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베이지안 네트워크를 이용한 기상학적 가뭄지수의 민감도 평가
Sensitivity Assessment of Meteorological Drought Index using Bayesian Network 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.34 no.6, 2014년, pp.1787 - 1796  

유지영 (전북대학교 토목공학과) ,  김진영 (전북대학교 토목공학과) ,  권현한 (전북대학교 토목공학과) ,  김태웅 (한양대학교 건설환경플랜트공학과)

초록
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본 연구의 목적은 베이지안 네트워크 기법을 이용하여 기상학적 가뭄지수민감도를 확률론적으로 평가하는 것이다. 즉, 기상학적 가뭄에 관련되는 다양한 지수 간의 상호연관성을 분석하여 가뭄지수 사이의 선후관계를 파악하였다. 이에 본 연구에서는 정상강우비율(PN)과 30일, 60일, 90일 지속기간 표준강수지수(SPI30, SPI60, SPI90)의 자료를 기반으로 베이지안 네트워크 모형을 개발하여 기상학적 가뭄특성을 평가하였으며, 다양한 시간단위(지속기간)에 따른 가뭄지수 간의 사후확률에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 결과적으로는 다양한 지수 간의 의존관계를 파악하였으며, 이를 활용하여 효율적인 가뭄감시를 수행할 수 있는 표준강수지수의 활용방안을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The main purpose of this study is to assess the sensitivity of meteorological drought indices in probabilistic perspective using Bayesian Network model. In other words, this study analyzed interrelationships between various drought indices and investigated the order of the incident. In this study, a...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • (2) 본 연구에서는 다양한 시간단위별 SPI의 상호 연관성을 확률적으로 해석하고자 여러 시간단위(지속기간)에 따른 가뭄지수 간의 민감도를 검토하였다. 즉, 여러 시뮬레이션의 조건을 가정한 후, 조건변화에 따른 베이지안 네트워크 모형의 사후분포를 검토하였다.
  • 또한, 기상학적 측면에서 가뭄을 해석할 경우 가장 많이 활용되는 다양한 시간 척도에 따른 SPI는 실제 발생한 가뭄을 판단할 경우, 종종 일관성이 없는 결과를 제시하여 혼란을 야기시키기도 한다. 따라서 본 연구에서는 베이지안 네트워크 기법을 활용하여 기상학적 측면의 가뭄과 연관된 변수들인 PN과 다양한 시간단위별 계산된 SPI를 이용하여 각 변수 간의 복잡한 민감성을 검토한 후, 보다 효율적인 표준강수지수의 활용 방안을 제시하였다.
  • 이는 현재까지 국내·외에서 수행된 사례가 없는 가뭄에 대한 베이지안 네트워크의 응용연구이다. 베이지안 네트워크 기반으로 한 가뭄지수의 민감도 평가를 통해 기존의 기상학적 측면의 가뭄판단 시 가뭄정보의 일관성이 결여되는 한계점을 극복하기 위한 방안을 제시하였다.
  • 실제 다양한 지속시간으로부터 계산된 SPI를 이용하여 가뭄을 판단할 경우, 서로 다른 시간 척도를 가진 SPI 사이에 종종 일관성이 없는 결과로 인해 가뭄을 판단함에 있어서 혼란을 야기하지만, 현재에도 이러한 한계를 극복하지 못한 채 가뭄판단 시 SPI는 선택적으로 사용되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 기상학적 가뭄 해석을 위해 SPI를 사용하는 데 있어, 하나의 시간단위 SPI를 무조건적으로 선택하기에 앞서 다양한 시간단위별 SPI 간의 확률론적 연관성을 우선적으로 분석하기 위하여 베이지안 네트워크 모형을 구축하였다.
  • 즉 위험요소들의 분류와 규명, 위험요소들 간의 인과관계, 위험요소들의 발생확률 산정 등을 통해 각각 위험요소의 발생경로와 발생확률 등을 체계적으로 추정 할 수 있어 최근 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 기상학적 가뭄특성을 해석하기 위한 목적으로 PN과 다양한 시간단위의 SPI 간의 상호관계를 규명하기 위해 BN 모형을 구축하였다.
  • 본 연구에서는 다양한 시간단위를 고려한 일단위 SPI와 PN 자료를 기반으로 하여 기상학적 가뭄의 특성을 분석하기 위한 베이지안 네트워크 모형을 구축하였다. 본 연구에서 수행한 방법은 다음과 같이 요약할 수 있다.
  • 본 연구에서는 이러한 베이지안 네트워크 모형의 장점을 활용하여 가뭄의 확률론적 평가를 수행하였다. 이는 현재까지 국내·외에서 수행된 사례가 없는 가뭄에 대한 베이지안 네트워크의 응용연구이다.
  • 앞 절의 다양한 가뭄지수간의 민감도 해석결과에 따르면 SPI90는 SPI60와의 상호의존성이 컸으며, SPI60이 극한 가뭄(ED)인 경우에는 SPI30 간의 상호관계가 민감하게 반응하는 것으로 확인되었다. 즉, 3개월의 누적강수현황에 따른 가뭄지수를 기반으로 단기가뭄을 판단함에 있어, 가뭄 전조정보로서 가뭄발생하기 이전의 가뭄상태를 설명하는 데 있어 SPI60과 SPI30의 활용 가능성을 검토하였다. 2000년대 우리나라의 대표적인 가뭄발생 기간(2001년, 2008~2009년, 2012년) 중 2008~2009년의 가뭄은 경남, 전남, 강원도 동해 지역을 비롯하여 특히 강원도 태백시에서 큰 피해를 주었다.
  • 3) 마지막으로 다양한 시간단위별 SPI 간의 상호 연관성을 확률론적으로 해석하였다. 즉, 기상학적 가뭄을 판단함에 있어 다양한 시간단위별 SPI를 복합적으로 활용할 수 있는 방안을 제안하기 위하여 베이지안 네트워크 기법의 활용성을 검토하였다.

가설 설정

  • 앞 절에서 구축한 서울관측소와 완도관측소의 BN 모형에서 상위노드인 PN의 절단수준 변화에 따른 SPI의 사후확률분포의 변화와 복잡한 인과관계를 해석하기 위해 민감도 분석을 수행하였다. Fig. 3은 PN의 절단수준을 A등급으로 설정하여 극한 강수부족의 상태를 가정하고, PN이 20% 미만인 경우에 따른 SPI의 등급내 발생확률 변화를 검토하였다. 그 결과, 서울관측소에서는 기본 BN 모형에서의 SPIs (SPI30, SPI60, SPI90)의 가뭄(Drought) 발생확률(SPI30 = MD+SD+ED = 14.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전 세계적으로 가장 많이 통용되고 있는 가뭄지수는? 가뭄은 정의하는 관점에 따라 크게 기상학적, 수문학적, 농업적, 사회경제적 가뭄으로 분류할 수 있으며, 가뭄을 객관적으로 평가하는 수단으로 가뭄지수(Drought Index)가 활용되고 있다. 최근까지 전 세계적으로 가장 많이 통용되고 있는 가뭄지수는 1965년 Palmer(1965)에 의해 개발된 PDSI (Palmer Drought Severity Index)와 McKee et al. (1993)에 의해 개발된 SPI (Standardized Precipitation Index), Shafer and Dezman (1982)에 의해 개발된 SWSI (Surface Water Supply Index) 등이 있다. 이러한 지표들은 가뭄을 평가하기 위한 절대적인 지표라고는 할 수 없지만, 각 지수들이 갖고 있는 특징에 따라 이용자들의 목적에 맞게 선택적으로 활용되고 있다.
최근 베이지안 네트워크가 널리 이용되는 이유는? 베이지안 네트워크(Bayesian Network (BN)) 기법은 자연재해와 같이 불확실성이 큰 여러 가지 원인들로부터 발생하는 복합적인 자연현상에 대하여 취약성 및 위험도를 지속적으로 평가하는데 유리하다. 즉 위험요소들의 분류와 규명, 위험요소들 간의 인과관계, 위험요소들의 발생확률 산정 등을 통해 각각 위험요소의 발생경로와 발생확률 등을 체계적으로 추정 할 수 있어 최근 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 기상학적 가뭄특성을 해석하기 위한 목적으로 PN과 다양한 시간단위의 SPI 간의 상호관계를 규명하기 위해 BN 모형을 구축하였다.
PN을 사용한 분석이 효과적인 경우는? PN은 특정 지점에 대한 강우량 분석의 가장 간단한 방법 중의 하나이다. 단일 지역이나 단일 기간에 적용할 때는 PN을 사용한 분석이 매우 효과적이며, 일반인들이 쉽게 이해할 수 있는 방법이기도 하다. PN은 특정한 달의 실제 월강수량을 정상강우로 나눈 후 백분율을 산정하여 지수로 표현한 것으로, 이때 정상강우는 해당 월의 30년 평균값이 사용된다.
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참고문헌 (17)

  1. Bashari, H., Smith, C. and Bosch, O. J. H. (2009). "Developing decision support tools for rangeland management by combining state and transition models and Bayesian belief networks." Agricultural Systems, Vol. 99, No. 1, pp. 23-34. 

  2. India Meteorological Department (2010). District-wise drought climatology of the Southwest Monsoon Season over India based on Standardized Precipitation Index (SPI). 

  3. Kao, S. C. and Govindaraju, R. S. (2008). "Trivariate statistical analysis of extreme rainfall events via plackett family of copulas." Water Resour. Res., Vol. 44, W02415, doi:10.1029/2007WR006261. 

  4. Kao, S. C. and Govindaraju, R. S. (2010). "A copula-based joint deficit index for droughts." J. Hydrol., Vol. 380, pp. 121-134. 

  5. Kim, H. M. and Jung, S. H. (2013). "Bayesian Network-based data analysis for diagnosing retinal disease." Journal of Korea Multimedia Society, Vol. 19, No. 3, pp. 269-280 (In Korean). 

  6. Kim, J. Y. and Ahn, S. E. (2011). "Developing a Bayesian Network model for real-time project risk management." IE Interfaces, Vol. 24, No. 2, pp. 119-127 (In Korean). 

  7. Kim, S. D., Ryu, J. S., Oh, K. R. and Jeong, S. M. (2012). "An application of copulas-based joint drought index for determining comprehensive drought conditions." Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 12, No. 1, pp. 223-230 (In Korean). 

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  9. Li, L., Wang. J. F., Leung, H. and Jiang, C. S. (2010). "Assessment of catastrophic risk using Bayesian network constructed from domain knowledge and spatial data." Society for Risk Analysis, Vol. 30, pp. 1157-1175. 

  10. McKee, T. B., Doesken, N. J. and Kleist, J. (1993). "The relationship of drought frequency and duration to time scales." Eighth Conference on Applied Climatology, American Meteorological Society Anaheim, California, pp. 179-184. 

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  12. Palmer, W. C. (1965). "Meteorological Drought." U.S. Department of Commerce Weather Bureau, Research Paper No. 45, Washington, D.C. 

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  14. Shafer, B. A. and Dezman, L. E. (1982). "Development of surface water supply index to asses the severity of drought condition in snowpack runoff areas." Proc. Western Snow Conf., pp. 164-175. 

  15. Sunwoo, W. Y (2012). Evaluation of flood risk using Bayesian Networks, Master's Thesis, Seoul National University. 

  16. Willeke, G., Hosking, J. R. M., Wallis, J. R. and Guttman, N. B. (1994). The national drought atlas, Institute for Water Resources Report 94-NDS-4, U.S. Army Corps of Engineers. 

  17. Yoo, J. Y., Song, H., Kim, T. W. and Ahn, J. H. (2013). "Evaluation of short-term drought using daily standardized precipitation index and ROC analysis." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 33, No. 5, pp. 1851-1860 (In Korean). 

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