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동질성 Hidden Markov Chain 모형을 이용한 일강수량 모의기법 개발
Development of Daily Rainfall Simulation Model Based on Homogeneous Hidden Markov Chain 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.5, 2013년, pp.1861 - 1870  

권현한 (전북대학교 토공공학과, 방재연구센터) ,  김태정 (전북대학교 토목공학과) ,  황석환 (한국건설기술연구원 수자원환경본부) ,  김태웅 (한양대학교 건설환경플랜트공학과)

초록
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최근 기후변화 영향으로 인해 수문변동성이 크게 증가되고 있으며 이러한 변동성을 고려하기 위한 방안으로서 강수량 모의발생 기법에 대한 중요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 복잡한 강수발생 패턴을 인지하고 강수량의 다양한 분포특성을 고려할 수 있는 혼합분포를 이용한 동질성 Hidden Markov Chain(HMM) 모형을 제안하였다. HMM 모형의 개선효과를 검증하기 위해서 기존 Markov Chain 모형과 비교 하였으며 서울관측소 및 전주관측소를 대상으로 연구를 진행하였다. 계절강수량 및 일강수량 등 다양한 시간규모에서 모형의 적합성을 평가하기 위해서 천이확률, 평균, 분산, 왜곡도 및 첨예도 등을 비교하였으며 HMM 모형이 기존 Markov Chain 모형에 비해서 개선된 모의능력을 확인할 수 있었다. 특히, HMM 모형은 극치강수량을 재현하는데 있어서 기존 Markov Chain 모형에 비해서 월등한 모의능력을 보여주었다. 이러한 점에서 장기유출량 및 확률홍수량 등을 산정하기 위한 입력자료로 활용이 충분히 가능할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A climate change-driven increased hydrological variability has been widely acknowledged over the past decades. In this regards, rainfall simulation techniques are being applied in many countries to consider the increased variability. This study proposed a Homogeneous Hidden Markov Chain(HMM) designe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 결론적으로 일반적인 Markov Chain 모형에 비해서 관측지점의 통계적 특성을 효과적으로 복원하며 종관기상학적 패턴을 파악하는데 유리한 강수모의기법을 개발하는 것이 본 연구의 목적이다. 즉, 기존 Markov Chain 모형 기반의 강수모의기법을 대체할 수 있는 단지점 HMM 일강수량 모의기법을 개발하고자 하며 기상청 산하의 서울관측소와 전주관측소의 강수량을 대상으로 모형의 적합성을 평가하였다.
  • 본 연구에서는 기존 정상성 Markov Chain 모형을 개선한 동질성 HMM 모형을 개발하여 서울관측소과 전주관측소의 강수자료을 사용하여 모형의 적합성 및 적용성을 평가하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
  • , 2009). 본 연구에서는 일기상태를 고려하고 각 일기상태별로 혼합분포(mixture distribution) 형태의 확률분포를 적용할 수 있는 일강수 모의기법을 개발하였다.
  • 결론적으로 일반적인 Markov Chain 모형에 비해서 관측지점의 통계적 특성을 효과적으로 복원하며 종관기상학적 패턴을 파악하는데 유리한 강수모의기법을 개발하는 것이 본 연구의 목적이다. 즉, 기존 Markov Chain 모형 기반의 강수모의기법을 대체할 수 있는 단지점 HMM 일강수량 모의기법을 개발하고자 하며 기상청 산하의 서울관측소와 전주관측소의 강수량을 대상으로 모형의 적합성을 평가하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.

가설 설정

  • 본 연구에서 일기상태는 은닉상태(hidden state)의 형태를 가지는 것으로 고려하였으며 은닉상태 안에서의 천이확률은 시간에 따라 변화하지 않는 것으로 가정하였다. 즉, 시간에 따른 천이확률 및 Mixture분포의 변동성은 고려하지 않는 동질성 Hidden Markov Chain(HMM) 모형을 개발하였다.
  • 첫째, 주어진 은닉상태와 k일 이전의 강수량으로 이루어진 모형에서 관측강수 벡터는 다른 모든 변수와 조건부적으로 독립이라고 가정한다. 즉, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
국내 일 강수자료는 어떤 문제가 있는가? 국내의 경우 일 강수자료는 많게는 100여년 정도에서부터 적게는 10여년 정도까지 다양한 길이로 존재하고 있다. 그러나 현재 우리나라의 대부분의 유역에서 관측된 수문자료는 매우 제한적이고 결측자료가 존재하여 수문현상을 분석하는데 어려움이 있는 실정이다. 본 논문에서 취급할 일강수량 자료계열은 유출량 자료계열에 비하여 변동성이 크고 수문학적인 지속성 즉 자기상관성 (autocorrelation)이 크지 않은 시계열 자료로서 이와 같은 경우 Markov Chain을 적용하면 그 특성을 잘 묘사하는 것으로 알려져 있다(Nord, 1975).
Markov 과정이란 무엇인가? 일반적으로 무작위 시계열 자료간의 계열 상관성과 미래의 상태를 현재와 과거의 상태들과의 상관관계 분석만으로 추계학적으로 추출하는 과정을 Markov 과정이라고 하고 한정적인 상태공간에서의 Markov 과정을 Markov Chain라 한다.
HMM은 무엇인가? HMM은 조건부 독립가정을 기본으로 관측 자료로부터 은닉상태의 확률론적 과정(stochastic process)을 관측이 가능하도록 발생시켜 다른 확률론적 과정을 통하여 모델링하는 이중의 확률론적 과정이다. 우선 시간의 차원을 갖는 강수량자료를 시간 T의 연속 벡터로 나타내면 다음과 같다.
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참고문헌 (15)

  1. Kim, B. S., Kang, K. S. and Seoh, B. H. (1999). "Low flow frequency analysis of streamflows from the stochastically generated daily rainfall series." Journal of Korean Water Resources Association, Vol. 32, No. 3, pp. 265-279. 

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  3. Haan, C. T., Allen, D. M. and Street, J. O. (1976). "A markov chain model of daily rainfall." Water Resour. Res., Vol. 12, No. 3, pp. 443-449. 

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  10. Kwon, H.-H. and So, B.-J. (2011). "Development of daily rainfall simulation model using piecewise kernel-pareto continuous distribution." Journal of Korean Society of Civil Engineer, Vol. 31, No. 3B, pp. 277-284. 

  11. Kwon, H.-H., Lall, U. and Obeysekera, J. (2009). "Simulation of daily rainfall scenarios with interannual and multidecadal climate cycles for south florida." Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, Vol. 23, No. 7, pp. 879-896. 

  12. Lee, C. H. and Kim, S. (1995). "Estimation of mean annual and monthly precipitations in south korea by the regression analysis." Journal of Korean Society of Civil Engineer, Vol. 15, No. 5, pp. 1255-1266. 

  13. Nord, J. (1975). "Some applications of markov chains, proceedings fourth conference on probability and statistics in atmospheric science." Tallahas, pp.125-130. 

  14. Wilks, D. S. (1992). "Adapting stochastic weather generation algorithms for climate change studies." Climate Change, Vol. 22, pp. 67-84. 

  15. Bengio, Y. and Frasconi, P. (1995). "Diffusion of context and credit information in markov chain models." Journal of Artificial Intelligence Research, Vol. 6, No. 95, pp. 249-270. 

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