본 연구에서 구축한 폭풍해일 예측 시스템은 폭풍해일에 대한 과학적이고 정량적인 정보를 신속⋅정확하게 예측하고 재난대응관련 정책결정자의 의사결정 지원을 목표로 한다. 폭풍해일 의사결정 지원은 태풍위치에 따른 폭풍해일 예측 시작 기준과 기상청 태풍 통보문을 이용한 태풍정보 입력 및 모델링, 그리고 결과분석 및 가시화를 통해 위험정보를 제공한다. 태풍으로 인한 폭풍해일 예측기준은 폭풍해일 예측값의 정확도와 재난상황발생시 대응을 위한 충분한 시간적 여유를 고려하여 설정해야 하는데, 이러한 폭풍해일 예측에서부터 분석을 통한 의사결정 지원까지 일련의 과정이 Fig. 4에 제시된다.

폭풍해일 예측을 위한 모델링 수행조건은 기상청에서 태풍예보를 위해 사용하는 태풍정보 발표 기준을 활용하였다. 기상청은 태풍 북상시 태풍 이동경로에 대한 모니터링을 통해 감시(태풍 중심이 북위 25도 남쪽, 동경 135도 동쪽의 북서태평양에 위치), 경계(태풍 중심이 북위 25도 북쪽, 동경 135도 서쪽에 위치), 비상(태풍 중심이 북위 28도 북쪽, 동경 132도 서쪽에 위치) 구역으로 구분하고 태풍예보를 실시하는데, 본 연구에서는 이 기준을 활용하여 태풍 중심이 경계구역에 진입할 경우, 모델링이 시작되도록 설정하였다(Fig. 3).

특히, 기상청 태풍 통보문의 갱신주기에 따라 72, 48, 24 시간 예측을 수행하여 재난상황별 의사결정을 지원한다. 예측된 폭풍해일 정보는 중앙재난안전대책본부(국민안전처 중앙재난안전상황실) 상황판단 회의시 1일 2회 제공을 목표로 하는 폭풍해일 예측 운영계획을 통해 Web-GIS 기반 표출 시스템에 신속하게 가시화되고 과학적 재난정보 분석과정을 거쳐 의사결정에 활용된다.

폭풍해일 예측을 위한 태풍 통보문 수집은 기상청 태풍 통보문이 국민안전처 국가재난관리정보시스템(National Disaster Management System, NDMS)을 통해 국립재난안전연구원(National Disaster Management Research Institute, NDMI) 폭풍해일범람파고 분석시스템으로 실시간 전달되며 이를 이용하여 태풍의 중심위치, 중심기압, 최대풍속이 자동화된 스크립트 언어로 폭풍해일모델에 자동입력되어 폭풍해일 예측을 위한 일련의 과정이 수행된다(Fig. 4).

폭풍해일 예측을 위한 모델 수립에 앞서 우리나라 연안을 포함한 황해, 동해 등 주변해역에서 조석의 재현성을 확보하기 위해 복잡한 우리나라 해안선을 효과적으로 충분히 반영할 수 있는 비정규격자체계(Unstructured Grid)를 적용하고 수심으로는 국립해양조사원에서 제공받은 주요 해역별 원도자료와 최신 수치 해도, 그리고 전 지구 1분 수심인 ETOPO1 (Amante and Eakins, 2009)을 사용하였다. 본 연구에서 구축한 격자체계는 우리나라 주요 관심 연안역을 최소 50 m로 해상한 356195개 계산절점과 663828개 유한요소로 구성된다(Fig. 5). 조석 및 폭풍해일모델링을 위한 수치모델은 미국 허리케인센터(NHC)의 공인 예측모델로 사용중인 ADCIRC와 파랑모델 UnSWAN (Unstructured Simulating WAves Nearshore)이 동적결합된 수치모델(Dietrich et al., 2011)을 근간으로 구축하였다. 우리나라와 같이 조차가 매우 큰 해역은 조석의 영향에 따라 위험조위가 변하고 전구파 해일(Forerunner Surge) 등의 영향을 분석하기 위해서는 조석의 고려가 매우 중요한데(Suh et al., 2015), 본 연구에서는 폭풍해일의 재현성을 확보하기 위해 조석-해일간 비선형 효과(Horsburgh and Wilson, 2007; Mel et al., 2014; Kang et al., 2014; Kang, 2016)와 파랑과 동적결합을 통한 상호작용을 고려하였다(Dietrich et al., 2011). 이를 위해 개방경계조건으로 NAO (National Astronomical Observatory of Japan)에서 제공하고 있는 NAO.99Jb (Matsumoto et al., 2000)를 적용하였다. NAO에서 제공하는 조석모델은 격자간격 ½ 의 전지구 모델(NAO.99b)과 1/12°로 구성된 동북아시아 모델(NAO.99Jb)로 구분된다. 본 연구에서는 NAO.99Jb의 반일주조 성분인 M₂, S₂, N₂, K₂와 일주조 성분인 K₁, O₁, P₁, Q₁을 포함한 주요 8개 분조성분의 진폭과 위상을 외력조건으로 입력하고, 주요 연안역 조위관측소에서 분석된 값들과 비교한 오차율 평가를 통해 오차가 최소화 되도록 노력하였다.

본 연구에서 구축한 폭풍해일범람 파고분석시스템은 선행된 연구들과 달리 기상청의 태풍 예경보 정보를 활용한 태풍의 경도풍 재현을 위해 Holland(1980)가 제안한 대칭형 바람장(Symmetric Vortex)을 적용하였다. 이는 태풍 발생시 예보를 담당하는 국가기관인 기상청에서 제공하는 태풍정보와 일관성 유지가 중요한데, 우리나라 기상청은 비대칭 경도풍 재현에 필요한 태풍의 각 4분면에 대한 풍속 반경정보를 제공하지 않는다. 이외 태풍의 최대풍속반경(Radius of Maximum Wind, RMW)에 대한 정보를 제공하지 않기 때문에 허리케인의 최대풍속과 최대풍속 반경간의 상관관계를 분석한 경험식(Willoughby et al., 2006)을 이용한 제한사항이 존재한다. 이러한 제한사항으로부터 발생하는 불확실성을 최소화하기 위해서는 개선된 비대칭 경도풍(Asymmetric Vortex, Xie et al., 2006)과 기상청 수치모델 산출자료에 대한 적용 등을 위한 지속적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 사용자의 실수로 발생할 수 있는 오류(human error)를 최소화기 위해 기상청 통보문을 이용한 태풍정보 입력부터 의사결정 지원을 위한 분석과정을 자동화하였다.

실시간 폭풍해일 예측을 위해서는 신속계산을 위한 충분한 계산자원 확보가 선행되어야 한다. Suh et al.(2015)는 64 core의 계산자원을 활용하여 준실시간으로 폭풍해일 예측을 2시간 내로 수행한바 있으며, Dietrich et al.(2011)는 256~5120 core를 활용하여 파랑의 영향을 함께 고려한 폭풍해일 재현성 개선에 대한 연구를 수행한 바 있다.

국립재난안전연구원에서는 2011년부터 2016년 까지 총 3기의(TSUNAMI: 76 core, STORM: 140 core, WAVE: 512 core, 총 728 core) 고성능 병렬클러스터를 도입하여 연구에 활용하고 있다. 기상청 태풍 통보문 기반의 실시간 폭풍해일 예측은 140 core 기반의 병렬클러스터(STORM)이 사용되었으며, 2017년부터는 2016년 하반기 도입된 512 core 병렬클러스터(WAVE)를 통해 계산속도 향상 등 고도화 연구를 진행할 예정이다. 2016년 폭풍해일 예측에 활용된 140 core 기반 병렬클러스터(STORM)을 기준으로 폭풍해일 수치모델링(3일 기준)에 평균 2시간이 소요되었으며, 1시간의 결과분석을 포함한 총 3시간이 소요된다. 각 계산자원의 계산효율을 평가하기 위해 1일간 수치모의한 결과를 Fig. 6에 도시하였다. 조석-해일-파랑의 상호작용에 따른 계산시간 증가를 평가하기 위해 조석+해일을 고려한 경우와 조석+해일+파랑의 영향을 함께 고려한 경우를 비교하였다. 파랑의 영향을 고려할 경우, 계산자원의 core 수가 작을수록 조석과 해일만을 고려한 경우보다 계산시간이 약 5배 이상 크게 증가하며, 300 core 이상을 사용할 경우에는 계산시간의 차이는 약 3배로 감소한다. 계산절점 수에 의존하여 계산시간이 달리 나타나지만, 본 폭풍해일범람 파고분석시스템에서 파랑의 영향을 고려할 경우, 효율적인 계산을 위해서는 최소한 300 core 이상의 계산자원 확보가 필요함을 의미한다. 이와 같이 파랑의 상호작용 고려는 wave set-up의 영향으로 연안역의 해수위의 5~20% 상승효과를 반영할 수 있다(Dietrich et al., 2011). 우리나라 주요 연안에 대한 최대해수위에 대한 고조정보를 주의-경계-위험으로 구분하고 있는 국립해양조사원의 기준이 0.1~0.5 m 간격으로 설정되어 있기 때문에 폭풍해일고가 반영된 최대해수위 정보를 제공하는 경우에는 비교적 큰 비중을 차지한다. 이와 함께 폭풍해일에 위한 수위상승뿐만 아니라 월파에 의한 영향을 함께 고려한 육상역 침수피해 발생 가능성 분석을 위해 연안역에서 발생 가능한 파랑의 예측이 필수적으로 요구된다. 국립재난안전연구원에서 보유하고 있는 수치계산자원의 성능을 객관적으로 비교 및 평가하기 위해 한국과학기술정보연구원(KISTI) 슈퍼컴퓨터(TACHYON2), 기상청 슈퍼컴퓨터 4호기(MiRi)와 비교하여 Table 1에 제시하였다.

본 연구의 폭풍해일범람 파고분석시스템(NDMI, 2015ab)은 태풍 내습시 우리나라 주요 연안역에서의 폭풍해일고를 예측하고 중앙재난안전대책본부(국민안전처 중앙재난안전상황실)의 의사결정 지원을 위한 위험정보 제공을 목적으로 개발되었다. 폭풍해일범람 파고분석시스템은 2015년에 신속한 폭풍해일 예측을 위해 초기 구축되었으나, 폭풍해일 모델의 정량적인 신뢰도 평가는 진행되지 못하였다. 본 연구에서는 폭풍해일 예측 신뢰도 평가에 앞서 구축된 조석모델 검증을 위해 국립해양조사원에서 제공하는 국내 54개 조위관측소의 조화상수와 국제수로기구(International Hydrographic Organization, IHO), 하와이 대학의 해수면 센터(University of Hawaii Sea Level Center, UHSLC)에서 제공하는 황해, 러시아, 남중국해 연안의 115개 조석관측소(Fig. 7)의 주요 8개 분조(M₂, S₂, N₂, K₂, K₁, O₁, P₁, Q₁)에 대해 검증하였다. 오차평가는 평균제곱근오차(Root Mean Square Error, RMSE)와 상관계수(Correlation Coefficient, CC)로 분석하여 Table 2에 제시하였다. 주요 4대 분조(M₂, S₂, K₁, O₁) 진폭의 평균제곱근 오차는 2.6∼9.8 cm의 오차를 보이며, 상관계수는 0.95∼0.98로 분석된다. 위상의 평균제곱근오차는 9.7∼15.4°의 오차를 갖는 것으로 나타났다(Table 2). 이를 종합하여 선행된 연구들(Suh and Kim, 2011; Cho et al., 2013; Song et al., 2013; Suh et al., 2014)과 비교할 때, NAO를 통해 재현된 조석은 우리나라를 포함한 황해연안에서의 조석을 비교적 잘 재현하는 것으로 평가된다. 조석 재현성이 검증된 수치모델을 기반으로 폭풍해일 재현 신뢰도 평가를 위해 2000년 이후 발생한 태풍 중 우리나라에 직접적인 영향을 준 태풍 프라피룬(TY0012), 루사(TY0215), 매미(TY0314), 곤파스(TY1007), 무이파(TY1109), 볼라벤(TY1215), 산바(TY1216)를 선정하고 이들 best track을 이용하여 후측(Hindcast) 하였다.

Root Mean Square Error(RMSE)

Relative Error(RE)

O: observed data, P: predicted data, N: number of data

계산된 폭풍해일고를 국립해양조사원에서 제공하는 우리나라 연안에 위치한 조위관측소(서해 5개소, 남해 3개소, 제주도 2개소, 동해 1개소) 관측자료와 비교한 결과, 전반적으로 계산된 폭풍해일고 1 m 이하는 과소, 이상은 과대 평가되어 나타난다. 이는 앞서 제한사항으로 밝힌 바와 같이 태풍의 최대풍속 반경을 최대풍속과의 상관관계를 통한 경험식을 이용하여 적용함으로써 최대풍속 반경을 적절히 재현하지 못하기 때문에 폭풍해일고가 과소 및 과대 평가된 것으로 분석된다(Takagi and Wu, 2016). 최대해일고에 대한 평균제곱근오차 (RMSE)는 평균 0.3 m, 상대오차 (RE)는 36% 로 평가되는데, 이러한 오차의 원인으로는 기상청 best track의 불확실성(최대풍속 반경 적용의 제한사항 포함), 조석 재현에 따른 오차 등에 기인한 영향으로 이해된다(Fig. 8).

2016년 우리나라에 직접적인 영향을 미친 태풍 차바(TY1618)에 대해 실시간 폭풍해일 예측을 실시하고 그 결과에 대한 재현성 평가를 수행하였다. 태풍 차바는 태풍 예측을 위한 경계지역(Warning Zone)을 10월 3일 15시경에 통과하고 대한해협을 10월 5일 15시에 통과하여 동해상에서 소멸하였다(Fig. 9). 우리나라 연안에 직접적인 영향을 미친 기간은 2일간 이며, 10월 4일 늦은 밤부터 10월 5일 발생한 폭풍해일이 대조기 고조와 겹치면서 제주도 및 남해안 저지대 일대에 침수피해가 발생하였다. 조석과 폭풍해일이 고려된 최대해수위(Maximum Water Surface Elevation)에 대한 재현성을 평가하기 위해 태풍 차바의 이동 경로상에 위치한 여수, 통영, 마산, 부산, 울산, 포항, 제주, 서귀포 조위관측소에서 관측된 국립해양조사원 관측자료와 비교 검증하였다(Fig. 10). 재현결과를 보면, 태풍 내습전후를 제외한 시점에서 비교적 관측치와 일치하는 경향을 보이고 있으나, 만 깊숙이 위치한 마산 조위관측소에서는 지형의 영향으로 최대해수위 재현성이 부족한 것으로 나타났으며, 태풍 차바가 내습한 울산지역 검조소는 태풍의 직접적인 영향으로 관측치에 오류가 발생하는 문제가 나타났다. 이러한 관측의 오차와 지형적인 영향을 감안한 재현성 평가는 최대해수위에 대한 오차를 정량적으로 평가하기 위한 평균제곱근오차(RMSE)로 표현하고(Dresback et al., 2013) 상대오차(RE)를 제시하였다. 태풍 차바가 우리나라 연안을 2일에 걸쳐 빠르게 통과하여 대표적으로 태풍 내습(10월 5일 10시, KST 기준) 전 30시간, 12시간, 6시간에 해당되는 태풍 통보문 #24(10월 3일 22시, KST), #30(10월 4일 22시, KST), #32(10월 5일 04시, KST)에 대한 오차율을 평가하여 Table 3에 제시하였다.

결과를 분석하면, 태풍이 경계구역을 통과한 후 발표된 태풍 통보문 #24(10월 3일 22시, KST)에 의한 최대해수위의 평균제곱근오차는 0.10 m, 상대오차는 8%로 나타났다. 이후 24시간 경과 후 발표된 태풍 통보문 #30(10월 4일 22시, KST)과 마지막으로 예측을 수행한 통보문 #32(10월 5일 04시, KST)에 의한 평균제곱근오차는 각각 0.11, 0.09 m 이며, 상대오차는 9, 6%로 태풍 통보문이 갱신(경계구역: 6시간, 비상구역: 3시간)됨에 따라 오차가 개선되어 나타났다. 이러한 결과는 기상청 태풍 통보문이 폭풍해일 재현성에 큰 비중을 차지하며 태풍 통보기관별 태풍통보문의 신뢰성에 따라 결과가 달라질 수 있음을 의미한다.

태풍 예보기관별 통보문을 이용한 폭풍해일 재현성 평가를 위해 조석의 영향이 제외된 태풍 통보문 예보시점별 폭풍해일 재현성 평가를 수행하였다. 우리나라 기상청(KMA)에서 예경보한 태풍 통보문 #24, #30, #32와 가장 근접한 시간대에 발표된 미국 합동태풍경보센터(JTWC)의 태풍 통보문 #22(10월 3일 19시, KST), #26(10월 4일 19시, KST), #28(10월 5일 07시, KST)을 수집하여 폭풍해일 시뮬레이션을 수행하고 결과를 비교⋅분석 하였다(Fig. 11).

예측된 폭풍해일고 검증을 위해 국립해양조사원에서 1분 단위로 관측된 조위자료를 가지고 TASK-2000 (Bell et al., 1998)을 통해 천문조에 의한 영향을 제거한 폭풍해일고를 분석하여 재현성을 평가하였다. 비교 정점은 대표적으로 태풍 차바의 이동경로상에 위치한 여수, 통영, 마산, 부산, 울산, 서귀포 지역에 대해 수행하였으며, 기관별 폭풍해일 재현성 평가 결과를 Fig. 12와 Table 4에 도시하였다. 결과를 분석하면, 우리나라 기상청 태풍 통보문 #24, #30, #32에 대한 최대해일고(Maximum Surge Height)의 평균제곱근오차는 0.26, 0.14, 0.18 m 이며, 상대오차는 69, 34, 48%로 나타났다. 반면 미국 합동태풍경보센터 예경보 자료에 의한 폭풍해일 평균제곱근오차와 상대오차는 각각 0.31, 0.21, 0.20 m와 82, 55, 52%로 우리나라 기상청 예경보 자료가 상대적으로 재현성이 높게 나타났다(Table 4). 이러한 차이의 원인은 태풍의 이동경로가 주요하게 영향을 미친 것으로 분석되는데, 우리나라 기상청이 미국합동태풍경보센터보다 태풍의 이동경로를 우리나라 연안에 보다 근접하게 예측한 결과로 분석된다. 결과적으로 태풍 차바의 경우, 태풍내습(10월 5일 10시, KST 기준) 12시간 전 예경보된 태풍 통보문으로 예측된 폭풍해일고의 상대오차는 34%로 선행된 연구들(Forbes et al., 2014; Suh et al., 2015)에서 제시된 20~30% 내외의 상대오차와 비교할 때 비교적 만족스러운 유의미한 결과를 제공하는 것으로 분석된다.