[논문]강우량의 증가 경향성을 고려한 목표년도 확률강우량 산정

권영문; 박진원; 김태웅

doi:10.12652/ksce.2009.29.2b.131

강우량의 증가 경향성을 고려한 목표년도 확률강우량 산정
Estimation of Design Rainfalls Considering an Increasing Trend in Rainfall Data 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학, v.29 no.2B, 2009년, pp.131 - 139

권영문 (한양대학교 대학원 토목공학과) , 박진원 (한양대학교 대학원 토목공학과) , 김태웅 (한양대학교 건설환경시스템공학전공)

초록
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최근 우리나라에서 집중 호우의 발생이 잦아지고 강우 강도가 증가하면서 강우로 인한 극심한 홍수 피해가 빈번히 발생하고 있다. 홍수피해의 경감을 위해서 수공구조물의 계획 및 설계에서 강우의 증가경향을 반영한 목표년도 확률강우량 산정이 필요하다. 본 연구에서는 30년 이상 자료보유기간을 가진 기상청 관할 56개 강우관측소의 강우자료를 분석하여 증가 경향성이 존재하는 7개 지점의 설계목표년도의 확률강우량을 산정하는 방법을 제안하였다. Gumbel 분포를 이용하여 연 최대 강우량 평균과 위치 매개변수, 축척 매개변수 간 관계를 분석하였으며, 이를 바탕으로 설계목표년도에 적용가능한 확률밀도함수를 추정하고, 확률강우량을 산정하였다. 본 연구에서 제안된 방법으로 산정된 목표년도 확률강우량은 자료의 정상성을 가정한 확률강우량에 비해 6-20% 정도의 증가를 보여주고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently frequent occurrences of heavy rainfall and increases of rainfall intensity resulted in severe flood damage in Korea. In order to mitigate the vulnerability of flood, it is necessary to estimate proper design rainfalls considering the increasing trend of extreme rainfalls for hydrologic planning and design. This study focused the estimation of design rainfalls in a design target year. Tests of trend indicated that there are 7 sites showing increasing trends among 56 sites which have hourly data more than 30 years in Korea. This study analyzed the relationship between mean of annual maximum rainfalls and parameters of the Gumbel distribution. Based on the relationship, this study estimated the probability density function and design rainfalls in a design target year, and then constructed the rainfall-frequency curve. The proposed method estimated the design rainfalls 6-20% higher than those from the stationary rainfall frequency analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 현재의 강우강도의 변화를 고려하여, 설계 목표년도의 설계강우량을 산정하는 방법을 제안하고자 한다. 먼저 우리나라 강우량에 대한 통계학적 경향 분석을 통하여 적용 대상 지점을 선정하고, 본 연구에서 제안하는 목표년도 확률강우량의 산정법을 적용하고자 한다.
본 연구의 목표는 현재(~2006)의 강우량 자료의 증가 경향성을 고려하여 임의로 선정된 목표년도(2020년)의 확률강우량을 산정하는 것이다. 그림 5는 본 연구에서 제시하는 목표년도 확률강우량 산정법의 절차를 나타낸 것이다.

가설 설정

또한 “ 삽교천수계 유역종합치수계획수립”(건설교통부, 2005)에서 기후변화 시나리오(GCM-5)를 적용한 10년 후의 확률강우량을 산정하였다. 향후 50년 후 2CO₂ 상황에서는 현재 산정된 확률강우량 결과의 1/5정도로 변화하고, 100년 후는 현재 결과의 1/10정도 변화한다고 가정하여 목표년도의 확률강우량을 산정하였다. 여기서 천안, 부여, 보령, 서산의 지속시간 24시간 100년 빈도 확률강우량의 변화는 2~5% 정도의 증가를 예상하고 있다.

제안 방법

이를 위하여, 연 최대 강우량의 평균값이 Gumbel 분포의 매개변수의 변화에 미치는 영향을 살펴보았다. Gumbel 분포의 매개변수의 평균강우량에 대한 변화를 관찰하기 위해 초기 20년을 기준으로 1년씩 강우자료를 누가한 후 평균강우량을 산정하였다. 초기 20년을 기준으로 1년씩 강우자료를 추가하여 나타난 변화는 최근의 변화 양상을 잘 표현할 수 있는 것으로 알려져 있다(안재현등, 2000).
본 연구에서의 대상지점 모두 30개년 이상 40개년 이하의 강우자료를 가지고 있다. 강우량 자료가 가지는 비정상성은 평균이나 분산이 변함으로써 발생할 수 있는데, 본 연구에서는 확률강우량 산정에 민감한 영향을 줄 수 있는 평균강우량의 변화를 고려하였다. 이를 위하여, 연 최대 강우량의 평균값이 Gumbel 분포의 매개변수의 변화에 미치는 영향을 살펴보았다.
본 연구의 경향성 분석 결과 거창, 대전, 문경, 선산, 영주, 인제, 제천 등 7개 지점에서 2가지 검정법 이상에서 경향성이 존재하는 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 경향성이 존재하는 것으로 나타난 7개 지점을 대상 지점으로 선정하고, 대상지점의 임의시간 24시간 연 최대 강우량 자료를 이용하여 목표년도 확률강우량을 산정하였다.
또한 선행연구결과, GEV 분포는 형상매개변수의 증가에 의한 상한계가 존재하여 재현기간이 커질 경우 확률강우량의 감소를 나타내고 있어, 적용에 문제가 있는 것으로 판단되었다. 따라서, 본 연구에서는 기존의 연구결과와 비교 검토가 가능한 Gumbel 분포를 이용하였다.Gumbel 분포의 확률밀도함수와 누가확률분포 함수는 식 (1)과 (2)와 같다.
본 연구에서는 현재의 강우강도의 변화를 고려하여, 설계 목표년도의 설계강우량을 산정하는 방법을 제안하고자 한다. 먼저 우리나라 강우량에 대한 통계학적 경향 분석을 통하여 적용 대상 지점을 선정하고, 본 연구에서 제안하는 목표년도 확률강우량의 산정법을 적용하고자 한다. 본 연구에서 제안된 설계강우량 산정법은 직접적으로 수공구조물의 계획 및 설계에 반영할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 Gumbel 분포를 이용하여 확률밀도함수를 추정하였다. Gumbel 분포는 강우빈도해석시 실무에서도 가장 많이 선택하여 사용하는 분포이며, 우리나라 전국을 대상으로 분석한 ‘한국 확률강우량도 작성’(건설교통부, 2000)에서 모든 관측소에 대하여 최적 확률분포형을 Gumbel 분포로 채택한 바 있다.
본 연구에서는 경향성 검정을 통하여 증가 경향을 나타내는 지점을 파악하고, 목표년도의 확률강우량을 추정하였다. 초기 20년을 연 최대 강우량 자료를 기준으로 1년씩 누적하여 자료를 생성한 후 연 최대 강우량 평균과 위치 및 축척 매개변수를 산정하였다.
본 연구의 적용 방법은 연 최대 강우량의 변화가 회귀직선에 적합할 경우 적용이 가능하다. 따라서, 연 최대 강우량 평균의변화와 회귀직선간의 관계가 명확하지 않을 경우, 본 연구에서 제시한 목표년도 확률강우량 산정법의 적용이 어려울 것으로 판단된다.
그림 5는 본 연구에서 제시하는 목표년도 확률강우량 산정법의 절차를 나타낸 것이다. 연최대 강우량 평균의 증가에 대한 회귀직선을 이용하여 목표년도 평균 강우량을 산정하고, 산정된 평균 강우량을 이용하여 목표연도에 해당하는 분포의 매개변수를 추정하는 것이다.
강우량 자료가 가지는 비정상성은 평균이나 분산이 변함으로써 발생할 수 있는데, 본 연구에서는 확률강우량 산정에 민감한 영향을 줄 수 있는 평균강우량의 변화를 고려하였다. 이를 위하여, 연 최대 강우량의 평균값이 Gumbel 분포의 매개변수의 변화에 미치는 영향을 살펴보았다. Gumbel 분포의 매개변수의 평균강우량에 대한 변화를 관찰하기 위해 초기 20년을 기준으로 1년씩 강우자료를 누가한 후 평균강우량을 산정하였다.
본 연구에서는 경향성 검정을 통하여 증가 경향을 나타내는 지점을 파악하고, 목표년도의 확률강우량을 추정하였다. 초기 20년을 연 최대 강우량 자료를 기준으로 1년씩 누적하여 자료를 생성한 후 연 최대 강우량 평균과 위치 및 축척 매개변수를 산정하였다. 이와 같이 산정한 연 최대 강우량평균과 위치 및 축척매개변수 간 관계를 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

대상 데이터

우리나라의 경우 자료 보유 년 수가 짧기 때문에 신뢰성있는 자료의 구축은 강우 분석에 앞서 매우 중요한 부분이다. 따라서 기상청 시 강우자료 중 30년 이상의 자료를 보유하고 있는 56개 지점(그림 1)의 임의시간 24시간 연 최대 강우량 자료를 대상으로 경향성 분석을 실시하였다. 일반적으로 강우빈도해석은 관측강우로부터 추출한 지속시간별 연최대 강우량의 자료가 정상성 상태임을 가정하여 적용하므로 연최대 강우량의 경향성 검정을 수행하여야 하다.
본 연구에서의 대상지점 모두 30개년 이상 40개년 이하의 강우자료를 가지고 있다. 강우량 자료가 가지는 비정상성은 평균이나 분산이 변함으로써 발생할 수 있는데, 본 연구에서는 확률강우량 산정에 민감한 영향을 줄 수 있는 평균강우량의 변화를 고려하였다.

이론/모형

하지만 확률가중 모멘트법의 경우 가장 큰 자료에 큰 가중치를 주기 때문에 재현기간이 큰 경우에서 모멘트법이나 최우도법보다 확률강우량이 지나치게 높게 산정되는 경우가 있다(정종호와 윤용남, 2007). 따라서 본 연구에 서는 최우도법을 적용하여 빈도해석을 수행하였다. 표 2은 최우도법을 Gumbel 분포에 적용했을 때의 적합도 검정 결과를 나타내고 있다.
일반적으로 강우빈도해석은 관측강우로부터 추출한 지속시간별 연최대 강우량의 자료가 정상성 상태임을 가정하여 적용하므로 연최대 강우량의 경향성 검정을 수행하여야 하다. 본 연구에서는 Kendall, Hotelling-Pabst, Wald-Wolfowitz 검정 법을 이용하여 강우량 자료의 경향성 검정을 실시하였다. 재해영향평가 관련 규정에서는 경향성에 대한 검정 방법을 3가지 이상 적용한 후, 2가지 이상에서 위배되는 경우에는 설계빈도를 조정하도록 제안하고 있다(정종호와 윤용남, 2007).

성능/효과

1. 초기 20년에 1년씩 자료를 추가하여 산정한 연 최대 강우량 평균의 변화는 지속적인 증가 경향을 나타내고 있어 최근의 강우량 증가경향을 확인할 수 있다.
2. 연 최대 강우량 평균의 변화는 선형 회귀직선에 잘 적합하므로 목표년도의 평균 강우량을 회귀직선을 이용하여 추정할 수 있다.
3. 연 최대 강우량 평균과 매개변수 간 상관관계를 확인한 결과 모든 지점에서 높은 상관관계를 가지고 있어, 이를 이용한 목표년도 매개변수를 추정할 수 있다.
표 2은 최우도법을 Gumbel 분포에 적용했을 때의 적합도 검정 결과를 나타내고 있다. 7개 대상지점 모두 적합도 검정을 만족하고 있음을 알 수 있다.
최근 홍수 피해의 급증으로 설계 빈도의 상향조정 등이 논의되고 있다. 그러나 본 연구에서 제시한 목표년도 확률강우량 산정법을 적용하여 각 지역별 강우 패턴을 고려하여 목표년도 확률강우량을 산정함으로써 가까운 미래의 확률강우량 변화를 예측할 수 있다. 목표년도 확률강우량을 수공구조물의 계획 및 설계에 활용함으로써 전체적인 설계 빈도 상향 조정으로 발생되는 예산 낭비 방지와 홍수피해 저감을 기대할 수 있다.
본 연구에서 제시한 방법을 이용하여 목표년도 매개변수를 산정하고, 이를 적용하여 목표년도 확률강우량을 산정한 결과 현 시점의 확률강우량보다 6~20%의 증가를 나타내고 있다(표 7). 재현기간이 커질수록 증가율이 커지는 것을 알 수 있으나 그 차이 또한 2~5%로 크지 않음을 알 수 있다.
본 연구의 경향성 분석 결과 거창, 대전, 문경, 선산, 영주, 인제, 제천 등 7개 지점에서 2가지 검정법 이상에서 경향성이 존재하는 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 경향성이 존재하는 것으로 나타난 7개 지점을 대상 지점으로 선정하고, 대상지점의 임의시간 24시간 연 최대 강우량 자료를 이용하여 목표년도 확률강우량을 산정하였다.
국내에서는 김병식 등(2008)이 기후변화 시나리오를 이용 하여 미래 극한강우의 I-D-F 분석을 실시한 바 있다. 이 연구는 GCM 강우자료를 통계학적 축소기법을 이용하여 지역적 시 강우시계열(regional hourly rainfall series)로 변환하여 분석한 결과 강우강도가 증가함을 확인하였다. 또한 “ 삽교천수계 유역종합치수계획수립”(건설교통부, 2005)에서 기후변화 시나리오(GCM-5)를 적용한 10년 후의 확률강우량을 산정하였다.

후속연구

연 최대 강우량 평균과 각 매개변수간 상관관계가 매우 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 적절한 회귀모형을 이용하여 목표년도 연 최대 강우량을 추정하고, 이를 바탕으로 목표년도의 매개변수 또한 추정할 수 있을 것이다.
따라서, 연 최대 강우량 평균의변화와 회귀직선간의 관계가 명확하지 않을 경우, 본 연구에서 제시한 목표년도 확률강우량 산정법의 적용이 어려울 것으로 판단된다. 또한, 비선형 방정식을 적용하여 목표년도 평균강우량과 매개변수를 추정할 수 있지만, 이러한 비선형 방정식은 외삽 구간에 큰 불확실성을 가지고 있으므로, 단기간의 미래 추정량의 적용에는 선형 방정식이 보다 안정적으로 적용이 될 수 있을 것으로 판단된다.
먼저 우리나라 강우량에 대한 통계학적 경향 분석을 통하여 적용 대상 지점을 선정하고, 본 연구에서 제안하는 목표년도 확률강우량의 산정법을 적용하고자 한다. 본 연구에서 제안된 설계강우량 산정법은 직접적으로 수공구조물의 계획 및 설계에 반영할 수 있을 것이다.
여기서 천안, 부여, 보령, 서산의 지속시간 24시간 100년 빈도 확률강우량의 변화는 2~5% 정도의 증가를 예상하고 있다. 하지만 증가 경향이 크지 않아 적용하지 않았으며, 향후 예측과정 및 결과의 신뢰도를 재고한 후 다시 검토할 것을 제안하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	30년 동안 전국 60개 기상 관측 지점의 강우량 자료를 분석한 결과 시간당 50mm 이상의 집중호우가 쏟아진 횟수는 연도별로 어떻게 되는가?	이러한 강우 패턴의 변화로 인하여 집중호우의 발생이 잦아지고 강우 강도가 증가하면서 극심한 홍수의 피해가 계속해서 발생하고 있다. 기상청의 조사에 의하면, 지난 30년 동안 전국 60개 기상 관측지점의 강우량 자료를 분석한 결과 시간당 50mm이상의 집중호우가 쏟아진 횟수가 1977년부터 1986년까지 10년 동안 143회, 1987년부터 1996년까지 10년 동안 159회, 1997년부터 2006년까지 10년 동안 254회로 70년대에 비해 2배 가까이 증가했다고 한다. 또한, 2006년 자연재해의 원인별 재산피해액을 살펴보면 호우에 의한 피해가 약 2조원으로 대부분을 차지하고 있다(소방방재청, 2007).
	강우 패턴의 변화로 인해 어떤 피해가 발생하는가?	지구 온난화로 인해 우리나라가 겪고 있는 기후 변화 현상 중 하나가 강우 패턴의 변화이다 (임은순 등, 2006; 한만신 등, 2006; 김병식 등, 2008). 이러한 강우 패턴의 변화로 인하여 집중호우의 발생이 잦아지고 강우 강도가 증가하면서 극심한 홍수의 피해가 계속해서 발생하고 있다. 기상청의 조사에 의하면, 지난 30년 동안 전국 60개 기상 관측지점의 강우량 자료를 분석한 결과 시간당 50mm이상의 집중호우가 쏟아진 횟수가 1977년부터 1986년까지 10년 동안 143회, 1987년부터 1996년까지 10년 동안 159회, 1997년부터 2006년까지 10년 동안 254회로 70년대에 비해 2배 가까이 증가했다고 한다.
	본 연구를 통해 산정한 연 최대 강우량평균과 위치 및 축척매개변수 간 관계를 파악한 결론은 무엇인가?	1. 초기 20년에 1년씩 자료를 추가하여 산정한 연 최대 강우량 평균의 변화는 지속적인 증가 경향을 나타내고 있어 최근의 강우량 증가경향을 확인할 수 있다. 2. 연 최대 강우량 평균의 변화는 선형 회귀직선에 잘 적합하므로 목표년도의 평균 강우량을 회귀직선을 이용하여 추정할 수 있다. 3. 연 최대 강우량 평균과 매개변수 간 상관관계를 확인한 결과 모든 지점에서 높은 상관관계를 가지고 있어, 이를 이용한 목표년도 매개변수를 추정할 수 있다.

참고문헌 (12)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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