영측면에서여전히대두되고있음 더욱이가용된수문모델이외국에서개발된것이라이를수정하거나개선하는데많은어려움이따르는실정임 선진국연구개발동향가 국외태풍예측모델기술개발현황 이연속형기반의분포형수문모델에대한필요성과그개념을처음제시한이후로국외에서는이와관련한여러모델들을자체개발해왔지만 모델의계산시간및해석영역의문제로실시간홍수예경보시스템에서는활용도가높지않았으나 최근고성능컴퓨터의개발로활용도가높아지는추세임 - 180 -

대표적인모델로는미국의 모델 캐나다의 유럽의 모델 일본에서개발한 모델등이있음 이들모델들이활발하게적용되는가장큰이유중의하나는기존의집중형모델에서불가능하였던유역내수문성분의시공간적분포상황을파악할수있기때문임 모델은미국농무성의농업연구소 미네소타환경보전국 및토양보전국 에서공동으로개발한것으로주로 크기의농지로구성된유역에대한홍수및오염수의예측을목적으로개발되었음 모델초기버전은사상형으로구성되었으나 실시간활용에많은어려움이야기되어 년대초반연속모의가가능하도록모델을보완하였음 이모델은 의증발산량 유출곡선지수 의하도추적을통해수문해석을수행하며 최근에는사용자의편의를위해입력자료생성의자동화모듈이추가됨 미국의 사에서개발한 은수문해석을위해공간적으로는유한요소법 시간적으로는유한차분음해법 지표유출은 하도해석은유한차분음해법을사용하고있음 이모델은기능 사용자편의성 실무적용가능성이높다고알려져있으며 국내에서 - 181 -

도활용도가높은모델이로현재미국텍사스주오스틴시에서는 강우와 을연계한홍수예경보시스템을운영하고있으며 매시간 시간까지의홍수예측정보를생산및제공 또한 모델을이용하여 의홍수량을홍수위로변환한후 실시간홍수위험지도를작성및제공하고있음 캐나다는실시간홍수예측모델으로 년 을개발하여운영 이시스템에서는수문모델로 모델 를이용하고있으며 레이더예측강우와실시간연계하여홍수량을생산및제공 이모델은융설및적설모의 수정 침투모델 지표유출흐름해석모델 중간유출모의 하도추적및저수지운영이가능한모델이이며최근에는유역의수질 토사등의해석모듈이추가되었음 모델은 년부터유럽 개국 영국 프랑스 덴마크 이공동으로개발한것으로전신은 모델임 이모델은기본연속모의기반의수문해석뿐만아니라유수량 수질및유사이동의모의가가능하며 최근에는지하수모듈이추가된바있으며주요해석모듈의경우차단은 모델 증발산량은 식 지표면수로흐름성분은 식 지하수흐름성분은 차원지하수흐름편미분방정식 토양층흐름은 식 하도추적은 식을이용 - 182 -

미국플로리다주에서는 에서의홍수예경보업무를위해 모델을이용하고있으며 에서하루에 번제공하는수치예보자료를모델에 연계하여홍수예측정보를생산및제공 - 183 -

제 절연구개발수행내용및결과 기상 해양모델과수문모델의연계해석방법도출 기상및해양모델 에대한분석결과두모델의경우대부분 의격자체계에서물리적해석구조와이론을통해주요변수들을생산하는것으로알수있지만 홍수예보에있어수문모델은대부분유역또는지역단위의해석위주로그규모가작아이를충분히고려할수있는모델선정및활용이요구됨 통상 수문모델은강수 기온및풍속 일조시간 상대습도등을이용하여지표및지표하유출량 증발산량및토양수분량의거동을모의한후 유역에서발생하는홍수량을생산하며유역의경사및고도특성에따라홍수량은본류하천으로유입되며 수리학적계산을통해본류구간에서의하도추적을수행 이때 해수면높이및조위의영향은하천본류의출구지점에서하류경계조건으로활용이가능하며 이를고려할경우하류단수위상승이고려되어역류또는배수 현상을모의하므로따라서하천의홍수위는기존기상인자들만을고려했을경우보다더욱상승할것이며 현실에더욱가까운홍수위및홍수량예측이가능해짐 본연구에서의기상 해양 수문모델의연계해석방법으로기상모델이예측한기상인자 강수 기온등 를입력정보로활용하여홍수량을산정하고해양모델에서의해수면높이및조위값을하도출구의경계조건으로활용하여홍수위및침수해석정보를생산하고자함 - 184 -

한편 본연구의홍수정보는물관련기관뿐만아니라군기관에서도활용될것이므로연속모의를통해홍수량을지속적으로생산하고 공간적으로다양한지역에대해상세한정보가제공될수있는수문모델을활용및구축할계획임 수문모델조사및검토가 국내외홍수해석을위한수문모델조사 본연구에서는수문모델 개발의초석이되는수문모델 을선정및구축하고자하며 이를위해현재상용화되고있는모델을조사및검토하였음 수문모델은공간적해석형태에따라집중형 과분포형 모의시간에따라사상형 과연속형 모델로구분및활용 특징장점단점 사상형 집중형 - 185 -

사상형 집중형 모델 저류함수모델 홍수유출계산을위한저류함수법 은유역과하도에서의유출량과저류량의관계를표시하는저류함수를홍수파의운동방정식에대입하여홍수파의연속방정식을계산함으로써홍수유출량을결정하는방법 이방법은주로일본에서널리사용되어왔으며 국내에서는한강홍수통제소의홍수예경보에 년이넘도록사용되어왔고 년부터는낙동강홍수예경보에도이방법이이용되고있 섬진강 금강 영산강유역에도이방법이적용되어홍수통제소에설치되고운영중임 저류함수법의장점은다음과같음 자연상태에서발생하는홍수유출은매우서서히변화하는부정류로써본방법은이러한특성을고려하여해석을할수있음 모델의적용에필요한제반변수등을이전의강우및유출자료로부터결정할수있음 일반적인홍수유출의특성인비선형성이고려됨 이방법에의한홍수유출계산방법은다른방법에비해매우간단하므로작은규모의전자계산기로도홍수유출계산이가능하며 복잡한대하천유역을여러개의소유역및하도구간으로분할하여상류에서하류방향으로축차적으로유출계산을함으로써필요한지점에서의홍수유출계산이가능함 모델 모델은주로유역에서의강우 유출해석에이용되며 유역추적과하도추적의기능이있음 모델의기본모듈은강우해석 침투해석 유출해석 기저유출해석 홍수피해분석및저수지조절시스템등이포함 프로그램은주프로그램 개와 개의부프로그램 으로구성되어있으며 개의부프로그램은강우 유출관련변수의최적화 수로망에서의매개변수최적화 운동파 해석및댐파괴해석등각목적별로조합되어사용됨 모델은기본적으로흐름망 이론에근거하고있고 다양한수자원계획과홍수의해석 댐붕괴 모의해석 수심 면적 의 - 186 -

계산및다중계획 다홍수분석 에의해서한정되는피해범위등을결정할수있음 모델의구성요소는지표면 의물이하도로움직이는것을분석하기위해사용되는표면유출성분 하도추적과소유역유출성분들을결합시키는성분 하도추적성분 저수지성분 전환 성분및양수 성분등으로이루어져있다 이모델에서강수의손실은단순비선형함수에의하여침투량을산정함으로써구하고또한융설 도고려할수있음 침투수계산방법으로는초기및일정손실률 법 지수함수적손실률 법 유출곡선지수 법및 의손실률 법등이이용되고 수문곡선작성방법으로는 방법 방법및 무차원단위도법등이있음 모델 강우 유출모의프로그램인 는 년미육군공병단수자원연구진 에서개발한모델로기존의모델인 모델을발전시킨모델임 의초기버전인 모델은 년미육군공병단수문공학연구소에의해개발된컴퓨터프로그램으로 년 월에간행되었으며 년에 버전이개발되었으며개인용컴퓨터인 의성능이고도화됨에따라개발된모델이 임 이모델은강우에의한유역의지표면유출을모의하기위해강우 유출현상의수리 수문학적과정을상호연결하여유역의응답을나타내도록설계된모델로각수리 수문학적과정은일반적으로소유역이라불리는유역일부분에서의강우 유출과정을모델화하며 각과정은지표면유출이나하도유출 저수지유출등을모의 또한 모델은기존의 모델과비교하여입 출력자료의 작업기능 화 다중작업수행 자료를이용한분포형모델개념의도입 빈도강우의형성및모의등의다양한측면에서보완된모델로대략 가지정도의홍수수문분석을할수있음 또한 을내장하고있어강우자료등이 를통하여처리되며 다른모델과의입 출력자료를공유할수있음 의구성은수문요소들의자료와연결구조를가진 기상학적 - 187 -

자료를저장하고처리하는 과최적화기법을이용하여시간과 관련된매개변수를산정하는 로되어있음 모델 는미육군공병단과 대학의공학컴퓨터그래픽연구소에의해개발되었으며 수치고도데이터를이용하여형성된불규칙삼각망 으로부터유역도및소유역경계선등을자동으로식별하고강우 유출프로그램인 합리식및 에대한 환경을제공 모형은강우 유출해석에요구되는수문모델링을위한포괄적인그래픽사용자환경 을제공해주는프로그램이며특히지형정보시스템 에구축또는저장되어있는유역의지형자료를수문해석에최대한활용할수있도록 와수문모델링이연계되어있는프로그램임 특히 및 와같은여러가지수문모형이 및 등과같이기개발된 소프트웨어와의연계운영을통하여 기능을활용하고있지만 는별도의 환경을구축하여자체적으로 와관련된기능을수행할수있도록 데이터또는여러형태의레이어 를새롭게구축하거나입력 수정및저장등의기능을수행할수있도록되어있음 또한 모형은자체적인 관련기능뿐만아니라 등과같은여러형태의수문모형을자체적으로연계하여운영함으로써이들수문모형의입력자료구축에 기능을원활히활용할수있도록 - 188 -

개발되었음 - 189 -

연속형모형 모형 모형 은미육군공병단에의해개발된모형으로세분화된토양층의수분저류량을계산하고유역추적 하도추적 저수지조작모형을포함하고있으며 강우뿐아니라강설에따른유출해석도가능한모형 집중형매개변수모형으로서 개이상의매개변수는시행착오방법에의해최적값을찾게되며유출과정을연속성있게모의할수있도록저류추적방법을사용하고있으며유역및하도의수문학적특성변수는시행착오법을사용하여얻음 또한첨두유출량산정등의특정조건에적용할수있도록구성함으로써어떠한유역이나하천의수문자료를사용하여유출을합성해내는수문모형으로서근본적으로다음의세가지성분모형으로구성되어있음 우선전유역을유역특성이유사한소유역으로분할하여강우나강설로부터각소유역별로유출을합성해내는유역유출모형 유역유출계산결과를이용하여상류로부터하류로유하하는유출량을추적하는하도추적모형 위의두성분모형을합성하여저수지군의유입량으로부터저수지의저류량과방류량을계산하는저수지조절모형 유역유출모형은강우 유출과적설그리고융설에의한유출을계산하며하천과저수지관리모형은하천수로 호수와저수지를포함하여상류로부터하류로계산하는데조류나저수지에의한배수효과도고려할수있으며 하천의분류와하천제방의범람도추적할수있음 이모형에서유역유출부분은 모형과 모형등 가지방법을채택하고있는데전자는표고에따른온도 강설 그리고다른기상학적인자의변화를고려함으로써산악지형에적합한모형이며 후자는융설에의한유출이지배적인지역에서실질적인융해현상이일어나는계절에적합한모형임 모형은주로대유역에적합한모형으로하천수와유역유출에대한예보기능외에도다목적저수지운영에따른영향분석 설계최대호우에대한유역유출모의 관개용수공급을위한하천수의취수에대한연구 하도시스템전반에대한하천수의일유출예보 하천수의계절예보등에효과적으로적용될수있음 - 190 -

모형 모형은 가 년처음개발한모형으로서주로일본과동남아각국에서널리이용되고있으며 임의의집수유역을여러개의저류형탱크로가정하여강우 유출과정을모형화한것으로서하천유출과관련된일종의개념적인수문모형인동시에일체형 모형임 모형은유역에따라직렬또는병렬로연결하여유역반응을표현하는것으로일본의많은유역에적용하여실용화된모형으로홍수유출과갈수유출을동시에재현할수있고경험적으로볼때홍수유출 갈수유출모두유출계산정밀도가좋음 모형은 의모형비교프로그램에서비교 검토된모형으로국내에서는현재낙동강저수관리에사용되고있으며 김현영과박승우 배덕효등 등이적용한바있음 모형의구성은각탱크의유출공의수및탱크의배열등을포함하며 탱크모형에필요한입력자료는강우와유출시각의제반시간 유출시간동안유역의증발손실량 모형계수의초기치및비교를위한실측유량자료등임 모형은 형식의특성을가지고있어모형의구조와매개변수를결정하기위해서는 모형에숙련된경험이필요하다는것과저수지추적이포함되어있지않다는단점이있음 모형 모형 은미국국립기상청에의하여개발된모형으로 강수는물론눈의축적과융설 토양함수상태의계산 유출의하도추적 매개변수최적화등을포함한모형으로서미국기상청에서공식적으로이용하고있는모형임 모형에서수문학적기능은메뉴 테이블의형태로주어지며운영자는대상소유역의흐름특성에따라모형을구성하며어떤기능 성분모형 을이용할것인가는운영자의경험및전문성에의해결정되며가능한한어떤수문기상학적조건에서도유역모형을구축할수있도록설계되었음 모형의각소유역그룹들은단일프로그램의묶음철형태로되어있는데 이것은상류어느소유역에서기대하지않은결과가예측되었을때문제점을찾아내어하류로문제점이전파되는것을제어하는데효과적임 또한 그래픽출력시스템은예측결과나관련자료를그래픽으로출력해주므로문제점을발견하거나결정을내리는데큰도움을줄수있으며시간도절약할수있음 - 191 -

은 등 이개발한연속형수문모형으로수치고도자료와토양 식생자료등을이용하여유역의토양수분분포를예측하고 지하흐름을산정하며유출에기여하는동적포화기여지역개념을이용하여유출을모의함 모형의적용이용이하고수치고도자료의이용이쉬워짐에따라서국내에서도적용이늘고있음 김진훈등 조홍제등 은유역의지형과토양에따른포화층에서의흐름과유출기여면적을고려하여유출계산을수행하며매개변수는현장에서측정하여정할수있으며 은강우와증발자료만있으면미계측유역에서도적용이가능하며유역면적은약 정도까지도적용가능하다고알려져있음 배덕효와이병주 는홍수통제소의사상형저류함수모델은실시간활용에있어호우사상별매개변수추정 초기수문조건설정문제로활용에많은어려움을지적하고이를극복하고자기존모델에물리적기반의토양수분 지표유출량 중간유출량 지하수유출량산정기법을연계하여유역과하도의연속적인유출모의가가능한 모델을개발하였음 모형구성은다음그림과같으며 최근에는하천의댐및보와같은구조물의운영모듈및홍수량예측의정확도향상을위한자료동화기법이탑재 이병주등 이모형은이미낙동강유역에서그적용성이검증된바있으며 홍수기에도유역의홍수량및토양수분량을연속적으로생산가능하다는장점이있어국토교통부 의연구성과를통해낙동강유역을대상으로하천유량예측시스템및돌발홍수예 경보시스템의핵심모듈로써탑재및시험운영중임 - 192 -

기타 모델명 개발년도 모형명칭 개발자 기관 특징 - 193 -

분포형모형 모형 년에미공병단 의지원하에 에서개발된 모형은강우분포도를입력자료로하여유역의수문학적반응을모의하는물리적인분포형매개변수를가지는격자기반의 차원부정류및초과침투 를고려하는수문모델임 초기 모델은 침투 확산파 를통한지표및하도추적등으로구성되었으며최근의 모델은연속적인토양수분추적및유역규모의유사운송등을포함하여다양한요소들이추가되었음 모형은 연속적인토양수분추적 강우차단및저류 침투 지표 및하도추적 으로구성 침투모형으로 모형을이용하여유역내각격자요소의침투율과누적침투깊이를대략산정하며 모형의매개변수들은토양특성지도 의재분류를통하여얻을수있음 지표류추적은 형식의 차원확산파를사용하고하도추적은 차원확산파를이용 모형은단일사상을모의할수있으며 또한사용자의판단에따라장시간의연속모의도가능하며연속모의시에는한시간간격을갖는강수의토양수분방출량을산정하는 으로증발산량을모의함 - 194 -

또한강수자료로는강우계로관측된강우자료와 와 을통해산정된균질한강우강도와 를이용하여공간적으로분포된 등을사용함 모형 의 박사에의해개발된 대규모 모형 등 은지표면과기상사이의지배적인수문기상학적과정을모형화한준분포형 격자기반의수문모형 토지피복을모자이크방식으로표현하고침투와강수량의공간적변화를모수화하여중요한수문학적과정을설명 이모형은세개의토양층과하나의식생층으로구성되어있는데각각의층사이에서에너지와수분플럭스의교환이이루어짐 모형은평균적으로격자크기가 인 의공간분해능을가지고실행되며하나의격자셀에서산정되는유출량은 등 이제시한방법을사용하여추적하며 모델의식생및토양매개변수는 등 이제시한 에서산정되는값을이용 모형은크게차단층 과 개의토양층 으로구분되며 한격자내에 서도다양한지형조건과토양의물리적특성을고려함으로써 에적합한 장주기수문해석을수행함 - 195 -

차단층에서는동일피복종류별면적비를고려하여각피복특성이반영된차단및증발 을모의하며 보통식생지대 및나대지 로구분 토양층의경우깊이에따라최상부토층 상부토층 하부토층 으로구분되며최상부토층은침투 에직접적인영향을받는지역이며 토양수분의변화에가장민감하며또한중력식배수를통해상부토층으로침루량 을모의하며 식생및나대지지역의여부에따라증산 및증발 모의가결정됨 상부토층에서는최상부토층과더불어강우시작후토양층의포화여부에따라지표유출 이모의되며 증산및하부토층에대한침루량 이계산 하부토층에서는상부토층에서유입된침루량으로부터증산과기저유출 이모의됨 은유역의물순환에관한물물질동태와생태환경을평가하는분포 모델 적용범위는증발 적설 해설유출 지하수 수온 수질및생태등다양 모델은유역을격자로구분하고각격자별로연직구조를가지는다층모형으로총 로 개층으로구성되어있으며 층에는지표또는중간유출량 층에하천유량에미치지않은지하수유출량이모의됨 - 196 -

기타 - 197 -

나 주요수문모델선정및분석 수문모델은홍수해석범위및정확도등을좌우할정도로홍수예보에큰비중을차지하며 본연구의핵심요소 수문모델구축을위해서는아래표와같이기상 해양모델과의연계성 초고성능컴퓨팅환경 모형매개변수처리 홍수해석의정확도개선및정보제공의다양화가고려되어야함 또한 모델해석범위는기상모델이예측한기상인자 강수 기온등 를수문모델의입력정보로활용하여지표 지표하유출량및하도홍수량을산정하고 해양모델에서의해수면높이및조위정보를하도출구에경계조건으로활용하여하도홍수위및침수해석정보를생산하는데있음 또한 생산된홍수정보는물관련기관뿐만아니라군기관에서도활용될것이기때문에연속모의를통해홍수량을지속적으로생산하고 공간적으로다양한지역에대해상세한정보가제공될수있는수문모델을활용및개발이요구됨 - 198 -

앞에서언급한여러모형들의해석적이론 특징및적용성등을검토한결과본연구에적합한수문모델로는 및 을선정 이모델들은연속형또는분포형을기반으로하며 현재오픈소스및실시간연동에여러차례적용된바있음 국토교통부 기상청 금년과업기간에서는두모델들중유출해석에있어이미전세계적으로그적용성이검증된바있는 모델을구축하고이의활용성을평가하고자함 토양수분량 일반적으로연속형강우 유출모형은유역에내리는강우에대해현재의토양수분조건을고려하여토양으로의침투량 지표유출량 중간유출량 실제증발산량 대수층으로의함양량 지하수유출량을모의 이때토양내유출성분량을규정하기위해통상토양층을자유수 와장력수 로구분하며자유수는측방흐름 과침루량 에기여하고장력수는실제증발산량에기여 본연구는이러한과정을통해유역평균토양수분을모의하도록모형을설계하였으며이때 유역의토양층은단일층으로구성 토양수분산정을위한연속방정식은다음과같다 는 시간의토양수분량 는강우량 은실제증발산량 는각각지표유출량 중간유출량 지하수유출량 을 실제증발산량 증발산은지표면과토양층내에존재하는물이수증기상태로변하는모든과정을의미 실제증발산량을산정하기위해서대부분의강우 유출모형은잠재증발산 개념을도입하고있으며이러한개념은 에의해기후분류법의일부로서처음도입 본연구에서는 방법을이용하여잠재증발산량을산정하고실제증발산량은토양층내장력수영역에서만발생하고현재의잠재증발산량이내에서 - 199 -

장력수내의토양수분에비례하여발생한다고가정 에서 는잠재증발산량 는장력수영역내의토양수분량 는장력수영역의포화수분량 을의미 와 는 로부터산정되며식에서 와 는각각포장용 수량과영구위조점에서의토양수분량비 는토양층깊이 를나타냄 지표유출량 지표유출량은유출수문성분중홍수유출량에가장많은부분을차지하는성분으로강우로부터유량을예측하는데있어서매우중요한성분임 에서는일강우량으로부터지표유출량을산정할수있는 유출곡선지수 방법을제안하였으며이방법은국내에서단위도의유효우량산정에활용 은물리적기반의연속형강우 유출모형인 의지표유출량산정방법에적용하는등국내외적으로적용성과검증이이루어진방법 본연구에서는시단위지표유출량산정을위해기존의 방법을개선 에서개발한직접유출량산정방법은총강우량이초기손실량보다큰경우적용가능하며관계식은다음과같음 - 200 -

식에서 은직접유출량 은해당호우의총강우량 는저류변수 를의미하며 는 으로부터산정이가능하며관계식은 다음과같음 또한 는일강우량으로부터일지표유출량을산정하는방법을개발하였으며이때 를토양수분량에따라가변되도록개선 표유출량과저류변수산정식의형태는기존방법과동일하며산정방법은다음과같으며식에서 는일지표유출량 는일강우량 을의미 는 가토양층내수분상태에의해그거동이지배된다는가정하에토양수분량과의관계로부터가변저류변수 산정방법을제안 다음그림은 와토양수분량간의관계를도시한것이며 축은저류변수 축은토양수분량 이며 는포화수분량 는포장용수량상태의토양수분량 는영구위조점상태의토양수분량 을의미 - 201 -

를기준으로이를초과하는토양수분은자유수에해당하며 와 사이의영역은장력수에해당하며이방법은다음의세가지가정을가짐 에서의 는 상태의토양수분량에대응하는 max 와같음 에서의 는 상태의토양수분량에대응하는 와같음 토양이완전히포화된상태에서 는 은 의값을가짐 현재의토양수분량을고려한 는다음으로부터산정되며 곡선의형태를결정하는형상계수 와 은각각 를이용하여산정하며 max 와 는각각 과 에해당하는저류변수이며 과 로부터산정된 값을 에대입하여산정 은각각 에서의유출곡선지수 m ax exp ln m ax ln m ax ln m ax exp exp 이방법은일단위강우량으로부터그날의지표유출량을산정하는방법으로기본적으로강우량이초기손실량 보다큰경우에만지표유출량을산정할수있는방법임 반면에본연구에서와같이시단위유출모의에서는시단위강우량의크기가일단위에비해그양이상당히적기때문에강우량이초기손실량보다적게발생할가능성이높고이로인해지표유출량이발생하지않을가능성이높아지게되므로현재일단위지표유출량산정방법을그대로적용할경우지표유출량이과소추정될수있음 - 202 -

본연구에서는이러한문제를개선하기위해다음과같이현시점부터 시간전을 기준으로 시간누적강우량과전시점까지의 시간누적강우량의지표유출량 차이로부터현재 시간동안의지표유출량을산정하도록모형을개선 식에서 는시단위강우량이며우변의첫번째항은현시점 으로부터이전 시간 까지의누가강우량 에대한지표유출량 을의미하고두번째항은현시점의이전시간 부터이전 시간 까지의누가우량 에대한지표유출량 을의미 현재까지의총강우량으로부터발생한지표유출량에서전시점까지의총강우량에대한지표유출량을빼줌으로써현시점 계산시간간격 에내린강우 에대한지표유출량 를산정할수있음 지표유출량이지체효과를가질수있도록다음의식이활용되며식에서 는 시점에서지체효과가고려된지표유출량 는 시점에서 시간동안발생한지표유출량 는전시점에발생한지표유출량중유역유출량으로반영되고남은양 는지표유출지체계수이고 는관측유량과의보정과정을통해추정되는매개변수임 exp 지표유출량 토양층내에서측방흐름에해당하는중간유출량은유출수문곡선에서대략상승부에서 - 203 -

하강부의변곡점까지곡선형태를결정하는중요한유출수문성분으로 과 는측방흐름을산정하기위한방법으로역학적으로해석한동역학적저류모형 을제안하였음 이방법은 에의해 모형에서지표유출과중간유출을분리하기위한방법으로적용되었으며 은일강우 유출모형의측방흐름산정방법으로적용된사례가있음 경사면출구에서의순측방흐름 은다음과같이산정할수있으며식에서 은토양층내측방흐름에해당하는중간유출량 는현재토양수분량중에서포장용수량에서토양수분량을초과하는토양수분량 는포화수리전도도 는토양층경사 는토양내배수가가능한공극률 은경사면길이 를의미 다음식에서 는 시점에지체효과가고려된중간유출량 는 로부터산정된 시점에 시간동안발생한중간유출량 는전시점에발생한중간유출량중유역유출량으로유입되고남은양 는중간유출지체계수임 exp 지하수유출량 지하수유출량은홍수모의시에는그영향이크지않으나무강수기간또는저유량에서의유출거동을지배하는유출수문성분이라할수있으며합리적인지하수유출모의는전체유출수문곡선을완성하는측면에서중요함 대수층에서의물의거동은지하수함양량과지하수유출량의두가지수문변수를통해설명되며본연구에서는지하수함양량산정을위해 와 에의해제안된강수 지하수반응모형의지수감소가중함수 방법을이용하였으며 이방법은토양층에서대수층까지의함양이순간적으로일어나지않는지역에적합한것으로알려져있음 지하수함양량산정식은다음식과같으며식에서 는 시점의대수층함양량 - 204 -

는지질층전역에대한지체시간또는배수시간 을의미함 exp exp 또한 는 시점에서계산시간동안토양층을빠져나가는토양수분량 이며다음식을이용하여산정할수있으며식에서 는계산시간간격 는앞서 에서언급한중간유출지체계수이며식에서 와 는관측유량과의보정을통해추정됨 exp 은지하수위와지하수유출량의변화가선형적인관계를갖는다는가정하에 가제안한지하수위 지하수유출량의관계를개선하였으며본연구에서는이방법을이용하여지하수유출량을산정 이때 대수층에저장된지하수함양량이전량지하수유출에기여되지않도록하기위해대수층내지하수위가임계수위 이상일경우지하수유출량이발생하도록하였음 지하수함양량으로부터발생하는지하수유출량산정식은다음과같으며 는기저유출감수상수 또는비례상수이며관측유량과의보정과정을통해추정 exp exp 유역과하도의저류함수모형 유역의저류함수는유출계수와유역평균강우량의곱으로표현된기존의유효우량을앞서산정된유출성분으로대체하여다음과같이산정되며식에서 는유역지체시간 을의미 - 205 -

과 는각각하도의저류함수와연속방정식을나타내며 에서 는하도유출량 는하도구간내저류량 와 는하도저류상수를의미 또한 에서우변첫번째항은하도로유입되는지천의유출량이며 는하도유출량을나타내며식에서 는 는 단위를갖는다 가변침투능 의의미는 가변침투능 으로서격자로유입되는강우로부터발생하는침투량에대해토양이허용할수있는범위인침투능을산정하여지표유출과침투량의비율을결정하는방법을의미 산정방법은토양에서최대로받을수있는최대침투능과현재의토양수분량에따른포화면적비를고려하여현토양조건에대한침투능을산정하는방식이며 관련식은다음과같음 W - 206 -

여기서 은최대침투능 는침투형상계수 max 는최대토양수분함량 는 포화면적비 는현재토양수분함량 는현재토양수분함유량에따른침투능을 의미 증발산 모형내에서잠재증발산량 을계산하는방법은 가제시한수정 방법이이용되며 격자내에서발생되는증발산량은식생에서의증발 토양층내에식생뿌리로부터의증산 그리고나대지에서의증발등으로구분되므로이 가지결과의총합을통하여각격자에대한전체실제증발산량이산정 식생에서의증발은주로피복층에서강수의차단을통해발생되며산정공식은다음과같음 여기서 는피복층에서차단된수분의총량 은피복층에서보유할수있는총보유수량 는 의잠재증발산 는 는공기역학저항 을나타냄 피복층에서보유할수있는최대수분차단량산정방법은 에의해제시된방법을적용하여산정되며다음과같음 여기서 는월별잎면적지수 은 를나타냄 공기역학저항은 에의해제시된방법을적용하여 산정되며다음과같음 - 207 -

여기서 는풍속계높이 는 높이에서의풍속 는대기를안정상태로 가정한경우의수분이동계수로 에의해제시된방법을적용하여산정되며 다음과같음 ln 여기서 는항력계수 는 의상수 는풍속단면점의영점높이 는조도길이 를나타냄 증산은 과 등 의혼합공식을이용하여산정되며방법은다음과같음 여기서 는잠재증발산량 는피복층에서차단된수분의총량 은 피복층에서보유할수있는총보유수량 는공기역학저항 는최소식 생피복저항 는식생피복저항 을나타내며 산정방법은다음과같음 여기서 는최소식생피복저항 는월별잎면적지수 은식생의뿌리가 토양수분흡수가능여부를결정하는토양수분장력인자이며 다음과같이나타냄 - 208 -

여기서 는각토양층별토양수분함량 은토양층내토양수분장력의영향을받지않는임계점 은영구위조점을나타냄 나대지에서의증발은토양내에서발생하는증발을모의하고자함이며 모형에서는오직최상부토층에서만고려되고상부토층에서의증발량은 으로가정하며 가제시한나대지증발량산정공식은다음과같음 여기서 는잠재증발산량 은최대침투능 는침투형상계수 는포화면적비 는현재토양수분함유량에따른침투능을의미 지표유출 모형은시간에따라공간적으로침투한강우로인해생성되는포화면적별지표유출을산정하는모형이므로유출모의시강우에따른침투능이최대침투능보다작을경우에는현재포화면적비만큼의유출이발생하게되고최대침투능보다클경우격자전체에대해유출을발생시키며 산정식은다음과같음 여기서 는지표유출량 는강우 를나타냄 기저유출 기저유출은 의개념을적용하고있으며 적용방식은하부토층의현재토양수분량과상부토양층으로부터의침루량을더한값이 - 209 -

현재토양의최대토양수분량보다적을경우선형관계로부터큰경우비선형관계 로부터모의되며기저유출산정방법은다음과같음 여기서 은선형저류상수 는비선형저류상수 는기저유출 는하부토층의현재토양수분함량 max 는하부토층의최대토양수분함량 는비선형기저유량이발생하는지점에서의최대토양수분의비 는비선형기저유량이발생하는최대유속의비 max 는기저유량의최대속도 를나타냄 대상지역선정및기초자료수집가 대상유역선정 현재홍수예측정보는재해와더불어군기관의작전지원의활용에도그필요성이증대되고있지만그동안의수문분야에서는재해기관업무의지원기술개발에만치중함 따라서수문모델의개발방향은여러분야에서활용이가능토록구성될필요가있으며군작전의관심지역의경우수문모델구축을위한기초자료 예 토지피복도 토양도등 의활용이어렵기때문에해당지역에대한자료확보및활용기술개발이필요함 본연구에서는군사작전상매우중요한지역에위치해있고기상및해양모델과의연계해석에무리가없는임진강유역을시험유역으로선정 임진강유역은북위 동경 에위치하고있는한강의제 지류로서한반도중앙부에서남북으로길게위치한우산형태를가지는유역 임진강의발원지는북한의강원도법동군용포리두류산의남계이며 상류부의지류인고미탄천 평안천 역곡천이차례로합류하고하류에한탄강 사미천 문산천 사천 - 210 -

등이차례로합류한후파주시탄현면부근에서한강과합류하여서해로흘러가는총유역면적은 이고총유로연장은 로대유역에속하는하천 임진강유역은군사분계선을기준으로북측 남측 로북측이전체유역의약 를차지함 하상경사는유역의상류부구간이매우급한편이고 중류부에서점차적으로완만해지다가하류부인파주의문산일대에이르러현저하게완경사를이루고있으며하류부의완만한지형에는인구밀집지 평야 농업시설및제반시설들이집중되어있으며 타지역에비해홍수로인한피해가빈번하게발생하고있음 임진강유역은이수 치수 수질 환경측면에서타유역에비해불안요소가많은지역이므로남북한의관계개선을통한효과적인대책수립에서공동의노력이필요한지역이라할수있음 국토해양부 임진강 유역도 좌 하천망도 우 나 과거홍수피해현황조사 기록적홍수피해사례 과거임진강유역에서기록적으로발생한홍수피해사례는 년 월 년 월및 년 월이며 기간동안의홍수사상별분석결과는다음표와같음 - 211 -

호우사상 년호우 년호우 년호우 지속기간 일 일 일 일 일 일 일 일 일 유역최대강 우량 평균 최대 자료 국토해양부 임진강유역홍수피해원인조사및항구대책수립 년경기 강원북부지방의집중호우 경기 강원북부지방의집중호우는한반도중부이남의고온다습한북태평양기단과중부이북의찬대륙기단이만나발생한강한소나기성구름대에의하여 월 일 시경철원지방부터강우가시작되어 월 일오전까지지속되었음 구분 단위 철원군 연천군 파주시 포천시 동두천시 양주시 계 사망 인 이재민 인 침수면적 건물 백만원 선박 백만원 농경지 백만원 공공시설 백만원 사유시설 백만원 합계 백만원 자료 국토해양부 임진강유역홍수피해원인조사및항구대책수립 특히 연천군백학면에서는 일최대강우량이 시간지속최대 를나타내기왕최대치를훨씬상회하는강우가발생하였고 철원 연천 적성지역에는 일동안약 의비가쏟아지는등임진강유역에엄청난홍수를가져와이에따른수해가유역전역에발생 - 212 -

년국지성집중호우 년 월의국지성집중호우는한반도전역에서발생하여대규모홍수피해를입혔으며 서울및경기지방에집중호우가발생한 월 일까지의총강우량은 이상을기록 임진강유역의지속시간별최대강우량을평균한결과 일동안 가내려우리나라연평균강우량의약 에해당하였으며 년호우보다규모는작았으나이기간동안주로임진강남측유역인파주시 동두천시 포천군등에집중발생됨으로서이지역의홍수피해가큰것으로조사되었음 구분 단위 연천군 파주시 포천시 동두천시 양주시 계 사망 인 이재민 인 침수면적 건물 백만원 선박 백만원 농경지 백만원 공공시설 백만원 사유시설 백만원 합계 백만원 자료 국토해양부 임진강유역홍수피해원인조사및항구대책수립 년서울 경기북부지방집중호우 경기중 북부지방을중심으로남쪽의열대기단과북쪽의한대기단으로형성된수렴대가 년 월 일 월 일까지 일간유지되면서이지역에서 의비를내림 호우기간동안임진강유역에내린강우량이평균적으로는연평균강수량의 를상회하는강우량이었으며 이를단순누가강우량으로만판단한다면 개년동안의홍수사상중가장큰규모로나타남 - 213 -

구분 단위 철원군 연천군 파주시 포천시 동두천시 양주시 계 사망 인 이재민 인 침수면적 건물 백만원 선박 백만원 농경지 백만원 공공시설 백만원 사유시설 백만원 합계 백만원 자료 국토해양부 임진강유역홍수피해원인조사및항구대책수립 북측의무단댐방류로인한홍수피해사례 년 월 일 년 월 일오후임진강상류 월 일댐 의수문을열고많은양의물을방류하는바람에임진강수위가급격히높아져연천및파주지역어민들의선박및어구 어망들이물에휩쓸려유실되면서약 억 천만원의재산피해가발생 임진강의수위가 였으나북측댐의방류로수위가급격히상승하여최고 까지순식간에수위가상승하면서미처대비를못해재산피해가발생 년 월 일 년 월 일오후 월 일댐 의방류로인하여연천및파주지역어민들의선박 척이떠내려가고어구 어망등물에휩쓸려유실되는등재산피해가남 연천군중면 장남면과파주시적성면 파평면일대의임진강수위가이날자정에서 년 월 일오전 시사이에평소 보다 가량높아졌으며파주시의경우급격한수위상승으로강변에정박돼있던어선 척이불어난물에떠내려가고어구 어망등도유실돼약 억원의재산피해가발생 연천지역의경우이날자정께임진강수위가갑자기불어나면서중면 장남면일대에강변에정박중이던어선 척이떠내려가고통발수백개 그물수천 자망수백 가유실됐으며이중선박 척은대부분하류에서발견됐지만파손된상태였음 - 214 -

년 월 일 년 월 일오후 시경북한의 월 일댐 방류로인해임진강의물이급속히불어나면서연천군및파주시어민의어구 어망등이유실되면서약 천만원의재산피해가발생 북한댐의방류전임진강의수위는 였으나방류후 까지상승 년 월 일 년 월 일 월 일댐 방류로인해파주시적성면과파평면일대어민들의각망과통발등그물이모두떠내려가는피해를입음 피해를본어민들은모두 농가로통발 만 여개와각망 개등총 천 만원의피해를입은것으로집계 년 월 일 시 분경부터물이불어나기시작해순식간에 가량수위가상승 년 월 일 년 월 일오후 월 일댐 의예고없는방류는연천및파주일대주민들에게피해를입혔으며댐방류로인해그물 통발및어망등이떠내려가약 억 천만원의피해를봄 연천군군남면진상리임진교의수위는 일오후 시 분경 였으나오후 시 분경에는 오후 시 분경에는 까지상승하여 시간만에 상승 년 월 일 년 월 일오전부터 일새벽까지전국적으로 의많은비가내린가운데 월 일댐 에서의갑작스런방류로인해임진강에쳐놓은어망수십개와통발수백개가급류에떠내려가수천만원의재산피해가발생 임진강전진교수위는 일오전 시 로평상시수위를유지하다 시간만인낮 시경에최고수위 로 이상수위가상승 년 월 일사례 년 월 일휴전선상류 지점에위치한황강댐의무단방류 국토해양부추정량 만 로군남지점의수위가급상승하여 월 일오전 시경 번지점에서 명이실종되고 오전 시 분경 번지점에서 명이실종되는인명피해를입음 - 215 -

재산피해로는차량침수 대 와연천군및파주시주민들의그물 통발 어망등 어구가모두떠내려가약 억 천 백만원의피해를입음 홍수피해원인분석 임진강유역의홍수피해조사에따른주요원인을분석해보았으며 정리된내용은다음과같다 지역주요원인 임진강본류 수계지류하천에비해가장높은치수계획빈도 년 에도불구하고계획강우량이가장작음 유역면적의 가북한지역이므로정확한수리검토 홍수예보및홍수방어계획수립곤란 북한지역산림훼손으로인한홍수량및토사유입에따른하도의상승 임진강하류부는서해안의조위영향을받고있어서해안만조시간과첨두홍수가만나는경우배수영향을받는다는점 임진강제 지류한탄강의첨두홍수파가임진강본류의홍수와만나서합류점하류의피해를가중 차탄천본류 연천읍하류부차탄철교를지나약 하류부터는하천야안의산 과절벽으로인해상류측 정도의하폭이약 정도로 급격히좁아져상류연천읍에배수영향을주고있음 - 216 -

청산면백의리 외수위에따른침수원인으로백의리저지대의지반고가 정도인데반해 년빈도현상태홍수위는 로여유고를감안치않더라도 가높아침수주요원인이되고있음 백의교직상류부에위치한유역 은내수배제를위해현재폭 높이 련의 관거가설치되어잇으나유역내홍수량을배제하는데는턱없이모자란규모란점 한탄강유역 전곡리남쪽한탄강유원지는지대전체가한탕강고수부지로계획홍수위보다낮아상습침수지역으로정도의차이는있으나거의매년침수가되는지역이며 유원지기능을상실케하는제방등의홍수방지시설또한설치하기어려운지점임 다 관측기상및수문자료수집 자료검토 수문모델에서는기본적으로대상지역의지형및관측수문자료가요구됨 수문자료는기상청에운영하고있는 자동기상관측장비시스템 와국토해양부및지방자체단체에서운영중인강우관측소 수위관측소를통해수집 지형자료는주로 토지피복도 및토양도등이있으며 그중 은국립지리원의 수치지형도를이용하여구축 토지피복도는국가수자원관리종합정보시스템 이하 와환경부환경지리정보 를통해수집할수있으며 토양도는농업과학기술원에서 개략토양도와 정밀토양도를제공 다만 임진강유역에서는아래그림에서와같이상류에이북지역이포함되어있는데이지역에대해서는자료가제공되지않아이지역에대한자료확보및구축기술이요구되는상황임 - 217 -

수문관측소 전지구자료검토및구축 수문분야의선진국들은타국가와기상및수문네트워크를구축하여국가별기상및수문정보를교류하고있으며 보다전문화된위성영상및 정보를토대로전세계지형정보를제공 지형자료의경우미국지질조사국 에서 국제연합식량농업기구 에서토양도 그리고 에서토지피복정보를제공 - 218 -

앞의그림은한반도를대상으로각기관별로제공하는전지구자료를나타낸것으로본연구에서는임진강상류의이북지역에전지구지형정보를활용하고자하며 이를위해자료의특성및품질을검토 다음표는전지구입력자료와국내입력자료의차이를분석하기위해 에서의표고범위별면적비를산정하여비교 표고범위 국내자료면적비 전지구자료면적비 국내및전지구자료모두 범위내에 이상차지하였으며 전반적으로표고범위에따른면적비값이크게다르지않는것으로나타났음 토양자료는 약 해상도로대륙별토양깊이에따라다양한토양정보가내제되어있으며 본연구에서는각깊이별모든토양정보를구축 다음표는전지구및국내의주요토양인자의범위를나타낸것으로국내자료의경우토양내장력수를결정하는임계및시듦점의경계가 토양의배수능력을고려하는포화수리전도도의값은 정도이나 전지구의경우각각 의범위로국내에비해범위가작은것으로나타났음 - 219 -

자료종류국내전지구 해상도 토양층 포화수리전도도 최상부 상부 하부 격자별깊이가상이함 임계점 시들음점 다음그림은전지구및국내피복도를도시한것으로전지구토지피복의경우식생의종류가국내에비해다양하게분류된것으로확인 동일피복종류별로면적비를검토한결과 타입이 로가장높으며 등순으로주로산지및작물에대해지배적인것으로나타났음 다음표는전지구및국내피복도에대한면적비를산정하여동일피복종류별로 - 220 -

나타낸것으로면적비의경우동일한피복에서도각자료별차이가있는것을알수있으며 자료별제공되는전지구토지피복의경우식생의종류를다양하게분류한것이확인 전지구피복종류별면적비를살펴보면 삼림 이 로가장높으며 활엽수림 이 상록수림 이 농경지 가 등순으로주로산지및작물에대해지배적인것으로나타났음 국내 전지구 피복분류면적비 피복분류면적비 수문모델구축및활용성평가가 수문모델의입력자료구축 은임진강유역에대한 경사 및토양도현황으로 은 모형적용에있어가장기초적인지형자료임 분석을통해격자분할및해상도결정 좌표선정 고도추출등을수행하며 또한 의공간해상도를근거로토지피복도와토양도의공간해상도가결정 본연구에서는 의수치지형도를이용하여구축된해상도의 을 에의해 간격의해상도로가공하여적용 - 221 -

등 의연구결과에따르면 모형에 등과같은해상도를적용하여유출결과를분석한결과 약 가최적해상도인것으로나타났으며현재웹사이트에서제공하고있는 매뉴얼에도이와같이명시되어있어본연구에서도 를채택 경사의경우상류지역으로갈수록평균경사가커지는경향을보이고있으며 사이의경사가약 를차지하는것으로조사 모형은앞서언급한바와같이토양층을 개의층으로구성하도록설계되었으나정밀토양도의경우에는토양층이 개의층으로구분되어있기때문에이를그대로적용하기에는무리가있음 따라서본연구에서는최상부토층과상부토층을각각 로지정한후깊이별가중치를두어지정깊이에대한토성을산정하였으며토지피복도의경우유역하류에는논 밭 도심지가주로분포되어있으며 상류부근에는활엽수림및혼효림의분포가지배적으로나타났음 - 222 -

기상정보의경우국토교통부 개소의강우자료와기상청 개소의기상자료 강우 최고및최저기온 평균풍속 를활용하였으며 아래표는주요관측소제원임 지점번호 지점명 경도 위도 관할기관 도라산 기상청 적성 기상청 양주 기상청 정연 기상청 대마 기상청 문산기상대 기상청 백학 기상청 청산 기상청 김화 기상청 광덕산기상관측소 기상청 신서 기상청 중면 기상청 마현 기상청 동송 기상청 철원기상대 기상청 포천 기상청 창수 기상청 이동 기상청 일동 기상청 동두천기상대 기상청 관인 국토해양부 영중 국토해양부 노곡 국토해양부 상리 국토해양부 송우 국토해양부 화현 국토해양부 신산 국토해양부 검단 국토해양부 오덕 국토해양부 청양 국토해양부 다만 기상자료가실시간으로측정됨에따라결측또는오자료가포함될소지가충분하기때문에본연구에서는과거국내에서강우자료품질보정기법에대한연구를수행한김형섭과김충수 가제안한 수문자료품질관리가이드라인 의연구성과를본시스템에적용하였으며 품질관리기준은다음표와같음 - 223 -

자료상태내용자료처리 결측치 이상치 관측자료가 값으로기록된경우 시간당 이상의강우가발생한경우 방법에의해계산한결과값이관측값의 미만이거나 를초과한경우 값으로대체 결측자료를보간하는방법은공간동질성분석에의한역거리법 인공신경망이론을이용한방법및크리깅방법등이있으며 본연구에서는이중역거리법을사용 역거리법은공간동질성분석에따른결측자료의추정에가장많이사용되는방법으로이는인근관측소들의가중평균우량과비교될수있으며가중치는보통해당관측소와인근관측소와의거리의제곱수에반비례함 이로부터해당관측소의관측치와인근관측소에의한추정치와의차이를비교하여그절대값이어느특정한오차범위에해당되는지를판단해볼수있음 인근관측소의설정은해당관측소를중심으로아래그림과같이군집화분석으로부터결정된상호상관거리를반지름으로하여동일군집영역을작성하고 이영역안에위치하는관측소들이이에해당됨 해당관측소의추정치는같은시간에가장가까운관측소의관측치로부터다음식에 의해구해질수있지만 분면의값중일부가결측일경우에는해당분위에서영역 안에존재하는 순위로가까운관측소의관측치를이용 - 224 -

n i P i D i P i n Di 여기서 은결측된관측소의보완값이며 는인접관측소의실측우량값 는관측소간의거리 은관측소의개소수임 앞서산정된유역도를토대로남한전체에대해티센망을이용하여면적평균값을산정 한편 수문모델구축및매개변수추정을위해서는관측유량자료의확보가매우중요하며현재국토교통부에서는아래표와같이유역내에총 개소의수위관측소를설치및운영하고있으며 유량관측은수위 유량관계곡선식을유도하여관측된수위로부터유량값을추출 관측소 하천 관측기종 관리기관 수위 유량관계곡선식제공 사미천 한강 국토교통부 삼화 임진강 국토교통부 적성 임진강 국토교통부 통일대교 임진강 국토교통부 군남 임진강 국토교통부 횡산 임진강 국토교통부 표에서볼수있듯이적성관측소를제외하고는나머지 개지점에서는관계식을 제공하고있지않아본연구에서는이지점의관측유량자료만을매개변수추정에 활용하고자하며적성관측소에서는 년을부터지금까지관측유량자료를제공 나 수문모델의매개변수추정및과거홍수기간에대한활용성평가 모형의매개변수 유출모형의모의능력을평가하기위해서는대상지역에대한적정매개변수를산정하고그에따른유출결과의정확도평가가이루어져야함 모델에서이용되는매개변수의경우대부분기구축된 토지피복도및 - 225 -

토양도등의지형공간자료와기존에연구된식생과토양특성자료로부터산정할수있지만유출결과에민감하고직 간접적인계측또는추정이어려운변수들이있는데 수문분야에서는이와같은변수들을결정하는데있어과거관측유량과모의결과의도시적및통계적평가에따른매개변수보정및검증과정을수행함 모형에서추정해야할매개변수는총 가지이며 주요내용및물리적범위는다음표와같음 각변수들의이론적인특성을살펴보면 는지표로유입되는강우로부터침투량을결정하는매개변수로써값이커질수록지표유출은증가하며 및 는기저유출의거동및양을결정하는변수로 및 는기저유출감수부곡선의거동을결정하고 기저유출발생량을결정 는최상부 상부및하부토층의깊이를뜻하며 토양층은깊이가낮을수록저장할수있는토양수분량이감소하여증발량은감소하고유출은증가하는특성이있으며 는증산을위한각토양층별식생의뿌리깊이를의미하며 증산되는양은깊이에비례 호우사상선정및검토 본연구에서는수집된시계열관측기상및유량자료로부터매개변수추정을위한 과거호우사상을선정 - 226 -

a) 2007.06.01-09.30 b) 2008.07.11-09.18 c) 2009.06.27-09.08 d) 2010.07.08-09.28 e) 2011.06.21-08.26 f) 2012.07.01-09.22 Rainfall, Obs 호우사상은일우량자료를이용한개략적인호우기간선정후시강수와시유량자료수집및강수량대비유출율 우량주상도와유출곡선의형태등을고려하여결정 또한이들조건이만족되더라도산정된매개변수는홍수기활용을위해적정규모이하의호우사상은본연구에서배제 이상의조건을만족하는호우사상은총 개로선정되었으며 주요형태는다음표와같으며각이벤트별강우량대비유출율을계산하였으며 약 의범위로나타남 구분 기간 유출율 - 227 -

매개변수민감도분석 에제시한각변수들의초기값을기준으로 변화에대한실제증 발산량 총유출량 지표및기저유출량의변화를분석하였으며결과는다음과같음 Sensitivity(%) 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80 Surface flow Base flow Total flow Evap -100-100 -80-60 -40-20 0 20 40 60 80 100 Variation of Top Layer (%) Sensitivity(%) 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80 Surface flow Base flow Total flow Evap -100-100 -80-60 -40-20 0 20 40 60 80 100 Variation of Upper Layer (%) - 228 -

구분 지표유출지하수유출총유출량증발산량 는토양이보유할수있는침투량의정도를결정하는매개변수로서이침투량의정도에따라 은다양한지표유출을고려 매개변수조절결과지표유출에서는최대 정도 지하수유출은 정도변화하였으나총유출에서는큰변화가없음 이러한원인은지표유출이상대적으로적어질수록 에서 로침루되는토양수분량이많아져지하수유출이증가하게되는것이고 반대로지표유출이커진다면지하수유출은상대적으로작아지게되기때문에총유출에는균형이이루어짐 는지하수유출을고려하는매개변수들로서 에서 로유입된침루량을받아유출을수행하며 의경우지하수량의감소에는민감히반응하나증가량을크게발생시키지못하는것으로나타났으며 반면에 의경우반대로증가량에크게기여 또한지하수량발생이감소할수록증가하는토양수분량에대해그만큼의증발을고려하여전체증발산량이높게산정 최상부 및상부토층 깊이의경우깊이가낮아질수록유출률을증가 증발산량은감소 토양층깊이는토양의저장용량을결정하는역할을하며토양수분깊이가낮아질수록토양에수분을함유할수있는양이적어져유출율이높아지게되는반면 손실을야기하는증발산량은그만큼감소 - 229 -

매개변수추정및평가 모형의최적매개변수를추정하기위해 개이벤트에대해 기간을보정 나머지 기간을검정기간으로지정한다음보정기간에대해서는관측치와비교하여매개변수들을추정하고검정기간에서는보정기간에서추정된매개변수를그대로적용하여관측치에대한적합성을검토 보정방법의경우관측자료를이용해객관적으로산정할수있는매개변수는고정하고객관적산정이어려운최소한의매개변수만을수동보정하는방법으로최적화를수행 수동보정법은유출모형의매개변수를변화시켜가면서도식적일치나통계치가만족할만한결과를얻을때까지모형을반복실행하여최적의매개변수를선택하는방법 장중석 적합성검토방법은도식적및통계적분석방법이있으며 통계분석방법으로는평균제곱근오차 와상관계수 모형효율성계수 유출용적오차 를이용 의 는자료의개수에무관하고차원이해석하고자하는변량과같은차원을갖는지표로전망정보와의평균적으로어느정도의오차가발생하는지를나타내는일종의평균치라할수있음 가 에가까울수록 가 에가까울수록전망결과가관측에잘일치한다고평가 의 는 과 사이의값을가지는무차원계수로써표준편차의비율을 이용하여전망과관측의크기와모양의일치정도를동시에파악할수있는지표 - 230 -

의모형효율성계수는 가제안한통계적기준으로편의를줄수있는무차원계수이며 모의된수문곡선이실측수문곡선과잘일치할수록 에가까워지며만약 음수일경우실측값의평균을사용하는것이모형에의해예측된값을이용하는것보다낫다는것을뜻함 유출용적오차는총관측유출량에대한총모의유출량의차의백분율임 정일원 여기서 는관측유출량 는모의유출량 은데이터개수를나타냄 Flow(cms) 20000 16000 12000 8000 4000 0 60 120 180 240 Rainfall(mm/d) 0 20000 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 Time 300 0 Flow(cms) 16000 12000 8000 4000 60 120 180 240 Rainfall(mm/d) 0 20000 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 Time 300 0 Flow(cms) 16000 12000 8000 4000 100 200 300 400 Rainfall(mm/d) 0 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 Time Rainfall, Obs, Simulation 500-231 -

은각호우사상에대한매개변수보정결과를도시한것으로본연구에 서는매개변수에대한보정과정을통해최종매개변수를결정하였으며 이들매개변수 를이용하여유역별호우사상에대한검정결과는및 과같음 Flow(cms) 15000 12000 9000 6000 3000 0 60 120 180 240 Rainfall(mm/d) 0 20000 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 Time 300 0 Flow(cms) 16000 12000 8000 4000 100 200 300 400 Rainfall(mm/d) 0 20000 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 Time 500 0 Flow(cms) 16000 12000 8000 4000 100 200 300 400 Rainfall(mm/d) 0 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 Time Rainfall, Obs, Simulation 500 이결과를살펴보면모든호우사상에서첨두유량 첨두시간 상승부와하강부의수문곡선에있어서모의치가관측치를유사하게모의하는것으로나타났으며 금회산정된각유역별추정된매개변수의적절성이높은것으로판단 은각댐별보정및검증기간에대한통계치를나타낸것으로보정에서는모든유역에서상관계수 이상 모형효율성계수 이상 평균제곱오차 이하 유출용적오차 도전체유역에서 이하로나타나관측치에대해높은적합도를보인것으로나타남 검증결과의경우전체유역에서이벤트 에서상관계수가 로낮게추정되었으나 이벤트 및 에선 이상으로나타나높은적합도를보였으며유출용적오차는최대 평균제곱근오차는 이하 모형효율성계수가 이상으로보정기간에비해서는정확도가다소낮게추정 - 232 -

하지만약한달이상의모의결과에대한평가임을감안한다면본사업에서이 모델의활용성은높다고판단 구분 다 기상변화에따른수문성분의변화분석및평가 수문해석에있어기상변수는홍수량의규모및거동을결정하는데있어가장중요한요소이며 향후주관기관인 에서예측기상정보가제공될경우이의활용성에대한평가가요구 본연구에서는선행연구로기상변화에따른수문성분의민감도분석을수행하였으며예측기상자료에따른유출거동및불확실성의원인분석에있어활용될것임 모델의기상변수로는시계열강수량 기온 평균풍속 이있으며 본연구에서는아래그림과같이각변수들의초기값을기준으로 변화에따른지표유출량 기저유출량 실제증발산량및토양수분량의변화를분석하였음 Surface runoff Base flow Evapotranspiration Soil moisture - 233 -

유출과토양수분의경우강수의변화 증발산량은기온의변화에가장민감한것으로나타났는데 강수량이 씩증가할때마다지표유출및기저유출은 의범위에서로증가하였으며 강수량이증가할수록그폭은점점더높아지는것으로나타남 반면 강수량이감소할경우에는유출의변화가 로증가에비해그폭이낮고감소율도낮아지는것으로확인되었으며 이와같은결과는토양수분량에서도유사하게나타남 실제증발산량은강수량이최대 증가하여도 만증가하여유출및토양수분량보다는민감도가낮은것으로확인되었지만강수량이감소할경우최대 정도감소하여증발산량은강수량감소에변화가더욱높게나타남을알수있음 기온변화에서는지표유출량에변화는거의없었으나기저유출량은기온이상승및감소할경우최대 감소 증가로나타났으며 토양수분량은 감소 증가하는것으로확인 이와반대로증발산량은기온이상승및감소할경우최대 증가 감소하는것으로나타나강수량증감의변화보다더욱민감한것을알수있으며마지막평균풍속의변화는강수및기온에보단수문성분에미치는영향이적은것으로확인 - 234 -

제 절목표달성도및관련분야에의기여도 목표달성도 세부연구목표 세부연구개발내용 평가목표및착안점 목표달성도 국내외기상 해양 수문연계해석사례조사 국내연계해석사례조사 국외연계해석사례조사 국내외기상 해양 수문연계해석사례조사수행여부 기상모델의해석체계및영역 기상 해양모델과 검토 기상및해양모델의해석체계 수문모델의연계해석방법도출 해양모델의해석체계및영역검토 수문모델의해석영역및 및영역검토여부 수문모델의해석영역및연계방법도출여부 연계방법도출 국내외홍수해석을위한 수문모델조사 적정수문모델조사여부 기존수문모델조사및검토 수문모델의이론적특징및적용사례검토 주요수문모델의선정및 수문모델의이론적특징및적용사례검토여부 수문모델선정및분석여부 분석 과거홍수피해현황조사 홍수피해현황조사여부 대상지역선정및기초자료수집 홍수해석을위한대상유역선정 관측기상및수문자료수집 홍수해석을위한대상유역선정여부 대상유역의관측기상및수문자료수집여부 수문모델의입력자료구축 기존수문모델구축및활용성평가 수문모델의매개변수추정및평가 과거홍수기간의수문모델적용및평가 수문모델의홍수예측성능 입력자료구축및매개변수추정여부 수문모델적용및평가여부 수문모델의홍수예측성능평가및문제점검토여부 평가및문제점검토 - 235 -

연구결과의관련분야기여도 본과제의연구성과인수문모델개발은예측모델링시스템의핵심모듈로써활용이가능하며 국내홍수예보의기술력증대에기여할것으로생각됨 개발된수문모델운영이체계적이고효율적으로이루어질경우수문기상분야에서선진국수준의기술력확보가가능하고홍수관련유관기관에대한자료를제공함으로써홍수기물관리대책마련과위험및대피판단기준제시 나아가군작전지원등효과를얻게될것으로기대됨 홍수예보에있어기상 해양 수문의연계해석기술개발에따라실제자연현상에근접한홍수위험정보를생산할수있을것임 이기술은미래예측정보에대한불확실성을보완하여보다신뢰성높은홍수위험정보를제공할수있을것임 향후발생하게되는홍수피해를미리예측함으로써유관기관의의사결정을도모할것임 특히 홍수위험지도의경우지자체홍수관리에있어유용한정보로활용될것임 본연구에서개발한수문모델및기상 해양 수문연계해석기술의개발로매년홍수피해를입고있는동아시아저개발국가에대해기술수출이가능할것으로판단됨 - 236 -

제 절연구개발결과의활용계획 수문모델개발은예측모델링시스템의핵심모듈로써활용이가능하며 국가수자원정책의일환으로활용가능 본연구는향후홍수예보에있어기초자료를제공할것임 또한 시공간적홍수위험정보를제공함으로써향상된홍수관리가가능하고수해로인한피해이전에효과적인대응책마련에활용될것임 본연구는국내최초로기상 해양모델과의연계해석을통해홍수위험정보를실시간제공할수있는기술을개발한다는데있어그가치가충분히높다고판단됨 이는국제적인위상제고뿐만아니라우리나라물관련기업의해외시장진출에있어핵심기술로활용될것임 홍수위험 침수 범람등 예측정보는군작전수행의지원정보로써활용가능 특히 수문모델에서하천유량과토양수분량의실시간제공이가능하여돌발홍수해석에있어핵심입력자료로도활용가능 - 237 -

제 절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 전지구 토지피복및토양속성정보수집 구분 토지피복토양도 자료출처 해상도 약 약 약 제공정보 고도자료 개의토지피복특성별자료 토양층깊이별토양의물리적제공속성정보제공 전지구 상좌 자료 전지구토지피복 상우 하 - 238 -

제 절참고문헌 건설교통부 수문자료품질관리가이드라인국토해양부 임진강유역홍수피해원인조사및항구대책수립국토해양부 임진강하천기본계획 보완 주 한국수력원자력 수계운영모형보강사업 발전용댐 김현영 박승우 유역특성에따른탱크모형매개변수의변화 한국농공학회지 한국농공학회 제 권 제 호 배덕효 김진훈 권원태 의단일유역홍수예보능에관한연구 한국수자원학회논문집 한국수자원학회 제 권 제 호 배덕효 정일문 저류함수법에의한추계동력학적하도홍수추적모형의개발 한국수자원학회논문집 제 권 제 호 배덕효 정일원 강태호 노준우 유출성분을고려한 모형의매개변수자동추정 한국수자원학회논문집 제 권제 호 배덕효 이병주 대유역홍수모의를위한연속형강우 유출모형개발 한국수자원학회논문집 제 권 제 호 장중석 수문모형과매개변수의이해 한국관개배수 제 권 제 호 정일원 혼합상세화기법을적용한국내수자원기후변화영향평가 박사학위논문 세종대학교조홍제 김정식 이근배 을이용한장기유출해석 한국수자원학회논문집 한국수자원학회 제 권 제 호 - 239 -

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첨부 1 태풍재해대응의사결정지원시나리오 1. 개요 군사작전을위한최종의사결정및선행시간확보를위하여실시간수집된기상분석및최신정보를이용한예측모델수행을위한기상 해양 물분야재해대응의사결정지원체계의활용가치가높다. 돌발악기상시작전 / 훈련용항공기이 / 착륙지원능력향상이예상되며, 각급제대자연재해 MATRIX 적용간소화로빠른재해대응이가능하다. 또한, 혼합현실기반의 3D 가시화시스템을이용해현실감있는예측기상정보를의사결정자및조종사에게효과적으로전달하여원할한작전수행을지원한다. 여기서는, 이과제를통해개발되어공군에개량된작전기상의사결정지원체계를태풍재해발생시활용할수있는방안을모색해보았다. 2. 태풍내습시, 공군의사결정및지원과정 다음그림은태풍내습시, 공군에서수행하는의사결정지원과정과공군기상단과기지기상대에서수행하는자료제공과정을보인것인다. 최종의사결정권자는공군지휘관인참모총장과기지지휘관이되고, 의사결정내용은태풍내습에따른기지보유항공기의타기지전개와기지생존성보장을위한사전예방조치가된다. 최종의사결정을위해공군전체기지의바람및강수량정보, 해당기지최대풍속및기지침수예상도정보가필요하며, 공군기상단과기지기상대에서작전기상의사결정지원체계內의관측자료수집 / 표출체계, 수치예측자료수집 / 분석체계, 침수예측체계와등을종합적으로활용하여최종정보를생산하고최소 12h 이전에지원하고, 의사결정을지원한다. - 243 -

< 태풍내습시, 공군의사결정지원과정과기상단 ( 대 ) 자료제공과정 > 3. 작전기상의사결정지원체계를활용한태풍내습시나리오 가. 2014년 8월 27일 07시 ( 태풍내습 20h 전 ) 국방부에서는제주도남동쪽 에서 로북서진하는제 호태풍 제비 의영향권에들면서 월 일 시부터국방재난관리체계 단계가가동되고있다 공군에서도공군기상단을중심으로태풍대비에만전을기하고있다 나. 2014년 8월 27일 09시 ( 태풍내습 18h 전 ) 월 일 시에발표된태풍진로가이전까지예상된대한해협을통과하는진로보다남부지방에직접상륙하는것으로바뀌고각기관별 기상청 일본 중국등 진로예상이조금씩상이하게나타나면서태풍대비조치상황이시시각각으로변하고있다 이전까지의공군작전기상 의사결정지원체계 상에서태풍의영향을받는기지예상피해가기준이하로분석되었으나진로가변함에따라항공기를내륙기지로전개해야하는상황으로급변하고있다 - 244 -

< 태풍내습진로및강도브리핑자료 > < 태풍내습에따른작전기상의사결정지원체계내결과변화 > 공군기상단중앙기상부의예보실장과예보관들은작전기상 의관측자료수집 표출체계인 포탈을이용하여현재태풍 제비 의정확한위치와강도를분석하고있다 먼저정지궤도위성인 와궤도위성 등 에서의연직프로파일 상층바람정보를이용하여태풍의정확한위치를확정하고중심최대풍속이이전예상보다강한 이상의태풍으로발달하고있다고분석하였다 또한 의 - 245 -

에서태풍경로상의해수면온도가평년보다 높은 로나타나는것 을확인하였다 < 태풍내습에따른태풍분석자료 ( 위성영상, 해수면온도, 해면기압, 폭풍해일고, 조류, 유의파고 ) > 이러한태풍예상경로및강도의변화를예보실장은중앙기상부장 대령에게보고하고공군재난대책체계를격상시킬것을건의한다 이에중앙기상부장은공군재난 의모든정보를활용한최상의태풍예보생산토록예보실장에지시한다 또한수치예보실에는공군태풍예보모델을수행하여태풍의진로예측지원을지시하고 기후실에는태풍진로별영향반경내의공군기지의최대풍속및예상강수량을과거자료에근거하여산출토록지시하였다 또한작전기상연구실에는공군기지의각시설물별최대허용풍속과예상침수현황분석하여보고토록하였다 - 246 -

< 태풍분석자료 ( 수치모델결과, 과거유사태풍분석, 침수예상도 ) > 이렇게새롭게예측된태풍경로와강도를근거로했을때남부지역에위치한공군 기 지는항공기전개가필요한풍속제한치를초과하고 기지는예상강수량이항공기엄체 호지역을중심으로침수가되는것으로분석되었다 다. 2014년 8월 27일 10시 ( 태풍내습 17h 전 ) 중앙기상부장 대령은태풍에대한브리핑자료를태블릿에준비하여재난대책본부장 장군에게변화된태풍현황과예보를브리핑한다 태블릿에는한반도로북상하는태풍의 차원그래픽정보와더불어미리정해진위험반경에따른기지별시간대별풍속과강수량이나타난다 - 247 -

< 태블릿활용브리핑예시 > 브리핑을받은 장군은즉시이를참모총장에게보고해줄것을지시한다 총모총장을비롯한공군지휘부는상황실의대형화면에나타나는태풍 제비 와관련하여 차원그래픽정보로브리핑을받고 가상증강현실표출체계를통해항공기전개가필요한 기지와침수가예상되는 기지의예상피해상황을명시적으로확인할수있다 이러한정보는국상화상회의체계를통해서전공군및국방부상황실과동시에공유하고있다 참모총장은재난통제를위한위기조치반의소집을명령하고 기지와 기지의비행단장에게태풍내습에대비한조치를시행할것을명령하고 공군기상단에게는태풍현황및정확한예보를생산할것을지시한다 - 248 -

< 가상증강현실표출체계기반기지침수예상도 > 라. 2014년 8월 27일 12시 ( 태풍내습 15h 전 ) 중앙기상부장 대령은정확한태풍진로및강도를예보하기위하여수치예보실에가용한관측자료를기반으로매시간태풍진로와기지별예상강수량과최대풍속을생산할것을지시한다 그러나 공군 에서는현업용수치예보모델 전구 중규모 을수행중에있기때문에계산자원에한계가있다는애로사항을보고한다 중앙기상부장은현재작전기상 를통하여태풍모델수행을위해필요한계산자원확보를지시한다 수치예보실에서는즉시 를확인하여태풍자료동화에필요한관측자료를업로드하고 예측영역을설정한후에모델수행을시도한다 에서확보한계산자원을이용하여 분만에태풍진로와강수량 풍속을예측한다 예측된자료는 차원가시화표출체계에서다양한그래픽정보로재생산한다 예측된태풍경로와강수량 최대풍속자료는지속적으로 기지와 기지에최대풍속과예상강수량이비행장에심각한위협을주는것으로나타남에따라중앙기상부장은참모총장과재난대책본부장에게 기지와 기지에대한항공기전개와저지대지역에대한대비를건의한다 참모총장은재난대책본부장에게즉시 기지와 기지에대한자연재해매트릭스의발령을지시한다 - 249 -

< 항공기전개 ( 左가 ) 및기지대피모식도 ( 右 ) > 마. 2014년 8월 27일 14시 ( 태풍내습 13h 전 ) 공군본부태풍대비매트릭스의시행이결정됨에따라 기지와 기지는사전에준비했던항공기를내륙기지로전개하는계획을시행한다 동시에침수우려가있는기지저지대지역에위치한병력과장비를고지대로대피시키고 기타필요한사항들을점검한다 전개항공기를수용할기지에서는엄체호공간확보와같은관련조치를실시하는등구체적인내용을매트릭스에의해시행한다 바. 2014년 8월 27일 18시 ( 태풍내습 9h 전 ) 기지와 기지의모든항공기들이내륙기지로전개가완료됨에따라공군의전비행기지들이태풍내습에대비한매트릭스를완벽하게시행하고있다 태풍 제비 는현재제주도남동쪽 에서계속북상하면서모슬포기지는 노트까지바람이증가하고있지만 기지와 기지에서는아직까지는태풍의영향권이라고하기에는바람이조금강한것외에는대체로높게흐린날씨를보이고있다 사. 2014년 8월 28일 00시 ( 태풍내습 3h 전 ) 현재태풍 제비 는제주시동쪽 해상에서 로북상중이며 태풍의직접적인영향권에든제주도에는강한바람을동반한호우가내리는것을 에서나타나고있다 이러한태풍상황은공군본부재난대책본본를비롯한비행기지상황실에서실시간공유하고있으며 태풍의예상상륙은 월 일 시에경남사천지역이될것으로 - 250 -