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문제 정의
- 그러나 이러한 연강수량의 증가추세를 수자원 계획에 활용함에 있어서 즉 내년의 강수량이 올해보다 더 많을 것을 혹은 내년 특정월의 강수량이 대상 특정월의 증감 경향에 대응하여 올해 특정월의 강수량보다 증가하거나 감소하는 것을 보장하지 않는다. 이는 자료 변동성과 상관한 문제로 본 연구에서는 추세분석에 사용된 변수들에 대한 대상 기간별 연 및 월자료의 유의수준별 증감추세를 분석하였다.
제안 방법
- Mann-Kendall 검정을 사용하여 30년, 60년, 90년, 100년의 각각 다른 자료기간 동안의 강수특성별 연추세와 월추세 분석을 실시하였다. Mann-Kendall 검정의 유의수준으로는 일반적인 기후자료분석에 이용되는 95%와 90%를 사용하였다.
- 일강수량이 80 mm 이상이면 호우주의보 발령대상 일이며 일강수량이 30 mm이고 빈번한 상황은 아닐지라도 일강수량 30 mm가 한시간 이내에 왔다면 호우주의보 발령대상 일이다. 그러므로 일강수량 80 mm, 30 mm인 강수일수의 경향을 분석하였으며 뿐만 아니라 일강수량 20 mm인 강수일수의 경향분석을 실시하였다.
- 그림 1은 우리나라 전역에 분포한 62개 지상관측소의 위치를 나타내고, 표 1은 관측소의 경위도와 해발고도를 나타내고 있다. 본 연구에서는 30년, 60년, 90년, 100년의 관측기간에 대하여 각 기간별 연 및 월강수량, 월 최대강수강도, 강수일수, 그리고 일강수량이 20 mm, 30 mm, 80 mm를 초과하는 강수일수의 추세 분석을 실시하였고, 일강수량을 기본 자료로 하여 월 및 연 강수량에 대한 추세분석을 실시하였다. 기상청에서 호우주의보를 발령하는 기준은 일강수량 80 mm 이상 또는 시강수량 30 mm 이상이다.
- 1904년에 목포, 인천, 부산에서 근대 기상관측이 시작되어온 이래, 우리나라 전역에 걸쳐서 현재 기상청에서 운영하고 있는 76곳의 종관 기상관측소에서 기상 및 기후자료를 수집하고 있다. 본 연구에서는 기상관측소 76곳의 관측시작시점부터 2004년 12월 31일까지의 장기 일 시계열 자료를 이용하여 월 및 연강수량의 경향성분석을 실시하였다. 세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO)에 따르면 주어진 관측소에서의 평년 강수량을 계산할 경우, 최소 30년 이상 자료의 평균값을 취하도록 권고하고 있다.
- 본 연구에서는 한반도 강수관련 자료의 장기 변동 특성을 분석하기 위하여 전국적으로 분포한 62개 기상관측소 일자료를 이용하여 30년, 60년, 90년, 100년의 관측기간에 대하여 각 기간별 연 및 월강수량, 월 최대강수강도, 강수일수, 그리고 일강수량이 20 mm, 30 mm, 80 mm를 초과하는 강수일수의 추세특성을 Mann-Kendall 검정을 사용하여 다음과 같은 분석 결과를 얻었다.
- 뿐만 아니라 기후변화에 따른 지하수 수질변화양상(김규범, 이강근, 2003)을 평가하기 위하여 사용되었다. 월 및 연 강수량을 이용하여 연강수량, 월 최대강수량, 강수일수 그리고 호우 일수의 변동성을 파악하기 위하여 특정 일강수량 이상을 가지는 강수일수의 변화추세를 분석하였다.
- 세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO)에 따르면 주어진 관측소에서의 평년 강수량을 계산할 경우, 최소 30년 이상 자료의 평균값을 취하도록 권고하고 있다. 이에 따라 각 관측소별 시계열자료를 2004년을 기준으로 최소 30년 이상의 자료를 보유한 62개 관측소를 선택하고, 이 관측소들의 자료를 다시 1975~2004(30년), 1945~2004(60년), 1915~2004(90년), 1905~2004(100년)의 자료로 분류하였다. 76곳의 지상관측소 중 30년 이상의 자료를 보유한 곳은 62곳, 60년 이상은 13곳, 90년 이상은 6곳, 그 중 100년 이상은 인천, 부산, 목포 3곳이 있다.
대상 데이터
- 그림 1. 계산에 사용된 기상관측소(62개소).
- 수자원 관리를 위하여 연강수량과 관련된 자료의 전체적인 변화 정보와 함께 월별 변화 경향에 대한 분석이 필수적이며 각 월별 자료의 90%와 95% 유의수준에 대한 MannKendall 검정 결과를 표 3에 요약하였다. 관측기간 30년의 관측소가 62개소로 관측기간 60년-13개소, 90년-6개소, 100년-3개소에 비하여 공간변화를 나타내기 용이하므로 관측기간 30년 자료를 기본 자료로 분석하고, 나머지 기간의 자료는 비교분석에 사용하였다. 표 3에서 보는 것과 같이 100년, 90년, 60년, 30년 자료에 대해서 각 월별 자료의 증가, 감소 추세의 다양한 변동성을 볼 수 있다.
데이터처리
- 즉 강수량의 추세변화와 함께 자료의 분산 특성과의 상관성은 수자원 관리를 위한 강수량 예측성 이해를 위해 필수적이다. 그러므로 본 연구에서는 비모수적 통계방법인 Mann-Kendall(MK) 검정을 이용하여 62개 지점의 종관기상 관측소에서 획득한 강수량에 대한 연 및 월별 추세분석 결과의 통계적 유의성을 검정하였다.
- 경향성분석은 장기간의 강수량과 유량 값에 대한 발생 가능성이 있는 장래의 경향성에 대해 정보를 제공해 주므로 수자원 계획의 수립과 운영에 있어서 유용한 도구이다. 회귀분석과 함께 비모수 검정기법의 하나인 Mann-Kendall 검정을 이용하여 대상 유역에 대한 장기간 강수 시계열 자료의 특정 기간에 대한 자료의 추세를 검정하였다. 전통적인 통계 검정방법들이 모평균의 분포를 동일한 분산에 대해 정규분포로 가정하고 그 분석을 수행하는데 비하여 Mann-Kendall 검정은 단지 연속적인 모평균을 가진다는 가정아래 검정분석을 수행한다(Gibbons, 1990).
이론/모형
- Mann-Kendall 검정을 사용하여 30년, 60년, 90년, 100년의 각각 다른 자료기간 동안의 강수특성별 연추세와 월추세 분석을 실시하였다. Mann-Kendall 검정의 유의수준으로는 일반적인 기후자료분석에 이용되는 95%와 90%를 사용하였다. 강수특성별 30년 자료의 90% 유의수준을 가지는 연 MannKendall 검정의 한반도에 대한 공간적 분포 샘플을 그림 3에서 제시하였다.
- 비모수 검정법인 MannKendall 검정기법은 기후변화에 따른 바람직한 유역관리를 위한 수문·기상자료의 변동 경향성 파악을 위하여 사용되었으며(배덕효, 정일원, 2005; Burn and Hag Elnur, 2002), 국가 지하수관측소 지하수위, 전기전도도 및 수온자료의 변동 경향성을 파악하기 위하여 사용되었다(이진용 등, 2006).
- 비모수 검정법인 MannKendall 검정기법은 기후변화에 따른 바람직한 유역관리를 위한 수문·기상자료의 변동 경향성 파악을 위하여 사용되었으며(배덕효, 정일원, 2005; Burn and Hag Elnur, 2002), 국가 지하수관측소 지하수위, 전기전도도 및 수온자료의 변동 경향성을 파악하기 위하여 사용되었다(이진용 등, 2006). 뿐만 아니라 기후변화에 따른 지하수 수질변화양상(김규범, 이강근, 2003)을 평가하기 위하여 사용되었다. 월 및 연 강수량을 이용하여 연강수량, 월 최대강수량, 강수일수 그리고 호우 일수의 변동성을 파악하기 위하여 특정 일강수량 이상을 가지는 강수일수의 변화추세를 분석하였다.
성능/효과
- 강수일수는 유의수준 90%의 30년 자료에서 5월의 증가추세, 2월, 4월, 12월에 감소추세를 보이고 통계적 유의성을 가지진 않지만 1월, 8월에 증가추세 3월, 6월에 감소추세를 보인다. 20 mm, 30 mm, 80 mm 이상의 일강수를 가지는 강우일수는 전반적으로 1월, 5월, 6월, 7월, 8월에 증가추세를 보이고 있고 80 mm 이상 일강수를 가지는 강우일수는 겨울철 동안은 그 빈도가 없어서 경향성을 나타내지는 않지만 5월, 6월, 7월, 8월에는 모두 증가하는 추세를 보여주었다. 30년 동안의 자료에 대한 유의한 경향성을 가지는 지점의 구성비에 대한 분석 결과는 월강수량의 경우 유의수준 95%에서 약 4% 지점이 유의한 증가추세, 0.
- 20 mm, 30 mm, 80 mm 이상의 일강수를 가지는 강우일수는 전반적으로 1월, 5월, 6월, 7월, 8월에 증가추세를 보이고 있고 80 mm 이상 일강수를 가지는 강우일수는 겨울철 동안은 그 빈도가 없어서 경향성을 나타내지는 않지만 5월, 6월, 7월, 8월에는 모두 증가하는 추세를 보여주었다. 30년 동안의 자료에 대한 유의한 경향성을 가지는 지점의 구성비에 대한 분석 결과는 월강수량의 경우 유의수준 95%에서 약 4% 지점이 유의한 증가추세, 0.5%지점이 유의한 감소추세를 보였다. 유의수준 90%의 경우 약 8% 지점이 유의한 증가추세, 1.
- 부록2는 강수 특성관련 변수들의 연 Mann-Kendall 검정 결과를 보여주고 있다. 80 mm 이상 일강수량을 가진 강수일수의 30년 자료를 보면 95% 유의수준에서 17개 지점(27%)이, 90% 유의수준에서 26개 지점(42%)이 증가추세를 보였고 유의성을 가지지 않은 사이트도 강한 증가추세를 보였다. 부록 2에서 보는 것과 같이 연강수량과 월 최대강수량은 90%, 95%의 유의수준에서 일부 관측소만 증가추세를 보이고 있고, 대부분의 관측소에서는 유의성을 가진 추세를 보이지 않았다.
- 월 최대강수강도는 유의수준 90%의 경우 약 16% 지점이 유의한 증가추세를 보였고 유의한 감소추세를 보이는 지점은 없었다. 강수일수는 유의수준 90%의 경우 약 5% 지점이 유의한 증가추세를 보였고 18% 지점이 유의한 감소추세를 보였다. 일강수량 20 mm와 30 mm 이상인 강수일수는 유의수준 90%의 경우 각각 약 13% 지점이 유의한 증가추세를 보였고 유의한 감소추세를 보이는 지점은 없었다.
- 최근 30년 동안의 연평균강수량의 변동은 지난 100년 동안의 변동성보다 더 큰 값을 보여주는데 이러한 결과는 지구온난화나 산업화 그리고 도시화와 같은 여러 요인들과 연관이 있을 것으로 사료된다. 강수특성별 MannKendall 검정 결과 연 추세 검정에서는 80 mm를 초과하는 강수일수 자료가 가장 많은 지점이 유의한 증가추세를 나타내었지만 강수량, 월 최대강수량, 강수일수, 그리고 일강수량이 20 mm, 30 mm를 초과하는 강수일수 자료는 통계적 유의성을 가지는 경향성을 보이는 지점이 매우 적었다. 1975년부터 2004년까지 자료에 대하여 연강수량은 유의수준 90%의경우 약 5% 지점이 유의한 증가추세를 보였고 유의한 감소 추세를 보이는 지점은 없었다.
- 부록 1은 지상관측소 62곳의 강우자료 기간과 회귀분석을 통한 직선의 기울기와 1975년부터 2004년까지의 강수평년값과 1975~1984년, 1985~1994년, 1995~2004년 동안의 최근 30년 동안을 10년 단위로 평균값을 나타낸다. 관측소의 각 대상기간에 대한 회귀직선의 기울기를 보면 울릉도의 60년 기간 동안의 기울기가 -1.85의 값을 가지는 것을 제외하고 모든 관측소에서 모든 기간에 대해 양의 기울기를 가진다. 최근 30년 동안의 기울기가 60년 90년 100년 자료의 회귀직선 기울기보다 4~5배 큰 것을 보아 최근 30년 사이의 강수량 증가추세가 전체 증가추세에 비하여 매우 강함을 알 수 있다.
- 강수특성별 30년 자료의 90% 유의수준을 가지는 연 MannKendall 검정의 한반도에 대한 공간적 분포 샘플을 그림 3에서 제시하였다. 그림 3에서 제시한 바와 같이 연강수량은 89% 관측지점이 양의 선형추세를 보임에도 불구하고 유의수준 90%에서 단지 3개 지점(5%)에서 유의한 증가추세를 보였으며 월 최대강수량의 경우 62개 관측소 중 10개 지점이(16%) 증가추세를 보였다. 이것은 선형추세의 증분량보다 강수량의 변동특성이 우세함을 의미한다.
- 표 3에서 보는 것과 같이 100년, 90년, 60년, 30년 자료에 대해서 각 월별 자료의 증가, 감소 추세의 다양한 변동성을 볼 수 있다. 먼저 강수량의 월별 추세검정 결과는 1975~2004년 자료에 대하여 유의수준 90%에서 1월에 37%의 지점이 유의한 증가추세를 보여 월 자료 중에서 가장 통계적으로 유의한 증가추세를 보인다. 5월에 28%, 8월에 15%의 지점이 유의한 증가추세를 보이고 8월은 100년, 90년, 60년 자료에서도 강한 증가추세를 보이고 있다.
- 80 mm 이상 일강수량을 가진 강수일수의 30년 자료를 보면 95% 유의수준에서 17개 지점(27%)이, 90% 유의수준에서 26개 지점(42%)이 증가추세를 보였고 유의성을 가지지 않은 사이트도 강한 증가추세를 보였다. 부록 2에서 보는 것과 같이 연강수량과 월 최대강수량은 90%, 95%의 유의수준에서 일부 관측소만 증가추세를 보이고 있고, 대부분의 관측소에서는 유의성을 가진 추세를 보이지 않았다. 이것은 대상기간에 대해 추세에 의한 증분치보다 강우 변동량이 많은 것을 의미하는 것으로, 특정 유의수준에 대해 유의한 추세가 없음을 의미하는 것이지 증가추세가 없음을 의미하는 것은 아니다.
- 연 자료에 대한 분석결과는 다음과 같다. 연강수량의 기초 통계량 분석 결과 1905년부터 2004년까지 지난 100년 동안 연평균 강수량은 약 100~200 mm 이상 증가하였고, 특히 1975년부터 2004년까지 연평균강수량의 증분치가 지배적인 것으로 나타났다. 최근 30년 동안의 연평균강수량의 변동은 지난 100년 동안의 변동성보다 더 큰 값을 보여주는데 이러한 결과는 지구온난화나 산업화 그리고 도시화와 같은 여러 요인들과 연관이 있을 것으로 사료된다.
- 8% 지점이 유의한 감소추세를 보였다. 월 최대강수량은 유의수준 95%에서 약 5% 지점이 유의한 증가추세, 1.5% 지점이 유의한 감소추세를 보였다. 유의수준 90%의 경우 약 10% 지점이 유의한 증가추세, 3.
- 유의수준 90%의 경우 약 7% 지점이 유의한 증가추세, 2% 지점이 유의한 감소추세를 보였다. 일강 수량 80 mm 이상인 각 월의 강우일수는 유의수준 95%에서 약 2% 지점이 유의한 증가추세, 0.5% 지점이 유의한 감소 추세를 보였다. 유의수준 90%의 경우 약 6% 지점이 유의한 증가추세, 1.
- 유의수준 90%의 경우 약 7%지점이 유의한 증가추세, 7% 지점이 유의한 감소추세를 보였다. 일강수량 20 mm 이상인 각 월의 강우일수는 유의수준 95%에서 약 3% 지점이 유의한 증가추세, 0.5% 지점이 유의한 감소추세를 보였다. 유의수준 90%의 경우 약 6% 지점이 유의한 증가추세, 2% 지점이 유의한 감소추세를 보였다.
- 강수일수의 경우 3개 지점(5%)이 증가추세와 11개 지점(18%)이 감소추세를 보였으며 전체적으로 68% 관측지점이 감소추세를 보였다. 일강수량 20 mm와 30 mm 이상인 일수는 각각 8개 지점(13%)이 증가추세를 보였고 80 mm 이상의 일강수를 가지는 강수일수에서 통계적 유의성을 가지는 증가추세를 보이는 지점이 26지점(42%)이었으며 97%의 관측지점이 증가추세를 보였다. 부록2는 강수 특성관련 변수들의 연 Mann-Kendall 검정 결과를 보여주고 있다.
- 유의수준 90%의 경우 약 6% 지점이 유의한 증가추세, 2% 지점이 유의한 감소추세를 보였다. 일강수량 30 mm 이상인 각 월의 강우일수는 유의수준 95%에서 약 3% 지점이 유의한 증가추세, 0.5% 지점이 유의한 감소추세를 보였다. 유의수준 90%의 경우 약 7% 지점이 유의한 증가추세, 2% 지점이 유의한 감소추세를 보였다.
- 월, 계절 및 연 강수량에 대한 연구가 전구나 국지적 규모로 그 추세를 밝혀내기 위해 세계의 여러 지역에서 수행되고 있다. 총강수량의 변화는 강수사상의 빈도와 각 사상시 강수강도의 변화의 복합적인 상관관계로 발생할 것으로 예상되었다. 지난 20세기 동안에 지구 지표 강수량은 북반구 고위도의 많은 지역에서 지난 10년 동안 0.
후속연구
- 또한 일강수량 80 mm 이상인 강수일수와 같이 호우 발생에 대한 유의한 증가추세가 여타 자료들이 보여준 유의성보다 높으므로 빈번한 홍수피해에 대한 대비가 필요함을 알 수 있다. 결론적으로 연강수량의 증가, 강수일수의 감소, 강수가 큰 호우사상의 증가로 요약될 수 있는 선행 연구들의 한반도 강수특성 분석결과와 일치하나 각 자료가 보이는 선형추세들의 통계적 유의성에 대한 고려가 있어야 할 것이다.
- 수자원은 인간사회의 모든 측면에서 큰 영향을 미치기 때문에 지역적, 국지적 수준에서의 수자원에 대한 기후변화의 영향을 탐지해내는 것이 필요하다. 기후변화로 인하여 발생하는 수문, 기상 자료의 경향성 및 변동성을 감지하기 위해서는 각종 기상 및 기후요소들, 즉 기온, 기압, 강수량, 습도, 운량 등의 장기간 시계열 자료의 분석이 이루어져야 한다. 이들 기후요소 중 인간생활에 가장 큰 영향을 끼치는 요소는 기온과 강수량이다.
- 기상 조건을 표현하는 시계열 분석을 위해서는 부분 Mann-Kendall 검정이 매우 타당한 검정 방법이다. 본 연구에서는 기상과 수문 시계열의 공변량이 사용되며, 공변량에 대한 Mann-Kendall 통계치에 대한 검정 통계치가 계산될 것이다. 먼저, 최소 하나의 반응변수와 설명변수로 구성된 자료를 목적에 따라 월별 혹은 계절별로 분리한다.
- 그럼에도 불구하고 전절에서 분석한 바와 같이 각 자료에 대한 유의한 월별 선형추세를 보이는 관측 지점의 비율은 매우 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 강수관련 자료들이 월별로 증가 또는 감소의 장기추세를 보임에도 불구하고 통계적으로 유의한 장기추세를 보이는 확률은 매우 적으며 이는 선형 증감에 따른 장기 변동보다 자료들이 가지고 있는 분산형태의 불확실이 매우 우세함을 의미하고 이러한 특성들은 수자원의 장기 계획 등에 있어서 반영되어야 할 것이다.
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