〔워터저널〕 독일, 홍수 조기경보 개선위한 영향기반예측시스템 개발

독일의 헬름홀츠 환경연구센터(UFZ)와 독일 지구과학연구소(GFZ)의 연구팀은 시기적절한 수위뿐만 아니라 동적인 고해상도 홍수범람지도를 제공하는 홍수 예측 시스템(flood forecasting system)을 개발했다. 사진은 2021년 7월 독일 아흐르 계곡(Ahr Valley)의 대재앙 홍수로 강이 범람하여 마을이 물에 잠긴 모습. [사진출처(Photo source) = 독일 내무부(Bundesministerium des Innern) 엑스(X)]

기후변화는 홍수와 같은 극단적인 사건의 빈도를 증가시킨다. 이것은 미래에 인구를 더 잘 보호하기 위해 더 정확하고 빠른 홍수 예측방법을 개발할 필요성을 강화시킨다.

독일의 헬름홀츠 환경연구센터(Helmholtz Centre for Environmental Research, UFZ)와 독일 지구과학연구소(German Research Center for Geosciences, GFZ)의 연구팀은 시기적절한 수위뿐만 아니라 동적인 고해상도 홍수범람지도(flood inundation maps)를 제공하는 홍수 예측 시스템(flood forecasting system)을 국제학술지 『네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)』 최근호에 발표했다.

연구팀은 개별 건물에 대한 홍수 영향을 정확하게 예측하는 방식으로 다양한 예측 모델을 결합할 수 있었다.

지난 몇 년 동안 홍수 사건의 시공간적 예측에 큰 진전이 있었다. 따라서 이제는 강과 하천 수위 위치에서 최대 홍수 수준을 예측하는 것이 가능해졌다. 그러나 지금까지 홍수가 도시와 지방자치단체에 미치는 영향에 대한 추정치는 대략적이거나 심지어 완전히 부정확했을 뿐이며, 특히 측량(gauge) 위치에서 멀리 떨어진 강 하류에 있는 사람들의 경우 더욱 그렇다.

그러나 필요한 대피 조치를 시작하려면 피해 인구에게 최대한 빨리 사전에 통보해야 하기 때문에 이 정보는 매우 중요하다.

이번 연구논문의 수석저자인 루이스 사마니에고(Luis Samaniego) 헬름홀츠 환경연구센터(UFZ) 교수는 “필요한 것은 고해상도 홍수 예측을 적시에 제공하고 홍수가 개별 건물에 미치는 영향을 나타내는 최첨단 조기 홍수경보 시스템이다”라면서 “이것은 위기 관리를 위한 주요 개선사항이 될 것”이라고 말했다.

새로운 홍수 예측 시스템을 개발하기 위한 첫 번째 단계에서 두 헬름홀츠 센터의 연구원들은 독일 기상청(German Weather Service)의 수치기상예측 제한 면적 앙상블 예측 시스템(Numerical weather prediction(NWP) limited area ensemble prediction system)의 강수량 예측과 UFZ에서 개발된 중규모 수문 모델(mesoscale hydrologic model, mHM)을 결합했다.

이 모델은 물 방류량에 대한 정보뿐만 아니라 홍수 발생의 중요한 요소 중 하나인 시간적 토양 수분 정보(temporal soil moisture information)도 제공한다. 2021년 7월 아흐르 계곡( Ahr Valley)의 대재앙 홍수의 가용 데이터와 20명의 구성원이 있는 앙상블 예측 시스템을 기반으로, 그들은 힌드캐스트 모드(hindcast mode)에서 게이지 알테나흐르(gauge Altenahr)에서 시간별 홍수 최고조 흐름(flood peak flow)을 예측할 수 있었다. 이 접근법에서 연구팀은 50년 또는 100년 홍수 수준의 초과 가능성을 추정했다.

시뮬레이션 결과에 따르면 앙상블 구성원의 15%는 소요시간(lead time)이 47시간으로 100년 홍수를 초과할 것으로 예측했으며, 따라서 아흐르 계곡(Ahr Valley)의 홍수 최고점 거의 이틀 전에 예측했습니다.

사건이 가까이 올수록 당시 정의된 100년 수준이 실제로 초과될 확률이 높아진다. 전체 앙상블 구성원의 75%는 홍수 최고조 17시간 전에 100년 홍수를 예측했으며, 마지막으로 100%는 7시간 전에 예측했다.

헬름홀츠 환경연구센터(UFZ)의 주요 필자인 후세인 나자피(Husain Najafi) 박사는 앙상블 예측의 75%가 100년간의 홍수를 예측한다면, 홍수가 일어날 가능성이 매우 높다”고 강조했다.

두 번째 단계로 UFZ 연구진은 중규모 수문 모델(mHM)에 의해 생성된 하천 흐름을 GFZ 포츠담(Potsdam)에서 개발한 RIM2D 유체역학적 홍수 모델과 결합했다. RIM2D는 침수 역학 및 홍수 깊이의 진화를 매우 빠르게 시뮬레이션한다.

10m×10m의 공간 해상도를 갖춘 이 모델은 먼저 시간별 침수 지역 및 깊이 예측을 가능하게 하여 어느 위치에서 어느 건물, 거리, 철도 구간, 병원 또는 기타 중요한 인프라 요소가 어느 정도까지 영향을 미칠지 알아낼 수 있다.

GFZ 수문학자인 세르지 보로구신(Sergiy Vorogusyn) 박사는 “따라서 책임 있는 당국과 주민들은 상류 30㎞ 지점의 가능한 수위 측정 정보뿐만 아니라 홍수의 영향을 보여주는 고해상도 홍수 지도도 가지고 있다. 예를 들어, 그들은 사람들이 어디에 위험에 처하거나 누가 대피해야 하는지 알 수 있었다”라고 말했다.

헬름홀츠 환경연구센터UFZ)와 독일 지구과학연구소(GFZ)의 결합 예측 모델은 아흐르 계곡의 극심한 홍수 사건을 재구성하는 첫 번째 테스트를 통과했다. 올 여름부터 시작되는 추가 테스트 단계에서 자동화된 모델 체인은 바덴-뷔르템베르크(Baden-Wurttemberg)의 필스(Fils) 및 머르강(Murr river) 두 곳의 추가 유역에서 헬름홀츠 기후 이니셔티브(Helmholtz Climate Initiative)의 두 번째 단계의 일부로 실시간으로 테스트될 예정이다.

모형 시스템도 이 단계를 통과하면 특히 돌발 홍수로 인해 홍수 위험이 높은 지역에 적용할 수 있다. 이는 기존 홍수 조기 경보 시스템을 결정적으로 강화하고 홍수 영향을 포함하도록 예측의 지평을 확장할 수 있다. 이는 향후 영향을 받는 인구와 재산 피해를 크게 줄일 수 있다.