National Typhoon Center (2018)에 따르면 우리나라에서 기상 관측이 시작된 1904년부터 2018년까지 약 110년간, 한반도에 영향을 미친 태풍에 의해 기록된 순간 최대풍속과 재산 피해액을 살펴보면, 상위 5위 안에 2000년 이후의 태풍이 기록되어 있다. 이와 더불어, 본 연구에서 사용한 WRF (Weather Research and Forecasting) 수치모의의 입력 자료로 사용된 기상청 RDAPS (Regional Data Assimilation Prediction System) 수치 예보 자료의 생산이 2002년부터 이루어지고 있으므로, 본 연구에서는 2002년부터 2015년까지의 기간에 대해 한반도에 영향을 미친 태풍을 연구 대상으로 선정하여 분석을 수행하였다.

한반도에 영향을 미친 태풍을 분류하기 위해 본 연구에서는 Park et al. (2006)의 연구에서 제시한 방법을 사용하였다. 즉, 북태평양의 서쪽에서 발생하여 위도 25°N, 경도 110~140°E 사이를 지나는 태풍들 중에서 한반도에 직접 상륙하는 경우, 또한 태풍의 경로가 중국과 일본을 통과하면서, 태풍의 중심이 경도 120~135°E 사이에 위치하는 경우를 ‘한반도에 영향을 미친 태풍’으로 정의하였고, 태풍의 경로가 중국과 일본을 통과하면서 한반도에 영향을 미치는지에 대한 판단이 확실하지 않은 경우에는 태풍시기의 한반도 강수 자료를 분석하여, 태풍의 경로와 근접한 지역의 평균 누적 강수량이 100 mm를 기록되거나, 특정 지역에서의 최고 누적 강수량이 250 mm 이상의 강수가 기록된 경우를 한반도에 영향을 미친 태풍으로 정의하였다. 이러한 방법으로 연구 대상 기간인 2002년부터 2015년까지 한반도에 여향을 미친 태풍을 분류한 결과, 표 1에 제시한 바와 같이 총 43개의 태풍이 선정되었다.

태풍사전방재모델에서 산정되는 3-second gust와 10 m 고도 풍속의 타당성을 평가하기 위해 시계열 분석, RMSE (Root Mean Square Error), IOA (Index of Agreement), MAE (Mean Absolute Error), BIAS 분석을 수행하였다.

2. 3. 1 태풍사전방재모델

본 연구에서 활용한 고해상도 태풍사전방재모델 (그림 1)은 태풍 정보 (태풍 중심 위·경도, 중심 기압)와 고층바람 정보 (700 hPa 풍속), 토지이용도 (Landuse) 등의 자료를 입력자료로 사용하여 최종적으로 3-second gust를 산정하는 모형이다. 태풍사전방재모델에서 제공되는 3-second gust는 ‘발생 가능한 최대풍속값’의 의미를 가지고 있다. 즉, 해당시점에서의 태풍정보를 바탕으로 이로 인해 발생할 수 있는 이론적 최대풍속값을 제공함으로써, 이 최대풍속값을 임계점, 또는 기준점으로 방재활동 및 대책을 마련할 수 있도록 하는 데 그 의미가 있다.

Fig. 1. 
Flow diagram of the typhoon disaster prevention model (Na et al., 2018).

기존의 선행연구에서는 수평해상도 12 km, 시간간격 6시간의 시공간 해상도를 가지는 기상청 RDAPS 수치예보 자료의 700 hPa 풍속을 태풍사전방재모델의 입력자료로 사용하였지만, 본 연구에서는 WRF 기상장 수치모델링을 수행하여 수평해상도 3 km, 시간간격 1시간의 시·공간적 고해상도의 700 hPa 풍속을 사용하였다.

2. 3. 2 WRF 수치모델

태풍사전방재모델의 입력자료로 이용되는 700 hPa 풍속을 산정하기 위해, 본 연구에서는 국내·외에서 현업, 연구용으로 많이 활용되고 있는 WRF 수치모델을 이용하였다. WRF Version 3.5.1을 사용하였으며, 도메인 구성은 Two-way nesting 기법을 이용하여 총 3개의 도메인으로 다음 (그림 2)과 같이 구성하였고, 물리옵션 및 초기 입력자료에 대한 정보는 표 4와 같다.

Fig. 2. 
Domain configurations.

Table 4. 
The configuration of WRF modeling.

		Domain 1	Domain 2	Domain 3
Horizontal grid		85×85	172×172	304×304
Horizontal resolution		27 km	9 km	3 km
Vertical layers		27
Physical options	mp_physics	WSM6 scheme
	bl_pbl_physics	YSU scheme
	sf_surface_physics	Noah LSM
	sf_sfclay_physics	Monin-Obukhov scheme
	ra_lw	RRTM Longwave
	ra_sw	Dudhia Shortwave
	cu_physics	Kain-Fritsch scheme		No CPs
Initial data		RDAPS data

태풍사전방재모델에서 산정되는 3-second gust값과 해양부이의 GUST풍속값, 등표지점의 최대순간풍속값의 시계열 분석을 수행하였다.

그림 3(a)는 RMW의 바깥에 위치한 관측지점 (해양부이, 등표지점)에서 관측된 각각의 시간별 풍속을 나타낸 것이며, 그림 3(b)는 RMW의 안쪽에 위치한 관측지점에서 관측된 각각의 시간별 풍속을 나타낸 것이다. 그림을 보면, RMW의 바깥 지점 (그림 3a)과 RMW의 안쪽 지점 (그림 3b) 모두 태풍사전방재모델에서 산정되는 3-second gust값과 관측값이 상당히 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

Fig. 3. 
Comparison of calculated 3-second gust and observations.

특히, 태풍사전방재모델에서 계산된 3-second gust 값이 거의 모든 지점에서 관측값보다 조금 더 크게 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 매우 중요한 의미를 가지는데, 본 연구에서 사용한 태풍사전방재모델은 태풍이 한반도에 영향을 미칠 것으로 예상되는 경우에, 강풍에 의해 발생할 수 있는 피해를 미리 신속히 예측 및 진단하여 중앙 및 지자체의 사전방재행정에 판단자료로 활용하는 것을 목적으로 하고 있다. 따라서 강풍피해에 대한 방재적 측면에서 볼 때, 강풍정보는 피해발생 및 대책의 임계값 개념으로 적절히 제공되어야만 한다. 즉, 실제 나타날 수 있는 가장 강한 바람을 임계값으로 설정해, 이 풍속에 대비한 방재를 하는 것이 실효성 있는 방재활동이 될 수 있는 것이지, 실제 발생할 수 있는 풍속보다 낮은 풍속정보는 방재적 측면에서 전혀 실효성이 없는 재난대응이 될 수 있는 것이다. 따라서 방재적인 측면에서는 임계값보다 약간 높은 바람정보가 실효적 측면에서 매우 중요하며, 이러한 관점에서 볼 때, 본 연구에서 도출된 태풍사전방재모델에서의 3-second gust 값이 실제로 나타날 수 있는 가장 강한 바람인 해양부이나 등표지점에서의 관측값보다 약간 높게 나타나고 있는 것은 매우 실효성이 있으며 타당한 결과를 나타낸 것이라 할 수 있다.

태풍의 최대풍속반경, RMW는 태풍의 구조에서 상대적으로 더욱 강한 바람이 나타나는 영역의 경계의 의미를 가지고 있다. 즉, 태풍에서 가장 강한 바람이 나타나는 태풍의 눈으로부터 RMW까지의 동심원 영역이 다른 영역에 비해 상대적으로 더욱 강한 바람이 나타나는 것이다. 따라서, 실제 태풍에 동반된 강풍에 의한 피해 또한 이 영역, 즉, RMW 안쪽의 영역이 그 이외의 영역인, RMW 바깥쪽 영역보다 더 크게 나타날 가능성이 크다. 따라서, 태풍사전방재모델로부터 도출되는 3-second gust 정보가 태풍의 전체 영역에서 정확하게 제공되는 것도 중요하지만, 실제 강풍에 의한 피해 가능성이 더 높은 RMW 안쪽 영역에서의 3-second gust 정보의 정확도가 더 중요하다 할 수 있다.

그림 4와 표 5는 연구 대상 기간 동안 한반도에 영향을 미친 43개 각각의 전체 태풍기간 동안, 해양부이와 등표지점에서 측정된 RMW 안쪽 영역의 관측값 40개와 RMW 바깥쪽 영역에서의 관측값 234개 각각을 태풍사전방재모델에서 계산된 3-second gust와 비교하여 영역별로 나타낸 것이다. 그림 4에서 보는 바와 같이, 태풍의 전체 영역에서 상대적으로 더욱 강한 바람이 나타나는 RMW 안쪽 (빨간색)에서의 풍속차이 (계산값-관측값)가 -0.14~3.46 m/s이고 RMW 바깥 영역에서는 -1.99~5.24 m/s로 나타나서 RMW 안쪽에서 차이가 더 작게 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 풍속차이값이 음 (-)으로 나타나는 것은, 관측된 풍속에 비해 계산된 풍속이 작게 나타난 것을 의미하고, 이것은 앞서 언급한 바와 같이, 실제 나타날 수 있는 최대의 풍속보다 태풍사전방재모델에서 더 약하게 예측한 것이며 강풍에 대한 사전방재적 측면에서는 유용하지 않은 정보를 제공하게 되는 것이므로 그 의미가 크다. 이러한 관점에서 RMW 안쪽과 바깥영역 전체를 보더라도, 음의 값이 나타난 시간개수가 전체 274개 중에서 20개로 7.3%밖에 되지 않아 전반적으로 좋은 결과를 나타내고 있지만, RMW 안쪽과 바깥쪽을 나누어 구체적으로 살펴보면, RMW 바깥쪽에서는 계산값이 관측값보다 작은 음의 값을 나타내는 시간개수가 전체 234개 중에서 19개 (8.1%)이고 음의 최대 풍속편차도 1.99 m/s로 나타난 반면, 우리가 관심을 가지고 있고 방재적 측면에서 더욱 중요한 의미를 가지는 RMW 안쪽에서는 계산값이 관측값보다 작은 음의 값을 나타내는 시간개수가 전체 40개 중에서 1개 (2.5%)밖에 되지 않으며 음의 최대 풍속편차도 상대적으로 작은 0.14 m/s로 나타나고 있어 RMW 안쪽 영역에서 더욱 효용성이 높은 3-secong gust 계산값을 제공하는 것을 알 수 있다. 즉, 본 연구에서 사용한 태풍사전방재모델이 태풍이 영향을 미칠 때 상대적으로 더 강한 풍속이 나타나는 최대풍속반경 안쪽의 영역에서 정확도가 더욱 높으며, 방재에 활용가능한 효용성 측면에서도 더욱 신뢰성 있는 정보를 제공할 수 있다는 것을 나타낸 것이라 할 수 있다. 표 5에 나타낸 통계분석결과를 보더라도 위에서 설명한 바와 같이, RMW 안쪽과 바깥쪽 모두에서 좋은 결과를 나타내고 있음을 알 수 있으며, RMW 안쪽에서의 계산값이 바깥쪽에서의 계산값에 비해 더욱 좋은 결과를 나타내고 있는 것을 알 수 있다.

Fig. 4. 
Deviation of calculated 3-second gust and observations at inside/outside of RMW.

	Inside	Outside
Scatter plot
BIAS	0.981	0.978
RMSE	1.061	1.259
IOA	0.999	0.988
MAE	1.005	1.040

앞에서, 본 연구에서 활용한 태풍사전방재모델의 타당성 평가를 위한 비교, 분석이 수행되었고, 모델의 정확도와 효용성에 있어 타당한 결과가 도출되었지만 우리나라의 경우, 태풍 내습시 한반도의 내륙을 통과하거나 내륙이 태풍의 영향권에 포함되는 경우가 거의 대부분이므로, 한반도 내륙을 포함한 전역을 대상으로 태풍사전방재모델의 타당성을 평가하는 과정도 수행할 필요가 있다. 그러나 기상청에서 제공하는 ‘순간최대풍속’의 관측값은 해양부이와 등표지점이 위치한 해상에서만 측정이 이루어지고 있고, 내륙 전역에 위치한 기상관측 지점에서는 ‘순간최대풍속’의 정보가 제공되고 있지 않다. 따라서, 앞서 ‘2.2.2 10 m 고도 풍속 자료’에서 설명한 바와 같이, 내륙 지점들을 대상으로도 타당성 분석을 위해 10 m/s 고도 풍속 비교를 수행하였다. 이를 위해 섬, 연안, 내륙에 위치한 각각의 4지점들을 대상으로 분석을 수행하였다. 분석을 위한 태풍 사례로는, 본 연구의 대상 태풍 43개 중에서 한반도의 서해안을 따라 북상하며, 수도권을 포함한 한반도 전체에 큰 피해를 입힌 태풍 볼라벤을 대상으로 분석하였다.

그림 5는 태풍사전방재모델에서 산정된 10 m 고도 풍속값과 섬, 연안, 그리고 내륙지역에 위치한 각각의 4개 기상관측소에서의 10 m 고도 풍속의 관측값을 비교하여 나타낸 것이다. 그림에서 막대는 계산값을 나타낸 것이고 실선은 관측값이다. 그림에 나타난 바와 같이, 섬, 해안, 내륙 각각의 4개 지점 모두에서 10 m 고도 풍속 계산값과 관측값이 각 시간대별로 유사하게 나타나는 것을 알 수 있고, 앞서, 사전방재적 측면에서 중요한 의미인 계산값이 관측값보다 더 높게 나타나는 결과가 거의 모든 지점과 시간대에서 나타나고 있음을 볼 수 있다.

Fig. 5. 
Comparisons of calculated 10 m wind speed and observations.

이와 더불어, 각 영역별로 구분한 섬, 연안, 내륙에서의 결과를 자세히 살펴보면, 전반적으로, 모든 영역의 지점들에서 좋은 결과를 나타내었지만, 섬 지점들이 나머지 연안과 내륙의 지점들에 비해 계산값과 관측값의 차이가 작게 나타난 것을 알 수 있고, 나머지 두 지역인 연안과 내륙의 지점들 비교에서도, 연안의 4개 지점에서의 풍속 차이값이 내륙 지점들에 비해서 작게 나타나고 있다. 즉, 계산된 풍속과 관측된 풍속의 차이가 섬에서 가장 작게 나타나고, 그 다음으로 연안에서 작게 나타나며, 내륙에서는 조금 더 큰 차이를 볼 수 있다. 이러한 각 지역별 차이에 대한 정량적 평가는 그림 6과 표 6의 결과를 보면 자세히 알 수 있다.

Fig. 6. 
Box plot of island, coastal, inland.

이러한 결과가 나타난 것은, 본 연구에서 사용한 태풍사전방재모델에서 도출되는 10 m/s 풍속이나 3-second gust는 해당 시점의 각 지역에서 발생 가능한 최대 풍속의 개념을 가지고 있고 여기에 고려되는 요소는 지면거칠기이다. 따라서 바다위에 있는 섬에서 계산되는 풍속은 표면 (수표면)의 마찰이 거의 없어서 태풍에 의해 나타날 수 있는 최대의 풍속을 비교적 정확하게 계산할 수 있다. 이에 비해 연안과 내륙지역은 지면거칠기 외에도 실질적으로 풍속에 영향을 크게 주는 지형의 굴곡이나 경사, 다양한 인공구조물 등이 섬에 비해 분명하게 존재하지만, 현재의 태풍사전방재모델에서는 이러한 지형의 형태 및 인공구조물의 영향은 고려되지 않아 모델에서 계산된 값과 관측값의 차이가 섬에 비해 조금 더 크게 나타난 것으로 분석된다.

이상의 과정을 통해, 그림과 표에 나타낸 바와 같이 태풍 내습시 강풍에 대한 사전방재적 측면에서 태풍사전방재모델에서 도출되는 풍속이 전반적으로 타당한 수준의 결과를 제공하고 있음을 알 수 있다. 하지만, 우리나라의 내륙이 복잡 다양한 굴곡의 지형으로 이루어져 있다는 점을 고려해 볼 때, 내륙에서 현재보다 좀 더 향상된 결과를 제공할 수 있도록 태풍사전방재모델의 개선과정에 대한 연구는 지속적으로 진행이 되어야 할 것으로도 판단된다.