본 연구는 기상청의 기상레이더 관측망을 이용한 하이브리드 고도면 강우추정 기법 기반의 새로운 정량적 합성강수량 추정 방법을 제시한다. HSR기법은 지형클러터, 빔차폐, 비 기상 에코 및 밝은 띠의 영향을 받지 않는 하이브리드 고도면의 반사도를 합성하는 것이 특징이다. HSR 합성반사도는 정적 HSR (STATIC)과 단일편파레이더에 대한 퍼지로직 기법과 이중편파레이더에 대한 시선방향 질감 기반의 품질관리 절차를 사용하는 동적 HSR (DYNAMIC) 합성으로 구분된다. STATIC과 DYNAMIC은 2014년 5월부터 10월까지 10개의 강우 사례에 대해 기상청 현업용 합성강우 (MOSAIC)와 비교검증 하였다. 차폐 영역에서 STATIC, DYNAMIC, MOSAIC의 상관계수는 각각 0.52, 0.78, 0.69이며 평균 상대 오차는 각각 34.08, 30.08, 40.71%로 분석되었다.

최근 강우와 토지이용 특성의 변화로 도시지역의 재해위험은 크게 악화되고 있다. 이에 본 연구에서는 재해예경보 시스템의 정도 향상을 목적으로 서울 지역의 기상관측망을 평가하였다. 이를 위해 서울시 관내의 30개 AWS 관측소를 대상으로 강우자료를 수집한 후, 월별 및 호우발생 특성별로 구분하여 분석에 이용하였다. 혼합분포를 이용하여 강우를 모형화하였으며, 강우의 공간상관함수를 유도하고, 대상 관측망의 영향범위를 산정하여 강우관측망의 공간적 특성을 평가하였다. 그 결과, 서울 지역 강우관측망의 적정 영향범위는 반경 7 km 정도이며, 최소설치기준은 더욱 엄격한 반경 5 km 정도가 적절함을 알 수 있었다. 아울러 서울 지역의 예경보 시스템 개선을 위해서는 기존 관측망의 자료 품질 확보와 더불어 외곽 산악지역의 부족지역에 관측망 신설방안이 병행되어야 함을 알 수 있었다.

지상 강우자료의 공간 변동특성은 돌발홍수 예측의 정도를 결정짓는 중요한 부분이다. 이에 본 연구에서는 지상 강우관측망의 공간적 분포특성이 레이더 보정에 미치는 영향을 검토하였다. 지상 강우관측소의 공간적 분포와 레이더 강우의 보정은 최근린 지수와 G/R 비를 이용하였으며, 이를 평창강 유역에 적용하였다. 대상유역 내에는 총 23개의 강우관측소가 위치해 있으며, 이중 10개의 강우관측소를 무작위로 선택하였다. 이때 선택된 강우관측소 조합(총 1,144,066개)을 최근린 지수를 이용하여 공간분포가 가장 좋은 경우와 가장 왜곡된 경우로 구분하고, 각 경우에 대한 레이더 보정 결과를 비교하였다. 보정된 레이더 강우와 지상 강우관측소의 차이는 ME(Mean Error)와 RMSE(Root Mean Squared Error)를 이용하여 비교하였다. 그 결과 공간분포가 우수한 경우 ME와 RMSE가 공간분포가 왜곡된 경우에 비해 상대적으로 작게 분석됨을 확인하였다. 이는 레이더 강우보정에 있어 유역내의 관측소의 개수뿐만 아니라 유역내의 관측소의 공간분포 역시 중요한 요소임을 확인하였다. 즉, 유역내의 관측소의 개수가 많더라도 공간적으로 왜곡된 경우 적절한 레이더 보정이 힘들어 지는 것을 의미한다. 아울러 공간적으로 잘 분포된 강우관측망을 이용하여 레이더 강우를 보정할 경우 편의와 불확실성은 유역 내 전체 지상 강우관측소를 이용한 경우만큼이나 충분히 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 본 연구에서는 대상 강우관측소의 개수를 10개소로 한정하여 분석한 결과로 현재로서는 몇 개의 강우관측소를 선택하였을 때 레이더 보정 있어 가장 유리한지는 파악하기 쉽지 않다. 일반적으로 레이더 보정시 유역 내 전체 강우관측소를 대상으로 하는데 유역내의 전 강우자료를 적용하는 게 과연 적절한 방법인지에 대해서는 추후 논의할 필요가 있다. 아울러 본 연구의 성과는 기상관측소의 제한된 여건 속에서 관측망의 효율적 운영을 통해 강우자료의 품질 향상과 더불어 홍수예경보 시스템의 질적 향상에 기여할 수 있을 거라 판단된다.

강우관측망 평가는 가용한 수자원의 정확한 양을 파악하기 위해, 또한 강우-유출의 해석에 있어서 입력자료로 사용되는 면적평균강우량의 적절한 추정을 위해 중요하다. 따라서 강우관측망의 평가와 보완은 유역의 전반에 걸쳐 내린 면적평균강우량을 산정하기 전에 반드시 고려되어야 할 부분이다. 관측소 설치의 다양한 목적인 면적평균강우량의 정도 있는 추정을 고려하면 강우관측소는 공간적으로 균등하게 설치된 경우가 가장 이상적이다. 이에 본 연구에서는 보다 향상된 유역 면적평균강우량 산정을 위한 평가방법론을 제시하고, 4대강 유역 및 섬진강 유역에 대해 강우관측망의 공간적 특성을 파악하였다. 강우관측소의 공간적 분포 특성은 최근린 지수(nearest neighbor index)를 이용하여 정량화하였다. 아울러 2013년의 강우사상에 대해 산술평균법, 티센법, 추정이론을 이용하여 면적평균강우량을 산정하고 각 경우에 대해 오차를 평가하였다. 그 결과 공간분포가 우수한 유역은 면적평균강우량의 추정오차가 상대적으로 작으며, 반대로 공간분포가 왜곡된 유역의 경우는 상대적으로 추정오차가 큼을 확인하였다.

강우관측소 설치의 다양한 목적 중 면적평균강우량의 정도 있는 추정을 고려하면 강우관측소는 공간적으로 균등하게 설치된 경우가 가장 이상적이다. 아울러 산지효과를 파악하기 위해서는 강우관측소의 고도별 설치밀도 파악이 필수적이다. 이에 본 연구에서는 강우관측소의 공간적 분포특성과 강우관측소의 고도별 특성을 동시에 고려하기 위해 유클리디언 거리를 이용하여 2개의 목적함수를 통합하였다. 강우관측소의 공간적 특성은 최근린지수를 이용하여 정량화하였으며, 관측소의 고도별 설치밀도의 특성은 변동계수를 이용하여 평가하였다. 이를 4대강 유역에 대해 적용하여 유역별 강우관측망을 평가 및 비교하였다.

강우량은 관측소의 설치고도에 따라 관측량의 편차가 심하며, 이로 인해 도시지역과 산지지역의 강우발생 특성이 다르다. 이로 인해 산지 돌발홍수가 자주 발생하고 있으며, 따라서 산악 지역의 경우 강우관측소의 밀도가 높아야 한다. 강우관측소의 고도를 고려한 관측망의 평가는 유역평균강우량 산정 및 레이더 자료의 보정에 있어 중요한 과정이 된다. 이에 본 연구에서는 강우관측소의 설치고도를 고려한 강우관측망을 평가방법론을 제시하였다. 강우관측소의 설치고도를 고려한 강우관측망 평가를 위해 고도별 면적에 해당되는 관측소 설치밀도의 변동계수(CV: Coefficient of Variation)를 이용하였다. 변동계수는 자료의 표준편차와 평균의 비를 의미하며 표준편차를 평균으로 나누어 간단히 산정할 수 있다. 일반적으로 변동계수가 작으면 자료의 분포가 균일(고도별로 설치된 관측소가 일정)하다고 판단하며, 반대로 변동계수가 크면 자료의 편차가 심해 고도별도 설치된 강우관측소의 밀도가 일정하지 않다고 판단할 수 있다.

강우관측소로부터 수집된 강우량 자료는 강우-유출 해석모형, 다양한 재해 예경보 시스템(disaster forecasting and warning system)등의 입력자료로 이용된다. 현재 여러 관할기관(the competent authorities?)에서는 악기상의 감시(Monitoring of severe weather), 홍수 예경보(flood forecasting and warning system), 다목적댐(multipurpose dam)의 관리 및 운영을 목적으로 강우관측소를 설치 운영중에 있다. 강우관측망을 평가하는 기법들로는 엔트로피 이론, 주성분회귀분석(principle component regression anlysis), 상관성 분석(correlation analysis), 평균제곱근오차 분석(RMSE analysis) 등이 있으며, 주로 엔트로피 이론에 의해 평가되고 있다. 그러나 엔트로피 이론을 통한 강우관측망 평가는 정보전달량(total information)의 크기만을 이용하여 강우관측망을 평가하는 방법으로, 단순히 관측자료의 특성만이 고려되는 한계가 있다. 그러나 경우에 따라 중요한 관측소가 단지 정보전달량이 작다는 이유로 최적 관측망에서 배제(exclusion) 될 가능성이 있다. 관측소 설치의 다양한 목적 중 면적평균강우량(area average rainfall)의 정도 있는 추정을 고려하면 강우관측소는 공간적으로 균등(uniform)하게 설치된 경우가 가장 이상적이다. 따라서 관측자료의 특성과 면적평균강우량을 산정을 위한 공간적 특성이 동시에 반영된 경우가 최적의 관측망이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 낙동강 임하댐 유역을 대상으로 엔트로피 이론(혼합분포 적용, mixed distribution)과 관측소의 공간적 분포를 동시에 고려하여 강우관측망을 평가하였다. 혼합분포를 이용하는 강우관측망 평가는 연속분포(continuous distribution)를 이용하는 경우 비해 강우의 시공간적 간헐성(rainfall intermittency in time and space)을 고려할 수 있다는 장점이 있다. 아울러 강우관측소(raingauge station)의 공간적 분포 특성(spatial distribution characteristics)은 최근린 지수(nearest neighbor index)를 이용하여 정량화(quantification)할 수 있으며, 최근린 지수는 임의의 점에 가장 가까운 인접 점들 간의 거리 특성을 이용하는 방법으로 점의 분포를 보다 지리적(geographically)으로 파악할 수 있다. 최근린 지수를 이용하여 강우관측소의 공간적 특성을 파악한 후, 이를 바탕으로 강우관측소의 등급을 결정하였다. 엔트로피의 최대 정보전달량(maximum amount of total information of entropy) 및 강우관측소의 공간적 특성(spatial characteristics)을 동시에 고려하기 위해 유클리디언 거리(euclidean distance)를 이용하여 2개의 목적함수(objective functions)를 통합하였으며, 이를 MOGA(Multi Objective Genetic Algorithm)를 이용하여 최적관측망(optimal raingauge network)을 선정하였다. 그 결과 MOGA를 이용하여 관측망을 평가한 경우, 엔트로피 이론만을 적용했을 때보다 선정된 최적관측소가 보다 공간적으로 분산됨을(dispersed) 확인하였다. 이는 강우관측소의 공간적 분포와 자료의 특성이 동시에 반영된 결과이다.

본 논문은 3개의 강우관측망과 최적 강우관측망을 토대로 호우의 면적 평균강우량 산정용 섬진유역 강우관측망의 개량안을 제안했다. 강우관측망 설계문제는 면적평균강우량추정분산으로 나타내지는 정확도와 자료 수집비로 구성되는 목적함수를 최소화하는 것이다. 익히 알려진 분산경감법으로는 최소화 알고리즘인 SATS기법이 채용되었다. 첫 단계에서, 비용에 부과된 2개의 교환계수값에 따라 최적 관측망과 대안관측망이 얻어졌다. 다음 단계에서, 최적으로 선정된 우량국에 기존

하천유역 면적강우량 산정의 정확도를 개선하기 위하여 기존 강우관측자료의 통계적 특성을 이용한 강우관측망의 최적설계방법을 연구하였다. 최적설계를 위한 목적함수는 면적강우량의 추정오차 및 지점강우량 관측비용의 항으로 구성하고, 그 값이 최소인 관측망은 선정하였다. 통계f7파의 추정방법으로는 통계적 분산 산정방법인 크리깅 모형을 채택하였다. 비용은 강우관측소의 설치비와 연간운영 비론 적용하고, 오차항과 비용항의 통합에는 등치매개변수를 이용하였다. 연구된 최적