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문제 정의
- 과거기간의 RCP 시나리오자료 (historical)를 사용한 분석결과 (작물증발산량, 유효우량, 관개용수량)가 동일 기간의 관측자료 (observed)를 사용한 결과와 비교하여 상이한 패턴을 갖는다면 과거기간을 기준으로 제공되는 미래전망기간의 상대적인 증감 결과를 신뢰할 수 없으며, 제공된 정보를 활용한 의사결정 역시 제한적일 수 있다 (Cho, 2013). 따라서 전라북도 전주 기상관측소를 대상으로 고추 작물의 분석결과를 바탕으로 사용된 기후변화 시나리오자료의 밭용수량 산정을 위한 적합성 여부를 평가하였다. 적합성 판단에 사용된 과거기간의 관측자료 및 시나리오자료는 2000년부터 2010년까지 11년간의 기상자료를 사용하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 미래 기후변화에 의한 밭작물 소비수량 및 관개용수량을 추정하기 위하여 밭 토양수분 물수지 모형을 구성하여, 우리나라 대표 밭작물 중 식량작물인 콩, 옥수수, 감자와 채소작물인 고추, 봄배추, 가을배추를 대상으로 적용하였다. 과거 기상자료 및 미래 대표농도경로 시나리오와 작물 기초자료를 수집하여 과거 및 미래 작물증발산량을 산정하였으며, 토양수분 물수지 모형에 적용하여 밭작물의 토양수분 변화를 모의하고 기후변화에 따른 작물별/생육시기별 소비수량 및 관개용수량을 추정하였다.
- 기상청에서 제공하는 일 자료 기반의 통계학적 상세화 과정을 통해 생성된 기후 정보를 과거 관측 기후자료와 비교하여 토양수분 물수지 모형 기작의 재현성 여부를 판단하였다. 과거기간의 RCP 시나리오자료 (historical)를 사용한 분석결과 (작물증발산량, 유효우량, 관개용수량)가 동일 기간의 관측자료 (observed)를 사용한 결과와 비교하여 상이한 패턴을 갖는다면 과거기간을 기준으로 제공되는 미래전망기간의 상대적인 증감 결과를 신뢰할 수 없으며, 제공된 정보를 활용한 의사결정 역시 제한적일 수 있다 (Cho, 2013).
- 본 연구에서는 대상 밭작물로 식량작물인 콩, 옥수수, 감자와 채소작물인 고추, 봄배추, 가을배추를 선정하였으며, 작물의 생육기간을 G-1 단계 (생육초기), G-2 단계 (신장기), G-3단계 (생육중기), G-4 단계 (생육후기), G-5 단계 (생육말기)로 구분하였다. 대상 작물의 생육기간 및 작물계수는 Table 1과 같다.
- 본 연구에서는 토양수분 물수지 모형을 적용하여 미래 기후변화에 의한 밭작물 소비수량 및 관개용수량을 산정하였다. 우리나라의 대표 밭작물 중 식량작물인 콩, 옥수수, 감자와 채소작물인 고추, 봄배추, 가을배추를 대상으로 전주 기상관측소의 과거 기상자료 및 미래 대표농도경로 시나리오, 작물 자료를 수집하여 과거 및 미래 작물증발산량을 산정하고 토양수분 물수지 모형을 적용하여 유효우량 및 관개용수량을 산정하였으며, 미래 시나리오별, 작물별로 비교분석하였다.
- 본 연구에서는 토양수분 물수지 모형을 적용하여 미래 기후변화에 의한 밭작물 소비수량 및 관개용수량을 산정하였다. 우리나라의 대표 밭작물 중 식량작물인 콩, 옥수수, 감자와 채소작물인 고추, 봄배추, 가을배추를 대상으로 전주 기상관측소의 과거 기상자료 및 미래 대표농도경로 시나리오, 작물 자료를 수집하여 과거 및 미래 작물증발산량을 산정하고 토양수분 물수지 모형을 적용하여 유효우량 및 관개용수량을 산정하였으며, 미래 시나리오별, 작물별로 비교분석하였다.
- 은 작물별 뿌리깊이에 따른 토양수분감소율 계수 (coefficient of soil water depletion fraction)이다. 작물별 뿌리깊이에 따라 제시된 보정계수를 고려한 용이토양수분량을 토양의 수분한계로 선정하였다.
대상 데이터
- 대상 작물의 생육기간 및 작물계수는 Table 1과 같다. Table 2는 밭작물의 최대뿌리깊이 및 토양수분 감소율을 나타낸 것이며 (Allen et al., 1998), 토양별 포장용수량과 위조점은 Table 3에 도시한 바와 같이 농촌진흥청 국립농업과학원 (National Academy of Agricultural Science)에서 전국의 125개 밭 토양통을 대상으로 조사한 자료를 활용하였다 (Han, 2012).
- , 2013). 본 연구에서는 남한 상세 시나리오의 기온, 강수량과 한반도 시나리오의 상대습도, 평균풍속, 일사량 자료를 사용하였다. Table 4와 같이 기후변화 시나리오의 분석기간을 과거 기준기간 (observed, 1981~2010년) 및 미래의 경우 단기 (2025s, 2011~2030년), 중기 (2055s, 2031~2070년), 장기 (2085s, 2071~2100년)로 분류하였다.
- 본 연구에서는 미래 기후변화에 의한 밭작물 소비수량 및 관개용수량을 추정하기 위하여 밭 토양수분 물수지 모형을 구성하여, 우리나라 대표 밭작물 중 식량작물인 콩, 옥수수, 감자와 채소작물인 고추, 봄배추, 가을배추를 대상으로 적용하였다. 과거 기상자료 및 미래 대표농도경로 시나리오와 작물 기초자료를 수집하여 과거 및 미래 작물증발산량을 산정하였으며, 토양수분 물수지 모형에 적용하여 밭작물의 토양수분 변화를 모의하고 기후변화에 따른 작물별/생육시기별 소비수량 및 관개용수량을 추정하였다.
- 따라서 전라북도 전주 기상관측소를 대상으로 고추 작물의 분석결과를 바탕으로 사용된 기후변화 시나리오자료의 밭용수량 산정을 위한 적합성 여부를 평가하였다. 적합성 판단에 사용된 과거기간의 관측자료 및 시나리오자료는 2000년부터 2010년까지 11년간의 기상자료를 사용하였다.
이론/모형
- 5 km), 남한 상세 (1 km)의 두 가지 종류의 기후변화 시나리오를 제공하고 있다. 남한 상세 기후변화 시나리오는 지역기후모델 (HadGEM3- RA)을 통해 생산된 한반도 기후변화 시나리오를 바탕으로 통계학적 상세화 과정 (Kim et al., 2012)을 통해 생산되며, PRIDE 모델 (PRISM based Downscaling Estimation Model)에 적용하여 1 km 해상도의 관측격자 자료를 생산한다 (Kim et al., 2013). 본 연구에서는 남한 상세 시나리오의 기온, 강수량과 한반도 시나리오의 상대습도, 평균풍속, 일사량 자료를 사용하였다.
- 밭작물의 필요수량은 증발산량과 유효우량을 고려하고, 침투량은 밭의 유효수분이 포장용수량 범위 내에서 산정되므로 고려하지 않는다 (Suh and Lee, 2002). 밭용수 수요량을 산정하기 위한 물수지 모형은 토양내의 토양수분함량을 추정할 수 있는 토양수분 물수지 모형을 활용하였으며, 식 (8)과 같이 표현할 수 있다.
- 본 연구에는 FAO Penman-Monteith 공식 (FAO PM)을 이용하여 기준작물증발산량을 산정하였다. Allen et al.
- 강우량 중에서 작물의 생육에 이용되는 수량인 유효우량 (effective rainfall)은 밭용수에서 공급량을 결정짓는 주요한 인자이며, 시기별, 토양 특성에 따라 상이하다 (Suh and Lee, 2002). 본 연구에서는 토양의 유효수분함량을 고려한 일별 토양수분추적법을 이용하여 유효우량을 산정하였다.
- 본 연구에서는 토양수분형을 고려하지 않은 유효우량을 잠재 유효우량이라 정의하였다. 잠재유효우량 및 지표유출량을 산정하기 위하여 미국자연자원보호청 (Natural Resources Conservation Service, NRCS) CN (Curve Number) 방법을 이용하였으며, 지표유출량을 계산하는 방법은 식 (7)과 같다. 일 강우량 5 mm를 최대 무효우량으로 선정하였다.
성능/효과
- 1 % 증가)이었다. RCP 8.5의 작물증발산량의 경우 봄배추 (5.9 % 증가), 감자, 옥수수, 고추, 콩, 가을배추 (18.6 % 증가), 유효우량의 경우 가을배추 (22.3 % 감소), 옥수수, 콩, 봄배추, 감자, 고추 (39.0 % 감소), 관개용수량의 경우 고추 (9.1 % 증가), 콩, 봄배추, 감자, 옥수수, 가을배추 (36.5 % 증가)순이었다. 미래 기후변화에 대한 밭작물의 영향은 작물증발산량, 유효우량, 관개용수량 등 요소별로 상이하며, 기후변화의 영향은 봄배추가 가장 적었으며, 가을배추가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 이 결과는 작물증발산량은 증가하였지만 강우량의 패턴이 변화하여 토양으로 침투되지 않고 지표배수량으로 유출되는 양이 증가하였기 때문이다. 관개용수량의 경우 기준년도는 평균 209 mm이었으며, 미래기간의 2025s, 2055s, 2085s의 예측 값은 RCP 4.5에서 231 mm (10.2 % 증가), 214 mm (2.4 % 증가), 234 mm (11.6 % 증가), RCP 8.5에서는 218 mm (4.3 % 증가), 234 mm (11.9 % 증가), 233 mm (11.2 % 증가)이었다. 유효우량의 감소로 인하여 관개용수량의 경우 증가였다.
- 9905 값을 나타냈다. 따라서 미래 시나리오자료는 FAO PM 증발산량 공식 및 토양수분 물수지 모형을 이용한 밭용수량 분석에 적합한 것으로 판단하였으며, 본 연구에서 도출된 미래기간의 작물증발산량, 유효우량, 관개용수량의 변화 결과를 신뢰할 수 있을 것으로 판단된다.
- 5 % 증가)순이었다. 미래 기후변화에 대한 밭작물의 영향은 작물증발산량, 유효우량, 관개용수량 등 요소별로 상이하며, 기후변화의 영향은 봄배추가 가장 적었으며, 가을배추가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 5에서 증가률이 더 크고 미래 후기로 갈수록 증가할 것으로 예측되었다. 작물별로 기준기간 대비 전 미래기간의 평균 변화율 비교 결과, 기후변화의 영향은 봄배추가 가장 적었으며, 가을배추가 가장 큰 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 향후 시기별 작물별 기후변화에 따른 토양수분 관리 방안, 밭관개 가이드라인 제시 및 금후 국가 물수급계획 수립의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 작물별로 기준기간 대비 전 미래기간의 평균 변화율 비교 결과는 RCP 4.5의 작물증발산량의 경우 봄배추 (2.0 % 증가), 옥수수, 감자, 고추, 콩, 가을배추 (14.0 % 증가) 순이었으며, 유효우량의 경우 봄배추 (25.9 % 감소), 감자, 옥수수, 고추, 가을배추, 콩 (37.0 % 감소), 관개용수량의 경우 고추 (2.5 % 증가), 콩, 봄배추, 감자, 옥수수, 가을배추 (32.1 % 증가)이었다. RCP 8.
- 9905 값이 도출되어 미래 기후변화 시나리오 자료는 토양수분 물수지 모형을 이용한 밭용수량 분석에 적합한 것으로 나타났다. 주요 밭작물의 미래기후변화 시나리오에 따른 작물증발산량 및 유효우량, 관개용수량의 변화 결과는 작물증발산량은 증가, 유효우량은 감소, 관개용수량은 증가하였으며, RCP 4.5 보다 RCP 8.5에서 증가률이 더 크고 미래 후기로 갈수록 증가할 것으로 예측되었다. 작물별로 기준기간 대비 전 미래기간의 평균 변화율 비교 결과, 기후변화의 영향은 봄배추가 가장 적었으며, 가을배추가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 토양수분 물수지 모형 기작의 적합성을 검증하기 위하여 2000년부터 2010년까지 11년간의 과거기간 관측자료 및 미래 기후변화 시나리오 자료를 사용하였으며, 작물증발산량, 유효우량, 관개용수량의 산점도 분석결과, R2은 각각 0.7969, 0.9927, 0.9905 값이 도출되어 미래 기후변화 시나리오 자료는 토양수분 물수지 모형을 이용한 밭용수량 분석에 적합한 것으로 나타났다. 주요 밭작물의 미래기후변화 시나리오에 따른 작물증발산량 및 유효우량, 관개용수량의 변화 결과는 작물증발산량은 증가, 유효우량은 감소, 관개용수량은 증가하였으며, RCP 4.
- , 2011). 하지만 유효우량의 경우 기준년도는 평균 133 mm이었으며, 미래기간의 2025s, 2055s, 2085s의 예측 값은 RCP 4.5에서 84 mm (36.6 % 감소), 86 mm (35.5 % 감소), 81 mm (39.2 % 감소), RCP 8.5에서는 86 mm (35.8 % 감소), 83 mm (37.4 % 감소), 87 mm (34.8 % 감소)이었다. 이 결과는 작물증발산량은 증가하였지만 강우량의 패턴이 변화하여 토양으로 침투되지 않고 지표배수량으로 유출되는 양이 증가하였기 때문이다.
후속연구
- 작물별로 기준기간 대비 전 미래기간의 평균 변화율 비교 결과, 기후변화의 영향은 봄배추가 가장 적었으며, 가을배추가 가장 큰 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 향후 시기별 작물별 기후변화에 따른 토양수분 관리 방안, 밭관개 가이드라인 제시 및 금후 국가 물수급계획 수립의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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