[논문]증발산 상호보완이론을 이용한 가뭄해석

전종안; 김대하

doi:10.3741/jkwra.2019.52.5.325

증발산 상호보완이론을 이용한 가뭄해석
A drought assessment using the generalized complementary principle of evapotranspiration 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.5, 2019년, pp.325 - 335

전종안 (APEC 기후센터 기후사업본부) , 김대하 (APEC 기후센터 기후사업본부)

초록
AI-Helper

본 연구의 목적은 일반 상호보완이론(Generalized Complementary Relationship, GCR)을 활용하여 실제증발산량을 추정하고, 추정한 실제증발산량기반 가뭄지수로부터 공통경계미국(Conterminous U.S., CONUS)에 대한 1895~2016년 기간 동안의 가뭄을 해석하는 것이다. GCR 이론으로부터 추정한 $ET_a$는 North American Land Data Assimilation System (NLDAS-2) Noah 지면모형(Land surface models)으로 산정한 $ET_a$와 비교 검증하였다. 또한, GCR로부터 증발산 부족량(ET Deficit)을 산정하고 이를 표준정규화하여 공통경계미국에 대해 Standardized Evapotranspiration Deficit Index (SEDI)를 산정하였다. 이렇게 산정한 SEDI는 Standard Precipitation Index (SPI)와 비교하였다. 본 연구로부터 GCR 기반 $ET_a$는 NLDAS-2 Noah모형의 $ET_a$보다 다소 크게 추정하는 경향을 보였다. SEDI와 SPI의 상관성은 지속시간이 클수록 더 크게 나타났다. 강수와 토양수분의 자료를 사용하지 않는 GCR이론으로부터 비교적 정확한 $ET_a$을 추정할 수 있으며, 증발산 기반인 SEDI가 적절한 가뭄해석에 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

To characterize historical droughts in the conterminous United States (CONUS), we estimated the actual evapotranspiration ($ET_a$) in the CONUS using the generalized complementary relationship (GCR) for 1895-2016. The $ET_a$ estimates were compared against simulations from the Noah land surface model (LSM). In this study, the evapotranspiration (ET) deficit defined as the difference between the wet-environment ET ($ET_w$) and $ET_a$ was then normalized to calculate the Standardized Evapotranspiration Deficit Index (SEDI) across the CONUS for the years 1895-2016. The SEDI was compared to the Standard Precipitation Index (SPI) at various time scales. The results showed that the GCR $ET_a$ was slightly higher than the Noah LSM-simualted $ET_a$. As time scales increased, the correlation between the SEDI and the SPI was higher. This study suggests that the GCR has promise as a tool in the estimation of $ET_a$ and SEDI can be useful for the drought characterization.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. The concept of the complementary principle between potential and actual evapotranspiration
그림 Fig. 2. (a) Annual mean precipitation from the PRISM, (b) annual mean ETa estimated by the GCR, and (c) ratios of ET_a to precipitation
그림 Fig. 3. 1:1 scatter plot between mean annual ET_a by GCR and by those by NLDAS-Noah for the climate divisions
그림 Fig. 4. Maps of SEDI6 and SPI6 for major drought months in the CONUS. The thresholds for classifying drought conditions (D4 to D0) were –2.0, -1.6, -1.3, -0.8, and -0.5. Wet conditions (W4 to W0) were categorized by the same numbers for D4 to D0 but with positive signs. N represents the normal condition
그림 Fig. 5. (a) Temporal variation of the spatial averaged SEDI6 and SPI6 across CONUS, and (b) changes in D3 and D4 areas defined by SEDI6 and SPI6
그림 Fig. 6. Temporal correlation between SEDI and SPI per time scale. The two indices have same time scales in the correlation maps

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 실제증발산량을 활용한 가뭄지수 (Standardized Evapotranspiration Deficit Index, SEDI)를 산정하고 공통경계미국(Conterminous U.S., CONUS)에 적용하여 좀 더 신뢰할 수 있는 가뭄해석 방법을 제안하는 것이다.
, 2016; Han and Tian, 2018). 본 연구에서는 Szilagyi et al. (2017)가 제시한 일반 상호보완관계(GCR)로써, Brutsaert (2015)가 제시한 일반이론을 개선시킨 이론이다. Brutsaert (2015)가 ET_a와 ET_p사이의 네 경계조건으로 (X=0, y=0), (X=1, y=1), (X=0, dy/dX=0), (X=1, dy/dX=1)를 제시한 바 있다.

제안 방법

NLDAS-2 Noah 지면모형에 의해 추정한 ET_a와 GCR이론에 의해 추정한 ET_a를 공통기간인 1981~2016년 기간에 대해 비교하였으며, Fig. 3과 같이 두 모형의 추정 연평균 ET_a를 1:1 로 나타내었다. Fig.
PRISM 자료를 사용하여 공통경계미국에 대해 1895~2016 년 기간 동안 GCR이론을 사용하여 ET_a를 추정하였으며, Fig. 2에 연평균 강수량(Fig. 2(a)), ET_a(Fig.
SEDI와 SPI의 지속시간을 1개월에서 3, 6, 9, 12개월로 증가시켜가면서 공통경계미국에서 공간상관성을 살펴보았으며, Fig. 6에 나타냈다. Fig.
또한, 식생지수 Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)와도 비교했는데, SEDI가 기후특성이나 지표조건을 고려하지 않고도 농업지역이나 자연식생 지역의 가뭄심도를 잘 설명하는 것으로 평가되었다. 본 연구에서는 GCR에 의해 추정된 ETD로 SEDI를 1개월부터 12개월까지 변화시키면서 지속시간별로 산정하고 이를 SPI와 비교평가하였다. 다만 SPEI는 잠재증발산량을 고려한 가뭄지수로써, SEDI와의 교차상관이 생길 가능성 때문에 본 연구에서는 배제하였다.
본 연구에서는 GCR을 이용하여 공통경계미국에 대해 ET_a를 추정하였으며, 이를 기반으로 SEDI를 산정하여 가뭄평가를 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 공통경계미국에 대해 일반상호보완이론 (Generalized Complementary Relationship, GCR)을 활용하여 실제증발산량(ET_a)을 추정하였다. 본 연구에 필요한 기상 자료는 오레건 주립대학 Parameter-elevation Relationships on Independent Slopes Model (PRISM) 데이터를 수집하였다(PRISM Climate Group, 2018).
풍속자료의 기간 또한 매우 제한적으로 현재 PRISM 자료와 동일한 길이를 갖는 자료는 없어서, University of Idaho Climatology Lab에서 4×4 km² 해상도로 제공되는 GRIDMET 자료 Abatzoglou (2018)를 이용해 각 1981~2016 기간의 월 평균치를 산정해 적용하였다. 이러한 자료를 사용하여, GCR이론으로 추정한 ET_a를 교차 검증하기 위해 2단계 North American Land Data Assimilation System (NLDAS-2) 지면 모형(Land surface models) 중 Noah 모형(Ek et al., 2003)에의한 ET_a 추정값을 수집하였다. Noah 지면모형은 지표-식생-대기 시스템의 에너지 균형을 고려하는 모형으로 NLDAS-2 에서는 약 12.
풍속자료의 기간 또한 매우 제한적으로 현재 PRISM 자료와 동일한 길이를 갖는 자료는 없어서, University of Idaho Climatology Lab에서 4×4 km2 해상도로 제공되는 GRIDMET 자료 Abatzoglou (2018)를 이용해 각 1981~2016 기간의 월 평균치를 산정해 적용하였다.

대상 데이터

PRISM 월 기상자료는 공통경계미국에 대해 4×4 km2 해상도로 제공되고 있는데, 1895년부터 2016년까지 월강수량, 최고·최저기온, 이슬점온도 등을 수집하였다.
)을 추정하였다. 본 연구에 필요한 기상 자료는 오레건 주립대학 Parameter-elevation Relationships on Independent Slopes Model (PRISM) 데이터를 수집하였다(PRISM Climate Group, 2018). PRISM 월 기상자료는 공통경계미국에 대해 4×4 km² 해상도로 제공되고 있는데, 1895년부터 2016년까지 월강수량, 최고·최저기온, 이슬점온도 등을 수집하였다.
4에 도시하였다. 본 연구에서는 20세기 이후 미국에서 가장 넓게 발생했던 가뭄 중에 하나로 알려져 있는 1934년에 발생한 Dust Bowl 가뭄, 여러 해 동안 지속된 큰 가뭄으로 기록되어 있는 1956년 남서부지역의 가뭄, 농업가뭄으로 옐로우스톤에 산불을 일으키기도 한 1988년 가뭄, 최근에 발생한 큰 가뭄 중의 하나인 2011년 텍사스지역을 중심으로 발생한 가뭄 등 네 개의 가뭄사상(Folger and Cody, 2014)을 선정하였다. Fig.

데이터처리

3.2 증발산 부족 기반 가뭄(SEDI)과 기상학적 가뭄의 상관성 평가

가뭄평가를 위해 Kim and Rhee (2016)가 제안한 SEDI를 산정하고, SPI와 비교하였다. Kim and Rhee (2016)는 ET_a와 ET_w의 차이인 ETD를 표준정규화한 SEDI를 제안하였는데, 본 연구에서도 GCR이론을 통해 추정한 ETD를 3변수 Loglogistic 분포를 이용해 1~12개월 SEDI를 산정하였다.

이론/모형

(2018)가 여러 이론적 확률밀도함수 중 ETD에 적합한 분포로 제안한 3변수 Log-logistic 분포를 사용하였다. Log-logistic 분포의 매개변수는 Probability weighted moment 방법으로 1월부터 12월에 대해 각각 추정되었다. 따라서 SEDI는 대기의 요구량 대비 지표의 수분 부족량을 나타내며 통상적인 상태보다 이 부족량이 커질수록 심한 가뭄상태가 되는데 반해, SPEI는 강수량(기상학적 수분공급량)과 대기 수분요구량을 비교하여 가뭄을 정의하고 SPI는 강수량과 강수량 평균값의 차이 정도로 가뭄을 정량화한다.
따라서 본 연구에서는 Allen et al. (1998)이 제안한 최고· 최저기온과 이슬점온도를 이용하는 방법을 통해 Rn을 추정하였다.
(t)의 누가확률밀도함수, Φ-1{·} 표준정규 분포의 역함수이다. 본 연구에서는 Vicente-Serrano et al. (2018)가 여러 이론적 확률밀도함수 중 ETD에 적합한 분포로 제안한 3변수 Log-logistic 분포를 사용하였다. Log-logistic 분포의 매개변수는 Probability weighted moment 방법으로 1월부터 12월에 대해 각각 추정되었다.
습윤증발산량 ET_w(mm d^-1)는 Priestley-Taylor (PT) 공식(Priestley and Taylor, 1972)에 의해 산정되며 Szilagyi et al. (2017)은 불포화 상태 토양 온도를 보정하기 위해 다음의 식 Eqs. (9) and (10)을 사용하였다.

성능/효과

(a))와 서부지역의 ETa는 강수량이 많은 오레건, 워싱턴, 캘리포니아 북부, 아이 다호 일부지역을 제외하면 매우 유사하였고, 미서부지역은 동부지역보다 대체로 ETa 상당히가 낮았다.
1) GCR로 추정한 ET_a는 지면모형으로 얻어진 ET_a과 일관성을 보였지만, 대체적으로 지면모형의 모의 ET_a보다 큰 값을 보였다. 관개활동과 같은 인위적 활동은 지면모형에서 고려하기 어려우나, GCR에서는 반영되기 때문으로 해석된다.
2) 지표와 대기사이의 상호작용이 큰 지역에서 SEDI와 SPI의 상관성이 크게 나타났으며, 지속시간을 늘릴수록 둘 사이의 상관성이 더욱 크게 나타났다. 이는 수증기가 대기에 체류하는 시간이 한 달 이내로 작기 때문인 것으로 추정된다.
3) SEDI는 기상학적 요구량과 소비량 사이의 차이를 직접적으로 이용하기 때문에 농업가뭄이나 식생가뭄을 감시를 위해서는 SPI보다 더 적절한 지수이다.
4) 수문학적 가뭄에는 주요 수문성분인 강수와 증발산을 모두 고려해서 가뭄해석을 해야 한다. SPI와 같이 강수량만으로 수문학적 가뭄을 감시하는 경우에는 유역의 특성을 잘 반영하는 지속시간 선정에 특히 주의해야 한다.
4는 네 가뭄사상(Jul 1934, Aug 1956, Jun 1988, Aug 2011)의 공간분포와 SEDI6와 SPI6의 유사성이 잘 드러나고 있다. 네 가뭄 사상에서 나타난 SEDI6와 SPI6의 공간상관계수는 각각 0.73, 0.69, 0.71, 0.80으로, ETD와 강수량의 공간 변동성이 상당히 유사함을 의미한다.
(2018)는 전 지구적으로 SEDI의 활용성을 검증하였는데, 1개월 SEDI는 3개월 이하 짧은 지속시간의 SPEI와 상관이 가장 높은 것으로 보고 된 바 있다. 또한, 식생지수 Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)와도 비교했는데, SEDI가 기후특성이나 지표조건을 고려하지 않고도 농업지역이나 자연식생 지역의 가뭄심도를 잘 설명하는 것으로 평가되었다. 본 연구에서는 GCR에 의해 추정된 ETD로 SEDI를 1개월부터 12개월까지 변화시키면서 지속시간별로 산정하고 이를 SPI와 비교평가하였다.
서부에서 동부로 이동할수록 연강수량과 ET_a는 점점 증가하는데, 다만 연강수량에 비해 ET_a의 증가율은 다소 낮은 것으로 나타났다. 실제로 대서양 해안지역의 연평균강수량은 1,000 mm를 넘는 곳도 있지만(Fig.
, 1994), Sacramento Soil Moisture Accounting (SAC-SMA; Burnash, 1995) 등 네 가지 지면모형에 대한 교차 평가와 유사한 결과이다. 이 연구에서 Noah 지면모형이 다른세 지면모형에 비해 유출은 다소 크게 모의하는 경향을 보였고, ET_a 는 작게 모의하는 것으로 나타났다. 또한, Chun et al.
(2012)는 Palmer Drought Severity Index (PDSI; Palmer, 1965)을 이용해 지난 60년간 전 지구 가뭄 추세를 파악하였다. 이 연구에서 잠재증발산량 추정하는 방법에 따라 가뭄심도가 달라진다고 보고하였는데, Penman-Monteith 방법(Monteith, 1965)이 Thornthwaite 공식(Thornthwaite, 1948) 방법보다 훨씬 작은 가뭄위험이 감지되는 것을 발견하였다. 또한 Anderson et al.
(2012)의 두 연구를 종합해, 기후변화로 인해서 지역적으로 빠르고 강하게 나타났다 사라지는 돌발성 폭염에 의한 가뭄이 더 늘어날 가능성이 있다고 결론지었다. 이와 같이, 가뭄사상 평가에서 나타난 바와 같이 SEDI는 지수산정에 강수량이 포함되지 않았음에도 불구하고 강수량의 변화와 높은 상관성을 보이며, SPI6와 SEDI6 사이의 평균적으로 상당히 큰 상관계수(0.64)를 보였다. 이러한 결과는 토양수분에 의해 하층대기가 조정되는 양으로 강수 부족을 어느 정도 측정할 수 있음을 의미한다고 볼 수 있다.

후속연구

본 연구가 우리나라의 폭염과 가뭄에 대한 효과적인 대비에 도움이 될 수 있기를 기대한다. 다만, 본 연구에서 제안한 방법을 우리나라에 적용할 시에는 비교적 긴 기간의 기상자료 확보방안을 고려해야 하고, 토지이용이 다양한 특성을 고려하여 주의가 필요하다.
본 연구가 우리나라의 폭염과 가뭄에 대한 효과적인 대비에 도움이 될 수 있기를 기대한다. 다만, 본 연구에서 제안한 방법을 우리나라에 적용할 시에는 비교적 긴 기간의 기상자료 확보방안을 고려해야 하고, 토지이용이 다양한 특성을 고려하여 주의가 필요하다.
지구온난화의 영향으로 평균기온이 상승하고, 일반적으로 상승한 평균기온은 대기의 함수능력을 증가시키는데, 여기에 관개수가 증가한 함수능력만큼의 수증기를 대기에 공급할 수 있게 되어 변동폭 증가에 영향을 준 것으로 추정 된다. 하지만 관개활동 등의 인간의 활동이 수문순환과 대기 순환에 주는 영향을 정량적으로 평가하는 것은 쉽지 않고 해수면 온도와 같은 큰 규모의 영향도 무시할 수 없기 때문에, 이에 대한 심층적 연구가 추가적으로 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가뭄이란?	가뭄은 반복적인 자연재해로써 생태계 수문순환에 불균 형을 초래하기도 한다(Dai, 2011; Heim, 2002). 일반적으로 가뭄은 비정상적으로 부족한 강수량에서 시작되는 것으로 간주되고, 사회나 생태계의 수요보다 공급할 수 있는 수량이 작은 상태로 정의된다(Wilhite, 2000). 세계기상기구(World Meteorological Organization; WMO)는 가뭄을 “비정상적으로 지속되는 강수부족”으로 정의하고 있는데(WMO, 1992), 이와 같은 연장선에서 가뭄에 대한 많은 연구가 강수 부족을 중심으로 해석하는데 국한되어 있다(예, Strzepek et al.
	GCR의 장점은 무엇인가?	, 2012). GCR은 지면모형에 비해 훨씬 단순한 모형이지만, ETa의 추정에 있어서 지면모형이 고려하지 못하는 대규모 관개활동 등이 반영 될 수 있는 장점이 있다(Szilagyi, 2018). 지면모 형과 GCR이론에 의해 추정한 ETa 사이에 Pearson r=0.
	강수량이 실제증발산량에 어떤 영향을 주는가?	특히, 지표수문모형을 이용해 실제증발산량을 추정하는 경우, 침투, 유출과 같은 강수에 영향을 직접적으로 받는 지표수문과정이 개입되기 때문에 강수량 자료의 사용을 피할 수 없다(Kim and Rhee, 2016). 따라서 실제증발산량 추정치는 강수 자료 특성에 직접적 영향을 받게 되며, 기후 예측자료가 사용될 경우, 추정된 실제증발산량은 강수의 낮은 예측성으로 인해 그 사용성이 매우 제한적일 수밖에 없다(Gao et al., 2010).

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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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