[논문]PRISM과 개선된 상세 지형정보를 이용한 월별 북한지역 강수량 분포 추정

김대준; 김진희

doi:10.5532/kjafm.2019.21.4.366

PRISM과 개선된 상세 지형정보를 이용한 월별 북한지역 강수량 분포 추정
Estimating the Monthly Precipitation Distribution of North Korea Using the PRISM Model and Enhanced Detailed Terrain Information 원문보기

한국농림기상학회지 = Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology, v.21 no.4, 2019년, pp.366 - 372

초록
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북한 지역은 남한에 비해 기상관측 지점이 매우 적기 때문에 남한에서 강수 추정에 주로 이용되는 PRISM 모형을 그대로 적용하여 강수분포를 추정하기는 어렵다. 이처럼 자료가 불충분한 지역의 강수분포를 추정하기 위하여, 저해상도 PRISM 모형 구동 결과에 강수-지형 관계에 근거한 보정 값을 적용해 강수 분포를 추정할 수 있는 하이브리드 방식이 개발되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존 북한지역의 고해상도 강수 분포도 추정 방식을 개선된 방법에 따라 1981-2010년 평년 기간의 적산 강수량 분포도를 제작하고자 하였다. 우선, 남한지역의 270m 해상도 DEM과 종관관측지점의 고도값으로부터 IDW한 가상지형간의 편차(고도편차)를 계산하였다. PRISM 모형을 이용하여 종관관측지점의 강수량을 기반으로 2,430m의 저해상도 가상강수 분포도를 제작한 후, 종관 및 방재 기상 관측지점의 강수자료를 이용해 270m의 고해상도 강수분포도를 제작하여 둘 간의 편차(강수편차)를 계산하였다. 남한지역의 고도편차와 강수편차를 이용하여 4방위 경사향에 따른 월별 강수-지형 관계 회귀식을 도출하였고, 최종적으로 북한지역의 27개 기상 관측지점으로부터 PRISM 모형을 구동하여 만든 2,430m의 저해상도 강수분포도에 강수-지형간 회귀식을 반영하여 해상도가 향상된 강수분포도를 산출하였다. 새롭게 제작된 북한지역의 강수분포는 기존 강수분포도와 비교했을 때 지형의 영향이 더욱 잘 반영된 효과를 확인할 수 있었다. 강수분포도에 따르면, 연평균 적산강수량은 1,159mm이며, 표준편차는 253mm로 추정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The PRISM model has been used to estimate precipitation in South Korea where observation data are readily available at a large number of weather station. However, it is likely that the PRISM model would result in relatively low reliability of precipitation estimates in North Korea where weather data are available at a relatively small number of weather stations. Alternatively, a hybrid method has been developed to estimate the precipitation distribution in area where availability of climate data is relatively low. In the hybrid method, Regression coefficients between the precipitation-terrain relationships are applied to a low-resolution precipitation map produced using the PRISM. In the present study, a hybrid approach was applied to North Korea for estimation of precipitation distribution at a high spatial resolution. At first, the precipitation distribution map was produced at a low-resolution (2,430m) using the PRISM model. Secondly, a deviation map was prepared calculating difference between altitudes of synoptic stations and virtual terrains produced using 270m-resolution digital elevation map (DEM). Lastly, another deviation map of precipitation was obtained from the maps of virtual precipitation produced using observation data from the synoptic weather stations and both synoptic and automated weather station (AWS), respectively. The regression equation between precipitation and terrain was determined using these deviation maps. The high resolution map of precipitation distribution was obtained applying the regression equation to the low-resolution map. It was found that the hybrid approach resulted in better representation of the effects of the terrain. The precipitation distribution map for the hybrid approach had similar spatial pattern to that for the existing method. It was estimated that the mean annual cumulative precipitation of entire territory of North Korea was 1,195mm with a standard deviation of 253mm.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Distribution of precipitation observation points in North and South Korea (Adapted Kim and Yun (2011)).
그림 Fig. 2. Comparison of normal year (August) precipitation distribution in South Korea.
표 Table 1. Monthly regression coefficients of elevation-precipitation models derived from 30 years' South Korea data for the four downscaled aspects
그림 Fig. 3. Comparison of normal year (May) precipitation distribution in North Korea.
그림 Fig. 4. Map of annual normal year (1981-2010) precipitation in North Korea estimated by the PRISM based hybrid method.
표 Table 2. Mean and standard deviation of the model estimated precipitation in North Korea

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위해, 경사향의 해상도를 강수분포의 해상도 수준으로 높여, 지형-강수 관계를 새롭게 도출하고자 하였다. 또한 1981년부터 2010년까지의 평년 적산 강수량을 이용하여, 북한 지역의 강수분포도를 새롭게 제작하고자 하였다.
이처럼 자료가 불충분한 지역의 강수분포를 추정하기 위하여, 저해상도 PRISM 모형 구동 결과에 강수-지형 관계에 근거한 보정 값을 적용해 강수 분포를 추정할 수 있는 하이브리드 방식이 개발되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존 북한지역의 고해 상도 강수 분포도 추정 방식을 개선된 방법에 따라 1981-2010년 평년 기간의 적산 강수량 분포도를 제작하고자 하였다. 우선, 남한지역의 270m 해상도 DEM과 종관관측지점의 고도값으로부터 IDW한 가상지형 간의 편차(고도편차)를 계산하였다.
본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위해, 경사향의 해상도를 강수분포의 해상도 수준으로 높여, 지형-강수 관계를 새롭게 도출하고자 하였다. 또한 1981년부터 2010년까지의 평년 적산 강수량을 이용하여, 북한 지역의 강수분포도를 새롭게 제작하고자 하였다.

제안 방법

PRISM 모형을 구동하여 2,430m 격자해상도의 강수기후도를 남한의 일부 지역에 대하여 제작하고, 여기에 관측자료를 이용한 회귀모형 기반의 보정 값을 적용하여 270m 해상도의 상세 강수기후도를 제작하였다. 이렇게 제작된 하이브리드 방식의 강수분포도 (Fig.
우선, 남한지역의 270m 해상도 DEM과 종관관측지점의 고도값으로부터 IDW한 가상지형 간의 편차(고도편차)를 계산하였다. PRISM 모형을 이용하여 종관관측지점의 강수량을 기반으로 2,430m의 저해상도 가상강수 분포도를 제작한 후, 종관 및 방재 기상 관측지점의 강수자료를 이용해 270m의 고해상도 강수분포도를 제작하여 둘 간의 편차(강수편차)를 계산하였다. 남한지역의 고도편차와 강수편차를 이용하여 4방위 경사향에 따른 월별 강수-지형 관계 회귀식을 도출하였고, 최종적으로 북한지역의 27개 기상 관측지점으로부터 PRISM 모형을 구동하여 만든 2,430m의 저해상도 강수분포도에 강수-지형간 회귀 식을 반영하여 해상도가 향상된 강수분포도를 산출하였다.
PRISM 모형을 이용하여 종관관측지점의 강수량을 기반으로 2,430m의 저해상도 가상강수 분포도를 제작한 후, 종관 및 방재 기상 관측지점의 강수자료를 이용해 270m의 고해상도 강수분포도를 제작하여 둘 간의 편차(강수편차)를 계산하였다. 남한지역의 고도편차와 강수편차를 이용하여 4방위 경사향에 따른 월별 강수-지형 관계 회귀식을 도출하였고, 최종적으로 북한지역의 27개 기상 관측지점으로부터 PRISM 모형을 구동하여 만든 2,430m의 저해상도 강수분포도에 강수-지형간 회귀 식을 반영하여 해상도가 향상된 강수분포도를 산출하였다. 새롭게 제작된 북한지역의 강수분포는 기존 강수분포도와 비교했을 때 지형의 영향이 더욱 잘 반영된 효과를 확인할 수 있었다.
다음으로 종관관측소 78개 지점에서 수집된 강수량으로부터 PRISM 모형을 이용하여 2,430m 해상도의 가상강수를 제작하고, 방재 및 종관관측지점 위치에 해당하는 평년의 월 적산강수량 관측값으로부터 PRISM 모형을 구동했을 때 만들어진 270m 해상도의 강수분포도를 실제 강수값이라고 가정하여, 둘 간의 편차를 나타내는 “강수편차” 분포도를 함께 준비하였다.
선행 연구에서는 북한의 27개 지점 자료를 기반으로 PRISM 모형을 이용하여 강수 기후도를 제작할 때 적정 해상도를 2,430m로 설정하고 있으며, 국지규모 수준으로 상세화 할 수 있도록 남한지역의 풍부한 관측자료를 바탕으로 도출한 지형-강수 간의 보정 회귀식을 적용하고 있다. 본 연구에서도 동일한 방식으로 2,430m의 저해상도 강수기후도를 PRISM 모형을 통해 제작한 뒤, 방위별 지형-강수 간의 회귀식을 이용하여 270m 크기의 격자형 분포도로 해상도를 개선하였다.
북한 지역에 대하여 270m 해상도의 DEM과 27개의 북한 관측 지점에 해당하는 고도 값을 추출하여 IDW 한 가상지형 간의 고도편차를 구하고, 남한지역에서 얻은 월별 고도-강수량 회귀식을 적용하였다. 이 과정을 통하여 북한 지역 270m 해상도의 경사향 별 고도편차에 따른 강수량 보정 값이 계산된다.
북한 지역에 대하여 보정 값을 적용하기 위하여 4개의 경사향별로 남한 전역의 방재기상자료 및 종관기상 자료를 이용하여 고도편차-강수편차 회귀모형을 도출 하였다(Table 1). 회귀 값의 기울기는 경사방향 및 월별로 차이가 있으며, 다른 계절에 비해 여름철에 큰 기울기를 나타내었다.
본 연구에서는 기존 북한지역의 고해 상도 강수 분포도 추정 방식을 개선된 방법에 따라 1981-2010년 평년 기간의 적산 강수량 분포도를 제작하고자 하였다. 우선, 남한지역의 270m 해상도 DEM과 종관관측지점의 고도값으로부터 IDW한 가상지형 간의 편차(고도편차)를 계산하였다. PRISM 모형을 이용하여 종관관측지점의 강수량을 기반으로 2,430m의 저해상도 가상강수 분포도를 제작한 후, 종관 및 방재 기상 관측지점의 강수자료를 이용해 270m의 고해상도 강수분포도를 제작하여 둘 간의 편차(강수편차)를 계산하였다.
이 두 종류의 편차(고도편차, 강수편차)를 각각 ‘독립변수’와 ‘종속변수’로 두고 회귀식을 제작하는데, 각격자점을 4방위의 경사향에 따라 분류하고, 각 경사향에 따라 월별 회귀식을 도출하였다.
PRISM 모형을 구동하여 2,430m 격자해상도의 강수기후도를 남한의 일부 지역에 대하여 제작하고, 여기에 관측자료를 이용한 회귀모형 기반의 보정 값을 적용하여 270m 해상도의 상세 강수기후도를 제작하였다. 이렇게 제작된 하이브리드 방식의 강수분포도 (Fig. 2; B)를 기존의 고해상도 상세기후도 제작 방식인 종관 및 방재 기상자료 모두를 이용하여 제작한 270m 격자해상도의 강수기후도(Fig. 2; A)와 비교해 보았다. 기상관측 값이 충분한 상태로 제작된 강수분포도에 비해서 격자 간 경계선이 다소 어색한 부분이 있으나, 지형 조건에 따라 강수의 강약 분포는 대체로 유사함을 확인할 수 있었다.
회귀식 도출을 위해 우선 남한의 78개 종관관측지점에 해당하는 고도값을 DEM에서 추출하여 이를 IDW (Inverse Distance Weight; 거리역산가중치) 방식으로 공간내삽한 가상지형을 만든 후, 실제 고도값을 나타내는 같은 격자 크기의 DEM으로부터 두 레이어 간의 편차를 계산하여 “고도편차” 분포도를 제작하였다.

대상 데이터

이 때 고도편차가 너무 적거나(100m미만), 너무 큰(400m 이상) 경우 일관된 경향성이 없어 분석에서 제외(Kim and Yun, 2011)하였다. Kim and Yun(2011)은 당시 기술적인 문제로 인해 경사향의 해상도를 31km로 확대한 다음 경사향을 4방위에 따라 나누었으나, 본 연구에서는 DEM과 같은 해상도인 270m 격자 해상도의 경사향 자료를 이용하였다.
제공되는 관측기상요소로는 일자료 기준으로 기온(최저기온 등), 습도(평균습도 등), 기압(평균 해면기압 등), 강수, 바람(평균풍속), 구름(중하층 운량 등) 등 총 11종이다. 본 연구에서는 현재 평년 기간에 해당되는 1981-2010년 기간의 일적산 강수량 자료를 수집하였다.
1). 제공되는 관측기상요소로는 일자료 기준으로 기온(최저기온 등), 습도(평균습도 등), 기압(평균 해면기압 등), 강수, 바람(평균풍속), 구름(중하층 운량 등) 등 총 11종이다. 본 연구에서는 현재 평년 기간에 해당되는 1981-2010년 기간의 일적산 강수량 자료를 수집하였다.
한편 이와 관계된 남한지역의 기상자료는 기상청에서 제공하는 평년기간동안 신규 설치, 장소이전 및 철수된 지점 등을 제외하고 온전히 자료가 존재하는 종관기상관측지점 78개 지점과 방재기상관측지점 468개 지점의 월별 적산 강수량 자료를 수집하였다. 종관관측지점의 경우 1981-2010년 기간, 방재기상관측 자료의 경우 2001-2010년 자료를 수집하였으며, 30년 단위의 평균 월 적산 강수량 값을 계산하였다.

이론/모형

Comparison of normal year (August) precipitation distribution in South Korea. Precipitation distributions made using PRISM model (A) and using hybrid method (B).
북한 지역의 강수기후도 제작은 Kim and Yun(2011)에서 제시한 방법을 따랐다. 선행 연구에서는 북한의 27개 지점 자료를 기반으로 PRISM 모형을 이용하여 강수 기후도를 제작할 때 적정 해상도를 2,430m로 설정하고 있으며, 국지규모 수준으로 상세화 할 수 있도록 남한지역의 풍부한 관측자료를 바탕으로 도출한 지형-강수 간의 보정 회귀식을 적용하고 있다.

성능/효과

2; A)와 비교해 보았다. 기상관측 값이 충분한 상태로 제작된 강수분포도에 비해서 격자 간 경계선이 다소 어색한 부분이 있으나, 지형 조건에 따라 강수의 강약 분포는 대체로 유사함을 확인할 수 있었다.
이 과정을 통하여 북한 지역 270m 해상도의 경사향 별 고도편차에 따른 강수량 보정 값이 계산된다. 마지막으로 북한 지역에 대하여 PRISM 모형을 이용하여 제작된 2,430m 해상도의 북한 강수기후도에 보정 값을 적용하여, 동일 격자 내 270m 해상도의 아격자 단위 최종 강수량 분포를 얻었다.
남한지역의 고도편차와 강수편차를 이용하여 4방위 경사향에 따른 월별 강수-지형 관계 회귀식을 도출하였고, 최종적으로 북한지역의 27개 기상 관측지점으로부터 PRISM 모형을 구동하여 만든 2,430m의 저해상도 강수분포도에 강수-지형간 회귀 식을 반영하여 해상도가 향상된 강수분포도를 산출하였다. 새롭게 제작된 북한지역의 강수분포는 기존 강수분포도와 비교했을 때 지형의 영향이 더욱 잘 반영된 효과를 확인할 수 있었다. 강수분포도에 따르면, 연평균 적산강수량은 1,159mm이며, 표준편차는 253mm로 추정되었다.
남한에서 현재 제작중인 강수기후도 270m와 동일한 해상도로 지형의 영향이 반영된 것을 확인할 수 있다. 한편, 기존의 하이브리드 방식의 강수분포도의 경우 31km 해상도의 경사향을 이용하였을 때, 구역 간의 이질감이 큰 반면에 270m 해상도의 경사향을 적용한 새로운 강수분포도의 경우 이러한 문제가 해소되었음을 확인 할 수 있었다(Fig. 3).
1971-2000 평년 기준(Kim and Yun, 2011)으로 1,500mm이상인 지역이 2%가량 감소하였으며, 1,500의 다우 지역은 3% 이상 감소하였다. 행정구역별로 강원도 금강군이 평균 1,686mm 로 가장 많은 비가 내린 것으로 추정되었으며, 함경북도 새별군과 온성군이 각각 718mm 로 가장 적은 비가 내린 것으로 추정되었다 (Table 2).
북한 지역에 대하여 보정 값을 적용하기 위하여 4개의 경사향별로 남한 전역의 방재기상자료 및 종관기상 자료를 이용하여 고도편차-강수편차 회귀모형을 도출 하였다(Table 1). 회귀 값의 기울기는 경사방향 및 월별로 차이가 있으며, 다른 계절에 비해 여름철에 큰 기울기를 나타내었다. 회귀 모형에 따르면, 8월 북향 경사면에서는 100m의 고도 상승 마다 8mm의 월 적산 강수량이 증가할 수 있음을 추정할 수 있다.

후속연구

본 연구에서 사용한 북한지역의 강수 분포 추정 방식은 Kim and Yun(2011)에서도 지적했듯이 실측 자료 등을 통한 검증이 충분하지 못하다는 한계가 존재한다. 하지만, 한정된 자료를 바탕으로 상세화된 강수량의 지역적인 분포를 추정할 수 있는 하나의 방법으로 의미가 있다.
하지만, 한정된 자료를 바탕으로 상세화된 강수량의 지역적인 분포를 추정할 수 있는 하나의 방법으로 의미가 있다. 앞으로 북한과의 다양한 교류를 통해 많은 지역에 강수관측망을 확충하고, 충분한 자료수집 및 검증을 진행한다면 신뢰도 향상과 더불어 다양한 추가 연구를 기대할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지점 관측 자료를 바탕으로 면적 강수량을 추정하기 위해 과거에 활용되었던 방법으로는 대표적으로 무엇이 있는가?	, 2009). 지점 관측 자료를 바탕으로 면적 강수량(지역분포)을 추정하기 위한 다양한 방법이 개발되어 왔으며, 과거에 활용되었던 방법으로는 작도법, 지형통계법, 공간내삽법, 수치모의법 등이 대표적이다(Thiessen, 1911; Phillips et al., 1992; Seino, 1993; Nalder and Wein, 1998).
	최근 면적 강수 추정에 가장 널리 이용되는 방법은 무엇인가?	, 1992; Seino, 1993; Nalder and Wein, 1998). 최근 들어 면적 강수 추정에 가장 널리 이용되는 방법은 DEM(Digital Elevation Model)과 강수추정모형을 결합한 PRISM (Parameter-elevation Regressions on Independent Slopes Model)모형을 이용하는 방식이다(Daly et al., 1994).
	강수추정모형을 결합한 PRISM모형은 어떤 방법인가?	, 1994). PRISM모형은 산악강수모형으로 해발고도가 강수량에 미치는 영향을 회귀식으로 표현하며, 산악의 경사방향, 관측지점과의 거리, 해발고도 등에 의해 회귀계수를 격자마다 다르게 추정토록 설계되어 있다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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