가뭄은 시공간적으로 점차적인 수분부족이 나타나는 자연재해로 비교적 간단하게 설명될 수 있다. 그러나 가뭄이 가지는 특징을 보다 명확하게 정의하기는 매우 어려우며 또한 가뭄에 대한 대비 및 정부의 대응이 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 가뭄재해의 대응책 마련 및 수공구조물 설계 운영기준에 활용하고자 이론적인 가뭄 재현기간 산정기법과 더불어 3가지 시계열 모델(autoregressive (AR), Gamma AR, Copula AR)을 통해 장기간의 자료를 모의하여 가뭄사상에 대한 빈도를 산정하고자 하였다. 분석결과, 시계열 모델을 활용하여 모의된 가뭄의 빈도 결과가 이론적인 기법을 통해 산정된 것보다 합리적인 결과가 도출되었으며, 모든 시계열 모델에서 유사한 결과가 도출되었다. 또한 남한지역에 발생하고 있는 현재의 가뭄사상 분석에 대해 총 4개의 대권역으로 분류하여 분석을 수행하였으며 분석결과 국내의 남부지방은 상대적으로 약한 가뭄이 발생하는 반면에 북부 및 중부지방은 현재 3년의 가뭄 지속기간을 가지는 가뭄이 발생하고 있으며 약 40년 빈도의 가뭄으로 분석되었다.
가뭄은 시공간적으로 점차적인 수분부족이 나타나는 자연재해로 비교적 간단하게 설명될 수 있다. 그러나 가뭄이 가지는 특징을 보다 명확하게 정의하기는 매우 어려우며 또한 가뭄에 대한 대비 및 정부의 대응이 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 가뭄재해의 대응책 마련 및 수공구조물 설계 운영기준에 활용하고자 이론적인 가뭄 재현기간 산정기법과 더불어 3가지 시계열 모델(autoregressive (AR), Gamma AR, Copula AR)을 통해 장기간의 자료를 모의하여 가뭄사상에 대한 빈도를 산정하고자 하였다. 분석결과, 시계열 모델을 활용하여 모의된 가뭄의 빈도 결과가 이론적인 기법을 통해 산정된 것보다 합리적인 결과가 도출되었으며, 모든 시계열 모델에서 유사한 결과가 도출되었다. 또한 남한지역에 발생하고 있는 현재의 가뭄사상 분석에 대해 총 4개의 대권역으로 분류하여 분석을 수행하였으며 분석결과 국내의 남부지방은 상대적으로 약한 가뭄이 발생하는 반면에 북부 및 중부지방은 현재 3년의 가뭄 지속기간을 가지는 가뭄이 발생하고 있으며 약 40년 빈도의 가뭄으로 분석되었다.
Drought is a water-related natural disaster which can be simply described as spatially and temporally sequential absence of water. However, its characteristics are very difficult to define. For this reason, the preparation and mitigation from drought events have not been successful. In the current s...
Drought is a water-related natural disaster which can be simply described as spatially and temporally sequential absence of water. However, its characteristics are very difficult to define. For this reason, the preparation and mitigation from drought events have not been successful. In the current study, we illustrated a design drought estimation approach of water resources infrastructures as well as the existing theoretical one to prepare and mitigate drought disasters. Theoretical and simulation methods were tested including three time series models such as autoregressive (AR), Gamma AR, Copula AR models. The results indicated that for South Korea region, the simulation-based method to estimate drought frequency presented better performance and all the three time series models show similar performance to each other. The current drought event occurring in South Korea was investigated with dividing South Korea into four basins as Han River, Nakdong River, Geum River, and Nakdong River basins. The results showed that two middle and north basins presented significant drought events with 3 year drought duration and around 40 year return period while the other two southern regions illustrated relatively weaker drought events.
Drought is a water-related natural disaster which can be simply described as spatially and temporally sequential absence of water. However, its characteristics are very difficult to define. For this reason, the preparation and mitigation from drought events have not been successful. In the current study, we illustrated a design drought estimation approach of water resources infrastructures as well as the existing theoretical one to prepare and mitigate drought disasters. Theoretical and simulation methods were tested including three time series models such as autoregressive (AR), Gamma AR, Copula AR models. The results indicated that for South Korea region, the simulation-based method to estimate drought frequency presented better performance and all the three time series models show similar performance to each other. The current drought event occurring in South Korea was investigated with dividing South Korea into four basins as Han River, Nakdong River, Geum River, and Nakdong River basins. The results showed that two middle and north basins presented significant drought events with 3 year drought duration and around 40 year return period while the other two southern regions illustrated relatively weaker drought events.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 가뭄을 지수화한 분석보다는 강우의 부족분을 통한 빈도개념을 도입하여 가뭄이 빈도에 따라 어떻게 표현될 수 있는지 현 가뭄상황을 중심으로 분석하였다. 향후 가뭄대책을 위한 빈도개념의 기준을 통해 댐이나 저수지와 같은 수공구조물을 설치 및 운영하게 된다면 현재보다 가뭄 취약성이 개선될 것으로 기대된다.
제안 방법
(10)과 Eq. (11)로 산정된 재현기간의 결과를 비교 및 검토하고자 본 연구에서는 3가지 시계열 모델(Autoregressive (AR) model, Gamma autoregressive (GAR) model, Copulabased autoregressive (CAR) model)을 통해 장기간의 자료를 발생시키고 가뭄의 재현기간을 Eq. (12)를 통해 산정하였다.
2). 관측년도는 1973년 6월에서 2015년 9월까지의 관측자료를 이용하였고 장마가 시작되는 내년 봄까지의 가뭄이 계속될 것으로 가정하고자 2015년 10월에서 2016년 5월까지를 관측기간의 월평균강우량으로 적용하여 현 가뭄의 빈도를 계산하였다. Fig.
본 연구에서는 가뭄에 대한 통계학적 빈도를 계산하는 방법을 이론적인 식을 통하거나 시계열 모델을 통해 자료를 모의하여 발생된 가뭄의 빈도를 계산하는 방법에 대해 비교하였다. 이론적인 식에 의한 방법의 가뭄빈도 모의결과가 시계열 모의자료를 통한 가뭄빈도가 크게 산정되어 시뮬레이션 자료를 통한 방법이 안정성 측면에서 적정한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 권역별 가뭄의 심각성이 다름에 따라 기상청 관할 지점 강우자료를 Thiessen가중법을 이용하여 권역별 면적 평균강우량으로 산정하였으며 월별로 강우자료를 구축하였다(Fig. 2). 월별로 축소한 이유는 마지막 년도의 경우 기존 2015년 9월까지는 관측자료를 이용하였고 이후 2016년 5월 까지는 평균값을 가정하여 넣어서 결국 2015년의 값을 산정하게 되고 연자료를 장마가 시작되는 월을 기준으로 익년 6월에서 다음년 5월까지로 기존과 다르게 산정한 부분이 있어 이를 고려하기 위해 월별로 자료를 구축하였다.
실제로 재현기간은 관측된 자료를 통해 산정할 수 있으나 대부분 자료기간 대비 발생된 사건의 개수가 극소수여서 직접적으로 구하기는 어려운 단점이 있어 본 연구에서는 가뭄의 재현 기간 값의 타당성 확보를 위해 간단한 시계열 모델(e.g. simple lag-1 order Autoregressive model)을 통해 장기간의 자료를 모의하여 가뭄사상에 대한 재현기간을 산정하였다(Eq. (12))
연 강우 자료는 앞에서 기술한 바와 같이 장마가 시작되는 해의 6월부터 다음해의 5월까지 월 강우자료를 합산하여 구축하였으며 대권역은 한강, 낙동강, 금강, 영산강으로 구분하였다. 적용된 강우 및 관측소는 상대적으로 30년이상의 자료가 확보되고 강우자료 품질에 대한 신뢰성이 확보된 59개소 기상청 관할 관측소 자료를 이용하였다(Fig.
2). 월별로 축소한 이유는 마지막 년도의 경우 기존 2015년 9월까지는 관측자료를 이용하였고 이후 2016년 5월 까지는 평균값을 가정하여 넣어서 결국 2015년의 값을 산정하게 되고 연자료를 장마가 시작되는 월을 기준으로 익년 6월에서 다음년 5월까지로 기존과 다르게 산정한 부분이 있어 이를 고려하기 위해 월별로 자료를 구축하였다.
대상 데이터
연 강우 자료는 앞에서 기술한 바와 같이 장마가 시작되는 해의 6월부터 다음해의 5월까지 월 강우자료를 합산하여 구축하였으며 대권역은 한강, 낙동강, 금강, 영산강으로 구분하였다. 적용된 강우 및 관측소는 상대적으로 30년이상의 자료가 확보되고 강우자료 품질에 대한 신뢰성이 확보된 59개소 기상청 관할 관측소 자료를 이용하였다(Fig. 2). 관측년도는 1973년 6월에서 2015년 9월까지의 관측자료를 이용하였고 장마가 시작되는 내년 봄까지의 가뭄이 계속될 것으로 가정하고자 2015년 10월에서 2016년 5월까지를 관측기간의 월평균강우량으로 적용하여 현 가뭄의 빈도를 계산하였다.
데이터처리
(11)을 통해 산정된 결과는 검은색 두꺼운 실선으로 표현하였으며, AR model(1)을 이용한 모의 자료와 Eq. (12)를 통해 산정한 결과는 점선으로 표현하여 비교하였다. Eq.
이론/모형
가뭄의 통계학적 분석을 위해서는 가뭄 지속기간과 심도로 표현되는 이변량(bivariate) 형태로 분석이 수행되어야 하며 빈도해석을 위해서는 우선적으로 초과확률에 대한 산정이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 Salas et al. (2005)에서 적용한 형태로 가뭄의 초과확률을 산정하였다(Eqs. (1), (2)).
6과 같다. 여기서 Copula AR(1) 모델은 Bivariate normal copula를 이용하였고 감마분포를 적용하였다. 이 모델의 적정성에 대한 검증 및 자세한 설명은 Lee and Salas(2011)에 잘 나타나 있다.
이러한 절차로 제시된 Lee and Salas (2011)의 모형을 적용하였다. 보다 자세한 설명은 Lee and Salas (2011)를 참고할 수 있다.
(12)를 통해 산정하였다. 추가적으로 우리나라의 연 강우자료는 큰 자기상관을 가지지 않으나 작은 상관성이라도 가뭄해석에서는 자기상관이 많은 영향을 주므로 Lag-1을 고려한 모델을 적용하였다.
성능/효과
한강권역도 금강권역과 유사한 빈도를 보이는 것으로 산정되었다(Table 1). 남부지역에 위치한 낙동강과 영산강 유역에서는 가뭄 지속기간이 약 1년, 가뭄 부족분은 약 300 mm로 중북부지역에 비해 1/3정도의 수준이며 각각 재현기간 9년, 8년의 빈도를 가지는 가뭄으로 산정되었다. 현재 가뭄은 중북부 지역에서 보다 심각하며 향후 강우량의 부족현상이 지속된다면 전 지역에서 극심한 가뭄을 겪게 될 실정이며 사회·경제적인 면에서 큰 파급효과를 초래될 수 있다.
1970년대 당시 5년의 지속기간을 가지는 극심한 가뭄이 대부분의 권역에 발생하였음을 확인할 수 있으며 이는 현시점의 가뭄이 미래에 지속될 여지가 충분히 있음을 암시한다. 또한, 한강 및 금강유역의 경우 상대적으로 가뭄심도가 크며 가뭄의 지속기간이 길어 극심한 가뭄이 진행되고 있는 반면 낙동강 및 영산강유역은 가뭄심도가 적고 2014년의 강우로 가뭄의 지속기간이 상대적으로 짧게 나타났다. 보통 서북태평양 지역에서 생성되는 태풍 중 평균적으로 1년에 약 3개의 태풍이 한반도에 직·간접적인 영향을 미치며 북태평양고기압의 가장자리를 따라 이동하므로 상대적으로 많은 태풍이 한반도 남부지역 및 남해안을 통과하는 양상을 보임에 따른 결과로 판단된다(Cha et al.
이 모델의 적정성에 대한 검증 및 자세한 설명은 Lee and Salas(2011)에 잘 나타나 있다. 분석결과, Copula AR(1) 뿐만 아니라 모든 모델을 통해 산정된 모의 자료의 재현기간 결과가 유사하게 나타났으며 이는 시계열 모델을 통해 산정되는 재현기간 결과가 상당히 적정함을 의미한다.
본 연구에서는 가뭄에 대한 통계학적 빈도를 계산하는 방법을 이론적인 식을 통하거나 시계열 모델을 통해 자료를 모의하여 발생된 가뭄의 빈도를 계산하는 방법에 대해 비교하였다. 이론적인 식에 의한 방법의 가뭄빈도 모의결과가 시계열 모의자료를 통한 가뭄빈도가 크게 산정되어 시뮬레이션 자료를 통한 방법이 안정성 측면에서 적정한 것으로 판단된다. 이는 여러 모의기반 산정기법이 비슷한 빈도 값을 나타내주는 것으로 모델에 대한 차이는 크지 않다는 것을 알 수 있으며 모의기반 산정기법의 안정성을 보여주고 있다.
이를 통해 산정된 현재 한국 중북부지역에 진행중인 가뭄의 빈도를 계산하였고 한강 및 금강유역에 40년 빈도의 가뭄이 발생되었으며 가뭄이 계속해서 진행 중이라는 것을 알 수 있었다. 가뭄빈도를 통해 댐 설계 및 수자원이용에 적극적으로 이용한다면 심각한 가뭄에 보다 탄력적인 대처가 가능할 것으로 보인다.
후속연구
이를 통해 산정된 현재 한국 중북부지역에 진행중인 가뭄의 빈도를 계산하였고 한강 및 금강유역에 40년 빈도의 가뭄이 발생되었으며 가뭄이 계속해서 진행 중이라는 것을 알 수 있었다. 가뭄빈도를 통해 댐 설계 및 수자원이용에 적극적으로 이용한다면 심각한 가뭄에 보다 탄력적인 대처가 가능할 것으로 보인다. 본 연구에서는 부족분의 임계치( )를 자료의 평균값으로 사용하였으나 실수요량 수준의 용수공급량 등을 적용하거나 사회경제적인 요소를 고려하여 임계치(x0)로 활용한다면 실제적인 가뭄대책의 일환인 저수지 및 댐 운영 등에 활용 가능할 것으로 판단된다.
가뭄빈도를 통해 댐 설계 및 수자원이용에 적극적으로 이용한다면 심각한 가뭄에 보다 탄력적인 대처가 가능할 것으로 보인다. 본 연구에서는 부족분의 임계치( )를 자료의 평균값으로 사용하였으나 실수요량 수준의 용수공급량 등을 적용하거나 사회경제적인 요소를 고려하여 임계치(x0)로 활용한다면 실제적인 가뭄대책의 일환인 저수지 및 댐 운영 등에 활용 가능할 것으로 판단된다.
이는 여러 모의기반 산정기법이 비슷한 빈도 값을 나타내주는 것으로 모델에 대한 차이는 크지 않다는 것을 알 수 있으며 모의기반 산정기법의 안정성을 보여주고 있다. 시뮬레이션 자료를 통한 가뭄빈도의 산정은 아직 적용가능성에서 검증이 되지 않은 부분이 있기는 하나 향후 연구를 통해 그 가능성을 검증한다면 기존 식을 통해서 나온 가뭄치보다 정확한 값을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
이번 가뭄은 약 40년 정도의 재현기간을 가지는 가뭄으로 볼 수 있으며 현재의 40년 빈도에 여러 심각한 가뭄이 발생한 것을 근거로 수공구조물의 설계 및 물 공급수요 계획에 이를 설계빈도로 반영한다면 보다 적극적인 수자원 대비와 계획으로 현재와 같은 가뭄에 대해서 보다 탄력적으로 운영이 가능할 것으로 보인다. 예를 들어, 용수공급 댐 설계뿐 만 아니라 생활용수, 농업용수, 산업용수 산정 시 가뭄빈도(e.
따라서, 본 연구에서는 가뭄을 지수화한 분석보다는 강우의 부족분을 통한 빈도개념을 도입하여 가뭄이 빈도에 따라 어떻게 표현될 수 있는지 현 가뭄상황을 중심으로 분석하였다. 향후 가뭄대책을 위한 빈도개념의 기준을 통해 댐이나 저수지와 같은 수공구조물을 설치 및 운영하게 된다면 현재보다 가뭄 취약성이 개선될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가뭄의 특징은 무엇인가?
, 2010). 하지만, 가뭄은 홍수재해에 비해 장기간 동안 광범위한 지역에 점진적인 피해를 유발하는 특징을 갖고 있어 이에 대한 전망 및 감시가 어렵고 피해완화 차원의 대처가 미흡한 실정이다(Son et al., 2011; Lee et al.
가뭄재해의 전 세계적 특징은 무엇인가?
전 세계적으로 가뭄재해는 사회·경제적으로 극심한 피해를 유발시키는 자연재해로 분류되고 있으며 기후변화로 인한 비정상적인 대기 및 해양환경 패턴의 변화가 가뭄의 발생 가능성을 높이고 있다(Hanson and Weltzin, 2000; Yoo et al., 2010).
저수지 설계, 단일 댐 및 댐군의 운영 등 가뭄에 대비 및 대응을 위한 정량적인 빈도 개념의 기준이 필수적인 이유는 무엇인가?
이처럼 대부분의 연구가 가뭄지수를 활용하여 현재 및 미래의 가뭄상태 모니터링에 집중되어 있다. 하지만, 가뭄지수의 경우 정량적인 여유수량 확보 및 가뭄의 발생 및 예상 시댐 용수 제한·공급량 설정 등 실질적인 가뭄대책의 정량적인 기준으로 활용하는 데에는 한계가 있다. 따라서, 저수지 설계, 단일 댐 및 댐군의 운영 등 가뭄에 대비 및 대응을 위해서는 정량적인 빈도 개념의 기준이 필수적이다.
참고문헌 (30)
Byun, H.R., and Wilhite, D.A. (1999). "Objective quantification of drought severity and duration." Journal of Climate, Vol. 12, No. 9, pp. 2747-2756.
Cha, Y., Choi, K.-S., Chang, K.-H., Lee, J.-Y., and Shin, D.-S. (2014). "Characteristics of the changes in tropical cyclones influencing the South Korean region over the recent 10 years (2001-2010)." Natural Hazards, Vol. 74, 3, pp. 1729-1741.
Fernandez, B., and Salas, J.D. (1990). "Gamma-Autoregressive Models for Stream-Flow Simulation." Journal of Hydraulic Engineering-Asce, Vol. 116, No. 11, pp. 1403-1414.
Guven, O. (1983). "A simplified semiempirical approach to probabilities of extreme hydrologic droughts." Water Resources Research, Vol. 19, No. 2, pp. 441-453.
Hanson, P.J., and Weltzin, J.F. (2000). "Drought disturbance from climate change: Response of United States forests." Sci. Total Environ., Vol. 262, No. 3, pp. 205-220.
Heim Jr., R.R. (2002). "A review of twentieth-century drought indices used in the United States." Bull. Am. Meteorol. Soc., Vol. 83, No. 8, pp. 1149-1165.
Keyantash, J.A., and Dracup, J.A. (2002). "The quantification of drought: An evaluation of drought indices." Bull. Am. Meteorol. Soc., Vol. 83, No. 8, pp. 1167-1180.
Keyantash, J.A., and Dracup, J.A. (2004). "An aggregate drought index: Assessing drought severity based on fluctuations in the hydrologic cycle and surface water storage." Water Resources Research, Vol. 40, No. 9, pp. 1-13.
Kim, B.-S., Sung, J.-H., Kang, H.-S., and Cho, C.-H. (2012). "Assessment of Drought Severity over South Korea using Standardized Precipitation Evapo-transpiration Index (SPEI)." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 45, No. 9, pp. 887-900.
Kim, C.J., Park, M.J., and Lee, J.H. (2014). "Analysis of climate change impacts on the spatial and frequency patterns of drought using a potential drought hazard mapping approach." International Journal of Climatology, Vol. 34, No. 1, pp. 61-80.
Kim, J.-S., Kang, H.-W., Son, C.-Y., and Moon, Y.-I. (2015). "Spatial variations in typhoon activities and precipitation trends over the Korean Peninsula." Journal of Hydroenvironment Research, doi:10.1016/j.jher.2014.12.005
KMA (Korea Meteorological Administration) (2011). "Changma White Book".
Kwon, H.J., Park, H.J., Hong, D.O., and Kim, S.J. (2006). "A Study on Semi-distributed Hydrologic Drought Assessment Modifying SWSI." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 39, No. 8, pp. 645-658.
Lee, J.H., Cho, K.J., Kim, C.J., and Park, M.J. (2012). "Analysis on the Spatio-Temporal Distribution of Drought using Potential Drought Hazard Map." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 45, No. 10, pp. 983-995.
Lee, J.H., and Kim, C.J. (2013). "A multimodel assessment of the climate change effect on the drought severity-duration-frequency relationship." Hydrological Processes, Vol. 27, No. 19, pp. 2800-2813.
Lee, T., and Salas, J.D. (2011). "Copula-based stochastic simulation of hydrological data applied to Nile River flows." Hydrol. Res., Vol. 42, No. 4, pp. 318-330.
McKee, T.B., Doesken, N.J., and Kleist, J. (1993). "The relationship of drought frequency and duration to time scales." 8th Conf. on Applied Climatology, January 17-22, American Meteorological Society, pp. 179-184.
Palmer, W.C. (1965). "Meteorological drought." Research paper, 45.
Ryu, J.H., Lee, D.R., Ahn, J.H., and Yoon, Y.N. (2002). "A Comparative Study on the Drought Indices for Drought Evaluation." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 35, No. 4, pp. 397-410.
Salas, J.D., Delleur, J.W., Yevjevich, V., and Lane, W.L. (1980). "Applied Modeling of Hydrologic Time Series." Water Resources Publications, Littleton, Colorado, pp. 484.
Salas, J.D., Fu, C., Cancelliere, A., Dustin, D., Bode, D., Pineda, A., and Vincent, E. (2005). "Characterizing the severity and risk of drought in the Poudre River, Colorado." J. Water Resour. Plann. Manage., Vol. 131, No. 5, pp. 383-393.
Shafer, B.A., and Dezman, L.E. (1982). "Development of a surface water supply index (swsi) to assess the severity of drought conditions in snowpack runoff areas." Proceedings of the Western Snow Conference, 50th Annual Meeting., pp. 164-175.
Shiau, J.T., and Shen, H.W. (2001). "Recurrence analysis of hydrologic droughts of differing severity." J. Water Resour. Plann. Manage., Vol. 127, No. 1, pp. 30-40.
So, J.M., Sohn, K.H., and Bae, D.H. (2014). "Estimation and Assessment of Bivariate Joint Drought Index based on Copula Functions." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 47, No. 2, pp. 171-182.
Son, K.-H., Bae, D.-H., and Chung, J.-S. (2011). "Drought Analysis and Assessment by Using Land Surface Model on South Korea." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 44, No. 8, pp. 667-681.
TRC (Typhoon Research Center) (2015). http://www.typhoon.or.kr. Accessed 24 December, 2015.
Yevjevich, V. (1967). "An objective approach to definitions and investigations of continental hydrologic droughts." Colorado State University Fort Collins.
Yoo, J.-Y., Choi, M.-H., and Kim, T.-W. (2010). "Spatial Analysis of Drought Characteristics in Korea Using Cluster Analysis." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 43, No. 1, pp. 15-24.
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