[독일] 홍수 조기경보 개선 위한 영향기반 예측시스템 개발

고해상도 홍수 예측을 적시에 제공 및 홍수가 개별 건물에 미치는 영향을 나타내는 최첨단 조기 홍수경보 시스템

독일의 헬름홀츠 환경연구센터(UFZ)·지구과학연구소(GFZ) 연구진 공동연구

수치기상예측 제한 면적 앙상블 예측 시스템의 강수량 예측과 중규모 수문모델(mHM)을 결합

다양한 예측 모델의 조합 통해 홍수 영향을 보다 정확하게 예측 가능…국제학술지 『네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)』 최근호에 발표

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.

[그림 1] 전체적인 종단간 영향 기반 홍수 예측 모델링 체인

 

[그림출처(picture source) = 『네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)』]

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.

[그림 2] ICON D2 EPS-mHM 체인의 강수량 및 수위에 대한 앙상블 예측

 

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.

[그림 3] ICON D2 EPS-mHM-RIM2D FEWS 체인에 기초한 최대 홍수 소요시간 경고

 

[그림출처(picture source) = 『네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)』]

 

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.

독일 킬(Kyll) 강의 범람으로 인해 라인란트-팔츠의 코르델 (Kordel) 마을이 물에 잠긴 모습. [사진출처(Photo source) = 네이버 블로그 그레임Graeme)]

 

[원문보기]

An impact-based forecasting system for improved early flood warning

The combination of various forecasting models enables more precise forecasting of flood impacts

 

Climate change increases frequency of extreme events such as flooding. This reinforces the need to develop methods for more precise and faster flood forecasting in order to better protect the population in the future. 

A research team from the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ) and the German Research Centre for Geosciences (GFZ) has presented a flood forecasting system in Nature Communications that provides not only timely water levels but also dynamic high-resolution flood inundation maps. 

The researchers have been able to combine various forecasting models in such a way as to precisely forecast flood impacts on individual buildings.

Over the past years, great progress has been made in the spatiotemporal forecasting of flood events. It is thus now possible to predict maximum flood levels at locations of river gauges. 

Until now, however, estimates of the impacts of flooding on cities and municipalities were only rough or even completely inaccurate, especially for people at the lower river reaches away from gauge locations. 

However, this information is critical, as the affected population has to be notified as quickly as possible in advance in order to initiate any necessary evacuation measures.

 "What is needed is a state-of-the-art early flood warning system that provides high-resolution flood forecasts in a timely fashion and indicates the impacts of the flood on individual buildings," says senior author and UFZ modeller Prof. Luis Samaniego. This would be a key improvement for crisis management. 

In a first step in developing the new flood forecasting system, the researchers from the two Helmholtz Centres combined the precipitation forecasts from the German Weather Service (NWP limited area ensemble prediction system) with the mesoscale hydrologic model (mHM) developed at the UFZ. 

This model not only provides information on water discharge, but also temporal soil moisture information - one of the critical factors for flood development. Based on the available data from the catastrophic flood in the Ahr Valley in July 2021 and an ensemble prediction system with 20 members, they were able to predict hourly flood peak flows at gauge Altenahr in a hindcast mode. In this approach they estimated the likelihood of exceedance of the 50-year or the 100-year flood levels. 

Simulations revealed that 15 percent of the ensemble member would have forecast an exceedance of a 100-year flood with a lead time of 47 hours and thus nearly two days prior to the flood peak in the Ahr Valley. 

The closer the event came, the greater the probability that the 100-year level defined at that time would actually be exceeded: 75 percent of all ensemble members forecast the 100-year flood 17 hours before the flood peak, and finally 100 percent 7 hours in advance.

 "If 75 percent of the forecasts in an ensemble predict a 100-year flood, there is a high probability that it will occur," says lead author and UFZ modeller Dr. Husain Najafi.

In the second step, the Helmholtz researchers combined the streamflow generated by mHM hydrologic model with the RIM2D hydrodynamic flood model developed by the GFZ Potsdam. RIM2D very rapidly simulates the inundation dynamics and the evolution of flood depths. 

This model, with a spatial resolution of 10 metres x 10 metres, first enables hourly forecasts inundation areas and depths and hence allows to find out in which locations and to what extent which buildings, streets, railway segments, hospitals or other critical infrastructure elements will be affected by a flooding event.  

"The responsible authorities and the population therefore not only have information on a possible gauge water level 30 kilometres upstream, but also a high-resolution flood map showing the impacts of the flood. For example, they could know where people could be in danger or who has to be evacuated," says GFZ hydrologist Dr. Sergiy Vorogushyn. 

The combined forecast model from the UFZ and GFZ passed the first test in reconstructing the extreme flood event in the Ahr Valley. In a further test phase starting this summer, the automated model chain will be tested in real time as part of the second phase of the Helmholtz Climate Initiative in two additional catchments of Fils and Murr rivers in Baden-Wurttemberg. 

If the model system also passes this phase, it can be applied for regions subject to high flood risk, especially due to flash floods. This could decisively strengthen the existing flood early warning systems and could extend the horizon of the forecasts to include flood impacts. This could significantly reduce affected population and property damage in the future.

Publication: Husain Najafi, Pallav Kumar Shrestha, Oldrich Rakovec, Heiko Apel, Sergiy Vorogushyn, Rohini Kumar, Stephan Thober, Bruno Merz, and Luis Samaniego: High-Resolution Impact-based Early Warning System for Riverine Flooding. 

[출처 = 헬름홀츠 환경연구센터(UFZ)(https://www.ufz.de/index.php?en=36336&webc_pm=18/2024) / 2024년 5월 13일]

[논문출처 = 『네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)』(https://doi.org/10.1038/s41467-024-48065-y) / 2024년 5월 2일 발간]