KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research (대한토목학회논문집)

Korean Society of Civil Engeneers (대한토목학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Rainfall Forecasting Using Satellite Information and Integrated Flood Runoff and Inundation Analysis (I): Theory and Development of Model

위성정보에 의한 강우예측과 홍수유출 및 범람 연계 해석 (I): 이론 및 모형의 개발

  • 최혁준 (한국건설기술연구원 수자원연구부) ;
  • 한건연 (경북대학교 공과대학 토목공학과) ;
  • 김광섭 (경북대학교 공과대학 토목공학과)
  • Received : 2006.02.07
  • Accepted : 2006.08.28
  • Published : 2006.11.29
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The purpose of this study is to improve the short term rainfall forecast skill using neural network model that can deal with the non-linear behavior between satellite data and ground observation, and minimize the flood damage. To overcome the geographical limitation of Korean peninsula and get the long forecast lead time of 3 to 6 hour, the developed rainfall forecast model took satellite imageries and wide range AWS data. The architecture of neural network model is a multi-layer neural network which consists of one input layer, one hidden layer, and one output layer. Neural network is trained using a momentum back propagation algorithm. Flood was estimated using rainfall forecasts. We developed a dynamic flood inundation model which is associated with 1-dimensional flood routing model. Therefore the model can forecast flood aspect in a protected lowland by levee failure of river. In the case of multiple levee breaks at main stream and tributaries, the developed flood inundation model can estimate flood level in a river and inundation level and area in a protected lowland simultaneously.

본 연구의 목적은 인공위성 자료와 지상의 관측자료간의 비선형 특성을 가장 잘 반영할 수 있는 신경망 모형을 이용하여 단시간 강우량 정보를 사전에 예측하여, 하천제방의 붕괴로 인한 상습 침수지역에서의 홍수범람 양상을 실시간으로 예측함으로써 홍수재해로부터의 피해를 최소화시키는데 있다. 강우예측 신경망 모형은 현재의 대기상태를 나타내는 인공위성 자료와 실시간으로 전송되는 자동기상관측소 자료를 입력자료로 하여 현재부터 3시간 및 6시간 선행시간까지의 면적평균강우량을 예측할 수 있도록 구성하였다. 신경망 모형의 구조는 입력층과 출력층 사이에 하나의 은닉층이 존재하는 다층 신경망으로 구성하였으며, 학습단계에서는 오류 역전파 알고리듬 학습방법 중 모멘텀법을 사용하였다. 예측된 면적평균강우량으로부터 홍수량을 산정하고, 이를 이용하여 하천의 제방붕괴로 인한 제내지에서의 범람양상을 예측할 수 있도록 1차원 흐름모형과 연계한 동역학적 홍수범람 모형을 개발하였다. 개발된 홍수범람 모형은 본류와 지류의 여러 지점에서 제방이 붕괴될 경우, 하도의 홍수위 및 제내지에서의 침수위와 침수면적이 일괄적으로 모의될 수 있도록 구성하였다.

Keywords

References

  1. 김종해, 한건연, 서규우(2003) 하천 홍수범람모의를 위한 불확실도 해석기법의 적용. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제36권 제4호, pp. 661-671
  2. 한건연, 이종석, 김상호(1997a) 댐 및 하천제방에 대한 위험도 해석기법의 개발: I 모형 및 이론. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제30권 제6호, pp. 679-690
  3. 한건연, 이종석, 김상호(1997b) 댐 및 하천제방에 대한 위험도 해석기법의 개발: II. 적용예. 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제30권 제6호, pp. 691-698
  4. Adler, R.F. and Negri, A.J. (1988) A satellite infrared technique to estimate tropical convective and stratiform rainfall. Journal of Applied Meteorology, Vol. 27, pp, 30-51 https://doi.org/10.1175/1520-0450(1988)027<0030:ASITTE>2.0.CO;2
  5. Arkin, P.A. (1979) The relationship between fractional coverage of high cloud and rainfall accumulations during GATE over the B-scale array. Monthly Weather Review, Vol. 107, pp. 1382-1387 https://doi.org/10.1175/1520-0493(1979)107<1382:TRBFCO>2.0.CO;2
  6. Barrett, E.C. and Martin, D.W. (1981) The Use of Satellite Data in Rainfall Monitoring. Academic Press, New York, pp. 340
  7. French, M.N., Krajewski, W.F., and Cuykendall, R.R. (1992) Rainfall forecasting in space and time using a neural network. Journal of Hydrology, Vol. 137, pp. 1-31 https://doi.org/10.1016/0022-1694(92)90046-X
  8. French, M.N., Andrieu, H., and Krajewski, WF. (1994a) A model for real-time quantitative rainfall forecasting using remote sensing: 1. Formulations. Water Resources Research, Vol. 30, No. 4, pp. 1075-1083 https://doi.org/10.1029/93WR03249
  9. French, M.N., Andrieu, H., and Krajewski, W.F. (1994b) A model for real-time quantitative rainfall forecasting using remote sensing: 2. Case Studies. Water Resources Research, Vol. 30, No.4, pp. 1085-1097 https://doi.org/10.1029/93WR03250
  10. Griffith, C.G., Woodley, W.L., Grube, P.G., and Martin, D.W (1978). Rain estimation from geosyncronous satellite imagery: Visible and infrared studies. Monthly Weather Review, Vol. 106, pp. 1153-1171 https://doi.org/10.1175/1520-0493(1978)106<1153:REFGSI>2.0.CO;2
  11. Han, K.Y., Kim, K.S., and Choi, K.H. (2004) Inundation analysis for .basinwide flood management. The 3rd Seminar on the Technology of Disaster Management on Urban Flood, Seoul, Korea
  12. Han, K.Y., Lee, J.T., and Choi, K.H. (2003) Levee breach and flood inundation modeling in urban areas. 30th JAHR Congress, Greece
  13. Han, KY., Lee, J.T., and Park, J.H. (1998) Flood inundation analysis resulting from levee-break. Journal of Hydraulic Research, Vol. 36, No.5, pp. 747-760 https://doi.org/10.1080/00221689809498600
  14. Kidder, S.Q., and Vonder Haar, T.H. (1995) Satellite Meteorology: An Introduction, Academic Press, New York, pp. 466
  15. Levizzani, V., Prcu, F., Marzano, S., Mugnai, M., Smith, E.A, and Pardi, F (1996) Investigating a SSM/I microwave algorithm to calibrate Meteosat infrared instantaneous rainrate estimates. Journal of Applied Meteorology, Vol. 3, pp. 5-17
  16. Negri, A.J. and Adler, R.F, and Wetzel, P.J. (1984) Rain estimation from satellites: an examination of the Griffith-Woodley technique. Journal of Climate & Applied Meteorology, Vol. 26, pp. 1565-1576
  17. Saint-Venant, A. (1871a) Theorie du mouvement non permanent des eaux avec application aux crues des rivieres et a l'introduction de marees dans leurs lits. Comptes rendus des seances de I'Academie des Sciences, Vol. 36, pp. 154-174
  18. Saint-Venant, A (1871b) Theorie du mouvement non permanent des eaux avec application aux crues des rivieres et a l'introduction de marees dans leurs lits. Comptes rendus des seances de l'Academie des Sciences, Vol. 36, pp. 237-240
  19. Sea, DJ. and Smith, J.A (1992) Radar-based short-term rainfall prediction. Journal of Hydrology, Vol. 131, pp. 341-367 https://doi.org/10.1016/0022-1694(92)90225-K