표준강수 증발산지수(SPEI)를 이용한 남한지역의 가뭄심도 평가 Assessment of Drought Severity over South Korea using Standardized Precipitation Evapo-transpiration Index (SPEI)원문보기
가뭄은 자연의 무시할 수 없는 재해이며, 비록 가뭄의 정의가 많이 있지만 가뭄은 장기간의 강우의 부족으로부터 기인한다. 기상학적 가뭄심도의 정도를 표현하기 위해 널리 이용되는 표준강수지수(Standardized Precipitation Index, SPI)는 강수 이외의 기온과 관련된 변수를 고려하지 않기 때문에 기후변동으로 인한 강수, 증발산 등의 물수지 변화를 고려할 수 없다는 한계점이 있다. 그러나 최근에 SPI와 유사하지만 기후변동으로 인한 강수 변화 뿐만 아니라 기온의 변동성이 미치는 영향을 반영할 수 있는 새로운 개념의 가뭄지수인 표준강수증발산지수(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)가 개발되었다. 본 연구에서는 기상청 산하의 60개 기상관측소의 1973~2011년까지 기상자료를 대상으로 SPEI를 적용하여 남한지역의 가뭄발생의 변화를 평가하였다. 적용결과, 전국적으로 SPI와 SPEI 모두 봄과 겨울에 가뭄이 심화되고 여름철에는 가뭄이 완화되는 경향을 보였으며, SPEI는 SPI보다 가뭄심도를 크게 나타내었다. 또한, 지속기간 12개월의 SPI와 SPEI는 전반적으로 6년 내외의 저빈도 주기성을 갖는 극심한 가뭄이 반복되고 있음을 보였다.
가뭄은 자연의 무시할 수 없는 재해이며, 비록 가뭄의 정의가 많이 있지만 가뭄은 장기간의 강우의 부족으로부터 기인한다. 기상학적 가뭄심도의 정도를 표현하기 위해 널리 이용되는 표준강수지수(Standardized Precipitation Index, SPI)는 강수 이외의 기온과 관련된 변수를 고려하지 않기 때문에 기후변동으로 인한 강수, 증발산 등의 물수지 변화를 고려할 수 없다는 한계점이 있다. 그러나 최근에 SPI와 유사하지만 기후변동으로 인한 강수 변화 뿐만 아니라 기온의 변동성이 미치는 영향을 반영할 수 있는 새로운 개념의 가뭄지수인 표준강수증발산지수(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)가 개발되었다. 본 연구에서는 기상청 산하의 60개 기상관측소의 1973~2011년까지 기상자료를 대상으로 SPEI를 적용하여 남한지역의 가뭄발생의 변화를 평가하였다. 적용결과, 전국적으로 SPI와 SPEI 모두 봄과 겨울에 가뭄이 심화되고 여름철에는 가뭄이 완화되는 경향을 보였으며, SPEI는 SPI보다 가뭄심도를 크게 나타내었다. 또한, 지속기간 12개월의 SPI와 SPEI는 전반적으로 6년 내외의 저빈도 주기성을 갖는 극심한 가뭄이 반복되고 있음을 보였다.
Drought is a non-negligible disaster of nature and it is mainly caused by rainfall shortage for a long time though there are many definitions of drought. 'Standard Precipitation Index' (SPI) that is widely used to express the level of meteorological drought intensity has a limit of not being able to...
Drought is a non-negligible disaster of nature and it is mainly caused by rainfall shortage for a long time though there are many definitions of drought. 'Standard Precipitation Index' (SPI) that is widely used to express the level of meteorological drought intensity has a limit of not being able to consider the hydrological changes such as rainfall and evapotranspiration caused by climate change, because it does not consider the temperature-related variables other than the precipitation. Recently, however, 'Standardized Precipitation Evapotranspiration Index' (SPEI), a drought index of new concept which is similar to SPI but can reflect the effect of temperature variability as well as the rainfall change caused by climate variation, was developed. In this study, the changes of drought occurrence in South Korea were analyzed by applying SPEI for meteorological data (1973~2011) of 60 climate observatories under Korea Meteorological Administration (KMA). As the result of application, both of SPI and SPEI showed the trend of deepening drought in spring and winter and mitigating drought in summer for the entire nation, with SPI showing greater drought intensity than SPI. Also, SPI and SPEI with 12 months of duration showed that severe droughts with low frequency of around 6 years are generally being repeated.
Drought is a non-negligible disaster of nature and it is mainly caused by rainfall shortage for a long time though there are many definitions of drought. 'Standard Precipitation Index' (SPI) that is widely used to express the level of meteorological drought intensity has a limit of not being able to consider the hydrological changes such as rainfall and evapotranspiration caused by climate change, because it does not consider the temperature-related variables other than the precipitation. Recently, however, 'Standardized Precipitation Evapotranspiration Index' (SPEI), a drought index of new concept which is similar to SPI but can reflect the effect of temperature variability as well as the rainfall change caused by climate variation, was developed. In this study, the changes of drought occurrence in South Korea were analyzed by applying SPEI for meteorological data (1973~2011) of 60 climate observatories under Korea Meteorological Administration (KMA). As the result of application, both of SPI and SPEI showed the trend of deepening drought in spring and winter and mitigating drought in summer for the entire nation, with SPI showing greater drought intensity than SPI. Also, SPI and SPEI with 12 months of duration showed that severe droughts with low frequency of around 6 years are generally being repeated.
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문제 정의
즉, 특정 지역에서 어느 정도 긴 기간 동안의 강수와 증발산 사이의 물수지에 대한 평균 조건인 정상상태와 비교하여 고려되어야 한다. 따라서 이 논문에서는 기온의 변동성으로부터 증발산량의 변동성을 고려할 수 있는 SPEI가 SPI만큼 가뭄을 잘 재현하는지를 검증하고, 한반도의 역대 가뭄을 분석하였다.
본 연구에서는 기상청 산하의 60개 기상관측소의 1973～2011년까지 기상자료를 대상으로 SPEI를 적용하여 남한지역의 가뭄발생 변화를 평가하였다. 이를 위해 SPEI가 기왕의 가뭄상황을 잘 재현하는지를 검토하고 한반도의 가뭄발생 특성을 살펴보았다.
가설 설정
표준강수지수(SPI)는 두 가지 사항을 가정하고 있는데 첫째, 가뭄은 강수의 변동성이 기온과 잠재증발산량(Potential EvapoTranspiration: PET)의 변동성 보다 절대적이라는 것, 둘째, 기온과 PET은 시간에 따라 변하지 않는 정상성을 가진다는 것이다. 하지만 최근의 여러 선행연구에서는 기온과 관련된 변수를 고려하지 않는 가정에 대한 문제점을 제시하고 있다(Abramopoulos et al.
제안 방법
기상청 관할 관측소 중 60개 지점의 1973년부터 2011년까지 총 39년간의 월자료를 사용하여(Table 4, Fig. 1) 각 지점별 지속시간 6개월 SPI와 SPEI를 계산하였다. Table 4에 보인 13개 가뭄사상에 대한 SPI와 SPEI의 공간분포를 Fig.
SPI는 2000년, 2008～2009년, 1988년 가뭄 순(order)이었고, SPEI는 2000년, 2008～2009년, 2001년 가뭄 순이었다. 두 지수에서 다르게 표현된 1988년 가뭄과 2001년 가뭄의 원인을 파악하기 위해 1987년 겨울철(DJF), 1988년 봄철(MAM), 2000년 겨울철과 2001년 봄철의 예년에 대비한 기온과 강수의 평년차(금년-평년)를 분석하였다(Fig. 3). Fig.
한국수자원공사 가뭄 관리 모니터링 체계 수립 보고서(건설교통부와 한국수자원공사, 2005)에서는 근대 이후 일반적으로 대가뭄으로 정의되는 시기를 다음 Table 2와 같이 정리하였다. 본 연구에서는 가뭄기록 조사보고서, 수자원공사의 가뭄 관리 모니터링 체계 수립 보고서의 내용을 토대로 1976년, 1977년, 1978년, 1981년, 1982년, 1988년, 1994년, 1995년, 1997년, 2000년, 2001년, 2002년도와 최근 가뭄이 발생한 2008년과 2009년을 포함하여 분석하였다. 가뭄 당시의 상황은 Table 3과 같다(한국환경정책평가연구원, 2011).
본 연구에서는 기상청 산하의 60개 기상관측소의 1973～2011년까지 기상자료를 대상으로 SPEI를 적용하여 남한지역의 가뭄발생 변화를 평가하였다. 이를 위해 SPEI가 기왕의 가뭄상황을 잘 재현하는지를 검토하고 한반도의 가뭄발생 특성을 살펴보았다.
성능/효과
2에 나타내었다. Fig. 2를 통해 알 수 있듯이 SPEI가 SPI만큼 가뭄의 공간적 발생특성을 잘 나타낼 수 있음을 확인하였다. 가뭄 사상의 공간분포를 보면 2000년과 2008년 가뭄이 다른 가뭄에 비하여 공간의 규모와 크기가 컸다.
지속기간 12개월의 SPI와 SPEI는 전반적으로 6년 내외의 저빈도 주기성이, 지속기간이 6개월일 때는 6년보다 짧은 주기로 반복되고 있었다. SPEI-12결과를 보면 6년 이상의 저빈도 주기성을 갖는 심한 가뭄 중에서 1994년 6월의 가뭄지수는 -1.66, 1995년 8월에는 -1.70이 될 정도로 1990년대 중반의 가뭄이 한반도 전역에 극심한 영향을 주었음을 알 수 있었다. 이주헌 등(2012)은 한반도에서 발생했던 과거 가뭄사상의 통계학적 특성을 분석하기 위하여 SPI와 PDSI로 월평균 가뭄지수를 산정하였다.
반면에 1976년과 1997년의 가뭄은 공간의 규모와 크기가 작은 편이었다. 가뭄지수의 남한지역 평균, 지점 최대, 최소값과 발생 지점을 분석한 결과(Table 5), 가뭄지수의 최대값은 1981년을 제외하고 SPI와 SPEI 모두 같은 지점을, 최소값은 1977년, 1988년, 1997년, 2000년, 2002년과 2008～2009년의 가뭄에서 SPI와 SPEI는 서로 다른 지점을 나타내었다. SPI와 SPEI는 일반적으로 -2에서 2에 값의 범위를 가지며 음의 값을 가질 때 가뭄이라 보며 작을수록 더 심각한 가뭄을 의미한다.
또한 가뭄 발생 이후 3～5월의 강수량 자료를 최근 30년간의 예년 평균하여 2001년 3월에서 5월까지 강수량과 비교하였을 때, 모든 유역이 예년과 대비하여 40% 수준도 미치지 못하였다. 본 연구에서는 2001년의 가뭄을 평가하는데 SPEI는 SPI보다 심각한 수준임을 보였고, 이어진 평년차 분석을 통하여 2001년의 봄철 평균기온이 평년보다 0.8℃ 높아서 기온의 상승의 가뭄 발생에 영향을 미쳤고, 가뭄 발생 이후에는 봄철의 강수 부족이 가뭄을 더 악화시켰음을 확인하였다. 이로부터 가뭄을 정의하는데 어려움을 주었던 여러 가지 근원적인 문제로부터 비교적 명확한 상황인식이 가능하리라 판단된다.
2000년 영남과 호남의 가뭄은 SPI는 고흥을, SPEI는 산청을 제일 작게, 2008년 말부터 2009년 초까지 이어진 가뭄은 SPI는 거창을, SPEI는 남원을 타 지역에 비하여 가뭄이 극심하리라 보았다. 이상의 결과로 SPEI는 기존의 SPI만큼 가뭄을 잘 모사하고 있으며 일부 지점에서는 오히려 SPI보다 실제에 더 근접하게 가뭄을 모사하고 있음을 알 수 있었다. 검증된 SPEI 결과로 역대 가뭄 순위를 Table 6에 나타내었다.
지속기간에 관계없이 SPI와 SPEI 모두 봄과 겨울에 가뭄이 심화되고 여름철에는 가뭄이 완화되는 경향을 보였다. 지속기간 12개월의 SPI와 SPEI는 전반적으로 6년 내외의 저빈도 주기성이, 지속기간이 6개월일 때는 6년보다 짧은 주기로 반복되고 있었다. SPEI-12결과를 보면 6년 이상의 저빈도 주기성을 갖는 심한 가뭄 중에서 1994년 6월의 가뭄지수는 -1.
4는 남한지역의 지속기간 6개월(SPI-6, SPEI-6)과 12개월(SPI-12, SPEI-12)의 평균 가뭄지수를 나타낸 것이다. 지속기간에 관계없이 SPI와 SPEI 모두 봄과 겨울에 가뭄이 심화되고 여름철에는 가뭄이 완화되는 경향을 보였다. 지속기간 12개월의 SPI와 SPEI는 전반적으로 6년 내외의 저빈도 주기성이, 지속기간이 6개월일 때는 6년보다 짧은 주기로 반복되고 있었다.
이주헌 등(2012)은 한반도에서 발생했던 과거 가뭄사상의 통계학적 특성을 분석하기 위하여 SPI와 PDSI로 월평균 가뭄지수를 산정하였다. 한반도 가뭄의 유역별 경향성을 분석한 결과, SPI-3(지속기간 3개월 SPI)와 SPI-6은 봄과 겨울에는 모든 유역에서 가뭄이 심화되는 경향을 보였고 여름철에는 가뭄이 완화되는 경향을 확인하였고, 유역별 가뭄의 주기성을 분석한 결과 1～2년 또는 6년 내외의 주기 성분이 유의한 것으로 나타나 본 연구의 연구 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
후속연구
다양한 기후변화 모형의 결과들은 앞으로 다가올 21세기에는 과거보다 더 큰 기온의 상승을 전망하고 있고, 기온의 상승으로 인하여 강수의 상당 부분이 증발산량 손실로 이어지리라 보고 있다. 향후, 미래 기후 전망자료 분석에 본 연구에서 적용되고 검증된 SPEI를 이용한다면 기온의 상승을 직접적으로 고려할 수 있어, 지구시스템의 물리 역학적 과정 안에서 가뭄 발생 가능성을 효과적으로 전망할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SPI의 특징은 무엇인가?
미국 국립가뭄 경감센터(NDMC: National Drought Mitigation Center)에서는 많은 가뭄 관계자들이 선호할 수 있는 SPI를 개발하여 사용하고 있다. SPI는 특정 지속기간동안의 강수확률에 근거하여 다양한 기간의 적용이 가능하고, 가뭄의 조기예측 및 가뭄의 심도를 쉽게 이해할 수 있으며, Palmer 지수보다 덜 복잡한 것으로 알려져 있다(미 국립가뭄 경감센터: http://enso.unl.
대표적인 가뭄지수에는 무엇이 있는가?
, 1998; Heim, 2002; Keyantash and Dracup, 2002). 대표적인 가뭄지수는 PDSI(Palmer Drought Severity Index, Palmer, 1965), SMI(Soil Moisture Index), SPI(Standardized Precipitation Index; McKee, 1993), SWSI(Surface Water Supply Index; Shafer and Dezman, 1982) 등이 있으며, 이 지수들은 각각 장단점을 갖고 있어서 적용 대상 지역의 수문, 기상 특성과 수자원 공급 시설 등을 고려하여 적절한 지수를 이용하거나, 통합하여 이용하고 있다. 여러 지수 중에서 어떤 지수가 절대적으로 우수하다고 할 수는 없다.
가뭄지수는 PDSI와 같이 반드시 기온과 관련된 변수가 포함되어야 함을 강조하고 있는데, PDSI의 문제점은 무엇인가?
특히, 미래 기후변화 전망 자료에 적용할 수 있는 가뭄지수는 PDSI와 같이 반드시 기온과 관련된 변수가 포함되어야 함을 강조하고 있다. 하지만 PDSI는 수문 순환과 관련된 가뭄과 여러 양상(type)의 가뭄을 구분하기 위한 다규모적(multi-scalar) 특징이 부족하다. McKee et al.
참고문헌 (26)
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