Atmosphere. Korean Meteorological Society Vol. 22, No. 2 (2012) pp. 267-277 한반도 동아시아지역의실시간가뭄감시및전망시스템개발 배덕효 1), * 손경환 1) 안중배 2) 홍자영 2) 김광섭 3) 정준석 4) 정의석 5) 김종군 6) 1) 세종대학교건설환경공학과 2) 부산대학교지구환경시스템학부 3) 경북대학교건축토목공학부 4) 기상청 5) ( 주 ) 헥코리아 6) 환경예측연구소 ( 접수 : 2011 년 12 월 19 일, 수정 : 2012 년 1 월 9 일, 게재확정일 : 2012 년 1 월 20 일 ) Development of Real-Time Drought Monitoring and Prediction System on Korea & East Asia Region Deg-Hyo Bae 1), *, Kyung-Hwan Son 1), Joong-Bae Ahn 2), Ja-Young Hong 2), Gwang-Soeb Kim 3), Jun-Seok Chung 4), Ui-Seok Jung 5), and Jong-Khun Kim 6 1) Department of Civil and Environmental Engrg., Sejong Univ, Seoul 2) Division of Earth Environmental System, Pusan National University, Pusan 3) Department of Architecture and Civil Engrg., Kyungbook National University, Daegu 4) Korea Meteorological Administration, Seoul 5) Hydrology Engineering & Consulting Center, Korea Inc. 6) Environmental Prediction Research Inc. (Received: 19 December 2011, Revised: 19 January 2012, Accepted: 20 January 2012) Abstract The objectives of this study are to develop a real-time drought monitoring and prediction system on the East Asia domain and to evaluate the performance of the system by using past historical drought records. The system is mainly composed of two parts: drought monitoring for providing current drought indices with meteorological and hydrological conditions; drought outlooks for suggesting future drought indices and future hydrometeorological conditions. Both parts represent the drought conditions on the East Asia domain (latitude 21.15~50.15 o, longitude 104.40~149.65 o ), Korea domain (latitude 30.40~43.15 o, longitude 118.65~135.65 o ) and South Korea domain (latitude 30.40~43.15 o, longitude 118.65~135.65 o ), respectively. The observed meteorological data from ASOS (Automated Surface Observing System) and AWS (Automatic Weather System) of KMA (Korean Meteorological Administration) and model-driven hydrological data from LSM (Land Surface model) are used for the real-time drought monitoring, while the monthly and seasonal weather forecast information from UM (Unified Model) of KMA are utilized for drought outlooks. For the evaluation of the system, past historical drought records occurred in Korea are surveyed and are compared with the application results of the system. The results demonstrated that the selected drought indices such as KMA drought index, SPI (3), SPI (6), PDSI, SRI and SSI are reasonable, especially, the performance of SRI and SSI provides higher accuracy that the others. *Corresponding Author: Deg-Hyo Bae, Department of Civil and Environmental Engineering, Sejong University, 98 Gunja- Dong, Gwangjin-Gu, Seoul 143-747, Korea. Phone : +82-2-3408-3814, Fax : +82-2-3408-4332 E-mail : dhbae@sejong.ac.kr 267
268 한반도 동아시아지역의실시간가뭄감시및전망시스템개발 Keywords: UM, LSM, Drought Index, East Asia, Drought Monitoring and Prediction 1. 서론 최근기후변화로인한지구온난화, 엘리뇨및라니냐등의현상은과거에경험하지못했던이상수문기상및기상재해를유발시키고있으며, 매년피해규모가증가하고있는추세이다. 그중가뭄은미국해양기상청 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 이선정한 20 세기최대의자연재해중상위 5 위안에랭크될정도로그피해와영향력은막대하며, 앞으로도그피해가전세계적으로증가할것이라는견해가나오고있어이에대한대책마련이시급한실정이다 (Trenberth et al., 2004). 가뭄은여러측면에서일반자연재해와그성격이다르다. 즉, 가뭄은홍수에비해점진적이고광역적이어서가뭄을감지하더라도구체적인발생시기, 장소및원인을규명하는것이어렵다. 또한, 가뭄은물공급부족에따른물수지불균형현상으로수문순환거동을총체적으로다뤄야할만큼해석범위가광범위하다. 그렇다보니해석범위를기상학적가뭄, 수문학적가뭄, 농업가뭄등으로구분하고각분야별목적에맞게가뭄지수를활용하여가뭄을정량적으로규명하고있으나, 상당수가기상자료에만의존하여가뭄을표현하는문제가있다. 따라서, 효율적인가뭄관리를위해서는가뭄의진행상황을감시및전망하고이를초기에감지하는기술개발이필요하다. 또한, 가뭄의해석을각분야별독립적으로다룰것이아니라대기와지표사이에발생하는수문순환해석을통해가뭄해석에필요한정보를생산하는것이바람직하며, 해석지역도단순히지역또는유역단위가아닌동아시아등의인접국가와의연계가가능할정도로광범위해야할것이다. 현재국외에서는가뭄에대한능동적인대처를위해가뭄조기경보시스템을구축하여웹상으로대국민서비스를수행하고있다. 미국 CPC (Climate Prediction Center) 에서는가뭄지수인 Mckee et al. (1993) 의표준강수지수 (Standard Precipitation Index, SPI) 및 Palmer (1965) 의파머가뭄지수 (Palmer Drought Severity Index, PDSI) 를이용하여미국전역에실시간감시및전망자료로제공하고있으며, 특히, 수문모형을활용하여자국또는전세계를대상으로수문성분 ( 유출및토양수분등 ) 기반의감시및전망정보를실시간으로제공하고있다. 또한, 국립가뭄경감센터 (National Drought Mitigation Center, NDMC) 에서는각기관별수문기상및가뭄지수정보를수집하고통합지수를산정하여매주웹 상으로제공하고있다. 반면국내의경우가뭄정보를제공하는기관이기상청, 한국수자원공사, 농어촌공사및소방방재청이있으나, 대부분기상자료기반의가뭄지수를이용하여감시업무에국한되어있는실정이다. 그예로기상청의경우 2002 년부터우리나라를중심으로각지역별가뭄지수를산정하여웹사이트를통해가뭄정보를제공하고있다 ( 기상청, 2004). 제공되는가뭄지수의경우가뭄판단지수, PDSI, SPI, 강수량십분위 (Decile), 평균치비율 (Pertile of Normal, PN) 및강수량효과비등이있으며, 각정보는일별로제공된다. 이는기록된강수및기온정보만을이용하여산정된결과이며, 예측자료를활용하여가뭄을사전에대비할수있는가뭄조기경보체제와성격이다르다. 이에본연구에서는기상관측및장기기상예측정보를이용한동아시아한반도수문정보생산기술개발과실시간가뭄감시및전망시스템구축에관한기법을제시하고자한다. 본연구의 2 절에서는시스템구축에대한주요기술들을언급하고 3 절에서는시스템구성및주요기능에대해기술하고자한다. 4 절에서는구축된시스템으로부터생산된가뭄정보를평가및검증한사항에대해제시하고, 5 절에서는본연구에서개발한주요연구결과를요약제시하고자한다. 2. 수문기상및가뭄정보생산기술 2.1. 대상영역및해상도본연구의목적은우리나라와같이몬순의영향을받는동아시아지역에대한물리적기반의기상및수문현상모의를통하여가뭄관리를위한정보를실시간으로제공할수있는시스템을개발하는데있다. 이에영역을동아시아및한반도로구분하였으며, 선정된영역의범위는동아시아의경우위도 21.15~50.15 o, 경도 104.40~149.65 o, 한반도는위도 30.40~43.15 o, 경도 118.65~135.65 o 위치한다. Fig. 1 은본연구에서채택된영역을도시한것이다. 여기서, 동아시아영역은현재기상청에서수치예보에활용하고있는전지구통합모형인 UM (United Model) 의경계를반영하였으며, 영역내에속한국가는러시아일부를포함하여몽골, 중국, 북한, 남한, 대만및일본으로총 7 개국가로구성되어있다. 해상도결정은기상및수문해석의기초과정에속하며, 특히, 여러입력자료구축에있어기준이되는중요한사항이다. 이에본연구에서는다음절에언 한국기상학회대기제 22 권 2 호 (2012)
배덕효 손경환 안중배 홍자영 김광섭 정준석 정의석 김종군 269 Fig. 1. East Asia and Korea Regions for Drought Monitoring & Prediction. Table 1. The details of Regional UM configuration. East Asia Korea Horizontal dimensions 180 150 186 184 Horizontal resolution 0.246 o 0.082 o Latitude of start point 20.172 o 8.20 o Longitude of start point 335.40 o 352.62 o 급할수문모형의적정해상도범위 (Liang et al., 2004) 와입력자료구축및모의시간등을고려하여동아시아를 1/4 o, 한반도를 1/8 o 구분하였으며, 동아시아지역내총 10,571 개, 한반도는 5,038 개의격자를생산하였다. 2.2. 기상전망자료생산기상청은영국기상청과의공동협력에의하여영국기상청에의해개발된수치예보및기후예측모형인 UM (Unified Model) 을도입하였으며, 2010 년이후현업모형으로운영하고있다. 본연구를위하여기상청에구축되어있는전구수평해상도 N144 (1.25 0.83 o ), 연직해상도 L38 ( 약 39 km) 인 UM v7.4 를기반으로동아시아와한반도영역에대해지역규모 UM (Regional UM, RUM) v6.6 을기상청슈퍼컴퓨터 3 호기에구축하였다. RUM 의영역및격자정보는 Table 1 과같다. 영국기상청에서사용중인 UM 의수평해상도는 4km ( 악기상 ) 이기때문에본연구에서설정한한반도지역에대한 9km 해상도적분은충분히타당하다고판단하였다. Fig. 2 는 UM 예측적분흐름도이다. UM 의예측을위해서경계조건으로사용되는 SST (Sea surface temperature) 는 National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Earth System Research Laboratory (ESRL) 에서제공하는 OI (Optimal Fig. 2. Flow chart for Regional UM experiment. Interpolation) SST 월평균기후값에기상청엘니뇨예측모델에의해생산된 SST 아노말리를더한값을사용하였다. 해빙자료는 UM Sea-Ice 월별기후값자료를사용하였다. 초기장은기상청분석 UM 초기장을입수하여장기예측용 UM 초기자료로재구성하여사용하였다. 기상청엘니뇨예측모델 SST 아노말리자료가생산되어있지않은경우에는적분개시전달의 SST 아노말리자료를이용하도록하였다. 그리고전구 UM (Global UM, GUM) 적분을위해 1 o 1 o 생산되어있는 SST 는 N144 해상도에맞게변환하여생성했다. RUM 을위한 SST 생성은전구와유사한방식으로전구 1 o 1 o 자료를동아시아와한반도영역으로해상도를변환하고내삽하며, 초기장생성또한전구와동일한방식으로장기예측용 RUM 초기자료로재구성하여사용하였다. GUM 과 RUM-East Asia 적분수행중에각각 RUM-East Asia 와 RUM-Korea 의측면경계조건 (Lateral Boundary Condition, LBC) 이생산된다. GUM 과 RUM 모두 5 개월예측자료를 Atmosphere, Vol. 22, No. 2. (2012)
270 한반도 동아시아지역의실시간가뭄감시및전망시스템개발 생산하며, GUM 은 15 분, RUM 은 3 분의적분간격 (time step) 을적용하였다. 수문모형의입력자료로사용되는최고기온, 최저기온, 강수, 10 m 풍속예측자료는 opengrads 를이용하여수문모형의격자에맞게내삽처리된다. 2.3. 수문해석정보생산국외지역에대한수문성분을산정하기위해서는국가규모의수문해석이가능한지표수문해석모형 (Land Surface Model, LSM) 이필요하다. 본연구에서는전세계적으로국가별수문해석에있어그적용성이검증된 VIC (Variable Infiltration Capacity) 모형을선택하였다 (Liang, 1994). VIC 모형은 1994 년미국 University of Washington 의 Dennis Lettenmaier 박사연구팀에의해개발되었으며, 이미국내에서도그적용성이검증된바있다 ( 손경환등, 2010). 동아시아및한반도에대한 LSM 을구축하기위해서는국내뿐만아니라국외지역에대한지형및장기간의기상자료가구축되어야한다. 손경환등 (2010) 은국내자료와의비교분석을통해전지구지형및기상자료의가용여부를평가한바있으며, 국내자료와비교할경우자료의불확실성은있으나, 기간별 ( 월, 계절등 ) 해석을수행한다면활용성은충분하다고제시한바있다. 본연구에서는기존연구성과를토대로동아시아지역에대한전지구지형및기상자료를수집하였으며, 수집된자료는 DEM, 토지피복도, 토양도, 최고기온, 최저기온, 평균풍속및강수자료이다. 여기서 DEM 은미국지질조사국 (United States Geological Survey, USGS) 에서제공하는 30'' 30'' 간격의자료, 토양자료는국제연합식량농업기구 (Food Agriculture Organization, FAO) 에서제공하는 5' 5' 해상도기반의자료, 토지피복도는전지구를대상으로 1km 간격의토지피복도를제공하는 University of Maryland (UMD) 의토지피복 (Land cover) 자료를활용하였다. 기상자료의경우세계기상통신망 (Global Telecommunication System, GTS) 의자료를활용하였으며, 수집된국외기상관측소의경우러시아 47 개소, 몽골 18 개소, 중국 246 개소, 북한 27 개소, 일본 133 개소및대만 6 개소 이다. 남한의경우국내기상청 (Korea Meteorological Administration, KMA) 에서제공하는 ASOS (Automated Surface Observing System) 및 AWS (Automatic Weather System) 자료를활용하였다. 수문해석을통해생산되는수문정보는자연유량, 증발산량및토양수분량등이있으며, 이는구조물또는인간의인위적인영향을받지않은자연상태에서생산되는정보를뜻한다. 모의기간은토양수분의 Warm Up 기간을고려하여 1982 년부터모의가시작되며, 각격자별로일단위수문성분값들이생산된다. 2.4. 가뭄지수생산가뭄지수는가뭄을평가하는비구조적인수단중의하나로써가뭄의정도를시 공간적으로표현하고그크기와강도를정량적인수치로표현하기위해개발된정보이다. 본연구에서는앞서기술한수문기상정보를토대로동아시아및한반도영역에가뭄지수를생산하고자하며, 특히, 자연상태에서발생하는가뭄을표현하고자한다. 가용가뭄지수로는현재기상청에서제공하는가뭄지수들중에서국내적용성이높은기상청가뭄판단지수 (Drought Decesion Index, DDI) 와 SPI 및 PDSI 를선정하였으며 ( 기상청, 2007 ; 류재희등, 2002), 기존에손경환등 (2011) 이개발한수문성분기반의가뭄지수인표준유출지수 (Standard Runoff Index, SRI) 와표준토양수분지수 (Standard Soil moisture Index, SSI) 를선정하였다. Table 2 는각가뭄지수의범위별가뭄심도를종합하여나타낸것이다. 여기서, SPI 는해당기간의강수량부족에대한확률적특성을적용하여산정되는지수이며, PDSI 는월단위강수및온도자료를활용하여실제수분공급이기후적으로필요한수분공급보다많고적음의기준으로가뭄상태를평가한다. 가뭄판단지수는 SPI, PDSI 및평년치비율과무강수일수를활용하여가뭄을판단하는지수이며, 마지막 SRI 와 SSI 는지표수문해석모형에서산정되는유출및토양수분량을확률분석을통해생산되는지수이다. 각지수별이론및구체적인산정방법에대해서는기상청 (2007) 및손경환등 (2011) 을참조하기바란다. Table 2. Classification of Drought Severity for the Range of Indices Values. SPI, SRI, SSI, KMA Drought Index PDSI Values Drought Category Values Drought Category 1.0 < Z Wet 0.5 < Z Wet 1.0 < Z 1.0 Normal 0.5 < Z 0.5 Normal 1.5 < Z 1.0 Moderate Drought 3.0 < Z 0.5 Moderate Drought 2.0 > Z Severe Drought 3.0 > Z Severe Drought 2.00 Z Extremely wet 4.00 Z Extremely wet 한국기상학회대기 제22권 2호 (2012)
배덕효 손경환 안중배 홍자영 김광섭 정준석 정의석 김종군 271 3. 실시간가뭄감시및전망시스템 3.1. 시스템구성본연구에서는이전절에서기술된주요기술들을토대로실시간가뭄감시및전망시스템을개발하였다. 그중동아시아영역에대한수문기상및가뭄감시 전망정보생산기술은본시스템의가장핵심적인기술이며국내에서는최초로개발되었다. 본시스템은동아시아및한반도영역에대한수문기상및가뭄지수정보를기반으로가뭄을판단할수있는정보를제공하며, 웹기반으로시스템에구축되어사용자가가뭄에대한현재의상황과앞으로의전망을신속하고명확하게판단할수있도록관련된모든정보를데이터베이스화및이미지화하는동시에테이블로도제공한다. 시스템구성은현재와미래의가뭄정보를영역별로제공하기위해수문기상및가뭄지수항목들을크게감시와전망으로구분되며, 영역은동아시아, 한반도및남한으로분류된다. 시스템에서의자료생산및활용체계는 Fig. 3 에서볼수있듯이우선기상자료는일단위강수, 최고기온, 최저기온및평균풍속이활용되며, 감시에서는기상관측자료를, 전망에서는 UM 모델로부터생산된예측자료를활용하게된다. 수문해석에서는실시간으로수집된기상정보와지형자료를 LSM 모의를위해각영역별적정해상도로변환되며, 생산되는정보로는일단위자연유량, 토양수분량및증발산량이있다. 가뭄정보로는가뭄지수인 SPI (3), SPI (6), PDSI, SRI, SSI 및가뭄판단지수가있으며, 감시에서는기상관측및 LSM 결과를, 전망에서는 UM 및 LSM 전망결과를활용하여산정된다. 자료생산시간은감시와전망모두매일생산되며, Fig. 3. Flow Chart for Development of Real-Time Drought Monitoring and Prediction System. 정보표출시간단위는감시의경우현재, 1 개월전, 2 개월전및 3 개월전으로, 전망은 1 개월후, 2 개월후및 3 개월후로구분된다. 또한, 각시간단위별로누적및평균수문기상및가뭄지수값들이제공되며, 특히, 수문기상의경우평년비교 ( 아노말리및평년대비 ) 값을제시함으로써현재의가뭄상황을가뭄지수와같이볼수있도록구현하였다. 3.2. 주요표출정보및기능시스템메뉴는크게가뭄의개요, 가뭄감시 / 전망, 수문기상감시 / 전망및정보마당으로구분된다. 가뭄의개요는가뭄의정의와가뭄지수들의이론에대한항목을포함한다. 가뭄감시 / 전망에는가뭄감시및가뭄전망으로구분되며, 각항목별로통합가뭄지수, 개별가뭄지수및지역별가뭄지수정보를포함한다. 수문기상감시 / 전망에서도크게는수문기상감시및수문기상전망으로구분되며, 통합보기, 자연유량, 토양수분량, 증발산량, 강수량, 최고기온및최저기온정보를포함한다. 정보마당은시스템개요, 국내외가뭄관련기관사이트및지형자료등의여러기타정보들을제공한다. Fig. 4 는본시스템에서제공하는주요정보를나타낸것이며, 각구성별설명은다음과같다. Fig. 4(a) 는실시간가뭄감시및전망시스템의메인화면으로써 4 개의이미지가표출된다. 좌상단그림은현재의가뭄판단지수, 좌하단은현재의자연유량, 우상단은 1 개월및 3 개월후의가뭄판단지수, 우하단에는예측자연유량를의미한다. 이는가뭄및수문기상의상황을동시에제공함에따라사용자가현재및앞으로의가뭄상태를메인화면에서전반적인상황을판단할수있도록구성한것이며, 각이미지의우측에는기간및영역설정버튼을두어사용자가원하는기간및영역선택을할수있도록되어있다. Fig. 4(b) 는가뭄감시 / 전망의개별가뭄지수항목으로가뭄을판단할수있는모든지수정보인가뭄판단지수, SPI (3), SPI (6), SRI, SSI 및 PDSI 를선택영역에대하여한눈에확인이가능하다는특징이있다. 따라서사용자가원하는가뭄지수를선택하면현재의가뭄정도를분포도로확인이가능하며, 원하는영역을선택할경우해당영역에대한가뭄정보가표출된다. Fig. 4(c) 는가뭄감시 / 전망의지역별가뭄지수항목으로선택한영역에대하여현재의가뭄정보와특정날짜의과거가뭄정보를비교및분석하기위하여범례에따른분포도, 가뭄면적비 (%) 그래프, 시계열테이블을모두제공하는항목이다. 또한, 정보표출영역을동아시아, 한반도, 남한에서유역및행정구역별로구분하여보다세분화된지역을대상으로분석이가능하도록하였다. Fig. 4(d) 수문기상감시 / 전망에수문기상감시의통합보기항목으로좌측에는자연 Atmosphere, Vol. 22, No. 2. (2012)
272 한반도 동아시아 지역의 실시간 가뭄 감시 및 전망 시스템 개발 Fig. 4. The Main Information on the Developed System. 유량, 토양수분량 및 증발산량, 우측에는 강수량, 최 고기온 및 최저기온 순으로 정보가 제공된다. 감시의 경우 현재의 수문기상 값과 과거 3개월 이전의 누적 값이 표출되며, 특히 해당기간의 과거 30년 이상의 자 료와의 비교를 통해 아노말리 및 평년대비 값을 각 항목 및 기간별로 제공한다. 따라서 사용자가 선택하 는 정보에 따라 각 기간별 대상영역에 대한 정보가 변경된다. 전망에서는 기본 1개월 및 3개월 이후로 구 분되며, 정보제공의 형식은 감시와 동일하다. 또한, 상 세 팝업창을 통해 수문기상 정보의 세부적인 정보를 확 인 할 수 있도록 하였으며, 선택영역에 대한 분포도, 시계열 그래프 및 테이블로 권역별 수문기상 정보를 제공하고 있다. 이와 같은 각 해석 정보들은 모두 데이터베이스 기 반으로 입력되며 매일 갱신된다. 시스템을 통하여 사 한국기상학회 대기 제22권 2호 (2012) 용자는 웹 브라우저를 통해 시스템에 접속하여 실시 간으로 표출된 수문기상 및 가뭄 자료를 검색할 수 있다. 4. 가뭄정보 생산 및 검증 4.1. 과거 가뭄기록 조사 가뭄피해의 경우 그 특성상 시작과 끝을 알기가 힘 들뿐 아니라 피해지역을 정량적으로 제시하기가 어려 워 평가에 많은 불확실성이 따르게 된다. 이로 인해 가뭄평가의 경우 여러 가뭄지수를 산정하고 과거 피 해사례와의 비교를 통해 해당 가뭄지수의 재현정도를 분석하는 방법이 주로 활용된다. 본 연구에서는 그동 안 국내에서 발생한 가뭄기록을 수집하였으며, 1990년 부터 2009년까지 신문 또는 메스컴 자료와 가뭄기록 조사 보고서 (건설교통부, 1995), 2001 가뭄기록 조
배덕효 손경환 안중배 홍자영 김광섭 정준석 정의석 김종군 273 Table 3. Drought Impact Period and Province (19912009). Year Month Damaged Province Remarks 06 Jeonbook, Jeonnam, Kyungbook, Kyungnam 1992 07 entire region 08-1994 07 entire region 1995 05-07 Jeonbook, Jeonnam, Kyungbook, Kyungnam Chungbook, Chungnam 1995 08 Jeonbook, Chungbook, Chungnam, Kyunggi 09-1996 11 Jeonbook, Jeonnam, Kyungbook, Kyungnam 1997 03-1997 10 Jeonbook, Jeonnam, Kyungbook, Kyungnam 12-2000 02 Jeonbook, Jeonnam, Kyungbook, Kyungnam 06-04 Jeonbook, Jeonnam, Kyungbook, Kyungnam 2001 05 Kyunggi, Chungbook, Chungnam, Gangwon 06 entire region 06-2001 09 Kyunggi, Chungbook, Chungnam, Gangwon 12-2006 11 entire region 2007 01-2008 09 Jeonbook, Jeonnam, Kyungbook, Kyungnam Gangwon 2009 04 - ( ) : Drought Occurrence, ( ) Drought End 사보고서 ( 건설교통부, 2002) 자료를토대로조사하였다. Table 3 은연도별피해기간, 피해지역, 가뭄발생및해갈에대해각각구분하여나타낸것이다. 가뭄사례를수집하는과정에서문헌및신문기사에서가뭄을표현하는방법대부분이행정구역별로피해지역을나타냄에따라본연구에서도기록과유사한행정구역단위로가뭄피해지역을구분하여사용하였다. 수집된가뭄기록들을살펴보면국내의경우평균 2 년에한번주기로지역별또는전국적으로크고작은가뭄을겪고있는것으로나타났으며, 그중에서대표적인가뭄사상으로는 1990 년대의경우 1994, 1995 년, 2000 년대에는 2001, 2008, 2009 년으로나타났다. 4.2. 가뭄정보생산및평가 4.2.1. 시계열평가본연구에서는시스템에서생산된지수들을중심으 로시계열에따라기록된가뭄사상을적절히반영하는가에대해평가하였다. 또한, 해당기간에수문기상정보들중가뭄발생과관계가깊은강수, 유출및토양수분자료를토대로평년대비값을산정하여가뭄정보로의활용성을평가하였다. Fig. 5 는 1991 년부터 2009 년까지월별로산정된가뭄판단지수, SPI (3), SPI (6), PDSI, SRI 및 SSI 와강수, 유출및토양수분값을시계열에따라도시한것이며, 그림에서 와 는 Table 3 에제시한실제기록된가뭄사상에서의가뭄발생 ( ) 및해갈 ( ) 을의미한다. 또한, 강수, 유출및토양수분그림에서의회색점은각월별평년값을의미하며, 가뭄지수그림에서회색실선은각지수별가뭄기준선을뜻한다. 우선, 수문기상정보인월별강수, 유출및토양수분결과를살펴보면각사상별로가뭄기간에서는각각의성분들이평년이하로나타났으며, 특히가뭄해갈에서는평년보다높아가뭄관리에있어적용성이 Atmosphere, Vol. 22, No. 2. (2012)
274 한반도 동아시아 지역의 실시간 가뭄 감시 및 전망 시스템 개발 Fig. 5. Temporal Analysis of Drought Indices (1991~2009 year). 높은 것으로 나타났다. 6개 가뭄지수에 대한 평가에 서는 SPI (3), SRI 및 SSI가 1994~1995년 사상을 제 한국기상학회 대기 제22권 2호 (2012) 외하고는 가뭄을 적절히 재현하는 것을 볼 수 있다. 그 중 SRI의 경우 단기가뭄 사상인 2001년과 2008~
배덕효 손경환 안중배 홍자영 김광섭 정준석 정의석 김종군 275 Table 4. Drought Indices and Hydro-Meteorological Data for Each Drought Year. Drought Period Precipitation KMA Percentile of Drought SPI(3) SPI(6) SRI SSI PDSI Year Month Normal year Index (%) 2001 2008 2009 Runoff Percentile of Normal year (%) Soil moisture Percentile of Normal year (%) 03 0.93 0.22 0.30 0.86 1.05 1.25 14.25 63.39 54.50 04 2.16 1.23 0.79 1.10 0.35 0.58 16.12 9.47 14.99 05 2.03 2.40 1.48 1.25 1.78 0.17 17.01 11.21 11.67 06 0.05 0.36 0.27 0.58 1.69 0.45 75.07 62.12 24.49 09 1.12 0.79 0.70 1.11 1.06 1.24 26.67 14.84 18.94 10 0.81 0.85 0.65 1.22 1.20 1.58 41.73 23.07 19.83 11 1.50 1.21 0.79 1.89 1.56 1.64 29.55 15.37 16.19 12 1.64 1.00 1.06 1.75 1.67 1.55 44.15 18.82 17.93 01 1.41 1.25 1.19 1.91 1.81 1.22 28.75 13.47 11.34 02 0.07 0.32 1.32 1.53 1.83 1.18 61.82 31.05 17.96 03 0.07 0.12 0.93 1.01 1.99 1.16 52.01 38.50 25.82 04 0.30 0.34 0.90 0.67 1.60 1.34 36.72 50.72 19.38 Table 5. Drought Division Table on Drought Occur & Termination. Drought Index Verifying analysis Occur Termination Occur Z(zero) F(false) Observed Drought Event Termination M(miss) H(hit) 2009 년사상에서가뭄의시작과지속및해갈을적절히표현하였으며, SPI (3) 은 2008~2009 년사상에서중간에가뭄이해갈된것으로나타나보도된사항과일치하지않는것으로확인되었다. 가뭄판단지수의경우가뭄이아닌기간에서도가뭄이라표현하는것으로나타났으며, SPI (6) 는단기간의가뭄사상을재현하지못하는구간이일부존재하였다. PDSI 는지수의특성상장기간의가뭄을감지하는데유용하였으나 ( 류재희등, 2002), 가뭄해갈을적절히표현하지못하는단점이있다. Table 4 는 2000 년도이후국내에서극심했던주요가뭄사상 (2001 년및 2008~2009 년 ) 에대해전체산정지점별가뭄심도와강수, 유출및토양수분의평년대비값을평균하여지속기간별로나타낸것이다. 우선 2001 년의경우가뭄이 4 월에시작하여 6 월중순에해갈된사상으로단기간발생한가뭄에속한다. 이에가뭄판단지수는 4 월에 2.16 에서 6 월 0.05 로가뭄의발생과해갈을적절히나타냈으며, SPI (3) 및 SRI 모두동일한것으로나타났다. SSI 는 5 월에가뭄이발생하여 6 월까지도지속된다고하였으며, PDSI 는가뭄을전혀감지하지못한것으로나타났다. 2008 년가 뭄사상의경우피해기간은 2008 년 9 월을시작으로 2009 년 4 월초에해갈된사상으로, SRI 및 SSI 모두해당기간에대한가뭄상황을적절히반영하는것으로확인되었으며, 가뭄판단지수와 SPI (3) 는가뭄이 11 월에시작하여 2 월에해갈된것으로표현하였으며, 가뭄의시작및종료를적절히해석하지못한것을알수있다. PDSI 는대부분의값이 0.5 이하로가뭄임을나타내었으나, 가뭄이해갈된이후에도가뭄이지속되어기록된사항을반영하지못한것으로나타났다. 4.2.2. 통계적평가본연구에서는가뭄지수의객관적인평가를위해통계적가뭄지수평가를수행하여시스템에서생산되는가뭄지수들의적용성을검증하였다. 통계적가뭄지수평가방법은기존에강수예보모델의검증을위해강우분할표에기초한강수발생의유무에따라평가를수행한사례가있으며 ( 윤성심등, 2011), 본연구에서는이를가뭄에적용하여분석하였다 (Table 5). 평가방법은정확도 (Acuuracy, ACC) 및편이 (Bias score, Bias) 로구분되며, ACC 는가뭄발생을유 / 무로했을경우실제관측이적중한경우와그렇지못한 Atmosphere, Vol. 22, No. 2. (2012)
276 한반도 동아시아지역의실시간가뭄감시및전망시스템개발 Table 6. Statistical Analysis Results Using Drought Indices. Drought Indices ACC Bias KMA Drought Index 0.79 1.10 SPI(3) 0.81 0.66 SPI(6) 0.79 0.65 PDSI 0.77 1.60 SRI 0.85 0.89 SSI 0.84 0.95 경우에대한적중평가비율로서식 (1) 을이용하여산정된다. 산정시 0에서 1의값을가지며완전한값은 1을의미한다. Bias는관측된가뭄사상과가뭄지수를비교한것으로만약 1의값을가지면관측된가뭄사상과가뭄지수모두동일하지만동일시간에서동시에발생하는지는알수없다. 다만, 산정시 1보다작을경우가뭄지수가가뭄을과소추정한것으로판단하며, 1보다클경우과대추정한것으로판단한다. Bias의산정은식 (2) 를이용하여산정된다. 본연구에서는이두가지검증스코어와가뭄분할표를기초하여각지수별평가를수행하였다. ACC = ----------- Z+ H (1) N Bias = F+ H (2) M ------------- + H 이두가지검증스코어와가뭄분할표를기초하여 1991 년부터 2009 년까지각지수별적용성평가를수행하였다 (Table 6). 평가결과 ACC 는 SRI, SSI 및 SPI(3) 가가장높게산정되었다. Bias 는 SSI 가가장 1 에근접하였으며, SPI (3) 과 SPI (6) 는전체지수들중에서가뭄을과소추정하는경향이있는것으로나타났다. 반면, PDSI 는 1.60 으로가장높았으며, 가뭄을과대추정하는것으로나타나전체지수들중활용성이가장낮은것으로확인되었다. 이와같이본시스템에서생산되는가뭄지수들의활용성을분석한결과 SRI, SSI, SPI (3), 가뭄판단지수, SPI (6) 및 PDSI 순으로나타났다. 수문해석을통해산정된가뭄지수인 SRI 및 SSI 가가장높은것으로나타났으며, 나머지지수들또한활용가치가있는것으로판단된다. 다만, 몇몇지수가가뭄을적절히재현한다고해서이를절대적인지표로결정하기는힘들며, 추후이러한지수들을대표할수있는통합가뭄지수를개발에관한연구가수행되어야할것이다. 5. 결론 본연구에서는동아시아영역을기반으로한실시 간수문기상및가뭄감시 전망시스템을구축하였으며, 시스템의주요기술, 구성및기능에대해설명하고생산된가뭄정보들의적용성을평가하였다. 본연구에서분석된결과를정리하면다음과같다. 1) 본시스템의핵심기술인실시간동아시아수문기상및가뭄정보생산기술을제공하였다. 시스템에활용되는기상자료는강수, 최고기온, 최저기온및평균풍속으로, 가뭄감시에는기상관측자료가, 가뭄전망에는 UM 자료가활용된다. 수문정보는지표수문해석모형인 LSM 을활용하였으며, 지형자료구축후동아시아영역에대한유출, 증발산및토양수분량을생산한다. 가뭄정보는기상청가뭄판단지수, SPI (3), SPI (6), PDSI 그리고수문성분인유출및토양수분을이용하여산정된 SRI 및 SSI 를활용하였다. 2) 본연구에서개발된시스템에대한개요및주요기능을제시하였다. 시스템구성은동아시아, 한반도및남한을대상으로수문기상감시 전망및가뭄감시 전망으로구분된다. 본시스템은웹기반으로구축되어모든정보를데이터베이스화및이미지화하는동시에테이블로도제공한다. 주요기능으로는메인화면에서현재및미래의가뭄상태를객관적으로판단할수있도록구성하였으며, 각요소들을통합및지역별로검색이가능하도록제시하였다. 각정보들은매일갱신되며, 사용자는웹브라우저를통해시스템에접속하여실시간으로표출된수문기상및가뭄자료를검색할수있다. 3) 본시스템에서생산되는가뭄정보의적용성을검증하였다. 과거가뭄기록들을수집하고수문기상정보에서강수, 유출및토양수분량과 6 개의가뭄지수들을이용하여적절성을평가하였다. 평가방법은시계열평가및통계적평가를수행하였으며, 생산된가뭄지수들모두가뭄관리에적절한것으로나타났다. 또한, 수문성분기반의 SRI 및 SSI 는여러지수들중에서도정확도가가장높은것으로나타났으며, 수문기상정보의경우평년과비교하였을경우가뭄기간에서평년보다낮게표현되어가뭄정보로의활용가치가충분한것으로판단된다. 국내각가뭄관리기관에서는그동안다양한가뭄정보를생산및제공해왔으며, 현재도유용한정보를제공하기위해많은노력을기울이고있다. 본시스템은국내최초로동아시아지역에대한물리적기반의기상및수문현상모의를통하여가뭄감시와전망정보까지실시간으로제공할수있는시스템을개발하였다는측면에서그가치가충분히높다고판단된다. 다만, 다양한가뭄지수들을대표할수있는통합가뭄지수의개발은배제할수없는상황이다. 또한, 현시스템은가뭄감시에대한적용성평가는이루어졌으나전망에대해서는검증되지않은실정이며, 한국기상학회대기제 22 권 2 호 (2012)
배덕효 손경환 안중배 홍자영 김광섭 정준석 정의석 김종군 277 UM 전망자료의지속적인확보를통하여가뭄전망자료의실효성을검증하는연구가필요하다. 감사의글 이연구는기상청기후변화감시 예측및국가정책지원강화사업 (RACS_2010-4601) 의지원으로수행되었습니다. 참고문헌 건설교통부, 1995: 가뭄기록조사보고서, 2002: 2001년가뭄기록조사보고서기상청, 2007: 산업기상지수산출기술개발류재희, 이동률, 안재현, 윤용남, 2002: 가뭄평가를위한가뭄지수의비교연구. 한국수자원학회논문집, 35(4), 397-410. 손경환, 이종대, 배덕효, 2010: 전지구수문해석모형의국내적용성평가. 한국수자원학회논문집, 43(12), 1063-1074., 배덕효, 정준석, 2011: 지표수문해석모형을활용한국내가뭄해석적용성평가. 한국수자원학회논문집, 40(12), 1063-1074. 윤성심, 배덕효, 2010: 이류모델을활용한초단시간강우예측의적용성평가. 한국수자원학회논문집, 43(8), 695-707. Liang, X., D. P. Lettenmaier, E. F. Wood, and S. J. Burges, 1994: A simple hydrologically based model of land surface water and energy fluxes for general circulation models. Journal of Geophysical Research, 99(7), 14415-14428., G. Jianzhong, and L. Ruby Leung, 2004: Assessment of the effects of spatial resolutions on daily water flux simulations. Journal of Hydrology, 298(1-4), 287-310. Mckee, T.B., N. J. Doesken, and J. Kleist, 1993: The Relationship of Drought Frequency and Duration to Time Scales. 8th Conference on Applied Climatology, 17-22 January, Anaheim, California. Palmer, W. C., 1965: Meteorological drought, Research paper. 45, U.S. Weather Bureau. Trenberth, K. E., J. T. Overpeck, and S. Solomon, 2004: Exploring drought and its implications for the future. Eos, Transactions American Geophysical Union, 85(3), 27-27. Atmosphere, Vol. 22, No. 2. (2012)