기초 수문학 강수에 대해서 알아보기

안녕하세요, 수문학의 매력적인 세계로 여러분을 안내하는 블로그에 오신 것을 환영합니다. 이번 글에서는 기초 수문학의 중요한 주제 중 하나인 “강수”에 대해 알아보겠습니다. 강수란 구름이 응축되어 지상으로 떨어지는 모든 형태의 수분을 통칭하는 용어로, 이 현상은 우리의 일상과 환경에 깊은 영향을 미칩니다.

강수에 대한 이해는 수문 시스템의 분석과 활용에 있어 필수적입니다. 강수의 형성 과정, 강수량의 측정 방법, 강수 자료의 분석과 일관성 검정 등 다양한 분석 방법을 이해함으로써, 우리는 환경 및 기상 예측 등 다양한 분야에서 이를 활용할 수 있습니다.

먼저, 강수의 형성 과정과 형태에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 강수는 기상학적 조건에 따라 다양한 형태로 나타납니다. 이 중에서 대류형 강수, 선풍형 강수, 산악형 강수 등이 주목받는데, 이러한 강수의 형성 과정과 특징에 대해서도 알아볼 것입니다.

또한, 강수의 종류에 따라 비, 눈, 설편, 우박, 부슬비, glaze, 진눈개비, 이슬, 서리 등 다양한 형태로 나뉩니다. 각각의 강수 형태는 다양한 환경 조건과 기상 상황에서 발생하며, 이에 대한 특징과 영향을 살펴보겠습니다.

더불어, 인공강우에 대해서도 이야기할 것입니다. 인공강우는 구름 수정 기술을 활용하여 특정 지역에 강우를 유도하는 과정으로, 일기수정 및 일기조절에 활용됩니다. 이를 통해 홍수예보와 같은 실시간 환경 관리에도 큰 도움이 됩니다.

마지막으로, 강수량의 측정 방법과 강수계측망의 밀도에 대한 이야기를 통해, 우리는 강수량을 정확하게 측정하고 분석하는 방법에 대해 알아보겠습니다.

강수의 심도 있는 세계로 함께 여행을 떠나볼까요? 함께 강수의 신비와 중요성을 탐구해보겠습니다.

목 차

강수 서론
강수의 형성과정과 그 형
강수의 종류
인공강우
강수량의 측정
강수계측망의 밀도
강수량 자료의 수집 및 보관
강수량 자료의 일관성 검사와 보삽 및 확충
유역의 평균강우량 산정
강수량 자료의 분석
가능최대강수량의 산정방법
강수량의 지리적 및 시간적 변동성(geographic and temporal variation)
마치는 글

강수 서론

구름이 응축되어 지상으로 떨어지는 모든 형태의 수분을 총칭한다. 수문 시스템의 분석을 위해서는 강수의 형성과정, 강수량의 측정방법, 강수자료의 집성 및 자료의 일관성 검정 등 의 각종 분석방법의 이해가 필요

강수의 형성과정과 그 형

강수형성을 위한 기상학적 조건

공기를 이슬점까지 냉각 시킬 수 있어야 함.
수분입자를 형성 시킬 수 있는 응결핵이 존재하여야 함.
응결된 소수분입자를 점점 크게 할 수 있어야 함.
충분한 강도의 수분을 집적할 수 있어야 함.

형성과정에 따른 강수의 분류

대류형 강수(convective precipitation) : 따듯하고 가벼워진 공기가 대류현상에 의해 보다 차겁고 밀도가 큰 공기속으로 자연히 상승할 때 발생. 대류형 강수는 점상(spotty)으로 발생하며 지나가는 소나기로 부터 뇌우(thunder storm)에 이르기 까지 다양. 따뜻한 공기 -> 차가운공기 속으로 상승할때
선풍형 강수(cyclonic precipitation) : 저기압지역으로부터 몰려드는 기단이 상승되어 발생. 전선성(frontal) 혹은 비전선성(nonfrontal).
산악형 강수(orographic precipitation) : 습윤한 기단을 운반하는 바람이 산맥에 부딛쳐서 기단이 산위로 상승할 때 강수발생. 바람이 불어오는 방향의 사면(windward)에는 호강수가 발생하나 배사면(leeward)에는 건조한 것이 보통이다.

우리나라 강수발생의 특징

영향을 주는 주요 기단: 시베리아, 오호츠크해 및 북태평양 기단.
정체전선인 장마전선(6월~7월)의 발생: 북동기류(오호츠크해 고기압)와 남서기류(북태평양 고기압)의 충돌로 발생.
열대성 저기압에 의한 폭우성 강우: 허리케인(hurricane, 멕시코만 부근), 태풍(typhoon, 동지나해 부근), 사이클론(cyclone, 인도양 부근).
열대성 저기압에 의한 태풍을 동반한 폭우성 강우

강수의 종류

비(rain) : 직경이 약 0.5mm ～ 0.64mm인 물방울로 형성, Light: ≤2.5mm/hr Moderate: 2.5～7.6mm/hr Heavy: ≥7.6mm/hr
눈(snow) : 대기중의 수중기가 직접 어름으로 변하여 생성, 비중량0.1
설편(snow flake) : 여러개의 어름결정이 동시에 엉켜서 생성
우박(hail) : 직경 5 ～ 125mm의 구형 또는 덩어리 모양의 아름상태의 강수. 상승한 기단이 냉각되고 강하하는 단계에서 기류의 난류상태가 극심한 경우에 소결정이 상하로 운반됨에 따라 얼었다 녹았다 하는 상태를 여러번 겪어 생성. 비중량0.8
부슬비(drizzle) : 직경 0.1 ～ 0.5mm의 물방울로 형성(보통 1mm/hr이하의 강우강도)
glaze : 비나 부슬비가 강하하여 지상의 찬것과 접촉하자 마자 얼어버린 것. 비중량0.8
진눈개비(sleet) : 빗방울이 강하하다 빙전ㅁ이하의 온도를 만나 얼어버린 것.
이슬(dew), 서리(frost) : 지표면의 수분이 직접 응결된 것.

인공강우

인공의 배씨(cloud seed)를 뿌려 특정지역에 비를 내리게하는 기술이다.

일기수정(weather modification), 일기조절(weather control) : 대기의 기상현상을 인공적으로 수정
인공강우(artificially induced rainfall), 구름수정(cloud modification)
cloud seeding : 인공적으로 강수현상을 촉진시킴, 강수촉진제로서 옥화은(silver iodide)이나 Dry ice 등의 물질 사용

강수량의 측정

우량의 크기는 일정한 면적위에 내린 총우량부피를 면적으로 나눈 깊이로서 표시. 사용단위는 mm, inch.
보통우량계 : 직경 20cm, 높이 60cm의 상단이 개방된 원통형 구리관 혹은 아연도금 철관 사용, 우량측정관으로 강우량 측정.
자기우량계(automatic rain recording gauge)
전도식 버킷(Tipping bucket)형 자기우량계
부자식(float type) 자기우량계
무게측정식(weighting type) 자기우량계
텔리미터 시스템에 의한 측정우량기록의 원격전송. 측정강우를 자동신호장치를 이용하여 실시간 원격 전송 → 실시간 홍수예경보(real-time flood forecasting and warning system) 운영에 필수이다.
누가우량곡선(rainfall mass curve), 우량주상도(rainfall hyetograph): 자기우량계의 기록지에는 누가우량의 시간적 변화상태를 기록하는 곡선이 얻어 지고, 이로부터 임의시간구간별 평균강우강도를 구하여 얻어진 막대그래프.

저장형 우량계, radar rain gauge: 어느지역에 비가 얼마나오는지 알고 싶을 때 미리 설치하고 비온 것을 측정.
관측오차(observational error), 계기오차(instrumental error)
기상레이더에 의한 강우량 측정: 점우량으로는 강우의 공간적 분포를 파악할 수 없어서 기상레이더에 의해 광역에 걸친 강우분포 추정 가능.
인공위성에 의한 강우량 측정: 구름사진의 선명도와 강우강도의 상관성 분석에 의하여 강우량 추정.

강수계측망의 밀도

유역 평균우량 산정시 평균우량의 표준오차(standard error)는 유역평균우량의 크기에 비례해서 커지며 반대로 계측망 밀도와 강우지속기간 및 유역면적의 크기에 비례하여 작아진다. 따라서 특정 계측망의 표준오차는 단기간 호우의 경우가 월 혹은 년강우량의 경우 보다 크며 여름의 표준오차는 겨울의 것보다 큰 것이 보통이다.

강수계측망의 최소밀도

온도열대, 지중해성 기후 평탄지역 => 600~900㎢ 당 1개 관측
온도열대, 지중해성 기후 산악지역 => 100~250㎢ 당 1개 관측

WMO(World Meteorology Organization, UN)의 강수계측망의 최소밀도

강수량 자료의 수집 및 보관

한국수문조사서, 우량편 (1962년) : 1917 ～ 1961년간의 일우량 기록, 측점별로 집성
한국수문조사서(우량,수위)(1979) : 1962 ～ 1978년간의 일우량자료
한국수문조사연보(매년) : 1979년 이후
기상월보 : 우량, 기온, 습도, 풍속 및 풍향, 일조시간, 증발량, 강설량
한국 수문데이타 베이스, HISS(hydrologic information support system)
PCHISS : 한국건설기술연구원 수자원 연구실에서 개발 운영
국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS, Water Management Information System, http//www.wamis.go.kr), 한강홍수통제소(http//www.hrfco.go.kr), 기상청(http//kma.go.kr)

강수량 자료의 일관성 검사와 보삽 및 확충

강수량자료를 수문학적 문제 해결에 이용하기전에 자료가 기상학적 원인이외의 영향을 받았는지 여부 판단 필요하다.

강수량자료의 일관성 분석

우량계의 위치, 노출상태, 우량계의 형, 관측방법, 주위환경 등의 변화는 자료의 일관성을 결여 시키는 원인이 된다.

이중누가우량분석(double mass analysis): 자료의 일관성(consistency) 검사방법
대상 관측점의 년 혹은 계절 강우량의 누적총량을 그 부근의 일군(10개 이상)의 관측점 누적총량의 평균치와 비교하여 일관성 있는 자료로 변환함.

강수기록의 보삽추정(결측치 보완)

결측 강수량의 보완방법은 다음과 같다.

산술평균법(arithmetic average method) : 결측 관측점 주위의 관측점들의 강수기록치의 산술 평균치로 결측치를 보완하는 방법으로, 주위 관측점들의 정상 년평균강수량과 결측 관측점의 정상 년평균강수량의 차가 10%이내 이어야 한다.
정상 년강수량 비율법(normal ratio method) : 주위 관측점중 1개라도 정상 년평균강수량과 결측 관측점의 그것과의 차가 10%이상일때 정상 년평균강수량의 비에 의해 결측치를 보완하는 방법으로 다음식으로 추정한다.
역거리 자승법(inverse distance squared method), 거리 역산법 : 결측 관측점으로 부터 주위 관측점 까지의 거리를 이용하여 주위 관측점의 가중인자를 결정하여 보완하는 방법이다. 결측점의 강우량 Px = ∑ Pi․ai 로 계산된다. 여기서 주위 관측점의 개수는 5개 이내로 한다. (정상년 강수량비율법보다 자주 쓰임)
누가우량곡선의 추정: 보통우량계(A관측점)에서의 총강우량의 누가우량곡선의 추정. 인근의 자기우량계(B관측점)에서의 누가우량곡선을 이용함

강수량자료의 양적 확충

관측점-기록년 방법(station-year method): 동일 유역내의 N개 관측점에서 각각 측정된 x개의 자료는 그측정 시기에 관계없이 유역내의 1개 관측점에 대한 N*x개의 자료라고 생각하여 강수량 자료를 확충한다.

이 방법의 단점은 다음과 같다.

각 측점에 있어서 강수량의 장기빈도분포 (frquency disdribution)가 일정하지 못할 경우 → 자료의 기상학적 동질성(meteorological homogeneity) 결여
동일 강우로 인하여 유역내의 각측점에서 최대치에 가까운 강수량이 동시에 기록된 경우 → 왜곡된 자료계열
이방법은 관측점들이 각각 독특한 기상학적 특성을가지고 있을 경우가 가장 효과적이다.

강수량의 장기변동성향의 정성적 판단

강수량의 계절적 혹은 년차적 변동성향은 간단한 통계학적 방법에 의하여 변동폭을 둔화시킴으로써 장기 변동 성향을 용이하게 판단한다.

점진평균방법(method of progressive averages)

첫 5개년간의 강수량 평균치를 구하여 5개년의 중앙년인 2.5년에 표시한후 제1년을 제외한 제2년～제6년 까지의 다음 평균치를 계산하여 그의 중앙년에 표시하고 그 이하의 평균 강우량도 동일한 방법으로 산출하여 표시한다.

유역의 평균강우량 산정

특정호우로 인한 유역의 평균우량(average rainfall)(필히산정)은 강우량의 공간분포(spatial distribution)의 정도를 나타내는 대표치로서 단위 유역 면적당 우량깊이를 표시한다. 평균 강우량 Pm은 유역내 각 관측점의 지점 강우량의 가중평균으로 산정된다.

산정 방법

산술 평균법(arithmetic mean method): 유역내 관측점의 지점 강우량을 산술 평균하는 방법으로 각 관측점의 가중인자는 동일하다.
강수에 대한 산악효과, 우량계의 분포상태, 밀도 등에 대한 고려가 전혀 없다.
비교적 평야지역에서 강우분포가 균일한 경우에 사용
Thiessen의 가중법(Thiessen‘s weighing method)가장 많이 사용
우량계가 유역내에 불균등하게 분포되어 있는 경우에 사용하는 방법으로 전유역 면적에 대한 각 관측점의 지배면적의 비를 가중인자(weighting factor)로 잡아 이를 각 우량값에 곱하여 합산한 후 이 값을 전 유역면적으로 나눔으로써 평균우량을 산정한다.
각 우량계의 지배면적은 인접 관측점들을 직선으로 연결하여 삼각형을 만든 후 각 변의 수직 이등분선을 그어 각 관측점 주위에 다각형(Thiessen’s polygon)을 만들고 관측점을 둘러싸고 있는 다각형의 면적을 구하여 결정된다. 강우 계측망의 변화가 없는 한 지배면적은 변하지 않으므로 여러 강우사상에 대한 평균 강우량을 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 우량계가 신설되거나 폐쇄되면 다시 지배면적을 산정하여야 한다.
강우에 대한 산악 효과는 무시되고 있으나 우량계의 분포상태는 고려하고 있으므로 산술평균법보다 정확하여 실제로 가장 널리 사용.
등우선법(isohyetal method)
지형도상에 관측점의 위치와 강우량을 표시한 후 등우선(isohyets)을 그리고 각 등우선 간의 면적을 구하여 전 유역면적에 대한 등우선간 면적비를 해당 등우선 간 평균우량에 곱하여 합산함으로써 유역 평균 우량을 산정한다.
삼각형법(triangular method)
우량 관측소간을 삼각형이 구성되도록 직선으로 연결하여 삼각형내의 평균 우량을 삼각형을 구성하고 있는 관측소의 평균으로 하여 계산한다.

강수량 자료의 분석

설계강우의 구성요소(design rainfallstorm)

강우 강도(rainfall intensity): 단위시간에 내리는 강우량(mm/hr)
강우 지속기간(rainfall duration): 강우가 계속되는 시간 장경, 비가 어느 정도 내릴 건인가.
평균발생빈도(mean frequency of occurrences): 일정한 기간동안에 특정 크기의 호우가 발생할 횟수를 의미하는 것으로서 특정크기의 강우량()보다 클 초과확률(exceedeance probability) P나 통상 임의의 강우량이 1회 이상 같아지거나 초과되는데 소요되는 년수인 초과확률의 역수인 평균재현기간(mean recurrence interval or return period) T로 표시된다.
어느관측점의 연 평균강우량이 평균 100년에 한번씩 200mm를 초과한다면 이 우량의 재현기간(recurrence interval)은 100년이며 초과확률(probability of occurrence)은 1/100 이다.
지역적 범위(areal extent): 우량계에 의해 측정되는 점 우량(point rainfall)을 적용 시킬수 있는 면적의 범위.

강우강도와 지속기간 관계(rainfall intensity-duration, ID relation)

지속기간이 짧으면 짧을수록 강우강도는 크다.
강우강도와 지속기간의 관계는 우수거 설계, 도로 암거의 설계, 비행장 배수설계 등의 설계유량결정에 유용

최소자승법(least squares method)

두 변수간의 상관관계를 가장 잘 표시하는 최적직선은 그 직선으로부터 각 자료점이 가지는 편차의 자승치를 합한 값이 최소일 때 얻어진다. 따라서 최적직선의 식을 yi=a+bxi 라 하면 회귀상수 a, b는 다음 기준에 의해 결정 된다.

따라서

이를 표준방정식(normal equation) 이라고 한다.

강우강도-지속기간-발생빈도 관계

호우 사상의 특징: 지속기간이 증가하면 주어진 생기빈도에 대한 평균 강우강도는 감소한다. 생기빈도가 감소하면 주어진 지속기간에 대한 강우강도는 증가한다. 호우 중심점으로부터 면적이 증가 됨에 따라 등가우량 깊이는 점점 작아지며 강우강도 또한 감소한다.
IDF 관계의 유도 : IDF관계를 대수지(log-paper)상에 plotting하면 직선으로 표시되므로 그 관계식은

IDF 관계곡선의 유도

강우 사상의 분리 : 미국 N.W.S(National Weather Service) 기준: 180분 동안의 강우가 1.8[inch] 이하이거나 강우강도가 0.6[in/hr]이하 일 경우 두 개의 호우 사상으로 분리한다.
분석될 지속기간의 결정 : 지속기간을 5분, 10분, 30분, 1시간, 2시간, ……, 1일, 2일, …… 등으로 나누어 분석한다.
매년 호우사상 중 분석 지속기간과 같거나 큰 호우사상으로부터 지속기간별 최대 강우량을 구한다.
지속기간별 최대 강우량으로부터 지속기간별 강우강도를 구한다.
지속기간별 강우강도를 크기 순으로 나열하고 이로부터 초과 확률이나 재현기간을 구한다.
대수지에 재현기간을 매개변수로하여 세로 좌표에 강우강도, 가로 좌표에 지속기간을 도시한다.
우량깊이-지속기간-생기빈도 관계(rainfall depth-duration-frequency, DDF relation) 곡선을 얻을 수 있다. 즉, Gumbel의 확률지에 지속기간을 매개변수로 하여 세로 좌표에 강우량, 가로 좌표에 재현기간을 도시한다.
한국확률강우량도 작성(2000, 국토해양부): 지속기간 30분, 1, 2, 3, 6, 12, 24시간 재현기간 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200년

평균우량 깊이와 유역면적관계

일정 면적을 가진 유역의 전역에 걸쳐 균일한 강우가 발생할 경우는 대단히 드물다. 일정한 강우 지속기간동안의 강우 깊이는 강우중심 지역으로부터 멀어 질수록 점차로 감소하게 된다. 평균우량깊이(rainfall depth): 어떤 유역상에 내린 총우량을 유역면적으로 나눈 유역상의 등가우량수심(mm)을 의미 이다.

최대평균우량깊이-유역면적-강우지속기간 관계 분석

각종 크기의 유역면적에 여러가지 지속기간을 가진 강우가 발생할 때 예상되는 지속기간별 최대강우를 유역별로 결정해보면 대단히 유익하다. 이러한 목적을 위해 유역별로 최대 평균우량깊이 – 유역면적 – 지속기간관계(raindepth-area-duration relationship)를 수립하는 작업을 DAD 해석이라 한다.

연속적인 기록을 가진 일련의 호우중 최대강우량을 해당지역에 초래할만한 호우를 택하여 그 유역 전면적에 대하여 다음과 같은 절차를 밟아 해석한다.
선택된 유역에서 연속적인 기록을 가진 일련의 호우중 최대 강우량 자료를 택한다.
유역 내 각 관측점에 있어서의 누가우량곡선(mass curve)을 얻는다. 만일 누가우량곡선을 얻을 수 없을 경우에는 강우의 시간분포곡선을 이용하여 누가우량곡선을 작성할 수 있다.

가능최대강수량의 산정방법

유역에 내릴수 있는 가상의 최대 강수량을 말하며 이는 최악의 기상조건이 동시에 작용하여 발생되는 강우로서 과거의 최대 강우량뿐 아니라, 앞으로도 이보다 더 큰강우는 발생하지 않을 것이라는 가정하의 강우량 이다.

수문기상학적 방법

대상유역에 실측 극대호우기록이 없는 경우, 인접 타지역의 극대호우기록을 호우전이(storm transposition)하여 DAD분을 통하여 유역면적별, 강우지속기간별 유역평균 최대강수량을 산정
대기중의 수분량 산정을 위해 기상자료(이슬점, 기온, 바람, 기압 등)를 이용 수분최대화비, 수평 및 수직전이비와 지형영향비를 구함
이들을 유역평균 최대강수량산정치에 곱하여 PMP 산정
수문기상학적 방법에 의하여 한국가능최대강수량도(국토해양부, 2000)작성하고 2002년의 태풍 Rusa와 2003년의 Maemi의 극대강우를 포함시켜 2004년에 보완함

최대강우량 포락곡선방법

PMP가 아무리 최악의 결과라 할지라도 기왕 발생하였던 최대강우량을 벗어날 수 없다는 가정 한다.

전세계의 기록상의 최대 호우사상의 강우지속기간별 최대강수량의 포락곡선(envelop curve)를 그려서 포락곡선의 방정식을 사용하여 PMP에 상응하는 최대강수량 추정
통계학적인 방법 : 과거에 기록된 최대강우량의 분포형에 따라 결정되는 빈도계수(frequency factor)를 사용하여 PMP 추정하는 방법으로 Hershfield(1961)는 지속기간 24hr PMP 추정공식을 제안.
PMP를 강우-유출관계 모형에 입력하여 산정되는 가능최대홍수량(Probable Maximum Flood, PMF)은 특수한 수공구조물, 구조물의 파괴로 인한 피해가 경제단위로 표시할 수 없을 만큼 피해가 큰 구조물의 설계에 많이 이용된다.

강수량의 지리적 및 시간적 변동성(geographic and temporal variation)

강수량의 지리적 변동성

강수량은 적도부근에서 가장 크고 위도가 높아짐에 따라 감소 경향
해안지역에 근/접할수록 크고 산악의 영향(orographic effect)을 받으며, 바람이 불어오는 향사면에서 크고 배사면에서 적다.
극치강수량(extreme precipitation)

강수량의 시간적 변동성

연평균 강수량의 경년적 변화, 강수량의 연중 계절적 변화(월 강수량)
호우사상별 총강우량의 시간적 분포

마치는 글

이번 글을 마치며, 우리는 강수에 대한 기초적인 이해를 얻었습니다. 강수는 자연의 아름다운 현상 중 하나로, 우리의 삶과 환경에 미치는 영향은 무시할 수 없을 만큼 큽니다.

강수의 형성과 종류, 그리고 측정 방법과 밀도에 대한 이해는 수문학 분야뿐만 아니라 환경 보전, 농업, 기상 예측, 재해 관리 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 이를 통해 우리는 미래의 기상 상황을 예측하고, 자연과 환경을 더 나은 방향으로 관리하는 데 기여할 수 있습니다.

강수는 자연의 비밀 중 하나이자, 우리의 미래를 예측하는 열쇠입니다. 앞으로도 더 많은 연구와 관심을 기울여, 강수에 대한 지식을 더욱 풍부하게 확장해 나가는 것이 중요합니다. 함께 자연을 더 깊게 이해하며, 미래를 더욱 안전하고 지속 가능한 방향으로 나아가는 데 기여합시다. 감사합니다!