[논문]농업가뭄의 수문기상학적 특성 및 공간적 분포에 관한 연구

장중석

doi:10.5389/ksae.2019.61.2.105

[국내논문] 농업가뭄의 수문기상학적 특성 및 공간적 분포에 관한 연구
Hydrometeorological Characteristics and The Spatial Distribution of Agricultural Droughts 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.61 no.2, 2019년, pp.105 - 115

장중석 (Rural Research Institute, Korea Rural Community Corporation)

Abstract ▼ AI-Helper

For 159 administrative areas, SPI(Standardized Precipitation Index), ARDI(Agricultural Reservoir Drought Index) and ARDIs(Agricultural Reservoir Drought Index Simulated) were developed and applied to analyze the characteristics of agricultural drought index and agricultural droughts. In order to identify hydrometeorological characteristics of agricultural droughts, SPI, ARDI and ARDIs were calculated nationwide, and the applicability was compared and examined. SPI and ARDI showed significant differences in time and depth of drought in both spatial and temporal. ARDI and ARDIs showed similar tendency of change, and ARDIs were considered to be more representative of agricultural drought characteristics. The results of this study suggest that agricultural drought is a problem to be solved in the medium and long term rather than short term due to various forms of development, complexity of development, and difficulty in forecasting. Therefore, it is concluded that a preliminary and systematic approach is needed in consideration of meteorological, hydrological and hydrometeorological characteristics rather than a fragmentary approach, and that an agricultural drought index is needed to quantitatively evaluate agricultural drought.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1 Average annual precipitation and measured storage rate by region(Drought year)
표 Table 2 Ratio of Precipitation and Storage Rate to the normal year(Drought year)
표 Table 3 Monthly average precipitation and storage rate(Drought year)
표 Table 4 Normal annual precipitation and water storage rate overload(Drought year)
그림 Fig. 1 Percentage compared with normal year
그림 Fig. 2 Annual average precipitation(in order 2007, 2008, 2015, 2016)
그림 Fig. 3 Drought-affected areas(2015)
그림 Fig. 4 Drought-affected areas(2016)
그림 Fig. 5 SPI6, ARDI6, ARDIs6 comparison
그림 Fig. 6 Cluster analysis results
그림 Fig. 7 Temporal and spatial changes of drought index(2015)
표 Table 5 The number of incidences below the severity of drought index

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전국단위의 방대한 분량의 기상자료 및 저수율 등 수문기상학적 자료를 토대로 기상학적, 수문학적, 수문기상학적 가뭄지수 산정 방법론을 정립하고, 강수량 기준의 농업가뭄 분석 및 평가를 위해서 전국적으로 표준강수지수(Standardized Precipitation Index, SPI) 산정, 저수지 저수율 기준 농업가뭄 분석 및 평가를 위해서 실측저수율 자료를 토대로 저수지가뭄지수(Agricultural Reservoir Drought Index, ARDI), 농업용수 공급을 고려한 물수지 분석을 통해서 모의저수지가뭄지수(Agricultural Reservoir Drought Index Simulated, ARDIs)를 산정하여 수문학적 농업가뭄의 특성과시ㆍ공간적인 분포특성을 규명하고자 한다.

가설 설정

즉, 장기간의 저수율 자료가 Gamma 확률밀도함수의 누가 확률분포함수를 나타낸다고 가정하고 실측 저수율의 누가확률을 계산한 후, 실측 저수율의 누가확률을 정규분포함수를 이용하여 해당 확률을 계산하고 이를 표준 정규분포화 함으로서 저수지가뭄지수(ARDI)를 산정한 것이다.

제안 방법

농업가뭄의 강수량 기준, 실측 저수율 기준, 모의 저수율 기준 농업가뭄 분석 및 평가를 위하여 60개 기상관측소의 강수량 자료와 1,063개소의 저수지에 대한 저수율자료를 수집 하고 분석하였으며, 전국의 표준강수지수(SPI), 저수지가뭄지수(ARDI)와 모의저수지가뭄지수(ARDIs)를 산정하여 비교ㆍ 분석하고 그 특성을 파악함으로서 정량적이고 동일한 기준으로 기상학적, 수문학적, 수문기상학적 측면에서 농업가뭄의 특성 및 시ㆍ공간적인 분포특성을 파악할 수 있었다.
농업가뭄의 기상학적 특성을 파악하기 위하여 60개소의 기상관측소에 대하여 44개년간(1973∼2016)의 강수자료를 수집하여 기상학적 가뭄특성을 분석하였고, 159개 행정구역 단위로 표준강수지수(SPI)를 산정하여 그림으로 나타냄으로서 기상학적인 측면에서 농업가뭄의 시ㆍ공간적인 분포 특성을 파악하였다. 표준강수지수(SPI)는 Colorado Climate Center의 SPI 산정 프로그램을 이용하여 산정하였다.
농업가뭄의 기상학적, 수문학적 시ㆍ공간분포 특성을 파악하기 위하여 전국 159개소 행정구역단위로 3개월, 6개월, 9개월, 12개월 지속시간의 월강수량에 대한 표준강수지수(SPI)를 산정하였다.
또한, 표준강수지수(SPI), 저수지 가뭄지수(ARDI), 모의저 수지 가뭄지수(ARDIs) 등 가뭄지수는 지속시간 3개월, 6개월, 9개월 및 12개월에 대하여 산정하여 어떤 지속시간의 가뭄지 수가 가뭄의 특성을 가장 잘 나타내는지 검토하였다.
본 연구에서는 Yevjevich (1967)에 의해 제안된 연속이론 (Run Theory)과 Mckee et al. (1993)의 제안에 의한 절단수준 (SPI = -1.0, -2.0, -3.0)에 의해 가뭄사상을 정의하고, 가뭄지수의 발생도수를 분석함으로서 가뭄의 지속기간 및 가뭄심도 등 가뭄특성을 파악 하도록 하였다.
본 연구에서는 전국 1,063개소의 20개년간(1997∼2016)의 일별 저수율 실측자료를 수집하여, 159개 행정구역별로 저수지 가뭄지수(ARDI)를 산정하였으며, 저수지별 물수지 분석을 실시하여 일별 모의저수율 자료를 산정하고, 모의저수지가뭄 지수(ARDIs)를 산정하여 비교ㆍ검토하였다.
본 연구에서는 전국적인 가뭄의 심도, 지속기간 및 공간적인 분포를 분석하기 위하여 기상학적, 수문기상학적 농업가 뭄지수를 정의하여 산정하고 군집분석을 실시하였으며, 연속 이론(Run Theory)을 이용, 가뭄의 심도 및 특성을 파악하도록 하였다.

대상 데이터

분석대상 저수지는 한국농어촌공사에서 농업기반시설관리시스템(Rural Infrastructure Management System, RIMS)을 통해 관리하고 있는 전국 3,394개(2017년 기준) 저수지 가운데 20개년 이상(1997∼2016년)의 저수율 관측 자료를 보유하고 있고, 주수원공이면서 총저수량이 10만㎥ 이상이며, 유역 면적이 2,500ha 이하인 저수지 중에서 선정하였으며 양수저수지는 제외하였다.
, 2007). 분석대상 저수지의 물수지 분석에 필요한 유역면적, 관개면적, 유효저수량 등 물수지 기초자료는 농업생산기반정비사업 통계연보 및 농업기반시설관리시스템(RIMS)의 자료를 적용하였다.
이중 최근에 관측을 개시했거나 자료연수가 짧은 기상관측소를 제외 하고 60개소의 일별 기상자료를 수집하여 분석하였다. 수집된 강수자료는 표준강수지수 산정 및 가뭄특성 분석에, 기온, 일사량 등 일반 기상요소는 저수지 물수지 분석 등에 활용하였다.
현재 기상청에서 기상자료를 관측하고 연보를 통해 기상자 료를 제공하고 있는 지상 기상관측소는 80개소이다. 이중 최근에 관측을 개시했거나 자료연수가 짧은 기상관측소를 제외 하고 60개소의 일별 기상자료를 수집하여 분석하였다. 수집된 강수자료는 표준강수지수 산정 및 가뭄특성 분석에, 기온, 일사량 등 일반 기상요소는 저수지 물수지 분석 등에 활용하였다.
전국적인 가뭄의 발생여부, 가뭄의 심도, 가뭄의 지속기간 및 공간적인 분포를 분석하기 위하여 전국 60여개 관측소의 기상자료, 1,063개소 저수지에 대한 일단위 저수율 관측자료를 수집하였으며, 1,063개 저수지 물수지 분석을 수행하였다.
행정구역별 저수율은 저수지 위치를 기준으로 저수지가 위치한 행정구역 내 각 저수지의 저수율에 유효저수량을 가중인자로 하여 가중평균하여 산정하였으며, 저수율에 의한 농업가뭄의 전국적 분포를 파악하기 위한 행정구역 구분은 도서지역을 제외하고 159개 행정구역을 대상으로 하였다.

데이터처리

농업가뭄의 기상학적 특성을 파악하기 위하여 60개소의 기상관측소에 대하여 44개년간(1973∼2016)의 강수자료를 수집하여 기상학적 가뭄특성을 분석하였고, 159개 행정구역 단위로 표준강수지수(SPI)를 산정하여 그림으로 나타냄으로서 기상학적인 측면에서 농업가뭄의 시ㆍ공간적인 분포 특성을 파악하였다. 표준강수지수(SPI)는 Colorado Climate Center의 SPI 산정 프로그램을 이용하여 산정하였다.

이론/모형

저수지에 대한 모의 저수율은 저수지 물수지 분석을 실시 하여 저수위를 산정하고, 저수용량을 고려하여 저수율로 환산함으로서 구할 수 있다. 본 연구에서는 분석대상인 저수지가 1,063개에 달하여 1개씩 물수지 분석을 수행하는 수리시설물 모의조작시스템(Hydrological Operation Model for Water Resource System, HOMWRS)과 같은 시스템으로 산정하는 것은 불가능하므로, 국가수자원장기종합계획의 농촌용수 수요량 산정 시 적용 된 바 있고, 많은 수의 저수지를 연속적으로 물수지 분석할 수 있는 농촌용수 수요ㆍ공급량 산정시스템(Agricultural Water Demand & Supply Estimation System, AWDS)을 활용하였다(Jang et al., 2007). 분석대상 저수지의 물수지 분석에 필요한 유역면적, 관개면적, 유효저수량 등 물수지 기초자료는 농업생산기반정비사업 통계연보 및 농업기반시설관리시스템(RIMS)의 자료를 적용하였다.
본 연구에서는 전국적인 행정구역을 대상으로 가뭄발생의 공간적 범위를 구분하고 평가할 목적으로 군집분석을 수행할 예정이므로 극단치의 영향이 적은 비계층적 군집분석 방법중 하나인 K-Means 기법을 이용하여 군집분석을 실시하였다.

성능/효과

(1) 최근 가뭄년의 강수량과 실측 저수율 및 모의 저수율 자료를 수집ㆍ분석하여 농업가뭄의 특성을 비교ㆍ검토한 결과 지역별, 시기별로 강수부족과 저수율 부족이 상당한 시간적 차이를 두고 나타났고, 강수부족 지역이 가뭄 피해지역과 반드시 일치하지 않는 것으로 나타나 농업가뭄의 다양성을 확인할 수 있었고, 농업가뭄을 이해하고 정확한 대응방안을 수립하기 위해서는 기상수문학적으로 다양한 분석과 접근방식이 필요한 것으로 판단되었다.
(2) 농업가뭄의 수문기상학적 특성을 파악하기 위하여 SPI와 ARDI, ARDIs를 전국적으로 산정하고, 적용성을 비교ㆍ검토한 결과 모든 가뭄지수가 농업가뭄의 특성을 잘 표현하는 것으로 나타났으며, ARDI는 가뭄단계를 나타낼 수 있는 가뭄분류 기준이 정립된다면 전국적인 가뭄지표로 적용 가능한 것으로 판단되었으며, ARDIs 는 저수율 미계측 지역의 농업가뭄 지표로 활용 가능할 것으로 판단되었다.
(3) SPI, ARDI, ARDIs에 대하여 K-Means 방법에 의하여 군집분석을 실시한 결과 농업가뭄의 지역적 동질성을 어느 정도 확인 할 수 있었으며, 수문기상학적 동일 군집별로 농업용수 관리 및 가뭄대책 수립 등을 추진할 수 있을 것으로 판단되었다.
(4) 연속이론 및 SPI 가뭄분류 기준에 의거 가뭄지수별 절단수준(–1.0, -2.0, -3.0)을 설정하고, 절단수준 이하로 발생도수를 산정함으로서 농업가뭄의 특성인자인 가뭄지속기간 및 심도를 파악할 수 있었으며, 이러한 특성을 가뭄관리에 활용할 수 있을 것으로 판단되었다.
(5) 농업가뭄지수의 시ㆍ공간적 분포특성을 파악하기 위하여 가뭄년도의 SPI, ARDI, ARDIs를 시기별, 지역별로 비교하여 그림으로 나타낸 결과 농업가뭄의 시ㆍ공간적 변화를 잘 파악할 수 있었으며, SPI와 ARDI는 시ㆍ 공간적으로 가뭄 지속시간 및 심도에 있어 많은 차이가 나타나는 것을 확인 할 수 있었고, ARDI와 ARDIs는 유사한 변화 경향을 나타냈으나, ARDIs가 농업가뭄의 특성을 보다 명확하게 나타내는 것으로 판단되었다.
SPI에 대해서 전국 60개 기상관측소 기준 군집분석(SPI_1)과 전국 159개 행정구역 기준 군집분석(SPI_2)을 실시한 결과 군집수는 모두 10개가 적정한 것으로 나타나, 기상학적으로는 가뭄이 10개 권역으로 세분되는 것을 알 수 있었다. 10개 권역은 중부와 남부, 동부와 서부, 해안과 내륙이 확연이 구분되는 것으로 나타나 실제 농업가뭄 현상을 반영하는 것으로 해석 할 수 있었다.
농업가뭄의 기상학적 특성 및 수문학적 특성을 대표하는 표준강수지수(SPI)와 저수지가뭄지수(ARDI), 모의저수지 가뭄지수(ARDIs)에 대하여 K-Means 방법에 의하여 군집분석을 실시한 결과 Fig. 6에서 보는 바와 같이 가뭄의 지역적 동질성을 어느 정도 확인 할 수 있었다.
또한, 행정구역 단위 월평균 저수율이 월강수량과 같은 Gamma 확률밀도함수를 갖는다는 가정하에 저수지가뭄지수 (ARDI)를 산정하였으며, 모의 물수지를 통해 행정구역단위로 모의 저수율을 산정하고 ARDI와 같은 방법론으로 모의저수 지가뭄지수(ARDIs)를 전국적으로 산정하여 시ㆍ공간적인 특성을 비교 검토한 결과 농업가뭄의 특성을 잘 나타내고 있으나 적용상의 한계도 있는 것으로 나타났다
수문기상학적 요소가 고려된 ARDI에 대해서는 군집분석을 실시한 결과 군집수는 모두 5개가 적정한 것으로 나타났으며, ARDIs에 대해서는 군집수 7개가 적정한 것으로 나타났다.
이상에서 알 수 있는 바와 같이 각 가뭄지수별로 절단수준을 고려하여 가뭄의 지속시간과 가뭄심도를 효율적으로 판단할 수 있었으며, 가뭄을 지수화 함으로서 가뭄을 보다 쉽게 이해하고 가뭄의 특성을 제대로 파악할 수 있는 것으로 확인되었다.
이상의 연구를 통해 농업가뭄은 발생 형태가 다양하고, 전개양상이 복잡하며, 예측이 어렵기 때문에 단기적으로 해결하기 보다는 중장기적으로 해결하여야 할 문제로 인식되었으며, 따라서 단편적인 접근 보다 기상학적, 수문학적, 수문기상학적 특성을 고려하여 선제적이고 체계적인 접근이 필요하며, 농업가뭄을 정량적으로 평가할 수 있는 농업가뭄지수가 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다.
이와 같은 점을 고려할 때 우리나라 농업가뭄은 강수의 부족이 2∼3개월 지체되어 저수율 부족으로 나타나고 큰 규모의 가뭄은 7, 8, 9월 등 여름강수가 부족할 경우 나타나는 것으로 확인 할 수 있었다.

후속연구

이상의 군집분석 결과를 고려 할 때 강수자료를 기준으로 하는 기상학적 가뭄지수인 SPI에 대한 군집분석은 자료 특성상 명확하게 지역의 동질성을 가지면서 구분되는 것으로 나타났으나, 저수율을 기준으로 하는 수문학적 가뭄지수인 ARDI는 저수율이 저수지 자체 및 물관리 특성상 동질성을 가지는 데 한계가 있고, 저수지별 실측 저수율을 행정구역 단위 월평균 자료로 변환하는데서 오는 평준화 영향을 많이 받기 때문에 다소 지역적 구분이 모호한 것으로 나타나 분석방법에 대한 세밀한 검토가 필요한 것임을 알 수 있다.
이상의 연구결과로 볼 때 ARDI와 ARDIs는 100%를 한계로 하는 저수율을 무한값을 갖는 강수와 같은 확률밀도함수를 갖는다는 가정으로 출발했기 때문에 수문학적 가뭄상태는 잘 표현할 수 있으나 습윤상태는 잘 표현할 수 없는 한계가 있다. 따라서, ARDI 등은 가뭄정도를 나타내는 가뭄분류를 재정립해야 하는 필요성이 있음을 알 수 있다.
이와 같이 SPI와 ARDI, ARDIs라는 기상학적, 수문학적, 수문기상학적 가뭄지수로 가뭄현황을 시ㆍ공간적으로 그림으로 나타내었을 때 가뭄의 특성과 지속기간 및 심도, 진행방향과 속도 등을 종합적으로 파악 할 수 있었으며, 향후 농업가뭄대책 및 물관리에 이러한 개념의 종합적인 접근이 필요할 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표준강수지수(SPI)란 무엇인가?	SPI는 월 단위 누적강수량의 해당기간 확률분포상의 위치를 나타내기 때문에 현재 시점의 강수 부족 상황을 나타내고 있으므로 기상학적 가뭄을 대표하는 가뭄 평가기준이라고 할 수 있다.
	지역 가뭄의 특성 조사 시 표준강수지수(SPI)의 한계를 극복하기 위한 방법은 무엇인가?	이를 반영하기 위하여 본 연구에서는 표준강수지수(SPI) 산정방법을 활용하여 강수량대신 행정구역 단위로 실측저수율을 산정하고 평균저수율을 시계열화하여 비초과확률을 산정한 다음 이를 표준정규분포화하여 하여 전국적인 저수율기반 가뭄지수를 산정하였으며, 이를 전국 저수율에 의한 농업용 저수지가뭄지수(ARDI)로 명칭하였다.
	SPI와 ARDI, ARDIs 각각의 단점 및 한계는 무엇인가?	각 지수의 장ㆍ단점 및 한계를 살펴보면 SPI의 경우 범용적 으로 사용되어 가뭄과 습윤상태를 잘 표현할 수 있으나 우리나라와 같은 수리시설이 잘 발달되어 수문학적 가뭄이 중요한 경우 농업가뭄을 전반적으로 파악 하는 데는 한계가 있는 것으로 보여 진다. 이상의 연구결과로 볼 때 ARDI와 ARDIs는 100%를 한계로 하는 저수율을 무한값을 갖는 강수와 같은 확률밀도함수를 갖는다는 가정으로 출발했기 때문에 수문학적 가뭄상태는 잘 표현할 수 있으나 습윤상태는 잘 표현할 수 없는 한계가 있다. 따라서, ARDI 등은 가뭄정도를 나타내는 가뭄분류를 재정립해야 하는 필요성이 있음을 알 수 있다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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