[논문]통계적 기법을 이용한 기후 변화 분석 (강우량 중심)

정창삼; 심재현; 허준행; 여운광

문제 정의

적정한 빈도별 설계 강우량을 산정하기 위해서는 다양한 분포형과 매개변수 추정법 등을 적용하여 각 자료의 특성에 맞는 빈도별 설계 강우량을 산정하여야 하나 방대한 자료에 대해 각기 다른 기준을 적용하여 분석을 실시하는 것은 본 연구와 같이 거시적인 변화를 연구하는 데에는 적절하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 국내의 빈도해석을 위해 가장 널리 활용되고 있는 FARD2006(국립방재연구소)을 이용하여 표 1에서 적용한 22개 기상청 지점들에 대해 빈도 분석을 실시하였다. 기준연도는 2000년을 기준으로 과거 ~ 1999년까지의 기간에 대해 먼저 빈도분석을 실시하고 이 값들을 과거 ~ 2006년까지의 자료를 이용하여 빈도분석을 실시한 결과들과 비교하여 각 빈도별 설계 강우량의 증감 여부를 확인하였다.
지금까지 기후변화에 따른 강우량의 경향성과 변동성, 그리고 빈도강수량의 변화에 대해 분석하여보았다. 본 절에서는 이러한 분석을 통해 기후변화에 따른 강우량 변화에 따라 향후 각종 설계기준을 보강하는 방안에 대해 기술하고자한다. 다만, 이러한 분석은 표 1에서 제시한 기상청 22개의 국한된 지점들의 국한된 자료에 의한 분석 결과임을 밝혀두고자 하며, 최근 급격히 변화하고 있는 이상 기후에 의해 발생되고 있는 국지성 집중호우와 태풍, 가뭄 등의 극한 사상을 제대로 반영하는데 에는 무리가 따를 수 있다.
지속시간은 경향성 분석 및 변동성 분석에서 사용된 것과 동일하게 1시간과 24시간 자료를 각각 적용하였다. 분석 결과를 모든 지점들에 대해 도시하고 분석하는 과정이 필요하나 지면의 한계로 발표 자료로 대체하고자한다. 분석 결과들 가운데 특이한 지점들을 분석하여 보면, 속초지점은 지속시간 1시간은 2006년 기준이 증가하였고, 지속시간 24시간도 2006년 기준이 증가하였으나 그 크기는 지속시간 1시간이 더 크게 증가하는 현상이 나타났다.
기준연도는 2000년을 기준으로 과거 ~ 1999년까지의 기간에 대해 먼저 빈도분석을 실시하고 이 값들을 과거 ~ 2006년까지의 자료를 이용하여 빈도분석을 실시한 결과들과 비교하여 각 빈도별 설계 강우량의 증감 여부를 확인하였다. 이러한 분석을 통해 국내 각 지점들에 대한 기후 변화에 따른 설계 강우량의 증감 여부를 확인하였다. 적용된 분포형은 국내 수공 구조물 설계에 가장 널리 적합한 것으로 판단되는 Gumbel 분포형을 공통적으로 적용하였으며 사용된 매개변수 추정법은 확률가중모멘트법을 적용하였다.

제안 방법

◎ 설계빈도 분석 결과 : 1999년까지의 최대치 관측 자료를 이용하여 빈도분석을 실시한 결과와 2006년까지의 자료를 이용하여 빈도분석을 실시한 결과를 지속시간 1시간과 24시간의 자료군에 대해 각각 증감여부를 비교하여 보았다. 분석 결과 지속시간 1시간에 대해서는 영동지역과 일부지역을 제외하고는 전반적으로 감소하고 있음을 확인할 수 있었다.
그림 1과 그림 2는 이들 가운데 하나인 강릉지점의 변동성 분석 결과를 그림으로 나타낸 것이다. 각 지점들에 대한 보다 자세한 결과와 분석은 발표 자료로 대체하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 국내의 빈도해석을 위해 가장 널리 활용되고 있는 FARD2006(국립방재연구소)을 이용하여 표 1에서 적용한 22개 기상청 지점들에 대해 빈도 분석을 실시하였다. 기준연도는 2000년을 기준으로 과거 ~ 1999년까지의 기간에 대해 먼저 빈도분석을 실시하고 이 값들을 과거 ~ 2006년까지의 자료를 이용하여 빈도분석을 실시한 결과들과 비교하여 각 빈도별 설계 강우량의 증감 여부를 확인하였다. 이러한 분석을 통해 국내 각 지점들에 대한 기후 변화에 따른 설계 강우량의 증감 여부를 확인하였다.
이와 달리 통계적 기법의 경우 비교적 용이하게 분석이 가능하며, 과거와 달리 최근에는 비교적 신뢰도가 높은 다양한 수문 및 기상 자료가 축적되어 있어 미래의 기후변화를 예측하는데 유용한 수단이 될 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 통계적인 기법을 이용하여 국내 기상청 관측 지점들을 중심으로 강우의 경향성과 변동성을 분석하여 기후변화에 따라 국내 지점들의 강우량 변화 추이를 분석하여보았다. 또한 2000년을 기점으로 과거 자료와 최근의 자료를 이용한 각각의 빈도분석을 통해 댐과 하천 등 주요 수공 구조물들의 설계 기준이 설계강우량의 변화 추이도 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 통계적인 기법을 이용하여 국내 기상청 관측 지점들을 중심으로 강우의 경향성과 변동성을 분석하여 기후변화에 따라 국내 지점들의 강우량 변화 추이를 분석하여보았다. 또한 2000년을 기점으로 과거 자료와 최근의 자료를 이용한 각각의 빈도분석을 통해 댐과 하천 등 주요 수공 구조물들의 설계 기준이 설계강우량의 변화 추이도 분석하였다.
본 연구에서는 다양한 변동성 분석기법들 가운데 Modified T-test와 Modified F-test를 이용하여 표 1에 나타난 22개 기상청 지점에 대해 변동성 분석을 실시하였다. 분석 자료는 지속시간 1시간과 지속시간 24시간에 대해 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 다양한 변동성 분석기법들 가운데 Modified T-test와 Modified F-test를 이용하여 표 1에 나타난 22개 기상청 지점에 대해 변동성 분석을 실시하였다. 분석 자료는 지속시간 1시간과 지속시간 24시간에 대해 분석을 실시하였다. 변동년은 자료의 변동성이 나타나는 시점을 나타내고 있으며, 첫 번째 평균은 변동 전의 평균을 두 번째 평균값은 변동 후의 평균값을 나타내고 있다.
지금까지 기후변화에 따른 강우량의 경향성과 변동성, 그리고 빈도강수량의 변화에 대해 분석하여보았다. 본 절에서는 이러한 분석을 통해 기후변화에 따른 강우량 변화에 따라 향후 각종 설계기준을 보강하는 방안에 대해 기술하고자한다.
적용된 분포형은 국내 수공 구조물 설계에 가장 널리 적합한 것으로 판단되는 Gumbel 분포형을 공통적으로 적용하였으며 사용된 매개변수 추정법은 확률가중모멘트법을 적용하였다. 지속시간은 경향성 분석 및 변동성 분석에서 사용된 것과 동일하게 1시간과 24시간 자료를 각각 적용하였다. 분석 결과를 모든 지점들에 대해 도시하고 분석하는 과정이 필요하나 지면의 한계로 발표 자료로 대체하고자한다.

대상 데이터

본 연구에서는 기상청에서 관리하고 있는 기상지점 가운데 비교적 자료의 축척연수가 길고 전국을 고르게 분석할 수 있다고 판단되는 22개 지점들을 선정하여 분석을 실시하였다. 아래의 표 1은 분석에서 사용된 22개 지점들을 타나낸 것이다.

데이터처리

T-test를 이용하여 기상청 22개 지점들에 대한 경향성 분석을 실시하였다. 그림 3과 그림4는 이들 가운데 하나인 강릉지점의 경향성 분석 결과를 그림으로 나타낸 것이다.

이론/모형

이러한 분석을 통해 국내 각 지점들에 대한 기후 변화에 따른 설계 강우량의 증감 여부를 확인하였다. 적용된 분포형은 국내 수공 구조물 설계에 가장 널리 적합한 것으로 판단되는 Gumbel 분포형을 공통적으로 적용하였으며 사용된 매개변수 추정법은 확률가중모멘트법을 적용하였다. 지속시간은 경향성 분석 및 변동성 분석에서 사용된 것과 동일하게 1시간과 24시간 자료를 각각 적용하였다.

성능/효과

◎ 변동성 분석 결과 : 우리나라 평균 강우 자료를 이용한 분석결과 수자원이 부족한 봄과 겨울에는 변동점을 기준으로 평균값이 감소하는 결과를 나타내었고, 홍수가 빈번한 여름과 가을에는 변동점을 기준으로 평균값이 증가하는 결과를 나타내어 강우와 관련된 기후변화의 분제가 심각함을 알 수 있었다.
이러한 결과를 정략적으로 살펴보면 그림 7과 같이 지속시간 1시간에 대해서는 약 73%가 감소하고 27%가 증가하는 결과를 보여주었으며, 지속시간 24시간에 대해서는 약 18%가 감소하고 82%가 증가하는 결과를 보여주었다. 그림 8은 이러한 결과들 가운데 서울, 부산, 대구, 광주, 인천, 대전 등과 같은 6대 대도시의 결과만을 분석한 것으로 모든 지점에서 지속시간 1시간의 결과는 최근까지를 포함하여 분석한 결과가 1999년까지 자료를 이용한 분석보다 감소하고 지속시간 24시간은 증가하는 현상이 명확히 나타났다.
이러한 결과를 통해 유추해 보면 지속기간 24시간의 분석 결과를 통해서는 도달시간이 비교적 큰 지역에 대해서는 설계 빈도의 강화가 반드시 요구된다고 판단되며, 지속기간 1시간의 분석 결과는 감소의 추세를 보이기는 하지만 현재의 기후변화에 따른 국지성 집중호우와 태풍 등의 발생 가능성을 고려해 보면 섣부른 결론을 내리기에는 무리가 따른다. 따라서 앞으로도 도달시간이 짧은 수공구조물에 대한 방재를 위해서는 빈도해석의 변화에 대한 분석보다는 최근 많은 연구가 진행 중인 레이더 강수예측이나 단기수치모형의 정확도 개선, 돌발홍수예경보(FFG)와 같은 방법을 통한 접근이 타당할 것으로 분석된다.
일반적으로 수공구조물의 설계와 관련된 빈도분석 결과를 분석해 보면 지속시간 1시간에 대해서는 일부 지역을 제외하고는 전반적으로 감소하고 있음을 확인할 수 있었다(그림 6). 반면 속초와 강릉과 같은 영동지역이 크게 증가한 현상을 확인하였는데, 이는 2003년 태풍 매미와 루사와 같이 큰 태풍에 의해 최근 자료를 포함하여 분석한 결과가 크게 증가한 결과로 분석된다. 이외에도 수원과 포항, 통영 지점이 각각 증가하였으나 증가폭이 크지 않아 지역적인 특성인 것에 기인한 증가 현상으로 판단된다.
◎ 설계빈도 분석 결과 : 1999년까지의 최대치 관측 자료를 이용하여 빈도분석을 실시한 결과와 2006년까지의 자료를 이용하여 빈도분석을 실시한 결과를 지속시간 1시간과 24시간의 자료군에 대해 각각 증감여부를 비교하여 보았다. 분석 결과 지속시간 1시간에 대해서는 영동지역과 일부지역을 제외하고는 전반적으로 감소하고 있음을 확인할 수 있었다. 지속시간 24시간 자료를 이용한 분석의 결과는 이와는 확연히 다른 결과를 나타났는데, 춘천, 청주, 전주, 완도 등 일부 지역을 제외하고는 전반적으로 크게 증가하고 있음을 확인하였다.
분석 결과를 모든 지점들에 대해 도시하고 분석하는 과정이 필요하나 지면의 한계로 발표 자료로 대체하고자한다. 분석 결과들 가운데 특이한 지점들을 분석하여 보면, 속초지점은 지속시간 1시간은 2006년 기준이 증가하였고, 지속시간 24시간도 2006년 기준이 증가하였으나 그 크기는 지속시간 1시간이 더 크게 증가하는 현상이 나타났다. 이는 2002년 태풍 루사와 매미 사상에 이 지역에 내린 집중 호우에 의한 결과로 분석된다.
이외에도 수원과 포항, 통영 지점이 각각 증가하였으나 증가폭이 크지 않아 지역적인 특성인 것에 기인한 증가 현상으로 판단된다. 이러한 결과를 놓고 보면 지속시간 1시간과 같이 소하천이나 도심침수에 영향을 줄 수 있는 짧은 지속시간의 강우는 1999년 까지 보다 최근의 경우 (2006년까지)가 전반적으로 감소하고 있어 영동 일부 지역을 제외하고는 설계기준의 강화가 시급하지는 않는 것으로 보여진다. 다만, 이러한 결과는 순수하게 통계적인 기법에 의한 결과로 매개변수의 추정방법과 적정분포형의 선정, 자료의 수준에 따라 달라질 수 있음을 반드시 주의하여야하며, 결론을 내리기 위해서는 보다 깊은 연구가 요구된다.
이러한 결과를 바탕으로 분석해 보면 도달시간이 비교적 큰 지역에 대해서는 설계 빈도의 강화가 반드시 요구되며, 도달시간이 짧은 수공구조물에 대해서는 이러한 빈도해석의 변화에 대한 분석보다는 최근 많은 연구가 진행중인 레이더 강수예측이나 단기수치모형의 정확도 개선, 돌발홍수예경보(FFG)와 같은 방법을 통한 접근이 타당할 것으로 분석된다.
이는 하천방재적인 측면에서 매우 의미하는 바가 큰 결과로 도달시간이 긴 수공구조물 들에 대한 전반적인 설계빈도 강화가 요구된다고 판단된다. 이러한 결과를 정략적으로 살펴보면 그림 7과 같이 지속시간 1시간에 대해서는 약 73%가 감소하고 27%가 증가하는 결과를 보여주었으며, 지속시간 24시간에 대해서는 약 18%가 감소하고 82%가 증가하는 결과를 보여주었다. 그림 8은 이러한 결과들 가운데 서울, 부산, 대구, 광주, 인천, 대전 등과 같은 6대 대도시의 결과만을 분석한 것으로 모든 지점에서 지속시간 1시간의 결과는 최근까지를 포함하여 분석한 결과가 1999년까지 자료를 이용한 분석보다 감소하고 지속시간 24시간은 증가하는 현상이 명확히 나타났다.
분석 결과 지속시간 1시간에 대해서는 영동지역과 일부지역을 제외하고는 전반적으로 감소하고 있음을 확인할 수 있었다. 지속시간 24시간 자료를 이용한 분석의 결과는 이와는 확연히 다른 결과를 나타났는데, 춘천, 청주, 전주, 완도 등 일부 지역을 제외하고는 전반적으로 크게 증가하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 유추해 보면 지속기간 24시간의 분석 결과를 통해서는 도달시간이 비교적 큰 지역에 대해서는 설계 빈도의 강화가 반드시 요구된다고 판단되며, 지속기간 1시간의 분석 결과는 감소의 추세를 보이기는 하지만 현재의 기후변화에 따른 국지성 집중호우와 태풍 등의 발생 가능성을 고려해 보면 섣부른 결론을 내리기에는 무리가 따른다.

후속연구

이러한 결과를 놓고 보면 지속시간 1시간과 같이 소하천이나 도심침수에 영향을 줄 수 있는 짧은 지속시간의 강우는 1999년 까지 보다 최근의 경우 (2006년까지)가 전반적으로 감소하고 있어 영동 일부 지역을 제외하고는 설계기준의 강화가 시급하지는 않는 것으로 보여진다. 다만, 이러한 결과는 순수하게 통계적인 기법에 의한 결과로 매개변수의 추정방법과 적정분포형의 선정, 자료의 수준에 따라 달라질 수 있음을 반드시 주의하여야하며, 결론을 내리기 위해서는 보다 깊은 연구가 요구된다.
본 절에서는 이러한 분석을 통해 기후변화에 따른 강우량 변화에 따라 향후 각종 설계기준을 보강하는 방안에 대해 기술하고자한다. 다만, 이러한 분석은 표 1에서 제시한 기상청 22개의 국한된 지점들의 국한된 자료에 의한 분석 결과임을 밝혀두고자 하며, 최근 급격히 변화하고 있는 이상 기후에 의해 발생되고 있는 국지성 집중호우와 태풍, 가뭄 등의 극한 사상을 제대로 반영하는데 에는 무리가 따를 수 있다. 일반적으로 수공구조물의 설계와 관련된 빈도분석 결과를 분석해 보면 지속시간 1시간에 대해서는 일부 지역을 제외하고는 전반적으로 감소하고 있음을 확인할 수 있었다(그림 6).
◎ 경향성 분석 결과 :우리나라 연평균 강우 자료를 이용하여 경향성 분석을 실시한 결과 연 평균 강수량이 전반적으로 증가하는 결과가 나타났다. 물이 부족한 봄과 겨울철에는 강수량이 감소하고, 홍수가 염려되는 여름과 가을에는 강수량이 증가하는 경향을 나타내어 앞으로 이러한 경향이 지속된다면 수자원과 관련된 많은 어려움이 발생할 수 있을 것으로 판단된다.
지속시간 24시간 자료를 이용한 분석의 결과는 이와는 확연히 다른 결과를 나타났는데, 춘천, 청주, 전주, 완도 등 일부 지역을 제외하고는 전반적으로 크게 증가하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 유추해 보면 지속기간 24시간의 분석 결과를 통해서는 도달시간이 비교적 큰 지역에 대해서는 설계 빈도의 강화가 반드시 요구된다고 판단되며, 지속기간 1시간의 분석 결과는 감소의 추세를 보이기는 하지만 현재의 기후변화에 따른 국지성 집중호우와 태풍 등의 발생 가능성을 고려해 보면 섣부른 결론을 내리기에는 무리가 따른다. 따라서 앞으로도 도달시간이 짧은 수공구조물에 대한 방재를 위해서는 빈도해석의 변화에 대한 분석보다는 최근 많은 연구가 진행 중인 레이더 강수예측이나 단기수치모형의 정확도 개선, 돌발홍수예경보(FFG)와 같은 방법을 통한 접근이 타당할 것으로 분석된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변동년은 무엇을 나타내는가?	분석 자료는 지속시간 1시간과 지속시간 24시간에 대해 분석을 실시하였다. 변동년은 자료의 변동성이 나타나는 시점을 나타내고 있으며, 첫 번째 평균은 변동 전의 평균을 두 번째 평균값은 변동 후의 평균값을 나타내고 있다. 그림 1과 그림 2는 이들 가운데 하나인 강릉지점의 변동성 분석 결과를 그림으로 나타낸 것이다.
	변동년에서 첫 번째 평균은 무엇을 나타내는가?	분석 자료는 지속시간 1시간과 지속시간 24시간에 대해 분석을 실시하였다. 변동년은 자료의 변동성이 나타나는 시점을 나타내고 있으며, 첫 번째 평균은 변동 전의 평균을 두 번째 평균값은 변동 후의 평균값을 나타내고 있다. 그림 1과 그림 2는 이들 가운데 하나인 강릉지점의 변동성 분석 결과를 그림으로 나타낸 것이다.
	미래의 기후를 예측하기 위한 두 가지 방법은 무엇인가?	현 과학 기술에서 이러한 미래의 기후를 예측하기 위해서는 크게 두가지의 방법을 이용할 수 있다. 그 첫 번째가 컴퓨터 모델을 이용하는 방법이고 두 번째가 과거 자료를 이용한 통계적 기법을 통해 매래의 상황을 예측하는 방법이다. 이들 가운데 현재 기상 분야에서 가장 널리 활용되는 기법은 컴퓨터 모델을 이용하는 방법으로 기상의 물리적 특성을 이용한 수치모형인 GCM(Global Climate Model 혹은 General Circulation Model)을 이용하는 것이다.

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