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유역단위에서의 연강수량의 변동점 분석을 위한 계층적 Bayesian 분석기법 개발
A development of hierarchical bayesian model for changing point analysis at watershed scale 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.50 no.2, 2017년, pp.75 - 87  

김진국 (전북대학교 토목공학과) ,  김진영 (전북대학교 토목공학과) ,  김윤희 (한국수자원공사 대구경북지역본부) ,  권현한 (전북대학교 토목공학과)

초록
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최근 기후변화에 따른 기상변동성 증가로 기존 한반도의 기상패턴과 다른 이상강우 현상이 증가하고 있다. 이상강우현상에 따른 수문패턴의 변화는 수자원 계획을 수립하는데 있어 불확실성을 가중시키기고 있다. 이러한 점에서 수문 시계열의 변화양상을 효과적으로 인지할 수 있으며, 유역단위에서 일관된 변화를 평가할 수 있는 변동점 분석 개발이 필요하다. 이에 본 연구에서는 기존 변동점 분석방법에 계층적 베이지안(Hierarchical Bayesian) 기법을 연계하여 유역단위에서 계층적 변동점 분석이 가능한 모형을 개발하였다. 우리나라에 40년 이상 관측된 기상청 강수자료를 활용하여 연강수량 자료를 구축하였으며, 본 연구를 통해 개발된 모형의 적합성을 평가하였다. 분석결과, 1990년대의 강수자료의 변화 양상을 정량적으로 확인할 수 있었으며, 과거에 비해 강수의 증가 특성을 확인할 수 있었다. 최종적으로 추정된 수문자료의 변화시점 전후의 재해석자료를 이용하여 한반도 주변의 강수량과 해수면기압의 Anomaly를 분석해본 결과 변동점을 기준으로 강수량과 해수면기압의 명확한 차이를 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In recent decades, extreme events have been significantly increased over the Korean Peninsula due to climate variability and climate change. The potential changes in hydrologic cycle associated with the extreme events increase uncertainty in water resources planning and designing. For these reasons,...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Eq. (14)의 모든 매개변수에 대한 적분을 통해 직접적으로 추정하는 것은 불가능하므로, 본 연구에서는 Bayesian MCMC 기반의 해석모형을 개발하였다. Bayesian MCMC 기법은 주어진 다변량 확률분포가 복잡하여 이를 따르는 IID (Independent and identically distributed) 난수를 얻을 수 없는 경우에 사용가능한 기법으로서 IID 난수 대신 Markov Chain 난수를 추출하여 사용한다.
  • 1) 본 연구에서는 변동점이 명확하게 드러나는 가상의 시나리오를 구축하여 계층적 Bayesian 변동점 분석 기법이 효과적으로 변동점을 도출하는지 확인하였다.
  • , 2013). 둘째, 본 연구에서는 Bayesian 모형을 기반으로 매개변수의 불확실성을 정량화 할 수 있는 모형을 개발함으로써 추정되는 변동점의 신뢰성을 개선할 수 있도록 개선하였다.
  • 이러한 점에서 수문 시계열의 변화양상을 효과적으로 인지하고, 유역단위에서 일관된 변화를 평가할 수 있는 변동점 분석 개발이 필요하다 하겠다. 따라서 본 연구에서는 개별 강수지점에 변동점 분석뿐만 아니라 유역단위에서 변동점 해석이 가능한 계층적 Bayesian 변동점 분석 기법을 개발하였다.
  • 본 연구에서 변동점 분석의 목적은 독립된 강수지점의 변동점을 분석함과 동시에 유역 단위에 평균적인 변동점을 파악하는 것이다. Fig.
  • 우리나라의 국가하천은 한강, 낙동강, 금강, 영산강, 섬진강까지 5개의 권역으로 분류되지만, 섬진강의 경우 강우관측소가 상대적으로 적고 유역특성도 비슷하다고 판단하여 영산강유역과 합쳐 총 4개의 권역으로 분리하여 변동점 분석을 실시하였다. 본 연구에서는 기상청에서 관측되는 강수량 자료 중 40년 이상(1973~2013년) 관측된 60개 강우관측소의 자료를 중심으로 권역별 강수패턴 및 변동점 분석을 실시하였다. Table 1은 본 연구에서 사용된 강수지점의 관측 개시연도와 위경도 좌표를 병기하여 나타내었으며, Fig.
  • Bayesian 기법은 기존 최소자승법 및 최우도법과는 다르게 모든 매개변수에 확률분포를 부여하고 최종적으로 사후분포를 추정이 가능하기 때문에 매개변수의 불확실성을 객관적으로 정량화 할 수 있다. 본 절에서는 계층적 Bayesian 변동점 분석 기법을 활용하여 실제 활용성을 검토하기 위해 기상청 연강수량 관측 자료를 대상으로 각각의 유역별 수문자료의 변동점을 분석 하였다.
  • 이는 불확실성을 정량적으로 해석하는데 어려움이 있어 추정되는 변동점의 신뢰성 또한 확보하지 못하는 실정이다. 이러한 이유로 본 연구에서는 변동점 분석시 불확실성을 정량적으로 해석이 가능한 계층적 Bayesian 모형기반의 다지점 변동점 분석기법 모형을 개발하고자 한다.
  • 이와 더불어 단일 BCP 기법의 경우 먼저 주관적으로 자료의 구간을 분리한 다음 변동점을 탐색해야 하는 문제가 있어 사실상 신뢰성 있는 분석결과를 보장하기 어려운 측면이 있다. 이러한 점에서 본 연구에서는 연속된 시계열로 구성된 수문자료의 연관성을 효과적으로 고려함과 동시에 유역내 다수의 수문관측지점에 대한 변동점의 위치 및 크기를 정량적으로 평가할 수 있는 계층적 Bayesian 변동점 분석기법을 개발하였다.
  • Bayesian을 통한 매개변수 추정기법은 기존 방법들(최우도법, 모멘트법, 확률가중모멘트법)과는 다르게 매개변수를 하나의 확률변수로 취급한다. 즉, 매개변수가 단일 값이 아닌 확률분포의 형태로 부여되며 최종적으로 매개변수의 사후 분포(posterior distribution)를 추정하는데 목적을 두며, Bayes정리를 기반으로 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이상강우현상에 따른 수문패턴의 변화는 수자원 계획 수립에 어떤 영향을 미치는가? 최근 기후변화에 따른 기상변동성 증가로 기존 한반도의 기상패턴과 다른 이상강우 현상이 증가하고 있다. 이상강우현상에 따른 수문패턴의 변화는 수자원 계획을 수립하는데 있어 불확실성을 가중시키기고 있다. 이러한 점에서 수문 시계열의 변화양상을 효과적으로 인지할 수 있으며, 유역단위에서 일관된 변화를 평가할 수 있는 변동점 분석 개발이 필요하다.
Bayesian 변동점 분석 방법 중 단일 BCP기법의 특징은 무엇인가? (1992)에 의해 수행되었으며, 크게 단일 BCP(single Bayesian change point)기법과 다중 BCP (multiple Bayesian change point)기법으로 구분되어 연구가 수행되었다. 단일 BCP기법은 주로 공액 사전분포(conjugated prior distribution)를 사용함으로써 사후확률의 계산에 있어 간단한 면이 있으나, 단일 BCP기법은 1개의 대상지점에 대한 1개의 변동점을 찾아내기 때문에 유역내 여러 지점에 대한 적용이 불가하다. 이와 더불어 단일 BCP 기법의 경우 먼저 주관적으로 자료의 구간을 분리한 다음 변동점을 탐색해야 하는 문제가 있어 사실상 신뢰성 있는 분석결과를 보장하기 어려운 측면이 있다.
수문기상자료의 변동점 분석 연구는 어떤 효과를 기대할 수 있는가? 수문기상자료의 통계적 특성 변화 분석 분야의 경우 현재 기후변화와 관련하여 매우 중요한 연구 분야중 하나이며, 그중에서도 수문기상자료의 변동점 분석(changing point analysis)과 관련된 연구는 수자원의 변동성을 평가하고 예측하는데 매우 중요하다 하겠다(Lee et al., 2014).
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참고문헌 (34)

  1. Akaike, H. (1974). "A New Look at the Statistical Model Identification." IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 19, No. 6, pp. 716-723. 

  2. Bai, J., and Perron, P. (2003). "Computation and Analysis of Multiple Structural Change Models." Journal of Applied Econometrics, Vol. 18, pp. 1-22. 

  3. Barry, D., and Hartigan, J. A. (1993). "A Bayesian analysis for change point problems." Journal of the American Statistical Association, Vol. 88, No. 309-319, pp. 309-319. 

  4. Brooks, S. P., and Gelman, A. (1998). "General methods for monitoring convergence of iterative simulations." Journal of computational and graphical statistics, Vol. 7, No. 4, pp. 434-455. 

  5. Brooks, S. P., and Roberts, G. O. (1998). "Assessing convergence of Markov chain Monte Carlo algorithms." Statistics and Computing, Vol. 8, No. 4, pp. 319-335. 

  6. Carlin, B. P., Gelfand, A. E., and Smith, A. F. M. (1992). "Hierarchical Bayesian analysis of change point problems." Applied Statistics, Vol. 41, No. 2, pp. 389-405. 

  7. Cox, D. R., Isham, V. S., and Northrop, P. J. (2002). "Floods: some probabilistic and statistical approaches." Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, Vol. 360, pp. 1389-1408. 

  8. Elsner, J. B., Niu, X., and Jagger, T. H. (2004). "Detecting shifts in hurricane rates using a Markov chain Monte Carlo approach." Journal of Climate, Vol. 17, pp. 2652-2666. 

  9. Findley, D. F. (1991). "Counter examples to Parsimony and BIC." Annals of the Institute of Statistical Mathematics, Vol. 43, No. 3, pp. 505-514. 

  10. Gelfand, A. E., and Smith, A. F. (1990). "Sampling-based approaches to calculating marginal densities." Journal of the American statistical association, Vol. 85, No. 410, pp. 398-409. 

  11. Gelman, A., Carlin, J. B., Stern, H. S., and Rubin, D. B. (2003). "Bayesian data analysis." CRC press, United States of America. 

  12. Gelman, A., Carlin, J. B., Stern, H. S., and Rubin, D. B. (2004). "Bayesian data analysis (2nd ed.)." Boca Raton: Chapman and Hall/CRC. 

  13. Geman, S., and Geman, D. (1984). "Stochastic relaxation, Gibbs distributions, and the Bayesian restoration of images." IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 6, pp. 721-741. 

  14. Hastings, W. K. (1970). "Monte Carlo Sampling Methods using Markov Chains and their applications." Biometrika, Vol. 57, No. 1, pp. 97-109. 

  15. Hollander, M., and Wolfe, D. A. (1973). "Nonparametric Statistical Methods." John Wiley & Sons, Newyork, USA. 

  16. Hwang, S. H., Kim, J. H., Yoo, C. S., and Jung, S. W. (2010). "A probabilistic estimation of changing points of Seoul rainfall using BH Bayesian analysis." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 43, No. 7, pp. 645-655. 

  17. Jung, H.-S., Choi, Y. E., Oh, J.-H., and Lim, G.-H. (2002). "Recent trends in temperature and precipitation over South Korea." International Journal of Climatology, Vol. 22, pp. 1327-1337. 

  18. Kite, G. W. (1977). "Frequency and Risk Analysis in Hydrology." Water Resources Publication, Fort Collins, Colorado, USA. 

  19. Lee, K. M., Jang, H. S., Kim, Y.-H., and Lee, S. H. (2011). "Changepoint Analysis of Mean Temperature and Extreme Temperature in the Republic of Korea." Journal of Korean Geographical Society, Vol. 46, No. 5, pp. 583-596. 

  20. Kim, K. S., and Son, Y. S. (2004). "Bayesian Change Point Analysis for a Sequence of Normal Observations: Application to the Winter Average Temperature in Seoul." The Korean journal of applied statistics, Vol. 17, No. 2, pp. 281-301. 

  21. Kwon, H.-H, Casey, B., and Lall, U. (2008). "Climate Informed Flood Frequency Analysis and Prediction in Montana Using Hierarchical Bayesian Modeling." Geophysical Research Letters, Vol. 35, L05404. 

  22. Kwon, H.-H., Kim, J.-Y., Kim, O.-K., and Lee, J.-J. (2013). "A Development of Regional Frequency Model Based on Hierarchical Bayesian Model." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 46, No. 1, pp. 13-24. 

  23. Lee, J.-J., and Kwon, H.-H. (2011). "Analysis on Spatio-Temporal Pattern and Regionalization of Extreme Rainfall Data." Journal of Korean Society of Civil Engineers, Vol. 31, No. 1B, pp. 13-20. 

  24. Lee, J.-J., Kwon, H.-H., and Kim, T.-W. (2010). "Concept of Trend Analysis of Hydrologic Extreme variables and Nonstationary Frequency Analysis.", Journal of Korean Society of Civil Engineers, Vol. 30, No. 4B, pp. 389-397. 

  25. Lee, K. M., Kwon, W. T., and Lee, S. H. (2009). "A study on plant phenological trends in South Korea." Journal of the Korean Association of Regional Geographers, Vol. 15, No. 3, pp. 337-350. 

  26. Lee, S. H., Kim, S. U., Lee, Y. S., and Sung, J. H. (2014). "Intercomparison of Change Point Analysis Methods for Identification of Inhomogeneity in Rainfall Series and Applications." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 47, No. 8, pp. 671-684. 

  27. Lund, R., and Reeves, J. (2002). "Detection of undocumented change points: a revision of the two-phase regression model." Journal of Climate, Vol. 15, pp. 2547-2554. 

  28. Mann, H. B., and Whitney, D. R. (1947). "On a test of whether one of two ranmom variables is stochastically larger then the other." Ann Math Statist., Vol. 18, pp. 50-60. 

  29. Metropolis, N., Rosenbluth, A. W., Rosenbluth, M. N., Teller, A. H., and Teller, E. (1953). "Equations of state calculations by fast computing machines." Journal of Chemical Physics, Vol. 21, pp. 1087-1091. 

  30. NOAA Earth System Research Laboratory (http://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/composites/printpage.pl) 

  31. Olshen, A. B., Venkatraman, E. S., Lucito, R., and Wigler, M. (2004). "Circular binary segmentation for the analysis of array-based dna copy number data." Biostatistics, Vol. 5, No. 4, pp. 557-572. 

  32. Sen, A., and Srivastava, M. S. (1975). "On tests for detecting change in mean." The Annals of Statistics, Vol. 3, No. 1, pp. 98-108. 

  33. Solow, A. R. (1987). "Testing for climate change: An application of two-phase regression model." Journal of Applied Meteorology, Vol. 26, pp. 1401-1405. 

  34. Yun, S.-H., and Lee, J.-T. (2001). "Climate change impacts on optimum ripening periods of rice plant and its countermeasure in rice cultivation." Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, Vol. 3, No. 1, pp. 55-70. 

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