우리나라는 1990년대 이후 겨울에서 봄철로 이어지는 시기에 지역적으로 만성적인 가뭄이 계속되고 있고, 특히 2001년에는 기상관측이래 때 이른 무더위와 극심한 가뭄으로 전국적으로 피해를 입었다. 가뭄에 대한 경제적인 손실은 홍수에 비해서 2~3배정도 달하고 있으며 미국 해양기상청(NOAA)이 선정한 20세기 최대의 자연재해 중 세계 각지에서 발생한 4개의 가뭄이 상위 5위안에 랭크된 바 있고, 미국 국립가뭄경감센터(NDMC)에서 발표한 통계재해 유형별 연평균피해액 중 가뭄피해가 가장 큰 것으로 분석되었다. 국내에도 2001년 봄 가뭄 시 국내총생산 성장률 0.45% 소비자물가 0.31% 상승하는 등 가뭄에 의한 경제적인 손실과 영향력은 막대하였음에도 불구하고 홍수 등에 대비해서는 수해방지종합대책 등 국가차원의 사전대책을 마련하여 시행하고 있는 반면, 가뭄에 대해서는 종합적인 사전예방대책보다는 응급복구 위주로 되어 있고 가뭄상황을 객관적으로 표현할 수 있는 지표도 명확하지 않아 이에 대한 체계적인 연구가 시급한 실정이다. 본 연구에서는 RCM 강수모의 자료를 이용하여 표준강수지수(SPI)를 산정하여 가뭄의 변동성을 평가하였다. 또한 산정 되어진 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 실시하여 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 가뭄지수의 주성분 분석을 통하여 현재와의 차이점을 확인하였다.
우리나라는 1990년대 이후 겨울에서 봄철로 이어지는 시기에 지역적으로 만성적인 가뭄이 계속되고 있고, 특히 2001년에는 기상관측이래 때 이른 무더위와 극심한 가뭄으로 전국적으로 피해를 입었다. 가뭄에 대한 경제적인 손실은 홍수에 비해서 2~3배정도 달하고 있으며 미국 해양기상청(NOAA)이 선정한 20세기 최대의 자연재해 중 세계 각지에서 발생한 4개의 가뭄이 상위 5위안에 랭크된 바 있고, 미국 국립가뭄경감센터(NDMC)에서 발표한 통계재해 유형별 연평균피해액 중 가뭄피해가 가장 큰 것으로 분석되었다. 국내에도 2001년 봄 가뭄 시 국내총생산 성장률 0.45% 소비자물가 0.31% 상승하는 등 가뭄에 의한 경제적인 손실과 영향력은 막대하였음에도 불구하고 홍수 등에 대비해서는 수해방지종합대책 등 국가차원의 사전대책을 마련하여 시행하고 있는 반면, 가뭄에 대해서는 종합적인 사전예방대책보다는 응급복구 위주로 되어 있고 가뭄상황을 객관적으로 표현할 수 있는 지표도 명확하지 않아 이에 대한 체계적인 연구가 시급한 실정이다. 본 연구에서는 RCM 강수모의 자료를 이용하여 표준강수지수(SPI)를 산정하여 가뭄의 변동성을 평가하였다. 또한 산정 되어진 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 실시하여 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 가뭄지수의 주성분 분석을 통하여 현재와의 차이점을 확인하였다.
A chronic drought stress has been imposed during non-rainy season(from winter to spring) since 1990s. We faced the most significant water crisis in 2001, and the drought was characterized by sultry weather and severe drought on a national scale. It has been widely acknowledged that the drought relat...
A chronic drought stress has been imposed during non-rainy season(from winter to spring) since 1990s. We faced the most significant water crisis in 2001, and the drought was characterized by sultry weather and severe drought on a national scale. It has been widely acknowledged that the drought related damage is 2-3 times serious than floods. In the list of the world's largest natural disaster compiled by NOAA, 4 of the top 5 disasters are droughts. And according to the analysis from the NDMC report, the drought has the highest annual average damage among all the disasters. There was a very serious impact on the economic such as rising consumer price during the 2001 spring drought in Korea. There has been flood prevention measures implemented at national-level but for mitigation of droughts, there are only plans aimed at emergency (short-term) restoration rather than the comprehensive preventive measures. In addition, there is a lack of a clear set of indicators to express drought situation objectively, and therefore it is important and urgent to begin a systematic study. In this study, a nonstationary downscaling model using RCM based climate change scenario was first applied to simulate precipitation, and the simulated precipitation data was used to derive Standardized Precipitation Index (SPI). The SPI under climate change was used to evaluate the spatio-temporal variability of drought through principal component analysis at three different time scales which are 2015, 2045 and 2075. It was found that spatio-temporal variability is likely to modulate with climate change.
A chronic drought stress has been imposed during non-rainy season(from winter to spring) since 1990s. We faced the most significant water crisis in 2001, and the drought was characterized by sultry weather and severe drought on a national scale. It has been widely acknowledged that the drought related damage is 2-3 times serious than floods. In the list of the world's largest natural disaster compiled by NOAA, 4 of the top 5 disasters are droughts. And according to the analysis from the NDMC report, the drought has the highest annual average damage among all the disasters. There was a very serious impact on the economic such as rising consumer price during the 2001 spring drought in Korea. There has been flood prevention measures implemented at national-level but for mitigation of droughts, there are only plans aimed at emergency (short-term) restoration rather than the comprehensive preventive measures. In addition, there is a lack of a clear set of indicators to express drought situation objectively, and therefore it is important and urgent to begin a systematic study. In this study, a nonstationary downscaling model using RCM based climate change scenario was first applied to simulate precipitation, and the simulated precipitation data was used to derive Standardized Precipitation Index (SPI). The SPI under climate change was used to evaluate the spatio-temporal variability of drought through principal component analysis at three different time scales which are 2015, 2045 and 2075. It was found that spatio-temporal variability is likely to modulate with climate change.
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문제 정의
본 논문에서는 기후변화가 한반도의 가뭄발생 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 RCM 모의결과와 추계학적 축소기법에 의해 모의된 강수자료를 이용하여 표준강수지수(SPI)을 산정한 후 변동성을 평가하였다. 또한 산정된 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 실시하여 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 가뭄지수의 주성분 분석을 통하여 현재와의 차이점을 확인하였다.
본 연구에서는 RCM 강수모의 자료에 대해서 표준강수지수(SPI)를 산정하여 가뭄의 변동성을 평가하였다. 또한 산정되어진 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 위해서 주성분 분석을 실시하였다.
본 논문에서는 기후변화가 우리나라 가뭄에 미치는 영향을 분석하기 위하여 그림 1과 같이 기상청 관할 관측소를 대상으로 분석하였다. 이미 여러 연구 결과에서 나타난 것과 같이 최근 몇 년 사이에 전 세계적으로 기후가 변화하고 있다는 사실에 더 중점을 두고 각 유역 대상관측지점의 자료 경향성을 분석하기 위한 목적으로 각 관측지점의 자료 분석 기간(1973년~2006년)을 적용하였다.
제안 방법
본 연구에서는 과거와 미래 가뭄의 변동성을 분석하기 위하여 SPI 가뭄지수를 이용하였다. SPI 가뭄지수를 산정하기 위해서 기상청 A2 기후변화 강수량 시나리오를 유역단위로 통계적 Downscaling을 통해서 시공간적으로 상세화 하였다. 격자 형태인 기후변화 시나리오를 기상청 관측지점을 기준으로 공간적 상세화를 실시하여 미래 기후변화 영향이 관측지점의 강수특성으로 표출될 수 있도록 하였다.
가뭄의 시공간적 변동성 분석을 위해서 주성분 분석을 실시하였다. 주성분 분석은 앞서 계산된 표준강수지수(SPI)를 현재와 미래로 구분하여 수행되었다.
SPI 가뭄지수를 산정하기 위해서 기상청 A2 기후변화 강수량 시나리오를 유역단위로 통계적 Downscaling을 통해서 시공간적으로 상세화 하였다. 격자 형태인 기후변화 시나리오를 기상청 관측지점을 기준으로 공간적 상세화를 실시하여 미래 기후변화 영향이 관측지점의 강수특성으로 표출될 수 있도록 하였다. 본 연구에서 SPI 가뭄지수는 지속시간 6개월을 기준으로 하였다.
본 연구에서는 RCM 강수모의 자료에 대해서 표준강수지수(SPI)를 산정하여 가뭄의 변동성을 평가하였다. 또한 산정되어진 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 위해서 주성분 분석을 실시하였다. 미래 가뭄변동성은 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 실시하였으며 가뭄지수의 주성분 분석을 통하여 현재와의 시공간적 변동성을 평가하였다.
본 논문에서는 기후변화가 한반도의 가뭄발생 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 RCM 모의결과와 추계학적 축소기법에 의해 모의된 강수자료를 이용하여 표준강수지수(SPI)을 산정한 후 변동성을 평가하였다. 또한 산정된 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 실시하여 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 가뭄지수의 주성분 분석을 통하여 현재와의 차이점을 확인하였다.
또한 산정되어진 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 위해서 주성분 분석을 실시하였다. 미래 가뭄변동성은 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 실시하였으며 가뭄지수의 주성분 분석을 통하여 현재와의 시공간적 변동성을 평가하였다.
즉, 변동성 값이 양의 값을 가지는 경우에는 미래에 가뭄에 심해질 수 있다는 것을 의미한다. 미래의 기후변화는 30년씩 총 3개에 연대기로 구분하여 분석하였다.
본 논문에서는 IPCC SRES A2 기후변화시나리오에 대하여 27km×27km 고해상도 격자 규모의 기상청 RegCM3 RCM을 이용하였으며 한반도 규모의 기후변화를 모의하였으며 분위사상법(Quantile Mapping) (Wood 등, 2004; Hamlet 등, 2003)을 이용하여 RCM 자료의 각 지점별 관측기간 자료에 대한 편이보정(Bias Correction)을 실시하였다(Kim 등, 2011).
격자 형태인 기후변화 시나리오를 기상청 관측지점을 기준으로 공간적 상세화를 실시하여 미래 기후변화 영향이 관측지점의 강수특성으로 표출될 수 있도록 하였다. 본 연구에서 SPI 가뭄지수는 지속시간 6개월을 기준으로 하였다.
대표적인 가뭄지수로는 PDSI(Palmer Drought Severity Index), SMI(Soil Moisture Index), SPI(Standardized Precipitation Index), SWSI(Surface Water Supply Index) 등이 있으며, 이들 지수들은 각각의 장단점을 지니고 있어, 적용대상 지역의 수문・기상 특성, 수자원 공급 시설 등을 고려하여 각 지수들의 적용성을 파악하여 적절한 지수를 이용하거나 통합하여 이용한다. 본 연구에서는 표준강수지수(SPI)를 사용하여 가뭄분석을 실시하였다.
SPI 가뭄지수는 일반적으로 -2에서 2에 값의 범위를 가지면 음의 값을 가질 때 가뭄이라고 간주하며 기상학적 가뭄을 평가하는데 주로 이용된다. 이러한 점에서 본 연구에서는 정상년 기준으로 일반적인 가뭄상태를 나타내는 -1.0의 발생횟수를 과거와 미래로 구분하여 산정하였으며 이들의 상대적인 차를 계산함으로서 가뭄의 변동성을 평가하였다. 이와 더불어 심한 가뭄상태를 나타내는 -1.
가뭄의 시공간적 변동성 분석을 위해서 주성분 분석을 실시하였다. 주성분 분석은 앞서 계산된 표준강수지수(SPI)를 현재와 미래로 구분하여 수행되었다. 수문기상자료와 같은 다차원을 갖는 자료의 대표성을 시공간적으로 평가하는 것은 매우 중요하다.
McKee 등(1995)은 강수량이 부족하면 용수공급원인 지하수량, 적설량, 저수지 저류량, 토양 함유 수분, 하천 유출량 등에 각기 다른 영향을 미친다는 것으로부터 표준강수지수를 개발하였다. 즉, 계산 기간 단위를 3, 6, 12, 24 개월 등과 같이 설정하고 시간 단위별로 강수 부족량을 측정하여 개개의 용수공급원이 가뭄에 미치는 영향을 산정하는 것이다. 예를 들면, 단기간 동안의 강수량은 토양 수분 조건에 직접적으로 영향을 미치는 반면 장기간 동안의 강수량은 지하수량, 하천 유출량, 저수지 저류량 등에 영향을 미친다.
대상 데이터
본 논문에서는 기후변화가 우리나라 가뭄에 미치는 영향을 분석하기 위하여 그림 1과 같이 기상청 관할 관측소를 대상으로 분석하였다. 이미 여러 연구 결과에서 나타난 것과 같이 최근 몇 년 사이에 전 세계적으로 기후가 변화하고 있다는 사실에 더 중점을 두고 각 유역 대상관측지점의 자료 경향성을 분석하기 위한 목적으로 각 관측지점의 자료 분석 기간(1973년~2006년)을 적용하였다.
이론/모형
본 논문에서 이용한 RegCM3 모형은 ICTP(international center for theoretical physics)에서 개발하여 보급한 가장 최신의 중규모 기후모델이며, 2004년 그 방법론의 이론과 사용법이 공개되었다. RegCM3 모형은 MM5(Mesoscale Model version 5th) Hydrostatic 모형을 기반으로 개발되었으며, 시그마 좌표계와 Arakawa B 격자 좌표계를 연직 및 수평 좌표계로 각각 이용한다.
격자기반의 기후변화 영향을 유역규모로 축소하기 위하여 본 논문에서는 천이확률 및 강수 모의에 이용되는 Gamma 확률분포 등 분포형 매개변수들이 외부인자 즉, 기후변화시나리오에 따라 조건부로 변동할 수 있는 비정상성 Markov Chain 모형을 이용하였는데. 이 모형은 추계학적모형인 Markov Chain과 통계학적 Downscaling 모형을 결합한 형태로 권현한과 김병식(2009)의 연구내용에 근거하여 개발되었다.
본 연구에서는 과거와 미래 가뭄의 변동성을 분석하기 위하여 SPI 가뭄지수를 이용하였다. SPI 가뭄지수를 산정하기 위해서 기상청 A2 기후변화 강수량 시나리오를 유역단위로 통계적 Downscaling을 통해서 시공간적으로 상세화 하였다.
성능/효과
(1) 2015년대에는 일반적으로 강수의 증가가 전망되고 있으며 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 줄어들 것으로 전망된다. 따라서 A2 기후변화시나리오 기준 2015년대 가뭄의 변동성을 평가해보면 전체적으로 강수량 증가로 인해 가뭄의 출현 빈도는 감소할 것으로 전망된다.
(2) 2045년대에는 일반적으로 강수의 감소가 전망되고 있으며 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 증가할 것으로 전망된다. A2 기후변화시나리오 기준 2045년대 가뭄의 변동성을 평가해 보면 전체적으로 강수량 감소로 인해 내륙지방에서는 가뭄의 출현 빈도는 증가할 것으로 전망되며 반대로 해안지역에서는 가뭄의 출현 빈도가 감소할 것으로 전망된다.
(4) 미래 3개 연대에 EOF의 경우도 우리나라 전역에서 양의 값을 가지는 대표성분으로 추정되고 있음을 확인할 수 있다. 첫 번째 주성분의 경우 시각적인 주기특성과 공간적인 거동을 고려할 때 일반적인 가뭄의 연주기 성분은 크게 변동하지 않을 것으로 판단된다.
우리나라도 1990년대 이후 겨울에서 봄철로 이어지는 시기에 지역적으로 만성적인 가뭄이 계속되고 있고, 특히 2001년에는 기상관측 이래 때 이른 무더위와 극심한 가뭄으로 전국적으로 피해를 입었다. 가뭄에 대한 경제적인 손실은 홍수에 비해서 2~3배정도 달하고 있으며 미국 해양기상청(NOAA)이 선정한 20세기 최대의 자연재해 중 세계 각지에서 발생한 4개의 가뭄이 상위 5위안에 랭크된 바 있고, 미국 국립가뭄경감센터(NDMC)에서 발표한 통계재해 유형별 연평균피해액 중 가뭄피해가 가장 큰 것으로 분석되었다. 국내에도 2001년 봄 가뭄시 국내총생산 성장률 0.
첫 번째 주성분의 경우 시각적인 주기특성과 공간적인 거동을 고려할 때 일반적인 가뭄의 연주기 성분은 크게 변동하지 않을 것으로 판단된다. 두 번째 주성분이 가지는 특성은 앞에서 언급했듯이 연주기를 제외한 저빈도에서의 가뭄의 특성을 평가해주는 것으로 판단된다. 두 번째 주성분은 남북을 구분짓는 특성을 가지는 가뭄 특성으로 평가할 수 있다.
관동지방 및 서남부지방에서는 가뭄의 빈도가 감소할 것으로 전망되고 있다. 따라서 A2 시나리오 기준 2075년대 가뭄의 변동성을 평가해보면 전체적으로 강수량 감소로 인해 내륙지방에서는 가뭄의 출현 빈도는 증가할 것으로 전망되며 반대로 해안지역에서는 가뭄의 출현빈도가 감소할 것으로 전망된다.
주성분분석은 여러 변수들을 설명하기 위해 분산이 최대가 되도록 새로운 좌표축에 투영시켜 대표성을 갖는 새로운 자료계열을 추출하는 것이며, 이 때 분산이 최대가 되고 서로 직교하는 성질의 벡터를 주성분이라 한다. 따라서 다변량 자료들의 특성을 잘 표현할 수 있는 새로운 축들을 찾아 효율적으로 자료의 차원을 줄일 수 있는 장점을 갖게 됨을 의미한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가뭄지수란 무엇을 이용하여 가뭄 상황을 파악할 수 있는 지표인가?
일반적으로 가뭄은 기후학적 가뭄, 기상학적 가뭄, 수문학적 가뭄, 농업적 가뭄, 사회경제적 가뭄으로 분류하여 정의되고 있으며, 이에 따른 가뭄의 정도를 정량화 하기 위한 다양한 가뭄지수가 개발되어 왔다. 가뭄지수는 강우, 융설, 하천유량, 지하수 등 물공급 관련 자료를 이용하여 가뭄 상황을 파악할 수 있는 하나의 지표라 할 수 있다. 대표적인 가뭄지수로는 PDSI(Palmer Drought Severity Index), SMI(Soil Moisture Index), SPI(Standardized Precipitation Index), SWSI(Surface Water Supply Index) 등이 있으며, 이들 지수들은 각각의 장단점을 지니고 있어, 적용대상 지역의 수문・기상 특성, 수자원 공급 시설 등을 고려하여 각 지수들의 적용성을 파악하여 적절한 지수를 이용하거나 통합하여 이용한다.
McKee 등(1995)은 어떤 것으로부터 표준강수지수를 개발하였는가?
McKee 등(1995)은 강수량이 부족하면 용수공급원인 지하수량, 적설량, 저수지 저류량, 토양 함유 수분, 하천 유출량 등에 각기 다른 영향을 미친다는 것으로부터 표준강수지수를 개발하였다. 즉, 계산 기간 단위를 3, 6, 12, 24 개월 등과 같이 설정하고 시간 단위별로 강수 부족량을 측정하여 개개의 용수공급원이 가뭄에 미치는 영향을 산정하는 것이다.
본 연구결과, 미래 가뭄변동성을 시대별로 나누어 실시한 평가 결과는?
(1) 2015년대에는 일반적으로 강수의 증가가 전망되고 있으며 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 줄어들 것으로 전망된다. 따라서 A2 기후변화시나 리오 기준 2015년대 가뭄의 변동성을 평가해보면 전체적으로 강수량 증가로 인해 가뭄의 출현 빈도는 감소할 것으로 전망된다.
(2) 2045년대에는 일반적으로 강수의 감소가 전망되고 있으며 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 증가할 것으로 전망된다. A2 기후변화시나리오 기준 2045년대 가뭄의 변동성을 평가해 보면 전체적으로 강수량 감소로 인해 내륙지방에서는 가뭄의 출현 빈도는 증가할 것으로 전망되며 반대로 해안지역에서는 가뭄의 출현 빈도가 감소할 것으로 전망된다.
(3) 2075년대에는 지역적으로 강수의 변동성이 다르게 나타나고 있으나 전반적으로 약하게나마 강수의 감소가 전망되고 있다. 이에 따라-1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 증가할 것으로 전망된다. 관동지방 및 서남부지방에서는 가뭄의 빈도가 감소할 것으로 전망되고 있다. 따라서 A2 시나리오 기준 2075년대 가뭄의 변동성을 평가해보면 전체적으로 강수량 감소로 인해 내륙지방에서는 가뭄의 출현 빈도는 증가할 것으로 전망되며 반대로 해안지역에서는 가뭄의 출현빈도가 감소할 것으로 전망된다.
(4) 미래 3개 연대에 EOF의 경우도 우리나라 전역에서 양의 값을 가지는 대표성분으로 추정되고 있음을 확인할 수 있다. 첫 번째 주성분의 경우 시각적인 주기특성과 공간적인 거동을 고려할 때 일반적인 가뭄의 연주기 성분은 크게 변동하지 않을 것으로 판단된다. 두 번째 주성분이 가지는 특성은 앞에서 언급했듯이 연주기를 제외한 저빈도에서의 가뭄의 특성을 평가해주는 것으로 판단된다. 두 번째 주성분은 남북을 구분짓는 특성을 가지는 가뭄 특성으로 평가할 수 있다. 미래 3개 연대에 EOF의 경우에도 동일하게 평가하여 나타내었다. 2015년대와 2045년대에서는 서남부 해안에서 현재와는 다르게 중부지방과 유사한 가뭄특성으로 변동할 것으로 전망되고 있다. 그러나 전반적으로 현재와 크게 차이를 나타내고 있지 않음을 확인 할 수 있다.
참고문헌 (8)
권현한, 김병식 (2009) 비정상성 Markov Chain Model을 이용한 통계학적 Downscaling 기법 개발, 한국수자원학회 논문집, 제42권 제3호, pp. 213-225.
이주헌, 이길재 (2006), 국가 가뭄관리 정보시스템 구축, 한국수자원학회지, 제39권, 제3호, pp. 29-36.
Kim, B.S., Kim, B.K. and Kwon, H.-H. (2011), Assessment of the impact of climate change on the flow regime of the Han River basin using indicators of hydrologic alteration, Hydrological Process, Vol. 25(5), pp. 691-704.
Hamlet, A.F., Lettenmaier, D.P. and Snover, A. (2003) Climate change streamflow scenarios for critical period water planning studies: A technical methodology. Journal of Water Resources Planning and Management, ASCE, in review.
IPCC(2007). "Climate Change 2007", the Fourth Assessment Report (AR4) of the Intergovernmental Panel on Climate Change.
McKee, T. B. N. J. Doeskin, and J. Kleist, (1993). The Relationship of Drought Frequency and Duration to Time Scales. Proc. 8th Conf. on Applied Climatology, January 17-22, 1993, American Meteorological Society, Boston, Massachusetts, pp. 179-184.
McKee, T. B. N. J. Doeskin, and J. Kleist, (1995). Drought Monitoring with Multiple Time Scales. Proc. 9th Conf. on Applied Climatology, January 15-20, 1995, American Meteorological Society, Boston, Massachusetts, pp. 233-236.
Wood, A. W., Leung, L. R., Sridhar. V. and Lettenmaier, D. P. (2004) Hydrologic implications of dynamical and statistical approaches to downscaling climate model outputs. Climatic Change, Vol. 62, Issue 1-3, pp. 189-216.
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