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풍수해 대응을 위한 Bootstrap방법과 SIR알고리즘 빈도해석 적용
Frequency Analysis Using Bootstrap Method and SIR Algorithm for Prevention of Natural Disasters 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.20 no.2, 2018년, pp.105 - 115  

김연수 ((주) LIG시스템 위험관리연구소) ,  김태균 (경남과학기술대학교 조경학과) ,  김형수 (인하대학교 사회인프라공학과) ,  노희성 (한국건설기술연구원 수자원.하천연구소) ,  장대원 ((주) LIG시스템 위험관리연구소)

초록
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수문기상자료의 빈도해석풍수해에 따른 대응 및 시설물의 설계기준에 있어 중요한 요소 중 하나이다. 일반적으로 수문기상자료에 대한 빈도해석의 경우 관측자료는 통계적으로 정상성을 가진다고 가정하고, 확률분포매개변수를 고려하는 매개변수적 방법을 적용하고 있다. 이러한, 매개변수적 빈도해석을 위해서는 신뢰성 있는 충분한 자료의 수집이 필요하지만, 강수량과 다르게 적설량의 경우 계절적 특성과 함께 최근에는 기후변화로 인한 적설량 관측일수 및 평균 최심신적설량이 감소하기 때문에 부족한 자료에 대한 문제점을 보완할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 매개변수 빈도해석 방법과 부족한 자료의 문제점을 보완할 수 있는 표본 재추출 기법인 Bootstrap방법SIR(Sampling Importance Resampling)알고리즘을 적용하여 적설량의 빈도해석을 실시하였다. 58개 기상관측소에 대해 재추출된 일 최대 최심신적설량 자료를 이용한 비매개변수적 빈도해석을 통해 확률적설량을 산정하고 이를 비교 분석하였다. 빈도별 확률적설량의 증감률을 검토한 결과 매개변수적 빈도해석과 비매개변수적 빈도해석에서 증감률을 나타내는 지점들이 대부분 일치하는 것으로 나타났다. 확률적설량은 관측 자료와 Bootstrap방법에서 -19.2%~3.9%, Bootstrap방법과 SIR알고리즘에서 -7.7%~137.8% 정도의 차이를 보였다. 표본 재추출 기법은 관측표본이 적은 적설량의 빈도해석 및 불확실성 범위의 제시가 가능함을 확인할 수 있었고, 이는 여름철 태풍과 같이 계절적 특성을 지닌 다른 자연재난의 해석에도 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The frequency analysis of hydrometeorological data is one of the most important factors in response to natural disaster damage, and design standards for a disaster prevention facilities. In case of frequency analysis of hydrometeorological data, it assumes that observation data have statistical stat...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 3333px;">*2,,x*n) 에 의한 추측통계량의 조건부확률분포가 적절한 조건하에서 유사할 것이라는 점이다. 따라서 관찰된 자료에 근거한 Bootstrap분포로서 표본분포를 추정하는 것이다. 실제계산에서는 Taylor 전개에 의한 선형 근사방법이 있으나, Monte Carlo 근사방법이 일반적으로 받아들여지고 있다(Jhun, 1990).
  • 매개변수적 빈도해석을 위해서는 신뢰성 있는 충분한 자료의 수집이 필요하지만, 적설량의 경우 계절적 특성과 함께 최근에는 기후변화로 인한 적설량 관측일수 및 평균 최심신적설량 또한 감소하기에 부족한 자료에 대한 문제점을 보완할 필요가 있다. 또한, 기후변화에 따른 이상치에 해당하는 최심신적설량이 관측되고 있기에 이러한 경향성을 반영하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 Bootstrap방법과 SIR알고리즘을 이용하여 확률적설량을 산정하는 방안을 제시하고자 한다. Bootstrap방법과 함께 SIR알고리즘을 적용할 경우에 우도함수를 사용하게 되는데 이러한 우도함수를 사용할 경우, 최근에 발생하고 있는 이상치를 반영할 수 있어 적설량 변화양상을 고려하면서 빈도해석에 필요한 충분한 자료를 생성할 수 있다는 장점이 있다.
  • 최근 기상이변에 따른 임계치를 넘어서는 최심신적설량이 발생하고 있기 때문에 우도함수를 극한사상으로 고려하여 적설량 발생 특성을 반영하고자 하였다. 우도함수 선정시 연 최대 최심신적설량 중 상위 10% 값을 이용했으나, 극한사상의 범위에 따라 결과가 달라지기 때문에 추후 적정범위 선정에 관한 연구가 보완된다면 산정된 확률적설량의 불확실성을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시설물의 설계기준에 있어 중요한 요소 중 하나는 무엇인가? 수문기상자료의 빈도해석은 풍수해에 따른 대응 및 시설물의 설계기준에 있어 중요한 요소 중 하나이다. 일반적으로 수문기상자료에 대한 빈도해석의 경우 관측자료는 통계적으로 정상성을 가진다고 가정하고, 확률분포의 매개변수를 고려하는 매개변수적 방법을 적용하고 있다.
겨울철 강수량의 변화가 생기는 이유는? 과거 우리나라의 연 강수량은 계절적으로 하절기인 7∼8월에, 공간적으로 태백산맥 주변지역에 집중호우의 강도 증가가 뚜렷하게 나타났다. 반면, 겨울철 강수량의 변화는 뚜렷하지 않으나 온난화에 의해서 강설에서 강우로 나타나는 비율이 점차 높아지고 있는 것으로 나타났다(KMA, http://www.kma.
빈도별 확률적설량의 증감률을 검토한 결과는 어떠한가? 빈도별 확률적설량의 증감률을 검토한 결과 매개변수적 빈도해석과 비매개변수적 빈도해석에서 증감률을 나타내는 지점들이 대부분 일치하는 것으로 나타났다. 확률적설량은 관측 자료와 Bootstrap방법에서 -19.2%~3.9%, Bootstrap방법과 SIR알고리즘에서 -7.7%~137.8% 정도의 차이를 보였다. 표본 재추출 기법은 관측표본이 적은 적설량의 빈도해석 및 불확실성 범위의 제시가 가능함을 확인할 수 있었고, 이는 여름철 태풍과 같이 계절적 특성을 지닌 다른 자연재난의 해석에도 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
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참고문헌 (14)

  1. Beersma, J.J. and Buishand, T.A. (2007) Drought in the Netherlands - Regional frequency analysis versus time series simulation, J. of Hydrology, 347(3-4), pp.332-346. [DOI https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2007.09.042] 

  2. Eform, B. (1979) Bootstrap Methods: Another Look at the Jack-nife, The annual of statistics, Institute of Mathmatical Statistics, 7(1), pp.1-26 

  3. Jhun, MS (1990) A Computer Intensive Method for Modern Statistical Data Analysis I ; Bootstrap Method and Its Applications, The Korean J. of applied statistics, 3(1), pp.121-141. 

  4. Jhun, MS (1996) Practical application of bootstrap method-Focusing on analysis of contingency table based on cluster sampling method, Communications of the Korean Statistical Society, 3(1), pp.179-188. 

  5. Kang, SH and Park, TS (1996) Analysis and Applications of Monte Carlo Bayesian, Communications of the Korean Statistical Society, 3(1), pp.169-177. 

  6. Kim, KD and Heo, JH (2004). Review on the Application of Regional Frequency Analysis According to the Sample Size of Hydrologic Data, Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference in 2004, pp.27. 

  7. Kim, YS, Kim, SJ, Kang, NR, Kim, TG and Kim, HS (2014) Estimation of Frequency Based Snowfall Depth Considering Climate Change Using Neural Network, J. of the Korean Society of Hazard Mitigation, 14(1), pp.93-107. [DOI http://dx.doi.org/ 10.9798/KOSHAM.2014.14.1.93] 

  8. Lee, KH, Lee, JK, Kim, SJ and Kim, HS (2011) Uncertainty Analysis of Flood Damage Estimation Using Bootstrap Method and SIR Algorithm, J. of wetlands research, 13(1), pp.53-66. 

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  10. Li, K.-H. (2007) Pool size selection for the sampling/ importance resampling algorithm, Statistica Sinica, 17(3), pp.895-907. 

  11. Moon, KH, Kyoung, MS, Kim, DK, Kwak, JW and Kim, HS (2008) Flood Frequency Analysis using SIR Algorithm, J. of wetlands research, 10(3), pp.125-132. 

  12. Moon, KH, Kyoung, MS and Kim, HS (2010), Rainfall Frequency Analysis Using SIR Algorithm and Bootstrap Methods, J. of the Korean Society of Civil Engineers, 30(4B), pp.367-377. 

  13. Rubin D.B. (1987) A Noniterative sampling/importance resampling alternative to the data augementation algorithm for creating a few imputation are modest: The SIR algorithm, J. of the american statistical addiciation, 82, pp.543-546 

  14. Zhao, B., Tung, Y.K., Yeh, K.C. and Yang, J.C. (1997) Storm resampling for uncertainty analysis of a multiple-storm unit hydrograph, J. of Hydrology, 194(1-4), pp.366-384. 

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