본 연구는 기상학적 가뭄지수가 수문학적 가뭄에 대한 모사정도를 검토하였다. 기상학적 가뭄지수 중에서 강수량을 변수로 하는 SPI(Standardized Precipitation Index)와 강수량 및 증발산량을 변수로 하는 SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)를 이용하였고, 수문학적 가뭄 평가를 위하여 월 총 유입량과 하천수 가뭄지수인 SDI(Streamflow Drought Index)를 계산하여, 최종적으로 기상학적 가뭄지수와 수문학적 가뭄지수와의 상관정도를 분석하였다. 월별 상관계수 비교결과, 지속기간 270일에 기상학적 가뭄지수와 월 총 유입량과 상관정도가 가장 높아서 0.67로 나타났고 기상학적 가뭄지수로 SDI와의 상관정도는 0.72~0.87이었다. 연별 극한값을 비교한 결과, 월 총 유입량의 최저값과 기상학적 가뭄지수의 연관성은 거의 확인되지 않았다. 다만 SDI와 SPEI가 매우 높은 상관정도를 보였다. 기상학적 가뭄지수로 수문학적 극한가뭄에 해석하는 데에 한계가 있는 만큼 수문 가뭄해석이 목적이라면 유량자료가 직접 활용될 수 있는 가뭄지수가 필요하다.
본 연구는 기상학적 가뭄지수가 수문학적 가뭄에 대한 모사정도를 검토하였다. 기상학적 가뭄지수 중에서 강수량을 변수로 하는 SPI(Standardized Precipitation Index)와 강수량 및 증발산량을 변수로 하는 SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index)를 이용하였고, 수문학적 가뭄 평가를 위하여 월 총 유입량과 하천수 가뭄지수인 SDI(Streamflow Drought Index)를 계산하여, 최종적으로 기상학적 가뭄지수와 수문학적 가뭄지수와의 상관정도를 분석하였다. 월별 상관계수 비교결과, 지속기간 270일에 기상학적 가뭄지수와 월 총 유입량과 상관정도가 가장 높아서 0.67로 나타났고 기상학적 가뭄지수로 SDI와의 상관정도는 0.72~0.87이었다. 연별 극한값을 비교한 결과, 월 총 유입량의 최저값과 기상학적 가뭄지수의 연관성은 거의 확인되지 않았다. 다만 SDI와 SPEI가 매우 높은 상관정도를 보였다. 기상학적 가뭄지수로 수문학적 극한가뭄에 해석하는 데에 한계가 있는 만큼 수문 가뭄해석이 목적이라면 유량자료가 직접 활용될 수 있는 가뭄지수가 필요하다.
In this study, meteorological drought indices were examined to simulate hydrological drought. SPI (Standardized Precipitation Index) and SPEI (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index) was applied to represent meteorological drought. Further, in order to evaluate the hydrological drought,...
In this study, meteorological drought indices were examined to simulate hydrological drought. SPI (Standardized Precipitation Index) and SPEI (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index) was applied to represent meteorological drought. Further, in order to evaluate the hydrological drought, monthly total inflow and SDI (Streamflow Drought Index) was computed. Finally, the correlation between meteorological and hydrological drought indices were analyzed. As a results, in monthly correlation comparison, the correlation between meteorological drought index and monthly total inflow was highest with 0.67 in duration of 270-day. In addition, a meteorological drought index were correlated 0.72 to 0.87 with SDI. In compared to the annual extremes, the relationship between meteorological drought index and minimum monthly inflow was hardly confirmed. But SDI and SPEI showed a slightly higher correlation. There are limitation that analyze extreme hydrological drought using meteorological drought index. For the evaluation of the hydrological drought, drought index which included inflow directly is required.
In this study, meteorological drought indices were examined to simulate hydrological drought. SPI (Standardized Precipitation Index) and SPEI (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index) was applied to represent meteorological drought. Further, in order to evaluate the hydrological drought, monthly total inflow and SDI (Streamflow Drought Index) was computed. Finally, the correlation between meteorological and hydrological drought indices were analyzed. As a results, in monthly correlation comparison, the correlation between meteorological drought index and monthly total inflow was highest with 0.67 in duration of 270-day. In addition, a meteorological drought index were correlated 0.72 to 0.87 with SDI. In compared to the annual extremes, the relationship between meteorological drought index and minimum monthly inflow was hardly confirmed. But SDI and SPEI showed a slightly higher correlation. There are limitation that analyze extreme hydrological drought using meteorological drought index. For the evaluation of the hydrological drought, drought index which included inflow directly is required.
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문제 정의
하지만 이에 앞서 기상학적 가뭄지수의 수문학적 가뭄에 대한 모사능력을 반드시 검토하여야 하지만 이러한 시도는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 소양강 댐을 대상으로 기상학적 가뭄지수 중 보편적으로 쓰이고 있는 SPI와 SPEI 의 수문학적 가뭄에 대한 모사 정도를 알아보았다. 수문학적 가뭄판단에는 SDI와 이동평균한 최저 유입량 시계열 값을 이용하였다.
제안 방법
SPI, SPEI와 월 유입량의 연도별 최저치에 대한 상관 분석을 통해 기상학적 가뭄지수가 극한상태의 수문학적 가뭄을 잘 반영하고 있는지를 확인하였다(Table 4).
수문학적 가뭄 평가를 위하여 지속기간 3개월, 6개월 및 9개월에 따라 이동평균한 월 총 유입량과 동일한 지속기간을 갖는 SDI(수문학적 가뭄지수)를 계산하였다. 계산한 기상학적, 수문학적 가뭄지수와 유입량 간의 월별 상관정도와 연최저 값(연별)간의 상관정도를 계산하였다.
기상학적 가뭄을 평가하기 위해 SPI와 SPEI를 지속기간별로 계산하였다(Fig. 3). 두 지수 모두 지속기간이 길어질수록 가뭄이 다소 완화되고 있었는데, 이는 지속기간이 길어질수록 많은 양의 강수가 발생하는 기간이 포함되기 때문이다.
본 연구는 기상학적 가뭄지수의 수문학적 가뭄에 대한 모사능력을 검토하기 위하여 상관성 분석을 실시하였다(Fig. 1). 우선 대상 기상학적 가뭄지수는 강수량을 변수로 하는 SPI와 강수량 및 증발산량을 변수로 하는 SPEI 로 지속기간 3개월, 6개월 및 9개월에 따라 계산하였다.
소양강댐 유역의 수문학적 가뭄을 평가하기 위해 1975년부터 2012년까지 유입량으로 SDI를 계산하였다(Fig. 4). 앞서 분석된 가뭄지수들과 같이 y축의 0을 기준으로 하여 -1 이하일 때 가뭄이며, 값이 더 작아질수록 가뭄 심도가 깊어진다.
우선 대상 기상학적 가뭄지수는 강수량을 변수로 하는 SPI와 강수량 및 증발산량을 변수로 하는 SPEI 로 지속기간 3개월, 6개월 및 9개월에 따라 계산하였다. 수문학적 가뭄 평가를 위하여 지속기간 3개월, 6개월 및 9개월에 따라 이동평균한 월 총 유입량과 동일한 지속기간을 갖는 SDI(수문학적 가뭄지수)를 계산하였다. 계산한 기상학적, 수문학적 가뭄지수와 유입량 간의 월별 상관정도와 연최저 값(연별)간의 상관정도를 계산하였다.
따라서 본 연구에서는 소양강 댐을 대상으로 기상학적 가뭄지수 중 보편적으로 쓰이고 있는 SPI와 SPEI 의 수문학적 가뭄에 대한 모사 정도를 알아보았다. 수문학적 가뭄판단에는 SDI와 이동평균한 최저 유입량 시계열 값을 이용하였다. 검토 후 기상학적 가뭄지수로 수문학적 가뭄 해석에 대한 확신이 떨어진다면 확대적용은 충분한 논의과정이 필요하겠다.
1). 우선 대상 기상학적 가뭄지수는 강수량을 변수로 하는 SPI와 강수량 및 증발산량을 변수로 하는 SPEI 로 지속기간 3개월, 6개월 및 9개월에 따라 계산하였다. 수문학적 가뭄 평가를 위하여 지속기간 3개월, 6개월 및 9개월에 따라 이동평균한 월 총 유입량과 동일한 지속기간을 갖는 SDI(수문학적 가뭄지수)를 계산하였다.
하지만 최근에는 하나의 가뭄지수에 의존하기보다는 여러 가뭄지수 간의 특징을 살려 상호·보완하여 사용하기를 권하고 있으므로본 연구에서는 소양강댐 유역의 기상학적 가뭄지수 중 강수량을 주요변수로 하는 SPI와 강수량 및 기온(증발산량)을 주요 변수로 하는 SPEI와 수문학적 가뭄을 비교하였다.
대상 데이터
따라서 가뭄에 대한 연구가 반드시 필요한 지점으로 국가수자원정보시스템에서 1974년 1월 1일부터 2012년 12월 31일까지 유입량 자료를 수집하여 이용하였다. 하천유량은 수위, 수위-유량 관계곡선식을 이용하여 산정되고, 이렇게 산정한 하천유량은 주로 홍수 시 정확한 유량 산정을 목표로 하고 있어 환산된 유량 값 중 저유량은 비교적큰 불확실성을 내포하고 있다(Sung and Chung, 2014a).
우리나라 하천예보 주무기관인 국토교통부 홍수통제소에서는 관측자료의 사용을 우선하고 있어서 향후 하천수 분야의 활용을 기대하며, 자료에 대한 접근성이 좋은 댐 유입량을 대상으로 하였다. 또한 월 강수량과 월 평균 기온은 소양강 댐 가장 인근의 기상 관측소의 춘천 관측소의 자료를 이용하였다.
이론/모형
, 2010)는 강수량과 잠재 증발산량인 PET (Potential Evapo Transpiration)의 차이에 의해 계산되며, 가뭄심도의 분류는 SPI와 같다. 증발산량의 계산에는 간단하며, 자료 획득이 쉬운 Thornthwaite (Thornthwaite, 1948)의 방법을 이용하였다.
성능/효과
SPI, SPEI와 SDI 각각의 연별 극값을 이용하여 상관정도 분석하였고, 그 결과 각각 대응하는 지속기간의 결과가 가장 높은 상관정도를 보였다(Table 6). 기상학적 가뭄 지수 중에서 SPI 보다 SPEI가 SDI를 잘 모사하고 있었고, 3개의 지속기간 중에서 지속기간 6개월에서 가장 높은 상관정도 확인되었고, 상관정도의 평균은 전반적으로 유입량의 극값을 대상으로 한 결과보다 다소 높았다.
SPI, SPEI와 수문학적 가뭄지수인 SDI의 상관분석 결과, 각각 대응하는 지속기간과의 상관정도가 가장 높았다. 또한 앞서 분석된 기상학적 가뭄지수와 월 총 유입량과의 상관도 보다 더 높았고, 지속기간이 길어질수록 SPI와 SPEI 모두에서 상관계수가 높게 추정되는 일관성 또한 확인되었다(Table 5).
극한 값들에 의한 상관분석 결과, SPI3은 지속기간 9개월의 월 총 유입량의 최저값과, SPEI3은 지속기간 7개월에 해당 하는 월 총 유입량의 최저값과 가장 높은 상관정도를 보였다. SPI6과 SPEI6은 지속기간 2개월 해당하는 월 총 유입량의 최저값과 높은 상관정도를 보였다. 지속기간이 긴 SPI9와 SPEI9는 지속기간 9개월 해당하는 월 총 유입량의 최저값과 가장 높은 상관정도가 확인되었다.
SPI, SPEI와 월 총 유입량의 상관분석을 통하여 기상학적 가뭄지수가 월별 유입량의 상태를 잘 반영하고 있는 지를 Table 3과 같이 확인하였다. 각각 대응하는 지속기간에서 높은 상관정도를 보이고 있었으며, 대응하는 지속 기간 이전에서 상관계수가 증가하다가 대응 지속기간 이후로는 감소하고 있었다. 상관계수는 지속기간 3개월에서약 0.
SPI, SPEI와 월 유입량의 연도별 최저치에 대한 상관 분석을 통해 기상학적 가뭄지수가 극한상태의 수문학적 가뭄을 잘 반영하고 있는지를 확인하였다(Table 4). 극한 값들에 의한 상관분석 결과, SPI3은 지속기간 9개월의 월 총 유입량의 최저값과, SPEI3은 지속기간 7개월에 해당 하는 월 총 유입량의 최저값과 가장 높은 상관정도를 보였다. SPI6과 SPEI6은 지속기간 2개월 해당하는 월 총 유입량의 최저값과 높은 상관정도를 보였다.
지속기간이 긴 SPI9와 SPEI9는 지속기간 9개월 해당하는 월 총 유입량의 최저값과 가장 높은 상관정도가 확인되었다. 극한값에서는 기상학적 가뭄지수와 월 총 유입량의 지속기간이 길어질수록 상관정도가 높아지는 추세는 확인하기 어려웠고, 지속기간이 비교적 긴 9개월에 해당하는 기상학적 가뭄지수만이 수문학적 가뭄과의 높은 연관성이 확인되었다. 이는 극한값은 무작위성을 띠고 있어서 평균 상태로 비교되는 것보다 일대일의 대응정도는 떨어질 수밖에 없기 때문이다.
SPI, SPEI와 SDI 각각의 연별 극값을 이용하여 상관정도 분석하였고, 그 결과 각각 대응하는 지속기간의 결과가 가장 높은 상관정도를 보였다(Table 6). 기상학적 가뭄 지수 중에서 SPI 보다 SPEI가 SDI를 잘 모사하고 있었고, 3개의 지속기간 중에서 지속기간 6개월에서 가장 높은 상관정도 확인되었고, 상관정도의 평균은 전반적으로 유입량의 극값을 대상으로 한 결과보다 다소 높았다. 모든 지속기간에서 SPEI는 SPI에 비하여 상관계수가 더 높았는데 SPEI는 강수와 증발산량을 동시에 고려하는 가뭄지수로써, 수문학적 가뭄은 강수의 부족에 이어 기온의 상승에 따른 증발산량의 증가로 야기되는 농업적 가뭄 이후에 비롯된다.
연별 극한값을 비교한 결과, 기상학적 가뭄의 극한값이 수문학적 가뭄의 극한상태를 표현하는데에 한계가 있음을 확인하였다. 다만 기상학적 가뭄지수들은 SDI와의 상관관계가 높은 편이었고, SPEI의 결과가 SPI 보다 우수한 편이었다. 발생 기작이 서로 다른 가뭄, 즉 기상학적 가뭄지수로 수문학적 가뭄을 해석할 때에 무엇보다 중요한 점은 결과 사이의 일관성이 확인되어야 한다는 점이다.
이는 지속기간이 길어질수록 기상·수문학적 가뭄의 연관성이 더 커지기 때문이다. 또한 두개의 기상학적 가뭄지수와 SDI와의 상관계수는 차이 거의 없는 것으로 확인되었다.
SPI, SPEI와 수문학적 가뭄지수인 SDI의 상관분석 결과, 각각 대응하는 지속기간과의 상관정도가 가장 높았다. 또한 앞서 분석된 기상학적 가뭄지수와 월 총 유입량과의 상관도 보다 더 높았고, 지속기간이 길어질수록 SPI와 SPEI 모두에서 상관계수가 높게 추정되는 일관성 또한 확인되었다(Table 5). 이는 지속기간이 길어질수록 기상·수문학적 가뭄의 연관성이 더 커지기 때문이다.
본 연구의 결과에서 지속기간 270일에 기상학적 가뭄지수와 월 총 유입량과 상관정도가 가장 높아서 0.67로 나타났고 기상학적 가뭄지수와 SDI의 상관정도는 0.72.7∼0.87이었다.
각각 대응하는 지속기간에서 높은 상관정도를 보이고 있었으며, 대응하는 지속 기간 이전에서 상관계수가 증가하다가 대응 지속기간 이후로는 감소하고 있었다. 상관계수는 지속기간 3개월에서약 0.4, 6개월에서 약 0.5이었고, 9개월에서 약 0.67이었고 (Table 3), 상관계수의 평균을 보더라도 지속기간이 길어질수록 기상학적 가뭄지수와 월 총 유입량의 상관정도가높아졌다. 짧은 기간 동안 지속된 기상학적 가뭄보다는상대적으로 길었던 기상학적 가뭄이 갈수에 더 큰 영향과 신호를 주기 때문에 지속기간이 길어질수록 기상·수문학적 가뭄의 연관성이 커지고 있었다.
수문학적 가뭄을 대표하기 위하여 월 총 유입량과 SDI 를 사용하였고, 지속기간에 따라 월별 및 연별 극한값의 상관정도를 분석한 결과, 월별 결과에서는 기상학적 가뭄 지수 모두 지속기간이 길어질수록 단기간에 비하여 수문학적 가뭄을 잘 모사하고 있었다. 건조한 지역에서는 다년간 지속될 수 있는 가뭄을 겪을 가능성이 큰 반면에 우리나라와 같은 몬순기후 지역에서는 다년간 또는 연 단위로 지속될 확률이 거의 없다.
연별 극한값을 비교한 결과, 기상학적 가뭄의 극한값이 수문학적 가뭄의 극한상태를 표현하는데에 한계가 있음을 확인하였다. 다만 기상학적 가뭄지수들은 SDI와의 상관관계가 높은 편이었고, SPEI의 결과가 SPI 보다 우수한 편이었다.
170로 심각한 수준이었다. 종합해 보면 1977년, 1997년과 2001년 기상학적 가뭄이 심각한 수준이었고, 강도가 가장 강했던 가뭄은 2001년, 가뭄의 영향이 가장 길었던 시기는 1997년이었다. 2001년은 SPI가 SPEI보다 크게 작았는데 이는 강우량은 매우 적었으나 증발산량이 상대적으로 적었던 특성을 보였던 시기이다.
SPI6과 SPEI6은 지속기간 2개월 해당하는 월 총 유입량의 최저값과 높은 상관정도를 보였다. 지속기간이 긴 SPI9와 SPEI9는 지속기간 9개월 해당하는 월 총 유입량의 최저값과 가장 높은 상관정도가 확인되었다. 극한값에서는 기상학적 가뭄지수와 월 총 유입량의 지속기간이 길어질수록 상관정도가 높아지는 추세는 확인하기 어려웠고, 지속기간이 비교적 긴 9개월에 해당하는 기상학적 가뭄지수만이 수문학적 가뭄과의 높은 연관성이 확인되었다.
본 연구를 통하여 기상학적 가뭄만을 활용하여 수문학적 가뭄을 해석하기에는 다소의 한계가 확인되었다. 특히 극한값 분석에서는 월 총 유입량의 최저값과 기상학적 가뭄지수의 연관성은 거의 확인되지 않았다. 물론 SDI와 SPEI가 다소 높은 상관정도를 보였다하더라도 단일 지점의 적용사례로써 일반화하기에는 어려움이 있으므로 극한가뭄에 해석에 있어서는 더 많은 고민이 필요하겠다.
후속연구
본 연구를 통하여 기상학적 가뭄만을 활용하여 수문학적 가뭄을 해석하기에는 다소의 한계가 확인되었다.
가뭄의 복잡한 응답과정을 고려해 볼 때 지속기간이 긴 평균적인 물 부족을 해석한다면 기상학적 가뭄지수의 효율적 활용을 부분적으로 기대할 수 있겠다. 하지만 수문학적 가뭄을 해석하기 위해서는 분명히 수위 또는 유량 자료의 활용이 필요함을 확인하였고, 이는 갈수 또는 수문학적 가뭄예보를 수행에 따른 관련 부처 간의 주체 결정및 업무방향에 분명히 기여할 수 있으리라 판단한다. 하지만 수자원 계획 및 관리를 위한 극한 가뭄에 대한 중요도가 커지고 있는 상황에서는 수문학적 가뭄에 대한 정량화가 무엇보다도 중요해지고 있으므로 다양한 유역을 대상으로 비교하여 보다 보편적인 결론을 도출할 필요가 있다.
, 2013), 이러한 가뭄의 다변량(multivariate) 특성을 고려하여 Sung and Chung (2014b)은 하천수의 부족량과 지속기간에 대한 연구를 수행하였다. 향후 관련 연구들을 참고하여 지속기간에 관련 연구를 보완할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수문학적 가뭄은 어떻게 정의되는가?
최근에는 강수량과 증발산량을 함께 고려하여 조금 더 물리적으로 가뭄을 평가할 수 있는 SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index; Vicente-Serrano, 2010) 가 많은 주목을 받고 있다. 수문학적 가뭄은 하천수, 지하수, 저수지와 호소 등을 포함하는 수문 순환에서 정상상태 이하의 유량으로 정의할 수 있다(Sung and Chung, 2014a, b). Nalbantis (2008)는 하천수 가뭄지수인 SDI(Streamflow Drought Index)를 제안하였는데, 월 유량으로 가뭄의 심도와 지속기간을 구분해 내는 방법으로써, Sung and Chung (2014a, b)도 이와 유사하게 임계수준 방법과 결합하여 하천수 부족량을 산정하는 방법을 제안하였다.
가뭄은 어떻게 구분되는가?
일반적으로 가뭄은 농업적(agricultural), 기상학적(meteorological), 수문학적(hydrological) 및 사회·경제학적(socioeconomic) 가뭄으로구분된다(Wilhite and Glantz, 1985; Correia et al., 1991; Tate and Gustard, 2000).
기상학적 가뭄지수를 수문학적 가뭄의 판단에 이용하기에 앞서 필요한 선행조건은?
, 2011; 2012; 2013). 하지만 이에 앞서 기상학적 가뭄지수의 수문학적 가뭄에 대한 모사능력을 반드시 검토하여야 하지만 이러한 시도는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 소양강 댐을 대상으로 기상학적 가뭄지수 중 보편적으로 쓰이고 있는 SPI와 SPEI 의 수문학적 가뭄에 대한 모사 정도를 알아보았다.
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