1.서 론
해일(surge)은 폭풍, 지진 등에 의하여 바닷물이 비정상적 으로 상승하여 육지로 범람하는 것을 총칭한다. 이러한 해 일은 해수면이 높아지는 사리 시에는 그 피해가 가중되어져 큰 피해가 발생할 수 있다. 우리나라의 경우 하계 시 해수온 상승에 의한 열팽창의 영향으로 해수면이 타 계절에 비해 상대적으로 높은 시기이며, 특히 백중사리 시에는 저기압 통과만으로도 서해안 저지대의 범람 피해가 우려되는 실정 이다. 천체현상 즉 천문조에 의한 해면승강은 규칙적으로 반복되기 때문에 장기간에 걸친 조위예보가 가능하나 태풍 이나 저기압의 영향을 받을 경우 폭풍이나 현저한 기압강하 로 인해 예보조위와 일치하지 않는 해면상승이 일어나게 되 는데 이를 폭풍해일(storm surge)이라 하며, 우리나라의 경우 대부분 하계 태풍의 접근에 의해 발생되는 경우가 많다 (Kang et al., 2010). 이때 조위는 더욱 높아져 저지대 농경지 나 연안시설, 가옥, 인명 등에 큰 피해를 준다. 한편, 바람이 바다에서 육지방향으로 불면 해면에 작용하는 마찰력에 의 해 해수는 육지 측으로 운반, 축적되어 해수면 상승을 야기 한다. 이를 바람에 의한 해면상승(wind setup)이라고 부르며, 특히 한국 서해안과 같은 완경사의 간사지가 분포하고 있는 해역에서 범람을 심화시키는 원인이 된다.
이와 관련된 연구로 Kang(2015)은 태풍발생시기의 조석과 해일 비선형 특성분석을 통해 태풍과 해일 발생패턴을 첨두형 과 지속형으로 구분하여 해석하였으며, Park(2010)은 MIKE21 모형을 이용한 실시간 예측기술 기반의 조석-해일 결합모형 을 구축하고 조석, 해일에 대한 정확성 및 적용성 검토를 위 해 태풍 MAEMI(0314) 사상을 재현하였다. Kim et al.(2007)은 고파랑과 폭풍해일의 결합에 의한 월파량 산정과 대상지역 배후에서의 침수경향 범람 특성을 규명하였으며, Yoon et al.(2014)은 태풍에 의한 해안범람 수치모의시 폭풍해일과 강 우에 의한 침식을 추가로 고려하여, 누적강우량, 우수의 배 수 및 해수의 상승에 따른 역류현상을 모델에 결합하여 해 안 도시범람을 모의하였다. Kang et al.(2010)은 마산만에 대 한 해일범람모의를 통하여 매립지의 취약성에 대한 연구한 바 있다.
본 연구에서는 ADCIRC(ADvanced CIRCulation) 모형을 이 용한 해일예측모델링과 취약성 평가기법을 활용하여 우리 나라 연안의 해일 취약성을 평가하고 취약등급을 산정하고 자 한다.
2.우리나라에 영향을 미친 태풍현황
우리나라에 영항을 미치는 태풍은 일반적으로 북태평양 서쪽 5°N~25°N, 120°E~160°E의 광범위한 해역에서 많이 발생 한다. 태풍발생의 온상이 되는 이 해역에서는 7월부터 9월까 지 남반구의 남동무역풍이 지리상의 적도를 넘어서 북반구 로 불어 들어오게 되며, 북쪽 해상에서는 북동무역풍이 불어와 적도전선을 형성하게 된다(Korea Meterological Administration, 2011). 우리나라는 북동진하는 태풍의 길목에 위치하여 매년 2~3개의 태풍이 주로 6~9월에 영향을 미치게 되며, 강풍과 호우 및 해일의 형태로 자연재해를 유발시킨다. 태풍은 그 자체로 또는 장마전선 등 중위도 기상현상과의 상호작용으 로 추가적인 피해를 유발하기도 하며(Cha et al., 2009), 연안 역에서 발생되는 극심한 피해는 해수면의 높이가 태풍이나 집중호우 등의 악기상 상황에서 극값을 기록할 때 대부분 발생하게 된다(Choi and Moon, 2008).
1951년 이후 2014년까지 북태평양에서 발생된 태풍은 1,673 개로 이 중 203개의 태풍이 한반도에 직접적인 영향을 주었다. 평년(1981~2010년) 기준으로 연 25.6개의 태풍이 발생하였으며, 평균 3.1개의 태풍이 한반도에 직접 영향을 미치는 것으로 나 타났다(National Typhoon Center, http://typ.kma.go.kr/TYPHOON/). 한반도에 직접적인 영향을 미치는 태풍은 많은 피해를 발생 시키는데, Ministry of Public Safety and Security(2013)에 따르면 최근 10년간(2003~2012년) 원인별 피해현황 중 태풍으로 인 한 피해액은 전체 피해액 중 약 55.6 %를 차지해 발생횟수는 적으나 인명, 피해액, 공공시설의 피해 규모에서 차지하는 비율이 높은 것으로 나타났다. 이렇듯 한반도에 직접적인 영향을 주었던 주요 태풍을 Table 1에 제시하였다.
3.해일고 예측모델링
3.1.사용모형
연안역에서 연최대폭풍해일고를 산출하기 위하여 폭풍해 일 모의에 가장 널리 적용되는 ADCIRC(Luettich et al., 1992) 모형을 적용하였다. 이 모형은 North Carolina대학의 Luettich 와 Notre Dame대학의 J. J. Westerink가 개발하고, Chippada et al.(1996)에 의해 병렬화가 수행되어 현재 미국 등 국외에서 폭풍해일 예보와 허리케인의 연구에 사용되고 있는 유한요 소모형으로 정밀한 경계처리가 가능하고 장기간 동안 넓은 영역에서 해수순환을 모의할 수 있으며, 해상풍에 따른 폭 풍해일고를 계산할 수 있다. ADCIRC 모형은 Wet/Dry가 발생 하는 한계수심을 적용하여 이동경계조건을 고려하고, 한계 수심 값은 사용자에 의해 임의로 변경 가능하여 대상해역에 적합한 범람모의를 수행할 수 있다. 그리고 내부월류경계 (internal overflow boundary) 설정에 의한 범람 재현이 가능하 고, 내부경계에서 월류가 발생할 수 있는 수위를 격자마다 적용하여 실제 지형과 가까운 환경을 재현할 수 있다. 또한 비정렬격자(unstructured grid)를 사용함으로서 광역에서 협역 까지 점차적으로 작아지는 삼각형 형태의 격자 구성이 가능 하다. 이러한 격자 구성은 실제 해안선의 정밀한 재현을 가 능하게 한다.
3.2.모형구축 및 실험조건
해일고 예측 수치모의 계산은 태풍진행경로 및 모의기간 등을 고려하여 서해, 동해 및 동중국해 전역을 포함하는 영 역으로 격자망을 구축하였다(Fig. 1). 계산영역의 해안선 및 수심은 국립해양조사원에서 발행하는 수치해도의 자료를 사용하였으며, 해도상의 수심을 보간하여 각 격자점의 수심 을 추출하였다. 실험에 적용된 대상 태풍은 2000년부터 2014 년까지 우리나라에 상륙 또는 영향을 주었던 27개 태풍을 선정하였다. 실험에 적용한 수위조건은 약최고고조위를 적 용하였고, 격자크기는 외해역에서는 최대 30 km, 연안역에서 는 최소 20 m의 정밀격자망을 구성하였으며 실험에 대한 개 요는 Table 2와 같다.
2000년부터 2014년까지 대상지역에 상륙 및 큰 영향을 주 었던 주요 태풍 27개(Table 1)를 대상으로 각 태풍별 폭풍해 일고를 산출하였으며, 대상태풍의 이동경로는 Fig. 2에 나타 내었다. 수치실험의 모의기간은 각 태풍별로 3~4일 동안 수 행하였으며, 계산시간간격은 계산안정성을 고려하여 1초로 입력하였다.
폭풍해일고 모의시 태풍의 중심기압 및 이동의 중심위치, 최대풍속반경, 이동속도 등 제반 정보가 중요하다. 이러한 태풍정보를 활용하여 일반적인 태풍모의시 대칭된 동심원 으로 가정한 Holland(1980)식 또는 Fujita식에 근거하여 모사 를 하고 있다. 하지만 실제 관측된 태풍은 대부분 비대칭성 을 나타내고 있어 태풍의 위치 및 기압장 분포에 따라 풍향 및 풍속에 큰 차이를 보이게 된다. Xie et al.(2006)은 풍향 및 풍속에 따른 큰 차이를 개선하기 위해 Holland(1980)식을 수 정하여 최대풍속이 태풍 방위각에 따라 달라지는 비대칭 경 도풍 분포식을 다음과 같이 제시하였다.
여기서 P는 기압을 나타내며 r은 태풍중심으로부터의 반 경 θ는 방위각을 나타낸다. Pc는 태풍중심 기압, Pn은 주변 기압이며 Rmax는 최대풍속반경을 나타낸다. 최대풍속반경 은 태풍의 방위각에 따라 달라지게 되는데, Xie et al.(2006)이 제안한 비대칭 경도풍 산정식에서는 태풍의 방위각 즉, 4분 면에 따른 최대풍속반경이 고려되어 비대칭형으로 바람장 을 표현한다. 태풍의 바람장을 비대칭의 변형된 식을 적용 하면 대칭으로 적용한 결과에 비해 보다 더 실측치에 가까 운 값을 얻을 수 있다(Suh and Kim, 2012).
현재 태풍정보를 제공하는 기관은 KMA(Korea Meteorological Administration), JMA(Japan Meteorological Agency) 및 JTWC(Joint Typhoon Warning Center)이다. 본 연구에서는 보다 실제적인 태풍현상을 모의하기 위하여 태풍의 비대칭 자료를 제공하 는 JTWC자료를 적용하였다. ADCIRC 모형은 동심원 태풍과 비대칭태풍을 모두 모의할 수 있으며, 본 연구에서는 태풍 의 비대칭성을 고려할 수 있는 해상풍산출 모듈(NWS=9)을 적용하였다. 각 기관별 태풍이동경로, 중심기압, 강풍반경, 최대풍속 등의 자료 검토의 자세한 설명은 다음 절에서 다 루기로 한다.
3.3.모형검증 및 분석
해일고 예측 수치모델링의 유의성을 판단하기 위하여 우 리나라에 큰 영향을 준 것으로 판단되는 상위 6개 태풍 [SAOMAI(0014), RUSA(0215), MAEMI(0314), MEGI(0415), NABI(0514), NARI(0711)]에 대하여 검증을 수행하였다. 검 증대상 태풍의 발생기간, 중심기압 및 최대풍속을 Table 3 에 제시하였으며, 검증 대상태풍의 이동경로는 Fig. 3에 제 시하였다. 검증시 활용된 관측자료 중, 태풍 RUSA(0215), MAEMI(0314), MEGI(0415)는 국립해양조사원의 기준조석관 측소에서 관측된 1분 해수위 관측자료(여수, 마산, 통영, 부 산)를 활용하였으며, 그 밖의 태풍에 대해서는 1시간 간격 해수위 관측자료(여수, 마산, 통영, 가덕, 부산)를 활용하였 다.
수치모델로 계산된 해일고와 관측해일고 시계열을 Fig. 4 에 도시하였다. 수치모델로 실제 자연현상을 재현함에 있어 모든 물리적인 변수를 완벽하게 재현할 수 없으나, 그림에 서 보는 바와 같이 시간경과에 따른 해일고 변화 양상 및 최 대해일고를 수치모델이 잘 재현하고 있다.
최대해일고에 대한 정량적인 값을 제시하고자 관측치와 계산치의 절대상대오차(absolute relative error, ARE)와 오차 (Error)를 다음과 같이 나타내었다.
여기서 Oi는 관측자료, Ci는 모델결과를 나타낸다. 절대 상대오차(ARE)는 관측자료와 모델결과의 절대적 크기차이 를 백분율로 나타낸 값으로, 백분율 값이 작을수록 모델결 과가 관측자료를 절대적인 크기 면에서 잘 재현한다는 것을 의미한다. 오차는 모델결과와 관측자료와의 차이를 나타내 는 것으로 자세한 결과를 Table 4에 제시하였다.
분석결과를 살펴보면, 절대상대오차는 0.0~14.5 %이며, 최 대오차는 NABI(0514) 통과시 통영지역에서 14.5 %와 오차 7 cm로 나타났다. 최소오차는 NABI(0514) 통과시 부산에서 절 대상대오차 0.0 %, 오차 0 cm로 나타났다. 여기서 오차 0 cm 는 최대해일고 값을 정확히 예측하였다는 것을 의미하나, 태풍 관측에 따른 오차 및 모델 수행에 대한 오차 등 여러 변수에 따른 오차가 발생하기에 완벽하게 태풍을 재현하였 다고 하기에는 무리가 따른다. 이상의 결과에서 태풍별·지역 별 다소 차이는 있으나, 최대해일고에 대한 평균 절대상대오 차는 8 %이다. 이는 최대해일고가 100 cm라고 할 경우 8 cm 의 차이를 보이는 것이며, 매우 정도 높은 최대해일고가 산 출된 것으로 사료된다. 본 최대해일고 성과는 후술할 해일 취약성평가에 활용된다.
그리고 6개의 검증 대상태풍에 대한 기압장 및 바람장, 해일고에 대한 공간분포 스냅샷(snapshot)을 Fig. 5에 제시하 였다.
해일고 모형의 재현성을 높이기 위해서는 정확한 태풍정 보가 필요하다. 본 연구에서 적용한 태풍정보는 앞서 언급 한 바와 같이 비대칭 태풍 바람장을 고려할 수 있는 JTWC 의 자료를 사용하였다. 각 기관에서 제공하는 태풍정보의 경우 대개 비교적 유사한 정보를 제공하고 있으나, 특정 태 풍사상에 대해서는 이동경로 및 중심기압, 최대 풍속 등에 서 다소 차이를 보이고 있다(Fig. 6). 이는 제공되는 태풍정보 의 불확실성이 내포하고 있음을 의미하며 태풍정보의 불확 실성을 감안하였을 때, 앞서 제시한 평균 90 % 이상의 정확 도는 만족할 만한 검증 정도를 보이는 것으로 사료된다.
4.해일 취약성 평가
해일 취약성 평가를 위해 2000년~2014년 동안의 최대 해일 고를 중첩하였으며(Fig. 7), 연안역을 250 m × 250 m의 정방격 자화하여 해안선과 맞물린 격자에 예측된 해일고를 부여하 였다. 이때 정방격자 내에 여러 개의 해일고 셀이 있을 경우 평균값을 취하였다. 취약성평가는 SOPAC(2014), UNEP(2005), Nardo et al.(2005) 등이 제안한 방법을 사용하였으며, 해일고 자료를 표준화, 정규화하고, 최종적으로 등급화하여 지수로 도출한다.
표준화는 일종의 무차원화과정(non-dimensionlization)으로 정규성 검정(normality test)을 거친다. Nardo et al.(2005)는 Ranking, Z-score, Re-scaling 등의 표준화 방법을 소개하였고, UNEP(2005)과 Yoo and Kim(2008) 등은 Z-score, Re-scaling 방법 등을 사용하였으나, 이 표준화 방법은 이상치(extreme value) 에 의하여 자료구조가 왜곡되는 단점이 있다. 따라서 본 연 구에서는 누적확률분포를 제안하였다. 해일고 자료는 제곱 근변환(square root transformation)을 적용하였으며, 유의수준 0.05에서 K-S 및 χ2 test를 만족하는 것으로 나타났다. 이들 자료는 누적확률분포를 이용하여 표준화하였으며(Fig. 8), 산 정결과는 항상 0과 1사이에 분포한다.
한편, 누적확률값 F (x )는 항상 0~1사이에 분포하여 0.2 간격으로 각각의 구간을 5등급화 하였다(Table 5). 여기서 1등 급은 취약성이 매우 낮음을, 5등급은 매우 높음을 의미한다.
해일 취약성 평가 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 평가결과, 남해안에서는 부산 가덕도 해안으로부터 전남 여수신항까 지의 해안선 중 내만역에 해당하는 진해만, 사천만, 광양만 에서 취약지수가 4~5등급으로 분포하였으며, 서해안에서는 곰소만, 금강하구, 천수만 및 경기만 등 주요 내만 연안역에 서 5등급으로 나타났다. 해일의 특성상 내만역이 취약하고, 외해로 노출된 지역은 상대적으로 낮은 취약도를 나타내었 다. 전남 서부 내만의 취약지수(1~3등급)가 상대적으로 양 호하게 나타났으나 이는 지난 15년간의 태풍이 크게 영향을 미치지 않았기 때문인 것으로 사료된다. 이러한 불확실성을 보완하기 위해서는 보다 장기간의 영향누적을 통한 취약성 평가가 필요하다.
한편, 본 연구에서는 대상연안의 지형(표고 및 경사)에 대 한 고려가 누락되어 있다. 이는 전남 해안이 상대적으로 낮 은 해일고를 갖더라도 대상연안의 표고가 낮으면 더 취약해 지며, 진해만, 사천만, 광양만처럼 높은 해일고를 보이더라 도 대상 연안의 표고가 높다면 덜 취약해 질 수 있다는 것을 의미한다. 이후 연구에서는 지형적 민감도를 고려한 취약성 평가가 요구된다.
5.요약 및 결론
우리나라 연안에서의 해일 취약성평가를 위하여 2000년~ 2014년에 걸쳐 우리나라에 영향을 끼친 태풍을 대상으로 해 일수치모델링을 수행하고, 그 결과를 바탕으로 연안에서의 최대해일고 분포를 산출하였다. 해일고 검증결과 절대상대 오차 평균 약 8 % 이내의 검증정도를 보였다.
앞서 언급한 바와 같이 태풍정보가 갖고 있는 불확실성을 감안하면 매우 정도 높은 해일고의 산출이 이루어진 것으로 판단된다. 최대해일고 분포는 과거 15년간의 27개 태풍사상 에 대하여 산출된 값으로, 남해에서는 진해만, 사천만 및 광 양만 등의 남해중부지역에서 높은 해일고 분포를 보였으며, 서해에서는 곰소만, 금강하구, 천수만 및 경기만 등에서 높 은 해일고 분포를 보였다. 서해남부와 남해서부 지역에서는 상대적으로 낮은 해일고 분포를 보였다. 본 연구에서는 해 일고 자체만을 가지고 해일취약성 평가를 실시하였으며, 해 일고가 높게 나타난 앞서 언급한 지역에서 4~5등급의 해일 취약성이 높은 것으로 분석되었다. 목포 및 신안군 도서지 역의 경우에는 1~3등급의 해일취약성을 보여 해일에 대한 취약성은 낮은 것으로 분석되었다. 이상의 결과는 과거 15년 간의 태풍을 대상으로 실시한 결과이며, 해일취약성이 상대 적으로 낮은 지역은 태풍이 인접하여 내습하지 않았거나, 인접하여 내습하는 경우에도 태풍의 강도가 약했기 때문으 로 사료된다.
본 연구의 해일취약성은 폭풍해일고에 대한 평가이며 보 다 엄밀한 의미에서의 폭풍해일 취약성을 평가하기 위해서 는 저지대 지형적 민감도를 고려한 해일에 의한 침수/범람 을 대상으로 평가하는 것이 바람직할 것이다.
침수/범람을 모의하기 위해서는 연안지역에서의 고해상도 의 수치표고자료를 바탕으로 육지역에 대한 초고해상도(10 m 이하)의 수치격자망을 구축하여야 하며, 수치모델링의 구 축 및 운영에 많은 노력을 요하게 된다. 본 연구는 향후 침 수/범람에 의한 연안취약성을 평가하기 이전 단계의 연구 성과이며, 향후 본 연구에서 구축한 폭풍해일 수치모델에 연안 저지대에서의 침수/범람을 모의하여 우리나라 주요 연 안지점에서의 침수/범람에 대한 취약성을 평가할 계획이다.
