기후변화가 가뭄 위험성에 미치는 영향 평가
김 병 식* / 권 현 한**+ / 김 형 수***
Impact Assessment of Climate Change on Drought Risk
Byung Sik Kim*+ / Hyun Han Kwon** / Hung Soo, Kim***
요약 : 우리나라는 1990년대 이후 겨울에서 봄철로 이어지는 시기에 지역적으로 만성적인 가뭄이 계속되고 있 고, 특히 2001년에는 기상관측 이래 때 이른 무더위와 극심한 가뭄으로 전국적으로 피해를 입었다. 가뭄에 대한 경제적인 손실은 홍수에 비해서 2~3배정도 달하고 있으며 미국 해양기상청(NOAA)이 선정한 20세기 최대의 자 연재해 중 세계 각지에서 발생한 4개의 가뭄이 상위 5위안에 랭크된 바 있고, 미국 국립가뭄경감센터(NDMC)에 서 발표한 통계재해 유형별 연평균피해액 중 가뭄피해가 가장 큰 것으로 분석되었다. 국내에도 2001년 봄 가뭄 시 국내총생산 성장률 0.45% 소비자물가 0.31% 상승하는 등 가뭄에 의한 경제적인 손실과 영향력은 막대하였음 에도 불구하고 홍수 등에 대비해서는 수해방지종합대책 등 국가차원의 사전대책을 마련하여 시행하고 있는 반면, 가뭄에 대해서는 종합적인 사전예방대책보다는 응급복구 위주로 되어 있고 가뭄상황을 객관적으로 표현할 수 있 는 지표도 명확하지 않아 이에 대한 체계적인 연구가 시급한 실정이다. 본 연구에서는 RCM 강수모의 자료를 이 용하여 표준강수지수(SPI)를 산정하여 가뭄의 변동성을 평가하였다. 또한 산정되어진 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 실시하여 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 가뭄지수의 주성분 분석 을 통하여 현재와의 차이점을 확인하였다.
핵심용어 : 기후변화, 가뭄, 표준강수지수(SPI), 시공간적 분석
Abstract : A chronic drought stress has been imposed during non-rainy season(from winter to spring) since 1990s.
We faced the most significant water crisis in 2001, and the drought was characterized by sultry weather and severe drought on a national scale. It has been widely acknowledged that the drought related damage is 2-3 times serious than floods. In the list of the world’s largest natural disaster compiled by NOAA, 4 of the top 5 disasters are droughts. And according to the analysis from the NDMC report, the drought has the highest annual average damage among all the disasters. There was a very serious impact on the economic such as rising consumer price during the 2001 spring drought in Korea. There has been flood prevention measures implemented at national-level but for mitigation of droughts, there are only plans aimed at emergency (short-term) restoration rather than the comprehensive preventive measures. In addition, there is a lack of a clear set of indicators to express drought situation objectively, and therefore it is important and urgent to begin a systematic study. In this study, a nonstationary downscaling model using RCM based climate change scenario was first applied to simulate precipitation, and the simulated precipitation data was used to derive Standardized Precipitation Index (SPI). The SPI under climate change was used to evaluate the spatio-temporal variability of drought through principal component analysis at three different time scales which are 2015, 2045 and 2075. It was found that spatio-temporal variability is likely to modulate with climate change.
Keywords : Climate change, Drought, SPI, Spatio-temporal Analysis
+ Corresponding author : [email protected]
* 정회원․한국건설기술연구원․수자원연구실․수석연구원․공학박사, E-mail : [email protected]
** 정회원․교신저자․전북대학교 교수․토목공학과․공학박사, E-mail : [email protected]
*** 정회원․인하대학교 교수․토목공학과․공학박사, E-mail : [email protected]
1. 서 론
IPCC 4차보고서(2007)에 따르면 기후변화로 인해 북위 70도 이상과 극지방에는 강수량이 증 가하는 반면에, 적도에서 북위/남위 30도까지의 아열대 지역이 확대되어 강수량이 더욱 줄어들어 사막화가 확산되는 현상이 나타날 수 있다고 전망 되고 있다. 북위/남위 30도 부근의 건조한 아열대 지역이 더욱 확대되어 사막화가 확산되는 이유는 기후변화로 인해 적도를 중심으로 하여 기온이 상 승하여 열대기류는 더욱 확장되는 반면에 극지방 의 기온은 하강함으로써 한랭전선이 더욱 약화되 어 건조한 아열대 지역이 북위 30도 이북으로 확 대되기 때문이다. 따라서 기후변화로 인한 가뭄으 로 가장 큰 피해를 입는 지역은 강수량이 줄어드 는 지역에서 특히 논농사를 주로 하는 지역이다.
현재 대기 중의 이산화탄소 농도는 2007년 기 준으로 390ppm으로서(1997년 370ppm), 700ppm 이 되면 한반도에는 장마전선이 올라오지 않아 완 전히 사막이 될 것으로 전망된다는 보도는 우리의 자손들을 위해 우리가 할 수 있는 일들을 해야 할 시간이 매우 촉박함을 경고하고 있다.
가뭄은 홍수와 달리 진행속도가 느리므로 시 ․ 공간적으로 정확하게 판단하기가 쉽지 않다. 가뭄 영향은 상당기간 완만히 누적되어 나타나고 가뭄 이 해갈된 후에도 수년 동안 파급효과가 나타날 수 있기 때문에 가뭄의 시작과 끝을 판단하기란 무척 어렵다. 따라서 이와 같은 속성 때문에 가뭄 을 잠행(潛行)현상이라 한다.
가뭄은 많은 사람들이 드물게 임의적으로 발생 하는 것으로 잘못 알고 있으나 정상적이면서 주기 적으로 재발되는 기후의 한 특성이다. 가뭄은 본 래 모든 기후지역에서 발생하지만 그 특성은 지역 에 따라 다르게 나타난다. 가뭄은 일시적인 특이 현상을 말하며 강수량이 적어 기후의 영구적인 특 성이 되는 건조지역의 기후특성과는 다른 의미를 갖는다. 가뭄은 수많은 정의가 있을 수 있지만 결 국 특정기간, 보통 계절이나 그 이상의 기간 동안
강수량 부족에 기인하는 것이다. 강수량의 부족은 어떤 행동이나 집단 및 환경부문에 있어서 물 부 족을 야기한다. 가뭄은 특정 지역에서 어느 정도 긴 기간 동안의 강수와 증발산사이의 물수지에 대 한 평균 조건, 즉 정상상태와 비교하여 고려되어 야 한다. 또한, 시기(주요 발생계절, 우기시작의 지연, 주요 작물 생육단계와 관련한 강우 발생 등)와 유효성(강우 강도, 강우발생횟수)과도 관련 이 있다. 고온, 강한 바람, 낮은 상대습도 등과 같 은 기후 인자들도 가뭄과 관련이 있는 경우가 많 으며 그 심각성을 더 악화시킬 수도 있다. 가뭄은 단순히 물리적인 현상이라든지 자연적 사건으로만 취급할 수 없다. 가뭄이 사회에 미치는 영향은 자 연적 사건(자연적 기후변동으로부터 발생하는 기 대 밖의 적은 강수량)과 인간이 물을 공급할 수요 와의 사이의 상호 작용에서 기인한다. 인간은 종 종 가뭄의 영향을 가중시킨다. 개도국이건 선진국 이건 최근의 가뭄과 그에 따른 경제적, 환경적 영 향과 개개인의 어려움은 이러한 자연재해에 대한 모든 사회의 취약성을 보여주고 있다.
우리나라도 1990년대 이후 겨울에서 봄철로 이어지는 시기에 지역적으로 만성적인 가뭄이 계 속되고 있고, 특히 2001년에는 기상관측 이래 때 이른 무더위와 극심한 가뭄으로 전국적으로 피해 를 입었다. 가뭄에 대한 경제적인 손실은 홍수에 비해서 2~3배정도 달하고 있으며 미국 해양기상 청(NOAA)이 선정한 20세기 최대의 자연재해 중 세계 각지에서 발생한 4개의 가뭄이 상위 5위안에 랭크된 바 있고, 미국 국립가뭄경감센터(NDMC) 에서 발표한 통계재해 유형별 연평균피해액 중 가 뭄피해가 가장 큰 것으로 분석되었다. 국내에도 2001년 봄 가뭄시 국내총생산 성장률 0.45% 소 비자물가 0.31% 상승하는 등 가뭄에 의한 경제적 인 손실과 영향력은 막대하였음에도 불구하고 홍 수 등에 대비해서는 수해방지종합대책 등 국가차 원의 사전대책을 마련하여 시행하고 있는 반면, 가뭄에 대해서는 종합적인 사전예방대책보다는 응 급복구 위주로 되어 있고 가뭄상황을 객관적으로 표현할 수 있는 지표도 명확하지 않아 이에 대한
체계적인 연구가 시급한 실정이다(이주헌과 이길 재, 2006).
본 논문에서는 기후변화가 한반도의 가뭄발생 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 RCM 모의 결과와 추계학적 축소기법에 의해 모의된 강수자 료를 이용하여 표준강수지수(SPI)을 산정한 후 변 동성을 평가하였다. 또한 산정된 표준강수지수를 이용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 실시 하여 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 가뭄지수의 주성분 분석을 통하여 현재와의 차이 점을 확인하였다.
2. 표준강수지수
일반적으로 가뭄은 기후학적 가뭄, 기상학적 가 뭄, 수문학적 가뭄, 농업적 가뭄, 사회경제적 가뭄 으로 분류하여 정의되고 있으며, 이에 따른 가뭄 의 정도를 정량화 하기 위한 다양한 가뭄지수가 개발되어 왔다. 가뭄지수는 강우, 융설, 하천유량, 지하수 등 물공급 관련 자료를 이용하여 가뭄 상 황을 파악할 수 있는 하나의 지표라 할 수 있다.
대표적인 가뭄지수로는 PDSI(Palmer Drought Severity Index), SMI(Soil Moisture Index), SPI(Standardized Precipitation Index), SWSI (Surface Water Supply Index) 등이 있으며, 이 들 지수들은 각각의 장단점을 지니고 있어, 적용 대상 지역의 수문・기상 특성, 수자원 공급 시설 등을 고려하여 각 지수들의 적용성을 파악하여 적 절한 지수를 이용하거나 통합하여 이용한다. 본 연구에서는 표준강수지수(SPI)를 사용하여 가뭄분 석을 실시하였다.
McKee 등(1995)은 강수량이 부족하면 용수 공급원인 지하수량, 적설량, 저수지 저류량, 토양 함유 수분, 하천 유출량 등에 각기 다른 영향을 미친다는 것으로부터 표준강수지수를 개발하였다.
즉, 계산 기간 단위를 3, 6, 12, 24 개월 등과 같 이 설정하고 시간 단위별로 강수 부족량을 측정하 여 개개의 용수공급원이 가뭄에 미치는 영향을 산
정하는 것이다. 예를 들면, 단기간 동안의 강수량 은 토양 수분 조건에 직접적으로 영향을 미치는 반면 장기간 동안의 강수량은 지하수량, 하천 유 출량, 저수지 저류량 등에 영향을 미친다. 또한 물의 공급 가능량을 초과하여 물 수요로부터 야기 된 가뭄의 영향은 위에서 언급한 용수 공급원 중 하나 혹은 그 이상의 요소에서부터 시작되며, 강 수가 시작되어 물을 이용할 수 있을 때까지의 기 간은 요소에 따라 크게 다르다. 그러므로 물 부족 의 영향은 가용 수자원과 물 이용량의 복잡한 함 수로 나타나게 되며, 강수 부족이 지속되는 시간 단위는 매우 중요하고 이 시간 단위에 의해서 가 뭄의 양상이 분리될 수 있다.
표준강수지수는 가뭄의 분석과 감시에 다양한 정보를 제공할 수 있으며, 여기서 가뭄은 강수량 의 평균치와 표준편차에 의해서 표준화된 강수량 에 기초를 두고 있다. 표준강수지수는 확률분포 형을 도입하였기 때문에 현재의 가뭄뿐만 아니라 가뭄이 끝나기에 필요한 강수의 확률을 결정하는 것을 가능하게 한다(McKee 등, 1993). 표준강수 지수는 선형적으로 강수 부족에 비례하고 확률, 누적강수평균백분율, 그리고 누적강수부족량을 고 려한다.
McKee 등(1993)은 표준강수지수의 결과로부 터 얻은 가뭄 심도를 정의하기 위하여 표 1과 같 은 분류체계를 이용하였고, 또한 임의의 시간 단 위에 대한 가뭄 사상의 한계를 정의하였다.
가뭄은 표준강수지수 값이 0보다 적을 때 시작 해서 -1.0 혹은 더 작은 값에 도달할 때 본격적 인 가뭄이 발생하며 0보다 클 때 가뭄이 끝나게 된다. 그래서 가뭄 사상은 가뭄 시작과 끝의 시간 장경으로 정의된 지속기간과 표준강수지수의 값으 로 표시되는 가뭄 심도로 표현되며, 누적된 가뭄 의 크기도 측정될 수 있다. 이것은 가뭄 크기 (Drought Magnitude, DM)라 하며, 가뭄 사상에 속한 모든 기간에 대한 지수의 합으로서 다음 식 으로 계산된다.
가뭄지수의 범위 수분상태 2.0 이상 Extremely wet 1.5 ~ 1.99 Very wet 1.0 ~ 1.49 Moderately wet -0.99 ~ 0.99 Near normal -1.00 ~ -1.49 Moderately dry
-1.5 ~ -1.99 Severely dry -2.0 이하 Extremely dry
표 1. 표준강수지수 값에 의한 분류
(1)
여기서, 임의의 i 시간 단위에 대하여, j는 가뭄 시작 첫 번째 달로부터 가뭄이 끝날 때(x)까지 계 속해서 증가한다.
3. 표준강수지수를 이용한 가뭄영향 평가
3.1 대상관측소 및 관측자료
본 논문에서는 기후변화가 우리나라 가뭄에 미 치는 영향을 분석하기 위하여 그림 1과 같이 기상 청 관할 관측소를 대상으로 분석하였다. 이미 여러 연구 결과에서 나타난 것과 같이 최근 몇 년 사이 에 전 세계적으로 기후가 변화하고 있다는 사실에 더 중점을 두고 각 유역 대상관측지점의 자료 경향 성을 분석하기 위한 목적으로 각 관측지점의 자료 분석 기간(1973년~2006년)을 적용하였다.
3.2 지역기후모형에 의한 고해상의 강수변화 모의
본 논문에서는 IPCC SRES A2 기후변화시나 리오에 대하여 27km×27km 고해상도 격자 규모 의 기상청 RegCM3 RCM을 이용하였으며 한반 도 규모의 기후변화를 모의하였으며 분위사상법 (Quantile Mapping) (Wood 등, 2004; Hamlet 등, 2003)을 이용하여 RCM 자료의 각 지점별
그림 1. 관측소 위치도
관측기간 자료에 대한 편이보정(Bias Correction) 을 실시하였다(Kim 등, 2011). 기후변화에 대한 연구는 현재까지 GCM을 중심으로 이루어져 왔 으나 국외를 중심으로 지역규모 RCM 모형이 적 극적으로 이용되고 있다. 일반적으로 RCM 모형 은 고해상도 자료를 생산해 주며 국부지역에 대 한 지형학적 특성을 보다 효과적으로 모의할 수 있다는 장점이 있다. 우리나라는 지형적으로 육지 의 70%가 산악지역으로 이루어진 복잡한 지형특 성으로 인해 국지 규모의 기후 특성을 보이고 있 다. 따라서 GCM이 가지는 많은 장점에도 불구하 고 우리나라와 같은 국지 규모의 강제 효과를 효 과적으로 모의하기에는 한계가 있으며 이러한 관 점에서 GCM 보다는 RCM과 같은 지역화 기법 (regionalization technique)이 요구된다. 본 논문 에서 이용한 RegCM3 모형은 ICTP(international center for theoretical physics)에서 개발하여 보급한 가장 최신의 중규모 기후모델이며, 2004 년 그 방법론의 이론과 사용법이 공개되었다.
RegCM3 모형은 MM5(Mesoscale Model version
5th) Hydrostatic 모형을 기반으로 개발되었으며, 시그마 좌표계와 Arakawa B 격자 좌표계를 연직 및 수평 좌표계로 각각 이용한다.
3.3 축소기법을 이용한 유역규모의 기후변화 를 고려한 강수 모의
격자기반의 기후변화 영향을 유역규모로 축소 하기 위하여 본 논문에서는 천이확률 및 강수 모 의에 이용되는 Gamma 확률분포 등 분포형 매개 변수들이 외부인자 즉, 기후변화시나리오에 따라 조건부로 변동할 수 있는 비정상성 Markov Chain 모형을 이용하였는데. 이 모형은 추계학적 모형인 Markov Chain과 통계학적 Downscaling 모형을 결합한 형태로 권현한과 김병식(2009)의 연구내용에 근거하여 개발되었다.
Daily Rainfall
Seasonal Rainfall Amount Model Parameter Estimation over time
(P01t, P11t, at, βt|Rseasonal), t=1,..,Tyear Canonical Correlation Analysis
with Ensemble Members Cross-Validation or Bagging(25%)
Generation of Daily Rainfall Simulation
Large Scale Climate Pattern
Parameter Constraint
Two State First Markov Chain Model
그림 2. 비정상성 Markov Chain Model 흐름도(권현한과 김병식, 2009)
비정상성 Markov Chain 모형에서는 비조건부 Markov Chain 모형의 4개의 매개변수의 외부인 자를 연결하기 위해서 회귀분석이 이용된다. 여기 에서는 4개의 추계학적 매개변수들 즉, 무강수에 서 강수로 진행하는 천이확률(p01), 강수에서 강 수로 진행하는 천이확률(p11), 그리고 강우량을 모의하기 위한 Gamma 확률분포의 축척매개변수 (α)와 형상매개변수(β)은 계절 강수량의 특성을
가지고 매년 동적으로 추정되게 된다. 이렇게 추 정된 4개의 매개변수는 강수량을 모의하기 위해 서 이용된다. 비정상성 Markov Chain 모형에 의 한 Downscaling 과정은 그림 2와 같다.
3.4 기후변화가 가뭄에 미치는 영향 평가
본 연구에서는 과거와 미래 가뭄의 변동성을 분석하기 위하여 SPI 가뭄지수를 이용하였다.
SPI 가뭄지수를 산정하기 위해서 기상청 A2 기 후변화 강수량 시나리오를 유역단위로 통계적 Downscaling을 통해서 시공간적으로 상세화 하였 다. 격자 형태인 기후변화 시나리오를 기상청 관 측지점을 기준으로 공간적 상세화를 실시하여 미 래 기후변화 영향이 관측지점의 강수특성으로 표 출될 수 있도록 하였다. 본 연구에서 SPI 가뭄지 수는 지속시간 6개월을 기준으로 하였다.
SPI 가뭄지수는 일반적으로 -2에서 2에 값의 범위를 가지면 음의 값을 가질 때 가뭄이라고 간 주하며 기상학적 가뭄을 평가하는데 주로 이용된 다. 이러한 점에서 본 연구에서는 정상년 기준으 로 일반적인 가뭄상태를 나타내는 -1.0의 발생횟 수를 과거와 미래로 구분하여 산정하였으며 이들 의 상대적인 차를 계산함으로서 가뭄의 변동성을 평가하였다. 이와 더불어 심한 가뭄상태를 나타내 는 -1.5의 발생횟수를 동일하게 비교하여 공간적 으로 표출하였다. 여기서 변동성 계산은 미래의 발생횟수로부터 현재의 발생횟수를 빼서 계산하였 다. 즉, 변동성 값이 양의 값을 가지는 경우에는 미래에 가뭄에 심해질 수 있다는 것을 의미한다.
미래의 기후변화는 30년씩 총 3개에 연대기로 구 분하여 분석하였다.
그림 3과 그림 4는 2015년대 가뭄의 변동성을 평가한 결과이다. 2015년대에는 일반적으로 강수 의 증가가 전망되고 있으며 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 줄어들 것으로 전망된다. 변동성의 범위는 대략 10∼20으로서 출현 빈도가 전반적으로 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 그러나 낙동강 유역에는 일
부 증가하는 경향이 나타나고 있으나 증가 범위는 매우 미약하다. 그림 4에서는 -1.5기준 심한 가뭄 상태의 변동성을 평가하여 나타내었다. 심한 가뭄 의 경우 앞서 분석된 결과에 비해 가뭄의 출현 빈 도가 일부 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 북한 강 상류, 금강 및 영상강 유역 일부에서 심한 가 뭄에 대한 빈도가 증가할 것으로 전망되고 있으나 전체적으로 증가 경향성은 매우 미약하다.
그림 5와 그림 6은 2045년대 가뭄의 변동성을 평가한 결과이다. 2045년대에는 일반적으로 강수 의 감소가 전망되고 있으며 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 증가할 것으로 전망된다. 변동성의 범위는 대략 5
∼10으로서 출현 빈도가 전반적으로 증가하는 것 을 확인할 수 있다. 그러나 관동지방 및 남부지방
에서는 가뭄의 빈도가 감소할 것으로 전망되고 있 다. 그림 6에서는 -1.5기준 심한 가뭄상태의 변동 성을 평가하여 나타내었다. 심한 가뭄의 경우 앞 서 분석된 결과와 유사한 결과를 보여주고 있으나 지역적으로 다른 특성을 보이고 있다. 전반적으로 심한 가뭄의 빈도가 증가할 것으로 전망되고 있으 나 일반적인 가뭄 빈도와 마찬가지로 관동지방에 서는 가뭄 빈도가 감소할 것으로 전망되고 있다.
그림 7과 그림 8은 2075년대 가뭄의 변동성을 평가한 결과이다. 2075년대에는 2045년대와 매 우 유사한 가뭄 특성을 보여주고 있다. 2075년대 에는 지역적으로 강수의 변동성이 다르게 나타나 고 있으나 전반적으로 약하게나마 강수의 감소가 전망되고 있다. 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가 뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 증가할 것으
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그림 3. SPI 지수 -1.0이하 변동성(2015년대) 그림 4. SPI 지수 -1.5이하 변동성(2015년대)
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그림 5. SPI 지수 -1.0이하 변동성(2045년대) 그림 6. SPI 지수 -1.5이하 변동성(2045년대)
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38° N
그림 7. SPI 지수 -1.0이하 변동성(2075년대) 그림 8. SPI 지수 -1.5이하 변동성(2075년대)
로 전망된다. 변동성의 범위는 대략 5∼10으로서 출현 빈도가 전반적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 관동지방 및 서남부지방에서는 가뭄 의 빈도가 감소할 것으로 전망되고 있다. 그림 8 에서는 -1.5기준 심한 가뭄상태의 변동성을 평가 하여 나타내었다. 심한 가뭄의 경우 앞서 분석된 결과와 유사한 결과를 보여주고 있으나 지역적으 로 다른 특성을 보이고 있다. 전반적으로 한강 유 역과 섬진·영산강 유역은 심한 가뭄의 빈도가 증 가할 것으로 전망되고 있으며 변동 범위는 5∼10 으로 예상된다. 나머지 금강 및 낙동강 유역은 가 뭄의 발생 빈도가 작아질 것으로 전망되고 있다.
3.4 EOF를 이용한 가뭄의 시공간적 변동성 분석
가뭄의 시공간적 변동성 분석을 위해서 주성분 분석을 실시하였다. 주성분 분석은 앞서 계산된 표준강수지수(SPI)를 현재와 미래로 구분하여 수 행되었다. 수문기상자료와 같은 다차원을 갖는 자 료의 대표성을 시공간적으로 평가하는 것은 매우 중요하다. 이러한 다차원 자료를 차원축소를 통하 여 저차원상에서 변수의 관계를 규명하는 다변량 자료 분석기법 중 가장 대표적인 방법이 주성분분 석이다. 주성분분석은 여러 변수들을 설명하기 위 해 분산이 최대가 되도록 새로운 좌표축에 투영시 켜 대표성을 갖는 새로운 자료계열을 추출하는 것
이며, 이 때 분산이 최대가 되고 서로 직교하는 성질의 벡터를 주성분이라 한다. 따라서 다변량 자료들의 특성을 잘 표현할 수 있는 새로운 축들 을 찾아 효율적으로 자료의 차원을 줄일 수 있는 장점을 갖게 됨을 의미한다.
(2)
다변량 자료 가 × 의 행렬이라고 가정하 자. 여기서, 은 관측된 자료의 수, 은 변수의 차원을 의미한다. 주성분분석은 를 × 차원의 행렬 와 × 차원의 행렬 와 × 의 잔차 (residual) 행렬로 분해할 수 있는 방법이다. 여기 서, 는 새로 구축된 차원의 수이며, 는 항상
보다 작게 된다. 일반적으로 주어진 요소에 대 하여 잔차행렬의 Euclidean 거리를 최소화함으로 서 최적으로 분할하게 된다. 이 기준을 만족시키 기 위해서는 행렬의 행은 공분산 행렬의 고유 치(eigenvalue) 중에서 큰 순서대로 만큼 선택 하여 이에 해당하는 고유벡터(eigenvector)로 구 성하면 된다. 여기서, 는 주성분분석에서 나타내 는 고유벡터의 수가된다.
그림9~11은 현재와 미래의 주성분을 시계열로 비교하여 나타내었는데 시간에 따른 현재와 미래 의 가뭄의 상관성을 찾기 위함이 아니라 각 주성 분이 가지는 일반적인 주기적인 특성을 비교하기
위함이다. 그림 9는 2015년에 SPI 지수의 주성분 분석 결과를 현재와 비교한 그림으로서 첫 번째 주성분은 현재와 매우 유사한 주기특성을 보이고 있다. 두 번째 주성분의 경우에도 현재와 유사한 특성을 나타내고 있다. 그림 10과 11은 2045년
대와 2075년대에 해당하는 가뭄지수의 주성분을 현재와 비교한 그림으로서 현재의 주성분 패턴과 유사한 거동을 보이는 성분으로 추정되고 있음을 확인할 수 있다.
그림 9. 표준강수지수에 대한 주성분분석 결과 비교(2015년대)
그림 10. 표준강수지수에 대한 주성분분석 결과 비교(2045년대)
주성분 분석을 통해 추정된 EOF는 각 주성분 이 가지는 공간적인 대표성을 대별해주는 값으로 서 만약 첫 번째 주성분이 우리나라 전국을 대표 하는 가뭄의 특징이라면 모두 유사한 값으로 추정 되게 된다. 즉 공간적인 그림으로 나타내게 되면 모두 양의 값 또는 음의 값으로 나타내게 된다.
그림 12에서 현재를 보면 우리나라 전체가 음의 값을 가지고 있으며 이는 첫 번째 주성분이 우리
나라 전반에 걸쳐 나타나는 특성이라고 평가할 수 있다. 미래 3개 연대에 EOF의 경우도 우리나라 전역에서 양의 값을 가지는 대표성분으로 추정되 고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 첫 번째 주성 분의 경우 시각적인 주기특성과 공간적인 거동을 고려할 때 일반적인 가뭄의 연주기 성분은 크게 변동하지 않을 것으로 판단된다.
그림 11. 표준강수지수에 대한 주성분분석 결과 비교(2075년대)
그림 12. SPI 가뭄지수 PC-1의 공간적 변동성 분석
그림 13. SPI 가뭄지수 PC-2의 공간적 변동성 분석
두 번째 주성분이 가지는 특성은 앞에서 언급했 듯이 연주기를 제외한 저빈도에서의 가뭄의 특성을 평가해주는 것으로 판단되며 이에 대한 공간적인 특성은 아래 그림과 같다. 그림 13에서 보면 중부 와 남부가 다른 부호로서 구분된다. 두 번째 주성 분은 남북을 구분짓는 특성을 가지는 가뭄 특성으 로 평가할 수 있다. 미래 3개 연대에 EOF의 경우 에도 동일하게 평가하여 나타내었다. 2015년대와 2045년대에서는 서남부 해안에서 현재와는 다르게 중부지방과 유사한 가뭄특성으로 변동할 것으로 전 망되고 있다. 그러나 전반적으로 현재와 크게 차이 를 나타내고 있지 않음을 확인 할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 RCM 강수모의 자료에 대해서 표준강수지수(SPI)를 산정하여 가뭄의 변동성을 평가하였다. 또한 산정되어진 표준강수지수를 이 용하여 가뭄의 시공간적인 변동성 분석을 위해서 주성분 분석을 실시하였다. 미래 가뭄변동성은 2015년대, 2045년대 및 2075년대로 나누어 실시 하였으며 가뭄지수의 주성분 분석을 통하여 현재
와의 시공간적 변동성을 평가하였다.
(1) 2015년대에는 일반적으로 강수의 증가가 전 망되고 있으며 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 줄어 들 것으로 전망된다. 따라서 A2 기후변화시나 리오 기준 2015년대 가뭄의 변동성을 평가해 보면 전체적으로 강수량 증가로 인해 가뭄의 출현 빈도는 감소할 것으로 전망된다.
(2) 2045년대에는 일반적으로 강수의 감소가 전 망되고 있으며 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서 출현 빈도가 증가 할 것으로 전망된다. A2 기후변화시나리오 기 준 2045년대 가뭄의 변동성을 평가해 보면 전체적으로 강수량 감소로 인해 내륙지방에서 는 가뭄의 출현 빈도는 증가할 것으로 전망되 며 반대로 해안지역에서는 가뭄의 출현 빈도 가 감소할 것으로 전망된다.
(3) 2075년대에는 지역적으로 강수의 변동성이 다르게 나타나고 있으나 전반적으로 약하게나 마 강수의 감소가 전망되고 있다. 이에 따라 -1.0기준 일반적인 가뭄상태는 현재에 비해서
출현 빈도가 증가할 것으로 전망된다. 관동지 방 및 서남부지방에서는 가뭄의 빈도가 감소 할 것으로 전망되고 있다. 따라서 A2 시나리 오 기준 2075년대 가뭄의 변동성을 평가해 보면 전체적으로 강수량 감소로 인해 내륙지 방에서는 가뭄의 출현 빈도는 증가할 것으로 전망되며 반대로 해안지역에서는 가뭄의 출현 빈도가 감소할 것으로 전망된다.
(4) 미래 3개 연대에 EOF의 경우도 우리나라 전 역에서 양의 값을 가지는 대표성분으로 추정 되고 있음을 확인할 수 있다. 첫 번째 주성분 의 경우 시각적인 주기특성과 공간적인 거동 을 고려할 때 일반적인 가뭄의 연주기 성분은 크게 변동하지 않을 것으로 판단된다. 두 번째 주성분이 가지는 특성은 앞에서 언급했듯이 연주기를 제외한 저빈도에서의 가뭄의 특성을 평가해주는 것으로 판단된다. 두 번째 주성분 은 남북을 구분짓는 특성을 가지는 가뭄 특성 으로 평가할 수 있다. 미래 3개 연대에 EOF 의 경우에도 동일하게 평가하여 나타내었다.
2015년대와 2045년대에서는 서남부 해안에서 현재와는 다르게 중부지방과 유사한 가뭄특성 으로 변동할 것으로 전망되고 있다. 그러나 전 반적으로 현재와 크게 차이를 나타내고 있지 않음을 확인 할 수 있다.
참 고 문 헌
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○논문접수일 : 11년 02월 24일
○심사의뢰일 : 11년 02월 25일
○심사완료일 : 11년 03월 25일
