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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 농업용수의 지하수자원 의존성이 매우 크고 수문계 변화에 민감한 제주지역에 대하여 권역별로 과거 기상자료와 2100년까지의 미래 기후변화 예측 자료(강수량과 기온)를 이용하여, 미래 수문상황과 가뭄을 평가한 후 이에 따른 농업용수에의 영향을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 농업용수의 지하수자원 의존성이 매우 크고 수문계 변화에 민감한 제주지역에 대하여 과거 기상자료와 기후변화에 따른 미래 예측자료를 이용한 기후요소 변동성과 가뭄 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 제주지역을 권역별로 구분하여 미래 기후변화로 인한 영향에서 가장 취약한 분야인 농업분야(특히 수자원)에서 예상될 수 있는 가뭄을 평가하고 전망하였다. 결과적으로 본 연구결과는 제주지역에서 가까운 미래에 발생할 수 있는 부정적 효과를 최소화하기 위한 대응 전략 및 농업 수자원 정책의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
제안 방법
- CCIC에서 제공하는 과거 기상자료와 미래 예측자료를 비교하기 위하여, 중첩되는 동일 기간(2000∼2010년, 11년)에 대해 수집된 각각의 결과를 분석하였다.
- 과거 가뭄 현상 분석을 위하여 활용된 SPI 지속기간이 각각 3개월과 6개월인 SPI 3과 SPI 6을 이용하였으며, 극심한 가뭄(severe drought)을 지시하는 –1.5이하가 발생한 경우를 기준으로 분석하였다.
- 기후변화에 따른 평균기온 및 강수량의 시기별 변화 경향은 과거 기상자료(1981~2010년, 1995s)와 편의보정된 미래 기상자료(2011~2040년, 2025s; 2041~2070년, 2055s; 2071~2100년, 2085s)로 구분하여 30년 단위로 분석하였다. 북부지역의 월평균기온은 시기가 지남에 따라 전체적으로 증가하며, 1995s의 월평균기온(26.
- 미래 가뭄(2011∼2100년) 경향 분석은 격자별 미래 기상자료를 활용하여 3개 관측소가 포함된 격자의 자료를 활용하였으며, 제주지역 전체의 경우에는 격자별 티센면적을 활용하여 분석하였다.
- 이를 위하여 과거 기상자료는 북부지역의 제주기상대, 남부지역의 서귀포기상대 및 서부지역의 고산기상대에서 과거 1981년부터 2010년까지 30년간의 평균기온과 강수량 자료를 활용하였고, 제주 전체지역의 기후변화를 분석하기 위하여 3개 관측소를 이용한 티센망(Thiessen network) 형성 후 티센면적을 적용하여 제주 전체지역에 대한 평균기온, 강수량 및 가뭄지수를 각각 추정하였다. 미래 기상 자료는 과거 기상자료와의 편의보정계수를 이용하여 2011년부터 2100년까지의 평균기온 및 강수량 자료를 보정한 것으로, 본 연구에서는 연도별 변화 및 2011~2040년(2025s), 2041~2070년(2055s), 2071~2100년(2085s)으로 구분한 각 30년 단위의 시기별 경향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 두가지 가뭄지수를 활용하여 가뭄 경향을 분석하였다. 이를 위하여 과거 기상자료는 북부지역의 제주기상대, 남부지역의 서귀포기상대 및 서부지역의 고산기상대에서 과거 1981년부터 2010년까지 30년간의 평균기온과 강수량 자료를 활용하였고, 제주 전체지역의 기후변화를 분석하기 위하여 3개 관측소를 이용한 티센망(Thiessen network) 형성 후 티센면적을 적용하여 제주 전체지역에 대한 평균기온, 강수량 및 가뭄지수를 각각 추정하였다.
- 본 연구에서는 제주지역을 권역별(북부, 남부, 서부 및 동부지역)로 구분한 후 관측된 과거 기상자료와 격자별 미래 기상자료를 활용하여, 과거부터 현재, 미래까지 평균기온과 강수량의 변화를 분석하였다. 이를 위하여 과거 기상자료는 북부지역의 제주기상대, 남부지역의 서귀포기상대 및 서부지역의 고산기상대에서 관측된 평균기온과 강수량 자료를 활용하였다.
- 본 연구에서는 두가지 가뭄지수를 활용하여 가뭄 경향을 분석하였다. 이를 위하여 과거 기상자료는 북부지역의 제주기상대, 남부지역의 서귀포기상대 및 서부지역의 고산기상대에서 과거 1981년부터 2010년까지 30년간의 평균기온과 강수량 자료를 활용하였고, 제주 전체지역의 기후변화를 분석하기 위하여 3개 관측소를 이용한 티센망(Thiessen network) 형성 후 티센면적을 적용하여 제주 전체지역에 대한 평균기온, 강수량 및 가뭄지수를 각각 추정하였다. 미래 기상 자료는 과거 기상자료와의 편의보정계수를 이용하여 2011년부터 2100년까지의 평균기온 및 강수량 자료를 보정한 것으로, 본 연구에서는 연도별 변화 및 2011~2040년(2025s), 2041~2070년(2055s), 2071~2100년(2085s)으로 구분한 각 30년 단위의 시기별 경향을 분석하였다.
대상 데이터
- 과거 가뭄(1981∼2010년) 발생 경향 분석은 제주 및 서귀포기상대의 경우에는 30년 전체기간에 대하여 실시한 반면, 고산기상대는 1988년부터 2010년까지 23년을 대상으로 분석하였다.
- 미래 가뭄 현상 분석은 각 기상대를 대상으로 30년 단위(2025s, 2055s, 2085s)로 SPI 3과 SPI 6을 이용하였다(Fig. 7). 북부지역 제주기상대와 서부지역 고산기상대의 경우 각각 SPI 3에서는 10∼11월, SPI 6에서는 11∼2월 기간에서 SPI가 증가함에 따라 가을 및 겨울가뭄이 점차 완화되는 것으로 나타났다.
- 미래 기상자료의 경우 기상청의 기후변화정보센터(climate change information center, CCIC)에서 제공하는 2100년까지의 온실가스 배출 시나리오(SRES, special report on emissions scenarios, Nakićenović와 Swart, 2000) A1B 시나리오에 따른 일별 기상요소 예측치를 이용하였다(Fig. 1). CCIC에서는 전지구 기후변화 전망모델인 ECHO-G에 인위적 기후변화 강제력을 기초로 전지구 기후변화 시나리오를 산출하고 있다(CCIC, 2012).
- 본 연구에서는 제주지역을 권역별(북부, 남부, 서부 및 동부지역)로 구분한 후 관측된 과거 기상자료와 격자별 미래 기상자료를 활용하여, 과거부터 현재, 미래까지 평균기온과 강수량의 변화를 분석하였다. 이를 위하여 과거 기상자료는 북부지역의 제주기상대, 남부지역의 서귀포기상대 및 서부지역의 고산기상대에서 관측된 평균기온과 강수량 자료를 활용하였다.
이론/모형
- PDSI를 이용한 과거 가뭄 현상 분석은 주요변수인 제주지역 전체 토양 특성을 고려한 유효토양수분량(available water holding capacity, AWC)을 이용하였다(Moon, 2011). 분석 결과 제주기상대와 서귀포기상대는 각각 1989년, 1997년, 1988년, 1984년, 1996년 순서와 1988년, 2000년, 1984년, 1989년 순서로, 고산기상대와 제주 전체적으로는 각각 1988년, 2000년, 1984년, 1989년 순서와 1989년, 1988년, 1997년, 2006년, 1996년, 2005년 순서로 가뭄이 극심한 것으로 분석되었다.
- 5~2℃ 정도 높게 모의된 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 Alcamo 등(1997)이 제시한 식(1), 식(2)와 같은 편의보정법(bias-correction method)을 이용하여 주요 입력 기상자료인 온도와 강수량의 편의보정계수를 계산하였다(Table 1).
성능/효과
- 강수량은 시기가 경과함에 따라 12∼2월과 6∼7월에 감소하는 반면, 8~10월의 강수량은 현저하게 증가하는 것으로 나타났다.
- 따라서 수자원의 98% 이상이 지하수인 제주도의 경우 지하수 수문계에 직접적인 영향을 미치는 강수량이 과거 30년 평균과 대비하여 전체적으로 풍수기는 강수량이 감소하는 반면 갈수기인 봄과 가을철에 강수량이 증가하는 것으로 나타났다. 결과적으로 제주도 전체적으로 예상되는 강수량 분포는 가뭄이나 집중 호우와 같은 극한기후사상(extreme event)의 출현의 계절적 변동과 더불어 강도(intensity) 변화가 동시에 수반되어 나타나는 것으로 판단된다(Fig. 5).
- CCIC에서 제공하는 과거 기상자료와 미래 예측자료를 비교하기 위하여, 중첩되는 동일 기간(2000∼2010년, 11년)에 대해 수집된 각각의 결과를 분석하였다. 그 결과 미래 기후변화 시나리오의 강수량은 과거 기상자료에 비해 전반적으로 6~8월의 월강수량이 약 10% 적게 모의(simulation)된 반면, 그 외의 경우에는 약 10~20% 많이 모의된 것으로 나타났다. 또한 기온의 경우에는 미래 예측된 온도가 과거 기상자료에 비해 약 0.
- 기상대별로 SPI 3과 SPI 6의 연평균값을 비교한 결과, 제주지역 전체적으로 가뭄이 극심했던 해는 SPI 3을 기준으로 1984년, 2000년, 1988년, 1996년, 2005년, 1997년 순서로 나타났다(Table 4). 특히 1984년과 2000년의 경우에는 남부지역이 상대적으로 가뭄이 극심했던 반면, 1988년은 서부지역이, 1996년에는 북부지역과 서부지역, 2005년에는 북부지역, 1997년에는 서부지역과 북부지역이 상대적으로 가뭄이 극심했던 것으로 나타났다.
- 남부지역의 월평균기온은 전체적으로 증가하며, 1995s 대비 8월의 평균기온 증가가 가장 높아 2025s, 2055s, 2085s에 각각 2.1℃, 3.9℃, 5.3℃ 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 4(c)).
- 남부지역의 서귀포기상대의 경우 SPI 3에서는 10∼12월, SPI 6의 경우에는 11∼2월 기간에서 SPI가 증가되는 것으로 분석되었다. 따라서 SPI 분석 결과 제주지역의 미래 가뭄 발생은 가을과 겨울의 가뭄이 점차 완화되는 것으로 나타나는데, 이는 강수량을 기초자료로 이용하는 SPI 특성 상 가을과 겨울 강수량이 증가하는 미래 기후변화 자료의 영향을 받기 때문으로 판단된다.
- 따라서 수자원의 98% 이상이 지하수인 제주도의 경우 지하수 수문계에 직접적인 영향을 미치는 강수량이 과거 30년 평균과 대비하여 전체적으로 풍수기는 강수량이 감소하는 반면 갈수기인 봄과 가을철에 강수량이 증가하는 것으로 나타났다. 결과적으로 제주도 전체적으로 예상되는 강수량 분포는 가뭄이나 집중 호우와 같은 극한기후사상(extreme event)의 출현의 계절적 변동과 더불어 강도(intensity) 변화가 동시에 수반되어 나타나는 것으로 판단된다(Fig.
- 특히 1984년과 2000년의 경우에는 남부지역이 상대적으로 가뭄이 극심했던 반면, 1988년은 서부지역이, 1996년에는 북부지역과 서부지역, 2005년에는 북부지역, 1997년에는 서부지역과 북부지역이 상대적으로 가뭄이 극심했던 것으로 나타났다. 또한 SPI 3과 SPI 6을 비교하면, 1984년의 경우는 두 경우 모두에서 가뭄이 가장 극심했던 것으로 나타나지만, 그 이하의 경우 SPI 3은 2000년, 1988년, 1996년, 2005년, 1997년 순서이며, SPI 6는 1996년, 1997년, 2000년, 1988년, 2005년 순서로 나타났다. 이는 상대적으로 장기간(6개월)의 강수량을 기준값으로 사용하는 SPI 6의 특성 상, 1996년과 1997년은 상대적으로 장기간에 걸쳐 가뭄이 발생하였던 것으로 파악된다.
- 한편 월강수량은 겨울철(12∼1월)과 여름철(6∼7월)에 감소하는 반면, 4~5월과 8~10월에는 증가하는 것으로 나타났다. 또한 감소율이 가장 큰 7월은 과거 30년 대비 각 30년 기간에서 각각 98.9mm, 70.6mm, 99.3mm 감소하는 것으로 나타나지만, 증가율이 가장 큰 9월은 각각 29.2mm, 26.3mm, 79.3mm 증가하는 것으로 나타났다. 결과적으로 제주도 전체적으로 강수량 분포는 극사상의 시간적 변동과 더불어 강도 변화가 동시에 수반되어 나타나고 특히 갈수기인 봄과 가을철에 강수량이 증가함에 따라 권역별로 농업용수 수요 및 공급 정책에 본 연구결과의 활용이 필요할 것으로 판단된다.
- 또한 기상대별로 PDSI의 연평균값을 비교한 결과 1984년에는 남부지역이 상대적으로 가뭄이 극심했던 것으로 분석되며, 1988년, 1989년 가뭄의 경우에는 남부지역과 북부지역이, 1996년, 1997년 가뭄에는 서부지역이, 2000년에는 남부지역이, 2005년, 2006년에는 북부지역이 상대적으로 가뭄이 극심했던 것으로 나타났다(Table 5). 한편 월별로는 지역적으로 차이가 있지만 전체적으로는 9∼11월 기간 중 PDSI 값이 낮아, 상대적으로 가을철에 가뭄이 극심했던 것으로 나타났는데, 이는 제주지역의 지형적 특성으로 겨울철 강수량이 많아 봄가뭄은 상대적으로 적은 것으로 판단된다(Table 6).
- 미래 가뭄 현상 분석을 위하여 2011년부터 2100년까지 PDSI를 산정한 결과, 제주 전체지역, 제주기상대, 고산기상대, 서귀포기상대 순서로 2000년대 후반으로 갈수록 가뭄이 극심해지는 것으로 나타났다(Fig. 8). 이러한 결과는 가뭄이 점점 완화된다는 SPI 결과와 배치되는데, SPI의 경우는 강수량만을 고려하는 반면 PDSI는 온도를 통해 산정되는 증발산량을 고려하고 있기 때문에 2000년대 후반으로 갈수록 온도 상승의 영향으로 증발산량이 많아지기 때문에 강수량 증가에도 불구하고 가뭄이 점점 심화되는 특성을 반영하기 때문으로 판단된다.
- 미래 가뭄을 분석하기 위하여 2011년부터 2100년까지 SPI와 PDSI를 각각 계산한 결과, 제주지역 전체적으로 가뭄이 점차 완화되는 결과와 극심해지는 결과가 동시에 나타났다. 이러한 결과는 SPI가 일정 기간 동안의 총강수량만을 고려하고, 강수강도의 변화는 반영하지 못하기 때문이다.
- 북부지역 제주기상대와 서부지역 고산기상대의 경우 각각 SPI 3에서는 10∼11월, SPI 6에서는 11∼2월 기간에서 SPI가 증가함에 따라 가을 및 겨울가뭄이 점차 완화되는 것으로 나타났다.
- PDSI를 이용한 과거 가뭄 현상 분석은 주요변수인 제주지역 전체 토양 특성을 고려한 유효토양수분량(available water holding capacity, AWC)을 이용하였다(Moon, 2011). 분석 결과 제주기상대와 서귀포기상대는 각각 1989년, 1997년, 1988년, 1984년, 1996년 순서와 1988년, 2000년, 1984년, 1989년 순서로, 고산기상대와 제주 전체적으로는 각각 1988년, 2000년, 1984년, 1989년 순서와 1989년, 1988년, 1997년, 2006년, 1996년, 2005년 순서로 가뭄이 극심한 것으로 분석되었다.
- 분석 결과 제주지역 전체적으로 월평균기온은 시간 경과에 따라 증가하는데, 가장 증가율이 높은 8월을 기준으로 과거 30년 평균(1981∼2010년)과 비교하여 각 30년 기간평균(2011∼2040년, 2041∼2070년, 2071∼2100년)값이 각각 1.8℃, 3.7℃, 5.0℃ 증가하는 것으로 분석되었다.
- 6(b)). 서부지역 고산기상대에 대한 SPI 3과 SPI 6의 결과는 두 경우 모두에서 1988년, 1989년, 1996년, 1997년, 2000년, 2001년, 2005년 봄과 겨울에 가뭄이 집중되는 경향이 나타났으며, 년도별 평균값은 각각 1988년(-1.04와 -1.20)에 가뭄이 극심했던 것으로 분석되었다(Fig. 6(c)).
- 제주, 서귀포 및 고산기상대의 연평균강수량은 각각 1497.5mm, 1923.0mm 및 1142.8mm로 남부지역의 서귀포기상대가 가장 많고 서부지역의 고산기상대가 가장 적은 것으로 나타났으며, 티센망 분석 결과 제주 전체지역의 연평균강수량은 1611.3mm로 추정되었다. 강수량이 가장 많은 남부지역의 최대 월평균강수량은 303.
- 제주도 내에서 장기간의 기상자료를 축적한 제주 및 서귀포기상대(1981∼2010년, 30년)와 고산기상대(1988∼2010년, 23년)에 티센망을 적용한 결과(Fig. 2), 전체지역의 최저와 최고 월평균기온은 각각 6.2℃(1월)와 26.7℃(8월)로 최소와 최대 월평균강수량은 각각 43.8mm(12월)와 264.0mm(8월)로 분석되었다(Fig. 3).
- 제주지역 전체적으로 시기가 지날수록 월평균기온은 전체적으로 증가하며, 1995s대비 기온 증가가 가장 높은 8월의 경우 2025s, 2055s, 2085s에 각각 1.8℃, 3.7℃, 5.0℃ 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 4(d)).
- 한편 월별로는 지역적으로 차이가 있지만 전체적으로는 9∼11월 기간 중 PDSI 값이 낮아, 상대적으로 가을철에 가뭄이 극심했던 것으로 나타났는데, 이는 제주지역의 지형적 특성으로 겨울철 강수량이 많아 봄가뭄은 상대적으로 적은 것으로 판단된다(Table 6).
후속연구
- 본 연구에서는 제주지역을 권역별로 구분하여 미래 기후변화로 인한 영향에서 가장 취약한 분야인 농업분야(특히 수자원)에서 예상될 수 있는 가뭄을 평가하고 전망하였다. 결과적으로 본 연구결과는 제주지역에서 가까운 미래에 발생할 수 있는 부정적 효과를 최소화하기 위한 대응 전략 및 농업 수자원 정책의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 3mm 증가하는 것으로 나타났다. 결과적으로 제주도 전체적으로 강수량 분포는 극사상의 시간적 변동과 더불어 강도 변화가 동시에 수반되어 나타나고 특히 갈수기인 봄과 가을철에 강수량이 증가함에 따라 권역별로 농업용수 수요 및 공급 정책에 본 연구결과의 활용이 필요할 것으로 판단된다.
- 또한 향후 농업 형태의 변화를 예측한 결과도 용수 수요량이 상대적으로 높은 시설재배작물의 면적이 급격하게 증가하는 것으로 나타남에 따라(Song과 Choi 2012; Choi 등, 2012), 권역별로 미래의 지하수자원 부존량 변화와 이를 이용한 수요량 변화 예측이 필수적이다. 또한 안정적이고 지속적인 작물 생산을 위해서는 기후변화가 농업수자원에 미치는 영향에 대하여 정확히 파악하고, 이로 인해 발생할 수 있는 부정적 효과를 최소화하기 위한 연구가 필요하다. 특히 기온 상승, 강수량 및 강우강도 변화, 증발산량 등의 기후변화는 우리나라의 가뭄 발생의 양상에도 변화를 야기하게 될 것이다(IPCC, 2007).
- 7mm까지 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 분석결과는 향후 제주지역의 농업활동 변화 중 서부지역의 시설재배작물의 분포 면적이 증가함에 따른 용수 수요량 증가(Song과 Choi, 2012)를 해결할 수 있는 용수 공급방안의 정책적 대안 수립에 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.
- 특히 농업활동이 가장 활발하고 농업용수 수요가 큰 시설재배작물의 분포 면적이 증가하고 있는 서부지역의 경우 여름철(6∼7월) 강수량은 감소하는 반면, 4∼5월과 8~10월에 증가하는 것으로 나타남에 따라 향후 농업용수 수요량 증가 따른 공급방안의 정책적 대안 수립에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 반면 PDSI는 증발산량을 동시에 고려하기 때문으로, 시간 경과에 따른 증발산량 증가로 가뭄이 점점 심화되는 특성을 반영하기 때문으로 판단된다. 특히 지역적으로는 북부와 서부지역이 남부지역에 비해 가뭄이 심해지는 것으로 분석되어, 이에 대한 용수 공급정책 수립이 필요할 것으로 판단된다.
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