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문제 정의
- 관측이 시작되었다. 본 연구에서는 대청댐의 완공이 1980년 12월에 이루어졌고, 댐 유입량 자료가 1981년부터 사용 가능하기 때문에 1981T 999년의 기간에 대해 수문환경의 변화에 대한 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 이와 같은 지구온난화의 결과로 유발되는 강수량과 기온의 변화(GCM 결과에 근거해 추정한 변화에 따른 수문환경의 변화에 대한 분석을 실시하였으며, 이를 위해서는 기존의 GCM을 이용한 연구를 통해 분석된 한반도의 강수량과 기온의 변화를 정량화 해야한다.
- 본 연구에서는 지구온난화에 따른 한반도 수문 환경의 변화를 분석 및 예측하고자 하였다. 이를 위해 지구온난화에 따른 한반도에서의 기온변화, 강우, 토양수분 등의 기상 및 수문 특성을 CO2의 증가 시나리오에 따라 모의한 대기대순환모형 (General Circulation Model, GCM) 모의 결과를 이용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 최근 들어 빈번해지고 있는 기상이변들의 가장 큰 원인으로 지목 받고 있는 지구온난화 현상이 한반도 수문환경의 변화에 끼치는 영향에 대한 분석을 시도하였다. 이를 위해 본 연구에서는 CO2의증가 시나리오에 따라 모의한 대기대순환모형 모의 결과를 이용하여 본 연구의 대상 유역으로 선정된 대청댐 상류 유역의 강수량과 기온 변화에 따른 토양 함수비, 증발산 유출량 등의 변화를 물수지 모형을 이용하여 분석하였다 이상과 같은 분석 과정을 통해서, 최종적으로 지구온난화에 의한 한반도 수문환경의 변화에 대해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구의 결과는 기본적으로 GCM의 모의결과에 기초하여 수행된 것이다. 따라서, 예측의 신뢰도는 GCM의 결과와 이를 분석한 모형이 가지는 물리적 과정의 정확성에 좌우되게 된다.
제안 방법
- 3.1 절에서 선정한 GCM 계산결과(Mean, Min, Max)를 근거로 하여 대청댐 상류 유역에서의 강수량과 기온을 다음과 같이 산정하였다 먼저, 대상 유역인 대청댐 상류 유역의 5개 기상관측소의 1981~1999년 기간 동안의 강수량과 기온 자료를 현재 상태(lxCCh) 로 가정하였다 가정된 강수량과 기온에 표 1과 2의 월별 또는 계절별 Mean, Min, Max값을 고려하여 2xCO2 상황에서 각각의 시나리오에 따른 월별 강수량과 기온을 표 3과 4와 같이 계산하였다. 즉 표 1에 나타낸 시나리오에 따른 월 강수량의 변화율을 19년 동안의 월별 강수량에 곱해서 시나리오별 강수량을 구했으며, 표 2에 나타낸 월 기온의 변화량을 같은 기간의 월별 기온에 더해 줌으로써 각각의 기온을 산정한 것이다.
- CO2 배증에 따라 표 4와 같이 증가하는 시나리오별 기온을 대청댐 상류 유역의 19년(1981~ 1999년) 동안의 기상자료와 함께 이용해서 잠재증발산을 산정하였다. 즉, 식(3)의 Penman방법에 따라 시나리오별 잠재증발산량을 산정할 때 다른 계산 인자들(일조시간, 상대습도 풍속 등)은 대청댐 상류 유역의 실측자료를 그대로 적용하고 기온자료만 시나리오별로 변화된 값을 사용하여 잠재증발산량을 계산한 것이다.
- GCM 계산결과에 근거한 3.2.1 ~3.2.3절에서 산정된 강수량 기온 잠재증발산량 토양함수비, 증발산량과 유출량의 계절별 변화를 파악하기 위해서 각각의 시나리오에 따라 계산된 수문인자들의 월별 값을 평균하여 계절별 값을 산정하였으며, 계절별 변화를 파악하기 위하여 시나리오에 따른 계절별 변화량을 계산하여 표 9 에 나타내었다.
- 있다. 따라서, 본 연구에서는 각각의 GCM에 근거한 계산결과의 평균(Mean) 과 최소(Min), 최대 (Max) 값을 현재 상태의 기술 수준으로 분석할 수 있는 CO2 배증 상황에서의 발생 가능한 값의 범위로 가정하여 각각의 3가지 경*게 대해서 대상 유역에서의 수문환경 변화에 대해 분석하였다. 즉 GCM에 근거한 발생가능 강수량과 기온이 평균인 경우(Mean), 최소(Min)인, 그리고 최대인 경우(Max)의 3가지 시나리오를 설정해서 각각의 시나리오에 따라 대상 유역의 강수량과 기온을 계산한 후에, 물수지 모형을 이용하여 그 결과에 따라 달라지는 잠재증발산량 토양 함수비, 증발산량과 유출량을 계산하여 기존의 GCM 분석 결과로부터 도출해낼 수 있는 가능한 변동폭의 분석을 시도하였다.
- 유역 단위의 수문환경 변화를 살펴보기 위해서는 대기대순환 모형(GCM)을 통해 모의된 한반도의 기상 및 수문 특성의 변화를 고려하여 본 연구의 대상 유역으로 선정된 대청댐 상류 유역의 강수량과 기온 변화를 분석하였고, 물수지 모형을 이용하여 이에 따른 토양 함수비, 증발산, 유출량 등의 변화를 파악하였다. 또한 이러한 분석 과정을 통해 최종적으로 지구온난화에 의한 대청댐 유역의 수문환경 변화에 대한 분석 및 예측을 실시하였다.
- 본 연구에서는 대청댐 유역의 실측 월 강수량 및 월 유출량 자료를 사용해서 매개변수 a와 &를 결정하였으며, 식(1)을 이용하여 댐 건설 전후의 유출량 증발산량 토양함수비를 산정하여 지구온난화에 따른 대청댐 유역의 수문환경 변화를 분석하였다
- 이를 위해 지구온난화에 따른 한반도에서의 기온변화, 강우, 토양수분 등의 기상 및 수문 특성을 CO2의 증가 시나리오에 따라 모의한 대기대순환모형 (General Circulation Model, GCM) 모의 결과를 이용하여 분석하였다. 유역 단위의 수문환경 변화를 살펴보기 위해서는 대기대순환 모형(GCM)을 통해 모의된 한반도의 기상 및 수문 특성의 변화를 고려하여 본 연구의 대상 유역으로 선정된 대청댐 상류 유역의 강수량과 기온 변화를 분석하였고, 물수지 모형을 이용하여 이에 따른 토양 함수비, 증발산, 유출량 등의 변화를 파악하였다. 또한 이러한 분석 과정을 통해 최종적으로 지구온난화에 의한 대청댐 유역의 수문환경 변화에 대한 분석 및 예측을 실시하였다.
- 시도하였다. 이를 위해 본 연구에서는 CO2의증가 시나리오에 따라 모의한 대기대순환모형 모의 결과를 이용하여 본 연구의 대상 유역으로 선정된 대청댐 상류 유역의 강수량과 기온 변화에 따른 토양 함수비, 증발산 유출량 등의 변화를 물수지 모형을 이용하여 분석하였다 이상과 같은 분석 과정을 통해서, 최종적으로 지구온난화에 의한 한반도 수문환경의 변화에 대해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이와 같이 계산된 각각의 시나리오에 따른 19년 (1981~1999년) 동안의 강수량과 기온을 식(1)~(3) 의물수지 모형에 입력해서 잠재증발산량, 토양함수비, 증발산량과 유출량을 계산하여 CO2 배증에 따른 대청댐 상류 유역에서의 수문환경 변화의 분석을 시도하였다.
- 이와 같이 계산된 잠재증발산량과 실측된 강수량 및 유출량 자료를 이용해서 물수지 방정식 식(1)의 매개변수 a와 B를 결정하였다 강수량은 5개 기상관측소의 월강수량 자료를 티센가중법으로 평균하여 구했으며, 유출량은 대청댐의 유입량 자료를 사용하였다 이러한 자료를 이용하여 1981-1990년 기간에 대해서 매개변수의 검정을 실시하였고 1991T999년 기간에 대해 검증을 실시하였다. 1981-1990년 기간의 잠재증발산량 강수량 유줄량 자료를 이용해서 최적 매개변수를 산정한 결과 <2=0.
- 따라서, 본 연구에서는 각각의 GCM에 근거한 계산결과의 평균(Mean) 과 최소(Min), 최대 (Max) 값을 현재 상태의 기술 수준으로 분석할 수 있는 CO2 배증 상황에서의 발생 가능한 값의 범위로 가정하여 각각의 3가지 경*게 대해서 대상 유역에서의 수문환경 변화에 대해 분석하였다. 즉 GCM에 근거한 발생가능 강수량과 기온이 평균인 경우(Mean), 최소(Min)인, 그리고 최대인 경우(Max)의 3가지 시나리오를 설정해서 각각의 시나리오에 따라 대상 유역의 강수량과 기온을 계산한 후에, 물수지 모형을 이용하여 그 결과에 따라 달라지는 잠재증발산량 토양 함수비, 증발산량과 유출량을 계산하여 기존의 GCM 분석 결과로부터 도출해낼 수 있는 가능한 변동폭의 분석을 시도하였다.
- 1 절에서 선정한 GCM 계산결과(Mean, Min, Max)를 근거로 하여 대청댐 상류 유역에서의 강수량과 기온을 다음과 같이 산정하였다 먼저, 대상 유역인 대청댐 상류 유역의 5개 기상관측소의 1981~1999년 기간 동안의 강수량과 기온 자료를 현재 상태(lxCCh) 로 가정하였다 가정된 강수량과 기온에 표 1과 2의 월별 또는 계절별 Mean, Min, Max값을 고려하여 2xCO2 상황에서 각각의 시나리오에 따른 월별 강수량과 기온을 표 3과 4와 같이 계산하였다. 즉 표 1에 나타낸 시나리오에 따른 월 강수량의 변화율을 19년 동안의 월별 강수량에 곱해서 시나리오별 강수량을 구했으며, 표 2에 나타낸 월 기온의 변화량을 같은 기간의 월별 기온에 더해 줌으로써 각각의 기온을 산정한 것이다.
- 따라서 각 GCM의 결과에는 상당한 불확실성이 내재되어 있다는데 주의할 필요가 있다. 하지만 현재까지 GCM 이외에 기후변화를 예측할 수 있는 적절한 도구는 없는 실정이며 관련연구도 이러한 결과에 근거할 수밖에 없는 실정이다 그러므로 GCM의 종류에 따라 그 결과가 달라지기는 하지만 표 1과 2에 정리된 지구온난화에 따른 우리나라의 강수량과 기온의 변화량을 이용한 분석을 시도하였다
대상 데이터
- 대청댐 상류유역의 강수량 자료 및 잠재증발산량 계산에 필요한 기상자료를 제공하는 청주, 대전, 전주, 보은, 거창 등 5개 기상관측소의 자료를 이용하였으며, 가장 최근에 관측을 시작한 보은과 거창관측소의 경우 1973년부터 관측이 시작되었다. 본 연구에서는 대청댐의 완공이 1980년 12월에 이루어졌고, 댐 유입량 자료가 1981년부터 사용 가능하기 때문에 1981T 999년의 기간에 대해 수문환경의 변화에 대한 분석을 실시하였다.
- 본 연구는 대청댐이 위치해 있는 금강유역을 대상으로 하였다. 금강유역은 한반도의 중서부에 위치하며, 충청남도 충청북도의 절반 정도와 전라북도의 약 1/4 및 경기도 및 경상북도 일부를 포함하는 유역 면적 9, 886knf의 대유역으로서, 대략 남한면적의 1/10 정도인 남한 제3의 유역이며 본류의 유로 연장이 393.
데이터처리
- 변화를 분석 및 예측하고자 하였다. 이를 위해 지구온난화에 따른 한반도에서의 기온변화, 강우, 토양수분 등의 기상 및 수문 특성을 CO2의 증가 시나리오에 따라 모의한 대기대순환모형 (General Circulation Model, GCM) 모의 결과를 이용하여 분석하였다. 유역 단위의 수문환경 변화를 살펴보기 위해서는 대기대순환 모형(GCM)을 통해 모의된 한반도의 기상 및 수문 특성의 변화를 고려하여 본 연구의 대상 유역으로 선정된 대청댐 상류 유역의 강수량과 기온 변화를 분석하였고, 물수지 모형을 이용하여 이에 따른 토양 함수비, 증발산, 유출량 등의 변화를 파악하였다.
이론/모형
- 대청댐 상류 유역의 5개 기상관측소의 기상자료를 이용해서 식(4)의 Penman 방법으로 잠재증발산량을 산정하였으며, 티센가중법으로 대청댐 상류 유역의 평균 잠재증발산량을 산정하였다. 일반적으로 유역의 잠재증발산량은 측정된 pan 증발량의 70% 정도이다 (Bras, 1990).
- 따라서 잠재증발산량은 유역이 식생으로 완전 피복되어 있을 경우에는 저수지면으로부터의 증발량과 다를 것이 없다. 본 연구에서는 잠재증발산량의 산정에 식(4)와 같은 Penman 방법(Penman, 1948) 을 이용하였으며, 실측 pan 증발량과의 비교를 통해 그 적합성을 검토하였다.
성능/효과
- 1) 기존의 GCM 결과를 이용해서 분석된 한반도의 강수량과 기온의 변화 특성을 물수지 모형에 입력해서 CO2 배증에 따른 대청댐 상류 유역의 수문환경 변화를 분석하였으며, 이를 통해 CO2 배증에 따른 지구온난화 현상이 발생할 경우 강수량의 전반적인 증가 경향과 기온의 상승이 예측되었다.
- 검증을 실시하였다. 1981-1990년 기간의 잠재증발산량 강수량 유줄량 자료를 이용해서 최적 매개변수를 산정한 결과 <2=0.67, B=0.55로 나타났으며, 1991-1999년 기간의 잠재증발산량 강수량 자료를 이용한 결과도 검정시의 결과와 유사한 결과가 나타남을 통해 적절한 매개변수가 결정되었음을 판단할 수 있었다.
- 2) 지구온난화에 따른 기온의 상승으로 인해 잠재증발산량은 평균 14.7%가 증가할 것으로 분석되었으며, 이로 인해 토양함수비의 감소 및 증발산량의 증가가 예측되었다.
- 3) 대청댐 상류 유역의 유출량은 -29.2~40.7%의범위에서 평균 3.4% 정도 증가할 것으로 나타났으며, 이를 통해 전반적인 유출량의 증가경향이 예측되었다. 그러나, 유출량의 계절적 변화는 여름과 가을의 증가 및 겨울의 감소가 뚜렷할 것으로 분석되어 가뭄과 홍수의 발생 가능성이 현재보다 높아질 수 있음을 보였다.
- 4) 이상과 같은 분석을 통해 CO2 증가에 따른 지구온난화 현상이 심화될 경우, 한반도에서는 가뭄과 홍수와 같은 극치 기상이 지금보다 더욱 빈번하게 발생할 가능성이 높은 것으로 예측되었으며, 이에 대한 지속적인 관심과 대책이 필수적임을 알 수 있었다.
- GCM 을 이용하여 지구온난화에 따른 변화를 Manabe와 Wetherald(1975)가 처음 실시한 이후로 전 세계적으로 GCM을 이용한 연구를 활발히 수행하고 있으며, 사용한 GCM 과 모델에 따라 그 결과의 차이는 있지만 전반적으로 현재에 비해 대기중의 CO2 농도가 배증된다면 지구 전체적으로 2~5℃ 정도의 기온 상승이 발생할 것으로 예측되었는데, 이는 자연적인 변동 폭을 훨씬 뛰어넘는 값으로써 이에 따른 전 지구적인 기상 메카니즘의 변화로 인해 추가적인 변동이 발생할 것임을 강력하게 시사하고 있다. IPCC(1990) 에 의해 보고된 CO2 배증 상황이 발생할 경우 현재에 비해 전 지구적인 평균온도가 1.
- 강수량과 증발산량의 변화에 따른 2xCO2 상황에서 대청댐 상류 유역의 유출량의 변화를 표 8과 그림 1에 나타내었는데 lxCO2 상황에서 연 평균 667.9mm였으나, 2xCO2 상황에서는 472.7 ~939.8mm의 범위에서 연 평균은 690.4mm로 증가하고 있음을 알 수 있으며, 그 변동 폭도 월별로는 최소 -47.5%에서 최대 80.0%의 범위에서 변화하면서 연 평균은 -29.2~40.7%의 범위에서 평균적으로 3.4% 정도 증가하는 것으로 나타나고 있다. 따라서, GCM 계산결과에 근거한 연 평균 유출량의 변화로부터 판단해볼 때 대청댐 상류 유역에서 2xCO2 상황에서는 전반적으로 유출량^ 증가할 것으로 판단할 수 있을 것이다.
- 4% 정도 증가할 것으로 나타났으며, 이를 통해 전반적인 유출량의 증가경향이 예측되었다. 그러나, 유출량의 계절적 변화는 여름과 가을의 증가 및 겨울의 감소가 뚜렷할 것으로 분석되어 가뭄과 홍수의 발생 가능성이 현재보다 높아질 수 있음을 보였다.
- 4% 정도 증가하는 것으로 나타나고 있다. 따라서, GCM 계산결과에 근거한 연 평균 유출량의 변화로부터 판단해볼 때 대청댐 상류 유역에서 2xCO2 상황에서는 전반적으로 유출량^ 증가할 것으로 판단할 수 있을 것이다.
- 일반적으로 유역의 잠재증발산량은 측정된 pan 증발량의 70% 정도이다 (Bras, 1990). 따라서, 산정된 잠재증발산량을 측정된 1973-1990년 기간의 Pan 증발량과 비교하였으며, 잠재증발산량이 pan 증발량의 71.2% 정도로 나타났다 이를 통해 잠재증발산량이 적절하게 산정된 것으로 판단할 수 있었다.
- 7%가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 이러한 잠재증발산량의 증가는 유역의 토양함수비를 감소시키며, 이에 따라 증발산량이 변화하면서 최종적으로는 유역의 유출량의 변화를 유발할 것임을 예상할 수 있다
- 9℃의 범위에서 증가할 것으로 분석되었다. 또한 잠재증발산량은 최소 10% 이상씩 모든 계절에서 증가하는 것으로 나타났으며, 이에 따라 토양함수비는 전반적으로 감소할 것으로 분석되었고 증발산량은 -6-23% 범위내에서 증감을 보여주고 있다
- 유출량은 이러한 여러 인자들의 작용에 의한 최종적인 값으로서, 전반적으로는 증가 경향이 나타났으며, 특히 우기인 여름과 가을철의 증가와 건기인 겨울철의 감소 경향이 뚜렷했는데 이러한 결과로부터 추후 2xCO2 상황에서는 홍수와 가뭄과 같은 극치기상의 발생 가능성이 현재에 비해서 좀더 높아질 것으로 판단되어진다.
- 이러한 증발산량의 전반적인 증가 경향은 기온의 증가에 따른 잠재증발산량의 증가가 토양함수비를 감소시키기는 하지만 전체적인 증발산량의 증가에 크게 기여하고 있음을 보여주는 것이며, 기온이 증가하는 2xCO2 상황에서 만약 강수량이 감소하는 시나리오로 우리 나라의 상태가 변화한다면 그에 따른 가뭄의 발생은 지금의 상황보다는 훨씬 극심하게 다가올 수 있음을 시사한다고 할 수 있을 것이다
- 표 5에 나타낸 월별 잠재증발산량의 변화율을 살펴보면 최대 증가한 월은 11월의 25.8%, 최소 증가한월은 6월의 10.9%이며, 연 잠재증발산량은 12.1-17.1%의 범위내에서 평균 14.7%가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 이러한 잠재증발산량의 증가는 유역의 토양함수비를 감소시키며, 이에 따라 증발산량이 변화하면서 최종적으로는 유역의 유출량의 변화를 유발할 것임을 예상할 수 있다
- 표 6에 나타낸 토양함수비의 변화를 살펴보면 1XCO2 상황에서 연 평균 0.66이었으나, 2xCO2 상황에서는 0.52~0.72의 범위에서 연 평균은 0.63으로 감소하고 있음을 알 수 있으며, 그 변동폭도 월별로는 최소 -0.15에서 최대 0.08의 범위에서 변화하면서 연평균은 -0.14~0.06의 범위에서 평균적으로 -0.03 정도 감소하게 나타나고 있다.
- 표 7에서는 이러한 증발산량의 변화를 나타내었는데 lxCO2 상황에서 연 평균 621.01mm였으나, 2xCO2 상황에서는 584.0 ~763.8mm의 범위에서 연 평균은 681.9mm 로 증가하고 있음을 알 수 있으며, 그 변동폭도 월별로는 최소 -13.9%에서 최대 34.7%의 범위에서 변화하면서 연 평균은 -5.9~23.0%의 범위에서 평균적으로 9.8% 정도 증가하는 것으로 나타나고 있다
- 표 9로부터 지구온난화에 따른 대청댐 상류 유역 수문 환경의 변화를 분석해보면, 강수량은 겨울을 제외한 나머지 계절에서 증가추세를 보이면서 전반적으로 증가하는 경향을 보였으며, 기온은 2.7~4.9℃의 범위에서 증가할 것으로 분석되었다. 또한 잠재증발산량은 최소 10% 이상씩 모든 계절에서 증가하는 것으로 나타났으며, 이에 따라 토양함수비는 전반적으로 감소할 것으로 분석되었고 증발산량은 -6-23% 범위내에서 증감을 보여주고 있다
후속연구
- 따라서, 예측의 신뢰도는 GCM의 결과와 이를 분석한 모형이 가지는 물리적 과정의 정확성에 좌우되게 된다. 그러나, 현재까지의 기술 수준으로는 GCM 자체의 불확실성이 너무 큰 것이 사실이며, 본 연구의 결과도 이러한 GCM의 한계를감안하면서 이해되어야 할 것이다.
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