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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 과거에 발생했던 국내 가뭄의 주기성, 경향성 및 발생빈도 등과 같은 가뭄의 통계학적 특성을 파악하고자 서로 다른 이론적 배경을 갖고 있는 SPI 및 PDSI 가뭄지수를 활용하였으며, Mann-Kendall 경향성 검정법과 Wavelet Transform 분석법을 채택하여 가뭄의 경향성 및 주기성을 분석하였고 두 가지 가뭄지수간의 공통주기성분을 분석하기 위하여 Cross Wavelet Transform을 이용하였다. 또한 과거 30년간의 관측소별 과거 가뭄기간조사를 통하여 한반도에 발생하였던 극심한 가뭄의 발생빈도 및 지역적 분포를 확인함으로써 한반도에 발생했던 과거 가뭄현상의 통계학적 특성을 다양한 관점에서 규명하고자 한다.
- 본 논문은 매년 또는 주기적으로 발생하고 있는 우리나라의 가뭄발생현상을 통계학적으로 분석하기 위해 과거 가뭄발생 기록과 가뭄모니터링 자료를 이용하여 한반도 가뭄의 경향성, 주기성 및 빈도 등의 특성을 분석하고자 한다. 또한 한반도에 나타났던 가뭄을 정량적으로 표현하기 위하여 대표적인 가뭄지수인 SPI(Standardized Precipitation Index)와 PDSI(Palmer Drought Severity Index)를 적용하였으며, 서로 다른 이론적 배경과 산정방법을 갖는 두 가지 가뭄지수의 비교를 통해 한반도에 발생하였던 과거가뭄의 통계학적 특징을 객관적으로 평가하고자 하였다.
- 본 연구는 보다 객관적인 과거 가뭄 평가를 위해 가뭄 관련 미디어 기사 및 보고서의 기록을 통하여 가뭄기간을 조사하여 기사 및 보고서의 본문에서 표현하고 있는 가뭄 피해정도와 기간 등을 본 연구에서 산정된 가뭄지수값과 비교함으로써 대표적인 과거 가뭄사상과의 일치성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 SPI와 PDSI를 활용한 경향성, 주기성 및 빈도 해석을 통하여 한반도의 과거 가뭄특성을 분석하고자 하였다. Mann-Kendall 검정을 통하여 각 지수의 경향성을 분석한 결과, SPI3와 SPI6는 전 유역에서 봄과 겨울에 가뭄이 심화되는 경향을 보였고 여름철에는 가뭄이 완화되는 경향을 보였다.
- 본 연구에서는 기상청 산하 59개 관측소에 대한 과거 30년간의 월별 가뭄지수를 활용하여 5대강 유역에 발생하였던 극심한 가뭄의 지역적 분포 및 가뭄의 발생빈도를 살펴보고자 하였다. 이에 따라서 산정된 SPI6와 PDSI를 이용하여 각각 SPI(-2)이하의 극심한 가뭄과 PDSI(-4)이하의 극심한 가뭄을 나타낸 가뭄지수의 횟수 및 기간을 조사하였고 59개 관측소 중 가장 높은 빈도를 보인 상위 20개의 기상관측소를 Figs.
제안 방법
- 본 논문은 매년 또는 주기적으로 발생하고 있는 우리나라의 가뭄발생현상을 통계학적으로 분석하기 위해 과거 가뭄발생 기록과 가뭄모니터링 자료를 이용하여 한반도 가뭄의 경향성, 주기성 및 빈도 등의 특성을 분석하고자 한다. 또한 한반도에 나타났던 가뭄을 정량적으로 표현하기 위하여 대표적인 가뭄지수인 SPI(Standardized Precipitation Index)와 PDSI(Palmer Drought Severity Index)를 적용하였으며, 서로 다른 이론적 배경과 산정방법을 갖는 두 가지 가뭄지수의 비교를 통해 한반도에 발생하였던 과거가뭄의 통계학적 특징을 객관적으로 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 기상청 산하 59개 관측소에 대한 과거 30년간의 월별 가뭄지수를 활용하여 5대강 유역에 발생하였던 극심한 가뭄의 지역적 분포 및 가뭄의 발생빈도를 살펴보고자 하였다. 이에 따라서 산정된 SPI6와 PDSI를 이용하여 각각 SPI(-2)이하의 극심한 가뭄과 PDSI(-4)이하의 극심한 가뭄을 나타낸 가뭄지수의 횟수 및 기간을 조사하였고 59개 관측소 중 가장 높은 빈도를 보인 상위 20개의 기상관측소를 Figs. 8 and 9에 각각 나타내었다.
- 하지만 Palmer 가뭄심도지수는 미국을 대상으로 각종계수 및 기후특성인자를 고려하여 PDSI 산정 공식이 개발되었으므로 우리나라에 맞도록 강릉, 서울, 포항, 대구, 전주, 광주, 울산, 여수, 제주 9개의 지역을 선정하여 Palmer가 제시한 잠재증발산량산정 및 수분 수지분석과정을 거쳐 최대가뭄기간의 ΣZ를 계산하였다(국토해양부, 2008).
대상 데이터
- 가뭄지수를 산정하기 위해 사용된 기상자료는 장기간 양질의 관측 자료를 갖는 관측소를 선별하여 사용하였고, 동일기간의 두 가지 가뭄지수를 계산하기 위해 자료보유 기간이 부족한 관측지점은 분석대상에서 제외하였다.
- 본 연구에서는 가뭄을 정량적으로 평가하기 위하여 SPI와 PDSI 가뭄지수를 선정하였으며, 가뭄지수의 산정을 위해 Table 1 및 Fig. 1 같이 기상청 산하 기상관측소의 59개 지점의 1980～2009년도까지의 30년간 기상자료를 수집하였다.
데이터처리
- 또한 권현한과 문영일(2005b)은 ENSO (El Niño/La NiñaSouthern Oscillation)지수와 PDSI의 저빈도 상관성분석을 실시하였고 이를 위해 Cross Wavelet Transform과 MSSA(Multi-Channel Singular Spectrum Analysis)을 수행하였다.
- 서로 다른 지속기간을 갖는 SPI를 이용하여 산정된 유역별, 월별 가뭄지수에 대한 과거 자료의 경향성 분석을 위하여 Mann-Kendall 검정을 이용하였으며 신뢰구간 90% 수준과 95% 수준에서 유의성을 분석하였고 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다.
이론/모형
- 가뭄지수를 활용한 분석의 경우에도 한가지의 지수만을 사용하는 경우가 많은 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서는 과거에 발생했던 국내 가뭄의 주기성, 경향성 및 발생빈도 등과 같은 가뭄의 통계학적 특성을 파악하고자 서로 다른 이론적 배경을 갖고 있는 SPI 및 PDSI 가뭄지수를 활용하였으며, Mann-Kendall 경향성 검정법과 Wavelet Transform 분석법을 채택하여 가뭄의 경향성 및 주기성을 분석하였고 두 가지 가뭄지수간의 공통주기성분을 분석하기 위하여 Cross Wavelet Transform을 이용하였다. 또한 과거 30년간의 관측소별 과거 가뭄기간조사를 통하여 한반도에 발생하였던 극심한 가뭄의 발생빈도 및 지역적 분포를 확인함으로써 한반도에 발생했던 과거 가뭄현상의 통계학적 특성을 다양한 관점에서 규명하고자 한다.
- Gamma 확률 밀도 함수의 매개변수 α, β는 지점별 , 시간 축척별(1, 3, 6, 9, 12개월 등)으로 추정된다. 매개변수의 추정은 최우도법(maximum likelihood method)을 사용하였으며 이를 통해 계산된 매개변수를 이용해 대상지점의 시간간격에 대한 강우사상의 누가확률을 계산한다 (Eq. (1)).
- 본 연구에서는 Wavelet변환과 주요 주기 선정을 위해서 Torrence and Compo (1998)가 제시한 알고리즘을 사용하였다.
- 본 연구에서는 관측소별로 산정된 월 가뭄지수를 역거리가중법(IDW: Invert Distance Weighted)을 사용하여 유역별로 재산정 하였으며 유역별로 재산정된 지속기간별 SPI와 PDSI의 시계열은 Fig. 4와 같다.
성능/효과
- 59개 기상관측소별로 산정된 가뭄지수를 활용하여 관측소별 가뭄기간 및 심도를 조사한 결과로는 SPI와 PDSI에서 공통적으로 낙동강, 금강유역에서 심한 가뭄이상의 가뭄발생 빈도가 높았으며 SPI의 경우 낙동강 및 섬진강을 포함한 남부지방에서 높은 심한 가뭄발생 빈도가 나타났고, PDSI의 경우에는 영남지방을 중심으로 하는 남부지방의 심한 가뭄발생 빈도가 높았고 금강, 한강유역의 서해 일부 관측소에서도 높은 가뭄발생 빈도를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 매년 찾아오는 지역적인 겨울가뭄 및 봄가뭄에 대한 대책과 함께 6년 내외의 주기로 찾아오는 전국적인 대형, 극한 가뭄에 대한 범국가적, 실질적 가뭄대책의 마련이 필요한 실정이며 이를 위해서는 중앙정부차원 뿐만 아니라 가뭄 우심지역으로 분석된 낙동강과 섬진강 유역을 중심으로 하는 시도단위 차원에서의 실질적인 가뭄대책도 마련되어야 할 것이다.
- 5개 유역의 계절별 증감추세를 살펴보면 한강, 낙동강, 금강유역은 겨울과 봄으로 이어지는 기간에 가뭄이 심화되는 경향이 나타났고, 섬진강과 영산강은 여름을 제외한 전 계절에 가뭄이 심화는 경향을 보였다. 전반적으로 모든 유역에서 겨울과 봄 가뭄이 심화된 것을 확인할 수 있었다.
- Figs. 8 and 9에서 알 수 있듯이 우리나라에서 과거에 관측되었던 극심한 가뭄은 SPI 및 PDSI를 적용한 결과에서 다소의 차이는 있지만 주로 낙동강 유역, 금강유역 및 섬진강 유역을 중심으로 하는 남부 지방에서 나타났으며 중부지방보다 남부지방이 극심한 가뭄에 취약했던 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서는 SPI와 PDSI를 활용한 경향성, 주기성 및 빈도 해석을 통하여 한반도의 과거 가뭄특성을 분석하고자 하였다. Mann-Kendall 검정을 통하여 각 지수의 경향성을 분석한 결과, SPI3와 SPI6는 전 유역에서 봄과 겨울에 가뭄이 심화되는 경향을 보였고 여름철에는 가뭄이 완화되는 경향을 보였다. SPI12와 PDSI의 경우에는 지속 기간이 짧은 가뭄지수에서와 같은 계절적 변동성향이 나타나지 않았다.
- SPI12에서는 유역별로 상이한 결과를 보였는데 한강과 낙동강유역에서는 겨울까지 영향을 주었고, 금강유역은 큰 영향을 받지 않은 것으로 보이며, 섬진강과 영산강유역은 여름강수를 포함한 연간 강수량이 충분하지 않아 거의 전 기간에서 감소추세를 보였다. PDSI의 경우 낙동강과 금강유역은 큰 폭으로 가뭄이 심화되는 경향을 보였고, 한강유역도 가뭄이 심화되는 것으로 나타났으며 영산강과 섬진강유역은 증가폭의 차이가 컸지만 전반적으로 가뭄이 완화되는 모습을 확인할 수 있었다.
- SPI12를 이용하여 신뢰구간 90% 수준에서 경향성 검정을 한 결과 한강유역은 유의한 수준은 아니었으나 연중 내내 증가추세를 보였으며 낙동강, 금강유역의 경우 대부분의 기간에서 증가추세였으나 각각 3월 한 차례, 10～12월에 걸쳐 다소 감소하는 경향이 나타났다. 섬진강과 영산강은 대부분의 기간 중에 소폭의 감소경향을 보였다.
- 이러한 결과는 연속된 월 강수자료를 누적시켜 산출하는 SPI 특성이 반영되었을 것이라 판단되며 특히 금번의 분석자료의 경우 지속기간별로 SPI3의 경우에는 선행 여름강수가 여름에만 국한 되어 영향을 주었고, SPI6는 가을과 겨울 초까지도 영향을 준 것으로 보인다. SPI12에서는 유역별로 상이한 결과를 보였는데 한강과 낙동강유역에서는 겨울까지 영향을 주었고, 금강유역은 큰 영향을 받지 않은 것으로 보이며, 섬진강과 영산강유역은 여름강수를 포함한 연간 강수량이 충분하지 않아 거의 전 기간에서 감소추세를 보였다. PDSI의 경우 낙동강과 금강유역은 큰 폭으로 가뭄이 심화되는 경향을 보였고, 한강유역도 가뭄이 심화되는 것으로 나타났으며 영산강과 섬진강유역은 증가폭의 차이가 컸지만 전반적으로 가뭄이 완화되는 모습을 확인할 수 있었다.
- SPI3 (지속기간 3개월)를 이용하여 신뢰구간 90% 수준에서 경향성 검정을 한 결과 한강유역은 1～2월과 10～12월에서 감소추세를 보였으며, 낙동강유역에서는 1～3월과 10～12월에서 감소추세를 보였고, 다시 5～11월까지는 증가추세를 보였다. 특히 1월에는 두 유역 모두 유의한 수준의 감소추세가 나타났으며 전반적으로는 가을과 겨울 가뭄이 심화되는 것으로 나타났다.
- SPI3와 PDSI간 분석결과 중 금강, 섬진강, 영산강유역은 1988～1992년도 기간에서 유의한 수준의 강한 스펙트럼을 보였고 동일위상(시계방향) 시계열을 갖는 것으로 나타났으며, 한강과 낙동강유역도 1986～1992년도 기간에서 같은 위상을 갖는 시계열임을 확인할 수 있었다. SPI6와 PDSI간 분석결과에서도 전 유역에서 대부분 같은 위상을 보였고 1985년부터 1992년도에 걸쳐 유의한 스펙트럼이 나타나는 것으로 확인되었다.
- 또한 금강, 섬진강, 영산강유역에서는 1985년도 전후와 2000년대 초반에서 1년 내외에서 강한 주기성을 보였으며 대체로 전 유역에서 1～2년의 주기를 갖는 것으로 나타났다. SPI6는 한강과 낙동강유역에서 1990년도 전후로 4년 내외의 강한 주기성분을 확인 할 수 있었고 섬진강과 영산강유역은 1990～2000년도 기간에서 2년 내외의 주기성을 보였으며 금강유역은 2000년대 이후에 1년 내외의 주기에서 강한 스펙트럼을 나타냈다. SPI12는 1980년대 후반부터 1990년대 후반에 이르기까지 금강유역을 제외한 전 유역에서 4～6년 주기의 강한 성분이 보였다.
- SPI6를 이용하여 신뢰구간 90% 수준에서 경향성 검정을 한 결과 한강유역은 다른 유역과는 달리 1월, 4～12월까지 장기간 증가추세를 보였으며 감소추세는 2월과 3월뿐이었고 유의하지 않은 결과였다. 낙동강, 금강유역에서는 1～4월에 걸쳐 감소추세를 보였으며 각각 11월과 12월에 소폭 증가한 부분을 제외하면 5월부터 10월까지 증가 추세를 보였다.
- SPI3와 PDSI간 분석결과 중 금강, 섬진강, 영산강유역은 1988～1992년도 기간에서 유의한 수준의 강한 스펙트럼을 보였고 동일위상(시계방향) 시계열을 갖는 것으로 나타났으며, 한강과 낙동강유역도 1986～1992년도 기간에서 같은 위상을 갖는 시계열임을 확인할 수 있었다. SPI6와 PDSI간 분석결과에서도 전 유역에서 대부분 같은 위상을 보였고 1985년부터 1992년도에 걸쳐 유의한 스펙트럼이 나타나는 것으로 확인되었다. 또한 SPI12와 PDSI 간 분석결과 전반적으로 1990～2000년도 사이에서 5～6년의 주기를 나타내었다.
- 가뭄이 극심했던 기간의 발생 빈도를 조사한 결과, Fig. 8과 Table 3을 보면 SPI6의 경우 낙동강유역과 섬진강유역에 위치하는 의성, 진주, 임실, 거창, 정읍, 영덕, 울진, 순천 등의 20개 지역에서(-2) 이하의 극심한 가뭄의 발생빈도가 높은 것으로 나타났다.
- SPI12와 PDSI의 경우에는 지속 기간이 짧은 가뭄지수에서와 같은 계절적 변동성향이 나타나지 않았다. 다만 연강수량의 증감에 따라서 유역별로 다소 다른 증감 추세를 나타내었으나 유의성은 없는 것으로 분석되었다. 이와 같은 가뭄의 경향성 분석 결과, 겨울에서 봄으로 이어지는 가뭄현상은 심도에 있어서 더욱 심해지는 것으로 나타남과 동시에 가뭄 지속기간에 있어서도 길어지게 되므로 겨울가뭄과 봄가뭄에 대한 적절한 대책이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
- 먼저 SPI3를 유역별로 살펴보면 한강과 낙동강유역에서 1985～1990년 기간과 2000년도 전후에서 1～2년의 주기에서 통계적으로 5% 이내의 유의한 강한 스펙트럼이 나타났고 1990년도 전후로 2～4년의 주기의 강한 성분을 확인할 수 있었다. 또한 금강, 섬진강, 영산강유역에서는 1985년도 전후와 2000년대 초반에서 1년 내외에서 강한 주기성을 보였으며 대체로 전 유역에서 1～2년의 주기를 갖는 것으로 나타났다. SPI6는 한강과 낙동강유역에서 1990년도 전후로 4년 내외의 강한 주기성분을 확인 할 수 있었고 섬진강과 영산강유역은 1990～2000년도 기간에서 2년 내외의 주기성을 보였으며 금강유역은 2000년대 이후에 1년 내외의 주기에서 강한 스펙트럼을 나타냈다.
- 반면에 PDSI의 검정결과 유의성을 갖는 범위에서 낙동강과 금강유역이 거의 전 기간에서 큰 폭으로 증가추세가 나타났고 유의하지 않는 구간이긴 하나 한강유역 또한 증가추세를 보였다. 또한 섬진강은 전 기간에서 유의한 증가추세를 보였고 영산강은 유의하진 않으나 9월부터 12월까지 소폭 감소하는 추세가 나타났다. 반면에 95% 수준의 신뢰구간에서는 전 유역에서 유의하지 않은 것으로 나타났다.
- 7에서 보이듯 스펙트럼 상에 표시된 화살표가 동일한 방향을 나타내고 있으며 이는 두 가지 가뭄지수의 위상이 같음을 의미한다. 또한 폐합곡선의 강한 스펙트럼을 살펴본 결과 두 지수간의 저빈도 공통성분이 많은 것으로 나타났다.
- 먼저 SPI3를 유역별로 살펴보면 한강과 낙동강유역에서 1985～1990년 기간과 2000년도 전후에서 1～2년의 주기에서 통계적으로 5% 이내의 유의한 강한 스펙트럼이 나타났고 1990년도 전후로 2～4년의 주기의 강한 성분을 확인할 수 있었다. 또한 금강, 섬진강, 영산강유역에서는 1985년도 전후와 2000년대 초반에서 1년 내외에서 강한 주기성을 보였으며 대체로 전 유역에서 1～2년의 주기를 갖는 것으로 나타났다.
- 특히 1월에는 두 유역 모두 유의한 수준의 감소추세가 나타났으며 전반적으로는 가을과 겨울 가뭄이 심화되는 것으로 나타났다. 반면에 95% 수준의 신뢰구간에서는 한강유역과 낙동강유역의 1월에서만 유의한 수준의 감소추세를 보였다.
- 섬진강과 영산강은 대부분의 기간 중에 소폭의 감소경향을 보였다. 반면에 PDSI의 검정결과 유의성을 갖는 범위에서 낙동강과 금강유역이 거의 전 기간에서 큰 폭으로 증가추세가 나타났고 유의하지 않는 구간이긴 하나 한강유역 또한 증가추세를 보였다. 또한 섬진강은 전 기간에서 유의한 증가추세를 보였고 영산강은 유의하진 않으나 9월부터 12월까지 소폭 감소하는 추세가 나타났다.
- 섬진강유역은 1～4월, 10～12월까지 감소 추세를 보였고, 5～8월은 증가추세를 나타냈다. 영산강유역은 1～4월, 9～12월까지 감소추세를 보여 전 유역 중에서 가장 오랜 기간 동안 감소하는 경향을 보였다. 반면에 95% 수준의 신뢰구간에서는 전 유역에서 유의하지 않은 것으로 나타났다.
- 전체 분석 결과를 보면 SPI의 경우 지속기간이 길어질 수록 가뭄이 완화되고 특히 여름기간의 가뭄이 완화되는 추세가 두드러지는 것을 볼 수 있는데 이는 지속기간이 길어지면서 여름강수를 포함하여 평가되는 기간이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 결과는 연속된 월 강수자료를 누적시켜 산출하는 SPI 특성이 반영되었을 것이라 판단되며 특히 금번의 분석자료의 경우 지속기간별로 SPI3의 경우에는 선행 여름강수가 여름에만 국한 되어 영향을 주었고, SPI6는 가을과 겨울 초까지도 영향을 준 것으로 보인다. SPI12에서는 유역별로 상이한 결과를 보였는데 한강과 낙동강유역에서는 겨울까지 영향을 주었고, 금강유역은 큰 영향을 받지 않은 것으로 보이며, 섬진강과 영산강유역은 여름강수를 포함한 연간 강수량이 충분하지 않아 거의 전 기간에서 감소추세를 보였다.
- 섬진강유역에서는 유의한 수준은 아니었으나 8～12월, 1월, 3～4월에 감소추세를 이어갔고 2월과 5～7월에 증가추세를 보였으며, 영산강유역은 1월과 3월, 8월부터 12월까지 감소추세를 보였고 이중 11월은 유의한 수준의 감소추세였으며 2월과 4～7월은 증가추세를 이어갔다. 이상의 세 유역에서는 장기간의 감소추세가 두드러졌으며 특히 1월 및 10월과 11월경의 감소추세는 거의 유의한 수준을 보여 가을과 겨울에 가뭄이 심화되는 경향을 확인 할 수 있었다. 그러나 신뢰구간을 95% 수준으로 검토한 결과에서는 세 유역 모두 유의하지 않았다.
- 이상의 연구에서 알 수 있듯이 가뭄과 관련된 기존의 연구는 가뭄을 정량적으로 모니터링하는 연구와 통계분석에 의한 빈도해석이 주를 이루고 있는 것으로 나타났다. 특히, 수문시계열의 경향성 분석과 관련 하여는 강수 자료를 활용한 연구가 대부분을 이루고 있으며, 지수를 이용한 가뭄심도의 경향성을 분석한 연구는 많지 않은 것으로 분석되었다.
- 전체 분석 결과를 보면 SPI의 경우 지속기간이 길어질 수록 가뭄이 완화되고 특히 여름기간의 가뭄이 완화되는 추세가 두드러지는 것을 볼 수 있는데 이는 지속기간이 길어지면서 여름강수를 포함하여 평가되는 기간이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 결과는 연속된 월 강수자료를 누적시켜 산출하는 SPI 특성이 반영되었을 것이라 판단되며 특히 금번의 분석자료의 경우 지속기간별로 SPI3의 경우에는 선행 여름강수가 여름에만 국한 되어 영향을 주었고, SPI6는 가을과 겨울 초까지도 영향을 준 것으로 보인다.
- 한편, 각 유역의 가뭄 발생에 대한 주기성을 분석한 결과로는 1～3년 정도에서 길게는 6년 정도의 주기성을 나타냈으며, SPI의 경우 지속기간이 길어질수록 6년 이상의 긴 주기성을 가졌고, SPI3는 짧게는 1년 내외의 주기성 보였다. SPI6와 SPI12는 4～6년 주기성을 나타냈으며 PDSI도 마찬가지로 6년 내외의 주기성을 보였다.
후속연구
- 다만 연강수량의 증감에 따라서 유역별로 다소 다른 증감 추세를 나타내었으나 유의성은 없는 것으로 분석되었다. 이와 같은 가뭄의 경향성 분석 결과, 겨울에서 봄으로 이어지는 가뭄현상은 심도에 있어서 더욱 심해지는 것으로 나타남과 동시에 가뭄 지속기간에 있어서도 길어지게 되므로 겨울가뭄과 봄가뭄에 대한 적절한 대책이 마련되어야 할 것으로 판단된다.
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