우리나라의 연안은 도시개발, 인구증가가 지속적으로 나타나고 있으며, 이러한 점에서 해수면 상승으로 인한 연안재해 취약성이 가중될 것으로 전망되고 있다. 본 연구에서는 우리나라 연안의 20개 지역의 조위자료를 바탕으로 Mann-Kendall(MK) 검정, 선형회귀분석(OR), 분위회귀분석(QRA) 등을 이용하여 해수면상승에 대한 분석을 수행하였다. MK 검정결과 연평균조위의 경우 18개 지점에서 경향성이 통계적으로 유의한 것으로 분석되었으며, 연최대치의 경우에도 10개 지점에서 경향성이 통계적으로 유의(p < 0.05)한 것으로 평가되었다. QRA 방법을 이용하여 해수면의 경향성을 분위별로 평가한 결과 기존 회귀분석 방법에 비해 다각적인 경향성 검토가 가능하였다. QRA분석 결과 연평균해수면은 매년 1-6 mm의 범위에서 상승하고 있으며, 연최대해수면의 경우 1-20 mm의 범위에서 증가경향이 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 우리나라의 해수면상승의 경우 대부분 상향수렴 및 상향발산의 형태를 가지는 경향성을 나타내고 있었다. 향후 연구로서 이러한 경향성을 기반으로 연최대해수면 자료에 대한 비정상성빈도해석 절차의 개발 및 적용이 필요할 것으로 판단된다.
우리나라의 연안은 도시개발, 인구증가가 지속적으로 나타나고 있으며, 이러한 점에서 해수면 상승으로 인한 연안재해 취약성이 가중될 것으로 전망되고 있다. 본 연구에서는 우리나라 연안의 20개 지역의 조위자료를 바탕으로 Mann-Kendall(MK) 검정, 선형회귀분석(OR), 분위회귀분석(QRA) 등을 이용하여 해수면상승에 대한 분석을 수행하였다. MK 검정결과 연평균조위의 경우 18개 지점에서 경향성이 통계적으로 유의한 것으로 분석되었으며, 연최대치의 경우에도 10개 지점에서 경향성이 통계적으로 유의(p < 0.05)한 것으로 평가되었다. QRA 방법을 이용하여 해수면의 경향성을 분위별로 평가한 결과 기존 회귀분석 방법에 비해 다각적인 경향성 검토가 가능하였다. QRA분석 결과 연평균해수면은 매년 1-6 mm의 범위에서 상승하고 있으며, 연최대해수면의 경우 1-20 mm의 범위에서 증가경향이 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 우리나라의 해수면상승의 경우 대부분 상향수렴 및 상향발산의 형태를 가지는 경향성을 나타내고 있었다. 향후 연구로서 이러한 경향성을 기반으로 연최대해수면 자료에 대한 비정상성빈도해석 절차의 개발 및 적용이 필요할 것으로 판단된다.
Population and urban development along the coast is growing in South Korea, and particularly sea level rise is likely to increase the vulnerability of coastal areas. This study aims to investigate the sea level rise through Mann-Kendall(MK) test, ordinary linear regression(OR) and quantile regressio...
Population and urban development along the coast is growing in South Korea, and particularly sea level rise is likely to increase the vulnerability of coastal areas. This study aims to investigate the sea level rise through Mann-Kendall(MK) test, ordinary linear regression(OR) and quantile regression analysis(QRA) with sea level data at the 20 tide stations along the coast of Korean Peninsula. First, statistically significant long-term trends were analysed using a non-parametric MK test and the test indicated statistically significant trends for 18 and 10 stations at the 5% significance level in the annual mean value of sea level and the annual maximum value of sea level, respectively. The QRA method showed better performance in terms of characterizing the degree of trend. QRA showed that an average annual rise in mean sea level is about 1-6 mm/year, and an average rise in maximum sea level is about 1-20 mm. It was found that upward convergent and upward divergent were a representative change given the nine-category distributional changes. We expect that in future work we will address nonstationarities with respect to sea level that were identified above, and develop a nonstationary frequency analysis with climate change scenarios.
Population and urban development along the coast is growing in South Korea, and particularly sea level rise is likely to increase the vulnerability of coastal areas. This study aims to investigate the sea level rise through Mann-Kendall(MK) test, ordinary linear regression(OR) and quantile regression analysis(QRA) with sea level data at the 20 tide stations along the coast of Korean Peninsula. First, statistically significant long-term trends were analysed using a non-parametric MK test and the test indicated statistically significant trends for 18 and 10 stations at the 5% significance level in the annual mean value of sea level and the annual maximum value of sea level, respectively. The QRA method showed better performance in terms of characterizing the degree of trend. QRA showed that an average annual rise in mean sea level is about 1-6 mm/year, and an average rise in maximum sea level is about 1-20 mm. It was found that upward convergent and upward divergent were a representative change given the nine-category distributional changes. We expect that in future work we will address nonstationarities with respect to sea level that were identified above, and develop a nonstationary frequency analysis with climate change scenarios.
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문제 정의
경향성을 평가하는데 있어서 기울기 및 부호는 고려되는 분위에 따라 달라질 수 있으며 이로 인하여 매년 추정되는 확률분포도 달라질 수 있다. 본 연구에서는 분위회귀분석을 활용하여 경향성을 평가하는데 있어서 분석 시작년도에 해당하는 경험적 분포와 분석 최종년도의 경험적 분포의 모양을 비교하여 해수면 상승의 변화 여부를 판단하였다. 즉, 확률분포의 위치 및 퍼짐 정도를 가지고 경향성을 평가하고자 한다.
QRA방법은 경향성을 평가하는데 있어서 평균뿐만 아니라 원하는 분위에서 경향성을 평가할 수 있는 방법으로서 시계열의 다양한 특성을 평가할 수 있다. 본 연구에서는 우리나라 연안의 20개 지역의 조위 자료를 바탕으로 표본자료의 특성에 영향을 받지 않고 경향성을 판단할 수 있는 MK 검정을 통해 경향성 분석을 수행함과 동시에 QRA방법을 통하여 다양한 분위에 대한 경향성을 종합적으로 평가하고자 한다. 본 논문의 구성은 2장에서 경향성 평가 방법에 대한 이론적 배경을 간략히 소개하고, 3장에서는 MK검정과 QRA검정 방법을 기준으로 경향성을 평가하였다.
본 연구에서는 분위회귀분석을 활용하여 경향성을 평가하는데 있어서 분석 시작년도에 해당하는 경험적 분포와 분석 최종년도의 경험적 분포의 모양을 비교하여 해수면 상승의 변화 여부를 판단하였다. 즉, 확률분포의 위치 및 퍼짐 정도를 가지고 경향성을 평가하고자 한다. 선형 분위회귀분석의 회귀 상수는 조밀한 분위에서 가장 먼저 추정된다.
제안 방법
둘째, QRA 방법을 이용하여 연평균조위와 연최대조위의 경향성을 분위별로 평가하였다. QRA 방법은 시계열의 여러 분위에서 다양한 경향성을 평가할 수 있는 방법으로서, 기존 회귀분석 방법에 비해 다각적인 경향성 검토가 가능하였다.
해당 분위와 관련되어 추정된 조건부 조위 특성은 누적확률밀도함수(cumulative distribution function, CDF)와 확률밀도함수(probability density function, PDF)로 평가된다. 본 연구에서는 Table 1과 같이 분포특성에 따른 경향성의 범주화를 수행하고자 하며, 총 9개의 범주로 구분된다.
우리나라의 연안은 도시개발, 인구증가가 지속적으로 나타나고 있으며, 이러한 점에서 해수면 상승으로 인한 연안재해 취약성이 가중될 것으로 전망되고 있다. 본 연구에서는 우리나라 연안의 20개 지역의 조위자료를 바탕으로 MK 검정, OR, QRA 등을 이용하여 해수면상승에 대한 다양한 분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
선형 분위회귀분석의 회귀 상수는 조밀한 분위에서 가장 먼저 추정된다. 본 연구에서는 주어진 년(X)은 조위지수(Y)의 조건부 분위수를 계산하는데 있어서, 조위지수를 0.05에서 0.95까지 0.05씩 증가시키면서 분석을 수행하였다. 해당 분위와 관련되어 추정된 조건부 조위 특성은 누적확률밀도함수(cumulative distribution function, CDF)와 확률밀도함수(probability density function, PDF)로 평가된다.
즉, QRA는 자료의 경향성 측면에서 매우 풍부한 정보를 얻을 수 있는 방법 중 하나라 할 수 있다(Koenker, 2005; Hao and Naiman, 2007). 본 절에서는 QRA 방법에 대한 이론적 배경, 매개변수 추정 등에 대해서 요약 정리하였다. 확률분포(probability distribution function, pdf)를 가지는 무작위 변량에 대한 누가 확률은 다음과 같이 정의될 수 있다.
kr, Korea Hydrographic and Oceanographic Administration, KHOA)에서 관리한 45개 조위관측소의 시조위 자료를 이용하였다. 예보기준면이 적용된 KHOA의 45개 조위관측소의 한 시간 단위 자료로부터 연평균 및 연최대 조위계열 (annual average and annual maximum sea level series)을 추출하였다. 본 연구에서는 한반도 해안을 동해안, 서해안, 남해안, 제주 권역으로 구분하고 통계분석의 신뢰성을 만족하기 위해 자료 기간이 20년 이상인 20개 지점을 선정하였으며, 2013년까지 자료를 활용하여 연 최대치 및 연 평균치를 추출하였다.
첫째, MK 검정을 통하여 연평균조위와 연최대조위자료에 대한 경향성의 유의검정을 수행하였다. 연평균조위의 경우에 위도, 안흥을 제외한 18개 지점에서 경향성이 통계적으로 유의한 것으로 분석되었으며, 연최대치의 경우 포항, 제주, 대 흑산도, 부산 등 10개 지점에서 경향성이 통계적으로 유의한 것으로 평가되었다.
대상 데이터
본 연구에서는 극치사상을 추출하기 위해 국립해양조사원(www.khoa.go.kr, Korea Hydrographic and Oceanographic Administration, KHOA)에서 관리한 45개 조위관측소의 시조위 자료를 이용하였다. 예보기준면이 적용된 KHOA의 45개 조위관측소의 한 시간 단위 자료로부터 연평균 및 연최대 조위계열 (annual average and annual maximum sea level series)을 추출하였다.
예보기준면이 적용된 KHOA의 45개 조위관측소의 한 시간 단위 자료로부터 연평균 및 연최대 조위계열 (annual average and annual maximum sea level series)을 추출하였다. 본 연구에서는 한반도 해안을 동해안, 서해안, 남해안, 제주 권역으로 구분하고 통계분석의 신뢰성을 만족하기 위해 자료 기간이 20년 이상인 20개 지점을 선정하였으며, 2013년까지 자료를 활용하여 연 최대치 및 연 평균치를 추출하였다. 20개 지점의 자료연한은 짧게는 26년에서 길게는 51년의 범위를 가지고 있다.
데이터처리
QRA 방법의 적용은 5% 간격으로 5%부터 95%까지 Quantile에 대하여 식. 2.14를 이용하여 회귀계수 b를 추정하였으며, OR 방법의 경우 LSM 기법을 이용하여 회귀계수 b를 추정하였다. QRA 방법의 경우 분위별로 경향성이 다르게 나타나고 있다.
본 절에서는 연 평균 조위자료와 동일하게 연최대조위 자료에 대해서도 동일한 분석을 수행하였다. Table 7에서는 QRA 방법을 이용하여 시간에 따른 연최대조위의 경향성을 평가 및 비교하기 위하여 일반적으로 사용되는 시계열의 평균에 대한 회귀분석 OR 방법을 이용하였다. 연평균조위와 동일하게 OR방법의 경향성과 QRA방법의 평균경향성은 유사한 기울기를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 평균적으로 매년 1~20 mm범위에서 연최대해수면이 상승하고 있음을 확인할 수 있었다.
경향성 분석 기법으로는 Mann-Kendall(MK) 검정, Hotelling-Pabst 검정, Spearman’s Rho 검정, Linear regression 검정, CUSUM 검정, Cumulative Deviation 검정, Worsley likelihood 검정, Rank-Sum 검정 및 Student’s-t 검정이 있으며 다양한 수문기상자료를 통해 경향성을 파악하였다(Oh et al., 2005).
(2007)은 황하강의 약 50년 자료를 이용하여 4개 지점에 대한 하천유량을 MK 검정으로 경향성 판단을 하였다. 또한, 미국 캔자스주 내 강의 수질 측정 데이터를 사용하여 MK 검정을 실시하였다(Yu et al., 1993).
이론/모형
본 연구에서는 분위회귀분석(QRA) 방법을 이용하여 시간에 따른 연평균조위의 경향성을 평가 및 비교하기 위하여 일반적으로 사용되는 시계열의 평균에 대한 회귀분석 Ordinary Regression (이하 OR) 방법을 이용하였다. QRA 방법의 적용은 5% 간격으로 5%부터 95%까지 Quantile에 대하여 식.
성능/효과
QRA 방법은 시계열의 여러 분위에서 다양한 경향성을 평가할 수 있는 방법으로서, 기존 회귀분석 방법에 비해 다각적인 경향성 검토가 가능하였다. QRA분석 결과 연평균해수면의 경우 매년 1~6 mm의 범위에서 해수면이 상승하고 있으며, 연최대해수면의 경우 1~20 mm의 범위에서 증가경향이 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
QRA 방법의 경우 분위별로 경향성이 다르게 나타나고 있다. 또한 OR 방법의 경향성과 QRA방법의 평균경향성은 유사한 기울기를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 평균적으로 매년 1~6 mm범위에서 해수면이 상승하고 있음을 확인할 수 있었다.
6과 Table 8에 나타내었다. 범주화 결과 상향수렴 및 상향발산의 형태를 가지는 지역이 대부분인 것으로 분석되었으나, 추자도, 속초, 완도, 여수는 수평수렴의 형태를 가지는 범주 4로 평가되었다. 위도의 경우 범주 4로 분류되었으며 수평발산의 형태를 가지는 경향성으로 평가되었다.
05보다 작을 때 귀무가설이 기각되어 유의수준 5%에서 경향성이 있다고 판단한다. 본 연구에 사용된 20개 지점의 경향성 분석시 연평균조위의 경우 위도, 안흥을 제외한 18개 지점에서 경향성이 있는 것으로 분석되었으며, 연최대조위의 경우 포항, 제주, 대흑산도, 부산 등 10개 지점에서 경향성이 있는 것으로 나타났다.
즉, 귀무가설이 기각된다는 것은 “자료의 경향성이 존재”함을 의미한다. 본 연구에서는 비매개변수적 경향성 분석 방법인 MK 검정법을 유의 수준 5%에서 수행하였으며 Table 3과 4는 각각 20개 지점의 연 평균 및 연 최대 조위의 분석 결과이다.
연 평균조위와는 다르게 분위에 따른 경향성의 변동은 크지 않게 나타나고 있다. 서귀포, 포항, 목포, 제주, 부산, 보령, 안 흥은 대부분의 분위에서 증가하는 경향성을 확인할 수 있었으나, 나머지 지점의 경우 증가경향이 통계적으로 유의하지 않은 결과를 보여주었다. 여수 및 완도의 경우 연최대조위가 감소하는 경향을 나타내고 있다.
셋째, QRA 결과를 토대로 9개 범주로 경향성을 범주화시켰으며, 우리나라의 연평균해수면의 경우 대부분 상향수렴 및 상향발산의 형태를 가지는 경향성을 나타내고 있었다. 연최대해수면의 경우에도 상향수렴 및 상향발산의 형태를 가지는 지역이 대부분인 것으로 분석되었으나, 추자도, 속초, 완도, 여수 등 일부지점에서는 수평수렴의 경향성을 나타내고 있다.
반면 포항 및 완도의 경우에는 높은 분위로 갈수록 증가 경향이 크게 나타나고 있다. 안흥, 대흑산도, 위도를 제외한 대부분의 지역은 유의수준 5%에서 모든 분위에서 경향성이 유의성을 가지는 것으로 분석되었다.
Table 7에서는 QRA 방법을 이용하여 시간에 따른 연최대조위의 경향성을 평가 및 비교하기 위하여 일반적으로 사용되는 시계열의 평균에 대한 회귀분석 OR 방법을 이용하였다. 연평균조위와 동일하게 OR방법의 경향성과 QRA방법의 평균경향성은 유사한 기울기를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 평균적으로 매년 1~20 mm범위에서 연최대해수면이 상승하고 있음을 확인할 수 있었다. Fig.
첫째, MK 검정을 통하여 연평균조위와 연최대조위자료에 대한 경향성의 유의검정을 수행하였다. 연평균조위의 경우에 위도, 안흥을 제외한 18개 지점에서 경향성이 통계적으로 유의한 것으로 분석되었으며, 연최대치의 경우 포항, 제주, 대 흑산도, 부산 등 10개 지점에서 경향성이 통계적으로 유의한 것으로 평가되었다.
전반적으로 우리나라의 해수면은 상승하는 경향성을 보여 주고 있으며 통계적으로도 유의한 경향성을 가지는 것으로 분석되었다. 향후 이러한 경향성을 기반으로 연최대해수면 자료를 활용한 비정상성빈도해석 절차의 개발 및 적용이 필요할 것으로 판단된다.
3에서는 유의수준 5%를 기준으로 지점별로 경향성의 유의성을 평가하여 나타내었다. 제주 및 목포 지점의 경우 높은 분위로 갈수록 증가경향이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 반면 포항 및 완도의 경우에는 높은 분위로 갈수록 증가 경향이 크게 나타나고 있다.
후속연구
SLR의 영향을 연안지역 구조물에 대해서 적용하기 위해서는 자료가 시간에 따라 변화하는 특성 즉 비정상성(nonstationarity)를 고려한 해석이 필요하다. 이러한 점에서 자료가 가지고 있는 경향성에 대한 통계적 유의성을 종합적으로 평가하는 것이 우선적으로 요구되며, 해석 결과는 다른 연구의 기초 자료로 활용될 수 있다.
전반적으로 우리나라의 해수면은 상승하는 경향성을 보여 주고 있으며 통계적으로도 유의한 경향성을 가지는 것으로 분석되었다. 향후 이러한 경향성을 기반으로 연최대해수면 자료를 활용한 비정상성빈도해석 절차의 개발 및 적용이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 연안의 특징은?
우리나라의 연안은 도시개발, 인구증가가 지속적으로 나타나고 있으며, 이러한 점에서 해수면 상승으로 인한 연안재해 취약성이 가중될 것으로 전망되고 있다. 본 연구에서는 우리나라 연안의 20개 지역의 조위자료를 바탕으로 Mann-Kendall(MK) 검정, 선형회귀분석(OR), 분위회귀분석(QRA) 등을 이용하여 해수면상승에 대한 분석을 수행하였다.
연평균해수면 증가 현황은?
QRA 방법을 이용하여 해수면의 경향성을 분위별로 평가한 결과 기존 회귀분석 방법에 비해 다각적인 경향성 검토가 가능하였다. QRA분석 결과 연평균해수면은 매년 1-6 mm의 범위에서 상승하고 있으며, 연최대해수면의 경우 1-20 mm의 범위에서 증가경향이 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 우리나라의 해수면상승의 경우 대부분 상향수렴 및 상향발산의 형태를 가지는 경향성을 나타내고 있었다.
MK검정 방법의 단점을 극복하기 위해 사용하는 방법은?
그러나 MK검정 방법은 주로 시계열자료의 평균적인 변동성에 초점이 맞추어져 있어, 극소, 극대 부분에 대한 경향성을 검정하는데 있어서 어려움이 있다. 이러한 점에서 분위회귀분석(quantile regression analysis, QRA)을 통하여 자료의 확률분포의 다양한 관점에서 경향성을 평가할 수 있는 방법이 활용되고 있다(So et al., 2012).
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