[논문]추계학적 강우모형의 매개변수 변동을 통한 서울지역 여름철 강우 변동특성 분석

조현곤; 김광섭; 이재응

doi:10.3741/jkwra.2014.47.8.693

추계학적 강우모형의 매개변수 변동을 통한 서울지역 여름철 강우 변동특성 분석
Analysis on the Variability of Rainfall at the Seoul Station during Summer Season Using the Variability of Parameters of a Stochastic Rainfall Generation Model 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.47 no.8, 2014년, pp.693 - 701

조현곤 (경북대학교 건축.토목공학부) , 김광섭 (경북대학교 건축.토목공학부) , 이재응 (아주대학교 환경건설교통공학부)

초록
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본 연구에서는 강우의 변동특성 분석에 있어 기존의 접근법인 지속기간별 강우량의 변화 분석을 통하여 얻는 데 한계가 있는 강우의 구조적 변동특성을 분석하기 위하여 추계학적 강우모형을 이용하였다. Neyman-Scott 구형펄스 모형(Neyman-Scott Rectangular Pulse Model, NSRPM)은 점 과정을 이용한 추계학적 강우생성 모형으로 시간단위 강우를 생성함으로써 수문학 분야에서 널리 쓰이고 있으며 강우특성과 관련한 5개의 매개변수로 구성되어있다. 각 매개변수는 물리적인 의미를 가지고 있으므로 서울지점의 1973~2011년 여름철 시강우자료를 이용하여 NSRPM의 매개변수를 추정하고 추정된 매개변수의 변화를 분석하여 강우의 구조적인 변화를 분석하고 기존연구와 비교 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study a stochastic rainfall generation model is used to analyze the structural variability of rainfall events since it has limitations in the traditional approach of measuring rainfall variability according to different durations. The NSRPM(Neyman-Scott Rectangular Pulse Model) is a stochastic rainfall generation model using a point process with 5 model parameters which is widely used in hydrologic fields. The five model parameters have physical meaning associated with rainfall events. The model parameters were estimated using hourly rainfall data from 1973 to 2011 at Seoul stations. The variability of model parameter estimates was analyzed and compared with results of traditional analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 강우변동특성 분석관련 연구에서는 최종자료를 이용한 강우사상의 특성 즉 지속시간에 따른 강우량과 강우강도 등을 총량적 개념으로 접근하여 분석하였으나 본 연구에서 Fig. 2에서 개념적으로 제시한 바와 같이 강우 사상이 가지는 내적 구조적 특성을 총량적 개념이 아닌 강우구조의 변화에 대한 분석을 통하여 강우변화특성을 분석하고자 하였다. 이에 선행 연구된 일반적인 한반도 강우변동 특성을 살펴보고 본 연구결과와 비교 분석을 수행하였다.
기후변화가 야기하는 수문 요인들의 변화에 대한 관심과 경각심이 고조되고 있는 시점에 일반적인 강우의 변동 특성 분석은 강우사상의 특성을 지속시간에 따른 총량적 개념으로 접근하여 분석하였으나 이러한 분석은 실제적인 강우구조 변화를 파악하는데 한계가 있다. 본 연구에서는 서울 지점을 대상으로 1973～2011년 기간 동안의 강수자료를 활용한 추계학적 강우생성모형의 매개변수 추정과 추정된 매개변수의 변화에 대한 분석을 통한 강우구조의 변화를 고찰하였다.
모멘트 식을 이용할 경우 유강수일수에 대한 항이 없어 유강수일수를 잘 표현하지 못하며 전체적인 정확도에서도 직접적인 방법의 매개변수 추정이 더 높은 정확도를 보였다. 본 연구에서는 통계적 강우생성 모형인 NSRPM 의 매개변수를 추정하고 물리적인 의미를 가지고 있는 각 매개변수들의 변동 특성을 분석함으로써 강우계에서 얻어지는 최종 강우자료의 분석으로 파악할 수 없는 강우의 구조적 변화를 파악하였다. 본 연구의 대상 지역은 서울로 대상 지점의 1973～2011년까지의 시강우 자료를 이용하여 서울지점에 대한 강우사상의 구조적 변화 특성을 분석하였다.

가설 설정

둘째, 각각의 강우 이벤트에 속해있는 강우세포의 개수를 결정짓는 과정이다. 셋째, 강우세포 위치를 결정짓는 과정이다. BLRPM, NSRPM의 차이점은 강우세포의 위치를 결정짓는 기준에서 차이가 있다.
BLRPM 과 NSRPM 모형은 세 개의 기본이 되는 독립적인 확률과정 의해 구성된다. 첫째, 강우의 이벤트 시작을 결정짓는 과정이다. 둘째, 각각의 강우 이벤트에 속해있는 강우세포의 개수를 결정짓는 과정이다.

제안 방법

5). 1973～1992년 동안의 강우자료를 이용하여 Huff분포를 분석하고 1년씩 누적하면서 2011년까지 강우의 Huff 분위의 변화를 분석하였다. 1분위와 3분위가 전체강우에서 차지하는 비율은 감소하는 추세를 보였으며 2분위는 큰 변화를 보이지 않았다.
강우세포의 개수는 매개변수 μ를 가지며 기하함수(Geometric Distribution)와 포아송분포(Poisson Distribution) 에 의해 결정하지만 본 연구에서는 기하함수를 이용하여 강우세포의 개수를 결정한다(Eq.
서울지점 1973～2011년 동안의 시강우 자료를 이용하여 NSRPM 매개변수를 추정하고 각 매개변수의 변동을 파악하여 서울지점의 강우변동 특성과 비교 분석하였다 (Fig. 8).
2에서 개념적으로 제시한 바와 같이 강우 사상이 가지는 내적 구조적 특성을 총량적 개념이 아닌 강우구조의 변화에 대한 분석을 통하여 강우변화특성을 분석하고자 하였다. 이에 선행 연구된 일반적인 한반도 강우변동 특성을 살펴보고 본 연구결과와 비교 분석을 수행하였다.

대상 데이터

현제 기상청에서는 1904년 이후로 현대식 관측설비를 갖춘 76개 기상관측소를 운영하고 있다. 본 연구에서는 기상청에서 제공하는 한강유역 지상기상관측소 14개 지점 중 서울지점의 1973～2011년까지 39년 동안의 시강우의 자료를 이용하였다. Fig.
본 연구에서는 통계적 강우생성 모형인 NSRPM 의 매개변수를 추정하고 물리적인 의미를 가지고 있는 각 매개변수들의 변동 특성을 분석함으로써 강우계에서 얻어지는 최종 강우자료의 분석으로 파악할 수 없는 강우의 구조적 변화를 파악하였다. 본 연구의 대상 지역은 서울로 대상 지점의 1973～2011년까지의 시강우 자료를 이용하여 서울지점에 대한 강우사상의 구조적 변화 특성을 분석하였다.

이론/모형

본 연구에서 사용된 제약조건이 없는 비선형 목적함수의 문제를 해결하기 위해 최적화기법(unconstrained nonlinear optimization) 중 목적함수의 미분을 요구하지 않으며 비교적 전역 최소값을구하는Differential Evolution Algorithm을 이용하였다. 추정된 매개변수의 범위는 Calenda and Napolitano (1999)가 사용한 범위를 이용하였다(Table 2).
일반적으로 NSRPM의 매개변수를 추정하기 위해 모멘트를 이용한 방법이 널리 쓰이고 있다. 본 연구에서는 NSRPM 의 매개변수를 추정하기 위한 목적함수로 Cowpertwait et al. (1996)이 연구논문에 사용한 함수를 이용하였다(Eq.(9)).
본 연구에서 사용된 제약조건이 없는 비선형 목적함수의 문제를 해결하기 위해 최적화기법(unconstrained nonlinear optimization) 중 목적함수의 미분을 요구하지 않으며 비교적 전역 최소값을구하는Differential Evolution Algorithm을 이용하였다. 추정된 매개변수의 범위는 Calenda and Napolitano (1999)가 사용한 범위를 이용하였다(Table 2). 서울지점에 대한 1973～2011년까지 시계열 강우자료를 이용하여 추정된 매개변수는 다음과 같다(Table 3).

성능/효과

1973～1992년 동안의 강우자료를 이용하여 Huff분포를 분석하고 1년씩 누적하면서 2011년까지 강우의 Huff 분위의 변화를 분석하였다. 1분위와 3분위가 전체강우에서 차지하는 비율은 감소하는 추세를 보였으며 2분위는 큰 변화를 보이지 않았다. 홍수위험이 가장 큰 4분위의 변화는 전체비율이 약 25%에서 32%를 보여 연구기간동안 7% 증가하였으며 추세역시 증가하는 추세를 보이고 있으며 강우사상의 지속시간은 약 3.
각 강우이벤트에 속하는 강우세포의 수를 나타내는 매개변수 μ는 17개에서 30개로 증가하는 추세를 보였으며 증가분은 약 13개였다.
강우세포의 수를 결정하는 매개변수 μ의 변화는 증가하는 추세를 보였으며 한 강우사상에 속하는 개수의 증가 폭은 약 10개 정도였다.
강우세포의 위치를 나타내는 매개변수 β의 0.25에서 0.3으로 약 0.05 증가하였으며 증가추세를 보였다.
매개변수를 이용하여 얻은 강우발생의 횟수와 관측된 강우사상의 횟수가 약 2～3회 차이를 보이나 이는 6, 7, 8월 3개월에 걸쳐 발생하는 강우사상의 횟수이며 강우발생 빈도의 감소 추세 또한 적절히 표현하였다. 또한 강우세포의 강우강도는 증가하나 지속시간은 감소하는 결과를 보였다. 강우강도는 약 10 mm/h에서 20 mm/h로 증가하는 것으로 나타났으며 증가폭은 약 10 mm/h이다.
강우사상 구조적 변화분석에서 강우의 발생을 변화는 약 23회에서 22회로 감소하였다. 매개변수를 이용하여 얻은 강우발생의 횟수와 관측된 강우사상의 횟수가 약 2～3회 차이를 보이나 이는 6, 7, 8월 3개월에 걸쳐 발생하는 강우사상의 횟수이며 강우발생 빈도의 감소 추세 또한 적절히 표현하였다. 또한 강우세포의 강우강도는 증가하나 지속시간은 감소하는 결과를 보였다.
(2008)과 Jung (2009)은 직접적인 방법과 모멘트 식을 이용하여 얻은 NSRPM의 추정된 매개변수의 적합성을 판단하였다. 모멘트 식을 이용할 경우 유강수일수에 대한 항이 없어 유강수일수를 잘 표현하지 못하며 전체적인 정확도에서도 직접적인 방법의 매개변수 추정이 더 높은 정확도를 보였다. 본 연구에서는 통계적 강우생성 모형인 NSRPM 의 매개변수를 추정하고 물리적인 의미를 가지고 있는 각 매개변수들의 변동 특성을 분석함으로써 강우계에서 얻어지는 최종 강우자료의 분석으로 파악할 수 없는 강우의 구조적 변화를 파악하였다.
강우세포의 시작을 결정하는 매개변수 β는 증가하는 추세를 보여 강우사상 분포의 중심이 강우사상의 시작에 근접하고 있는 추세를 보였다. 분석결과 강우구조의 변화에 있어서 발생 횟수는 감소하며 강우의 분포형태의 경우 강우강도는 증가하며 지속시간은 짧아져 집중호우의 발생이 증가하며 전체적인 강우량 또한 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 선행 연구에 의해 분석된 집중호우의 증가와 강우량 증가 추세와 동일한 결과를 보이고 있다.
또한 1973～2011년 동안 여름철(6, 7, 8월) 지속시간 1시간, 24시간 강우의 극한강우량 변화는 증가하는 추세를 보이고 있다. 지속시간 1시간 극한강우량은 선형 증가량이 대략 11.31 mm/h로 보였으며 지속시간 24시간 극한 강우량의 선형 증가분은 61.15 mm/h로 나타났다(Fig. 5). 1973～1992년 동안의 강우자료를 이용하여 Huff분포를 분석하고 1년씩 누적하면서 2011년까지 강우의 Huff 분위의 변화를 분석하였다.
53% 증가를 보인 반면 지속시간 13～24시간인 강우사상은 3% 정도 감소하였다. 지속시간 49시간 이상의 강우강도는 연구기간 동안 약 1 mm/h 증가하였으며 나머지 강우에서도 미미하지만 증가하는 추세를 보였다(Fig. 4). 또한 1973～1992년 동안의 여름철(6, 7, 8월) 평균 강우량은 736 mm 이며 1973～2010년 동안의 여름철 평균 강우량은 843 mm 로 약 100 mm 정도 증가하였다.
1분위와 3분위가 전체강우에서 차지하는 비율은 감소하는 추세를 보였으며 2분위는 큰 변화를 보이지 않았다. 홍수위험이 가장 큰 4분위의 변화는 전체비율이 약 25%에서 32%를 보여 연구기간동안 7% 증가하였으며 추세역시 증가하는 추세를 보이고 있으며 강우사상의 지속시간은 약 3.5시간에서 3시간으로 짧아지는 추세를 보이고 있다(Fig. 6). 강우사상의 사상 당 변화는 지속시간이 짧아지면서 강우량은 증가하는 추세를 보이고 있어 집중호우 위험성이 증가하였다(Fig.

후속연구

본 연구결과를 통해 기후변화에 따른 강우의 변동 특성을 보다 세부적으로 파악할 수 있어 미래 수자원 관리에 필요한 데이터로 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 그럼에도 불구하고 추계학적 강우생성 모형이 강우생성 과정을 구조적으로 완벽하게 모의하는 데는 한계가 있으므로 강우사상의 구조변화를 보다 정확히 분석 第47卷第8號 2014年 8月 701 하기 위해서는 추계학적 모형뿐만 아니라 강우생성을 보다 상세히 모의하는 강우물리모형과의 연계를 통한 분석이 지속되어야 할 것으로 판단된다.
기후변화가 야기하는 수문 요인들의 변화에 대한 관심과 경각심이 고조되고 있는 시점에 일반적인 강우의 변동 특성 분석은 강우사상의 특성을 지속시간에 따른 총량적 개념으로 접근하여 분석하였으나 이러한 분석은 실제적인 강우구조 변화를 파악하는데 한계가 있다. 본 연구에서는 서울 지점을 대상으로 1973～2011년 기간 동안의 강수자료를 활용한 추계학적 강우생성모형의 매개변수 추정과 추정된 매개변수의 변화에 대한 분석을 통한 강우구조의 변화를 고찰하였다.
또한 관측 자료로부터 분석한 강우사상의 발생 횟수, 지속시간별 강우사상의 강우강도, 지속시간을 분석한 결과와 같은 추세를 보였다. 본 연구결과를 통해 기후변화에 따른 강우의 변동 특성을 보다 세부적으로 파악할 수 있어 미래 수자원 관리에 필요한 데이터로 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 그럼에도 불구하고 추계학적 강우생성 모형이 강우생성 과정을 구조적으로 완벽하게 모의하는 데는 한계가 있으므로 강우사상의 구조변화를 보다 정확히 분석 第47卷第8號 2014年 8月 701 하기 위해서는 추계학적 모형뿐만 아니라 강우생성을 보다 상세히 모의하는 강우물리모형과의 연계를 통한 분석이 지속되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통계적 강우모의 방법의 장점은 무엇인가?	그러나 일반적으로 강우의 변동을 분석 하기 위한 방법으로 지속시간별 최대강우량, 연 강우량 등 총량적인 개념을 이용한 연구가 대부분이며 이는 최종 강우자료를 사용하여 실제 강우사상의 구조적인 변동 특성을 파악하기에는 한계가 있기 때문이다. 강우변화에 대한 모의를 하기 위한 방법 중에서 통계적 강우모의는 다양한 시간 스케일의 강우를 생성할 수 있으며 적은 입력 변수를 이용하여 강우의 통계적 특성을 반영할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점은 저수지 설계, 홍수 설계, 상수도 설계 등 월강우자료에서부터 시강우자료까지 필요로 하는 다양한 수문학적 분야에 적합한 강우를 모의할 수 있다.
	통계적 강우모의를 어떻게 활용할 수 있는가?	강우변화에 대한 모의를 하기 위한 방법 중에서 통계적 강우모의는 다양한 시간 스케일의 강우를 생성할 수 있으며 적은 입력 변수를 이용하여 강우의 통계적 특성을 반영할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점은 저수지 설계, 홍수 설계, 상수도 설계 등 월강우자료에서부터 시강우자료까지 필요로 하는 다양한 수문학적 분야에 적합한 강우를 모의할 수 있다. 통계적 강우생성 모형은 관측된 장기간의 강우의 통계적 특성으로부터 강우의 시간변화에 따른 내적 구조특성에 대한 표현을 용이하게 한다.
	기존 기후변화에 의한 지역별 강우의 변동특성을 분석하는 연구의 한계는 무엇인가?	이에 따라 기후변화에 의한 지역별 강우의 변동특성을 분석하는 연구가 세계 곳곳에서 수행되고 있다. 그러나 일반적으로 강우의 변동을 분석 하기 위한 방법으로 지속시간별 최대강우량, 연 강우량 등 총량적인 개념을 이용한 연구가 대부분이며 이는 최종 강우자료를 사용하여 실제 강우사상의 구조적인 변동 특성을 파악하기에는 한계가 있기 때문이다. 강우변화에 대한 모의를 하기 위한 방법 중에서 통계적 강우모의는 다양한 시간 스케일의 강우를 생성할 수 있으며 적은 입력 변수를 이용하여 강우의 통계적 특성을 반영할 수 있는 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (14)

Amorocho, J., and Wu, B. (1977). "Mathematical models for the simulation of cyclonic storm sequences and precipitation fields." Journal of Hydrology, Vol. 32, pp. 329-345.

상세보기
Burlando, P., and Rosso, R. (1991). "Comment on parameter estimation and sensitivity analysis for the modified Bartlett-Lewis rectangular pulses mode of rainfall by S. Islam et al." Journal of Geophysical Research Atmospheres, Vol. 96, No. D5, pp. 9391-9395.

상세보기
Burlando, P., and Rosso, R. (1996). "Scaling and multiscaling models of depth-duration-frequency curves for storm precipitation." Journal of Hydrology, Vol. 187, pp. 45-64.

상세보기
Calenda, G., and Napolitano, F. (1999). "Parameter estimation of Neyman-Scott processes for temporal point rainfall simulation." Journal of Hydrology, Vol. 225, pp. 45-66.

상세보기
Cowperwait, P.S.P., O'Connell, P.E., Metcalfe, A.V., and Mawdsley, J.A. (1996). "Stochastic point process modelling of rainfall. I. Single-site fitting and validation." Journal of Hydrology, Vol. 175, pp. 17-46.

상세보기
Entekhabi, D., Rodriguez-Iturbe, I., and Eagleson, P.S. (1989). "Probabilistic representation of the temporal rainfall by a modified Neyman-Scott rectangular pulse model: parameter estimation and validation." Water Resources Research, Vol. 25, No. 2, pp. 295-302.

상세보기
Jung, C.S. (2009). "Study of direct parameter estimation for Neyman-Scott rectangular pulse model." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 42, No. 11, pp. 1017-1028.

원문보기 상세보기
Kim, J.H., Lee, J.S., Lee, J.J., and Son, K.I. (1998). "A modeling of daily precipitation series using the Poisson cluster process." Journal of Korean Society of Civil Engineers, Vol. 18, No. 2(3), pp. 231-241.
Nam, W.S., Um, M.J., Shin, J.Y., Joo, K.W., and Heo, J.H. (2011). The effects of climate change on rainfall quantile in Han River basin based on scaling invariance and NSRPM. Proceeding of KoreaWater Resources Association, pp. 68-72.
Rodriguez-Iturbe, I., Cox, D.R., and Isham, V. (1987). "Some models for rainfall based on stochastic point process." Proceedings of the Royal Society of London, Vol. A410, No. 1839, pp. 269-288.
Rodriguez-Iturbe, I., Cox, D.R., and Isham, V. (1988). "A point process for rainfall: further development." Proceedings of the Royal Society of London, Vol. A417, No. 1853, pp. 283-298.
Shin. J.Y., Jeong, C.S., Kim, T.S., and Heo, J.H. (2008). Study of Direct parameter Estimation for Neyman-Scott rectangular pulse model. Proceedings of Korean Society of Civil Engineers Conference, pp. 1612-1616.
Velghe, T., Troch, P.A., De Troch, F.P., and Van de Velde, J. (1994). "Evaluation of cluster-based rectangular pulse point process models for rainfall." Water Resource Research, Vol. 30, No. 10, pp. 2847-2857.

상세보기
Yoo, C.S., Kim, N.W., and Jung, K.S. (2001). "A point rainfall model and rainfall intensity-duration-frequency analysis." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 34, No. 6, pp. 577-586.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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