[논문]농업가뭄대응을 위한 가뭄기상시나리오 모델 개발 및 적용

유승환; 최진용; 남원호; 김태곤; 고광돈

doi:10.5389/ksae.2012.54.2.067

농업가뭄대응을 위한 가뭄기상시나리오 모델 개발 및 적용
Developing Model of Drought Climate Scenarios for Agricultural Drought Mitigation 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.54 no.2, 2012년, pp.67 - 75

유승환 (서울대학교 농업생명과학대학 연수연구원) , 최진용 (서울대학교 조경.지역시스템공학부, 농업생명과학연구원) , 남원호 (서울대학교 생태조경.지역시스템공학부 대학원) , 김태곤 (서울대학교 생태조경.지역시스템공학부 대학원) , 고광돈 (한국농어촌공사 수자원관리처 수자원운영팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Different from other natural hazards including floods, drought advances slowly and spreads widely, so that the preparedness is quite important and effective to mitigate the impacts from drought. Evaluation and forecast the status of drought for the present and future utilizing the meteorological scenario for agricultural drought can be useful to set a plan for agricultural drought mitigation in agriculture water resource management. In this study, drought climate scenario model on the basis of historical drought records for preparing agricultural drought mitigation was developed. To consider dependency and correlation between various climate variables, this model was utilized the historical climate pattern using reference year setting of four drought levels. The reference year for drought level was determined based on the frequency analysis result of monthly effective rainfall. On the basis of this model, drought climate scenarios at Suwon and Icheon station were set up and these scenarios were applied on the water balance simulation of reservoir water storage for Madun reservoir as well as the soil moisture model for Gosam reservoir watershed. The results showed that drought climate scenarios in this study could be more useful for long-term forecast of longer than 2~3 months period rather than short-term forecast of below one month.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 호우의 경우, 농업용 수리 시설물이나 작물에 있어서 무효 월류량 등으로 유출되어 비록 강수량이 많을지라도 농업적인 측면에서 보면 그 사용에 있어서 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 포장 및 유역에서의 강우로 인하여 농업용수로 사용될 수 있는 강우량을 유효우량으로 정의하였는데, 이를 위해서는 강우량의 상한값과 하한값을 이용한 유효우량 산정이 적합할 것으로 판단된다. 이러한 유효우량의 상한과 하한 설정은 목적 및 방법 등에 따라서 다양하게 설정이 가능하다.
본 연구에서는 과거 가뭄이 발생했던 기록을 바탕으로 농업가뭄대응을 위한 가뭄단계별 기상시나리오를 설정할 수 있는 모델을 개발하고, 이를 저수지물수지분석 및 토양수분모델에 적용하였다. 기상시나리오를 구축함에 있어서 다양한 기상 인자간의 의존성을 해결하기 위하여 가뭄단계별 기준년도를 설정하고, 과거 기상 패턴을 이용할 수 있는 모델을 구성하였다.
본 연구에서는 과거 가뭄이 발생했던 기록을 바탕으로 농업가뭄대응을 위한 가뭄단계별 기상시나리오를 설정할 수 있는 모델을 개발하였다. 다양한 기상 인자간의 의존성을 해결하기 위하여 가뭄단계별 기준년도를 설정하고, 과거 기상 패턴을 이용할 수 있는 모델을 구성하였다.
본 연구의 가뭄기상시나리오는 추계학적 방법을 통한 수문자료 발생이 아닌 과거에 발생했던 가뭄 사상이 현 상황에서 발생한다면 어떻게 될 것인가에 초점을 맞춘 것이다. 즉, 5월 31일 현재 상태에서 향후 ‘1994년 6월 정도’의 기상 조건이 유지된다면 향후 가뭄이 어떻게 진행될 것인가를 예측하기 위한 가뭄기상시나리오 개발을 목표로 하였다.
즉, 5월 31일 현재 상태에서 향후 ‘1994년 6월 정도’의 기상 조건이 유지된다면 향후 가뭄이 어떻게 진행될 것인가를 예측하기 위한 가뭄기상시나리오 개발을 목표로 하였다.

제안 방법

1은 본 연구에서 개발한 가뭄 기상시나리오 모델의 연구 방법을 나타낸 것이다. 가뭄기준년도 설정을 위하여 기상시나리오의 대표치인 강수량을 기간별로 구분하여 빈도분석을 실시하고, 빈도분석 결과를 바탕으로 가뭄단계별 기준년도를 선정하였다. 자세한 연구 방법은 다음과 같다.
기상시나리오를 구축함에 있어서 다양한 기상 인자간의 의존성을 해결하기 위하여 가뭄단계별 기준년도를 설정하고, 과거 기상 패턴을 이용할 수 있는 모델을 구성하였다. 가뭄단계는 4단계로 설정하였는데, 단계별 기준년도는 시기별 유효우량의 빈도 분석 결과를 바탕으로 결정하였다.
기상시나리오를 구축함에 있어서 다양한 기상 인자간의 의존성을 해결하기 위하여 가뭄단계별 기준년도를 설정하고, 과거 기상 패턴을 이용할 수 있는 모델을 구성하였다. 가뭄단계는 4단계로 설정하였는데, 단계별 기준년도는 시기별 유효우량의 빈도 분석 결과를 바탕으로 결정하였다.
각 기간에 따른 한발기준 2, 5, 10, 및 20년빈도 유효우량 결과를 바탕으로 농업가뭄 대응을 위한 가뭄단계를 0단계 (2년빈도)부터 3단계 (20년빈도)까지 총 4단계로 구분하였다. 각 단계의 빈도 결과와 가장 유사한 값을 나타내는 연도를 기준년도로 설정하고, 해당되는 특정 기간의 강수량, 온도, 풍속, 일조시간 및 증발량 등의 과거 기상 상황을 기간별 가뭄시나리오로 결정하였다.
각 기간에 따른 한발기준 2, 5, 10, 및 20년빈도 유효우량 결과를 바탕으로 농업가뭄 대응을 위한 가뭄단계를 0단계 (2년빈도)부터 3단계 (20년빈도)까지 총 4단계로 구분하였다. 각 단계의 빈도 결과와 가장 유사한 값을 나타내는 연도를 기준년도로 설정하고, 해당되는 특정 기간의 강수량, 온도, 풍속, 일조시간 및 증발량 등의 과거 기상 상황을 기간별 가뭄시나리오로 결정하였다. 즉, 예를 들어 6월의 빈도분석 결과 중 2년 빈도가 70.
본 연구에서는 과거 가뭄이 발생했던 기록을 바탕으로 농업가뭄대응을 위한 가뭄단계별 기상시나리오를 설정할 수 있는 모델을 개발하고, 이를 저수지물수지분석 및 토양수분모델에 적용하였다. 기상시나리오를 구축함에 있어서 다양한 기상 인자간의 의존성을 해결하기 위하여 가뭄단계별 기준년도를 설정하고, 과거 기상 패턴을 이용할 수 있는 모델을 구성하였다. 가뭄단계는 4단계로 설정하였는데, 단계별 기준년도는 시기별 유효우량의 빈도 분석 결과를 바탕으로 결정하였다.
농업가뭄대응을 위한 기상시나리오 모델을 적용하기 위하여 수원과 이천을 대상 측후소 선정하여 가뭄단계별 기상시나리오를 설정하고, 이를 DIROM을 통한 마둔저수지의 물수지 분석과 고삼저수지의 유역의 토양수분모델에 적용하여 그 결과를 고찰하였다.
본 연구에서는 과거 가뭄이 발생했던 기록을 바탕으로 농업가뭄대응을 위한 가뭄단계별 기상시나리오를 설정할 수 있는 모델을 개발하고, 이를 저수지물수지분석 및 토양수분모델에 적용하였다. 기상시나리오를 구축함에 있어서 다양한 기상 인자간의 의존성을 해결하기 위하여 가뭄단계별 기준년도를 설정하고, 과거 기상 패턴을 이용할 수 있는 모델을 구성하였다. 가뭄단계는 4단계로 설정하였는데, 단계별 기준년도는 시기별 유효우량의 빈도 분석 결과를 바탕으로 결정하였다.
따라서 본 연구에서는 위 방법을 응용하여 가뭄단계별 과거 가뭄기준년도를 선정하고, 그 연도에 과거에 발생하였던 강우, 기온, 풍속 등의 기상 패턴을 이용하여 가뭄단계별 기상시나리오를 설정하는 모델을 구성하였다. Fig.
가뭄단계는 4단계로 설정하였는데, 단계별 기준년도는 시기별 유효우량의 빈도분석 결과를 바탕으로 결정하였다. 본 모델을 바탕으로 수원과 이천 지역의 가뭄기상시나리오 자료를 구축하고, 이를 마둔 저수지의 저수용량과 고삼 저수지 유역의 토양수분모델에 적용하였다. 그 결과 본 가뭄기상 시나리오 모델은 과거 강우 사상을 적용하기 때문에 강우 발생 시기에 따라 시나리오 분석 결과가 일부 역전되는 현상이 발생하는 것으로 분석되었는데, 가뭄기상시나리오의 설정 기간인 1개월 이후에서는 비교적 적정한 결과를 나타났다.
이러한 유효우량의 상한과 하한 설정은 목적 및 방법 등에 따라서 다양하게 설정이 가능하다. 본 연구에서는 논에서의 유효우량 산정 방법을 응용하여 상한은 80 mm, 하한은 5 mm로 설정하였다 (Chung et al., 2009). 즉 5 mm 이하의 강우는 무효 강수량 (0 mm)으로, 80 mm 이상의 강우는 80 mm로 설정하였다.
일반적으로 빈도분석 방법은 시계열 작성, 확률분포형 매개변수 추정, 적합도 검정을 통한 최적확률분포형 선정, 빈도치 산정 순으로 이루어진다. 본 연구에서는 다음과 같은 방법을 통하여 빈도분석을 실시하고 빈도별 유효우량을 산정하였다.
수원 측후소의 가뭄기상시나리오를 바탕으로 저수지물수지 분석을 통한 일별 저수량 모의 적용하고, 그 결과를 검토하였다. 이를 위하여 1975년부터 2010년까지의 마둔저수지의 일별 저수량을 모의하고, 이 중 1977년 10월 1일을 시점으로 수원 지역의 단계별 가뭄기상시나리오를 적용하였다.
수원 측후소의 가뭄기상시나리오를 바탕으로 저수지물수지 분석을 통한 일별 저수량 모의 적용하고, 그 결과를 검토하였다. 이를 위하여 1975년부터 2010년까지의 마둔저수지의 일별 저수량을 모의하고, 이 중 1977년 10월 1일을 시점으로 수원 지역의 단계별 가뭄기상시나리오를 적용하였다. 일별 저수량 모의를 위하여 사용된 저수지 물수지 분석 모형은 DIROM (Daily Irrigation Reservoir Operation Model, Kim and Park, 1988)으로, 저수지 유입량은 수정 3단 탱크모형으로, 방류량은 수정 Penman식으로 산정된다.
또한 기간 설정에 있어서 관개기간 (4～10월)에 해당하는 기간에는 월별로, 비관개 기간 (11월～3월)에는 하나의 기간으로 간주하였다. 즉 총 8개 기간 (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11～3월)으로 구분하여 유효우량 자료를 산정하였다.

대상 데이터

1991년부터 2010년까지의 고삼저수지 유역의 토양수분을 모의하고, 큰 가을 가뭄이 있었던 2006년 8월 1일을 시점으로 이천 지역의 가뭄기상시나리오를 적용하였다. 토양수분 모의 사용에 사용된 토양수분모형은 Bae et al.
(2008, 2012)이 농업가뭄지수인 토양수분지수 (SMI, Soil Moisture Index)를 산정에 활용된 모델이다. 고삼저수지 유역의 물리적 특성자료는 CN은 58, 유효토심은 300 mm, 포장용수량은 27.9 %, 위조점은 12.9 %로 추정되었다.

데이터처리

수원과 이천 지역의 월별 (또는 기간별) 유효우량을 산정하기 위하여 시계열을 작성하고, 확률분포형의 매개변수를 추정한 후 적합도 검정을 통하여 Weibull 분포형을 최적확률분포형으로 선정하였다. 이 분포형을 통하여 한발기준 2, 5, 10년 및 20년빈도 유효우량을 산정하였는 그 결과는 Fig.

이론/모형

이를 위하여 1975년부터 2010년까지의 마둔저수지의 일별 저수량을 모의하고, 이 중 1977년 10월 1일을 시점으로 수원 지역의 단계별 가뭄기상시나리오를 적용하였다. 일별 저수량 모의를 위하여 사용된 저수지 물수지 분석 모형은 DIROM (Daily Irrigation Reservoir Operation Model, Kim and Park, 1988)으로, 저수지 유입량은 수정 3단 탱크모형으로, 방류량은 수정 Penman식으로 산정된다. 마둔저수지의 기본제원은 유역면적 1,300 ha, 관개면적 305.
1991년부터 2010년까지의 고삼저수지 유역의 토양수분을 모의하고, 큰 가을 가뭄이 있었던 2006년 8월 1일을 시점으로 이천 지역의 가뭄기상시나리오를 적용하였다. 토양수분 모의 사용에 사용된 토양수분모형은 Bae et al. (1999), Kim et al. (2006), Nam et al. (2008, 2012)이 농업가뭄지수인 토양수분지수 (SMI, Soil Moisture Index)를 산정에 활용된 모델이다. 고삼저수지 유역의 물리적 특성자료는 CN은 58, 유효토심은 300 mm, 포장용수량은 27.

성능/효과

3 mm이었다. 20년빈도 결과와 비교하여 빈도는 20년에서 50년으로 증가하더라도 강수량 차이는 상대적으로 크지 않은 것을 알 수 있다. 또한 그 값 자체가 우기가 아닌 건기 기간에서는 매우 적기 때문에 가뭄 단계 설정시 한발기준 20년 이상의 가뭄 단계를 설정하더라도 유의미한 차이는 없을 것으로 판단되었다.
본 모델을 바탕으로 수원과 이천 지역의 가뭄기상시나리오 자료를 구축하고, 이를 마둔 저수지의 저수용량과 고삼 저수지 유역의 토양수분모델에 적용하였다. 그 결과 본 가뭄기상 시나리오 모델은 과거 강우 사상을 적용하기 때문에 강우 발생 시기에 따라 시나리오 분석 결과가 일부 역전되는 현상이 발생하는 것으로 분석되었는데, 가뭄기상시나리오의 설정 기간인 1개월 이후에서는 비교적 적정한 결과를 나타났다. 따라서 1개월 미만의 단기 예측보다는 2~3개월 이상의 장기 예측에서 더 유용한 것으로 판단된다.
3 mm로 나타났다. 단계별 예측 결과를 보면 8월의 경우, 3단계를 제외하고는 나머지 세 단계에서는 유효수분함량의 50 % (61.2 mm)를 대부분 상회하는 경향을 보였는데, 이는 8월에는 비교적 강우량이 많기 때문에 기상시나리오별 예측 결과 차이가 크지 않은 것으로 판단된다. 하지만 여름철보다 강수량이 상대적으로 적은 9～10월에는 단계별 결과가 비교적 큰 차이를 보였다.
두 지역의 결과를 비교해보면 4월, 6월, 7월에 이천 측후소가 빈도치 산정 결과가 더 큰 것으로 나타났고, 그 외 기간인 5월, 8월, 9월, 10월, 비관개기에서는 수원측후소의 빈도 결과가 더 큰 것으로 추정되었다. 한편 수원 측후소의 4월부터 비관개기까지의 50년빈도 결과는 각각 4.
한편 2단계의 경우, 9월 12일부터 유효수분함량의 50 %이하로 내려가서 10월 24일에 위조점까지 떨어졌고, 3단계에서는 8월 18일부터 유효수분함량의 50 % 이하로 내려가서 9월 20일에 위조점까지 내려가서 41일간 지속되는 것으로 나타났다. 따라서 8월에 높은 토양수분을 유지하여도 한발기준 평년 및 5년빈도의 기상 상황이 유지될 경우, 가을 가뭄이 발생하지 않지만 10년 또는 20년빈도의 기상 상황이 발생한다면, 9월 중순 이후부터 가뭄이 시작될 수 있을 것으로 분석되었다. 매우 심한 가뭄이 발생했던 2006년 가을 경우, 토양 수분 패턴이 가뭄 2단계 적용 결과와 유사한 것으로 나타났다.
20년빈도 결과와 비교하여 빈도는 20년에서 50년으로 증가하더라도 강수량 차이는 상대적으로 크지 않은 것을 알 수 있다. 또한 그 값 자체가 우기가 아닌 건기 기간에서는 매우 적기 때문에 가뭄 단계 설정시 한발기준 20년 이상의 가뭄 단계를 설정하더라도 유의미한 차이는 없을 것으로 판단되었다.
위 두 적용 결과를 보면, 본 가뭄기상시나리오 모델은 과거 강우 사상을 적용하기 때문에 강우 발생 시기에 따라 시나리오 분석 결과가 단계별로 일부 기간에서 역전되는 현상이 발생하였는데, 가뭄기상시나리오의 설정 기간인 1개월 이후부터는 비교적 적정한 결과를 나타났다. 따라서 1개월 미만의 단기 예측보다는 2～3개월 이상의 장기 예측에서 더 유용한 것으로 판단된다.
9 mm이었다. 유효우량 중 최대, 최솟값을 나타낸 연도는 연강수량과 동일하였고, 전체 기간 동안은 평균은 1,150.0 mm이었다. 연강수량과 유효우량의 차이가 가장 큰 연도는 1990년으로 511.

후속연구

위와 같이 설정된 0단계 (평년)부터 3단계 (20년빈도)까지의 가뭄 기상시나리오를 강수량에 국한된 것이 아닌 기온, 습도, 풍속, 일조시간 및 증발량 등의 기상인자를 바탕으로 유출 모델, 가뭄 지수 등을 산정하여 현재 상황에서 향후 가뭄이 어떻게 진행될 것인가에 예측하여 다양한 경우에 대한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
즉 예상되는 가뭄상황을 설정하여 장기적인 대책을 마련할 수 있는 분석 방법이 있다면 향후 물관리 및 가뭄대책에 있어서 유용할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 농업가뭄대응을 위한 기상시나리오를 설정하여, 현재의 가뭄 정도를 파악하고 향후 이 가뭄 상태가 어떻게 진행될 것인가에 예측한다면 보다 손쉽게 농업가뭄대응책 수립 및 농업수자원관리의 의사결정을 할 수 있을 것으로 판단된다.
가뭄기상시나리오가 아닌 1977년 10월부터 1978월 3월까지의 실제 모의 결과는 1단계의 결과와 유사한 경향을 보였는데, 1977년～1978년은 우리나라에 큰 가뭄이 발생했던 기간이다. 이처럼 저수지 물관리의 중요 시기에서 현재 저수용량과 가뭄기상시나리오를 바탕으로 한 단계별 예상 저수량이 추정된다면, 농업가뭄대응을 위한 물관리 의사결정에 유용할 것으로 판단된다.
이에 기존에 개발된 농업가뭄 분석 및 평가 기술뿐만 아니라 지역별 농업가뭄의 위험과 피해를 예측하여 실제 물관리 및 가뭄대책 업무에 반영할 수 있는 방법이 필요하다. 즉 예상되는 가뭄상황을 설정하여 장기적인 대책을 마련할 수 있는 분석 방법이 있다면 향후 물관리 및 가뭄대책에 있어서 유용할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 농업가뭄대응을 위한 기상시나리오를 설정하여, 현재의 가뭄 정도를 파악하고 향후 이 가뭄 상태가 어떻게 진행될 것인가에 예측한다면 보다 손쉽게 농업가뭄대응책 수립 및 농업수자원관리의 의사결정을 할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과거 기상 패턴을 이용할 수 있는 모델을 적용시킨 결과는 무엇인가?	본 모델을 바탕으로 수원과 이천 지역의 가뭄기상시나리오 자료를 구축하고, 이를 마둔 저수지의 저수용량과 고삼 저수지 유역의 토양수분모델에 적용하였다. 그 결과 본 가뭄기상 시나리오 모델은 과거 강우 사상을 적용하기 때문에 강우 발생 시기에 따라 시나리오 분석 결과가 일부 역전되는 현상이 발생하는 것으로 분석되었는데, 가뭄기상시나리오의 설정 기간인 1개월 이후에서는 비교적 적정한 결과를 나타났다. 따라서 1개월 미만의 단기 예측보다는 2~3개월 이상의 장기 예측에서 더 유용한 것으로 판단된다.
	계획기준년 방법이란 무엇인가?	일반적으로 관개시설의 설계 기준에서는 저수지 필요저수용량과 하천의 취수가능량 등의 농업용 수리시설물 수문량의 설계빈도를 산정하는 방법은 일반적으로 계획기준년 방법과 확률처리 방법을 제안하고 있다. 계획기준년 방법은 유효우량, 연속한발일수, 증발량 또는 하천유량 등의 수문량 가운데 하나를 선택하여 전체년도의 수문자료를 확률처리하여 10년빈도에 해당되는 특정 연도를 계획기준년으로 결정하고, 그 연도의 필요저수용량 또는 하천 취수가능량을 통계수문량으로 결정하는 방법이다 (MAF, 1998a).
	일반적으로 사용하는 가뭄지수에는 무엇이 있는가?	, 2006). 가뭄 진행 상황을 파악하기 위하여 일반적으로 사용되는 방법은 가뭄지수를 활용하는 방법으로, 일반적으로 사용하는 가뭄지수는 파머가뭄심도지수 (Palmer Drought Severity Index, PDSI), 표준강수지수 (Standardized Precipitation Index, SPI) 및 지표면 물공급지수 (Surface Water Supply Index, SWSI) 등이 있는데, 이처럼 국내의 수문, 기상학적 자료를 이용하여 여러 가지 형태의 가뭄지수를 사용하고 있다. 농업수자원 분야에서 사용되는 가뭄지수는 강수량 자료를 바탕으로 한 평년 강우 지수, 무강우 지수 및 과우일수, 농업용저수지의 저수량을 바탕으로 한 월평균 저수율 및 PDI (Paddy Drought Index), IRWSI (Irrigation Reservoir Water Supply Index), 토양수분을 바탕으로 한 SMI (Soil Moisture Index), 농업용저수지의 저수량, 유입량 등을 고려한 ASWSI (Agricultural Surface Water Supply Index), 농업용수리시설의 물수지 네트워크를 고려한 MODSIM (Modified SIMYLD) 등이 활용되고 있다 (Jang et al.

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저자의 다른 논문 :

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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