서울시, 미래 시간당 확률강우량 전망을 통한 기후변화 대비 방재성능 목표 재평가
서울시, 최근 폭우 특성을 고려한 침수취약지역 지정 및 관리 필요
서울지점의 최근 관측 강수량 평균에 대한 경향성을 분석한 결과 Mann-Whitney u와 Mann-Kendall 검정에서 모두 95% 신뢰구간에서 유의한 증가 경향을 보였으며, 지속시간이 길어짐에 따라 뚜렷한 증가 추세가 있는 것으로 분석되었다. 또한, 최근에 올수록 짧은 지속시간에 폭우의 발생 빈도와 강도가 커지고 있는 추세임이 확인되었다.
서울시의 평균 강수량은 우리나라 12개 주요 도시 평균에 비하여 증가폭이 컸으며, 분산 또한 큰 폭으로 증가하여 강우발생의 불확실성이 커지고 있음을 확인하였다. 특히, 서울시의 여름철 강수량의 경우 전국 평균에 비하여 약 1.8배 증가한 것으로 분석되었다.
서울지역의 자동기상관측 자료를 이용하여 과거 집중호우의 공간분포 특성을 분석한 결과 강우사상에 따라 지역별 편차가 큰 것으로 나타났다. 서울 시내 128개 침수취약지역에 대한 단계별 해소계획은 과거 2010년, 2011년 집중호우를 중심으로 설정되었으므로, 최근 침수피해 이력 및 과거 강우사상별 공간분포 특성을 면밀히 반영한 지속적인 침수취약지구 관리계획 수립이 필요하다.
관측 자료기반 서울지점 확률강우량 산정 및 방재성능 목표강우량 평가
서울지점의 58년(1961-2018) 동안 관측된 시간(Hourly) 강우자료로부터 연 최대치 계열을 추출한 후 Gumbel 분포형, 확률가중모멘트법(Probability Weighted Moments; PWM)을 적용하여 서울시의 재현기간별 확률강우량을 산정하였다. 분석 결과, 30년 빈도(91.1mm/hr), 50년 빈도(98.6mm/hr), 100년 빈도(108.7mm/hr)로 시간당 강우량이 산정되었으며, 서울시 풍수해저감종합계획(2016) 등에서 제시한 목표강우량에 비하여 다소 작은 값으로 분석되었다. 이는 최근 몇 년간 서울지역의 극대치 강우량 발생이 감소한 원인이 크며, 시계열 자료를 이용한 확률분석의 특징이라 할 수 있다.
서울시는 침수취약지역 해소사업을 추진을 통한 방재시설 확충을 지속적으로 추진하고 있으며, 2021년까지 128개 침수취약지역 중 34개 지역에 대한 수재해 예방사업을 마무리할 경우 방재성능을 시간당 95mm/hr(30년 빈도)를 목표로 하고 있다. 그러나 최근 폭우의 공간분포 특성이 변하고 있으며, 미래 강우량 전망결과 또한 불확실성이 커지고 있으므로, 보다 과학적이며 신뢰성 있는 방법으로 기후변화 영향을 고려한 방재성능 목표설정이 필요하다.
기후변화 시나리오 자료의 편이보정 및 극치 패턴을 고려한 시간 상세화 기술적용
서울지점의 기후변화 시나리오 분석을 위하여 결합모델 상호비교 프로젝트 5(Coupled Model Intercomparison Project, CMIP5)에서 제공하는 29개 전 지구 기후모델(Global Climate Models, GCMs)로부터 생산된 일강우자료를 추출하여 Simple Quantile Mapping(SQM) 방식 적용을 통한 편이보정(Bias Correction)을 실시하였다.
편이보정된 29-GCM 자료에서 연 최대치 일강우량을 추출하여 관측기간(Historical Periods)에 대하여 통계적 특성을 분석하였으며, 평균과 표준편차가 모두 관측치와 유사한 패턴을 보이며 자료의 적합이 잘 이루어졌음을 확인하였다.
기후변화 시나리오 자료의 극치패턴을 고려한 시간 상세화를 위하여 사용된 모델은 k- nearest neighbor resampling(KNNR)과 유전 알고리즘(Genetic Algorithm, GA)을 혼합한 비모수 통계적 시간 상세화 모형이며, 서울지점 일(Daily) 강우 시나리오 자료를 바탕으로 시간(Hourly) 강우자료를 생산하였다. 경험적 누가분포함수와 기초통계 분석을 통하여 상세화된 시간강우자료를 검증하였으며, 평균적으로 미래 기간 동안 강우량 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었고 RCP4.5 시나리오보다 RCP8.5 시나리오에서 그 경향이 크게 나타남을 확인하였다.
분야별 기후변화 적응계획 수립 시 주로 개별 GCM 모형 결과로 제시된 표준시나리오에 의한 전망 결과를 사용하고 있다. 이는 불확실성 측면에서 위험성이 따르므로, 가능한 다양한 GCMs 자료를 사용하여 미래 전망을 실시한 후 그 평균 값(Average)이나 중앙 값(Median)을 취한다면 보다 안정적인 결과를 가져올 수 있음을 확인하였다.
미래 확률강우량 전망 결과를 반영한 서울시 수공구조물 설계 빈도 진단 등 지속적인 기후변화 대비책 마련
기후변화 시나리오 자료의 시간상세화를 통하여 얻어진 강우자료를 바탕으로 2100년까지 연 최대치 계열을 추출하여 최적확률분포형 적용을 통한 확률강우량 산정으로 미래 기간별 강우강도-지속시간-재현기간(Intensity-Duration-Frequency, IDF) 곡선을 제시하였다.
이렇게 작성된 29개 GCMs 모형별 IDF곡선에 다시 샘플링기법을 적용하여 100개의 시나리오로 분류해내었으며, RCP4.5와 RCP 8.5 시나리오 모두 2,900개의 IDF곡선을 생산하여 자료를 구축하였다. 또한, 최적 확률강우량 값을 제시하기 위하여 누가분포함수를 이용한 시나리오 선택 기법을 통해 최종적으로 확률강우량 값을 확정하였다.
서울시의 미래 목표연도별 단기(2006-2040년, P1), 중기(2041-2070년, P2), 장기(2071-2100년, P3)의 확률강우량을 산정한 결과, 재현기간 100년, 지속시간 1시간에 대한 확률강우량은 RCP4.5 시나리오에서 P1: 8.1% 증가, P2: 14.7% 증가, P3: 16.5% 증가하는 것으로 분석되었으며, RCP8.5 시나리오에서는 P1: 6.9% 증가, P2: 14.4% 증가, P3: 26.5% 증가하는 것으로 분석되었다.
서울시의 기후변화에 따른 확률강우량은 최대 6.9%~26.5%(RCP8.5 시나리오 기준)까지 증가 특성을 보이는 것으로 확인되어 미래 강우량 증가에 따른 수공구조물 설계 등 지속적인 대비책 마련이 필요하며, 도출된 결과는 서울시의 기후변화 영향을 고려한 수준 목표별 수방정책 수립에 활용이 가능하다.
시계열 자료의 비정상적 증가 경향을 반영한 서울시의 시간당 목표 강우량 제시
서울지점 관측 강우량자료의 증가 특성과 기후변화 시나리오 자료의 비정상성(Non- Stationarity)을 가정한 미래 확률강우량 산정을 위하여 극단치 분포인 GEV(Generalized Extreme Value) 분포형을 선택하여 비정상성 빈도해석을 수행하였다. 이를 위하여 미래 시나리오 하에서 강우 시계열 자료의 증가 특성이 뚜렷하게 나타나고 있는 RCP8.5 시나리오 자료를 사용하였다.
비정상성 빈도해석을 위한 분포형의 매개변수 결정 시 베이지안 추론에 따른 격차진화 마르코프 체인(Differential Evolution Markov Chain, DEMC) 샘플링 기법을 적용하여 수렴성을 높였으며, 결과적으로 신뢰구간(±95%) 범위에 대한 불확실성 변동 폭이 줄어드는 것을 확인하였다. 서울지점 29 GCMs 앙상블 강수량에 대한 비정상성 빈도해석을 수행한 결과, 정상성 빈도해석에 비하여 값이 높게 나타나고 있음을 확인하였다.
행정안전부(2017년)에서 제시하고 있는 지자체 방재성능목표강우량은 서울시가 94.3mm, 136.0mm, 173.1mm이며, 본 연구를 통하여 산정된 비정상성 빈도해석결과와 비교해보면, 29개 GCMs 앙상블 평균이 약 5mm 증가한 것으로 분석되었으며, 30년 빈도 1시간에 해당하는 값은 유사하나 지속시간이 길어질수록 편차의 폭이 증가되는 것을 확인하였다.
다양한 GCMs 모형과 시간 상세화 기법을 활용한 앙상블 전망과 비정상성 빈도해석 기법 등을 활용한 과학적이며 체계적인 방법으로 서울시 기후변화 불확실성 평가 및 수문전망이 필요하며, 이를 바탕으로 도시하천 유역별 수재해 안전대책을 체계적으로 구축해나갈 것을 제안한다.
서울시, 기후변화 영향을 고려한 방재성능 목표강우량 진단 및 재평가를 위한 방재 정책 제언
최근 전 지구적으로 기후변화에 따른 폭우의 발생 빈도와 강도가 증가 추세이며, 그 피해와 위험이 날로 커지고 있다. 서울시와 같이 급속도로 도시화가 이루어진 곳에서는 불투수 면적증가에 따른 짧은 도달시간으로 인한 돌발홍수 발생 등 여러 가지 문제가 발생할 수 있어 기후변화 대응을 위한 보다 적극적인 수방대응책 마련이 필요하다.
서울지점 관측강우량 자료를 대상으로 산정한 확률강우량은 하천정비 기본계획 수립 및 풍수해 저감종합계획 수립 등 수공구조물 설계 시 중요한 인자로 사용되고 있으나, 매년 관측되는 강우자료를 포함할 경우 자료기간에 따라 확률강우량 값이 달라지는 문제가 발생한다. 따라서 지속적인 자료수집과 검증된 방법을 통한 서울지점 확률강우량을 매년 산정하여 제시할 필요성이 있다. 이는 행안부에서 제시된 지자체 방재성능목표강우량의 검증과 더불어 관련 계획 수립 시 활용이 가능하다.
서울지역의 기후변화에 따른 확률강우량 전망결과 시간당 목표 강우량이 증가하였음을 확인하였으며, 이는 지속시간이 길어질수록 그 경향성이 뚜렸해 지는 특성을 보임에 따라 안정적인 설계 측면에서 비정상성 빈도해석 수행 등 방재성능목표강우량을 재산정하여 제시하였다. 도출된 결과는 도심지 침수방지를 목적으로 설치되고 있는 서울시의 저류시설, 빗물유출 저감시설, 하수관거 시설 및 하천제방 등 수공구조물의 기후변화 영향을 고려한 설계빈도 진단 및 재평가, 방재성능 목표 상향 조정 등에 활용이 가능하다.