KR101917734B1 - 수치모형 및 시나리오 데이터베이스를 이용한 지진해일 예측방법 - Google Patents

수치모형 및 시나리오 데이터베이스를 이용한 지진해일 예측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수치모형을 이용한 지진해일 예측방법에 관한 것으로, 해역내 기준점(10)을 설정하고, 기준점(10)에서 전파되는 다양한 조건의 가상해일을 상정하여 수치모형을 가동하며, 조건별로 산출된 육역내 침수선을 시나리오 데이터베이스로 구축한 후, 실제 지진해일 발생시 전체 해역 및 육역에 대한 수치모의를 수행하지 않고 기준점(10)에서의 모의해일 조건만을 산출하고, 이를 가상해일 조건과 대비하여, 가장 근접한 침수선을 시나리오 데이터베이스에서 인출하거나, 이를 보간하여 침수선을 도출하는 것으로, 자연재해를 해석함에 있어서, 물리적 현상을 실제 모의하지 않고, 기 구축된 정보를 기반으로 예측치를 도출하는 방식으로서, SIND(Scientific Interpolation for Natural Disaster)로 명명될 수 있다.
본 발명을 통하여, 전체 해역 및 육역에 대한 모의 없이 일부 해역에 대한 모의만으로 경보 대상 육역의 침수 피해를 상당한 정밀도로 예측할 수 있으며, 이로써 지진해일 발생시 신속한 경보 및 사전 대처가 가능하여, 피해를 경감할 수 있다.

Description

수치모형 및 시나리오 데이터베이스를 이용한 지진해일 예측방법{TSUNAMI FORECAST METHOD USING NUMERICAL MODEL AND SCENARIO DATABASE}
본 발명은 수치모형을 이용한 지진해일 예측방법에 관한 것으로, 해역내 기준점(10)을 설정하고, 기준점(10)에서 전파되는 다양한 조건의 가상해일을 상정하여 수치모형을 가동하며, 조건별로 산출된 육역내 침수선을 시나리오 데이터베이스로 구축한 후, 실제 지진해일 발생시 전체 해역 및 육역에 대한 수치모의를 수행하지 않고 기준점(10)에서의 모의해일 조건만을 산출하고, 이를 가상해일 조건과 대비하여, 가장 근접한 침수선을 시나리오 데이터베이스에서 인출하는 것이다.
지진해일은 해저 지진 또는 해저 화산분출 등 해저 지각변동에 의하여 발생되는 해일로서, 심해에서는 파장에 비하여 극히 낮은 파고를 나타내지만 해일파가 해안에 도달함에 따라 파고가 증폭되는 천수효과(淺水效果, Shoaling effects)가 발생되어 막대한 피해를 야기한다.
도 1는 해저 지진으로 발생된 지진해일의 전파과정을 예시한 것으로, 도면상 표시된 수치는 지진해일의 전파에 소요되는 시간을 분(分)으로 표시한 것이며, 동 도면에 도시된 바와 같이, 일본 서북부 해저 지진으로 발생된 지진해일이 우리나라 동해안에 도달하는데 소요되는 시간은 100분 내외에 불과하다.
심해에서의 지진해일은 수십 km에 달하는 파장을 가지지만 파고는 수 m 내외에 불과하여 관측이 어려울 뿐 아니라 항해하는 선박에서도 체감이 거의 불가능한 반면, 항공기 속도에 상당하는 500km/h 내외의 전파속도를 가지므로, 지진해일의 정확한 내습 지점 및 범람 규모의 사전 예측에는 제한이 따를 수 밖에 없다.
이에, 실제 관측치를 기반으로 지진해일 전파 및 육역 내습을 모의하여 피해를 예측하고자 하는 다양한 시도가 있었으며, 관련 종래기술로는 공개특허 제2016-117766호 등을 들 수 있다.
지진해일의 물리 현상은 편미분 연립방정식 형태의 지배방정식으로 해석될 수 밖에 없는 바, 임의의 진동 및 지형 조건에 대한 해석해(解析解)를 구하는 것은 현실적으로 불가능하므로, 제한된 계산영역을 미소(微小) 분할하고 반복 계산하는 전산수치해석(電算數値解析) 기법을 활용하여 수치해(數値解)를 산출함으로써 지진해일의 물리적 거동을 모의(模擬, Simulation)하게 된다.
지진해일의 전산수치해석을 수행할 수 있는 상용 수치모형으로는 Delft3D모형, ADCIRC모형(ADvanced CIRCulation model for oceanic, coastal and estuarine water) 및 FVCOM모형(Finite-Volume Coastal Ocean Model) 등을 들 수 있으며, 이러한 수치모형을 가동함에 있어서 적용되는 계산격자가 도 2에 예시되어 있다.
도 2에 예시된 계산격자는 유한차분법(有限差分法, Finite Difference Method) 기반 모형의 계산격자로서, 이러한 수치모형 계산격자는 당해 수치모형의 적용 기법에 따라 미차가 있을 수 있으나, 동 도면에 예시된 바와 같이, 모의대상 해역 및 육역에 설정되는 격자망은 전체 망목(網目)이 균일하지 않을 수 있는데, 이는 원해와 해안에서의 지진해일 거동 차이와 계산시간 단축 목적에서 기인한다.
지진해일 모의에 있어서 주된 관심사는 지진해일이 내습하는 해안지역의 범람 규모 및 침수선이라 할 수 있으며, 전술한 천수효과에서와 같이, 원해와 해안에서 지진해일의 물리적 거동이 상이하므로, 지배방정식이 선형 Boussinesq방정식인 원해에서는 상대적으로 넓은 간격의 계산격자를 구성하고, 지배방정식이 비선형 천수방정식인 해안에서는 조밀한 계산격자를 구성하여 정밀한 계산을 수행한다.
이렇듯, 계산격자 밀도를 조정하고 지점별 지배방정식을 변동하는 등 계산시간 단축을 위한 부단한 노력이 있었을 뿐 아니라, 컴퓨터 처리 속도 및 용량의 비약적인 발전이 이루어졌음에도 불구하고, 지진해일의 수치모형 가동에는 막대한 계산량 및 전산자원이 소요되는 바, 실제 지진해일 발생 후 경보대상 지역에 해일파가 도달하기 이전에 실질적인 모의와 예보를 수행하는 것은 지극히 어려운 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 수치모형을 이용한 지진해일 예측방법에 있어서, 컴퓨터에 탑재된 수치모형에 모의대상 해역 및 육역의 지형정보가 입력되고 해역내 기준점(10)이 설정되는 기초입력단계(S10)와, 컴퓨터에 탑재된 예측프로그램이 수면변위 및 전파방향을 포함하는 조건이 상이한 다수의 가상해일을 기준점(10)에 설정하고, 가상해일의 조건을 수치모형에 입력하여 수치모형을 가동하며, 수치모형에 의하여 산출된 육역내 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에 수록하되, 상이한 조건의 가상해일에 대하여 수치모형 가동 및 계산침수선(21) 데이터베이스 수록을 반복하는 DB구축단계(S20)와, 예측프로그램이 해역내 실제해일의 발생시 실제해일의 조건을 수치모형에 입력하여 수치모형을 가동하는 실제입력단계(S31)와, 수치모형이 해역내 기준점(10)에서의 수면변위 및 전파방향을 포함하는 모의해일 조건을 산출하는 조건산출단계(S32)와, 예측프로그램이 모의해일 조건과 가장 근접한 가상해일 조건의 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에서 인출하여 출력하는 근사인출단계(S41)로 이루어짐을 특징으로 하는 수치모형 및 시나리오 데이터베이스를 이용한 지진해일 예측방법이다.
본 발명을 통하여, 전체 해역 및 육역에 대한 모의 없이 일부 해역에 대한 모의만으로 경보 대상 육역의 침수 피해를 상당한 정밀도로 예측할 수 있으며, 이로써 지진해일 발생시 신속한 경보 및 사전 대처가 가능하여, 피해를 경감할 수 있다.
도 1은 지진해일의 전파 양상 설명도
도 2는 지진해일 모의 수치모형의 계산격자 예시도
도 3은 본 발명의 기준점 및 가상해일 설명도
도 4는 본 발명의 흐름도
도 5는 본 발명의 계산침수선 예시도
도 6은 본 발명의 조건별 계산침수선 예시도
도 7은 본 발명의 조건산출단계 수행 수치모형 계산격자 예시도
도 8은 본 발명의 보간형 실시예 흐름도
도 9는 본 발명의 보간침수선 산출방식 설명도
도 10은 본 발명의 보간침수선 예시도
본 발명의 상세한 구성 및 수행과정을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 기본적인 착안점은 도 3에서와 같이, 예측 내지 모의 대상 해역내 기준점(10)을 설정하고, 다양한 조건을 가지는 가상해일 상황을 기준점(10)에 조성한 후, 이를 수치모형으로 모의하여, 예측 대상 육역에서의 침수선을 산출함으로써, 일종의 시나리오 데이터베이스를 구축하고, 실제 지진해일 발생시 전체 해역 및 육역에 대하여 수치모형을 가동하지 않고, 기준점(10)에서의 해일 조건만을 산출한 후, 이를 토대로 시나리오 데이터베이스를 조회하여 유의(有意)한 침수선을 수립하는 것이다.
이러한 본 발명은 도 4에서와 같이, 컴퓨터에 탑재된 수치모형에 모의대상 해역 및 육역의 지형정보가 입력되고 해역내 기준점(10)이 설정되는 기초입력단계(S10)로 개시된다.
기초입력단계(S10)에 있어서 입력되는 해역 및 육역의 지형정보는 이후 수행되는 전 과정에 걸쳐 동일하게 적용되는 기초 정보이며, 해역내 설정되는 기준점(10)은 예측대상 지역의 위치를 고려하되, 당해 지역에 내습할 가능성이 있는 지진해일의 전파 경로를 충분히 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.
다만, 기준점(10)이 예측대상 지역과 지나치게 근접될 경우, 후술할 조건산출단계(S32)에서, 수치모형이 기준점(10)에서의 수면변위 및 전파방향을 포함하는 모의해일 조건을 산출하는 과정에 장시간이 소요될 수 있으므로, 가급적 기준점(10)을 원해에 설정하는 것이 바람직하다.
기초입력단계(S10)가 완료되면, 컴퓨터에 탑재된 예측프로그램이 수면변위 및 전파방향을 포함하는 조건이 상이한 다수의 가상해일을 기준점(10)에 설정하고, 가상해일의 조건을 수치모형에 입력하여 수치모형을 가동하며, 수치모형에 의하여 산출된 육역내 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에 수록하되, 상이한 조건의 가상해일에 대하여 수치모형 가동 및 계산침수선(21) 데이터베이스 수록을 반복하는 DB구축단계(S20)가 수행된다.
여기서 DB구축단계(S20)를 수행하는 예측프로그램은 다양한 조건을 설정하여 수치모형을 가동하는 일종의 배치(batch) 처리 프로그램 내지 제어 프로그램으로서, 펄(Perl) 또는 파이썬(Python) 등의 스크립트로 구축될 수 있다.
실제 지진해일의 전파 양상을 도시한 도 1에서와 같이, 지진해일의 최초 발생 지점 인근에서는 해일파가 동심원상으로 생성 및 전파되지만, 해일파가 대양을 횡단하여 실제 예측 대상 지역의 육역에 접근하는 대부분의 경로상에서는, 평면상 지진파의 시각(時刻)별 파봉선이 평행을 이루면서 전파되며, 이러한 양상은 예측 대상 지역의 해안에 도달할 때까지 반복됨을 확인할 수 있다.
도 1의 발췌 확대부에서와 같이, 예측 대상 육역에 실제 내습하는 지진해일의 해일파는 길이가 충분히 긴 직선형 단일 파봉을 가지는 파랑이 해역내에서 발생한 경우와 동일하게 거동하게 되는 바, 도 3에서와 같이, 해역내 기준점(10)에서도 동일한 조건을 적용하여 가상해일을 설정할 수 있는 것이다.
즉, 도 3에서와 같이, 평면상 전체 해역에 걸친 직선의 파봉선을 가지는 단일 파봉의 가상해일을 설정하여도 실제 지진해일을 충분히 모의할 수 있으며, 이러한 가상해일을 다양한 조건으로 설정하고, 수치모형을 가동하여 이를 모의함으로써, 다양한 시나리오에 대한 침수선을 산출할 수 있는 것이다.
도 3에 예시된 실시예에 있어서, 가변 조건으로 설정된 가상해일의 조건은 기준점(10)에서의 전파방향 및 수면변위로서, 동 도면에서는 -20° 내지 50°범위의 전파방향에 대하여 10°간격으로 전파방향이 변동되고 있고, 수면변위는 1.0m 내지 3.0m의 범위에서 1.0m 간격으로 변동되고 있다.
도 5는 도 3의 가상해일 조건 중 기준점(10)에서의 전파방향이 0°이고, 기준점(10)에서의 수면변위는 1.0m인 경우에 대한 예측 대상 지역의 육역내 계산침수선(21)을 도시한 것으로, 다양한 조건에 대한 가상해일이 상정되고 이를 토대로 수치모형이 가동됨에 따라 예측 대상 지역의 육역에서의 조건별 침수선이 도 6에서와 같이 산출될 수 있다.
도 6에는 기준점(10)에서의 전파방형 0°에 대하여, 기준점(10) 수면변위가 각각 1.0m, 2.0m 및 3.0m인 경우에 대한 계산침수선(21)이 도시되어 있는데, 이 밖에도 도 3에서와 같이 설정된 다양한 전파방향에 대한 계산침수선(21)이 추가 산출된다.
조건별로 산출된 가상해일의 침수선은 데이터베이스에 지속적으로 수록되며, 이로써 본 발명의 시나리오 데이터베이스가 구축되는데, 이러한 시나리오 데이터베이스의 구축은 지진해일이 실제 발생하여 예측이 필요한 시점에 수행되는 것이 아니라, 평상시 예측프로그램에 의하여 지속적으로 수행되는 것으로, 예측프로그램에 의한 시나리오 데이터베이스 구축이 지속됨에 따라 방대하고 세밀한 침수선 자료가 확보될 수 있다.
이렇듯, DB구축단계(S20)가 수행된 후, 실제 지진해일 발생되면, 예측프로그램이 해역내 실제해일의 조건을 수치모형에 입력하여 수치모형을 가동하는 실제입력단계(S31)가 수행되고, 이어서 수치모형이 해역내 기준점(10)에서의 수면변위 및 전파방향을 포함하는 모의해일 조건을 산출하는 조건산출단계(S32)가 수행되는데, 이러한 실제입력단계(S31) 내지 조건산출단계(S32)의 수행에 있어서 수치모형 가동에 적용되는 계산격자가 도 7에 예시되어 있다.
도 7을 통하여 확인할 수 있는 바와 같이, 조건산출단계(S32)는 전체 해역 및 육역에 대한 지진해일 모의를 수행하는 것이 아니라, 기준점(10)에서의 해일 조건을 산출할 수 있는 모의만을 수행하여도 충분하므로, 동 도면에서와 같이 축소 및 단순화된 계산격자를 적용할 수 있다.
즉, 조건산출단계(S32)에서는 전체 해역 및 육역에 대하여 수치모형을 가동하는 것이 아니라, 기준점(10) 인근에 경계가 설정되는 해역의 일부분에 대한 모의만을 수행하는 것인 바, 수치모형 가동에 소요되는 시간 및 전산자원을 획기적으로 절감할 수 있으며, 신속한 결과 도출이 가능한 것이다.
도 3에 도시된 본 발명의 실시예에서는 가상해일의 조건으로서 전파방향 및 수면변위가 설정되었는 바, 동 실시예에서는 조건산출단계(S32)에서도 기준점(10)에서의 해일파 전파방향 및 수면변위가 산출된다.
이어서, 도 4에서와 같이, 예측프로그램이 모의해일 조건과 가장 근접한 가상해일 조건의 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에서 인출하여 출력하는 근사인출단계(S41)가 수행됨으로써, 도 6에서와 같이 조건별로 산출된 계산침수선(21) 중 최적의 침수선을 선택할 수 있으며, 이로써 전체 해역 및 육역에 대한 수치모형 가동 없이도 지진해일의 내습으로 인한 육역내 침수선을 예측할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서 해일파의 전파방향 및 수면변위 등 가상해일의 조건은 연속적으로 설정되는 것이 아니라, 일정한 변량으로 증감되면서 간헐적으로 설정되는 것인 바, 조건산출단계(S32)에서 산출된 기준점(10)의 해일 조건이 중간치를 가지는 경우, 침수선의 예측 정확도가 부족할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 도 8 내지 10에서와 같이, 다수의 계산침수선(21)을 보간함으로써, 예측 정확도를 확보할 수 있도록 하였다.
이러한 본 발명의 침수선 보간 실시예에서는 도 4 및 도 8에서와 같이, 조건산출단계(S32)가 완료된 후, 모의해일 조건을 상회하는 조건 중 가장 근접한 가상해일 조건의 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에서 인출하고, 모의해일 조건을 하회하는 조건 중 가장 근접한 가상해일 조건의 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에서 인출하는 다중인출단계(S42)가 수행된다.
이후, 도 9에서와 같이, 다중인출단계(S42)에서 인출된 상회측 계산침수선(21)과 하회측 계산침수선(21)을 상호 보간하여 보간침수선(22)을 산출하고 이를 도 10에서와 같이, 출력하는 보간단계(S43)가 수행된다.
상회측 계산침수선(21)과 하회측 계산침수선(21)의 보간은 도 9에서와 같이, 기 설정된 계산격자의 격자선을 활용하여 직선 보간하는 등의 방식을 적용할 수 있으며, 이로써, 별도의 가상해일 조건의 추가 설정 없이도 중간치에 해당되는 침수선을 도출할 수 있다.
이러한 보간침수선(22)의 도출은 자연재해를 해석함에 있어서, 물리적 현상을 실제 모의하지 않고, 기 구축된 정보를 기반으로 예측치를 도출하는 방식으로서, SIND(Scientific Interpolation for Natural Disaster)로 명명될 수 있으며, 예측에 소요되는 시간 및 전산자원 측면에서 상당한 이점을 얻을 수 있다.
10 : 기준점
21 : 계산침수선
22 : 보간침수선
S10 : 기초입력단계
S20 : DB구축단계
S31 : 실제입력단계
S32 : 조건산출단계
S41 : 근사인출단계
S42 : 다중인출단계
S43 : 보간단계

Claims (1)

  1. 수치모형을 이용한 지진해일 예측방법에 있어서,
    컴퓨터에 탑재된 수치모형에 모의대상 해역 및 육역의 지형정보가 입력되고 해역내 기준점(10)이 설정되는 기초입력단계(S10)와;
    컴퓨터에 탑재된 예측프로그램이 수면변위 및 전파방향을 포함하는 조건이 상이한 다수의 가상해일을 기준점(10)에 설정하고, 가상해일의 조건을 수치모형에 입력하여 수치모형을 가동하며, 수치모형에 의하여 산출된 육역내 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에 수록하되, 상이한 조건의 가상해일에 대하여 수치모형 가동 및 계산침수선(21) 데이터베이스 수록을 반복하는 DB구축단계(S20)와;
    예측프로그램이 해역내 실제해일의 발생시 실제해일의 조건을 수치모형에 입력하여 수치모형을 가동하는 실제입력단계(S31)와;
    수치모형이 해역내 기준점(10)에서의 수면변위 및 전파방향을 포함하는 모의해일 조건을 산출하되, 전체 해역 및 육역에 대하여 수치모형을 가동하는 것이 아니라 기준점(10) 인근에 경계가 설정되는 해역의 일부분에 대한 모의만을 수행하는 조건산출단계(S32)와;
    모의해일 조건을 상회하는 조건 중 가장 근접한 가상해일 조건의 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에서 인출하고, 모의해일 조건을 하회하는 조건 중 가장 근접한 가상해일 조건의 계산침수선(21)을 시나리오 데이터베이스에서 인출하는 다중인출단계(S42)와;
    다중인출단계(S42)에서 인출된 상회측 계산침수선(21)과 하회측 계산침수선(21)을 상호 보간하여 보간침수선(22)을 산출하고 이를 출력하는 보간단계(S43)로 이루어짐을 특징으로 하는 수치모형 및 시나리오 데이터베이스를 이용한 지진해일 예측방법.
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KR1020170154418A KR101917734B1 (ko) 2017-11-20 2017-11-20 수치모형 및 시나리오 데이터베이스를 이용한 지진해일 예측방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109871988A (zh) * 2019-01-28 2019-06-11 河海大学 一种洪水预报预警精度分析方法
CN111028482A (zh) * 2019-12-27 2020-04-17 中国联合网络通信集团有限公司 远洋航行的提醒方法、装置及系统
KR102243453B1 (ko) * 2020-07-21 2021-04-22 동부엔지니어링 주식회사 하천 공간위상 구조를 이용한 도시하천 홍수범람지도의 갱신 방법 및 이를 기록한 기록매체
KR20220010924A (ko) 2020-07-20 2022-01-27 대한민국(행정안전부 국립재난안전연구원장) 너울성 파도 예측장치 및 너울성 파도 예측방법
KR102492407B1 (ko) * 2022-05-03 2023-02-06 대한민국 지진 해일 침수범람 위험성 평가 시스템 및 방법

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