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마코프 연쇄를 이용한 서울지점 일강우의 발생특성 변화 연구
A Study on the Change of Occurrence Characteristics of Daily Seoul Rainfall using Markov Chain 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.42 no.9, 2009년, pp.747 - 758  

황석환 (한국건설기술연구원 수자원연구실) ,  김중훈 (고려대학교 공과대학 건축, 사회환경공학부) ,  유철상 (고려대학교 공과대학 건축, 사회환경공학부) ,  정성원 (한국건설기술연구원 수자원연구실) ,  주진걸 (고려대학교 공과대학 건축, 사회환경공학부)

초록
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본 논문에서는 연속자료로서 세계 최장의 기록을 보유하고 있는 서울지점의 강우량 자료를 이용하여 강우 발생특성의 장기 변동성을 분석하였다. 우선 마코프 연쇄에 근거한 전이확률 및 발생특성을 분석하여 측우기 자료의 정확성을 강우의 발생확률적 측면에서 평가하였다. 그리고 2차원 LOWESS 회귀방법을 이용하여 전이확률의 월간 장기변화특성을 분석하였다. 전이확률 및 발생특성 분석결과 원자료 계열의 CWK와 MRG는 발생특성이 다르게 나타났다. 강우사상의 특성은 과거에 비해 강우사상의 발생빈도가 높아지고 있으며 각 강우사상의 지속기간은 짧아지고 있는 것으로 나타났다. 그리고 전이확률의 월간 장기 변화특성을 분석한 결과, M20을 기준으로 CWK와 MRG의 무강우지속기간은 크게 차이를 보이지 않고 있으며, 강우지속기간은 1830년대 이후 지속적으로 감소하는 경향을 보이고 있는 것으로 나타났다. 특히 최근 9월 강우지속기간의 감소 경향이 두드러지게 나타났다. 이러한 결과를 최근 강우량의 증가양상과 더불어 고려하면 강우사상의 빈도와 심도(강우강도)가 증가하는 추세라고 해석할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, long-term variabilities of rainfall-occurrence characteristics are analyzed using rainfall data at Seoul, which is the longest data record existing in world. first, the accuracy of Chukwooki data set (CWK) are evaluated in view of rainfall-occurrence probability by analyzing the trans...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 강우모형을 이용한 다양한 연구들은, 최종 활용목적은 다를지라도, 대부분이 모형이 입력 자료로서의 강우 관측 자료의 부족함을 보완하기 위해 강우 모의 방법에 대한 유도나 성능검증에 국한되어 있었다. 그러나 본 논문의 목적은 이러한 강우 모형의 성능에 대한 평가나 모의된 강우자료의 정밀도를 평가하는 것이 아니다. 본 논문에서는 세계최장의 기록을 보유하고 있는 우리나라의 서울지점 일강우량 자료의 확률적인 전이 특성을 분석하여 측우기 자료의 정확성을 발생빈도적인 면에서 평가하고, 더 나아가 일강우의 장기적인 발생빈도적 변화특성을 가늠해보고자 한다.
  • 따라서, 본 분석은 강우의 장기 변화특성을 파악하기 위해 월강우량과 전이확률간의 상관성의 변화를 분석하였다. 이를 위해, 동일 관측조건에서 월강우량과 전이확률간 상관정도의 시변성과 정도를 분석하여 강우 발생특성의 장기변동성을 파악하였다.
  • 전이확률의 장기 월간 변동 특성을 분석하기 위해서 2차원 LOWESS 회귀분석(Cleveland, 1979)을 실시하였다. 본 논문에서는 근대우량계 원자료계열(M00의 MRG)에 대해서 전이확률의 월간 장기변동 특성을 분석한 후 비교적 동일한 조건으로 추정되는 M20에 대해 CWK와 MRG간의 월간 장기변동 특성을 비교하여 보았다. 물론 M20의 경우는 실제 발생특성이 아니고 CWK와의 비교를 위해 수정된 발생특성이므로 실제 전이특성과는 다르다는 점을 유념해야 한다.
  • 본 논문에서는 세계 최장의 기록을 보유하고 있는 서울지점 일강우량 자료의 확률적인 전이특성을 분석하여 측우기 자료의 정확성을 발생빈도적인 측면에서 평가하고, 일강우량의 장기 월간 발생빈도적 특성 변화를 분석해 보았다. 그 결과를 정리하면,
  • 그러나 본 논문의 목적은 이러한 강우 모형의 성능에 대한 평가나 모의된 강우자료의 정밀도를 평가하는 것이 아니다. 본 논문에서는 세계최장의 기록을 보유하고 있는 우리나라의 서울지점 일강우량 자료의 확률적인 전이 특성을 분석하여 측우기 자료의 정확성을 발생빈도적인 면에서 평가하고, 더 나아가 일강우의 장기적인 발생빈도적 변화특성을 가늠해보고자 한다.
  • 4월에서 10월까지 분석하였으나, 본 논문은 여름철 강우특성에 초점을 두고 있으므로 주로 6월에서 9월 사이의 강우특성에 대해 중점을 두고 분석하였다. 본 분석의 목적은 우선 원자료계열(M00)에 대한 CWK와 MRG간의 발생특성에 따른 차이를 파악하고, 유사조건(M20)하에서 CWK와 MRG간의 발생특성을 분석하여 일강우의 월별 발생특성의 장기변동성을 파악하는데 있다. 여기서 유사조건이라 함은 측우기 최소 관측단위가 약 2 mm임을 고려하여 근대우량계 계열에서도 2 mm 이하를 무강우로 간주한 경우이다.
  • 이를 통해 앞서 M00의 분석결과에서 나타난 “CWK의 경우 강우량이 상대적으로 적은 소규모 사상들은 기록에서 누락되었을 가능성”을 재확인해 보고자 하였다.

가설 설정

  • 이러한 추계학적 강우발생 모형으로 대표적인 것이 포아송 과정과 마코프 연쇄가 있다. 포아송 과정을 이용한 모형은 Rodriguez-Iturbe et al. (1984; 1987; 1988)에 의해 연구되었고, 강우의 발생은 포아송 과정을 따르고 강우강도와 지속기간은 일반적으로 지수분포(혹은 감마분포)를 따른다고 가정한다. 이러한 지수분포의 가정은 모형의 이론적 해석을 쉽게 한다는 장점 때문에 많이 채택되고 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
강우를 포함한 대부분의 기상자료들은 산업혁명 이후인 언제 이후부터 관측되어 기록됐는가? 이는 기후 변화를 초래할 수 있는 요인들이 많아졌고 더불어 잦은 기상이변으로 인해 기후변화에 대한 체감률이 높아졌기 때문이다. 그러나 강우를 포함한 대부분의 기상자료들은 산업혁명 이후인 20세기 이후부터 관측되어 기록되었다. 이러한 현실에서 장기간의 변화추세를 나타내는 강우량의 경년변화 여부를 판단할 근거가 매우 빈약하다.
일강우량에 기초한 강우모형은 어떤 면에서 매우 매력적이고 많은 실무 문제에서 만족할 만한 대안으로 사용되어 왔는가? 다만 일정시간 단위의 관측기록이 아닌 사상중심의 기록으로 인해 일강우량으로 변환시 다소의 불확실성이 포함되게 된다. 일강우량에 기초한 강우모형은 상대적으로 길고 신뢰도 있는 자료를 확보할 수 있다는 면에서 매우 매력적이고 많은 실무 문제에서 만족할 만한 대안으로 사용되어 왔다. 이러한 추계학적 강우발생 모형으로 대표적인 것이 포아송 과정과 마코프 연쇄가 있다.
세계 최장의 기록을 보유하고 있는 서울지점 일강우량 자료의 확률적인 전이특성을 분석하여 측우기 자료의 정확성을 발생빈도적인 측면에서 평가하고, 일강우량의 장기 월간 발생빈도적 특성 변화를 분석한 결과를 정리하면? 1) 관측자료에 나타난 일강우의 월별 발생특성 분석 결과, M00의 CWK와 MRG는 발생특성에 차이를 보였고, CWK의 경우 강우량이 상대적으로 적은 소규모 사상들은 기록에서 누락되었을 가능성이 매우 높음을 확인 할 수 있었다. M20을 기준으로 볼 때, 과거에서 현재로 오면서 강우지속기간의 수와 무강우지속기간의 수는 약간 증가하는 경향을 나타냈다. 강우지속기간과 무강우지속기간의 평균길이는 약간 짧아지는 경향을 나타내었고, 특히 무강우지속기간의 평균길이 감소폭이 매우 큰 것으로 나타났다. 결론적으로, 최근 강우사상의 특성은 과거에 비해 강우사상의 발생빈도가 높아지고 있으며 각 강우사상의 지속기간은 짧아지고 있다. 이를 최근 강우량의 증가양상과 더불어 고려하면 강우사상의 빈도와 심도(강우강도)가 증가하는 추세라는 의미로 해석할 수 있다. 2) 월강우량에 따른 강우 전이확률의 월별 변화특성을 분석한 결과, M00의 MRG의 경우, 4월에서 10월까지 동일강우량 대비 무강우지속기간의 변동폭은 커지고 강우지속기간의 변동폭은 비교적 일정하게 나타났다. M00의 ACC의 경우, 7월에서 9월까지 동일강우량 대비 무강우지속기간의 변동폭은 커지고 강우지속기간의 변동폭은 작아지는 것으로 나타났다. 월강우량 대비 p00, p11 모두 MRG에 비해 ACC의 월별 변동폭이나 경향성이 커졌다. M20의 강우지속기간의 변동폭은 동일강우량 대비 CWK와 MRG간에 큰 변화가 없고(M20의 8월의 경우 강우지속기간의 변동폭은 동일 강우량 대비 CWK에 비해 MRG가 약간 증가) 무강우지속기간의 변동폭은 CWK에 비해 MRG가 약간 증가한 것으로 나타났다. 이는 CWK에 대한 MRG의 강우량 증가를 함께 고려하면 MRG의 강우강도의 변동폭이 커졌다고 볼 수 있다. 그리고 6월과 9월의 경우 동일강우량 대비 강우지속기간의 변동폭은 BCC에 비해 ACC가 약간 감소하였고 8월은 약간 증가한 것으로 나타났으며 7월은 유사하였다. 3) 전이확률의 장기 월간 변동 특성을 분석한 결과, M00의 MRG를 기준으로 1980년대 중반이후 9월의 무강우지속기간은 짧아지고(강우의 발생빈도는 커지고) 6월의 강우지속기간은 길어지고 있는 것으로 나타났다. M20에 대하여 CWK와 MRG의 무강우지속기간은 크게 차이를 보이지 않고 있으며, 강우지속기간은 1830년대 이후 지속적으로 감소하는 경향을 보이고 있는 것으로 나타났다. 특히 최근 9월 강우지속기간의 감소 경향이 두드러지고 있고, 이를 강우량의 증가양상과 함께 고려하면 강우강도가 증가하고 있다고 추정할 수 있다.
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참고문헌 (18)

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  16. Todorovic, P., and Woolhiser, D.A. (1975). “A stochastic model of n-day precipitation.” Journal of Applied Meteorology, Vol. 14, pp. 17-24 

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  18. Wilks, D.S. (1999). “International variability and extreme-value characteristics of several stochastic daily precipitation models.” Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 93, pp. 153-169 

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