Developing the vegetation drought response index for South Korea (VegDRI-SKorea) to assess the vegetation condition during drought events

Nam, Won-Ho,Tadesse, Tsegaye,Wardlow, Brian D.,Hayes, Michael J.,Svoboda, Mark D.,Hong, Eun-Mi,Pachepsky, Yakov A.,Jang, Min-Won TaylorFrancis 2018 International journal of remote sensing Vol.39 No.5

<P>South Korea has experienced severe droughts and water scarcity problems that have influenced agriculture, food prices, and crop production in recent years. Traditionally, climate-based drought indices using point-based meteorological observations have been used to help quantify drought impacts on the vegetation in South Korea. However, these approaches have a limited spatial precision when mapping detailed vegetation stress caused by drought. For these reasons, the development of a drought index that provides detailed spatial-resolution information on drought-affected vegetation conditions is essential to improve the country's drought monitoring capabilities, which are needed to help develop more effective adaptation and mitigation strategies. The objective of this study was to develop a satellite-based hybrid drought index called the vegetation drought response index for South Korea (VegDRI-SKorea) that could improve the spatial resolution of agricultural drought monitoring on a national scale. The VegDRI-SKorea was developed for South Korea, modifying the original VegDRI methodology (developed for the USA) by tailoring it to the available local data resources. The VegDRI-SKorea utilizes a classification and regression tree (CART) modelling approach that collectively analyses remote-sensing data (e.g. normalized difference vegetation index (NDVI)), climate-based drought indices (e.g. self-calibrated Palmer drought severity index (PDSI) and standardized precipitation index (SPI)), and biophysical variables (e.g. elevation and land cover) that influence the drought-related vegetation stress. This study evaluates the performance of the recently developed VegDRI-SKorea for severe and extreme drought events that occurred in South Korea in 2001, 2008, and 2012. The results demonstrated that the hybrid drought index improved the more spatially detailed drought patterns compared to the station-based drought indices and resulted in a better understanding of drought impacts on the vegetation conditions. The VegDRI-SKorea model is expected to contribute to the monitoring of drought conditions nationally. In addition, it will provide the necessary information on the spatial variations of those conditions to evaluate local and regional drought risk assessment across South Korea and assist local decision-makers in drought risk management.</P>

식생가뭄반응지수 (VegDRI)를 활용한 위성영상 기반 가뭄 평가

남원호,장민원,홍석영,Nam, Won-Ho,Tadesse, Tsegaye,Wardlow, Brian D.,Jang, Min-Won,Hong, Suk-Young 한국농공학회 2015 한국농공학회논문집 Vol.57 No.4

The development of drought index that provides detailed-spatial-resolution drought information is essential for improving drought planning and preparedness. The objective of this study was to develop the concept of using satellite-based hybrid drought index called the Vegetation Drought Response Index in South Korea (VegDRI-SKorea) that could improve spatial resolution for monitoring local and regional drought. The VegDRI-SKorea was developed using the Classification And Regression Trees (CART) algorithm based on remote sensing data such as Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) from MODIS satellite images, climate drought indices such as Self Calibrating Palmer Drought Severity Index (SC-PDSI) and Standardized Precipitation Index (SPI), and the biophysical data such as land cover, eco region, and soil available water capacity. A case study has been done for the 2012 drought to evaluate the VegDRI-SKorea model for South Korea. The VegDRI-SKorea represented the drought areas from the end of May and to the severe drought at the end of June. Results show that the integration of satellite imageries and various associated data allows us to get improved both spatially and temporally drought information using a data mining technique and get better understanding of drought condition. In addition, VegDRI-SKorea is expected to contribute to monitor the current drought condition for evaluating local and regional drought risk assessment and assisting drought-related decision making.

증발스트레스지수를 활용한 국내 돌발가뭄 감지

Lee, Hee-Jin,Nam, Won-Ho,Yoon, Dong-Hyun,Mark, D. Svoboda,Brian, D. Wardlow 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.8

가뭄은 수개월, 수년 이상에 걸쳐 서서히 발생 및 지속되며, 식생에 대한 피해가 발생할 때까지 확실한 인식이 어렵다. 최근에는 기후변화에 따른 기상이변 및 기온상승 등으로 인하여 가뭄의 발생빈도가 증가하고 있으며, 기상 이상으로 몇 주 또는 몇 달 이내 빠르게 발전하는 가뭄을 확인할 수 있다. '돌발가뭄(Flash Drought)은 일반적인 가뭄과 달리 비교적 짧은 기간 동안 표면온도의 상승과 비정상적으로 낮고 빠르게 감소하는 토양수분으로 인하여 식생에 대한 극심한 스트레스를 유발하면서 광범위한 작물 손실 및 용수공급 감소 등에 대한 피해를 야기하는 가뭄으로 정의된다. 짧은 기간의 급속하게 발생하는 (rapid-onset) 돌발가뭄은 발생원인인 토양수분함량의 감소와 강수의 부족, 낮은 습도, 고온 및 강풍 등으로 인한 증발 수요의 증가 등과 유사한 관계가 있기 때문에 농업 및 자연 생태계에 미치는 영향이 크며, 발생원인 또한 농업가뭄의 범주에 속하기 때문에 이에 대한 모니터링이 필수적이다. 본 연구에서는 증발산량을 활용한 위성영상 기반 가뭄지수인 증발스트레스지수(Evaporative Stress Index, ESI)를 활용하여 국내의 돌발가뭄 감지 조건을 제시하였으며, 표준강수지수, 토양수분, 최고기온, 상대습도, 풍속, 강수량 등과 비교를 통하여 돌발가뭄사상의 수문기상학적 특성에 대하여 분석하였다. 돌발가뭄 발생 이전 8주간을 기준으로 상관분석하였으며, ESI와 표준강수지수, 토양수분, 최고기온에 대하여 0.8(-0.8) 이상의 높은 상관관계를 보였다. 본 연구를 통하여 아직 명확하게 정의되지 않은 돌발가뭄에 대한 유형별 분석 및 국내 돌발가뭄의 수문기상학적 특성을 파악하였으며, 위성영상 기반 가뭄지수인 증발스트레스지수는 돌발가뭄사상의 모니터링에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Evaporative Stress Index (ESI)를 활용한 북한의 위성영상기반 농업가뭄 평가

이희진 ( Hee-jin Lee ),남원호 ( Won-ho Nam ),윤동현 ( Dong-hyun Yoon ),( Tsegaye Tadesse ),( Brian D. Wardlow ) 한국농공학회 2018 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2018 No.-

기후변화로 인한 전 세계적인 온난화 현상으로 인하여 농업에 직접적인 영향을 주는 기상 및 환경요인의 변화가 급격하게 진행됨에 따라 극심한 가뭄의 발생빈도가 높아지고 있는 추세이다. 기상청에서 발표한 통계에 따르면 2017년 우리나라 봄철 강수량이 평년 대비 50∼60% 수준으로 물 부족 현상을 야기하여 극심한 가뭄을 겪은 것으로 나타면서 농업 가뭄에 대한 다양한 접근과 새로운 가뭄지수 활용의 필요성이 대두되고 있다. 일반적인 가뭄 평가는 기상학적 가뭄지수인 표준강수지수 (Standardized Precipitation Index, SPI)와 시기별 강수량 및 유효토양수분량에 근거하여 가뭄을 판단하는 파머가뭄심도지수 (Palmer Drought Severity Index, PDSI)를 사용하고 있다. 이러한 가뭄지수들은 지점 자료를 기반으로 내삽기법을 통해 재 산정된 지도를 사용하여 공간 해상도 측면에서 한계를 가지고 있다. 위성 영상을 이용할 경우 주기적이고 동일한 정확도로 지상 자료의 획득이 가능하고 장기적인 변화관측이나 환경감시 등에 유용하며 시공간적으로 변화가 심한 요소의 관측과 광역적 접근이 가능하다. 현재 국내 농업분야 연구에 활용되고 있는 위성영상기반의 가뭄지표는 정규식생지수 (Nomalized Difference Vegetation Index, NDVI)와 Enhanced Vegetation Index (EVI), 식생가뭄반응 지수 (Vegetation Drought Response Index, VegDRI) 등이 있다. 잠재 증발산과 실제 증발산의 비를 이용한 위성영상기반 가뭄지수인 Evaporative Stress Index (ESI)는 SPI, PDSI 등과 비교하였을 때, 가뭄에 더 민감하고 빠른 반응을 보인다는 연구 결과로부터 짧은 기간의 급속하게 발생하는 Flash drought의 가뭄판단지표로 활용되고 있다. 데이터는 SERVIRGLOBAL(https://www.servirglobal.net)에서 4, 12주 단위로 전 세계 범위를 제공한다. 본 연구에서는 최근 3년간 북한 지역 가뭄발생을 확인하여 다양한 가뭄지수 (SPI, SPEI, EDDI)들과 ESI의 비교를 통해 북한의 가뭄 판단을 위한 위성 영상기반 가뭄 모니터링의 새로운 지표에 대한 적용성을 검토하고자 한다.

국내 돌발가뭄 사상의 메커니즘 분석

이희진(Hee-Jin Lee),남원호(Won-Ho Nam),윤동현(Dong-Hyun Yoon),마크 소보다(Mark D. Svoboda ),브라이언 월로우(Brian D. Wardlow ),제이슨 옥킨(Jason A. Otkin ) 한국방재학회 2022 한국방재학회논문집 Vol.22 No.3

돌발가뭄(Flash Drought)은 기후변화에 따른 기상 이상으로 인하여 기상 및 환경요인의 변화가 급격하게 나타나면서 단기간에 급속하게 발생하는(rapid-onset) 가뭄이다. 장기간 사전징후로 발생하는 일반적인 가뭄과 다르게 비교적 짧은 기간에 가뭄상황 및 피해가 발생하며, 식생에 대한 극심한 스트레스 유발로 인해 작물 손실 및 용수공급 감소 등에 대한 피해를 야기할 수 있기 때문에 이에 대한 모니터링이 요구된다. 본 연구에서는 증발산 기반 가뭄지수 증발스트레스지수(ESI), 증발수요가뭄지수(EDDI)를 활용하여 단기 가뭄 및 돌발가뭄을 평가하고, 우리나라에서 발생한 돌발가뭄 메커니즘에 대하여 분석하고자 한다. 2017년 발생한 극심한 봄 가뭄을 대상으로 ESI 및 EDDI를 분석하였으며, 기상학적 가뭄지수인 표준강수지수(SPI)보다 가뭄상황에 빠른 반응을 보이면서 가뭄 판단 능력을 확인하였다. 미국 가뭄 모니터링(USDM)에서 활용하는 가뭄단계를 기준으로 우리나라 돌발가뭄 감지 조건을 제시하고 평가하였으며, 2014년부터 2018년까지 5년 동안 7회의 돌발가뭄을 감지하였다. 수문기상학적 요소 중 토양수분 및 최고기온과 돌발가뭄에 대한 상관계수가 0.9 (-0.9) 수준의 강한 양(음)의 상관관계를 나타내었으며, 총일차생산량(GPP)을 활용한 탄소 변화 양상은 2018년 돌발가뭄이 발생한 지역에서 -60% 수준의 평균 대비 GPP 감소율을 나타내면서 다른 지역과의 큰 차이를 보였다. 본 연구의 결과는 두 가지 증발산 기반의 가뭄지수를 활용하여 국내 발생했던 돌발가뭄의 메커니즘을 분석하고 적용성을 평가하였으며, 향후 국내 돌발가뭄의 모니터링을 위한 지표로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다. A flash drought is a drought that occurs rapidly within a short period of time, owing to changes in weather and environmental factors that occur rapidly due to extreme weather caused by climate change. Drought damage occurs within a relatively short period of time, and extreme vegetation stress can damage crops due to reduced water supply. Thus, different monitoring methods are required for different drought types. In this study, ESI (Evaporative Stress Index) and EDDI (Evaporative Demand Drought Index) were calculated to evaluate the short-term drought and determine the mechanism that causes flash droughts. The ESI and EDDI both indicates faster responses to the 2017 spring drought event than the SPI (Standardized Precipitation Index), confirming their sensitive drought assessment abilities. A flash drought detection standard was established based on the drought category used in USDM (United States Drought Monitor), and seven flash drought events were detected in South Korea over 5 years (2014-2018). A correlation analysis indicates that, among the hydrometeorological factors, the correlation coefficients between soil moisture/maximum temperature and flash drought occurrence exhibited strong positive (negative) correlations (0.9 and -0.9, respectively). The carbon change pattern obtained using GPP (Gross Primary Productivity) differed, exhibiting a -60% average GPP reduction rate compared to three other regions (JB, CN, and CB) where flash droughts occurred in 2018. We focus our discussion on opportunities to extend flash drought detection and mechanism determination using two drought indices that must be addressed to improve flash drought monitoring in South Korea.

돌발가뭄에 의한 총일차생산량 변화 분석

이희진 ( Hee-jin Lee ),남원호 ( Won-ho Nam ),윤동현 ( Dong-hyun Yoon ),양미혜 ( Mi-hye Yang ),( Mark D. Svoboda ),( Brian D. Wardlow ) 한국농공학회 2021 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2021 No.-

Evaporative Stress Index (ESI)를 활용한 북한의 위성영상기반 농업가뭄 평가

이희진 ( Lee Hee-jin ),남원호 ( Nam Won-ho ),윤동현 ( Yoon Dong-hyun ),홍은미 ( Hong Eun-mi ),김대의 ( Kim Dae-eui ),( Mark D. Svoboda ),( Tsegaye Tadesse ),( Brian D. Wardlow ) 한국농공학회 2019 한국농공학회논문집 Vol.61 No.3

North Korea has frequently suffered from extreme agricultural crop droughts, which have led to food shortages, according to the Food and Agriculture Organization (FAO). The increasing frequency of extreme droughts, due to global warming and climate change, has increased the importance of enhancing the national capacity for drought management. Historically, a meteorological drought index based on data collected from weather stations has been widely used. But it has limitations in terms of the distribution of weather stations and the spatial pattern of drought impacts. Satellite-based data can be obtained with the same accuracy and at regular intervals, and is useful for long-term change analysis and environmental monitoring and wide area access in time and space. The Evaporative Stress Index (ESI), a satellite-based drought index using the ratio of potential and actual evaporation, is being used to detect drought response as a index of the droughts occurring rapidly over short periods of time. It is more accurate and provides faster analysis of drought conditions compared to the Standardized Precipitation Index (SPI), and the Palmer Drought Severity Index (PDSI). In this study, we analyze drought events during 2015-2017 in North Korea using the ESI satellite-based drought index to determine drought response by comparing with it with the SPI and SPEI drought indices.