Water for Future
1. 머리말
최근 몇 년간 지속된 가뭄으로 충남, 강원, 경 기, 전남 등 전국이 몸살을 앓았다. 가뭄은 일반적 으로 기상학적 가뭄에서 농업적 가뭄으로, 심화될 경우 수문학적 가뭄으로 이어진다고 알려져 있는 데, 올해 가뭄은 농업적 가뭄을 넘어 수문학적 가 뭄으로 확장되어 생활 및 공업용수의 부족을 걱정 해야하는 국가적으로 매우 심각한 상황에까지 이 르렀었다. 다행이 7월 1일부터 시작된 장마로 경 기, 강원 지역은 예년 수준으로 저수량이 회복되
었지만, 충남, 전남 지역은 아직 가뭄상황이 지속 되고 있는 상황이다. 현재 지속되고 있는 심각한 가뭄에 적절하게 대처하기 위해서는 현재 상황에 대한 객관적인 평가가 중요하리라 생각된다. 따라 서 현재 가뭄상황을 진단하고, 지금 우리가 직면 하고 있는 가뭄의 상황이 과거 여러 해 동안에서 어느 정도 수준인지에 대한 평가를 통해, 앞으로 가뭄에 어떻게 대응해야 할 것인지를 살펴보고자 한다.
2. 전국 강수량 및 수문 현황
올해 들어 7월 11일 현재까지의 전국 평균 강수 량은 387.1㎜로, 동일기간 대비 예년의 68.4%, 전 년의 57.2%에 해당하는 매우 적은 강수량을 기록 하고 있다. 특히 전남, 전북, 경남, 경북 및 제주 지역은 예년의 60% 이하에 해당하는 적은 강수량
최근 가뭄 현황과 심각성
김 봉 재 ●●●
K-water 사업관리부문 이사 [email protected]
표 1. 시도별 강수 현황(‘17.7.11 기준)
구 분 전국 강원 경기 충남 충북 전남 전북 경남 경북 제주
강수량 (1.1~7.11)
금년(㎜) 387.1 514.3 453.5 411.8 457.6 385.1 335.5 351.5 274.0 517.3 예년(㎜) 565.9 505.4 486.3 525.8 527.7 691.4 576.1 684.6 487.7 889.2 대 예년(%) 68.4 101.8 93.3 78.3 86.7 55.7 58.2 51.3 56.2 58.2
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을 기록하고 있다(표 1).
수문 현황을 살펴보면, 전체적으로 예년과 비 슷한 수준의 저수량을 확보하고 있으나, 보령댐 과 평림댐은 저수량이 부족한 상황이다. 다목적댐 의 현재 저수량은 60.5억㎥으로 예년의 115.3%(전 년의 82.9%)에 해당하며, 그 중 보령댐은 저수량 16.7백만㎥(14.3%)로 예년(40.9%)의 34.9%(전년 의 30.0%)에 불과한 실정이다. 용수댐의 저수량 은 1.5억㎥로 예년의 71.1%(전년의 68.6%)이지만, 평림댐의 경우 저수량 1.73백만㎥(16.8%)로 예년 (61.4%)의 27.5%(전년의 30.7%)에 불과하다. 생 공용수를 공급하는 전국 89개소의 지자체 저수 지 저수율은 평균 44.6% 수준이며, 이 중 저수율 40% 이하 저수지 28개소 중 17개소가 전남에 분포 (영광, 완도, 영암, 신안 등)하고 있다. 농업용저수 지(농어촌공사 3,394개소 대상)의 저수율은 평균 61.3%로 평년(78.6%)의 77%에 해당한다(그림 1).
3. 현재 가뭄이 얼마나 심각한가?
가뭄의 규모를 정의하는 방법과 관련하여 그 동 안 여러 연구들에서 강수량, SPI, PDSI 및 SWSI 등의 인자들을 이용하여 기상학적, 농업적, 수문 학적 가뭄 상황을 판단할 수 있는 방법들을 제시 한 바 있다. 본 분석에서는 이변량 가뭄빈도해석 (bivariate drought frequency analysis)을 통해 최근 가뭄의 심각성을 평가하고, 지속기간별 SPI 를 공간도시 하여 가뭄의 지역적 분포를 파악하였 다. 또한 가뭄 주기성 분석을 통해 최근 가뭄이 특 정 발생주기에 해당하는지를 검토하였다.
3.1 가뭄규모 정량평가
홍수의 경우 그 규모를 판단할 때 연최대치계 열 자료를 빈도해석하여 재현기간을 산정한다. 하 지만 가뭄은 느린 진행속도를 가지며, 홍수와 달
그림 1. 전국 가뭄현황 지도
생활 및 공업용수 가뭄 미급수지역 운반/제한급수 농업용수 가뭄(저수율)
•주의 : 3개 시군(담양·함평·장성)
•심함 : 9개 시군(보령댐 급수지역) 및 영광
•운반급수 : 6개 시군(안성 등)
•제한급수 : 1개 시군(진도)
•운반/제한 : 1개 시군(옹진)
•주의 : 14개 시군(세종·양양 등)
•심함 : 4개 시군(태안·광양 등)
•매우심함 : 3개
시군(진도·신안·사천)
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리 심도와 지속기간을 동시에 고려해야 신뢰성 있 는 재현기간을 산정할 수 있다(Shiau, 2006). 즉, 가뭄빈도해석을 위해서는 가뭄사상의 심도와 지속 기간을 추출한 후 두 변량의 결합확률을 해석하는 과정이 필요하다. Yoo et al.(2012)은 가뭄의 특성 을 다음의 인자들로 정의하였다(표 2 및 그림 2).
가뭄은 일정기간 이상 강수부족이 누적되었을 때 나타나며, 그림 2와 같은 가뭄사상의 추출을 위 해서 일정한 누적기간 범위를 이동시키며 강수량 (또는 SPI)의 변화를 분석한다. 보통 6~12개월 이 상의 누적기간 범위로 분석했을 때 가뭄사상을 효 과적으로 재현하는 것으로 알려져 있다. 본 분석 에서는 월강수량을 이용하여 월별 평년값과의 차 이로 아노말리(anomaly)를 구한 후 12개월 지속
기간 연속분석을 통해 가뭄사상을 추출하였다. 그 림 3은 서울관측소의 분석결과를 도시한 것이다.
그림3에서 원으로 표시된 ①~③번 가뭄사상은 지 속기간과 심도에 있어서 관측 이래 가장 규모가 컸던 가뭄들을 표시한 것이며, ④번 가뭄은 현재 의 가뭄에 해당한다.
서울관측소의 분석결과에 의하면, 서울 지점의 현재 가뭄은 2014년 2월부터 2017년 5월말 현재 분석시점까지 40개월 간 지속되고 있는 가뭄이며, 가뭄기간동안의 강수부족 개념으로 이해할 수 있 는 심도는 1,411.7㎜로, 관측 이래 가장 심했던 가 뭄사상들과 비교될만한 규모를 보이고 있다. 문제 는 올 여름 강수량이 부족할 경우 현재의 가뭄이 더욱 악화된 상태로 내년까지 지속될 수 있다는
표 2. 가뭄 특성의 정의
가뭄심도
(Drought Severity) 가뭄사상동안 강수 부족량(또는 SPI)의 총합
가뭄지속기간 (Drought Duration)
가뭄사상이 지속된 기간
- 시작시점 : 강수량이 절단수준에 해당하는 평균강수량보다 낮아져 강수부족이 발생하는 시점 - 종료시점 : 평균강수량보다 높은 강수사상이 발생되는 시점
가뭄강도 (Drought Intensity)
가뭄심도를 가뭄지속기간으로 나눈 값
- Drought Intensity ( : 가뭄심도, : 가뭄지속기간)
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것이다.
가뭄빈도해석 과정은 Kim et al.(2016)에서 제 시한 방법을 적용하였다. 추출된 가뭄사상들의 심도와 지속기간은 각각 Gamma분포와 Log- normal분포에 해당하는 발생확률 분포를 보였 으며, 이 둘을 결합한 이변량 가뭄빈도해석을 위 해 코퓰라 함수(Copula function) 중 Clayton Copula, Frank Copula 및 Gumbel Copula 중 최적 코퓰라 함수를 이용하여 빈도해석을 수행 하였다. 분석결과 서울지점의 현재 가뭄은 심도 1,412㎜, 지속기간 40개월이며, 70년 빈도에 해당 하는 것으로 나타났다.
장기간의 강수량 관측 자료를 보유한 전국의 대 표 관측소들을 선정하여, 앞서 설명한 서울지점
분석과정과 동일하게 가뭄사상을 추출하고 현재의 가뭄규모를 평가하였다. 대상 관측소는 서울 외에 강릉, 인천, 청주, 대전, 대구, 전주, 광주, 부산, 목포 지점이며, 이 중 현재 가뭄이 심각한 상태로 분석된 지점들에 대한 결과는 표 4와 같다. 그 밖 에 대구, 광주, 부산, 목포는 2013년 또는 2015년 가뭄이 현재보다는 심각했으며, 올해 들어 강수부 족으로 가뭄이 심화되는 추세에 있는 것으로 분석 되었다.
3.2 가뭄의 공간적 분포
가뭄지역을 나타내기 위해 전국 63개 기상관 측지점의 강수량 자료를 이용하여 표준강수지수 그림 3. 서울관측소의 가뭄사상 추출결과
표 3. 서울관측소 주요 가뭄사상의 규모
구분 시 작 종 료 지속기간(월) 심도(㎜) 강도(㎜/월)
① 1909년 6월 1915년 8월 74 1,834.5 24.8
1937년 8월 1940년 7월 35 1,233.4 35.2
② 1941년 7월 1941년 8월 1 17.9 17.9
1941년 9월 1945년 6월 45 1,381.1 30.7
1973년 8월 1977년 7월 47 984.5 20.9
③ 1977년 8월 1979년 5월 21 321.8 15.3
1979년 8월 1983년 9월 49 819.8 16.7
④ 2014년 2월 2017년 5월말 40 1,411.7 35.3
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(SPI)를 지속기간 및 관측소별로 산정하고, 크리 깅(Kriging) 기법으로 보간하여 그림 5에 도시하
로 판단할 수 있는 척도로, 세계기상기구(World Meteorological Organization, WMO)에서는 SPI 그림 4. 서울지점의 가뭄 지속기간, 심도 및 재현기간
표 4. 주요 관측소별 현재 가뭄사상의 규모
구 분 가뭄시작 지속기간
(월)
가뭄심도 (mm)
가뭄강도 (mm/월)
재현기간 (년)
평균 42.5 1037.7 24.7 64
강릉 (합계)
2012.12 21
46
388.4
854
18.5
18.6 40
2014.01 1 0.3 0.3
2015.02 17 402.3 23.7
2016.11 7 63.1 9
서울 2014.02 40 1411.7 35.3 70
인천 2014.02 40 1059.7 26.5 56
청주 2014.01 41 1059.8 25.8 99
대전 2013.08 46 1121.3 24.4 71
전주 2013.12 42 719.8 17.7 48
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는 심한가뭄, -2.0 이하는 극심한 가뭄으로 분류 하고 있으며, 지속기간 3개월 미만은 기상․농업적 가뭄판단, 3개월 이상 긴 지속기간은 사회경제적 가뭄판단에 활용하는 것으로 권고하고 있다. 3개 월 지속에 해당하는 SPI3 분포를 보면, 전남지역 이 금년 매우 적은 강수량(평년의 47%)으로 인해 단기 가뭄이 심한 것을 볼 수 있다. 지속기간이 긴 경우는 장기가뭄을 표현하고 있으며, 앞서 분석된 현재 가뭄의 지속기간 정도에 해당하는 SPI40의
경우 경기·충청지역을 중심으로 가뭄이 극심한 수준에 있음을 알 수 있다. 경기지역의 경우, 충 청지역과 비슷한 수준의 기상학적 가뭄 상황이지 만, 상류 수원의 확보 규모와 효율적 운영을 통해 물부족 상황을 면하고 있는 실정이며, 상대적으로 작은 규모의 수원인 보령댐 등을 보유한 충청지역 의 경우 운영관리를 통해 가뭄상황을 버티기에는 그 한계에 달한 상황일 것이다.
그림 5. 지속기간별 SPI 분석결과
SPI-3 (’17.4~’17.6) SPI-24 (’15.7~’17.6) SPI-40 (’14.4~’17.6)
3.3 가뭄의 주기성 분석
가뭄의 주기적 발생과 관련해서는 엘니뇨 남방 진동(El Niño-Southern Oscillation, ENSO) 등 거대 기상장의 주기 및 태양의 흑점활동 주기 등 외부인자와 연관한 발생특성 분석에 대한 연구사 례들이 존재한다. 본 분석에서는 가뭄에 주기가 존재하는지 또는 그 원인이 무엇인지에 대한 심층 적 분석이 아니라, 확보 가능한 최장기간의 관측 자료를 이용하여, 그 동안 발생했던 가뭄사상들에 강한 주기성이 나타나는지 확인하는 차원에서 분 석을 수행하였다.
현대 기상관측의 개시는 인천(1904년), 서울 (1907년) 등으로 110년 이상의 자료를 확보하고 있으며, 서울지점의 관측 자료에 측우기 자료를 연장하여 1777년부터 현재까지 241년간의 강수량 자료를 이용하여 주기성 분석을 수행하였다. 측우 기는 1441년에 발명되어 정량적으로 강우량을 관 측하고 이를 이용해 전국망을 구성했다는 데에 큰 의의가 있다. 임진왜란을 거치며 전국적 관측망이 소실되었으나, 영조 때인 1770년에 재건되었고, 조선 말기의 혼란과 일제강점기를 거치는 동안 관 측기록이 소실되는 불행이 있었다. 다행히 1770년 이후 서울의 강우량 기록은 남아있어 기후 장기변
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동 연구에 귀중한 자료로 쓰이고 있다(기상청 국 립기상연구소, 2010).
측우기 자료를 포함한 241년간의 장기간 강 수량 자료를 월자료로 변환한 후 앞 절에서 분 석한 절차에 따라 지속기간 12개월의 아노말리 를 구해 가뭄사상들을 추출하였으며, 연속 웨이 블릿 FFT(continuous wavelet fast Fourier transform) 분석을 통해 가뭄사상의 주기성을 확 인하였다. 그림 6의 하단 그림에서 빨갛게 표시된 가뭄사상과의 직관적 일치를 위해 웨이블릿 분석 에서는 강수량 아노말리 값에 –1을 곱해 음양을
반전시켰다. 따라서 그림 6의 상단 그림에서는 원 래 음수로 표현되어야 하는 가뭄의 주기성이 큰값 (빨간색)으로 표현되었음에 유의하기 바란다.
분석 결과 Byun(2008) 및 Kwon et al.(2016) 에서 분석한 약 2~8년, 38년, 120년 주기를 확인 할 수 있다. 단, 약 120년 주기의 극대가뭄은 전체 관측 기간에 걸쳐 완전한 사상으로 재현된 경우는 1900년대 한 회에 불과하고, 1770년대는 이전 사 상이 확인되지 않아, 현재의 가뭄이 약 120년 주 기에 속하는지 단정하기는 어렵다.
그림 6. 가뭄 주기성 분석 결과
4. 맺음말
과거 1천년 이상 유구한 문화와 강성대국을 이 루었던 로마제국이 멸망한 이유가 인근지역 나이 테를 분석한 결과 가뭄에 의한 것이었다는 연구가 있다. 비단 가뭄만이 로마제국 멸망의 원인은 아 니겠지만, 장기적으로 지속되는 가뭄은 국가의 흥 망성쇠와도 밀접한 관련이 있을 정도로 강력한 자
앞서 분석한 결과에서 보듯, 현재 진행되고 있 는 가뭄상황은 우리가 인지하고 있는 것 보다 훨 씬 더 심각한 상황일 수 있다. 서울 관측소 기준 현재 가뭄의 심도는 강수관측을 시작한 1908년 이 래 두 번째로 심각하며, 현재 가뭄은 종료가 아닌 현재 진행형이기에 어느 정도 더 심각해 질 것인 지는 짐작할 수 없는 상황이다. 빈도분석 결과로 는 약 70년에 해당하는 가뭄으로 평가되는데, 다
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는 것을 생각하면 어느 정도 심각한 가뭄인지 인 지할 수 있을 것이다.
가뭄은 앞으로 얼마나 더 심각해 질 것이지 알 수 없고, 올해와 같은 가뭄이 다시 오지 않으리라 는 보장도 없다. 따라서 지금은 수자원을 관리하 는 국가나 지자체 뿐 아니라 국민들 까지도 현재 가뭄의 심각성을 인식하고 철저한 수요관리와 관
정개발, 물절약 등 단기적 대책은 물론, 실질적인 중장기 가뭄대책을 수립하고 정책적 의사결정을 통해 단계적으로 실현해 나가야 할 때라고 생각된 다. 아울러 이러한 노력들을 통해 여느 때 보다 심 각한 가뭄상황이지만 슬기롭게 극복해 나갈 수 있 기를 기대해 본다.
Byun, H.R., Lee, S.J., Morid, S., Choi, K.S., Lee, S.M., Kim, D.W. (2008).
“Study on the Periodicities of Droughts in Korea” Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences, Vol. 44, No. 4, pp. 417-441.
Kim, J.Y., So, B.J., Kim, T.W., Kwon. H.H. (2016). “A development of trivariate drought frequency analysis approach using copula function.” Journal of Korea Water Resour. Assoc., KWRA, Vol. 49, No. 10, pp. 823-833.
Kwon, H.H, Lall, U, Kim, S.J. (2016). “The unusual 2013–2015 drought in South Korea in the context of a multicentury precipitation record: Inferences from a nonstationary, multivariate, Bayesian copula model” Geophysical Research Letters, 43, 8534–8544, doi:10.1002/2016GL070270.
Shiau, J.T. (2006). “Fitting Drought Duration and Severity with Two Dimensional Copulas” Water Resources Management, Vol. 20, Issue. 5, pp. 795- 815.
Yoo, J.Y., Kwon, H.H., Kim, T.W., Ahn, J.H. (2012). “Drought frequency analysis using cluster analysis and bivariate probability distribution.” Journal of Hydrology, Vol. 420-421, pp. 102-111.
Yu, J.S., Yoo, J.Y., Lee, J.H., Kim, T.W. (2016). “Estimation of drought risk through the bivariate drought frequency analysis using copula functions.”
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기상청 국립기상연구소 (2010). “기상역사자료집”
참고문헌
