[논문]RCP 기후변화 시나리오를 활용한 남북공유하천유역 미래 극한강수량 변화 전망

염웅선; 박동혁; 권민성; 안재현

doi:10.3741/jkwra.2019.52.9.647

RCP 기후변화 시나리오를 활용한 남북공유하천유역 미래 극한강수량 변화 전망
Prospects of future extreme precipitation in South-North Korea shared river basin according to RCP climate change scenarios 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.9, 2019년, pp.647 - 655

염웅선 (서경대학교 대학원 도시기반방재안전공학과) , 박동혁 (서경대학교 도시안전연구센터) , 권민성 (국립재난안전연구원) , 안재현 (서경대학교 이공대학 토목건축공학과)

초록
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남한과 북한이 군사분계선을 경계로 공동으로 점유하고 있는 남북공유하천유역은 과거부터 하천관리, 홍수조절 등 다양한 문제가 지속적으로 발생해 왔다. 그러나 협력과 조정에 한계가 있어 유역 관리에 대한 지속적인 연구와 협력이 진행되지 못하였다. 기후변화로 인해 수문현상의 규모와 빈도가 변화하고 있어 공유하천유역의 강수변동성에 관한 대비책 마련이 필요하지만, 이에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 13개 전 지구 기후 모델의 RCP (Representative Concentration Pathway, 이하 RCP)4.5와 RCP8.5 시나리오를 공유하천유역 인접 11개 관측소에 적용하여 극한강수량 변동성을 규모와 빈도의 측면에서 분석하였다. 분석 결과 공유하천유역의 참조기간(1981-2005) 대비 확률강우량은 RCP4.5 시나리오와 RCP8.5 시나리오 모두 전 기간에서 증가하였다. 또한 재현기간 20년 규모의 강우 빈도는 RCP4.5 시나리오의 중반기(2041-2070)와 후반기(2071-2100)를 제외하고 전 기간에서 증가하여 극한강수의 출현빈도가 점차 빨라지고 있음을 확인할 수 있었다. 결과적으로 공유하천유역 내 극한강수량은 그 규모와 빈도가 모두 증가하여 기후변화로 인한 상당한 영향이 있을 것으로 전망되며, 이에 대한 대비가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although problems such as river management and flood control have occurred continuously in the Imjin and Bukhan river basin, which are shared by South and North Korea, efforts to manage the basin have not been carried out consistently due to limited cooperation. As the magnitude and frequency of hydrologic phenomena are changing due to global climate change, it is necessary to prepare countermeasures for the rainfall variation in the shared river basin area. Therefore, this study was aimed to project future changes in extreme precipitation in South-North Korea shared river basin by applying 13 Global Climate Models (GCM). Results showed that the probability rainfall compared to the reference period (1981-2005) of the shared river basin increased in the future periods of 2011-2040, 2041-2070 and 2071-2100 under the Representative Concentration Pathways (RCP)4.5 and RCP8.5 scenarios. In addition, the rainfall frequency over the 20-year return period was increased in all periods except for the future periods of 2041-2070 and 2071-2100 under the RCP4.5 scenario. The extreme precipitation in the shared river basin has increased both in magnitude and frequency, and it is expected that the region will have a significant impact from climate change.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Research flowchart of this study
그림 Fig. 2. Study area and meteorological stations
표 Table 1. Specification of South-North shared river basin
표 Table 2. Weather observation sites around South-North shared river basin (20 km)
그림 Fig. 3. Comparison of the observed precipitation (dotted line plot) with simulated precipitation (line plot) from 1981 to 2005 in 13 GCMs (Monthly precipitation)
표 Table 3. 13 GCMs of CMIP5
표 Table 4. Classification of RCP scenarios (RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5)
그림 Fig. 4. Comparison of the observed precipitation (line plot) with simulated precipitation (box-plot) from 1981 to 2005 in 13 GCMs (Annual maximum daily precipitation)
그림 Fig. 5. Spatial distributions of 20-year precipitation (mm) for 13 GCMs
표 Table 5. Frequency analysis results of simulated precipitation of 24 hours duration (RCP 4.5 scenarios)
표 Table 6. Frequency analysis results of simulated precipitation of 24 hours duration (RCP 8.5 scenarios)
그림 Fig. 6. Spatial distributions of increased precipitation F3 minus Reference (mm)
그림 Fig. 7. Box plots of 20-year return period changes at 11 stations
표 Table 7. Average of 20-year return period changes at 11 stations
그림 Fig. 8. Spatial distributions of future change in 20-year return period

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 한반도의 공간특성에 적합한 13개 GCM 모델의 RCP4.5와 RCP8.5 시나리오를 기후변화 대비 수자원 적응기술 개발 연구단(Climate Change Adaption for Water Resources, 이하 CCAW)으로부터 제공받아 공유하천 유역의 극한강수량 변화를 정량적으로 평가하여 재해위험성을 평가하는 데 기초자료로 활용될 수 있도록 하였다. 모델의 장기적 추세를 반영하기 위해 SDQDM 방법으로 상세화된 자료를 사용하였으며, 공유하천유역인 임진강유역 및 북한강 유역 인접 11개 관측소에 대한 빈도해석을 실시하였다.
본 연구에서는 CMIP5 모델에서 제공하는 GCM 자료 중 한반도의 공간특성에 적합한 13개 모델을 사용하여 남북공유하천유역의 미래 극한강수량의 변화를 평가하였다. 또한 미래 극한강수량의 변화를 지역분포하여 시각화하였다.
본 연구에서는 미래기간의 극한강수량 빈도 변화 양상을 확인하기 위해 20년 빈도 강우의 재현기간 변화를 기간별로 분석하였다. Table 7은 지점별로 계산된 재현기간 변화의 평균값을 나타낸 것이다.
CMIP5 모델은 제시된 Table 4와 같이 RCP 시나리오에 따라 4가지로 구분된다. 본 연구에서는 온실 가스 저감 정책에 따른 공유하천유역 미래 극한강수량 변화를 비교하기 위하여 정책이 상당히 실행되는 경우인 RCP4.5 시 나리오와 현재 추세로 온실가스가 배출되는 경우인 RCP8.5 시나리오를 선정하여 분석을 실시하였다. 또한 21세기 전, 중, 후반 변화 추세를 확인하기 위하여 GCM 자료를 RCP 시나리오별(RCP 4.

제안 방법

1981년~2005년 사이의 실제 관측값과 GCM 자료의 Reference (1981-2005)기간 월강우량 평균 및 연최대 강우량을 비교하여 자료의 적합성을 검토하였으며, 지속기간 24시간 빈도해석을 실시하여 그 결과를 기간별로 비교하였다.
GCM 모델 간 성능 차이를 고려하여 선정된 13개 GCM 자료를 CCAW로부터 제공받아 분석에 사용하였으며, 남한과 북한의 공유하천유역 반경 20 km 내 11개 강우관측소를 선정하였다. 다음, 기간별 추세를 확인하기 위해 GCM 자료를 Reference (1981-2005), Future 1 (2011-2040), Future 2 (2041-2070), Future 3 (2071-2100)로 구분하였다. 1981년~2005년 사이의 실제 관측값과 GCM 자료의 Reference (1981-2005)기간 월강우량 평균 및 연최대 강우량을 비교하여 자료의 적합성을 검토하였으며, 지속기간 24시간 빈도해석을 실시하여 그 결과를 기간별로 비교하였다.
5 시나리오를 선정하여 분석을 실시하였다. 또한 21세기 전, 중, 후반 변화 추세를 확인하기 위하여 GCM 자료를 RCP 시나리오별(RCP 4.5, 8.5), 기간별로 Reference (1981-2005), Future 1 (2011-2040, 이하 F1), Future 2 (2041-2070, 이하 F2), Future 3 (2071-2100, 이하 F3)로 구분하였다.
본 연구에서는 CMIP5 모델에서 제공하는 GCM 자료 중 한반도의 공간특성에 적합한 13개 모델을 사용하여 남북공유하천유역의 미래 극한강수량의 변화를 평가하였다. 또한 미래 극한강수량의 변화를 지역분포하여 시각화하였다. 분석 결과 남북공유하천유역인 임진강유역과 북한강유역의 미래 극한강수량은규모와 빈도 양면에서 모두 증가할 것으로 전망되었다.
본 연구에서는 13개 GCM 모델을 공유하천유역에 적용하여 극한강수량 변화를 정량적으로 평가하기 위해 Fig. 1과 같은 과정을 통하여 연구를 수행하였다. GCM 모델 간 성능 차이를 고려하여 선정된 13개 GCM 자료를 CCAW로부터 제공받아 분석에 사용하였으며, 남한과 북한의 공유하천유역 반경 20 km 내 11개 강우관측소를 선정하였다.
본 연구에서는 GCM 자료의 강우빈도해석 시에 Type-1 극치분포인 Gumbel 분포를 이용하였다. 홍수량 산정 표준지침 (ME, 2019)에서 지점빈도해석 확률강우량 산정에 최적 확률 분포형으로 Gumbel 분포로 통일하여 채택하는 것을 원칙으로 제시한 바 있다.
본 연구에서는 기간별로 구분한 RCP4.5, RCP8.5 시나리오 자료를 활용하여 공유하천유역 인접 11개 지점의 일강우에 대한 빈도해석을 실시하였으며, 전 지점 평균 확률강우량 및 참조기간 대비 변화율을 RCP 시나리오별로 Table 5, Table 6에 제시하였다. 먼저, RCP4.
분석을 실시하기에 앞서, 자료의 적합성 검토를 위해 13 개 강우관측소의 실제 관측값(1981-2005)과 GCM 모델의 Reference (1981-2005)간 월강우량 평균과 연최대강우량 을 비교하였다. 월강우량 평균 비교 결과 Fig.

대상 데이터

1과 같은 과정을 통하여 연구를 수행하였다. GCM 모델 간 성능 차이를 고려하여 선정된 13개 GCM 자료를 CCAW로부터 제공받아 분석에 사용하였으며, 남한과 북한의 공유하천유역 반경 20 km 내 11개 강우관측소를 선정하였다. 다음, 기간별 추세를 확인하기 위해 GCM 자료를 Reference (1981-2005), Future 1 (2011-2040), Future 2 (2041-2070), Future 3 (2071-2100)로 구분하였다.
본 연구에서는 CCAW로부터 제공받은 13개 GCM 모델을 적용하여 분석을 진행하였으며, 사용된 모델에 대한 정보는 Table 3에 제시하였다. CMIP5 모델은 제시된 Table 4와 같이 RCP 시나리오에 따라 4가지로 구분된다.
하천 및 유역의 유로연장 및 유역면적 정보는 Table 1에 제시하였다. 임진강유역 및 북한강유역에 인접한 강 우관측소는 Fig. 2와 같이 반경 20 km 내 11개소이며, Table 2에 강우관측소별 위경도와 관측소번호 등의 정보를 제시하였다.

데이터처리

5 시나리오를 기후변화 대비 수자원 적응기술 개발 연구단(Climate Change Adaption for Water Resources, 이하 CCAW)으로부터 제공받아 공유하천 유역의 극한강수량 변화를 정량적으로 평가하여 재해위험성을 평가하는 데 기초자료로 활용될 수 있도록 하였다. 모델의 장기적 추세를 반영하기 위해 SDQDM 방법으로 상세화된 자료를 사용하였으며, 공유하천유역인 임진강유역 및 북한강 유역 인접 11개 관측소에 대한 빈도해석을 실시하였다.

이론/모형

5는 본 연구에서 실시한 빈도해석 결과 중 20년 빈도의 확률강우량을 지역분포한 결과이다. 공간내삽을 위해 역거리 가중법을 사용하였다. 그림에서 알 수 있듯, RCP4.
기후변화를 예측하기 위해, 기후변화에 관한 정부 간 협의체 (Intergovernmental panel of climate change, 이하 IPCC)의 제 5차 결합 기후모델 비교사업(The 5th phase of the coupled model intercomparison project, 이하 CMIP5)에서는 대표 농도 경로 (Representative Concentration Pathway, 이하 RCP) 시나리오에 기반한 전지구기후모델(Global Climate Model, 이하 GCM) 을 생성하였다(Taylor et al., 2012). GCM은 온실가스 배출시나리오에 기반하여 기후변화를 물리적으로 해석하여 전 지구 규모에서 과학적인 전망결과를 제공하며(Jung et al.
, 2011). 따라서 본 연구에서는 최우도법을 적용하여 빈도해석을 수행하였다.

성능/효과

8은 재현기간 변화의 지역분포를 나타낸 것이다. RCP4.5 와 RCP8.5 모두 유역 상류부에서 급격한 변화를 보이며, 북한강유역에 비해 임진강유역의 재현기간 변화가 큰 것으로 나타났다. 특히 임진강유역 인접 관측소인 신계, 평강지점은 RCP4.
0%로 나타났다. RCP8.5 시나리오에서는 F1, F2, F3 모두에서 증가 경향을 보이며 F3로 갈수록 증가폭이 커지는 결과를 보였다. 또한 기간별 평균 변화율은 F1에서 10.
4에 제시된 비교 결과를 보면, 검은 실선으로 표시된 관측자료의 연최대강우량이 전 지점에서 GCM 자료 분포의 1~3사분위 내에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 결과적으로, 본 연구에서 사용한 GCM 자료는 실제 관측값의 기후적 요소와 변화 양상을 잘 반영하고 있다는 것을 확인하였다.
두지역은 각각 임진강과 소양강의 상류이므로 이러한 변화가 유역의 총 유출량에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 다음으로 빈도의 변화를 살펴보면 RCP4.5 시나리오의 F2와 F3를 제외하고 전체적으로 증가 추세를 보였으며, 공유하천유역 상류에서 더 큰 변화를 보였다. 또한 RCP8.
5 시나리오 모두참조기간의 지역분포와 유사한 형태를 보였다. 대관령 지점에 인접한 북한강유역 동남부가 가장 높은 분포를 보였으며, 임진강유역 서부로 갈수록 20년 빈도 확률강우량 이 작아지는 결과가 나타났다. 다음 Fig.
5 시나리오의 F2와 F3를 제외하고 전체적으로 증가 추세를 보였으며, 공유하천유역 상류에서 더 큰 변화를 보였다. 또한 RCP8.5 의 F3에는 재현 기간 20년 규모의 강우가 평균 5.3년 빈도로 변화하는 것으로 나타나 공유하천유역 극한강수 빈도의 급격한 변화가 전망되었다. 극한강수량의 규모 및 빈도의 증가는 남한과 북한이 공동으로 점유하고 있는 공유하천유역의 재해위험성을 높일 가능성이 있다.
분석 결과 남북공유하천유역인 임진강유역과 북한강유역의 미래 극한강수량은규모와 빈도 양면에서 모두 증가할 것으로 전망되었다. 먼저 극한강수량 규모의 변화를 살펴보면 RCP4.5 시나리오에서는 F3에 증가폭이 감소하는 경향을 보였으나 확률강우량 평균 증가율이 20%로 크게 나타났으며, RCP8.5 시나리오에서는 후반기로 갈수록 증가하는 경향을 보여 F3의 증가율이 35%로 나타났다. 또한 20년 빈도 확률강우량의 지역분포 결과 북한강유역의 동남부와 임진강유역 북부는 참조 기간 대비 RCP8.
5 시나리오 자료를 활용하여 공유하천유역 인접 11개 지점의 일강우에 대한 빈도해석을 실시하였으며, 전 지점 평균 확률강우량 및 참조기간 대비 변화율을 RCP 시나리오별로 Table 5, Table 6에 제시하였다. 먼저, RCP4.5 시나리오에서는 F1와 F2에서 증가 경향을 보이나 F3에 증가폭이 감소하여 F2와 유사한 결과 를 보였다. 기간별 평균 변화율은 F1기간에서 11%, F2에서 18.
또한 미래 극한강수량의 변화를 지역분포하여 시각화하였다. 분석 결과 남북공유하천유역인 임진강유역과 북한강유역의 미래 극한강수량은규모와 빈도 양면에서 모두 증가할 것으로 전망되었다. 먼저 극한강수량 규모의 변화를 살펴보면 RCP4.
(2019)은 SDQDM 방법을 통해 상세화된 25개 GCM 자료를 북한지역에 적용하여 미래 극한강수량의 변화를 정량적으로 평가하는 방법론을 제시하였다. 분석 결과 북한지역의 강수변동성이 점차 커지고 있음을 확인하였다. 그러나 GCM 모델 간 성능차이를 고려하여 선정된 13개 GCM 모델을 활용한 연구는 현재까지 진행된 바 없다.

후속연구

또한 북한이 점유하고 있는 유역 상류부의 변동성이 더 크게 전망되어 남한과 북한의 협력을 통한 유역통합관리의 필요성은 점차 커질 것으로 사료된다. 이를 위해서는 기후 변화로 인한 재해위험성 증가에 대한 분석이 선행되어야 할 것이며, 본 연구의 결과가 향후 남북공유하천유역의 재해위험성 평가에 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SDQDM이란 무엇인가?	따라서 분석 목적에 따른 적절한 상세화 기법의 선정 이 필수적이다. Eum and Cannon (2017)은 GCM 모델의 장기 추세를 보존하는 데 유리한 상세화 기법인 SDQDM (Spatial Disaggregation with Quantile Delta Mapping)을 제안하였으 며, Cho et al. (2018)은 SDQDM 방법을 한반도에 적용하여 GCM 모델을 지점별로 상세화하였다.
	GCM 모델은 많은 불확실성 요소를 가지고 있는데, 따라서 어떤 과정이 필수적인가?	GCM 모델은 시·공간적 특성 변화나 모델 간 성능차이에 따라 다양한 결과가 도출되는 등 많은 불확실성 요소를 가지고 있다. 따라서 분석 목적에 따른 적절한 상세화 기법의 선정 이 필수적이다. Eum and Cannon (2017)은 GCM 모델의 장기 추세를 보존하는 데 유리한 상세화 기법인 SDQDM (Spatial Disaggregation with Quantile Delta Mapping)을 제안하였으 며, Cho et al.
	RCP4.5와 RCP8.5 시나리오는 각각 무엇인가?	CMIP5 모델은 제시된 Table 4와 같이 RCP 시나리오에 따라 4가지로 구분된다. 본 연구에서는 온실 가스 저감 정책에 따른 공유하천유역 미래 극한강수량 변화를 비교하기 위하여 정책이 상당히 실행되는 경우인 RCP4.5 시 나리오와 현재 추세로 온실가스가 배출되는 경우인 RCP8.5 시나리오를 선정하여 분석을 실시하였다. 또한 21세기 전, 중, 후반 변화 추세를 확인하기 위하여 GCM 자료를 RCP 시나리오별(RCP 4.

참고문헌 (13)

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상세보기
Eum, H. I., and Cannon, A. J. (2017). "Intercomparison of projected changes in climate extremes for South Korea: Application of trend preserving statistical downscaling methods to the CMIP5 ensemble." International Journal of Climatology, Royal Meteorological Society, Vol. 37, No. 8, pp. 3381-3397.
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Kown, M. S., Jang, H. S., and Ahn, J. H. (2019). "Change in extreme precipitation over North Korea using multiple climate change scenarios." Water, Multidisciplinary Digital Publishing Institute, Vol. 11, No. 2, pp. 270-286.
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
Taylor, K. E., Stouffer, R. J., and Meehl, G. A. (2012). "An overview of the CMIP5 and the experiment design." Bulletin of the American Meteorological Society, AMS, Vol. 93, No. 4, pp. 485-498.

상세보기
Yoon, Y. N. (2008). Elementary hydrology. Cheongmoon, pp. 523-528.

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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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