지역특성을 고려한 강우 앙상블 멤버 생성 기법 제안

강민석(Kang, Minseok),나우영(Na, Wooyoung),유철상(Yoo, Chulsang) 한국방재학회 2019 한국방재학회논문집 Vol.19 No.7

본 연구에서는 지역적인 특성을 고려하여 강우 앙상블 멤버를 생성하는 기법을 제안하였다. 지역특성으로는 강우의 이동방향과 강우강도의 공간적 분포를 고려하였다. 본 연구에서는 적용 사례로 지상우량계의 분포밀도가 조밀한 서울특별시에 대해 모의 격자망을 구축하고, 앙상블 기법을 적용하였다. 격자별 특성방향과 강우강도 가중치는 최근 10년 동안 발생한 주요 호우사상의 관측자료를 토대로 결정하였다. 앙상블 멤버는 특성방향의 통계치로부터 유도된 베타분포를 기반으로 생성하였다. 강우의 이동모의를 100회 수행하면 총 100개의 앙상블 멤버가 생성되고, 이 앙상블 멤버들을 단순평균한 결과가 앙상블 평균이 된다. 생성된 앙상블 멤버와 강우 앙상블 평균에 대한 평가는 강우강도 가중치를 기준으로 수행되었다. 여러 형태의 가상의 강우장을 입력하여 생성한 앙상블 멤버는 강우강도 가중치의 공간적 분포와 상당히 유사함을 확인하였다. 또한, 강우 앙상블 평균은 강우 앙상블 멤버들의 평균적인 특성을 가지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 2018년에 발생한 실제 호우사상을 입력한 경우에서도 확인할 수 있었다. This paper proposes a method for generating rainfall ensemble members by considering regional characteristics. The movement directions of storms (characteristic direction) and spatial distribution of rainfall intensity (rainfall-intensity weight) are considered as the regional characteristics. As a case study, grids for the ensemble simulation are set in Seoul, Korea, where the rain-gauge density is quite high. The characteristic direction and rainfall-intensity weight of each grid are determined based on observations of major storm events that occurred in Seoul during the last 10 years. The rainfall ensemble members are generated by considering the characteristic directions quantified using the beta distribution. A total of 100 rainfall ensemble members are generated by repeating the simulation of the storm movement. The result from the simple average of these ensemble members is considered as the ensemble mean. The rainfall ensemble members and ensemble mean are evaluated based on the rainfall-intensity weights. The rainfall ensemble members generated using various types of rainfall fields are found to be very similar to the spatial distribution of the rainfall-intensity weights. The ensemble mean is also found to exhibit average characteristics of the rainfall ensemble members. The same results are also derived from the simulation of the storm event that occurred in 2018.

확률론적 방법론을 이용한 레이더 강우 앙상블 생성

강나래,주홍준,이명진,김형수 한국수자원학회 2017 한국수자원학회논문집 Vol.50 No.3

수문분석에 있어 정확한 강우량 추정 및 강우 자료의 품질은 매우 중요한 요소로 특히, 홍수유출 결과에 큰 영향을 미친다. 따라서 보다 신뢰성 높 은 홍수분석을 위해서는 강우자료에 내포된 오차 또는 불확실성을 확인하는 과정이 필요하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 임의의 값을 추정하는데 있어 하나의 값이 아닌 가능한 값들의 범위를 정의하거나 확률분포를 표시할 수 있는 확률론적인 방법을 제시하고 이를 레이더 강우에 적용하여 그 활용성을 평가하고자 하였다. 2012년 태풍 ‘산바’로 인해 남강댐 유역에 발생한 호우 사상에, 확률론적 방법을 적용하여 레이더 강우의 앙상블을 생성하였다. 생성된 강우 앙상블은 레이더 강우의 전체적인 편의보정뿐만 아니라 지상강우의 패턴을 잘 모의하고 있는 것으로 나타났으며, 레이더 에 의해 추정한 강우의 불확실성을 잘 표현하고 있는 것으로 확인되었다. 확률론적 기법에 의한 강우 앙상블 생성 방법은 발생 가능한 다양한 강우 시나리오를 제공할 수 있으며 홍수예경보와 같은 의사 결정에 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다 Accurate QPE (Quantitative Precipitation Estimation) and the quality of the rainfall data for hydrological analysis are very important factors. Especially, the quality has a great influence on flood runoff result. It needs to know characteristics of the uncertainties in radar QPE for the reliable flood analysis. The purpose of this study is to present a probabilistic approach which defines the range of possible values or probabilistic distributions rather than a single value to consider the uncertainties in radar QPE and evaluate its applicability by applying it to radar rainfall. This study generated radar rainfall ensemble for the storms by the typhoon ‘Sanba’ on Namgang dam basin, Korea. It was shown that the rainfall ensemble is able to simulate well the pattern of the rain-gauge rainfall as well as to correct well the overall bias of the radar rainfall. The suggested ensemble technique represented well the uncertainties of radar QPE. As a result, the rainfall ensemble model by a probabilistic approach can provide various rainfall scenarios which is a useful information for a decision making such as flood forecasting and warning

Estimation of optimal runoff hydrograph using radar rainfall ensemble and blending technique of rainfall-runoff models

Lee, Myungjin,Kang, Narae,Kim, Jongsung,Kim, Hung Soo 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.3

최근 기후변화로 인한 국지성 호우 및 태풍 피해가 자주 발생하고 있다. 이와 같은 피해를 저감하기 위해서는 정확한 강우의 예측과 홍수량 산정이 필요하다. 그러나 지점 및 레이더 강우 시 ․ 공간적 오차를 포함하고 있고, 유출 모형에 의한 유출수문곡선 역시 보정을 실시하더라도 관측유량과 오차를 가지고 있어 불확실성이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 확률론적 강우 앙상블을 생성하여 강우의 불확실성을 확인하였다. 또한 유출 결과를 통해 수문 모형의 불확실성을 확인하였고, 블랜딩 기법을 이용하여 하나의 통합된 유출 수문곡선을 제시하였다. 생성된 강우앙상블은 강우강도 및 지형적인 영향으로 레이더가 과소 관측이 될 때, 강우 앙상블의 불확실성이 큰 것을 확인하였고, 블랜딩 기법을 적용하여 산정된 최적 유출 수문곡선은 유출모형의 불확실성을 크게 줄이는 것으로 나타났다. 본 연구 결과를 활용한다면, 정확한 홍수량 산정 및 예측을 통해 집중호우로 인한 피해를 줄일 수 있을 것으로 판단된다. Recently, the flood damage by the localized heavy rainfall and typhoon have been frequently occurred due to the climate change. Accurate rainfall forecasting and flood runoff estimates are needed to reduce such damages. However, the uncertainties are involved in guage rainfall, radar rainfall, and the estimated runoff hydrograph from rainfall-runoff models. Therefore, the purpose of this study is to identify the uncertainty of rainfall by generating a probabilistic radar rainfall ensemble and confirm the uncertainties of hydrological models through the analysis of the simulated runoffs from the models. The blending technique is used to estimate a single integrated or an optimal runoff hydrograph by the simulated runoffs from multi rainfall-runoff models. The radar ensemble is underestimated due to the influence of rainfall intensity and topography and the uncertainty of the rainfall ensemble is large. From the study, it will be helpful to estimate and predict the accurate runoff to prepare for the disaster caused by heavy rainfall.

수문기상학적 활용을 위한 레이더 강우자료 생산(Ⅱ) : 레이더 강우앙상블

김태정,이동률,장상민,권현한 한국수자원학회 2017 한국수자원학회논문집 Vol.50 No.1

최근 국지성 집중호우 및 돌발홍수와 같은 급격한 기상변화로 인한 기상재해의 발생빈도가 증가함에 따라 고해상도의 기상레이더 강우자료를 사 용한 수공학 분야의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 기상레이더는 넓은 지역에 걸쳐 실시간으로 강우현상 감시가 가능하며 지상우량계로는 파악 이 불가능한 미계측유역을 통과하는 강우장의 이동 및 변동성 파악이 가능한 장점이 있지만 대기 중 존재하는 수상체로부터 반사되는 반사도를 사 용하여 강우량을 산정하므로 시공간적 오차가 존재한다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다변량 Copula 함수를 활용하여 레이더 강우에 존재하는 시공간적 오차를 규명하고 레이더 강우앙상블 생산기법을 개발하였다. 개발된 모형으로부터 생산된 레이더 강우앙상블은 통계적 효율기준 분석결과 우수한 모형성능을 확인하였으며 추가적으로 극치호우 및 강우시계열 패턴 분석결과 지상강우의 특성을 효과적으로 재현하는 것을 확인하였다. A recent increase in extreme weather events and flash floods associated with the enhanced climate variability results in an increase in climate-related disasters. For these reasons, various studies based on a high resolution weather radar system have been carried out. The weather radar can provide estimates of precipitation in real-time over a wide area, while ground-based rain gauges only provides a point estimate in space. Weather radar is thus capable of identifying changes in rainfall structure as it moves through an ungauged basin. However, the advantage of the weather radar rainfall estimates has been limited by a variety of sources of uncertainty in the radar reflectivity process, including systematic and random errors. In this study, we developed an ensemble radar rainfall estimation scheme using the multivariate copula method. The results presented in this study confirmed that the proposed ensemble technique can effectively reproduce the rainfall statistics such as mean, variance and skewness (more importantly the extremes) as well as the spatio-temporal structure of rainfall fields.

극한강우량 산정을 위한 대규모 기후 앙상블 모의자료의 적용

김영규,손민우 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.3

본 연구는 저빈도·고강도의 확률강우량 산정을 위해, 대규모 기후 앙상블 모의실험으로 생성된 d4PDF (Data for Policy Decision Making for Future Change)를 적용하는 것을 목적으로 수행되었다. 또한, d4PDF를 이용하여 산정된 확률강우량과 관측 자료 및 빈도해석을 통해서 산정된 확률강우량을 비교함으로써 빈도해석 과정의 적용에 따라 발생하는 불확실성을 분석하였다. 이와 같은 연구는 금산, 임실, 전주, 장수 관측소를 대상으로 수행되었다. d4PDF 자료는 총 50개의 앙상블로 구성되어있으며, 하나의 앙상블은 60년동안의 기상자료를 제공하기 때문에 한 지점에서 3,000개의 연 최대 일 강우량을 수집하는 것이 가능했다. 이와 같은 d4PDF의 특징을 토대로 본 연구는 빈도해석 방법을 적용하지 않고, 3000개의 연 최대 일 강수량을 비모수적 접근법(Non-parametric approach)에 따라 규모별로 나열하여, 10년부터 1000년의 재현기간을 갖는 확률강우량을 산정했다. 그 후, 관측 자료와 Gumbel 및 GEV (General extreme value) 분포를 토대로 산정된 확률강우량과의 편차를 산정하였다. 그 결과, 재현기간과 관측 기간의 차이가 증가할수록 이 편차가 증가하였으며, 이 결과는 짧은 관측 기간과 빈도해석의 적용은 재현기간이 증가할수록 신뢰하기 어려운 확률강우량을 제시한다는 것을 의미한다. 반면에, d4PDF는 대규모 표본을 이용함으로써 이와 같은 불확실성을 최소화시켜 합리적인 저빈도·고강도의 확률강우량을 제시하였다.

강우앙상블 예측자료의 공간적 특성 및 적용성 평가

이상협,성연정,김경탁,정영훈 한국수자원학회 2020 한국수자원학회논문집 Vol.53 No.11

This study attempted to evaluate the spatial characteristics and applicability of the predicted ensemble rainfall data used for heavy rain alarms. Limited area ENsemble prediction System (LENS) has 13 rainfall ensemble members, so it is possible to use a probabilistic method in issuing heavy rain warnings. However, the accessibility of LENS data is very low, so studies on the applicability of rainfall prediction data are insufficient. In this study, the evaluation index was calculated by comparing one point value and the area average value with the observed value according to the heavy rain warning system used for each administrative district. In addition, the accuracy of each ensemble member according to the LENS issuance time was evaluated. LENS showed the uncertainty of over or under prediction by member. Area-based prediction showed higher predictability than point-based prediction. In addition, the LENS data that predicts the upcoming 72-hour rainfall showed good predictive performance for rainfall events that may have an impact on a water disaster. In the future, the predicted rainfall data from LENS are expected to be used as basic data to prepare for floods in administrative districts or watersheds. 본 연구는 호우경보에 사용되는 Limited area ENsemble prediction System (LENS) 강우예측자료에 대한 공간적 특성 및 적용성을 평가하였다. LENS는 13개의 강우앙상블 멤버를 가지고 있어 호우경보를 발령하는데 있어 확률적인 방법을 활용할 수 있다. 그러나 LENS의 자료의 접근성은 매우 낮아 강우예측자료의 적용성에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 행정구역별로 활용되는 호우경보 시스템에 따라 하나의 지점값과 면적평균값을 관측값과 비교하여 평가지수를 산정하였다. 또한, LENS의 발령시간에 따르는 각 앙상블 멤버들의 정확성을 평가하였다. LENS는 멤버별로 과대 혹은 과소 예측의 불확실성을 보여줬다. 면적단위의 예측이 지점단위의 예측보다 더 높은 예측성을 보여주었다. 또한, 다가오는 72시간의 강우를 예측하는 LENS 자료는 수재해의 영향성이 있을 수 있는 강우 사상에 대하여 예측성능이 좋은 것으로 평가되었다. 추후 국지강우앙상블시스템(LENS) 자료는 행정구역 또는 유역면적 단위의 홍수 대비에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Shot Noise Process 기반 강우-유출 모형을 이용한 유출 앙상블 멤버 생성

강민석,조은샘,유철상 한국수자원학회 2019 한국수자원학회논문집 Vol.52 No.9

This study proposes a method to generate runoff ensemble members using a rainfall-runoff model based on the shot noise process (hereafter the rainfall-runoff model). The proposed method was applied to generate runoff ensemble members for three drainage basins of Daerim 2, Guro 1 and the Jungdong, whose results were then compared with the observed. The parameters of the rainfall-runoff model were estimated using the empirical formulas like the Kerby, Kraven II and Russel, also the concept of modified rational formula. Gamma and exponential distributions were used to generate random numbers of the parameters of the rainfall-runoff model. Especially, the gamma distribution is found to be useful to generate various random numbers depending on the pre-assigned relationship between mean and standard deviation. Comparison between the generated runoff ensemble members and the observed shows that those runoff ensemble members generated using the gamma distribution with its standard deviation twice of the mean properly cover the observed runoff. 본 연구에서는 shot noise process 기반 강우-유출 모형(이하 강우-유출 모형)을 이용하여 유출 앙상블 멤버를 생성하는 방법을 제안하였다. 아울러 제안된 방법을 적용하여 대림 2, 구로 1, 중동 빗물펌프장 등 3개 배수유역에 대한 유출 앙상블 멤버를 생성하고, 이를 관측 유출량과 비교해 보았다. 강우-유출 모형의 매개변수는 Kerby 공식, Kraven II 공식, Russel 공식 및 수정합리식의 개념을 이용하여 추정하였다. 강우-유출 모형 매개변수의 난수 발생을 위해서는 감마분포와 지수분포를 이용하였다. 특히, 감마분포의 경우에는 평균과 표준편차의 관계를 어떻게 설정하느냐에 따라 다양한 난수 발생이 가능함을 확인하였다. 생성된 유출 앙상블과 관측 유출량과의 비교 결과, 표준편차가 평균의 두 배인 감마 분포를 이용하여 만든 유출 앙상블이 관측 유출량을 가장 적절히 포괄함을 확인하였다.

감마분포 EBMA를 이용한 위성기반 강우강도 합성장 산출

김광진,이수진,김영호,김지원,하경자,이양원 대한공간정보학회 2017 대한공간정보학회지 Vol.25 No.4

Precipitation is a key parameter for water cycle and has an important role in hydrological studies. But it is difficult to express spatially and temporally continuous precipitation data from point-based in-situ observations because of the spatio-temporal variations of precipitation. Nowadays remotely sensed grid-based precipitation data draws attentions, but it also requires more improved data quality through ensemble techniques. This study aims to utilize the ensemble Bayesian model averaging(EBMA), which employs a weighting scheme for each member using posterior probability, in order to produce a more improved ensemble of rain rate from multi-satellite dataset and to evaluate the effect of accuracy improvement. We used rain rate dataset from the satellite sensors such as microwave humidity sounder(MHS), special sensor microwave imager/sounder(SSMI/S), and global precipitation measurement(GPM) microwave imager(GMI) as ensemble members and the dual-frequency precipitation radar(DPR) product as reference data. We combined gamma distribution and logistic regression by considering the characteristics of precipitation. The exponent of gamma distribution and logistic regression and the percentile threshold of the cumulative density function were set by optimization simulations. The validation statistics using the randomly sampled test dataset showed EBMA were superior to those of the general methods such as ensemble mean and median. Also, the overestimation and/or underestimation from satellite sensors were attenuated by EBMA. The EBMA method can be a viable option for the ensemble of various satellite products for hydrology and meteorology in addition to the rain rate. 강수는 물 순환의 핵심 인자로서 수문학 연구에 있어 매우 중요하다. 하지만 시공간적 변동이 심하여 점단위의 지상관측만으로는 광역적 및 연속적 강수를 나타내는 데에 어려움이 있다. 이에 원격탐사 기반의 격자형 강수자료가 주목받고 있으나, 이 또한 정확도 개선이 필요하기 때문에 다중위성 강수자료의 합성을 통한 품질향상이 요구되는 상황이다. 본 연구에서는 사후확률 기반의 멤버별 가중치를 적용하는 ensemble Bayesian model averaging(EBMA) 기법을 이용하여 다중위성 강우강도의 합성장을 산출하고 정확도 개선효과를 평가하고자 한다. 현재 운용중인 NOAA-18의 MHS, DMSP-F16의 SSMI/S, GPM의 GMI 강우강도 자료를 앙상블 멤버로 사용하였으며, 참조기준자료로는 GPM의 DPR 자료를 사용하였다. 강우자료의 분포특성을 고려하여 감마분포와 로지스틱회귀의 결합모형을 사용하였으며, 이때 사용될 제곱수(1/2)와 누적분포함수의 백분위수 경계값(70%)은 최적화 모의를 통하여 설정하였다. 랜덤샘플링을 통한 검증 결과, 일반적으로 사용되는 평균앙상블이나 중위수앙상블 방법보다 EBMA의 검증통계량이 우수한 것으로 나타났으며, 각 위성센서들에서 과대 및 과소 추정 경향을 보인 부분이 EBMA에 의해 일정정도 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제시한 EBMA 기법은 강우강도뿐 아니라 다른 수문 및 기상 분야 위성자료의 합성장 산출에도 사용이 가능하다고 사료된다.

레이더 추정강우의 수문학적 활용 2 : 불확실성 해석

김진훈,이경도,배덕효 한국수자원학회 2005 한국수자원학회논문집 Vol.38 No.12

본 연구에서는 관악산 레이더 자료로부터 소양강 유역에서 최적 추정된 레이더 강우로 준분포형 TOPMODEL의 적용성을 평가하고 Monte Carlo난수발생 기법과 연계한 앙상블 유량모의 기법을 구축하여 레이더 추정강우가 가질 수 있는 불확실성이 수문모형에 미치는 영향을 모형의 매개변수와 연계하여 분석하였다. 레이더 추정강우를 활용하여 소양강 유역의 유량계산을 2003년 7월의 사례기간 동안 수행한 결과 실시간 편차보정 기법으로 수정된 레이더 입력강우의 The present study analyzes hydrologic utilization of optimal radar-derived rainfall by using semi-distributed TOPMODEL and evaluates the impacts of radar rainfall and model parametric uncertainty on a hydrologic model. Monte Carlo technique is used to pro

댐 위험도 분석을 위한 수문학적 위험도 해석 모형 개발

소병진,권현한,김진영 한국방재학회 2012 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.11 No.-

현재 수문학적 댐 위험도 평가는 극한상황을 고려한 설계수문량과 같은 하중조건을 가정하여 댐의 안전을 판단하고 있다. 하지만 최근 증가하는 기상변동성을 능동적으로 고려하기 위해서는 확률·통계학적 수공구조물 안정성 평가기법을 기반으로 하는 위험도 해석 방안 수립이 요구된다. 본 연구에서는 소양강댐 유역에 12개 강우관측소에 공간상관성을 재현해주며 극치강우량의 변동성을 효과적으로 모의할 수 있는 불확실성을 고려한 Monte Carlo Simulation 모의를 실행하였다. 강우모의 기법을 통해 도출된 결과로 산출된 강수자료는 HEC-1 모형의 매개변수의 불확실성을 고려할 수 있는 Bayesian HEC-1 모형에 이용되었다. BHEC-1 모형을 통하여 산출된 10,000개의 Ensemble 자료를 댐 모의운영이 가능한 HEC-5 모형에 적용하였으며, 이때, 소양강 댐의 상시 만수위를 댐 초기수위로 적용하였으며, 소양강 댐의 여수로 수위-유량곡선을 이용한 일정률 조절방식을 홍수조절방식으로 채택하여 적용하였다. 본 연구는 기상변동성에 따른 강우에 불확실성을 고려하였으며, HEC-1 모형에 매개변수의 불확실성을 Bayesian 모형을 결합하여 정량화 하였으며, 여수로에 파괴에 따른 수위-유량곡선을 이용하여 여수로의 작동 여부에 따른 댐 운영 모의를 실시하여 강우 및 모의 모형과 댐에서 일어날 수 있는 상황을 고려하였다. 또한, 강우모의에서 저수지모의까지의 일련의 과정을 하나의 통합모형으로 구축하여 기존의 이분화된 모형 분석과정을 하나의 모형으로 통합하였다. 본 모형의 결과는 추후 댐 위험도 추정 도구인 ETA(Event Tree Analysis)에 수문학적 사건의 부하확률(Loading probability)로 이용될 수 있다.