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문제 정의
- 그러나 가뭄에 대한 규정과 기준은 아직 부족한 것이 현실이다. 따라서 본 연구에서는 지역적인 특성을 고려하여 가뭄을 판단하고 대응하고자 목표 표준강수지수를 산정하는 연구를 실시하였다.
- 본 연구에서는 기상학적 가뭄에 단기적인 가뭄을 중심으로 분석을 수행하였으며, 이를 위해 단기가뭄에 적합한 기상학적 가뭄지수 평가와 가뭄 빈도해석을 실시한 선행연구문헌을 조사하였다. 먼저, 가뭄지수의 평가 및 비교분석에 관한 선행연구를 살펴보면, Kim(2011)등은 각종 가뭄지수를 행정구역 별로 산정하여 비교분석을 통해 기상학적 가뭄지수의 실제 가뭄에 대한 표현정도를 평가하였다.
- 본 연구에서는 한반도의 목표 표준강수지수 산정을 위하여 매개변수적 빈도해석과 경계핵밀도 함수를 이용한 비매개변수적 빈도해석을 실시하였다. 또한 빈도해석결과의 비교분석을 통한 비매개 변수적 빈도해석결과를 이용하여 목표 재현기간 30년으로 목표 표준강수지수를 산정하였다.
제안 방법
- 그러나 매개변수적 빈도해석과 비매개변수적 빈도해석결과를 비교하거나 한반도를 범위로 목표 표준가뭄지수를 제시하는 연구는 미미하다. 따라서 본 연구에서는 분석대상지역을 한반도 전역으로 설정하고 기상학적 가뭄의 단기가뭄을 잘 표현하는 SPI가뭄지수를 이용하여 매개변수적 빈도해석과 경계핵밀도 함수를 이용한 비매개변수적 빈도해석을 실시하였다. 또한 빈도해석결과의 비교분석을 통해 목표 재현기간 30년의 시·군·구 단위 목표 표준강수지수를 산정하였다.
- 30년 빈도의 경우, 빈도해석결과 비교분석에서는 매개변수적 빈도해석결과가 작은 지점은 21개 지점, 비매개변수적 빈도해석결과가 작은 지점은 67개 지점으로 대부분의 지점에서 비매개변수적 빈도해석 결과가 더욱 낮게 산정된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 비매개변수적 빈도해석결과를 이용하여 목표 표준강수지수로 산정 하였다. 또한 재현기간 30년의 비매개변수적 빈도해석 결과를 티센비로 적용하여 시·군·구 단위로 목표 표준강수지수를 산정하였으며, 지역의 목표 표준강수지수가 -2.
- Lee and Kim (2011)등은 가뭄 사상의 정량적 평가를 위하여 가뭄심도-지속기간-생기빈도(Severity-Durat ion-Frequency, SDF) 곡선을 유도하고 가뭄지수를 이용한 빈도해석을 실시하였다. 또한 가뭄지수의 빈도해석을 통하여 유도된 주요 관측소별 SDF곡선을 이용하여 과거의 주요 가뭄사상에 대한 재현기간을 제시하였다. Yoo et al.
- Yoon and Pakr (1997)등은 남한을 47개 소유역으로 분할한 후 월 강우량로 L-moment법을 이용하여 지역빈도분석을 실시하였다. 또한 강우의 지속기간별, 재현기간별 가뭄우량을 산정하여 지속기간별 확률가뭄우량도를 작성하였다.
- 선행연구를 종합하여 보면, SPI 가뭄지수는 기상학적 가뭄의 단기가뭄 평가에 적절한 것으로 나타났다. 또한 다양한 방법으로 빈도해석을 실시하여 재현기간을 제시하거나 지역적인 가뭄의 특성을 판단하였다. 그러나 매개변수적 빈도해석과 비매개변수적 빈도해석결과를 비교하거나 한반도를 범위로 목표 표준가뭄지수를 제시하는 연구는 미미하다.
- 본 연구에서는 한반도의 목표 표준강수지수 산정을 위하여 매개변수적 빈도해석과 경계핵밀도 함수를 이용한 비매개변수적 빈도해석을 실시하였다. 또한 빈도해석결과의 비교분석을 통한 비매개 변수적 빈도해석결과를 이용하여 목표 재현기간 30년으로 목표 표준강수지수를 산정하였다.
- 또한 빈도해석결과의 비교분석을 통해 목표 재현기간 30년의 시·군·구 단위 목표 표준강수지수를 산정하였다.
- (2013)등은 남한의 55개 기상청 관측소를 대상으로 SPI지수에 따른 가뭄기간과 가뭄심도를 정의하고, 코풀라 이론을 이용하여 두 가뭄변수의 결합확률분포를 유도하였다. 또한 이를 이용하여 가뭄의 발생 양상을 고찰하고 가뭄의 재현기간으로 제시하였으며, 대한민국을 대상으로 가뭄의 공간적 분포를 분석하였다. Oh et al.
- 또한 재현기간 30년의 비매개변수적 빈도해석 결과를 티센비로 적용하여 시·군·구 단위로 목표 표준강수지수를 산정하였으며, 지역의 목표 표준강수지수가 -2.16의 경우는 -2.20로, -2.53의 경우는 -2.55로 0.05단위로 하향조정을 실시하였다.
- (2010) 등은 단기가뭄과 장기가뭄으로 구분하여 가뭄특성변수를 추출하고 주성분분석과 군집분석을 통해 가뭄의 동질성을 갖는 관측지점들을 구분하였다. 또한, 지역별 가뭄빈도해석을 위해 이변량 확률분포함수를 적용하였으며, 가뭄특성(가뭄지속기간과 심도)의 상호 관계를 고려하여 지역적 가뭄특성을 판단하였다. Yoon and Pakr (1997)등은 남한을 47개 소유역으로 분할한 후 월 강우량로 L-moment법을 이용하여 지역빈도분석을 실시하였다.
- 본 연구는 기상학적 가뭄지수인 SPI지수를 이용하여 목표 표준강수지수를 산정하였다. 이는 한반도 가뭄의 판단 및 대응을 위한 기초자료로 활용하고 국가적인 수자원계획과 방재대책에 기여할 것으로 판단된다.
- 따라서 분석대상 자료가 수문학적 지속성을 가지지 않는 무작위시계열임을 검사하는 무작위성 검사가 필요하다. 본 연구에서는 Run Test를 이용하여 무작위성을 검사하였으며, Table 2와 같이 Run Test를 이용한 무작위성검정결과를 도시하였다. 확률분포형의 경우, 선행연구에서 기상학적 가뭄과 같은 단기가뭄에 있어서는 Weibull분포를 따르는 것으로 나타났다(Ming-Ko Woo and Aondover Tarhule, 1994).
- 가뭄의 경우 강우량과는 반대개념으로 연 최소치 계열 또는 일정 가뭄지수 이하의 연 초과치 계열을 이용하여 분석을 실시하여야 한다. 본 연구에서는 연 최소치 가뭄을 추출하여 빈도해석을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 기상청에서 수집한 북한지역의 강우량 자료기간과 지점의 수는 1973년부터는 13개 지점, 1981년부터는 14개 지점으로 총 27개 지점이다. 남한지역에 대한 강우자료는 자료기간은 관측연수가 30년 이상 존재하는 61개 지점을 대상으로 하였으며, 상당기간의 자료가 존재하는 지점의 경우 1961년 이후 부터의 강우자료를 이용하여 분석을 실시하였다. 따라서 북한지역 27개 지점과 남한지역 61개 지점, 총 88개 지점의 강우자료를 이용하여 분석을 실시하였다.
- 남한지역에 대한 강우자료는 자료기간은 관측연수가 30년 이상 존재하는 61개 지점을 대상으로 하였으며, 상당기간의 자료가 존재하는 지점의 경우 1961년 이후 부터의 강우자료를 이용하여 분석을 실시하였다. 따라서 북한지역 27개 지점과 남한지역 61개 지점, 총 88개 지점의 강우자료를 이용하여 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서 강우 자료의 확보가 용이하고 과거로부터의 관측 자료의 신뢰성이 확보되어 있는 기상청 자료를 이용하여 분석을 수행하였으며, 분석대상지역은 Fig. 1과 같이 한반도를 대상으로 설정하였다. 기상청에서 수집한 북한지역의 강우량 자료기간과 지점의 수는 1973년부터는 13개 지점, 1981년부터는 14개 지점으로 총 27개 지점이다.
이론/모형
- 확률분포형의 경우, 선행연구에서 기상학적 가뭄과 같은 단기가뭄에 있어서는 Weibull분포를 따르는 것으로 나타났다(Ming-Ko Woo and Aondover Tarhule, 1994). 따라서 본 연구에서도 확률분포형의 선정에 있어서는 Weibull분포형을 이용하였으며, 매개변수 추정방법으로는 확률가중모멘트법을 이용하여 빈도해석을 실시하였다. Table 3은 주요지점의 매개변수적 빈도해석 결과를 도시하였다.
- 본 연구에서는 단기가뭄에 중점을 두고 있으므로 표준강수지수(SPI(3))를 이용하여 가뭄지수를 산정하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 매개변수적 빈도해석결과와 경계핵밀도함수를 이용한 비매개변수적 빈도해석 비교분석결과, 낮은 빈도 2∼5년에서는 0.1 이하의 차이를 보이며 절대치 평균값의 차이가 다소 나타나지 않았으나, 100년 이상의 경우 0.3 이상의 절대치 평균값 차이를 보이며 차이가 심화되었다.
- (2) 목표 표준강수지수의 지역적 비교분석결과, 한반도 전 지역에서 -2.0이하의 극심한 가뭄으로 나타났으며, 남한보다는 북한 지역이 목표 표준가뭄지수가 더욱 낮은 것으로 나타났다. 특히 철원군과 평강군에서는 목표표준가뭄지수가 -3.
- 이처럼 가뭄은 심도와 빈도가 지역별로 다르게 나타난다. 같은 재현기간 30년의 가뭄이라도 지역에 따른 차이는 크게 나타남을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. 또한, 현재까지는 가뭄지수를 통한 단순한 가뭄의 평가가 이루어 졌다면, 앞으로는 지역 특성의 차이를 고려한 재현기간을 토대로 가뭄의 평가를 실시하는 것이 바람직하다고 판단된다.
- 그러나 80∼200년의 경우는 반대로 매개변수적 빈도해석결과 값이 더 낮은 값을 갖는 지점이 더욱 많은 것으로 분석되었다. 따라서 적용하는 재현기간에 따라 매개변수적 빈도해석결과와 비매개변수적 결과를 이용하는 것이 더욱 타당할 것으로 판단된다.
- 또한 10∼30년의 재현기간에서는 비매개변수적 빈도해석 결과가 매개 변수적 빈도해석결과보다 더욱 낮은 값을 갖는 지점이 많은 것으로 나타났다.
- 또한 10∼30년의 재현기간에서는 비매개변수적 빈도해석 결과가 매개변수적 빈도해석결과보다 더욱 낮은 값을 갖는 지점이 많은 것으로 나타났다.
- 80의 값을 보이며 빈도해석결과 가장 낮은 값을 보였다. 본 연구결과와 같이 가뭄은 심도와 빈도가 지역별로 크게 상이하기 때문에 단순한 가뭄지수를 이용하여 가뭄을 평가하는 것 보다는 빈도해석 등을 통한 지역의 차이 및 특성을 고려한 가뭄을 평가하는 것이 더욱 효과적이라고 판단된다. 또한 이는 각 지역의 가뭄특성에 맞게 수자원관리 및 세부계획을 수립하는데 활용할 수있을 것으로 판단된다.
- 분석결과 2∼5년에서는 0.1 이하의 차이를 보이며 절대치 평균값의 차이가 크게 나타나지 않았으나, 100년 이상의 경우 0.3이상의 절대치 평균값 차이를 보이며 차이가 심화되었다.
- 분석결과 PDSI, SWSI, SPI지수 모두 가뭄을 정량적으로 나타내는데 유용하고, 장·단점에 따라 가뭄을 파악할 경우 가뭄을 효과적일 것으로 판단하였다.
- Lee and Lee (2005)등은 PDSI (Palmer Drought Severity Index), SPI (Standardized Precipitation Index), KBDI지수를 산정하고 상호비교연구를 통해 표준 가뭄지수를 제안하였다. 분석결과 PDSI는 누적되는 강우의 부족으로 가뭄심도를 나타내는데 유리하고 SPI, KBD는 단기간 강우부족을 나타내는데 유리하다고 하였다. Ryu et al.
- 먼저, 가뭄지수의 평가 및 비교분석에 관한 선행연구를 살펴보면, Kim(2011)등은 각종 가뭄지수를 행정구역 별로 산정하여 비교분석을 통해 기상학적 가뭄지수의 실제 가뭄에 대한 표현정도를 평가하였다. 분석결과 SPI (3), PN, Deciles의 단기적인 가뭄의 표현이 비교적 양호한 것으로 나타났으며, 실제 가뭄발생 기록과 가장 높은 상관성을 보이는 것으로 나타났다. Lee and Lee (2005)등은 PDSI (Palmer Drought Severity Index), SPI (Standardized Precipitation Index), KBDI지수를 산정하고 상호비교연구를 통해 표준 가뭄지수를 제안하였다.
- 분석결과, 재현기간 30년에서는 -2.0이하의 값을 보이며, 한반도 전 지역에서 극심한 가뭄이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 남한보다는 북한지역이 목표 표준가뭄지수가 더욱 낮은 것으로 나타났으며, 철원군, 평강군, 세포군과 장진군, 부전군에서는 목표 표준가뭄지수가 -3.
- 선행연구를 종합하여 보면, SPI 가뭄지수는 기상학적 가뭄의 단기가뭄 평가에 적절한 것으로 나타났다. 또한 다양한 방법으로 빈도해석을 실시하여 재현기간을 제시하거나 지역적인 가뭄의 특성을 판단하였다.
- 주요지점에 대한 분석결과, 재현기간 5년에서는 개성이 –0.14, 재현기간 10년에서는 원산이 0.13, 재현기간 30년에서는 신의주가 0.39로 가장 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다.
- 0이하의 값을 보이며, 한반도 전 지역에서 극심한 가뭄이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 남한보다는 북한지역이 목표 표준가뭄지수가 더욱 낮은 것으로 나타났으며, 철원군, 평강군, 세포군과 장진군, 부전군에서는 목표 표준가뭄지수가 -3.80의 값을 보이며 빈도해석결과 가장 낮은 값을 보였다. 대도시 지역의 경우, 북한지역의 평양시는 -3.
후속연구
- 본 연구결과와 같이 가뭄은 심도와 빈도가 지역별로 크게 상이하기 때문에 단순한 가뭄지수를 이용하여 가뭄을 평가하는 것 보다는 빈도해석 등을 통한 지역의 차이 및 특성을 고려한 가뭄을 평가하는 것이 더욱 효과적이라고 판단된다. 또한 이는 각 지역의 가뭄특성에 맞게 수자원관리 및 세부계획을 수립하는데 활용할 수있을 것으로 판단된다.
- 같은 재현기간 30년의 가뭄이라도 지역에 따른 차이는 크게 나타남을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. 또한, 현재까지는 가뭄지수를 통한 단순한 가뭄의 평가가 이루어 졌다면, 앞으로는 지역 특성의 차이를 고려한 재현기간을 토대로 가뭄의 평가를 실시하는 것이 바람직하다고 판단된다. 이는 가뭄을 판단하고 대응하는데 보다 효율적이라고 사료되며 이를 통해 각 지역의 가뭄특성에 맞게 수자원관리 및 세부계획을 수립하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
- 이는 한반도 가뭄의 판단 및 대응을 위한 기초자료로 활용하고 국가적인 수자원계획과 방재대책에 기여할 것으로 판단된다. 반면 본 연구에서는 기상학적인 가뭄의 단기가뭄을 중점으로 분석을 수행하였기 때문에 수문학적 가뭄, 농업적 가뭄 등에는 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 판단된다. 이는 추가적인 분석을 통하여 가뭄을 종합적으로 판단할 수 있는 합리적이고 타당한 목표 가뭄지수의 산정에 관한 연구가 필요하다.
- 반면 본 연구에서는 기상학적인 가뭄의 단기가뭄을 중점으로 분석을 수행하였기 때문에 수문학적 가뭄, 농업적 가뭄 등에는 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 판단된다. 이는 추가적인 분석을 통하여 가뭄을 종합적으로 판단할 수 있는 합리적이고 타당한 목표 가뭄지수의 산정에 관한 연구가 필요하다.
- 본 연구는 기상학적 가뭄지수인 SPI지수를 이용하여 목표 표준강수지수를 산정하였다. 이는 한반도 가뭄의 판단 및 대응을 위한 기초자료로 활용하고 국가적인 수자원계획과 방재대책에 기여할 것으로 판단된다. 반면 본 연구에서는 기상학적인 가뭄의 단기가뭄을 중점으로 분석을 수행하였기 때문에 수문학적 가뭄, 농업적 가뭄 등에는 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 판단된다.
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