시공간적 초상세 강우자료를 이용한 실시간 도시홍수 단기예측 = Short-term forecasting for real-time urban flood warning using spatio-temporal rainfall data in extremely high resolution

국문 초록 (Abstract)

최근 기후변화로 집중호우가 증가하고 있으며 향후에는 집중호우의 발생빈도가 더욱 증가할 것으로 분석되고 있다. 따라서 10~20km의 공간적 범위에서 단시간에 집중되는 집중호우의 강우특성과 집중호우로 인한 피해를 절감하기 위해서는 시공간적 초상세 강우자료를 이용한 수문분석과 선행적인 도시홍수예보가 필요하다.
현재 대부분의 수문분석은 한반도 조밀도 36.0km로 구성된 지상기상관측지점의 시 단위 강우자료를 이용함에 따라 집중호우의 시공간적 범위를 고려할 수 없는 뿐만 아니라 36.0km 이내의 확률강우량과 강우시간분포를 동일하게 적용하는 문제점 그리고 유출변동이 심한 중소규모 도시하천의 유출특성을 고려하기 어려운 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 한반도 조밀도 13.3km로 구성된 방재기상관측지점의 분 단위 강우자료의 품질관리를 통해 시공간적 초상세 강우자료를 이용한 수문분석을 하였으며, 기후변화 시나리오 자료의 편의보정과 시간상세화로 기후변화를 고려한 수문분석을 실시하였다. 또한, 선행적인 도시홍수예보를 위해 관측자료 기반의 Flow Nomograph와 레이더 예측강우를 산정하였으며, 레이더 예측강우와 관측강우의 연동을 통한 유출분석으로 실시간 도시홍수 단기예측 적용 및 검증을 하였다.
본 연구에 분 단위 강우자료 품질관리 절차를 기 개발된 품질관리방법과 비교한 결과, 1분 단위 품질관리 및 강우 공간상관구조를 고려한 품질관리는 큰 차별성을 갖는 것으로 나타났다. 품질관리를 실시한 분 단위 강우자료를 시 단위 강우자료와 상관성분석, 연 최대치계열 및 연 최대치 발생시간에 대해 평가한 결과, 모두 시 단위 강우자료와 유사한 결과를 보였으며 이를 통해 품질관리절차의 적합성을 확인할 수 있었다. 확률강우량, 강우시간분포 그리고 강우-유출분석 단계로 시공간적 초상세 강우자료를 이용한 수문분석을 실시한 결과, 기존 지상기상관측지점의 시 단위 강우자료를 이용한 수문분석으로 발생하는 공간적 시간적 측면의 문제점 보완뿐만 아니라 더욱 효과적인 수문분석 결과를 도출하는 것으로 나타났다. 그리고 일 단위로 구성되어 있는 기후변화 RCP 4.5와 8.5 시나리오에 대해 분위사상법을 통한 편의보정과 과거 호우기반의 시간상세화를 적용하여 기후변화를 고려한 수문분석을 실시한 결과, 도림천 유역의 설계홍수량은 현재의 설계홍수량에 비해 2100년도에 13.3~54.8CMS 증가하는 것으로 나타났다. 마지막으로 실시간 도시홍수예보를 위한 단기예측 결과, 호우사상별 첨두유출량 발생시간은 약 60분, 첨두유출량은 약 35분전에 오차범위 4% 이내에서 정확한 예측이 가능한 것으로 나타났다.
본 연구의 결과는 분 단위 강우자료의 품질관리 향상, 시공간적 측면에서 유역 및 지역적 특성을 반영한 수문분석, 기후변화 대응 그리고 신속성과 정확도 높은 실시간 도시홍수예보 단계예측으로 도시홍수피해저감에 크게 기여 할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, climate change has increased severe rainstorms, which are expected to become more frequent. In order to consider the characteristics of severe rainstorms that are concentrated for a short time and a spatial range of 10~20km, a hydrological analysis using spatio-temporal rainfall data in extremely high resolution and proactive urban flood forecasts are necessary to reduce human and property damage caused by severe rainstorms.
Currently, most hydrological analyses are conducted with hourly rainfall data at the Surface Synoptic Stations(SSS). The density of the SSS in the Korean peninsula is 36.0km, which cannot cover spatial ranges of severe rainstorms. Moreover, a problem occurs in hydrological analysis in that hydraulic structures, such as small and mid streams shorter than 36.0km as well as sewer networks, are applied with the same design rainfall and rainfall time distribution. Using hourly rainfall data for hydrological analysis causes problems that the characteristics of severe variations are not reflected when analyzing runoff. Therefore, this study conducted a hydrological analysis in terms of a closer spatio-temporal aspect through quality control of minutely rainfall data from Automatic Weather Stations(AWS) that is made up density of the Korean peninsula, 13.3km. Additionally, it conducted a hydrological analysis considering climate change through bias correction and temporal downscaling of the scenario data. For proactive forecasts of urban flood to reduce damage, Flow Nomograph based on observation data and radar forcasting rainfall were estimated. Runoff analysis, which links actual rainfall and radar forcasting rainfall, was applied to real-time urban flood forecasts and verified. As a result of comparing the pre-existing quality control method, quality control considering the spatial correlation structure of rainfall and minutely rainfall was a significant difference. Also, as a result of evaluating the minutely rainfall data that quality control was conducted for with hourly rainfall data, correlation analysis, annual maximum series and annual maximum occurrence time, it was revealed that all showed similar results to the hourly rainfall data; this proved the appropriateness of the quality control process. Results of hydrological analysis using spatio-temporal rainfall data in extremely high resolution through the steps by design rainfall, rainfall time distribution and rainfall-runoff analysis revealed the spatio-temporal problem of hydrological analysis using hourly rainfall data of SSS was supplemented, and more effective hydrological analysis results were derived. Furthermore, bias correction through the quantile mapping method and temporal downscaling of past rainstorms were applied to the RCP4.5 and 8.5 climate change scenarios consisting of a daily unit so as to conduct hydrological analysis considering climate change. As a result, design flood in the Dorimcheon basin was expected to increase by about 13.3~54.8CMS in 2100 compared to the current design flood. Finally, as a result of short-term forecasting for real-time urban flood warning, the peak flow volume time was about 60 minutes by rainfall events, and the accurate prediction of peak flow volume was available within a margin of error of 4%, about 35 minutes before.
The results of this study are expected to be useful for improvement of quality control for minutely rainfall, spatio-temporal hydrological analysis reflecting characteristics of the basin and region, adaption of climate change and contribute to reducing urban flood damage through rapid and accurated real-time urban flood forecasts.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서 론 1
• 제 1절 연구 필요성 및 목적 1
• 제 2절 연구 동향 2
• 제 3절 연구의 방법 및 범위 9
• 제 2장 이론적 배경 12
• 제 1절 강우빈도해석방법 12
• 1. 지점빈도해석 13
• 2. 지역빈도해석 14
• 제 2절 강우시간분포방법 16
• 1. 무강우 지속기간 17
• 2. Huff의 4분위 방법 19
• 제 3절 도시홍수예측방법 20
• 1. Flow Nomograph 21
• 2. 레이더 강우예측 23
• 제 3장 분석대상 및 분 단위 강우자료 품질관리 26
• 제 1절 분석대상 26
• 1. 분석유역 27
• 2. 강우자료 29
• 3. 유출지점 37
• 제 2절 분 단위 강우자료 품질관리 방법 41
• 1. 결측치 품질관리 43
• 2. 이상치 품질관리 46
• 3. 강우보완 품질관리 48
• 제 3절 분 단위 강우자료 품질관리 평가 50
• 제 4장 시공간적 초상세 강우자료를 이용한 수문분석 54
• 제 1절 확률강우량 산정 57
• 1. 임의시간 환산계수 산정 58
• 2. 지점빈도해석을 통한 확률강우량 산정 63
• 3. 지역빈도해석을 통한 확률강우량 산정 68
• 4. 확률강우량 비교 72
• 제 2절 강우시간분포 산정 76
• 1. 무강우 지속기간 산정 77
• 2. 지점의 강우시간분포 산정 82
• 3. 유역의 강우시간분포 산정 87
• 4. 강우시간분포 비교 94
• 제 3절 강우-유출분석 97
• 1. 강우-유출모형 구축 97
• 2. 강우-유출모형 검증 99
• 3. 설계홍수량 산정 102
• 4. 호우사상 유출량 산정 104
• 제 5장 기후변화를 고려한 수문분석 107
• 제 1절 기후변화 시나리오 편의보정 108
• 1. 분위사상법을 이용한 편의보정 109
• 2. 분위사상법 편의보정 결과비교 111
• 제 2절 기후변화 시나리오 시간상세화 116
• 1. 기후변화 시나리오 시간상세화방법 117
• 2. 관측강우기반 시간상세화방법 보완 및 검증 124
• 제 3절 기후변화 시나리오 수문분석 128
• 1. 기후변화를 고려한 확률강우량 산정 128
• 2. 기후변화를 고려한 설계홍수량 산정 133
• 제 6장 실시간 도시홍수예보를 위한 단기예측 135
• 제 1절 관측자료 기반의 Flow Nomograph 산정 및 평가 136
• 1. Flow Nomograph 산정 137
• 2. Flow Nomograph 평가 140
• 제 2절 레이더 예측강우 산정 및 평가 142
• 1. 레이더 예측강우 산정 143
• 2. 레이더 예측강우 평가 144
• 제 3절 실시간 도시홍수 단기예측 검증 및 평가 147
• 1. 실시간 도시홍수 단기예측 검증 148
• 2. 실시간 도시홍수 단기예측 평가 161
• 제 7장 결 론 162
• 참고문헌 164
• Abstract 172
• 감사의 글 175

참고문헌 (Reference)

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38 강문성, 송인홍, 박지훈, "분위사상법을 이용한 RCP 기반 미래 극한 강수량 편의보정 : 우리나라 20개 관측소를 대상으로", 한국농공학회, 한국 농공학회논문집, 한국농공학회, 제54권 제6호 pp.133-142, 2012

39 장상민 ( Sang Min Jang ), 윤선권 ( Sun Kwon Yoon ), 박경원 ( Kyung Won Park ), "레이더-위성자료 이용 다중센서 기반 초단기 강우예측 -2014년 8월 부산,경남 폭우사례를 중심으로-", 대한원격탐사학회, 대한원격탐사학회지, 대한원격탐사학회, 제32권 2호 pp.155~169, 2016

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41 박태웅, 정창삼, 이현승, 이태삼, "“비매개변수 기법을 이용한 강우자료의 일단위에서 시간단위로의 시간 상세화: 경남지역의 강우 량의 기후변화 영향 평가”", 한국방재학회, 한국방재학회지, 한국방재학회, 제14권 제4호 통권68호 pp.301-308, 2014