2.1 관측소 배치(위치, 밀도)에 따른 강수량 관측 성능 분석

홍수 예보에 활용되는 강수량 자료는 크게 두 가지로 구분된다. 기상청이 운영하는 자동기상관측장비는 사용 목적에 따라 종관기상관측장비(ASOS, Automatic Synoptic Observing System)와 방재기상관측장비(AWS, Automatic Weather System)로 나뉜다. 한편, 환경부 홍수통제소에서는 수자원 관리와 홍수 예·경보를 목적으로 강수량을 측정하며, 본 연구에서는 이를 TM(Telemetered Rain Gauge System) 자료라 한다.

기상청 AWS와 홍수통제소 TM의 배치에 따른 강수량 분석을 위하여 10분 단위 강수량을 동일 기간으로 수집하였다. Fig. 1은 기상청 AWS(ASOS 96개소 포함 713개소)와 환경부 홍수통제소 TM(724개소) 지점의 위치와 분포를 도시한 것으로 기상청 AWS은 행정구역을 중심으로 서울 등 도시지역에 상대적으로 조밀하게 분포되어 있으며, 홍수통제소 TM은 하천 유역 중심 및 유역 규모에 따른 배치 경향을 보인다.

AWS와 TM의 관측소 배치(위치나 밀도 등)를 고려하여, 관측소별로 강수량을 산정하고 이를 통한 공간 강수량 의 특성을 파악하기 위해 최장 장마 기간을 기록한 2020년 7월 20일에서 8월 9일까지의 강우를 대상으로 분석하였다.

Fig. 1. TM and AWS Observatories Locations, (a) AWS (including ASOS), (b) TM

2.2 강수량계 분해능와 강우강도에 따른 강수량 관측 성능 실험

강수량계의 성능을 평가하는 방법에는 여러 가지 방법이 있다. 저울로 측정한 물의 질량을 부피로 환산하여 동일한 양의 물을 받은 강수량계의 측정값과 비교하는 방식, 뷰렛에 담긴 일정량을 흘려보내 측정하여 양을 비교하는 방식 등이 있다^{(Bae and Kwon, 2025; Shin and Hong, 2006)}. 본 연구에서는 검정관측소에 설치된 강수량계 분해능 별(0.1 mm, 0.5 mm, 1.0 mm) 강수량 관측의 정밀도를 검토하기 위해 다양한 강우강도 조건에서 물의 질량을 측정하여 비교하는 방식으로 실험을 수행하였다. 낙동강 상주 검정관측소에 설치된 0.1 mm(일반 전도형), 0.5 mm(일반 전도형), 1.0 mm(일반 전도형), 1.0 mm(비전형) 강수량계를 대상으로 하였으며, 2022년 2월 17일~18일 양일간 현장 실험을 실시하였다. 실험에 사용된 강수량계는 모두 위댄기업의 WDSD201(0.1 mm), WDSD205(0.5 mm), WDSD200(1.0 mm)이며, Fig. 2는 실제 설치된 강수량계의 모습이다.

물의 경우, 상온·상압(약 4℃, 1기압)의 조건에서 무게 1 g은 1 cm³에 해당하므로 반경 10 cm의 수수구에 유입된 1 mm 물의 무게는 약 31.4 g에 해당한다. 따라서 이때 유입된 물의 무게를 10 cm 반경의 유입구의 면적으로 나누면 강우강도를 구할 수 있다^{(Ministry of Envionment, 2022)}.

본 실험은 30분 강우 지속 시간에 대하여 강우를 유입하여 유입 강우량과 계측 강수량의 무게를 산정하여 강우강도로 환산하고 차이(손실량)를 오차로 산정하였다.

Fig. 2. Conductive Precipitation Gauge at Sangju Observatory

3.1 AWS와 TM 강우량 공간 관측 성능 비교 결과

2020년 7월 20일에서 8월 9일까지 해당 기간 내 기상청 AWS(ASOS 96개소 포함 713개소) 지점과 TM(724개소) 지점의 강수량은 Fig. 3과 같다. AWS는 주로 수도권 및 해안·도서 지역에서 조밀하게 분포를 이루었으며, TM은 하천 중상류 지역에서 조밀하고 고도가 상대적으로 높은 곳에서 상세한 관측이 이루어지는 것으로 나타났다.

관측된 AWS 관측소 총 713개 지점의 총 강우량 평균은 480.1 mm이고 724개소 TM 지점 평균은 547.2 mm로 산정되었다. 두 자료 계열 간에 67.1 mm의 차이가 나타났다(Table 1). 이 차이는 TM 기준으로 했을 시 약 12 %의 차이가 있었으며, AWS 기준으로는 14 %로 정도 AWS가 TM에 비해 상대적으로 작게 관측되었다. 이는 같은 호우 사상에 대해서도, 관측소 위치나 밀도 및 관측 기기의 성능에 따른 차이로 인해 강수량의 차이가 있으며 이를 기준으로 한 각각의 면적 강수량이 서로 다르게 산정될 수 있다는 의미로 해석가능하다.

Fig. 3. Comparison of Cumulative Precipitation Distribution from July 20 to August 9, 2020 (Location). (a) AWS, (b) TM

Fig. 4. Comparison of Cumulative Precipitation Distributions from July 20 to August 9, 2020 (Interpolation)

공간적으로 좀 더 상세한 비교를 위해 호우 기간별로 AWS와 TM 관측지점의 강우량을 환경부 강우레이더 격자 규모 및 위치에 맞춰 내삽한 후 통계 특성을 Table 2와 같이 비교하였다. 호우 기간별로 내삽한 강수량도 AWS 강수량이 TM기준 약 9~22 % 정도 작게 나타났다. 특히 8월 2~3일 호우(No.3)는 시공간적 집중 정도가 크게 나타났는데 상대적으로 편차가 커 집중호우 시에는 강수량의 위치나 밀도가 면적 강수량 차이에 큰 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다.

그리고 공간적 유사성을 비교하기 위해 공간 상세도가 높은 레이더 관측 강우량을 기준공간분포를 비교하니 AWS와 TM의 강우량의 공간적 상관성의 차이를 명확히 확인할 수 있다. 집중호우가 빈발했던 중동부 접경지역(휴전선 부근)과 경기남부-충청북부, 지리산 상·하류 지역 등에서 AWS과 비교하여 TM 강수량의 공간적 재현성이 높게 나타났다.

Fig. 5는 AWS와 TM 강수량을 강우레이더 격자로 내삽한 동일 지점에서 비교한 결과로, TM에 비해 AWS(ASOS) 값의 분포가 넓게 위치하고 있어 레이더 관측에 대한 정합도가 낮게 나타났다. 다시 말해, 산포도 그래프에서 동일 격자 위치의 내삽한 AWS 격자의 분산(산포도)이 TM의 분산 결과에 비해 크게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 여기서 레이더 강수량 대비 분산 정도가 크다는 것은 AWS의 공간 재현 성능이 TM과 비교하여 낮음을 의미하고 공간적 강수량의 차이 또한 면적 강수량 산정에서 기여할 수 있으므로 홍수예보 사용시 적절하지 않다고 판단할 수 있다.

Fig. 5. AWS and TM Precipitation Distributions Compared to Radar Precipitation*. (a) AWS, (b) TM

* Radar precipitation: Mean bias-corrected radar precipitation

3.2 강수량계 분해능와 강우강도에 따른 강수량 관측 현장 실험 결과

강수량계의 성능을 평가하기 위해 낙동강 상주 검정관측소에 설치된 강수량계 분해능별(0.1 mm, 0.5 mm, 1.0 mm)로 다양한 강우강도 조건을 설정하여 실험을 수행하였다. 실험 지속 시간 30분동안 강수를 수수고에 유입하였으며, Table 3에서 유입’은 실제 수수구에 주입한 강수량을 의미한다. ‘측정’은 전도형 우량계로 계측한 강수량으로 환산한 값이다. 오차율(%)은 30분 유입 강우강도를 기준으로 30분 유출 강우강도의 차이를 비율로 나타낸 값이다. Table 3의 결과를 그림으로 도시하면 Fig. 6과 같다.

파란색 선은 강우유입량(강수량계 수수구에 주입한 강수량), 빨간색 선은 전도식 우량계에서 계측 환산된 강수량으로 강우강도가 커짐에 따라 1.0 mm 전도 강수량계의 오차율은 1.45 %인데 비해 0.5 mm 전도형 강수량계의 오차율은 7.32 %, 0.1 mm 전도형 강수량계의 오차율은 16.3 %까지 오차가 급증하는 것으로 나타났다.

Fig. 7은 강우강도 상황별로 유입과 계측 간의 오차율(%)만 도시한 것인데, 두드러진 점은 1.0 mm 강수량계는 강우강도 커짐과 상관없이 오차가 일정하게 나타났다. 실내 실험 조건 내 가장 강한 호우에 해당하는 300 mm/h(대략 강우강도 5.2 mm/m)의 경우는 매년 다수 발생하는 폭우 수준에 해당하는 강우로 이러한 결과는 강한 강우강도로 인해 발생할 수 있는 홍수피해 예측이나 홍수예경보 목적 시 활용하는 기기의 중요한 성능 조건이 될 수 있다^{(Ministry of Envionment, 2022)}. 0.5 mm 전도형 강수량계의 경우는 두번째 조건인 2.0 mm/m 정도까지는 큰 차이가 없으나 그 이상의 강우강도에서는 급격히 오차가 증가하였다.

홍수예보 측면에서 강수의 정밀도와 시공간적 관측 정확도 확보는 중요한 요소이다. 홍수예보는 실시간 강수량 기반으로 수위를 예측하므로 강수량 품질에 대한 응답성이 높다. 따라서 홍수예보를 목적으로 한 강수량계 분해능 선택에 있어서는, 0.5 mm, 1 mm 전도형 강수량계 모두 국내 표준(자동기상관측장비의 표준규격)에 부합하는 상황으로, 상대적으로 강한 강우강도에서 일관적인 정밀도를 보이는 1 mm를 사용하는 것이 홍수 위험 예측에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 6. Comparison of Inflow and Measured Amounts by Rain Gauge Precision at Observatories. (a) 0.1 mm Rain Gauge, (b) 0.5 mm Rain Gauge, (c) 1.0 mm Rain Gauge

Fig. 7. Comparison of Precipitation Observation Errors by Precipitation Gauge Precision at Observatories