Issue
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1. 머리말
기후변화로 인하여 전 세계적으로 물 관련 재해는 매년 급증하고 있으며, 우리나라 또한 이러한 재해
로 부터 자유로울 수 없기에 안전한 국가를 구축하 기 위해 국토관측 센서 기반의 실시간 및 준실시간 의 고품질의 수문자료를 생산하고, 이를 지역 및 수 재해 특성별로 예측 하고 평가할 수 있는 기술개발 이 필요로 하게 되었다.
본 고에서는 ‘(2-3) 실시간 가뭄감시 및 전망기술’
의 진행 상황 및 향후계획을 소개하고자 한다. 3차 년도가 끝난 현재, 수문학적 가뭄 모니터링 및 감시 를 위하여 2001년 ~ 2015년까지 구축된 MODIS 위 성영상 및 TRMM/GPMM 위상강우자료를 활용하 여 기상학적/농업적/수문학적 가뭄지수를 산정하였 다. 단기 가뭄전망을 위하여 WRF-LSM 모형을 연 동하여 수문변량을 산출하였으며, 중장기 가뭄전망 의 경우 베이지안 네트워크를 활용한 확률론적 가 뭄 예측을 실시하였다.
2. 가뭄감시를 위한 위성데이터 구축
가뭄은 다른 자연재해와는 달리 진행속도가 느리 고 시·공간적으로 파악하기 어려울 뿐만 아니라 가 뭄피해의 영향은 장기적이며 그 파급효과가 사회·
경제·환경 등에서 복잡한 양상으로 나타나기 때문 에 피해규모도 파악하기 어렵기 때문에 이를 효과적 으로 감시하고 평가할 수 있는 방안이 필요로 하게 되었으며, 기존의 가뭄지수의 단점을 보완할 수 있
Issue
실시간 위성자료기반 가뭄감시 및 04
가뭄전망 기술 개발
이 주 헌
중부대학교 토목공학과 교수 [email protected]
권 현 한
전북대학교 토목공학과 교수 [email protected]
김 태 웅
한양대학교 건설환경플랜트공학과 교수 [email protected]
박 경 원
APEC 기후센터 선임연구원 [email protected]
는 수단으로 높은 활용성을 갖는 위성영상자료를 활 용한 가뭄감시 및 전망 기술을 필요로 하게 된다. 위 성영상자료는 시·공간적으로 비교적 연속적으로 생산되므로 미계측 지역에 대해서도 가뭄 정보를 도 출 할 수 있게 되었다.
따라서 본 연구에서는 실시간 가뭄감시 및 전망을 위하여 MODIS 위성영상 기반의 데이터를 2001년
~2015년까지 구축하였으며, 강우 자료의 경우 기상 학적 가뭄지수 산정을 위하여 1983년 ~ 2015년까 지의 Persiann/TRMM/GPM 위성 자료를 활용하였 다(그림 1). 구축된 위성강우자료의 경우 시간 및 공 간해상도가 다르기 때문에 통계적 기반의 자료 상세 화 기법을 활용하여 공간해상도를 10km에서 1km 상세화한 자료를 사용하였다.
그림 1. 위성영상 기반의 데이터 구축
3. 가뭄감시를 위한 위성자료기반 가뭄지수 산정
가뭄의 정의는 일반적으로 크게 ３가지로 기상학 적 가뭄, 농업적 가뭄, 수문학적 가뭄으로 분류하 여 나타낸다. 앞서 구축한 위성영상자료를 바탕으 로 가뭄을 감하기 위해서 일반적인 가뭄분류인 기 상학적／농업적／수문학적 가뭄지수를 조합을 통 해 산정하였다. 위성영상자료를 통해 산정된 가뭄지 수의 경우 적합성을 판단하기 위해서 가뭄피해지역 과의 비교를 통해 한반도에 적용 가능한 지수를 산
정하려고 하였다. 기상학적 가뭄의 경우 위성강우자 료를 활용하여 표준강수지수인 SPI(Standardized Precipitation Index)를 산정하였으며, 농업적 가 뭄지수의 경우 VSIA(Vegetation Stress Index Anomaly)와 VHI(Vegetation Health Index), 수문 학적 가뭄지수의 경우 물수지방법을 활용하여 산정 하였다(그림 ２). 농업적 가뭄의 경우 2001년에 발 생한 가뭄피해지역과의 비교를 통하여 적용가능성 을 판단할 수 있었다. 다른 가뭄지수의 경우 추후 적 용성 검토를 진행할 예정이다.
4. 위성자료를 활용한 중·장기 가뭄전망 기법 개발
4.1 WRF-LSM이 연계된 단기 수문정보 생산 기술 단기 가뭄전망을 위한 가뭄분석 모형 개발을 ３단 계로 구분하였는데, 현재 ２단계까지 완료된 상태이 다. 입력자료 구축은 첫 번째 단계로 구성되어 있으 며, 입력 자료의 구축은 WRF와 LSM 모형을 통한
수문기상 모형 구축에 있어서 대상 유역의 수문학적 정보를 생성하는데 필요한 기초 요소이다. 기본적으 로 각 모형의 입력 자료는 Reanalysis 자료로 구성 되어지며, 이 중 일부 기상변량에 대하여 한반도 지 상관측 자료를 이용함으로서 한반도 유역에 대한 신 뢰성 높은 모형 결과 도출할 계획이다. 또한, 수문 기상 모형에 대체가능한 인공위성 관측자료를 조사 검정하여 수문기상 모형의 대체자료로서 활용하고 그림 2. 위성강우를 활용한 가뭄지수 산정
기상학적가뭄농업적가뭄수문학적가뭄
(a) VSIA
(c) Normalized Hydrological Drought Index
(b) VHI
(d) Standardized Hydrological Drought Index
그림 3. WRF－LSM 연동 시스템 구성도
Water vapor mixing ratio
Potential Temperature
Cloud water mixing ratio
Wind Speed
Rain water mixing ratio
그림 4. WRF-LSM 모형을 통해 산출된 기상자료 표출
자 하였다. 토지이용도의 경우 WRF 모형의 기본 입 력자료로 25개의 종류로 토지를 구분한 USGS의 자 료가 적용되어지고 있는 실정이며, 이를 위성사진 을 토대로 작성된 환경부 토지피복 분류도로 대체함 으로서 토지이용에 따른 기온, 강수, 엽면적지수, 일 사, 토양수분보유량 등의 수문변량의 결과를 향상시 킬 수 있을 것으로 판단된다.
두 번째 단계로는 WRF 모형과 LSM 모형의 연동 모형 구축(그림 3)을 통하여 대기 모형을 통한 일조 량, 강우량, 풍속, 습도 등의 결과 지표면 모형의 입 력자료로 활용되며 지표면 모형을 통한 토양수분량, 지표면 온도, 증발산량, 유출량 등의 결과가 대기모 형의 입력값으로 활용되는 수문학적 순환 과정을 통 한 모형 구동을 통하여 다양한 변량의 취득하였다 (그림 4).
추후 2단계 연구에서는 출력된 강우량, 대기 온 도, 지표면 온도, 하천 유량, 토양수분, 증발산량 등 을 활용하여 PHDI, SWSI, RDI, GRI와 같은 가뭄 지표를 산정, 다양한 가뭄지수를 통하여 한반도 유 역에 적합한 가뭄지수를 선정하고 선정된 가뭄 지표 들을 효과적으로 융합하여 지역적 가뭄 특성을 분석 할 수 있는 융합 가뭄 분석 모형을 개발 적용하면 최 종적으로 분석 지역별 가뭄 지도를 표출함으로서 가 뭄 정보를 전달할 수 있을 것으로 판단되며, 추후 검
정 과정을 통하여 대상 유역의 대표 가뭄 지표 및 가 뭄 융합 모형을 결정한 후 수문기상 모형을 통해 산 출된 단기 예측 결과를 적용하여 유역별 단기 가뭄 예측정보를 생성하고자 한다．
4.2 통계학적 중·장기 가뭄전망 기법
통계학적 기법 중의 하나인 베이지안 네트워크 (Bayesian networks)를 활용하여 기상학적 가뭄 전망을 수행하였으며, 가뭄의 전망은 2단계로 구성 하였다(그림 5). 1단계에서는 통계학적 모형을 활용 하여 확률론적 가뭄 예측을 수행하며, 2단계에서는 의사결정 모형을 활용한 가뭄전망 프레임워크를 개 발하여 최종적으로 가뭄의 전망 정보를 생산하였다.
베이지안 네트워크는 변수들 사이의 인과관계를 바탕으로 모형을 간단히 구축하는 것이 가능하며, 불확실성을 정량적으로 나타낼 수 있는 통계모형으 로 확률론적 예측에 활용에 적합한 모형이다. 본 연 구에서는 기상학적 가뭄 예측을 위하여 과거, 현재, 미래의 예측정보를 베이지안 네트워크 가뭄예측 모 형의 입력인자로 활용하였다. 가뭄을 나타내기 위하 여 기상학적 가뭄지수인 SPI를 활용하였으며, 과거 및 현재의 가뭄정보는 기상청의 강우자료를 활용하 여 산정된 SPI로 나타낼 수 있었다. 미래의 가뭄정 보는 APEC 기후센터에서 제공하는 다중모형앙상블
그림 5. 연구흐름도
강우예측 결과와 과거의 관측정보를 결합하여 SPI 를 계산하였다. 베이지안 네트워크 가뭄예측모형은 과거와 현재의 가뭄상황의 정보와 미래의 강우예측
으로 추정된 가뭄예측정보를 결합하여 새로운 가뭄 예측을 수행하였다(그림 6, 그림 7).
그림 6. 베이지안기법 기반 가뭄전망 흐름도
그림 7. 1개월 가뭄 예측 결과
본 연구과제의 최종결과물로서 2단계 연구기간 (2017 ~ 2019)에는 ‘실시간 가뭄감시 및 전망시스 템’ 개발을 목표로 하고 있다(그림 6). 2단계에서 수문학적 가뭄지수의 적용성평가, 유역별 단기 및 중·장기 수문학적 가뭄전망 정보 생산, 가뭄전망정
보 기반 가뭄대응 방안 등을 개발을 통해 가뭄 정보 의 사용자들이 실감할 수 있는 직접적인 가뭄정보를 제공하여 농업분야 및 물 관련 분야에서 실질적인 운영에 필요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단 된다(그림 8).
4. 맺음말
최근 들어 엘리뇨와 라니냐 같은 기후변화에 따라 보령댐 가뭄 등 한반도내 가뭄으로 인한 피해가 증 가하고 있다. 한반도내 가뭄 정보는 지상관측자료에 의존하고 있으므로 관측지점의 공백에 따른 다양한 형태(기상학적, 농업적, 수문학적)의 가뭄에 대한 이 해와 문제 해결에 부적합한 실정이다. 위성을 이용 한 가뭄정보는 이러한 문제 해결에 적합하며, 새롭 게 기획되고 있는 중형위성 개발사업에 포함된 위성
을 이용하여 가뭄감시 기술을 개발한다면 한반도 실 시간 가뭄감시뿐만 아니라 미계측지역인 북한 가뭄 감시에도 활용도가 높을 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(17AWMP-B079625-04)에 의해 수행되었습 니다.
그림 8. 실시간 가뭄감시 및 전망 기술 세부기술간 연계
참고문헌
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