2.1.1. GloSea5 모델

기상청은 2010년 6월 영국 기상청과 계절예측시스템의 공동구축 및 운영에 관한 협정을 체결하였으며, 현업 예보 를 위해 기후예측 모델인 GloSea5를 도입하여 현재 운영 중에 있다. 이 모델은 영국 기상청의 최신 계절예측시스템 에 사용되고 있으며, 기후모델인 HadGEM3 (Hadley Centre Global Environment Model version 3)을 기반으로 구축되 었다. HadGEM3는 대기, 해양, 해빙 및 지표모델들이 하나 로 합쳐진 전지구결합모델(Coupled General Circulation Model, CGCM)로써 대기모델은 UM (Unified Model), 지표 모델은 MOSES (Met Office Surface Exchange Scheme)가 결합되어 있다(^{Essery et al., 2003}). 해양과 해빙모델은 각 각 NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean), CICE (Los Alamos sea ice model)모델을 사용한다(^{Madec, 2008}; ^{Hunke and Lipscomb, 2008}). 각 모델들은 대기-해양 플럭스 교환을 위해 ^{Valcke (2011)}이 개발한 OASIS 커플러 에 의해 결합되어 있다. 대기모델의 수평해상도는 0.83° × 0.56°, 해양 모델의 수평 해상도는 tri-polar 격자에서 0.25° (약 25 km)이고, 연직으로는 L75의 해상도를 가진다. Table 1은 GloSea5에 대한 주요 특징을 나타낸 것이다. GloSea5 의 과거재현자료(Hindcast, HCST)는 매달 1일, 9일, 17일, 25일 마다 초기장을 입력하여 생산되며, 각 출발일에는 모 델의 물리과정을 달리하는 방법으로 확률적 운동에너지 후 방 산란법(Stochastic Kinetic Energy Backscatter2, SKEB2) 을 이용하여 대기 분석장과 해양 및 해빙 초기장으로부터 3 개의 앙상블 멤버를 생산한다(^{Bowler et al., 2009}). 자료생 산 기간은 1996년부터 2009년(총 14년)이며, 각 앙상블 멤 버당 7개월간 모델적분이 진행된다. 미래예측자료(Forecast, FCST)는 HCST와 동일한 방식으로 매일 적분이 진행되며 매 초기장 마다 2개의 앙상블 멤버가 생산된다.

2.1.2. 지면모델

본 연구에서는 도시지역에서의 자연유량을 산정하기 위 해 VIC (Variable Infiltration Capacity) 모델을 선정하였다. VIC 모델은 1994년 미국 University of Washington의 Dennis Lettenmaier 박사 연구팀에 의해 개발되었으며, 대 기와 식생 그리고 토양의 상호작용 등의 수문과정을 기반 으로 water 및 energy flux를 모의하는 분포형 모델이다 (^{Liang et al., 1994}). 모델은 크게 water balance, channel routing, energy balance 등으로 구성되어 있으며, 각 모듈 은 독립적으로 수행된다. 모델에서 적용가능한 격자의 범위 는 1/8° ~ 2° 정도로 다양한 공간분해능이 가능하다.

이 모델은 크게 차단층(capnopy)과 3개의 토양층(soil layer) 으로 구분되며, 한 격자내에서도 다양한 지형조건과 토양의 물리적 특성을 고려한 수문해석을 수행한다. 차단층에서는 동일 피복종류별 면적비를 고려하여 각 피복특성이 반영된 차단 및 증발을 모의하며, 보통 식생지대 및 나대지로 구 분된다. 토양층의 경우 깊이에 따라 최상부토층(top thin layer), 상부토층(top layer), 하부토층(lower layer)으로 구분 된다. 최상부토층은 침투에 직접적인 영향을 받는 층이며, 토양수분의 변화에 가장 민감하다. 또한 중력식 배수를 통 해 상부토층으로 침루량을 모의하며, 식생 및 나대지 지역 에 따라 증산 및 증발모의가 결정된다. 상부토층에서는 최 상부토층과 더불어 강우시작 후 토양층의 포화여부에 따라 지표유출이 모의되며, 증산 및 하부토층에 대한 침루량이 계산된다. 하부토층에서는 상부토층에서 유입된 침루량으로 부터 증산과 기저유출이 모의된다(^{Liang et al., 1996}). VIC 모델은 중규모 이상(mesoscale)의 수문해석에 있어 적용성 이 검증되었으며, 다양한 목적으로 활용되고 있다(^{Andreadis et al., 2005}; ^{Lee et al., 2016}; ^{Sheffield and Wood, 2008}; ^{So et al., 2014}; ^{Son et al., 2010}; ^{Son et al., 2011}).

2.1.3. 도시환경용수의 정의 및 계절전망 기법

본 연구에서는 계절별 도시환경용수(Urban Environmental Water, UEW)를 Eq. (1)과 같이 도시지역에서 발생한 강수 량에서 자연유량을 뺀 값으로 정의하였다. 또한 UEW는 아 시아 몬순 지역의 경우, 여름철 홍수기에는 상대적으로 크고, 비홍수기에는 작으므로 UEW의 계절적 변동성을 파악하기 위해 도시환경용수지표(Urban Environmental water Index, UEI)를 Eq. (2)와 같이 정의하였다. UEI는 계절별 강수량 대비 도시환경용수의 비율이며, 0보다 작을 경우 도시환경 용수가 부족, 0보다 클 경우 도시환경용수가 많음을 의미 한다. Fig. 2.

Fig. 2. Schematic of the VIC Model for Water Balance Analysis (Son et al,, 2010).

여기서, i는 봄, 여름, 가을, 겨울, PP_i 및 PR_i는 계절별 예 측강수량과 자연유량이다. 도시환경용수의 계절전망은 3개 월 누적 강수량 및 자연유량이 요구된다. 또한 GloSea5의 과거재현자료(HCST)와 미래예측자료(FCST)는 다수의 앙상 블로 생산되기 때문에 이를 처리할 수 있는 방법이 필요하 다. 기상모델의 앙상블 자료를 활용한 강수전망은 예측강수 량의 아노말리를 계산하고, 과거 관측강수량의 평균값에 이 를 더하여 최종 활용하고 있다(^{Bae et al., 2017}; ^{So et al., 2017}; ^{Son et al., 2015}; ^{Yoon et al., 2012}; ^{Yuan et al., 2013}). 본 연구에서는 계절별 예측강수량 및 자연유량 산정 을 위해 Eqs. (3) and (4)를 사용하였다. 만약 봄철(3, 4, 5 월) 예측강수량을 생산하고자 한다면, Eq. (3)을 통해 과거 재현자료(HCST)의 앙상블 멤버(168개)를 평균한 HSCT_e와 금회 예보된 미래예측자료(FCST)의 앙상블 멤버(60 ~ 62개) 를 평균한 FSCT_e의 Anomaly를 계산한다(Fig. 3). 그 후 Eq. (4)와 같이 해당월의 과거 30년 평균(HP)에 더하여 최종 예측강수량(PP)을 계산한다. 봄철(3, 4, 5월) 예측자연유량 은 HCST와 FCST로부터 생산된 자연유량 앙상블 멤버를 활용하여 예측강수량 산정과정과 동일하게 산정한다.

Fig. 3. Structure of GloSea5 Forecast and Hindcast Data.

2.2.1. 대상지역

본 연구에서는 도시환경용수의 계절전망을 위해 인구수 백만 이상, 면적 500 km² 이상인 서울, 대전, 광주, 부산 지역을 선정하였다. 서울의 면적 및 인구수는 605.2 km², 10,204천명, 대전 539.8 km², 1,524천명, 광주 501.2 km², 1,483천명, 부산 765.9 km², 3,539천명이다. 서로 다른 위· 경도에 위치한 4개 도시 지역에 대한 과거 도시환경용수를 분석하고, 계절전망정보의 예측성을 평가하였다. Fig. 4.

Fig. 4. Study Area.

2.2.2. 기상 및 지형자료 수집

4개 도시지역에 대한 기상관측자료(강수, 최고·최저기온, 평 균풍속)는 기상청 관활 ASOS (Automated Synoptic Observing System) 지점자료를 이용하였으며, 자료기간은 1981 ~ 2016 년이다. 기상예측자료는 0.83°(약 85 km) × 0.56°(약 55 km) 의 해상도를 갖는 GloSea5 격자자료를 이용하였으며, 이중 선형보간(bilinear interpolation) 기법을 통해 VIC 모델의 해상도에 맞게 공간상세화를 수행하였다(^{So et al., 2017}; ^{Son et al., 2015}). VIC 모델을 구축하기 위해서는 대상지 역의 지형특성을 산정할 수 있는 지형자료가 필요하며, GIS 분석을 통해 입력자료 형태로 변환이 요구된다. VIC 모델은 대상지역의 수치표고자료(Digital Elevation Model, DEM), 토지피복도, 토양도 자료가 기초정보로 필요하다. 본 연구에서는 국립지리정보원의 수치지형도를 이용하여 구축된 해상도 100 × 100 m DEM을 가공하여 활용하였 다. 토지피복도는 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS) 에서 제공하는 자료를 이용하였다. 피복분류는 도심지, 나 대지, 초지, 논, 습지, 밭, 산림, 수역의 8가지 형태로 구성되 어 있으며 대상지역의 토지피복 특성을 반영한다. 또한 토양 도는 농업과학기술원에서 제공하는 정밀토양도(1:25000)를 활용하였다. 정밀토양도는 우리나라 전역에 구축되어 있는 가장 상세한 토양지도로 약 1,300개의 세부 토양통으로 분 류된다.