[논문]면적평균강우량 산정을 통한 강우관측망 평가 및 추정오차

이지호; 전환돈

doi:10.17663/jwr.2014.16.1.103

면적평균강우량 산정을 통한 강우관측망 평가 및 추정오차
Evaluation of Raingauge Network using Area Average Rainfall Estimation and the Estimation Error 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.16 no.1, 2014년, pp.103 - 112

이지호 (서울과학기술대학교 건설시스템디자인) , 전환돈 (서울과학기술대학교 건설시스템디자인)

초록
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면적평균강우량의 산정은 가용 수자원의 정확한 양을 파악하고 강우-유출해석에 필수적인 입력자료이기 때문에 매우 중요하다. 이와 같은 면적평균강우량의 정확한 산정을 위한 필수적인 조건은 강우관측망의 균일한 공간적 분포이다. 본 연구에서는 보다 향상된 유역 면적평균강우량 산정을 위한 강우관측망의 공간분포 평가방법론을 제시하고, 이를 한강 및 금강 유역에 적용하였다. 강우관측소의 공간적 분포 특성은 최근린 지수(nearest neighbor index)를 이용하여 정량화하였다. 유역별 강우관측소의 공간적 분포가 면적평균강우량 산정에 미치는 영향을 평가하기 위하여 2013년의 강우사상에 대해 산술평균법, 티센가중법, 추정이론을 이용하여 면적평균강우량을 산정하고 각 경우에 대해 추정오차를 평가하였다. 그 결과 공간분포가 우수한 유역은 면적평균강우량의 추정오차가 상대적으로 작으며, 반대로 공간분포가 왜곡된 유역의 경우는 상대적으로 추정오차가 큼을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Area average rainfall estimation is important to determine the exact amount of the available water resources and the essential input data for rainfall-runoff analysis. Like that, the necessary criterion for accurate area average rainfall estimate is the uniform spatial distribution of raingauge network. In this study, we suggest the spatial distribution evaluation methodology of raingauge network to estimate better area average rainfall and after the suggested method is applied to Han River and Geum River basin. The spatial distribution of rainfall network can be quantified by the nearest neighbor index. In order to evaluate the effects of the spatial distribution of rainfall network by each basin, area average rainfall was estimated by arithmetic mean method, the Thiessen's weighting method and estimation theory for 2013's rainfall event, and evaluated the involved errors by each cases. As a result, it can be found that the estimation error at the best basin of spatial distribution was lower than the worst basin of spatial distribution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

격자크기를 적게 한 경우 자료의 분포 패턴이 모호해 지며, 너무 큰 격자크기를 설정할 경우 높은 빈도 및 낮은 빈도로 구성된 불규칙한 자료의 분포를 파악하기 힘들어 진다(Sturges, 1926). 따라서 공간적 분포특성을 정량화하기 어려워 본 연구에서는 배제하였다.
본 연구에서는 한강 및 금강유역에 대해 강우관측망의 공간적 특성을 파악하고 강우-유출해석 시 입력자료인 면적평균강우량의 추정오차를 평가하였다. 강우관측소의 공간적 분포 특성은 최근린 지수를 이용하여 정량화하였다.
아울러 강우관측망의 공간분포 특성을 파악하고 이들의 공간분포 특성이 면적평균강우량 산정에 있어 어느 정도의 추정오차를 가지고 있는지에 대한 연구는 찾아보기 힘들다. 이에 본 연구에서는 기존의 방법론을 바탕으로 한강 및 금강 유역에 대해 강우관측망의 공간적 특성을 파악하고 강우-유출해석 시 입력자료인 면적평균강우량의 추정오차를 산정하고자 한다. 면적평균강우량 산정방법으로는 산술평균법, 티센가중법, 추정이론을 적용하였다.

가설 설정

최적가중치를 이용하여 유역의 면적평균강우량을 산정하는 추정이론은 다음과 같다. 추정이론은 강우의 변동성을 고려할 수 있는 장점이 있으며, 이러한 추정이론은 강우관측소가 균등하게 분포되어 있다는 가정에 근거한다. 강우관측소가 서로 독립적이라는 가정 하에 추정이론의 면적평균강우량은 다음과 같이 계산된다(North and Stevens, 1998; Stevens and North, 1996).

제안 방법

본 연구에서는 각 중유역별로 평가된 공간분포의 결과를 바탕으로 가장 공간분포가 좋은 경우(case1: Geumsub3)와 공간분포가 상대적으로 떨어지는 경우 (case 2: Hansub4)에 대해 산술평균법, 티센가중법 및 추정이론을 이용하여 면적평균강우량의 추정오차를 평가하였다. 먼저 case1의 경우는 유역면적과 유역내 관측소 개수가 각각 3046.
본 절에서는 case 별 산술평균법, 티센가중법 및 추정이론에 근거하여 면적평균강우량의 오차를 산정하였다. 아래 Table 2는 각 추정방법에 사용된 가중치를 비교한 것이다.
Case 별로 추출된 강우사상은 다음과 같다. 시간적 변동성을 보다 자세히 고려하기 위해 국토교통부의 10분 단위의 강우사상을 선택하였으며, case 1의 경우는 7월 2일 16:00 ~ 7월 9일 21:50이며, case 2는 7월 7일 12:00 ~ 7월 9일 07:40이다. 먼저 이 기간 동안 발생된 각 관측소에서 측정된 총강우량의 평균은 case 1은 89.
9 km², 31개이다. 실제 호우사상을 통해 면적평균강우량의 추정오차를 산정하기 위해 실제 관측된 호우사상을 추출하였다. 일반적으로 면적평균강우량이 클수록 분산 역시 큰 값이 되며 따라서 변동계수의 변화는 상대적으로 작게 된다.
강우관측소의 공간적 분포 특성은 최근린 지수를 이용하여 정량화하였다. 이를 바탕으로 공간분포가 우수한 중유역과 상대적으로 공간분포가 떨어지는 유역에 대해 면적평균강우량의 추정오차를 산정하였다. 면적 평균강우량 산정방법으로는 산술평균법, 티센가중법, 추정이론을 적용하였다.

대상 데이터

일반적으로 면적평균강우량이 클수록 분산 역시 큰 값이 되며 따라서 변동계수의 변화는 상대적으로 작게 된다. 따라서 case 별로 2013년 7월의 강우사상중 평균강우량이 비슷한 두 호우사상을 분석에 적용하였다.
중유역별 공간적 특성을 파악하기 위해 국토교통부에서 운영중인 강우관측소의 개수와 관측소의 위치 좌표를 수집하였다. 관측소의 좌표는 이들의 공간적 특성을 파악하기 위해 이용되며, 강우관측소 현황은 2012년 기준이다.

이론/모형

관측소의 좌표는 이들의 공간적 특성을 파악하기 위해 이용되며, 강우관측소 현황은 2012년 기준이다. WMO(1994)에서 제시하고 있는 설치밀도를 이용하여 강우관측망의 공간적 특성을 평가할 수 있다. WMO에서 제시하고 있는 설치밀도를 이용한 관측망 평가는 다양한 목적을 가지고 있는 관측망의 특성을 파악하기에는 한계성이 있다.
추정이론은 강우의 변동성을 고려할 수 있는 장점이 있으며, 최적가중치를 이용하여 유역의 면적평균강우량을 산정하는 방법이다. 각 방법론에 대한 이론적 배경은 Bell(1986), Hegerl and North(1997), North and Stevens(1998) 및 Yoo and Jung(2001)의 연구를 참고하여 정리하였다.
이에 본 연구에서는 기존의 방법론을 바탕으로 한강 및 금강 유역에 대해 강우관측망의 공간적 특성을 파악하고 강우-유출해석 시 입력자료인 면적평균강우량의 추정오차를 산정하고자 한다. 면적평균강우량 산정방법으로는 산술평균법, 티센가중법, 추정이론을 적용하였다. 이는 최종적으로 보다 향상된 유역 면적평균강우량 산정에 목적이 있다.
이에 본 연구에서는 기존의 방법론을 바탕으로 한강 및 금강 유역에 대해 강우관측망의 공간적 특성을 파악하고 강우-유출해석 시 입력자료인 면적평균강우량의 추정오차를 산정하고자 한다. 면적평균강우량 산정방법으로는 산술평균법, 티센가중법, 추정이론을 적용하였다. 이는 최종적으로 보다 향상된 유역 면적평균강우량 산정에 목적이 있다.
점의 공간적 특성은 정방형 격자 기법, 최근린 지수, 특화도 및 집중도지수 등을 이용하여 평가할 수 있다. 정방구역 방법(quadrat method)은 Grieg(1952)에 의해 처음으로 제안되었다.

성능/효과

먼저, 적용 유역에 대해 수문학적 유사성을 고려하여 분할된 중유역을 바탕으로 강우관측소의 공간적 특성을 평가한 결과 국토교통부의 강우관측망은 최근린 지수가 1이상으로 공간적 분포가 상당히 분산되어 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 국토교통부의 강우관측소 설치 목적인, 즉, 강우-유출 해석의 입력자료인 면적평균강우량을 정도 있게 추정하기 위한 목적에 상당히 배치된다.
이는 공간적 변동성이 큼으로 인해 면적평균강우량의 추정에 큰 오차가 포함되기 때문이다. 면적평균강우량 산정 방법별 가중치를 산정한 결과 공간분포가 우수한 유역에서는 가중치의 편차가 작아 공간적 변동성이 작음을 재확인하였다. 향후 관할 기관별 목적에 의해 강우관측망을 평가한다면 보다 설득력이 있는 관측망 평가가 가능할 것이다.
이러한 결과는 국토교통부의 강우관측소 설치 목적인, 즉, 강우-유출 해석의 입력자료인 면적평균강우량을 정도 있게 추정하기 위한 목적에 상당히 배치된다. 아울러 면적평균강우량의 추정오차를 공간분포가 우수한 중유역과 상대적으로 떨어지는 중유역에 대해 산정한 결과 공간분포가 떨어지는 중유역에서 상대적으로 면적평균강우량의 오차가 더욱 크게 산정됨을 확인하였다. 이는 공간적 변동성이 큼으로 인해 면적평균강우량의 추정에 큰 오차가 포함되기 때문이다.

후속연구

면적평균강우량 산정 방법별 가중치를 산정한 결과 공간분포가 우수한 유역에서는 가중치의 편차가 작아 공간적 변동성이 작음을 재확인하였다. 향후 관할 기관별 목적에 의해 강우관측망을 평가한다면 보다 설득력이 있는 관측망 평가가 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	면적평균강우량의 산정이 중요한 이유는?	면적평균강우량의 산정은 가용 수자원의 정확한 양을 파악하고 강우-유출해석에 필수적인 입력자료이기 때문에 매우 중요하다. 이와 같은 면적평균강우량의 정확한 산정을 위한 필수적인 조건은 강우관측망의 균일한 공간적 분포이다.
	면적평균강우량의 정확한 산정을 위한 필수적인 조건은 무엇인가?	면적평균강우량의 산정은 가용 수자원의 정확한 양을 파악하고 강우-유출해석에 필수적인 입력자료이기 때문에 매우 중요하다. 이와 같은 면적평균강우량의 정확한 산정을 위한 필수적인 조건은 강우관측망의 균일한 공간적 분포이다. 본 연구에서는 보다 향상된 유역 면적평균강우량 산정을 위한 강우관측망의 공간분포 평가방법론을 제시하고, 이를 한강 및 금강 유역에 적용하였다.
	수문관측소의 수문관측망은 어떻게 분류할 수 있는가?	아울러 국토해양부에서는 효율적인 수문조사를 위해 국가유량측정망(2007) 및 국가수문관측망(2012)을 구축하였으며, 각 기관별로 필요에 의해 관측소가 신설되었다. 이러한 수문관측망은 크게 수위관측망, 유량관측망, 강우관측망으로 분류할 수 있다.

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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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